經(jīng)濟型數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計——畢業(yè)設(shè)計

1、 南京工程學院 自動化學院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 經(jīng)濟型數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 專 業(yè)： 自動化（數(shù)控技術(shù)應用） 班 級： 學生姓名： 指導教師： 起迄日期： 設(shè)計地點： _ graduation design (thesis) hardware design of economic nc drilling machinebyhuang li gangsupervised byassociate prof. hua mao fadepartment of automation engineeringnanjing institute of technologyjune, 2007摘

2、 要本文介紹了經(jīng)濟型數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計方法。該控制系統(tǒng)以8031為主cpu，用它來控制整個數(shù)控鉆床的工作,另外選用89c2051作從cpu ，實現(xiàn)對八位led動態(tài)顯示電路的控制。主cpu 8031擴展了外部程序存儲器27256和數(shù)據(jù)存儲器6264，外部程序存儲器用于存放系統(tǒng)程序；數(shù)據(jù)存儲器用于存放加工程序和數(shù)控系統(tǒng)處理的中間數(shù)據(jù)。本設(shè)計用8155來實現(xiàn)鍵盤接口電路的擴展。數(shù)控鉆床的mdi方式包括手動、自動、空運行、回零、編輯等，它的擴展本設(shè)計選用了8255芯片的pa口。步進電機控制信號由8031發(fā)出，通過總線驅(qū)動，由74ls273d觸發(fā)器向外發(fā)送。利用8155和8255的剩余口進行

3、輸入輸出接口電路的擴展。各芯片間信息的相互傳遞，通過數(shù)據(jù)總線和控制總線來實現(xiàn)。加之以相應的軟件，此系統(tǒng)就構(gòu)成了完整的數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)。它不僅可以作為經(jīng)濟型數(shù)控鉆床的控制系統(tǒng)，還可用作對普通鉆床的數(shù)控改造。在國內(nèi)的中小企業(yè)將有一定的應用市場。關(guān)鍵詞：數(shù)控鉆床；控制系統(tǒng)；電路設(shè)計；abstractin this paper, the design of economy numerical control system for drilling machine is introduced. a 8031 used asthe host cpu, the control system controls

4、 the entire numerical drilling machine. another mcu, 89c2051, is used as the slave cpu to achieve the control of led. an external rom 27256 and a ram 6264 was used to store system program and the machining data separately. and the keyboard function was realized with an 8155. the mdi function of the

5、nc drilling machine including manual and automatic operation, returning to zero, editing and so on, which were realized with the pa port of a 8255 chip. the control signal, with which the step motor is driven, was generated with a mcu, 8031, and transmitted with a d latch 74ls273. other ports of 815

6、5 and 8255 were used for the i/o signal of the nc system. the information exchange of different chips was realized with the data bus and the control bus. with adequate software, this system can be integrated to nc system of a drilling machine or used in the reconstruction of universal drilling machi

7、ne. so it will find its widely usage in the markets of middle or small enterprise.key words： numerical control drilling machines; control system; design of circuit目 錄 第一章 緒論11.1 引言11.2 選題背景與意義11.3 研究現(xiàn)狀21.4 本文的結(jié)構(gòu)3第二章 數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)電路設(shè)計42.1 設(shè)計總體思路及結(jié)構(gòu).52.2 數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)主cpu的選擇52.3 控制系統(tǒng)復位電路的設(shè)計6 2.4 存儲器擴展電路設(shè)計72.5 鍵

8、盤擴展電路設(shè)計11 2.6 顯示電路設(shè)計14 2.6.1 八段數(shù)碼管動態(tài)顯示電路.14 2.6.2 十六段數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路.212.7 輸入/輸出信號接口電路設(shè)計222.8 步進電機控制信號輸出接口電路設(shè)計252.9 譯碼電路設(shè)計.25第三章 控制系統(tǒng)電路原理圖以及pcb圖的繪制27 3.1 電路原理的圖繪制27 3.2 pcb圖的繪制28第四章 結(jié)論304.1論文總結(jié)304.2 感想30致謝32參考文獻33附錄a：英文資料.34附錄b：英文資料翻譯.41附錄 c： 硬件設(shè)計pcb圖48附錄 d：硬件設(shè)計原理圖及光盤第一章 緒 論1.1 引言 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本

9、性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智

10、能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，cad/cam與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。 目前我國機床總擁有量約為400 萬臺，其中數(shù)控機床只有8 萬多臺，遠遠低于美國、日本、德國、韓國等制造業(yè)發(fā)達國家機床數(shù)控化率20 以上的水平。主要表現(xiàn)在設(shè)備老化陳舊、自動化水平低、技術(shù)水平落后、勞動生產(chǎn)率低，嚴重影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。采用先進的工藝設(shè)備，逐步增加數(shù)控機床所占比重，已經(jīng)成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢，也是企業(yè)走出困境、提升水平，實現(xiàn)跨越式發(fā)展的必由之路。提高機床數(shù)控化率有兩個途徑：（1）購買新的數(shù)控機床； （2） 把普通型的舊機床改造成數(shù)控機床。目前我國的普通鉆床仍占很大比重，

11、所以才會出現(xiàn)上述的大量求購意向，而且還有的小型企業(yè)不愿廢棄原有的普通鉆床，想要在已有的普通鉆床基礎(chǔ)上進行數(shù)控改造，這都需要開發(fā)適合普通機床改造的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。1.2 選題背景與意義由于我國現(xiàn)處于社會主義初級階段，經(jīng)濟水平相對而言比較落后，普通鉆床占據(jù)著國內(nèi)絕大多數(shù)的市場，而普通鉆床有著很大的弊端，如精度方面達不到要求，工作效率比較低。所以經(jīng)濟型數(shù)控鉆床以及對普通鉆床進行經(jīng)濟型數(shù)控鉆床改造，在國內(nèi)還是有著十分廣闊的前景。本設(shè)計選用了8031單片機作為核心，開發(fā)通用型數(shù)控鉆床的控制系統(tǒng)。它具有以下幾點優(yōu)勢：1）開發(fā)成本低。 8031單片機芯片的價格（10元左右）相對現(xiàn)在比較前沿的eda板（200

12、元左右）而言有著絕對的優(yōu)勢。2）電路設(shè)計簡單。3）通用性好。相對于傳統(tǒng)的由純硬件組成的普通鉆床控制電路而言，它的控制信號是由芯片發(fā)出的，所以它的控制系統(tǒng)的通用性很強。它不但能用做經(jīng)濟型數(shù)控鉆床的控制系統(tǒng)，而且可以用來對普通鉆床進行數(shù)控改造。所以此課題有一定的研究價值，能取得一定的經(jīng)濟效益及社會意義。1.3 研究現(xiàn)狀 隨著科技發(fā)展的日新月異，新一代的cpu及控制算法不斷推陳出新，目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，較傳統(tǒng)相比，各方面都有很大的提高。1高速高精高效化速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用了高速cpu芯片、risc芯片、多cpu控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流

13、數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。2柔性化包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。3工藝復合性和多軸化以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如

14、何調(diào)度任務，以確保任務在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。科學技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響應的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控

15、制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。4智能化新一代pcnc數(shù)控系統(tǒng) 智能化新一代pcnc數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、cad/cam、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。1.4 本文結(jié)構(gòu)本文以數(shù)控鉆床硬件電路的研發(fā)工程項目為應用背景，對數(shù)控技術(shù)進行了研究。全文共分為四章，各章的主要內(nèi)容如下：第一章扼要地介紹了國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀發(fā)展趨勢與研究背景；第二章分模塊地介紹了整個數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)的硬件電路及相關(guān)芯片的結(jié)構(gòu)與用法。第三章對怎樣用繪制軟件protel99se完成本畢業(yè)設(shè)計

16、的原理圖及pcb圖作了簡單的介紹；第四章對數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計工作進行了總結(jié)，給出了存在的問題和進一步研究的方向。第二章 數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)電路設(shè)計2.1 設(shè)計的總體思路及結(jié)構(gòu)本設(shè)計是以8031單片機為核心，開發(fā)通用型數(shù)控鉆床的控制系統(tǒng)。從cpu 選用了89c2051，用來對動態(tài)顯示電路進行控制。之所以選擇8031單片機作為主cpu是因為它價格便宜，性能穩(wěn)定，被廣泛地用于工程設(shè)計中。選用89c2051對動態(tài)顯示進行控制，不但節(jié)省了很多硬件，節(jié)約了成本，而且使8031主cpu不必花很多時間用在對顯示電路的控制上，從而使得此系統(tǒng)運行更快，更穩(wěn)定。 總體設(shè)計一共分為七個模塊來實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的

17、各功能。它們分別是：（1）控制系統(tǒng)復位電路模塊 包括上電復位和手動復位，當系統(tǒng)上電時復位引腳獲得高電平，使系統(tǒng)復位。急停鍵和復位鍵按下時都可以使系統(tǒng)復位，急停時還可使cpu進入中斷程序保存有用的數(shù)據(jù)。（2）存儲器擴展電路模塊 選用27256 32kb程序存儲器對8031進行程序存儲器擴展，用74ls373對8031的低八位地址進行鎖存，與高七位地址組合得到十五位地址，即可對27256的地址進行選擇。選用6264 8kb數(shù)據(jù)存儲器，進行數(shù)據(jù)存儲器擴展，用138對它進行片選。 （3） 鍵盤擴展電路模塊 它分為兩部分，分別是8031p1口手動鍵盤擴展和8155矩陣鍵盤擴展。p1口用于手動鍵盤的輸入端

18、，分別控制，x軸、y軸、z軸以及起動、停止、超程報警，用8155的pa口和pc口擴展了40個按鈕的矩陣鍵盤。 （4）顯示電路模塊 分為動態(tài)顯示電路和靜態(tài)顯示電路。四排動態(tài)顯示由89c2051來控制，它用來顯示數(shù)字字符。十六位靜態(tài)顯示是由8031主cpu控制的，它用來顯示英文字符。 （5）輸入輸出接口電路擴展模塊 它分為8255擴展電路和8155i/o信號接口電路。8255的pa口作為mdi（自動運行、空運行、回零、編輯、手動）方式的輸入端，pb口和pc口用于cpu與外部信號的收發(fā)。8155的pb口用于cpu與外部信號的聯(lián)絡(luò)。（6）步進電機控制信號輸出模塊 8031的脈沖信號通過74ls245總

19、線驅(qū)動器驅(qū)動，由74ls273向外發(fā)送步進電機脈沖。（7）74ls138譯碼電路 8031通過74ls138譯碼得到各芯片的片選地址，加上相應的讀寫信號，從而控制整個數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)。 圖2.1為整體系統(tǒng)模塊構(gòu)成框圖。 626416段led靜態(tài)顯示電路272568031主cpu8155矩陣鍵盤i/o信號的收發(fā)74ls24520518255手動鍵盤74ls373動態(tài)顯示至步進電機驅(qū)動收發(fā)信號電路mdi方式轉(zhuǎn)換開關(guān) 圖2.1 模塊構(gòu)成框圖2.2 控制系統(tǒng)主cpu選擇 作為主cpu的8031是本設(shè)計的核心芯片。mcs-51系列中，各種廉價的普及型8031單片機為我國單片機技術(shù)的普及、推廣做出了巨大貢

20、獻。8031具有價格低、功能強、使用靈活、開發(fā)方便等特點，輸入輸出口也夠用，所以能用于數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)的設(shè)計；而本人在大學課程中的單片機和微機原理兩門專業(yè)課，都對此芯片作了詳細的介紹。因此我選用8031單片機作為此系統(tǒng)的核心cpu。1. 8031單片機的特點1）具有功能很強的8位中央處理單元（cpu）；2）片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（12mhz），每執(zhí)行一條指令的時間為14s;3）片內(nèi)具有128字節(jié)的ram；4）具有21個特殊寄存器；5）可擴展64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64k字節(jié)的外部程序存儲器；6）具有4個i/o口，32根i/o線；7）具有2個16位定時器/計數(shù)器；8）具有5個中斷源，配備2個中斷

21、優(yōu)先級；9）具有一個全雙功串行接口；10）具有位尋址能力，適合邏輯運算。從上述特性可以看出這種8031芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)。28031引腳功能8031一共有40個引腳，見圖2.2,其中vcc(40腳)接+5v電壓，vss接地。xtal1(19腳)和xtal2(18腳)接外部晶振的信號（我選擇的晶振頻率為12mhz），即把外部振蕩器的信號直接連到內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。ale(30腳)允許地址鎖存引腳，用于鎖存地址的低字節(jié)。它可用作對外輸出時鐘，或用于定時。psen(29腳)外部程序存儲器讀選通信號引腳。在從外部程序存儲器取指令期間，每個機器周

22、期psen兩次有效。在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次信號將不出現(xiàn)。此引腳可驅(qū)動八個ttl門電路。ea(31腳)對于8031而言此引腳必須接地，這樣才能選擇外部程序存儲器27256。p1口（1腳8腳）：是八位準雙向i/o口。由于這種接口輸出沒有高阻，輸出也不能鎖存，故不是真正的雙向i/o口。p1口能驅(qū)動四個ttl負載。在此模塊中p1口用來進行手動控制主軸進給。由于此鉆床系統(tǒng)為三軸控制（z，y，z），加上啟動與暫?？冢ǔ膛c暫停共用一個端口），p1口的8個輸入端都被充分利用。p2口（21腳28腳）：是八位準雙向i/o口。在訪問外部存儲器時，它可以作為高8位地址總線，送出高八位地址。p2口

23、可以驅(qū)動四個ttl負載。p3口（10腳17腳）：是八位準雙向i/o口。p3能驅(qū)動四個ttl負載。它作為第一功能使用時，即作為普通i/o口用，功能和操作方法與p1口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定義如表2.1所示。表 2.1 p3口第二功能表引腳第二功能p3.0rxd(串行口輸入端)串行p3.1txd(串行口輸出端)p3.2into(外部中斷0請求輸入端，低電平有效)p3.3 int1(外部中斷1請求輸入端，低電平有效)p3.4t0(定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端)p3.5t1(定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端)p3.6wr(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效)p3.7rd(外部數(shù)據(jù)存

24、儲器讀選通信號輸出端，低電平有效)2.3 控制系統(tǒng)復位電路設(shè)計 當振蕩器運行時，在rst(9腳引腳)上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平，使單片機復位。復位電路可分為系統(tǒng)上電復位和手動復位，如圖2.2所示，系統(tǒng)上電瞬間電容c1和c4充電，與非門的兩個輸入端為低電平，輸出高電平使系統(tǒng)復位。按下“復位”按鈕與“急?！卑粹o都可使系統(tǒng)復位。當按下復位按紐時，與非門“2”號引腳經(jīng)電阻分壓所得低電平，使單片機復位。當急停鍵沒按下時，此端管腳處于高電平，即與非門的一個管腳“1”為高電平，此時若連接與非門的另一個管腳的復位按鈕沒按下，則“2”號引腳也為高電平，兩個高電平與非所得低電平，8031不復位。若按下急停鍵，與之

25、連接的二極管導通，“1”號引腳為低電平，此時無論復位按鈕有沒有按下，與非門的輸出端為高電平，使8031復位，同時into的輸入端口為低電平，向cpu申請中斷。 2. 圖2.2 控制系統(tǒng)復位電路圖2.4 存儲器擴展電路設(shè)計圖2.3為存儲器擴展電路模塊，該模塊除了8031外，還用到：74ls373、74ls138、27256、6264四個主要芯片。由于本系統(tǒng)是采用8031作為主cpu，所以必須外接一個rom。而27256eprom是具有紫外線可擦除，可編程功能的只讀存儲器,當它置于紫外線燈下照20ms以后，內(nèi)部內(nèi)容變?yōu)槿?”，通過編程器將程序代碼寫入后消息不會丟失，可靠性很高。所以本模塊選擇它作

26、為程序存儲器擴展芯片。其引腳意義如下：aoa14：地址輸入線。因為27256一共有15根地址線，所以a15號地址線沒有選用，設(shè)取值為“0”。27256地址范圍見下表2.2。 表2.2 程序存儲器地址表 地址線地址a15 a14 a13 a12 a11 a1 a00 0 0 0 0 0 0 0000h0 0 0 0 0 0 1 0001h0 0 0 0 0 1 0 0002h 0 1 1 1 1 1 0 7ffeh0 1 1 1 1 1 1 7fffhd0d7為三態(tài)數(shù)據(jù)總線（有時用o0o7表示）。讀或編程檢驗時為數(shù)據(jù)輸出線，編程時為數(shù)據(jù)輸入線。維持或編程禁止時為高阻抗。 oe為讀選通信號輸入線，

27、低電平有效，它與8031的psen外部存儲器讀選通信號相連。8031 從27256取指令期間，每個機器周期psen兩次有效，即oe引腳兩次出現(xiàn)低電平。在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次信號將不出現(xiàn)。編程電源輸入線vpp（此模塊中vpp接+5v，電壓通過電容與片選信號ce隔離）。片選信號ce，低電平有效，此時ce接地，選中27256。由于27256的地址線為15位，而主cpu8031的adoad7是分時復用的，所以必須有一個地址鎖存器，鎖存低八位地址。由于我在大學課本中只接觸到74ls373一種地址鎖存器，所以選擇它來進行地址鎖存。其管腳中d0d7為數(shù)據(jù)輸入端，q0q7為數(shù)據(jù)輸出端 ，o

28、e為輸出控制端，當oe為低電平時，允許d0d7輸出到q0q7上，當oe為高電平時，輸出線為浮空狀態(tài)，此模塊中oe接地，使74ls373一直有效。le為數(shù)據(jù)輸入控制線，當le為高電平時，輸出端q0q7和輸入端d0d7的狀態(tài)相同，當le為低電平時(下降沿)，輸入端d0d0的數(shù)據(jù)鎖入到q0q7的8位鎖存器中。在此鉆床控制系統(tǒng)中，主控程序都被固化在27256eprom中，主cpu通過運行其中程序來對整個鉆床系統(tǒng)進行控制。而數(shù)控鉆床在運行過程中將其正在執(zhí)行的程序和各種計算的結(jié)果存儲到ram中，8031內(nèi)部128b的ram顯然是不夠的。所以必須外擴一個ram。 圖2.3 存儲器擴展電路圖本設(shè)計選擇采用半導

29、體靜態(tài)隨機存儲器ram作為數(shù)據(jù)存儲器擴展。之所以選擇sram，是因為考慮到它與dram相比抗干擾能力強，無需刷新邏輯電路就可以保持數(shù)據(jù)信息的不丟失。在sram系列中，容量為8kb的6264作為本設(shè)計的外擴ram較為合適，其中：a0a12：地址輸入線。 d0 d7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線，有時用00o7表示。 cs1:片選通信號輸入線，低電平有效，此信號與138的y5相連，經(jīng)譯碼得出6264的地址范圍。地址范圍見表2.3。oe:讀選通信號輸入線，低電平有效，它與8031的 rd相連。we: 讀選通信號輸入線，低電平有效，它與8031的wr連接。vcc: 工作電源5v。gnd:線路接地。圖中6264的cs

30、，為第二片選信號，高電平有效。cs=1,ce=0選中6264。在此模塊中因為cs所需的高電平為3.3v,而系統(tǒng)所能提供的為5v，所以必須接表2.3 數(shù)據(jù)存儲器地址表 地址線 地址a15 a14 a13 a12 a1 a01 0 1 0 0 0 a0ooh1 0 1 0 0 1 a001h 1 0 1 1 1 0 bffeh1 0 1 1 1 1 bfffh一分壓電路，見下圖2.4。兩個電阻r1和r2的阻值分別為5.1k和10k，經(jīng)計算cs端口分壓所得電壓約為3.3v。又因為6264是隨機存儲器，所以如果不外接電源，系統(tǒng)一但掉電，其中的數(shù)據(jù)將會丟失，為了保存其中有用的數(shù)據(jù)，本模塊還設(shè)計了掉電保護

31、電路。 如圖2.5所示，當系統(tǒng)沒有掉電時，上面的二極管導通，由于干電池的電壓小于5v，所以下面的二極管截止，6264由系統(tǒng)供電。當系統(tǒng)掉電時，下面的二極管導通，6264由干電池供電。 cs2圖2.4分壓電路 圖2.5掉電保護電路2.5 鍵盤擴展電路設(shè)計數(shù)控鉆床的控制系統(tǒng)需要一個人機對話裝置，這種人機對話裝置通常采用鍵盤和顯示器。顯示器是單片機應用系統(tǒng)人機對話中常用的輸出裝置，鍵盤是單片機應用系統(tǒng)中人機對話常用的輸入裝置。鍵盤的結(jié)構(gòu)有兩類，一類是獨立式鍵盤，另一類是矩陣式鍵盤。本系統(tǒng)中我用8155擴展了一個四十個按鈕的矩陣式鍵盤(見圖2.6),用8031的p1口擴展了一個八按鈕的獨立式鍵盤（見圖

32、2.8）。下面對鍵盤的設(shè)計進行詳細的介紹。18155鍵盤擴展電路 8155鍵盤擴展電路可分為四部分：矩陣式鍵盤，8155芯片，上拉電阻，74ls466。 如圖2.6所示，矩陣式鍵盤的按鍵觸點接于由行、列母線構(gòu)成的矩陣電路的交叉處，每當一個鍵按下時，通過該鍵將相應的行、列母線連通。8155的pa口作為輸出口，輸出鍵盤的掃描信號，c口作為輸入口，用來接收鍵盤讀入的信號。根據(jù)按下鍵的不同，產(chǎn)生的鍵值也不同，一個鍵對應于一個鍵值，事實上每個鍵的輸出與輸入的組合是唯一的，只要按下一個鍵，那么就可以得到一個鍵的編碼值，這個值由軟件控制，不同的鍵，編碼值是不同的。矩陣式鍵盤的優(yōu)點是：它能最大化地利用可編程i

33、/o設(shè)備的端口。很好地滿足多鍵值鍵盤設(shè)計的需要。在本模塊中，鍵盤電路用到了8155的8個pa口和5個pb口，擴展了40個鍵值的矩陣式鍵盤。圖2.6 8155鍵盤擴展電路模塊（1）8155地址的分配 雙向地址數(shù)/據(jù)線ad0ad7，分時傳送但單片機和8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令、狀態(tài)信息。在地址鎖存信號ale下降沿將ad0ad7上的低8位地址、ram/io口選擇信息鎖存。因此，mcs-51單片機的p0口輸出的低8位地址不需要再外接鎖存器。io/m=0時單片機選擇8155中的ram讀/寫， ad0ad7上地址為ram單元地址；io/m=1，單片機選擇8155寄存器或端口，地址分配見下表2.5。ce

34、io/ma7a6a5a4a2a1a0所選端口01000命令/狀態(tài)寄存器01001a口01010b口01011c口01100計數(shù)器低八位01101計數(shù)器高八位00ram單元表2.5 8155地址分配表由于ce片選信號在此模塊中連接74ls138的 y4（圖2.21），io/m端接a12，所以根據(jù)表2.5，可得此8155端口的具體地址表見表2.6。 a15 a14 a13 a12 a11 a10 a9 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0所選端口 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0命令/狀態(tài)寄存器 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

35、0 1a口1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 b口1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 c口 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0計數(shù)器低八位1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 計數(shù)器高八位1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ram單元表2.6 8155口具體地址分配表命令狀態(tài)寄存器：9000ha口地址：9001h此處刪減nnnnnnnnnnnnnnnn字 需要整套設(shè)計請聯(lián)系q：99872184。以被改變，但只有滿足建立條件的信息才能進入。時鐘控制發(fā)生在時鐘輸

36、入由低電平到高電平的躍變上。為了減小傳輸線效應，所有輸入端均采用二極管鉗位。圖2.12 74ls164引腳圖在本模塊中，a口b口同時從89c2051的p3.0口引入，這就保證了，在時鐘信號上升沿時被移入的數(shù)據(jù)q0為p3.0口的數(shù)據(jù)。第二個74ls164的a、b端接第一個74ls164的q7，第三個，第四個74ls164與此類似，四個時鐘信號連接在一起，這樣做的目的是，被引入的數(shù)據(jù)可以逐位地從上一個74ls164移位到下一個74ls164，89c2051可以一次送一列數(shù)據(jù)進行顯示。74ls164的功能表見表2.7輸 入輸 出清零時鐘a bq0 q1 q7l l l lhl q00 q10 q70

37、hh hh q0n q6nhl l q0n q6nh ll q0n q6n表2.7 74ls164功能表 4.74ls138譯碼器 74ls138地址譯碼器，在本設(shè)計中一共用到兩個。此時是利用它來實現(xiàn)對六列l(wèi)ed共陰極數(shù)碼管公共端分時選中，進行動態(tài)顯示，圖2.13為74ls138引腳圖。圖2.13 74ls138引腳 表2.8 3線-8線譯碼器74ls138的功能 本模塊中74ls138的六個輸出端y0y5通過74ls465分別與led的位選端連接,所以當輸出端出現(xiàn)一個低電平時,一列l(wèi)ed同時被選中?！?”、“5”號引腳共同接地，“6”號引腳接+5v高電平，使它的使能端有效。5led八段數(shù)碼管

38、led八段數(shù)碼管是本設(shè)計中使用最多的器件，因為我設(shè)計的鉆床系統(tǒng)是三坐標進給的，共需三排led進行數(shù)據(jù)顯示，加上一排程序顯示（字母用一個十六位led數(shù)碼管進行顯示）所以總共需要四排led數(shù)碼管。而鉆床工作臺的行程一般不會超過一米，即顯示的最大字符為“99999”(mm),加上第一位符號位，所以每排六個led數(shù)碼管已能滿足要求。所以一共用 圖2.14 led八段數(shù)碼管管腳圖 到了24個八段led數(shù)碼管。圖2.14為led八段數(shù)碼管的管腳圖，在本模塊中把“3”和“8”管腳相連接，與74ls465的輸出端相連，每個位選端連接一與+5v電壓相連的上拉電阻，且與74ls164的反向輸出端相連。當74ls1

39、38譯碼出一個低電平時，連接此引腳的列數(shù)碼管被選中。674ls273d觸發(fā)器（帶清零）圖2.15為74ls273管腳圖，本模塊中，它的輸入端接經(jīng)總線驅(qū)動后的數(shù)據(jù)信號，輸出端接89c2051的輸入端， “1”號清零引腳接高電平，不讓它處于清零狀態(tài)。時鐘信號輸入端，見圖2.16，與一個或門的輸出端連接，或門的輸入端為74ls138譯碼器的y1腳和寫允許信號。74ls273功能表見表2.9。 表2.9 74ls273功能表 輸 入輸 出清零 時鐘 dql h 上升沿 hh 上升沿 lh l l h l q（鎖存）圖 2.15 74ls273管腳圖2.16 74ls273地址選擇圖由上表2.9和圖2.

40、16可知，當a0a15為0010,0100,0000,0000b即2400h時（沒有用到的地址線都為0），且寫信號由低向高跳變時，“11”號引腳出現(xiàn)上升沿，觸發(fā)數(shù)據(jù)由d端送入q端。時序如圖2.17所示。地址 數(shù)據(jù) 寫信號圖2.17時序波形圖 由圖2.16可以看出，74ls273的時鐘信號接89c2051的中斷請求信號口p3.2。如圖2.17所示，當?shù)刂沸盘柵c寫信號同時為低電平時（此時時鐘信號處于上升沿之前）中斷請求信號有效，89c2051進入中斷程序，為接收數(shù)據(jù)作好準備。當時鐘信號上升沿到來時，數(shù)據(jù)由74ls273引入，89c2051正確接收數(shù)據(jù)，并存貯。2.6.2 十六段數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路相

41、對動態(tài)顯示電路而言，靜態(tài)顯示電路較簡單。如圖2.18所示，此模塊中的16位靜態(tài)顯示主要用于本數(shù)控系統(tǒng)的英文字符顯示。8031主cpu對此靜態(tài)顯示模塊進行顯示控制。圖2.18中273（ux8）和273（ux12）的時鐘信號分別接74ls138（u5）的y0、y7見圖2.21。經(jīng)計算ux8和ux12的地址分別為0000h和e000h。具體算法見下表2.10。表2.10 74ls273地址算法表地址元件a15 a14 a13 a12 a11 a10 a9 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a12 a1 a0ux8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ux121 1 1

42、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0因為8031為八位機,所以要讓16位數(shù)碼管正確顯示，數(shù)據(jù)必須送兩次。如圖2.18所示，十六位數(shù)碼管的引腳接至兩個74ls273 d觸發(fā)器的輸出端。當?shù)谝淮嗡蛿?shù)據(jù)時74ls138選中一個74ls273，數(shù)碼管的一半引腳被選中，而此時74ls273的時鐘信號保持低電平，數(shù)碼管持續(xù)發(fā)光。第二次送數(shù)據(jù)時，74ls138選中另一個74ls273，剩下的一半數(shù)碼管被選中，且此74ls273持續(xù)低電平，數(shù)碼管持續(xù)發(fā)光，所以此時十六位數(shù)碼管正確顯示英文字符。圖2.18 16段數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路2.7 輸入輸出信號接口電路設(shè)計輸入輸出信號接口電路在本系統(tǒng)中一共分

43、為兩部分：一部分為8255擴展電路；另一部分為8155的pb口擴展電路。下面首先介紹8255擴展電路模塊。18255擴展電路圖2.19為8255擴展電路模塊，該模塊主要分為三部分：8255芯片，上拉電阻，波段開關(guān)。可編程并行i/o擴展口8255，是本控制系統(tǒng)的一個重要芯片。它承擔著本數(shù)控系統(tǒng)與外設(shè)消息的交換。mdi(自動運行、空運行、回零、編輯、手動)方式也是通過它和主cpu通訊的。8255是通用可編程并行輸入/輸出接口芯片，通用性強且使用靈活、常用來實現(xiàn)mcs51系列單片機的并行i/o口擴展。它是一個40引腳的雙列直插式集成電路芯片。8255的pa口有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個8位

44、數(shù)據(jù)輸入鎖存器，在本模塊中a口是三個口中最為關(guān)鍵的一個端口，如圖2.19所示，它外接一個波段開關(guān)，當開關(guān)撥在中間空擋位置時，pa各引腳通過上拉電阻引入高電平，當撥在其中任意非空擋時，與此擋相連的pa引腳為低電平，選中此引腳；pb口有一個8位輸出鎖存/緩沖器，一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器；pc口有一個8位的輸出鎖存/緩沖器，一個8位輸入緩沖器，在此模塊中pb口和pc口用于與外部控制信號（如plc信號）相通信，其中pc口用于發(fā)送輸出信號，pb口用于接收輸入信號。 圖2.19 8255擴展電路8255分為a組和b組控制電路：這是兩組根據(jù)cpu命令控制8255工作方式的控制電路，a組控制pa口和pc4pc

45、7，b組控制pb口和pc0pc3。其中雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器是8255和cpu數(shù)據(jù)總線的接口。cpu和8255之間的命令，數(shù)據(jù)總線的傳送部分是通過雙向三態(tài)門總線緩沖器傳送的，d0d7接cpu的數(shù)據(jù)總線。（1）8255口地址選擇 讀寫和控制邏輯：a0，a1，cs為8255的口選擇信號和片選信號，rd，wr為8255的讀寫控制信號，這些信號分別與cpu的地址線和讀寫信號線相連接，實現(xiàn)cpu對8255的口選擇和數(shù)據(jù)傳送。這些控制信號的組合可以實現(xiàn)cpu對8255的pa口，pb口，pc口和控制口的尋址。地址選擇見表2.11。表2.11 8255的口地址選擇 a1 a0寄存器00輸出寄存器a（a口）01輸出

46、寄存器b（b口）10輸出寄存器c（c口）11控制寄存器（控制口） 在本設(shè)計中a口、b口、c口和控制口的地址分別為6000h，6001h，6002h，6003h（沒有用到的地址線為0）。具體算法見表2.12表2.12 8255端口地址表寄存器a15 a14 a13 a12 a11 a10 a9 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0輸出寄存器a（a口） 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0輸出寄存器b（b口） 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1輸出寄存器c（c口）0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0控制

47、寄存器（控制口）0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1reset：復位信號，高電平有效，清除控制寄存器，8255處于基本操作狀態(tài)，置pa，pb，pc三個端口均為輸入方式。 （2） 8255的控制字和工作方式 8255有三種可通過系統(tǒng)軟件來選擇的基本方式：方式0基本的輸入輸出方式；方式1選通輸入輸出方式；方式2雙向傳送方式（僅用于pa口）。本模塊中a口為基本輸入方式，b口為基本輸出方式，c口為基本輸入方式。工作方式的選擇由方式控制字決定。8255的工作方式由cpu寫入一個控制字到8255的控制寄存器來選擇，方式控制字格式如下：控制字的低3位（d0d2）用以控制b組;控制字

48、的（d3d6）4位控制a組。由于pa口有3種工作方式，故由d6、d5兩位來控制：d0控制c口（低4位）作為輸入還是輸出。d01，c口低4位為輸入；d00，c口低4位為輸出。d1控制b口作為輸入還是輸出。d1=1,b口為輸入；d10，b口為輸出。d2控制b組的工作方式。d21，b組工作在方式1；d20，b組工作在方式0。d3控制c口高四位為輸入還是輸出。d3=1，c口高四位為輸入；d30，c口高4位為輸出。d4控制a口為輸入輸出。d41，a口為輸入；d40，a口為輸出。d6、d5= 00a口工作在方式0 01a口工作在方式1 1xa口工作在方式2d7方式/置位 d71表示方式選擇有效。在此模塊中a、b、c三口都工作于方式0狀態(tài)，c口不充當聯(lián)絡(luò)信號。 28155輸入輸出信號接口電路 在圖2.6中，8155剩余的pb口用于輸入/輸出信號端口，當沒有信號通過pb口時，pb口由于連接上拉電阻，八個端口都處于高電平狀態(tài)，當它用做輸入端口時，若輸入高電