【正文】 414 74LS373與AT89C52的接口電路 74LS244擴展8位并行輸出口圖415 74LS244與8255A的接口電路對于常態(tài)數(shù)據(jù)的輸出，只需采用8位三態(tài)門控制芯片即可；本次設(shè)計采用74LS244擴展8位并行輸出口，端口OE1與端口OE2接地，表示三態(tài)門一直打開。 8255A可編程并行輸出8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入/輸出接口芯片，它具有A、B、C三個8位的并行I/O口，可選擇三種工作方式[3]。各引腳功能如下： 端口A、B、C：8255A包括了三個8位的端口A、B、C（引腳分別為PA7~PA0、PB7~PB0、PC7~PC0）。 數(shù)據(jù)總線緩沖器：三態(tài)雙向的8位緩沖器是8255A和系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的借口。 讀/寫控制邏輯：接收從CPU總線上發(fā)送過來的地址信號和控制信號，控制I/O口的讀/寫操作，輸入的信號包括、RESRT、A0和A1。A組控制電路控制A口和C口的上半口(PC4~PC7)，B組控制電路控制B口和C口的下半口(PC0~PC3)。（4） 8255A的控制字8255A有兩個控制字：工作方式控制字和端口C按位置位/復(fù)位控制字。對應(yīng)于每一個電脈沖，電動機將產(chǎn)生一個恒定量的步進運動，即產(chǎn)生一個恒定量的角位移或線位移。 步進電機脈沖分配信號的設(shè)計步進電動機的脈沖分配有多種形式，主要分為硬件環(huán)分和軟件環(huán)分[8] 曾億山，劉征宇．機電一體化工程專業(yè)課程實踐教程[M]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，200，第180頁．。本系統(tǒng)設(shè)計選擇的是軟件環(huán)分，通過AT89C52單片機編程對步進電動機輸入相應(yīng)的脈沖，使其在所設(shè)置的脈沖數(shù)和脈沖相序下運行；并通過CPU對其運行的速度進行調(diào)節(jié)，使其通過直線插補和圓弧插補，完成工件平面輪廓加工，實現(xiàn)數(shù)控工作臺的功能要求。圖422 步進電動機原理圖而本次設(shè)計在控制電路的仿真和樣機設(shè)計的步進電機的型號選擇上，我選擇使用的是小功率使用+5V直流電源的四相六線制步進電機（其內(nèi)阻33歐，額定電壓12V，圖422為其原理圖），通過8255A的PC口輸出具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過特定芯片驅(qū)動步進電機。 ULN2003 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2003 采用DIP—16 或SOP—16 塑料封裝。 鍵盤與LED顯示電路設(shè)計 鍵盤電路設(shè)計圖425是矩陣式鍵盤原理圖，圖中鍵盤為四行四列共16個鍵，~；~。（2）硬件電路的設(shè)計LED的硬件原理圖如圖427所示，8255A端口A經(jīng)74LS244的同相輸出Y0~Y7作為LED的段驅(qū)動信號，當(dāng)某位LED各段全部點亮?xí)r，端電流會達到120~150mA。達林頓管由兩只三極管復(fù)合而成，使用時可將其看作一只三極管，其放大倍數(shù)為兩只三極管放大倍數(shù)的乘積，所以在使用時可將ULN2003A視為一個可承受大灌電流的NPN三極管，其輸入端可看作是此NPN三極管的基極，輸出端是此NPN的集電極[5] 丁明亮，唐前輝．51單片機應(yīng)用設(shè)計與仿真：基于Keil C與Proteus [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第138頁．。 本章小結(jié)本章節(jié)完成了XY工作臺的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，包括為AT89C52設(shè)置的復(fù)位電路和振蕩電路、控制系統(tǒng)的電源、開關(guān)量輸入電路、I/O接口芯片（74LS3774LS2474LS240及8255A）的擴展，步進電動機的驅(qū)動電路以及鍵盤和LED顯示電路。5 仿真控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 Proteus簡介Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的切入式系統(tǒng)仿真軟件，組合了高級原理圖設(shè)計工具ISIS、混合模式SPICE仿真、PCB設(shè)計以及自動布線而形成了一個完成的電子設(shè)計系統(tǒng)。③ 支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。⑤ 具有強大的原理圖編輯及原理圖后處理功能[9]。 仿真控制系統(tǒng)硬件原理圖XY工作臺控制系統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)簡圖如圖51所示，系統(tǒng)選用了AT89C52單片機作為系統(tǒng)的控制芯片、選用可編程控制芯片8255A作為I/O口的擴展、選用74LS373鎖存器作為8255A地址線A0和A1的控制與鎖存、選用四行四列矩陣鍵盤和8位8段共陰極數(shù)碼管分別作為系統(tǒng)人機接口的輸入和顯示、設(shè)置了限位/急停按鈕利用外部中斷0對工作臺的行程進行控制、以及通過8255A的8位PC口對選用的2個四相六線步進電機進行控制。由于本仿真電路圖采用的硬件均與第四章控制系統(tǒng)硬件電路圖的硬件一致，因此在此不做重復(fù)介紹；其電路的接線方式也是一致的。 顯示程序 顯示程序流程圖顯示程序流程圖如圖62所示。因而它的控制原理和發(fā)光二極管的控制原理是相同的。給LED數(shù)碼管的七個發(fā)光二極端加不同的點平，二極管顯示不同亮暗的組合就可以形成不同的字形，這種組合稱之為字形碼。LED數(shù)碼管的每個字段分別與一個I/O口或硬件譯碼電路相連，這是只要在字段上輸入所需電平，相應(yīng)字符就會顯示出來，并保持不變，直到需要顯示下一個字符為止。方法是先選中第一個數(shù)碼管，把要顯示字符的字形碼送給它，過一段時間選中第二個數(shù)碼管，把顯示字符的字形碼送給它顯示，這樣逐次點亮每個數(shù)碼管。由于動態(tài)顯示要循環(huán)掃描每個數(shù)碼管，編程復(fù)雜，占用CPU時間多，所以要注意優(yōu)化編程。有鍵按下時對應(yīng)的列線輸入為一，無鍵按下時所有列線輸入為零。當(dāng)?shù)谝?、二條行線口(key^0、1)被置一時，第三列線口(key^5)不為一，繼續(xù)將下條行線口置一，直到將第三條行。例如數(shù)字鍵3被按下，由于數(shù)字鍵3被按下，第三列線與第三行線被連通，第三列線口(key^5)被置一，四條行線(key^0~3)保持高電平不變，key口變?yōu)?x4f，通過對key口的分析，確定按下鍵在第三列線，進入行線判斷程序。 鍵盤掃描程序 鍵盤掃描程序流程圖鍵盤掃描程序流程圖如圖63所示。只要點亮相鄰兩個數(shù)碼管的時間間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼視覺停留時間，動態(tài)顯示的效果在人眼看來是同時點亮的。采用靜態(tài)顯示方式占用CPU是減少，編程簡單，但占口線較多，不適合顯示多位字符。靜態(tài)顯示是當(dāng)顯示器顯示某個字符時，相應(yīng)的字段（發(fā)光二極管）恒定得導(dǎo)通或截至。發(fā)光二激光管的陽極連在一起，成為一個公共端，這種顯示器成為共陽極顯示器。若八位七段LED數(shù)碼管選擇標(biāo)志位溢出，則八位七段LED數(shù)碼管選擇標(biāo)志位指向最右一位，將0x70賦予顯示內(nèi)容存儲器地址指針。運行完鍵盤掃描程序后，將顯示內(nèi)容存儲寄存器中第一到第七位的數(shù)值移動到顯示內(nèi)容存儲寄存器中的第二到第八位，在將通過鍵盤掃描程序得到的鍵值存入顯示內(nèi)容存儲寄存器的首位。圖51 XY工作臺控制系統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)簡圖 本章小結(jié)本章主要就是為系統(tǒng)的仿真設(shè)計一個控制電路圖，此控制電路圖是在第四章設(shè)計的控制系統(tǒng)電路圖的基礎(chǔ)上設(shè)計出來。 Keil簡介Keil是美國Keil Software公司開發(fā)的，是目前世界上最好的51單片機的匯編和C語言的開發(fā)工具[5] 丁明亮，唐前輝．51單片機應(yīng)用設(shè)計與仿真：基于Keil C與Proteus [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第98頁．。④ 提供軟硬件調(diào)試功能。該軟件具有以下主要特別：① 實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路仿真、RS232動態(tài)仿真、SPI調(diào)式器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能[9] 周潤景，張麗娜，劉映群．PROTEUS入門實用教程[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007，第50頁．。選用驅(qū)動能力較強ULN2003A驅(qū)動芯片，驅(qū)動8位8段數(shù)碼管和兩坐標(biāo)步進電動機，ULN2003A驅(qū)動芯片已經(jīng)是技術(shù)較為成熟的芯片，能夠保證數(shù)碼管和步進電動機的正常運行；除此外其芯片價格較為合理，配套的外圍電路的設(shè)計也比較簡單。當(dāng)輸入端輸入高電平時管子導(dǎo)通，在外接下拉電阻的作用下，其輸出端為低電平，ULN2003承受灌電流。8255A端口B的PB0~PB7經(jīng)ULN2003A反相后的輸出信號，作為LED的位選信號，排阻RESPACK8作為ULN2003A的上拉電阻，由于ULN2003A是反相驅(qū)動器，要點亮某位LED，8255A端口B發(fā)出的位選信號應(yīng)為高電平。圖425 四行四列矩陣式鍵盤原理圖 顯示電路設(shè)計圖426 8位動態(tài)掃描8端共陰數(shù)碼管原理圖（1）數(shù)碼管選用選用8位動態(tài)掃描8段共陰數(shù)碼管如圖426所示，它們的段引腳A~G、DP是并在一起的；引腳1~8是各位數(shù)碼管的COM端，相互獨立。 ULN2003方框圖如圖423所示。 ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。ULN2003的結(jié)構(gòu)：ULN2003 是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN 達林頓管組成[5] 丁明亮，唐前輝．51單片機應(yīng)用設(shè)計與仿真：基于Keil C與Proteus [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第138頁．。因此，需要一個功率放棄器將脈沖電流進行放大，這個功率放大器就叫步進電動機的驅(qū)動電源，也稱步進電動機的驅(qū)動器。采用硬件環(huán)分時，步進電動機的通電節(jié)拍由硬件電路來決定，編程軟件時可以不考慮。步進電動機控制系統(tǒng)的組成如圖421[7] 張訓(xùn)文．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2006，第201頁．所示。寄存器的格式如圖419[6] 梁景凱，蓋玉先．機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006，第110頁．所示。圖417 8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（3） 8255A端口地址8255A有三種工作方式：方式0—基本輸入/輸出方式—A、B、C三個端口均可方式1—選通輸入/輸出方式—A、B兩個端口均可方式2—選通雙向輸入/輸出方式—只有A端口才有工作方式的定義和總線接口的連接如圖418[6] 梁景凱，蓋玉先．機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006，第109頁．所示?？刂谱趾蜖顟B(tài)字也是通過緩沖器進行傳送的。端口C可以被分為兩個4位的端口，每個4位的端口包含了一個4位的鎖存器，可以配合端口A、B作作態(tài)或控制信息的傳送端口。圖416 8255A引腳圖（2）8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖417[6] 梁景凱，蓋玉先．機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006，第108頁．所示。8255A還能對C端口的任一位進行置位/復(fù)位操作。 74LS240擴展8位并行輸出口圖416 74LS240與8255A的接口電路對于需要反相數(shù)據(jù)輸出的，采用8位三態(tài)門控制芯片即可；本次設(shè)計采用74LS240擴展8位并行輸出口，端口OE1與端口OE2接地，表示三態(tài)門一直打開。 I/O接口芯片的應(yīng)用電路設(shè)計 74LS373擴展8位并行輸出口74LS373是一個帶三態(tài)門的8D鎖存器[1] 尹志強．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007，第131頁．，圖414所示為鎖存器74LS373與AT89C52單片機的接口電路圖。其輸入端由+12V電源供電，輸出端由+5V電源供電，且兩端電源不共地，這樣就達到了隔離的效果。Y限位信號的位置開關(guān)電路，位置開關(guān)是檢測XY工作臺的行程的，當(dāng)工作臺發(fā)成超程時，位置開關(guān)將向AT89C52單片機發(fā)送限位信號，并觸發(fā)AT89C52的中斷；然后位置開關(guān)的開閉瞬間產(chǎn)生的信號是具有干擾性，即當(dāng)信號直接送入到微機中，往往造成數(shù)據(jù)或地址傳送錯誤，從而導(dǎo)致微機運行或功能障礙。TLP5211光耦合器以發(fā)光二極管為輸入端，光敏晶體管為輸出端，能夠隔離頻率在100kHz以下的信號，滿足我此次設(shè)計的要求。5%)輸入電壓V19電壓調(diào)整率（最大值）mV120電流調(diào)整率（最大值）mA140紋波抑制比（典型值）dB61靜態(tài)工作電流mA6輸出電壓溫漂系數(shù)（典型值）mV /℃輸出噪聲電壓（典型值）80最小輸入電壓V最大輸入電壓V35最大輸出電流A圖411 MC7812三端固定正電壓穩(wěn)壓器電路符號 光電隔離電路設(shè)計光電隔離是有光耦合器來完成的。圖410 四個IN4007二極管接成的單向橋式整流電路濾波：由于整流過后輸出的直流電壓脈動較大，而開關(guān)量出入電路中的TLP5211光耦合器需要穩(wěn)定的+12V直流電源；因此在整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。穩(wěn)壓：電壓的穩(wěn)定在此采用了MC7805三端固定電壓穩(wěn)壓器（主要參數(shù)見表43[1] 尹志強．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007，第107頁．電路符號見圖49[1] 尹志強．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007，第107頁．），而為了能獲得+5V的穩(wěn)定電壓需要擴展輸出電流，因此電源電路設(shè)計選擇了并聯(lián)兩片MC7805三端固定電壓穩(wěn)壓器，其硬件電路圖見圖45所示。我所選擇的控制系統(tǒng)的電源均采用的是串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，它使用的是連續(xù)線性控制方式，具有穩(wěn)定度高、可靠性好、成本較低的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用在像本控制系統(tǒng)在內(nèi)的低電壓、小電流的場合，主要負(fù)責(zé)給控制系統(tǒng)的主機電路供電；其電路的主要結(jié)構(gòu)如圖47[4] 李燕民．電路和電子技術(shù)（下）[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2004，第142頁．所示。圖44 AT89C52單片機振蕩電路 控制系統(tǒng)的電源設(shè)計與選擇 控制系統(tǒng)的電源硬件原理圖本系統(tǒng)設(shè)計的控制系統(tǒng)的電源硬件原理圖如圖45所示：圖45 控制系統(tǒng)的電源硬件原理圖 隔離電源的選擇隔離電源的獲得可有幾種途徑。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必