【文章內(nèi)容簡介】 ，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。 8031 片內(nèi)無 ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位機(jī)。由于 MCS51 系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 緊湊。對于簡單的應(yīng)用場合， MCS51 系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片 8031外擴(kuò)一片 EPROM 就能滿足功能的要求，對于復(fù)雜的應(yīng)用場合，可以利用 MCS51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以選用 8031 單片機(jī)。其次，設(shè)計要求也是要求用 8031。由此可見選用 8031 是符合數(shù)控螺紋車床電路設(shè)計的。南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 此次設(shè)計使用的是 8031 芯片。 外擴(kuò)存儲器的確定 8031 單片機(jī)片內(nèi)只有 128 個字節(jié)的 RAM，需要外擴(kuò)存儲器。 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。 在選擇程序存儲器芯片時，有三種 ROM 可供選擇，一種是掩膜 ROM，一種是可編程 ROM（ PROM），還有一種是紫外線可擦除 ROM（ EPROM），現(xiàn)在多用的是 EPROM，在選擇 EPROM 時要考慮 CPU 和 EPROM 時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。根據(jù)設(shè)計要求，需要外擴(kuò)32K 程序存儲器，所以選擇 27256 芯片。 在選擇數(shù)據(jù)存儲器芯片時，常采用半導(dǎo)體靜態(tài)的隨機(jī)存取存儲器 RAM電路。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài) RAM（ SRAM）和動態(tài) RAM（ DRAM）兩類。 DRAM一般用于存儲容量較大的系統(tǒng)中，而且 DRAM 需要刷新邏輯電路以 保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的不丟失，電路設(shè)計較復(fù)雜。雖然 DRAM 芯片具有容量大、功率低、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但它極易受干擾，對外界環(huán)境、工藝結(jié)構(gòu)、控制邏輯和電源質(zhì)量等的要求都很高。同時與 DRAM 相比， SRAM 無須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，故擴(kuò)展電路較簡單。因此，此次設(shè)計的控制系統(tǒng)選用SRAM。在 8031 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 芯片有 6116（ 2K8）和 6264（ 8K8）兩種。 根據(jù)設(shè)計要求，需要外擴(kuò) 8K 數(shù)據(jù)存儲器，所以選擇 6264 芯片。 在存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計中還應(yīng)包括地址瑣存器電路和譯碼電路的設(shè) 計。 顯示電路的確定 顯示電路需要實(shí)現(xiàn)三排 LED 動態(tài)顯示，用以顯示 X 軸、 Z 軸動態(tài)坐標(biāo)以及相關(guān)的數(shù)字，這就需要一個從 CPU，從 CPU 主要是按照中央 CPU送來的顯示命令和顯示內(nèi)容，組成相應(yīng)的顯示信息，負(fù)責(zé)產(chǎn)生顯示器所需要的掃描信號，控制顯示器按規(guī)定的顯示方式顯示有關(guān)信息。 89C2051 將多功能的 8 位 CPU 與FPEROM 結(jié)合在同一片芯片上，高度靈活且價格適宜。此次設(shè)計選用 89C2051作顯示 CPU，控制顯示器顯示。 顯示器的種類多種多樣，有 CRT 顯示器、 LED 顯示器、 LCD 顯示器、輝光顯示器、 熒光顯示器及投影顯示器等等。在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，常用 CRT 和 LED以及 LCD 顯示器，這三種顯示器可顯示數(shù)字、字符、及各種信息狀態(tài)?，F(xiàn)在比較流行的是 LCD 顯示器，它雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但它多用于大信息量、高密度、快速變換、長時間觀察的地方，如果用在數(shù)控螺紋車床控制系統(tǒng)硬件電路中，會造成資源浪費(fèi)。在所有的顯示器中， LED 由于功耗較少、亮度較強(qiáng)、控制簡單可靠，且價格很低，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和各種儀器儀表中廣泛使用。此次設(shè)計選用的南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 顯示器就是 LED 顯示器。數(shù)控螺紋車床需要三排顯示，即 X 軸坐標(biāo)、 Z 軸坐標(biāo)、功能字及其后的相關(guān)數(shù)字。顯 示數(shù)字用 8 段數(shù)碼管，功能字是字母，所以顯示功能字需要用 16 段“米”字?jǐn)?shù)碼管。由于要實(shí)現(xiàn)數(shù)字的三排顯示，需要使用 74LS164移位寄存器來實(shí)現(xiàn)移位的功能，顯示功能字時，需要使用 74LS273 鎖存器來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示?？紤]到 89C2021 的管腳過少，加入一個 74LS138 譯碼器進(jìn)行位選譯碼。 擴(kuò)展鍵盤及 I/O 口電路的確定 擴(kuò)展鍵盤及 I/O 口電路的確定應(yīng)包括接口芯片的選用、步進(jìn)電機(jī)控制電路、鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計。 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，按鍵開關(guān)、波段開關(guān)和鍵盤作為人機(jī)聯(lián)系的手段不可缺少。 8031 的 P1 口可作為信號輸入口，主要包括手動 X 軸、 Z 軸正反轉(zhuǎn)、超程、啟動、停止、螺紋脈沖以及螺紋零脈沖信號輸入。 8155 作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的可編程 I/O 接口得到了廣泛應(yīng)用。對于單片機(jī)系統(tǒng)來說，用 8155 作為鍵盤的接口，無需再專門增加芯片，所以此次設(shè)計編輯鍵盤用 8155 控制。 8255A 是一種通用的可編程并行接口電路，在單片機(jī)系統(tǒng)中被廣泛用作可編程外部 I/O 擴(kuò)展接口。同時它與 8031 單片機(jī)連接方式簡單，所以此次設(shè)計選用8255 擴(kuò)展輸入輸出信號接口。 總體方案的結(jié)構(gòu)框圖 總體方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 光耦電路 74LS273 顯示電路 6264 89C2051 27256 鍵盤 74LS373 8155 8031 單片機(jī) 74LS138 8255A 手動按鈕 圖 總體方案結(jié)構(gòu)框圖 I/O 接口 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第三章 數(shù)控螺紋車床控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 CPU時鐘及復(fù)位電路設(shè)計 此次設(shè)計采用 Intel 公司開發(fā)的8031 單片機(jī)作為主 CPU，它是整個控制系統(tǒng)電路的核心。 8031 芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機(jī)系統(tǒng)。 8031 芯片具有 40 根引腳，其引腳圖如圖 所示。 I/O 口線： P0、P P P3 共四個 8 位口；控制口線： PSEN（片外取指控制）、ALE（地址鎖存控制）、 EA（片外存儲器選擇）、 RESET（復(fù)位控制）；電源及時鐘： Vcc（接 +5V電源）、 Vss（接地）； XTAL1 和XTAL2 接外部晶體振蕩器 [1]。 時鐘電路設(shè)計 單片機(jī) 8031 雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。數(shù)控螺紋車床控制系統(tǒng)硬件電路采用內(nèi)部時鐘方式，在 XTAL XTAL2引腳上外接晶振 Y1 以及電容 C3 和 C4 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，使內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，如圖 所示。電路中晶振 Y1 取典型值 10MHZ，相當(dāng)于8031 單片機(jī)的心臟，控制著工作節(jié)奏。電容 C C4 分別 取值為 30pF，它們使振蕩器起振并可對振蕩器的頻率起到微調(diào)作用。當(dāng)數(shù)控螺紋車床控制系統(tǒng)加電以后約 10ms 開始起振， XTAL2 輸出 3V 左右的正弦波，振蕩器產(chǎn)生的時鐘送至 8031 單片機(jī)內(nèi)部的各個部件。 復(fù)位電路設(shè)計 該控制系統(tǒng)采用按鈕復(fù)位。在 8031 復(fù)位端 RESET 上接如圖 所示的電路，當(dāng)上電或按動按鈕 S53，復(fù)位端 RESET 上出現(xiàn)高電平，保持 10ms 以上便能可靠地實(shí)現(xiàn)復(fù)位， R1 取 30Ω， R3 取 15KΩ,C1 取 10181。F。同時，系統(tǒng)的急停開關(guān)也接 在該復(fù)位端上，如圖 所示，只要按下急停按鈕 S9， INT0 端 出現(xiàn)低電平，利圖 8031引腳圖 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 V P P1V C C28A19A28A37A46A55A64A73A825A924A 1021A 1123A 122A 1427OE22CE20A 1326D011D112D213D315D416D517D618D719G N D14A010U?A M 2 7C 25 6 2 00 / B X A ( 28 )用 8031 的 口第二功能，實(shí)現(xiàn)外部中斷請求，同時， RESET 端上出現(xiàn)高電平， 實(shí)現(xiàn)可靠復(fù)位。復(fù)位電路設(shè)計如圖 所示。 圖 8031時鐘及復(fù)位電路原理圖 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 8031 芯片內(nèi)部無程序存儲器，只有 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，地址為00H— FFH，因而再組成控制系統(tǒng)時可根據(jù)需要擴(kuò)展外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。由于地址線是 16 位的， 所以 最多能擴(kuò)展 64KB 程序存儲器和 64KB 數(shù)據(jù)存儲器，其地址均為 0000H— FFFFH，在數(shù)控 螺紋車床控制系統(tǒng)硬件電路中，只需擴(kuò)展 32K 的程序存儲器和 8K 的數(shù)據(jù)存儲器，如第二章所述，選用 27256 芯片作為 32K 的程序存儲器擴(kuò)展， 6264 芯片作為 8K 的數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展。 程序存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 程序存儲器擴(kuò)展時，擴(kuò)展容量為 32K，大于 256 字節(jié)，因此 EPROM 片內(nèi)地址除了由 P0 口經(jīng)鎖存器提供 8 位地址線外，還需由P2 口提供 7 位地址線。選用的 27256 芯片為 圖 27256引腳圖 112233445566D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA2D a t e : 2021 6 3 S he e t of F i l e : D : \ pr ot e l dxp 正式版 \ ..\ 時鐘以及復(fù)位 .S C H D O C D r a w n B y :15KR530ΩR115KR31N 4148D21N 4148D1312U31μC51μC210μC1S9GNDGND+5GNDGNDR8+5GND+530pFC430pFC31210M H ZY1P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8I N T 1,P 13I N T 0,P 12T 1,P 15T 0,P 14/ E A31R E S E T15X T A L 218X T A L 119/ R D17/ W R16P 39P 38P 37P 36P 35P 34P 33P 32P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28V c c40V s s20R X D ,P 10T X D ,P 11/ A L E30/ P E S N29U 10S 53GND南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 28 腳雙列直插式扁平封裝芯片，其引腳如圖 所示。 27256 與 8031 的連接圖如圖 所示。 根據(jù)程序存儲器電路的連接，確定 27256 的尋址范圍，見表 。 表 程序存儲器地址表 地址線 地址 A15 A14 A13 A12 A11 … A1 A0 0 0 0 0 0 … 0 0 0000H 0 0 0 0 0 … 0 1 0001H 0 0 0 0 0 … 1 0 0002H ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ 0 1 1 1 1 … 1 0 7FFEH 0 1 1 1 1 … 1 1 7FFFH 1．地址線的連接 27256 低 8 位地址線 A0— A7 經(jīng)地址鎖存器與 8031 的 P0 口相連； 27256 高7 位地址直接與 8031 的 P2 口相連。由于 8031 的 P0 口是分時輸出低 8 位地址 和數(shù)據(jù)，因此要外接地址鎖存器，并與 CPU 發(fā)出的地址允許鎖存信號 ALE 的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 在此系統(tǒng)設(shè)計中選用的地址鎖存器芯片是74LS373，它是帶三態(tài)緩沖器輸出的 8D 觸發(fā)器，其引腳如圖 所示。它的輸入輸出關(guān)系見表 。 將 OE 接低電平， LE 接 ALE 就能正常工作，則輸入端 Dn為高電平時，輸出端 Qn 也為高電平，輸入為低時，輸出也為低，從而實(shí)現(xiàn)鎖存功能，所以 只要 將 8031 的 ALE 信號與鎖存器 74LS373 芯片 ALE 端相連。單片機(jī)的 P2 口用作高地址線及片選地址線，由于 P2 口輸出具有鎖