ZXK-7532数控立式钻铣床主运动及控制系统设计说明书27.doc

第1章 机床总体说明

1.1 机床总体的尺寸参数
根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：
工作台宽度×长度 400×1600mm
主轴锥孔 7∶24
工作台最大纵向行程 300mm
工作台最大横向行程 375mm
主轴箱最大垂直行程 400mm
主轴转速级数 12级
主轴转速范围 30~1500r/min
X、Y轴步进电机 130BF001（反应式步进电动机）
Z轴步进电动机 130BF001（反应式步进电动机）
主电动机的功率 4.0KW
主轴电动机转速 1440r/min
机床外形尺寸（长×宽×高） 150×1200×2300mm
机床净重 500Kg
1.2 机床主要部件及其运动方式的说明
1.2.1 主运动的实现
因所设计的机床要求能进行立式的钻和铣，垂直方向的行程比较大,因而采用工作台不动,而主轴箱各轴向摆放为立式的结构布局；为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳，工作更可靠，主轴箱主要采用液压系统控制滑移齿轮和离合器变换齿轮的有级变速。
1.2.2 进给运动的实现
本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。
1.2.3 数字控制的实现
采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。
1.2.4 机床其它零部件的选择
考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。
1.3 本次设计的重点
本次设计着重与主运动及控制系统设计研究。详细的阐述主轴箱的利用磁离合器实现有级变速工作原理，及其采用单片机进行数字控制。

第2章 主传动的设计
2.1 议定转速图
2.1.1 确定结构式和结构网式：
1.主传动的确定，和公比Ф的确定：
根据ZJK-7532的使用说明书，初步定主轴转速范围为95～1600r／min，
则Ф＝=＝＝1.29 ………………………………(2.1)
由设计手册取标准值得：Ф=1.26。
令，则 ……………(2.2)
则取。
2.确定变速组和传动副数目：
大多数机床广泛应用滑移齿轮的变速方式，为了满足结构设计和操纵方便的要求，通常采用双联或三联滑移齿轮，因此主轴转速为12级的变速系统，总共需要三个变速组。
3.确定传动顺序方案：
按着传动顺序，各变速组排列方案有：
12＝3×2×2
12＝2×3×2
12＝2×2×3
从电机到主轴，一般为降速传动。接近电机处的零件，转速较高，从而转矩较小，尺寸也就较小。如使传动副较多的传动组放在接近电机处，则可使小尺寸的零件多些，而大尺寸的零件可以少些，这样就节省省材料，经济上就占优势，且这也符合“前多后少”的原则。从这个角度考虑，以取12=3×2×2的方案为好，本次设计即采用此方案。
4.确定扩大顺序方案：
传动顺序方案确定以后，还可列出若干不同扩大顺序方案。如无特殊要求，根据“前密后疏”的原则，应使扩大顺序和传动顺序一致，通常能得到最佳的结构式方案，故选用12＝××结构式方案。

检查最后扩大组的变速范围：
r=～10
故合符要求。
5.结构网图：
2.1.2 拟定转速图：
根据已确定的结构式或结构网议定转速图时，应注意解决定比传动和分配传动比，合理确定传动轴的转速。
① 定比传动
在变速传动系统中采用定比传动，主要考虑传动、结构和性能等方面的要求，以及满足不同用户的使用要求。在钻铣床的设计中，总降速比为u=125/1440=0.087。若每一个变速组的最小降速比均取1/4。则三个变速组的总降速可达。故无需要增加降速传动，但为了使中间两个变速组做到降速缓慢，以利于减小变速箱的径向尺寸和有利于制动方便，在Ⅰ－Ⅱ轴间增加一对降速传动齿轮（），同时，也有利于设计变型机床，因为只要改 变这对降速齿轮传动比，在其他三个变速组不变的情况下，就可以将主轴的12种转速同时提高或降低，以便满足不同用户的要求。
② 分配降速比
前面已确定，12＝3×2×2共需三个变速组，并在Ⅰ－Ⅱ轴间增加一对降速传动齿轮，要用到四个变速组，在主轴Ⅴ上标出12级转速：125～1600r/min,在第Ⅰ轴上用A点代表电动机转速，最低转速用E点标出，因此A,E两点相距约11格，即代表总降速传动比为。
③ 定出各变速组的最小传动比
根据降速前慢后快的原则，在Ⅳ－Ⅴ轴间变速组取，在Ⅲ－Ⅳ轴间变速组取，在Ⅱ－Ⅲ轴间变速组取，则：

根据结构式可知：Ⅱ～Ⅴ轴间变速组的级比指数分别为：1，3，6。传动副为：3，2，2。则画出上图的转速图。

2.1.3 确定各齿轮的齿数：
在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大噪声，所以在设计时要把齿数和控制在；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数，因而齿轮的齿数和不应过小。
在Ⅳ－Ⅴ轴间：∵
则可查表1.58和2.51两行
又∵而最小齿轮的齿数是在的齿轮副中，令
则等，∵在高速轴中尽量使齿轮的几何尺寸小一点以减小主轴的尺寸，所以可取
∴ 可查出：，
，
同理：① 且查得….
取 则查得：，
，
②
查得：
∵ 三联滑移齿轮中的最大齿数与次大齿数之差必须要大于或等于4，则必需有
又∵ 前传动轴的转速高，扭矩小，一般传动件的尺寸要小一些，因而齿数和可取比前一级变速组小
用计算法：取，则
则
∴
0
③ ∵ 取
则
滑移齿轮齿数的验算：在三联滑移齿轮中，为了确保其左右移动时能顺利通过，不致相碰，则必须保证三联滑移齿轮的次大齿轮与最大齿轮的配对齿轮不相碰（最大齿轮布置在中间），即：

又∵
则必须保证：
∵从上面计算可知：
则 这与要求不符。
但是∵Ⅲ与Ⅳ都采用了离合器，使齿轮和的距离拉大了，因而在滑移齿轮在移动过程中不存在相碰的情况，
∴三联滑移齿轮在这个设计里是可以实现的。
2.1.4 传动系统图的拟定：
根据以上分析及计算，拟定如下传动系统图：

2.2主传动主要零件的强度计算：
2.2.1电动机的选择
1. 电动机的功率计算
钻头材料选用W18Cr4V,
根据加工要求选用钻头直径D＝25mm，
则查表得进给量S＝0.39～0.47mm，
根据钻孔切削用量表查得：n＝377r/min，M=8580N·m
则 ……………………………(2.3)
2. 电动机参数的选择
在选择电动机时，必须使得P≥P，根据这个原则，查《机械设计手册》选取Y112M-4型电动机，其基本参数如下（单位为mm）：
A=190 B=140 C=70 D=28 E=60 F=8
G=24 H=112 K=12 AB=245 AC=230
AD=190 HD=265 BB=180 L=400
2.2.2齿轮传动的设计计算
由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产效率高、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮传动也能满足设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成本，本次设计都选用7-6-6的精度。具体设计步骤如下：
1、模数的估算：
按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。
齿轮弯曲疲劳的估算公式：
mm （式中即为齿轮所传递的功率） …………（2.4）
齿面点蚀的估算公式：
mm （式中即为齿轮所传递的功率）……………（2.5）
其中为大齿轮的计算转速，为齿轮中心距。
由中心距及齿数求出模数：
mm ……………………………………………………(2.6)
根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。
前面已求得各轴所传递的功率，各轴上齿轮模数估算如下：
第一对齿轮副 ∵
∴ mm
mm
mm
所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为mm
第二对齿轮副 ∵
∴ mm
mm
mm
所以，第二对齿轮副传动的齿轮模数应为mm
第三对齿轮副 ∵
∴ mm
mm
mm
所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为mm
第四对齿轮副 ∵
∴ mm
mm
mm
所以，第四对齿轮副传动的齿轮模数应为mm
综上所述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，但因为Ⅴ轴的转速比较小，扭矩比较大，为了增加其强度和在主轴上能起到飞轮的作用，需增加Ⅴ轴齿轮的几何尺寸。所以，本次设计中在Ⅰ～Ⅳ间各个齿轮模数均为=2.5mm，在Ⅴ轴上就取。
2、齿轮分度圆直径的计算
根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计算公式可得各个传动副中齿轮的分度圆直径为：

3、齿轮宽度B的确定
齿宽影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均匀，反儿容易引起振动和噪声。一般取B=（6~10）m。本次设计中，取主动齿轮宽度B=8m=8×2.5=20mm(在最后一对齿轮啮合取也取B=7m≈20)，则与其啮合的从动齿轮的宽度一致。而取多联齿轮的宽度B=8m=8×2.5=20mm，为了使啮合更容易和平稳，则与其啮合的从动齿轮的宽度要小一点，取B’=6m＝6×2.5＝15mm。
4、齿轮其他参数的计算
根据《机械原理》中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式及相关参数的规定，齿轮的其它参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不在一一计算。
5、齿轮结构的设计
不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构的要求也不同，7级精度的齿轮，用较高精度的滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。因此，需要淬火的7级齿轮一般滚或插后要剃齿，使精度高于7级，或者淬火后再珩齿。6级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须才能达到6级。机床主轴箱中的齿轮齿部一般都需要淬火。
6、齿轮的校核（接触疲劳强度）：
∵ 计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数,动载荷系数,齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数，即：

=1.25×1.07×1.1×1.12=1.65 ……………………………(2.7)
查表得：=0.88 =2.5 =189.8
= …………………………………(2.8)
将数据代入得：1100mpa
齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力。其它齿轮也符合要求，故其余齿轮不在验算，在此略去。
2.3 轴的设计计算
2.3.1各传动轴轴径的估算
滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的设计是在初步计算轴径的基础上进行的，因此先要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法用下列公式进行估算。
………………………………………………(2.9)
对于空心轴，则
……………………………………………(2.10)
式中，——轴传递的功率，kW；
——轴的计算转速，r/min；
——其经验值见表15-3；
取β的值为0.5。
（1）、计算各传动轴传递的功率P
根据电动机的计算选择可知，本次设计所选用的电动机额定功率各传动轴传递的功率可按下式计算：
…………………………………………(2.11)
——电机到传动轴之间传动效率；
由传动系统图可以看出，本次设计中采用了联轴器和齿轮传动，则各轴传递的功率为：
=0.96， =0.93， =0.904 =0.877 所以，各传动轴传递的功率分别为：

3.509
(2) 估算各轴的最小直径
本次设计中，考虑到主轴的强度与刚度以及制造成本的经济性，初步选择主轴的材料为40Cr，其它各轴的材料均选择45钢，取A0值为115，各轴的计算转速由转速图得出：
n1j=1002r/min, n2j=631r/min, n3j=315r/min, n4j=250r/min, 所以各轴的最小直径为：

在以上各轴中，每根轴都开有平键或花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径增大5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为：
=18, =23, =34, =46
2.3.2 各轴段长度值的确定
各轴段的长度值，应根据主轴箱的具体结构而定，且必须满足以下的原则：
（1）、应满足轴承及齿轮的定位要求；
（2）、应满足滑移齿轮安全滑移的要求；
2.3.3 轴的刚度与强度校核
根据本次设计的要求，需选择除主轴外的一根轴进行强度校核，而主轴必须进行刚度校核。在此选择第Ⅲ根轴进行强度校核。
（1）、第三根轴的强度校核
1)、轴的受力分析及受力简图
由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过齿轮传递过来，而后通过一个三联齿轮将动力传递到下一根轴。其两端通过一对角接触球轴承将力转移到箱体上去。由于传递的齿轮采用的直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以只要校核其在xz平面及yz平面的受力。轴所受载荷是从轴上零件传来的，计算是，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。其受力简图如下：
在xz平面内：
在yz平面内：
2）、作出轴的弯矩图
根据上述简图，分别按xz平面及yz平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出两个平面的上的弯矩图。
在xz平面内，根据力的平衡原理可得：
R1+R2+Ft2=Ft1 …………………………………………………(2.12)
将各个力对R1取矩可得：
Ft1×a=Ft2×（l-b）+R2×l ……………………………………(2.13)
∵ Ft1=2/d7 ………………………………………………(2.14)
Ft2=2/d11 ……………………………………………… (2.15)
由以上两式可解出：
R1=Ft1（l-a）/l-Ft2×b/l ……………………………………(2.16)
R2=Ft1×a/l-F2xz+Ft2×b/l …………………………………… (2.17)
由于有多个力的存在，弯矩无法用一个方程来表示，用x来表示所选截面距R1的距离，则每段的弯矩方程为：
在AB段： M=R1×x （a≥x≥0）
在BC段： M=R1×（a+x）-Ft1×x （l-b≥x≥a）
在CD段： M=R2（l-x） （l≥x≥l-b）
则该轴在xz平面内的弯矩图为：
同理可得在yz平面内的弯矩图为：

3)、作出轴的扭矩图
由受力分析及受力简图可知，该轴只在yz平面内存在扭矩。其扭矩大小为：
T1=Ft1·r7 T2=Ft2·r11 …………………(2.18)
则扭矩图为：

4）、作出总的弯矩图
由以上求得的在xz、yz平面的弯矩图，根据M=可得总的弯矩图为：

5）、作出计算弯矩图
根据已作出的总弯矩图和扭矩图，则可由公式Mca=求出计算弯矩，其中α是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生应力的循环特性差异的系数，因通常由弯矩产生的弯曲应力是对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环的变应力，故在求计算弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。即当扭转切应力为静应力时，取α≈0.3；扭转切应力为脉动循环变应力时，取α≈0.6；若扭转切应力也为对称循环变应力时，则取α=1。应本次设计中扭转切应力为静应力，所以取α≈0.3，则计算弯矩图为：
6）、校核轴的强度
选择轴的材料为45钢，并经过调质处理。由机械设计手册查得其许用弯曲应力为60MP，由计算弯矩图可知，该轴的危险截面在B的作用点上，由于该作用点上安装滑移齿轮，开有花键，由机械设计可查得其截面的惯性矩为：
W= [πd4+（D-d）（D+d）2zb]/32D …………………………………………(2.19)
其中z为花键的数目，在本次设计中，z=6，D=28mm，d=23mm， b=6mm
所以其截面的惯性矩为W=524.38mm3
根据标准直齿圆柱齿轮受力计算公式可得圆周力与径向力：
Ft=2T1/d1 Fr=Ft×tgα ……………………………(2.20)
其中T1为小齿轮传递的扭矩，N·mm；α为啮合角，对标准齿轮，取α=20；而Ft与Fr分别对应与xz平面及yz平面的力。各段轴的长度可从2号A0图中得出，则根据前面的公式可得出该轴危险截面的计算弯矩为：Mca=25014.22N·m，则该轴危险截面所受的弯曲应力为：δca=25014.22/524.38≈47.7MP≤60MP，所以该轴的强度满足要求。
（2）、主轴的刚度校核
1）、主轴材料的选择
考虑到主轴的刚度和强度，选择主轴的材料为40Cr，并经过调质处理；
2）、主轴结构的确定
①主轴直径的选择
根据机床主电机功率来确定(参考《金属切削机床》（下）的154页)：
∵ P＝4KW，属于中等以上转速，中等以下载荷的机床
∴可取
②主轴内孔直径
………………………(2.21)
其中 ，----空心主轴的刚度和截面惯性矩
K, I ----实心主轴的刚度和截面惯性矩
当则主轴的刚度急剧下降，故取<0.7
主轴的结构应根据主轴上应安装的组件以及在主轴箱里的具体布置来确定，主轴的具体结构已在三维图上表达清楚，在此不在绘出。
其中： D=31.750
d＝18 L=73
3）、主轴的刚度验算
①轴的变形和允许值
轴上装齿轮和轴承处的绕度和倾角（y和）应该小于弯曲变形的许用值
即y
轴的类型
（mm）
变形部位
（rad）
一般传动轴
4.0003~0.0005l
装向心轴承处
0.0025
刚度的要求较高
-0.0002l
装齿轮处
0.001
安装齿轮轴
（0.01~0.00）m
装单列圆锥滚子轴承
0.006
其中：L表跨距，m表模数
②轴的变形计算公式
计算轴本身弯曲变形产生的绕度y及倾角时，一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁。按材料力学相关公式计算，主轴的直径相差不大且计算精度要求不高的时候，可把轴看作等径轴，采用平均直d来计算，计算花键时同样选择用平均直径
圆轴： d ……………………………………………………(2.22)
惯性矩： I= ……………………………………………………(2.23)
矩形花键轴： d1= ………………………………………………(2.24)
………………………………………………(2.25)
惯性矩： ……………………………(2.26)
③轴的分解和变形合成
对于复杂受力的变形，先将受力分解为三个垂直面上的分力，应用弯曲变形公式求出所求截面的两个垂直平面的和y。然后进行叠加，在同以平面内的可进行代数叠加，在两平面内的按几何公式，求出该截面的总绕度和总倾角
④危险工作面的判断
验算刚度时应选择最危险的工作条件进行，一般时轴的计算转速低传动齿轮的直径小，且位于轴的中央时，轴受力将使总变形剧烈，如对：二、三种工作条件难以判断那一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值和y。
⑤ 提高轴刚度的一些措施
加大轴的直径，适当减少轴的跨度或增加第三支承，重新安排齿轮在轴上的位置改变轴的布置方位等。
⑥ 轴的校核计算
轴的计算简图在xz平面内：

同理可得在yz平面内的受力图，在此不在画出。
主轴的传动功率：
P主==3.513KW ……………………………………………(2.27)
主轴转矩： T主==156900 ……………………(2.28)
支点上的力： ……………………(2.29)
………………………(2.30)
根据弯矩平衡：
…………(2.31)
求得：RHE=-84.9
根据力得平衡：
则弯矩图为：

2）垂直平面得弯矩图：
=951.71N ……………………………………………(2.32)
=761.4N ……………………………………………(2.33)
根据平面内得弯矩平衡有：
……………………(2.34)

再根据力得平衡：
则可得B、C点得弯矩图：

在B点和C 点为最危险截面，要满足要求，B、C点满足即可，在B、C截面得弯矩为：
=803403.1N·㎜ ……………………………(2.35)
=675702.3 N·㎜ ……………………………(2.36)
扭矩图为：

经分析可知B所在得位置为最危险截面，只要B满足条件即可，则刚度满足。
计算弯矩
………………………………………(2.37)
=862517.2 N·㎜
轴得抗弯截面系数为：
……………………………………(2.38)
53.96 …………………………………(2.39)
故满足第三强度理论
刚度验算：
在水平面内，单独作用时：
………………………………………(2.40)
=
=-0.02598mm
其中I==2747500 …………………………………(2.41)
在单独作用下：
…………………………………………(2.42)
=
=-0.0182mm
在两力得共同作用下：
…………………………………………(2.43)
在垂直面内有(在单独作用时)
………………………………………………(2.44)
=
=-0.0072mm
其中I==2747500 …………………………………………(2.45)
在单独作用下：
………………………………………………(2.46)
=
=-0.0182mm
在两力得共同作用下：
………………………………………(2.47)
故在共同作用下，x处为危险截面，其最大绕度为
…………………………………(2.48)
而一般的刚度
=0.21~0.35mm
故符合刚度要求，其转角就不验算了。
1）下面校核由Ⅴ传到主轴时的强度，刚度，校核，
主轴的传动功率：P主==5.9974KW ………………………(2.49)
主轴转矩：T主==143188Nmm …………………………(2.50)
支点上的力： …………………………(2.51)
………………………(2.52)
根据弯矩平衡：
………………………………(2.53)
求得：RHE=-244.9N
根据力得平衡：
2）垂直平面得弯矩：
=868.6N ………………………………………………(2.54)
=501.1 N ……………………………………………(2.55)
根据平面内得弯矩平衡有：
…………………………………(2.56)

再根据力得平衡：
则可得B、C点得弯矩图：
在B点和C 点为最危险截面，要满足要求，B、C点满足即可，在B、C截面得弯矩为：
=110489.6N·㎜ ……………………………(2.57)
=708402.5 N·㎜ ……………………………(2.58)
扭矩图为：
经分析可知B所在得位置为最危险截面，只要B满足条件即可，则刚度满足。
计算弯矩
=942100 N·㎜ …………………………(2.59)
轴得抗弯截面系数为：
……………………………………(2.60)
=58.94 ………………………………………(2.61)
故满足第三强度理论
刚度验算：
在水平面内，单独作用时：
………………………………………………(2.62)
=
=-0.018147mm
其中I==2747500 ………………………………………(2.63)
在单独作用下：
………………………………………………(2.64)
=
=-0.00551mm
在两力的共同作用下：
………………………………………(2.65)
在垂直面内有(在单独作用时)
………………………………………………(2.66)
=
=-0.0066mm
其中I==2747500 …………………………………………(2.67)
在单独作用下：
………………………………………………(2.68)
=
=-0.001515mm
在两力得共同作用下：
…………………………………………(2.69)
故在共同作用下，x处为危险截面，其最大绕度为
……………………………………(2.70)
而一般的刚度=0.21~0.35mm
故符合刚度要求，其转角就不验算了。
2.4离合器的选用
离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合，对离合器的要求有：接合平稳，分离迅速彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小；耐磨性好和有足够的散热能力；操作方便省力。离合器的类型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。根据设计要求，我选用了电磁式摩擦片离合器。根据经验值；。

第3章 控制系统的设计

4.1控制系统总体方案的拟定.
机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成.控制系统的控制对象主要包括各种机床,如车床、铣床、磨床等等.控制系统的基本组成如下图所示:
通信接口
软件

微

机
步进电机驱动电路
步进电机

机

床

开关量控制电路
主运动驱动电路
主轴电动机

4.2总控制系统硬件电路设计
1.单片机的设计
(1)MCS-51系列单片机的设计
MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存贮器、数据存贮器、I/O口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外接EPROM程序存贮器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分。
a.电源及时钟引脚
此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。
电源引脚接入单片机的工作电源。
Vcc（40脚）：接+5V电源。
Vss（20脚）：接地。
时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。
XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。
b.控制引脚
它包括RST、ALE、、等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。
RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为≤0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（（5±0.5）V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。
ALE/（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。
（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的信号不出现。同样可以驱动8个TTL负载。
/Vpp（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。对8031来说，因其无内部程序存贮器。所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。
c.输入/输出引脚
输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。
P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。
P1口（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。
P2口（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。
P3口（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。
(2)MCS-51单片机的时钟电路
时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏.MCS-51片内有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端,该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器,产生的时钟送至单片机内部的各个部件.单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种,大多单片机应用系统采用内部时钟方式.
最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路,不论是HMOS还是CHMOS型单片机,其并联谐振回路及参数相同.如下图所示:

MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz-24MHz之间可以选择,一般取11.0592MHz.电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响.C1、C2可在20pF-100pF之间选择,一般当外接晶体时典型取值为30pF,外接陶瓷谐振器时典型取值为47pF,取60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性.
在设计印刷电路板时,晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠的工作.为了提高温度稳定性,应采用NPO电容.
(3)MCS-51单片机的复位电路
计算机在启动运行时都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作.
单片机的复位都是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效.它是施密特触发输入,当振荡器起振后,该引脚上出现两个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平,使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51便保持复位状态.此时ALE ,,P0,P1,P2,P3口都输出高电平.RST变位低电平后,退出复位状态,CPU从初始状态开始工作.复位操作不影响片内RAM的内容.
MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式.通常因为系统运动等的需要,常常需要人工按钮复位,如下图所示:

对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻,故电阻R2可不接.单片机在上电瞬间,RC电路充电,RST引脚端出现正脉冲,只要RST端保持两个机器周期以上的高电平(因为振荡器从起振到稳定大约要10ms),就能使单片机有效复位.当晶体振荡频率为12MHz时,RC的典型值为C=10μF,R=8.2KΩ.简单复位电路中,干扰信号易串入复位端,可能会引起内部某些寄存错误复位,这时可在RST引脚上接一去耦电容.
上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路,按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平,从而使单片机复位.
4.2.2 系统的扩展
在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存贮器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存贮器。这种扩展就是配置外部存贮器（包括程序存贮器和数据存贮器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口