万能铣床PLC控制系统设计Word格式文档下载.docx

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本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表

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（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见）

毕业设计（论文）评阅成绩（百分制）：

评阅结论：

（同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）

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评阅时间

论文原创性声明

本人郑重声明：

本人所呈交的本科毕业论文《万能铣床PLC控制系统设计》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。

论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。

对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。

本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。

论文作者（签字）：

马燕宝

日期：

2011年9月20日

摘要

随着科学技术的进步，尤其是电子技术的发展，自动化已经遍布我们的生活。

自动化技术的提高能大幅度的提高经济效益，这在包装业中表现的特别明显。

近年来，铣床的自动化、电子监测和控制系统持续发展，使的铣床拥有强大的加工能力,能进行高速和承受重负荷的切削工作，齿轮加工。

适合模具特殊钢加工、矿山设备、产业设备等重型大型机械加工。

以及产品损耗减少、工伤和老毛病降低等优点而获得出色的成绩。

本文主要对自动装箱控制系统进行研究，对所用到的各个器件的功能进行了详细的介绍。

论文先将设计的总体思路做了具体的概括，万能铣床底座、机身、工作台、中滑座、升降滑座等主要构件均采用高强度材料铸造而成，并经人工时效处理，保证机床长期使用的稳定性。

主电路部分采用803174LS3732764组成了一个单片机最小系统。

为了读键盘给定值，及完成检测和控制，该设计专门扩展一个8155可编程接口及程序存储器EPROM2764。

对各控制进行程序编制，这样软硬件结合的方式完成整个万能铣床PLC控制系的设计。

通过对此题目的设计可以把大学三年所学的专业知识融会贯通于实际并能锻炼独立思考的能力,经过对我们的锻炼必然成为未来自动化技术的骨干，也将为中国的发展贡献一份力量。

也使得我们能适应未来中国以及世界自动化技术的发展趋势。

关键词：

1、80312、81553、27644、万能铣床

目录

一、绪论6

二、设计构思…………………………………………………………………..………….7

三、单片机的概述……………………………………………………………..………….9

3.1单片机的内部结构9

3.1.1存储器……………………………………………………………………………………………….9

3.2.2中央处理器（CPU）……………………………………………………………………………..10

3.2.3I/O接口…………………………………………………………………………………………….11

3.2.4内部总线…………………………………………………………………………………………..11

3.2.5定时器/计数器…………………………………………………………………………………….12

四、单片机控制系统硬件结构………………………………………………………….14

4.1CPU的选取……………………………………………………………………………………………...14

4.2单片机的选择…………………………………………………………….14

4.3.18031单片机的基本机构…………………………………………………………………………………..15

4.4单片机复位状态与复位电路19

4.5接口电路20

4.5.1I/O接口…………………………………………………………………………………………….21

4.5.2I/O接口的作用…………………………………………………………………………………….21

4.5.3I/O接口的类型…………………………………………………………………………………….22

4.6程序存储器2764芯片介绍22

4.78155内部结构和引脚功能25

4.7.18155内部结构……………………………………………………………………………………...25

4.7.28155具体引脚功能…………………………………………………………………………………26

五、结论............................................................................................................................29

参考文献………………………………..………………………………………………....30

一、绪论

自动控制技术在现代的工业技术中编演着越来越重要的角色，在经济快速发展的中国，当然更加需要高技术自主的技术体系，在此过程中更加人性化的工作条件和创造更多的价值使得远程控制也得到相结合的发展。

为我国的经济和社会的全面发展和进步奠定了坚实的经济基础

利用单片机最小系统实现该自动化生产过程是本次设计的重点。

因此，本次设计采用了MCS-51系列的单片机为控制器件，因为在价格与性能方面它都比较符合设计的需要，但是8031内部没有存储器，如果采用8031则要外扩展存储器才能实现数据的存储问题。

其次，要通过键盘与显示器来实现数据的显示与监控，可利用8155或8255并行接口连接。

在选用芯片的过程当中，8155和8255都具有类似的功能，在该系统中，往往需要同时使用键盘与显示器，为了简化电路，把键盘与显示器接在了一起，构成了键盘与显示器混合接口电路。

可通过8155的PB口用于给定值和产品计数显示，PA口读键盘的给定值，PC口高四位为输入方式，用语检测光电管和START、STOP的两个键值的状态。

通过P4口和P5口连接电机的控制装置，是利用SSR固态继电器实现的，SSR成功地实现了弱信号（Vsr）对强电（输出端负载电压）的控制。

最后，通过P7口连接报警装置，如出现电机方面的故障或系统内部的故障时进行报警，通常，8031连接驱动装置进行报警系统的设置，本设计中，利用了声光报警电路实现的。

主电路部分采用了单片机最小系统。

为了读键盘给定值，及完成检测与控制，为设了扩展存储器，对各控制进行编程，采用软件与硬件接合的方法完成整个自动装箱控制系统的设计。

二、设计构思

1、万能铣床底座、机身、工作台、中滑座、升降滑座等主要构件均采用高强度材料铸造而成，并经人工时效处理，保证机床长期使用的稳定性。

2、机床主轴轴承为圆锥磙子轴承，万能铣床主轴采用三支承结构，主轴的系统刚度好，承载能力强，且主轴采用能耗制动，制动转矩大，停止迅速、可靠。

3、工作台水平回转角度±

45°

，拓展机床的加工范围。

万能铣床主传动部分和工作台进给部分均采用齿轮变速结构，调速范围广，变速方便，快捷。

4、工作台X/Y/Z向有手动进给、机动进给和机动快进三种，万能铣床进给速度能满足不同的加工要求；

快速进给可使工件迅速到达加工位置，加工方便、快捷，缩短非加工时间。

5、万能铣床X、Y、Z三方向导轨副经超音频淬火、精密磨削及刮研处理，配合强制润滑，提高精度，延长机床的使用寿命。

6、润滑装置可对纵、横、垂向的丝杠及导轨进行强制润滑，减小机床的磨损，保证机床的高效运转；

同时，万能铣床冷却系统通过调整喷嘴改变冷却液流量的大小，满足不同的加工需求。

7、万能铣床机床设计符合人体工程学原理，操作方便；

万能铣床操作面板均使用形象化符号设计，简单直观。

8、床身用来固定和支承铣床各部件。

顶面上有供横梁移动用的水平导轨。

前壁有燕尾形的垂直导轨，供升降台上下移动。

内部装有主电动机，主轴变速机构，主轴，电器设备及润滑油泵等部件。

9、横梁横梁一端装有吊架，用以支承刀杆,以减少刀杆的弯曲与振动。

横梁可沿床身的水平导轨移动，其伸出长度由刀杆长度来进行调整。

10、主轴是用来安装刀杆并带动铣刀旋转的。

主轴是一空心轴，前端有7:

24的精密锥孔，其作用是安装铣刀刀杆锥柄。

11、纵向工作台纵向工作台由纵向丝杠带动在转台的导轨上作纵向移动,以带动台面上的工件作纵向进给。

台面上的T形槽用以安装夹具或工件。

12、横向工作台横向工作台位于升降台上面的水平导轨上，可带动纵向工作台一起作横向进给。

13、转台转台可将纵向工作台在水平面内扳转一定的角度（正、反均为0～45o），以便铣削螺旋槽等。

具有转台的卧式铣床称为卧式万能铣床。

14、升降台可以带动整个工作台沿床身的垂直导轨上下移动,以调整工件与铣刀的距离和垂直进给。

15、底座底座用以支承床身和升降台，内盛切削液。

以下就是万能铣床PLC控制系统的主程序流程框图：

图2.1万能铣床控制系统结构框图

三、单片机的概述

单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。

单片微型机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

CPU（中央处理器）、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相组合，便可成为一个单片机控制系统。

3.1单片机的内部结构

与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。

微型计算机是由中央处理器（CPU）芯片、ROM芯片、RAM芯片和I/O接口芯片等通过印刷电路板是总线（地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB）连成一体的完整计算机系统。

其中，中央处理器（CPU）的字长长，功能强大；

ROM和RAM的容量很大；

I/O接口的功能也大，这是单片机无法比拟的。

因此，单片机在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此得名。

下面对本次设计中用到的单片机主要部件进行逐一介绍。

3.1.1存储器

在单片机内部，ROM和RAM存储器是分开制造的。

通常，ROM存储容量较大，RAM存储器的容量比较小，这是单片机用于控制的一大特点。

（1）ROMROM（只读存储器）一般为1~32K字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。

由于单片机主要主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序已定型，为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内ROM中。

（2）RAM通常单片机内RAM（随机存取存储器）容量为65~256字节，最多可达48K字节。

RAM主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲之用。

ROM和RAM的内部结构大致相同，所不同的是存储每位二进制数码的基本电路不同。

3.2.2中央处理器（CPU）

中央处理器的内部结构极其复杂，要像电子线路那样化除它的全部电原理图来加以分析介绍是根本不可能的。

其模型机框图如下：

....

地址线

数据线

图3.1模型CPU结构框图

（1）运算器运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；

其操作顺序在控制器控制下进行。

运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器R0、暂存器TMP和状态寄存器PSW等五部分组成。

累加器A是一个具有输入/输出能力的移位寄存器，由8个触发器组成。

累加器A在加法钱用语存放一个操作数，加法操作后用于存放两数之和，以便再次累加，故此得名。

TMP，也是一个8位寄存器用于暂存另一操作数。

ALU，主要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累加器A和暂存器TMP中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。

PSW也由8位触发器组成，用于存放ALU操作过程中形成的状态。

（2）控制器控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢。

控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。

指令部分：

是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。

通常由PC（程序计数器）、日（指令寄存器）和ID（指令译码器）等三部分组成。

指令是一种能供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分。

指令不同，相应的代码长度不一样。

因此，指令可分为单字节、双字节和三字节指令。

指令寄存器IR有8位长,用于存放从存储器中取出的当前要执行指令的指令码。

时序部件:

由时钟系统和脉冲分配器组成,用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。

其中,时钟周期（ClockSystem）产生的时钟脉冲序列,脉冲分配器（PulseDistributor）又称“节拍发生器”,用于产生节拍电位和节拍脉冲。

微操作控制部件:

可以为ID输出信号配上节拍电位和节拍脉冲,也可以与外部进来的控制信号组合,共同形成相应的微操作控制序列,以完成规定的操作。

总之,CPU是单片机的核心部件,它通过由上述的运算器、控制器和中断电路等组成。

CPU进行算术运算和逻辑操作的字长同样有4位、8位、16位和32位之分,字长越长运算速度越快,数据处理能力也就越强。

3.2.3I/O接口

I/O接口电路有串行和并行两种。

I/O串行通信,它可以把单片机内部的并行8位数据（8位机）变成串行数据向外传送,也可以串行接]收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给CPU处理。

I/O并行通信,并行I/O接口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送8位数据（8位机）。

3.2.4内部总线

单片机内部总线是CPU连接片内各主要部件的纽带,是各类信息传送的公共通道.内部总线主要由三中不同性质的连线组成,它们是地址线、数据线和控制状态线。

地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号，通常由CPU发出并被存储器或I/O接口电路所接收。

数据线用来传送CPU写入存储器或经I/O借口读入的数据。

因此，数据线通常是双向信号线。

控制/状态线有两累：

一类是CPU发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；

另一类是存储或外设的状态信息，如外设的中断请求、存储器忙和复位信号等。

3.2.5定时器/计数器

定时器/计数器是一个二进制的加1计数器，当计数器计满回零时能自动产生溢出中断请求，表示定时时间已到或计数已经终止。

内部定时计数器/计数器的控制主要是通过TCON和TMOD两个特殊功能存储器实现的。

（1）定时器控制寄存器TCON

定时器控制寄存器TCON是一个8位寄存器，各位定义如图所示，TR0和TR1分别用于控制内部定时器/计数器T0和T1的启动和停止，TF0和TF1用于标志T0和T1计数器是否产生了溢出中断请求。

T0和T1计数器的溢出中断请求还受中断允许寄存器IE中EA、ET0和ET1状态的控制。

D8D7D6D5D4D3D2D1D0

TCON

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT

IE0

IT0

位地址

8F

8E

8D

8C

8B

8A

89

88

图3.2定时器控制寄存器TCON各位定义

（2）定时器方式寄存器TMOD

定时器方式寄存器TMOD的地址为89H，CPU可以通过字节传送指令来TMOD中各位的状态，但不能用位寻址令改变。

TMOD中各位定义如图所示。

图中，M1和M0为方式控制位，C/（T非）为定时器/计数器的模式控制位，GATE为门控位。

GATE

C/T非

M1

M0

MIM0

方式

00

方式0

01

方式1

10

方式2

11

方式3

与INT0非无关

1

与INT0非有关

定时器模式

计数器模式

图3.3定时器控制寄存器TCOD

四、单片机控制系统硬件结构

CPU是本系统的核心器件，本章将主要介绍有关CPU的选取，单片机最小控制系统以及控制系统中各元件的工作过程和器件管脚介绍等。

4.1CPU的选取

本设计中外部扩展ROM，所以在CPU选择中选择MSC-51中的8031作为控制用CPU，减小了设计的复杂性。

4.2单片机的选择

（1）MCS-8031单片机

8031即无片内ROM也无片内EPROM，使用时需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。

我们若想对写入到EPROM中的数据进行修改，必须用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除之后再可写入，写入到外接程序存储器中的代码没有什么保密性可言。

8051片内有4kb的ROM,无须外接存储器和74LS373，更能体现“单片”的简练。

为了减少成本，本系统采用8031单片机，为了便于升级和兼容，采用2764扩展8KB的程序存储器，在实际应用中，如须扩展较多的RAM和ROM时可以加上数据缓冲器，本系统是基于提高智能化和灵活性而设计的，对于温度湿度CO2浓度都是可以通过键盘来调整的，而且可以通过显示器显示输出结果，有专门的报警电路发出报警。

用8155芯片作为显示器和键盘的接口，温控系统才用8031的P1口加驱动电路驱动固态继电器带动负载工作的。

并对结果进行检测和报告。

4.38031单片机的基本结构及管脚说明

4.3.18031单片机的基本机构

8031单片机通常有两种封装：

一种是双列直插式封装，一种是方型封装。

本系统8031单片机采用双列直插式40引脚封装结构，其引脚按功能共可分为端口线、电源线和控制线三类。

芯片结构如图所示。

图4.18031单片机芯片结构

如图，是MCS-51的逻辑符号图。

在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

4.3.28031管脚的具体功能

1.下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。

（1）主电源引脚VCC和VSS

VCC——（40脚）接+5V电压；

VSS——（20脚）接地。

（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

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，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；

对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）：

接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；

对XHMOS，此引脚应悬浮。

（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

1）RST/VPD（9脚）：

当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。

当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±

0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

2）ALE/PROG（30脚）：

当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

3）PSEN（29脚）：

此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

4）EA/VPP（引脚）：

当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序

计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

（4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）端口线（4×

8=32条）

8031共有四个并行I口，每个端口都有8条端口线用于传送数据/地址。

1）P0口：

P0口8位输入输出线，其最高位为P0.7，最低位为P0.0。

其功能为：

八位输入输出线可作为8位的地址线使用，也可以作为8位双向数据总线使用。

此时要分时操作，先选送低8位地址，利用ALE信号的下降沿将地址锁存，然后作为8位双向数据总线使用，用来传送8位数据。

另外，8031在不带外存储器的情况下，可做I/O口使用，此时为准双向输入/输出口。

2）P1口：

P1口8条引脚和P0口的8条引脚类似，最高位为P1.7，最低位为P1.0。

当P1口作为通用I/O口使用时，P1.7-P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入输出数据。

3）P2口：

P2口这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O口使用。

它的第二功能和P0口引脚第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但不能象P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

4）P3口：

这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，它的第二功能如下：

P3.0（RxD）作为串行数据输出口

P3.1（TxD）作为数据发送口

P3.2（0）作为外中断0输入

P3.3

（1）作为外中断1输入

P3.4（T0）作为计数器0计数输入

P3.5（T1）作为计数器1计数输入

P3.6（）作为外部RAM写选通信号

P3.7（）作为外部RAM读选通信号

P3各口线的其他功能：

P3.010RXD（串行输入口）

P3.111TXD（串行输出口）

P3.212I