【文章內(nèi)容簡介】 芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成時(shí)鐘振蕩電 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 路， XTAL1 為該放大器的輸入端、 XTAL2 為該放大器的輸出端，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路與和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。根據(jù)硬件電路的不同，單片機(jī)的時(shí)鐘連接方式又可分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖 33所示，外部時(shí)鐘方式如圖 34所示。 圖 33 內(nèi)部時(shí)鐘方式 圖 34 外部時(shí)鐘方式 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 單片機(jī)的工作方式 MCS51系 列單片機(jī)的工作方式可分為：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、單片執(zhí)行方式、掉電保護(hù)方式、節(jié)電工作方式和 EPROM編程 /校驗(yàn)方式。 復(fù)位方式： 系統(tǒng)開始運(yùn)行和重新啟動靠復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)，這種工作方式為復(fù)位方式。復(fù)位電路有兩種：上電自動復(fù)位如圖 35所示，上電 /按鍵手動復(fù)位如圖 36所示。 圖 35 上電自動復(fù)位 圖 36 上電 /手動按鍵復(fù)位 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 程序執(zhí)行方式 ： 單片機(jī)基本工作方式，可分為連續(xù)執(zhí)行工作方式和單步執(zhí)行工作方式。 ① 連續(xù)執(zhí)行工作方式 ： 所有單片機(jī)都需要的工作方 式。單片機(jī)復(fù)位后， PC值為 0000H，因此單片機(jī)復(fù)位后立即轉(zhuǎn)到 0000H處執(zhí)行程序。單片機(jī)按照程序事先編排的任務(wù)，自動連續(xù)地執(zhí)行下去。 ② 單步執(zhí)行工作方式：用戶調(diào)試程序的一種工作方式，在單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)上有一專用的單步按鍵（或軟件調(diào)試環(huán)境）。按一次，單片機(jī)就執(zhí)行一條指令（僅僅執(zhí)行一條），這樣就可以逐條檢查程序，發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行修改。單步執(zhí)行方式是利用單片機(jī)外部中斷功能實(shí)現(xiàn)的。 節(jié)電方式： 一種低功耗的工作方式，分為空閑（等待）方式和掉電（停機(jī)）方式。是針對 CHMOS類芯片而設(shè)計(jì)的， HMOS型單片機(jī)不能工作在節(jié)電方式，但它有一種掉電保護(hù)功能。 ① HMOS單片機(jī)的掉電保護(hù)：當(dāng) VCC突然掉電時(shí)，單片機(jī)通過中斷將必須保護(hù)的數(shù)據(jù)送入內(nèi)部 RAM，備用電源 VPD可以維持內(nèi)部 RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。 ② CHMOS單片機(jī)的節(jié)電方式： CHMOS型單片機(jī)是一種低功耗器件，正常工作時(shí)電流為 11～ 22mA，空閑狀態(tài)時(shí)為 ～ 5mA，掉電方式為 5～ 50?A。它適用于低功耗應(yīng)用場合，它的空閑方式和掉電方式都是由電源控制寄存器 PCON中相應(yīng)的位來控制。 編程 和校驗(yàn)方式 ： 用于內(nèi)部含有 EPROM的單片機(jī)芯片，一般的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)都提供實(shí)現(xiàn)這種方式的設(shè)備和功能。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第四章 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 硬件配置與接口分配 單板機(jī)可尋址范圍是 64K 字節(jié)，板上提供的插座占 16K，已插入的芯片占10K，其余以備擴(kuò)展使用。其存貯空間分配如下。 0000H~07FFH 2KB EPROM 存儲 監(jiān)控程序 0800H~0FFFH 2KB EPROM 存儲 零件加工程序 1000H~17FFH 2KB RAM 調(diào)試程序 2020H~27FFH 2KB RAM 測試程序等 I/O 口地址分配 單板機(jī)設(shè)置 I/O口地址為 80～ 9FH 共 32個(gè)口地址，分配如下。 80H～ 83H MCS— 51 8031 84H～ 87H 字形鎖存 88H～ 8BH 字位鎖存 8CH～ 8FH 讀鍵值 90H～ 9FH 用戶使用 硬件電路的設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路由以下幾部分組成： 主控制器。即中央處理單元 （ CPU） 總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 存儲器 。 包括只讀可編程序存儲器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲器。 本次選用的AT89C51芯片內(nèi)部自帶 有 4K字節(jié)可編程 的 閃爍存儲器 ，故不需再擴(kuò)展存儲器。 接口。即 I/O輸入輸出接口。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 如圖 41所示： 圖 41 數(shù)控系統(tǒng)的 硬件框圖 主控制器 CPU的選擇 AT89C51系列單片機(jī)是集中 CPU,它有如下特點(diǎn)： 1． 可靠性高。 AT89C51能很好的適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境 ， 與 PC機(jī)相比，它具有更強(qiáng)的 抗 外界干擾 能力。 并且，它的 系統(tǒng)軟件 （ 如：程序指令，常數(shù)，表格 等） 均 固化 于 ROM中，不 易 受 到 病毒 的 破壞。信號 通道 基本 上 都 位于 同 一個(gè)芯片 里 ， 運(yùn)行 時(shí) ， 系統(tǒng)可靠 且 穩(wěn)定 。 2． 便于擴(kuò)展 。 此系列單片機(jī) 片內(nèi) 有 微 機(jī)正常運(yùn)行 必需 具備 的部件， 其 片外 還 有 許 多供 用戶 擴(kuò)展用的 （ 總線，串行 和并行 輸入 /輸出 ） 管腳，很容 易就能組 成 一定 規(guī)模 且適應(yīng)要求 的 微 機(jī) 系統(tǒng)。 3．控制功能較強(qiáng)。 中央處理器單元 CPU 存儲器 RAM ROM 輸入 /輸出 I/O接口 信號變換 控制對象 外部設(shè)備 (鍵盤、顯示器、打印機(jī)、通信接口等 ) 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 AT89C51單片機(jī) 具有 豐富 控制指令 ，如： I/O 口 邏輯 操作指令， 位處理指令 ，條件分支轉(zhuǎn)移指令 等 。 4． 實(shí)用性好 。 體積小，功耗低，價(jià)格便宜， 易 于產(chǎn)品化。 綜上所述，由于它具有以上優(yōu)點(diǎn) ， 所以本設(shè)計(jì) 選用 AT89C51單片機(jī) 作為主控 制 芯片。 其引腳圖如圖 32所示。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 1． 選用 ULN2020A 芯片 構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路 。 ULN2020A 的結(jié)構(gòu)： ULN2020A 是一款大電流、高耐壓的達(dá)林頓陣列，由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成。 ULN2020A 具有如下特點(diǎn)： ULN2020A 中的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)著一個(gè) 的基極電阻，它在5V 的工作電壓下，可與 CMOS 和 TTL 電路直接連接，能直接處理一些原先需要由標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器處理的數(shù)據(jù)； ULN2020A 的工作電流大，工作電壓高，其灌電流可以達(dá)到 500mA，且在關(guān)態(tài)時(shí)能承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流的情況下并行運(yùn)行； ULN2020A 采用 DIP— 16 或 SOP— 16 塑料封裝； ULN2020A 的引腳如圖 42 所示。 圖 42 ULN2020A引腳圖 2． 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路 如圖 43 所示。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 43 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 其他輔助電路設(shè)計(jì) AT89C51 的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘的產(chǎn)生方式 AT89C51 的時(shí)鐘電路可以由兩種方式產(chǎn)生：外部方式和內(nèi)部方式。由于內(nèi)部時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)簡單，無需外部施與時(shí)鐘信號，故本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式是利用的芯片內(nèi)部的振蕩電路，具體則是在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接一個(gè)定時(shí)元件，如圖 33所示。晶體的振蕩頻率可在 ～ 12MHz 間任選，耦合電容在 5～ 30PF 之間，這種方式對時(shí)鐘具有微調(diào)作用。 AT89C51 復(fù)位電 路 單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路來實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要 RST 引腳上有 10ms 以上的高電平出現(xiàn)，單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，然后單片機(jī)便從0000H 單元開始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位方式。為了盡可能簡化電路，本次設(shè)計(jì)采用上電自動復(fù)位方式，如圖 35所示。 超程報(bào)警電路 為了防止工作臺超程，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。對于兩坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)， 4個(gè)方向都可能超程，即 +X、 － X、 +Y、 － Y。當(dāng)某一方向超程時(shí)， 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 應(yīng)立即使工作臺停止移動。圖 44 為報(bào)警指示燈電路。為達(dá)到報(bào) 警的效果，要用到中斷方式，這里采用 AT89C51 的外部中斷方式，任何一個(gè)行程開關(guān)閉合（即工作臺在某一方向超程），均會產(chǎn)生中斷信號。在電路中設(shè)置紅綠燈作為警示指示信號。正常工作時(shí)，綠燈亮；超程報(bào)警時(shí)，紅燈亮。兩燈均由一個(gè) I/O 口輸出。 圖 44 報(bào)警指示燈 電路 掉電保護(hù)電路 半導(dǎo)體存儲器 RAM 最怕掉電，一但掉電，則里面存儲的信息就會全部丟失。工業(yè)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，掉電是很有可能發(fā)生的。數(shù)控系統(tǒng)中的一些重要的現(xiàn)場參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)等都是存儲在 RAM 中的，掉電后，數(shù)據(jù)將會丟失。為了使掉電情況下， RAM 中的信息能得以保持，就必須設(shè)置掉電保護(hù)電路。這樣，恢復(fù)供電后，系統(tǒng)又能馬上運(yùn)行。圖 45所示的是一種簡單掉電保護(hù)電路的工作原理，圖中 +V 為電源電壓， BV 為備用電池電壓，并且 +BVV ，ccV 為存儲器 RAM 的電源端，正常通電 時(shí)，二極管 1D 導(dǎo)通， 2D 截止， RAM 的工作電壓由 +V 提供，同時(shí)， +V 還通過電阻 R對電池充電。斷電后， 1D 截止， 2D導(dǎo)通，此時(shí) RAM 的工作電壓由電池電壓由電池 BV 經(jīng)二極管 2D 和電阻 R 供給，BV 值一般取 3V時(shí)，存儲器就能可靠的保持信息。 圖 45 掉電保護(hù)電路 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果功率放大器直接接輸出信號，將導(dǎo)致強(qiáng)電干擾。輕則影響程序的正常工作，重則導(dǎo)致單片機(jī)和接口電路的損壞。所以一般在功率放大器與接口電路之間都要接上隔離電路。 光電隔離是有光耦合器來完成的。光耦合 器是以光為媒介傳輸信號的器件，其輸入端配置發(fā)出光源，輸出端配置接受光源，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。本設(shè)計(jì)將會使用開關(guān)量電路，因此設(shè)計(jì)時(shí)選擇在電路中接入光耦合器，從而使其輸入側(cè)與輸出側(cè)的信號得到了電氣隔離，互補(bǔ)影響。 1． 光耦合器的選用 本案選用的是普通的信號隔離用光耦合器 (TLP5211)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式見圖46。 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(jì)的要求。 圖 4