【正文】 MCS51 單片機(jī)和 8155 相連不僅可以為外設(shè)提供兩個(gè) 8 位 I/O 端口（ A 口和 B 口）和一個(gè) 6 位 I/O 口，也可以為 CPU 提供一個(gè) 256 字節(jié)的 RAM 和一個(gè) 14 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。由于 CPU 于外部設(shè)備之間所傳遞信息的性質(zhì)、傳遞方式、傳遞速度和電平個(gè)不相同，應(yīng)此 CPU 和外設(shè)之間不是簡(jiǎn)單的直接相連，而是必須借助于 I/O 接口這個(gè)過(guò)渡電路才能協(xié)調(diào)起來(lái)。 I/O 接口 輸入 /輸出（ I/O）接口是 CPU 和外設(shè)見(jiàn)信息交換的橋梁 ，是一個(gè)過(guò)渡的大規(guī)模集成 15 電路，可以和 CPU 集成在在同一塊芯片上，也可以單獨(dú)制成芯片出售。 8031 單片機(jī)是片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器供應(yīng)狀態(tài)芯片，因此必須擴(kuò)展外程序存儲(chǔ)器，所以 本系統(tǒng)在 8031 外部擴(kuò)展了一片 8K 的 EPROM2764。 接口電路 該 8031 最小系統(tǒng)的接口電路有 815 276 74LS373 等芯片。還可以通過(guò)按鍵實(shí)復(fù)位，按下鍵后，通過(guò) R1和 R2形成回路，使 RST 端產(chǎn)生高電平。而本設(shè)計(jì)采用按鍵電平復(fù)位，電路如圖所示： 圖 復(fù)位電路圖 當(dāng)加電時(shí)，電容器 C 充電，電路有電流流過(guò)，構(gòu)成回路，在電阻 R 上產(chǎn)生壓降，RST 引腳上為高電平，當(dāng)電容 C 充滿電后，電路相當(dāng)于斷開(kāi)， RST 的電位與地相同，復(fù)位結(jié)束。 復(fù)位電路有兩一種是上電復(fù)位另一種是按鍵復(fù)位。當(dāng) RST從高電平變?yōu)榈碗娖揭院?，單片機(jī)從 0000H 地址開(kāi)始執(zhí)行程序。單片機(jī)復(fù) 位都是靠復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘 電路工作后，只要在單片機(jī)的 RST 引腳上出現(xiàn) 14 24 個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（ 2 個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)復(fù)位。在這種情況下，所有的寄存器都被賦予默認(rèn)值。 單片機(jī)復(fù)位狀態(tài)與復(fù)位電路 （ 1） 單片機(jī)復(fù)位狀態(tài) 單片機(jī)在加電工作的初始系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。由于 8031 無(wú)片內(nèi) ROM，所以當(dāng) EA =0 時(shí)允許使用片外 ROM。 當(dāng)不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 仍以振蕩器 1/6 頻率周期性的出現(xiàn)，此時(shí)可作為輸出時(shí)鐘信號(hào)使用，對(duì)于在片外 EPROM 編程時(shí)，從此引腳輸出編程脈沖信號(hào)。 3） ALE/ PROG ： 地址鎖存允許 /編程線。 2） PSEN ： 片外 ROM 選通線。當(dāng)作為 RST 使用時(shí)為系統(tǒng)復(fù)位輸入端，此時(shí)輸入2 個(gè)機(jī)器周期的高電平，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。 （ 1） 電源線（ 2 條） VCC為主電源，接 +5V 電源線 ； VSS 為接地線。對(duì)有些片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)還必須包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。它的第二功能和 P0口引腳第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高 8 位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但 不能象 P0 口那樣還可以傳送存儲(chǔ)器的讀寫 12 數(shù)據(jù)。當(dāng)P1 口作為通用 I/O 口使用時(shí)， 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)。另外 ， 8031 在不帶外存儲(chǔ)器的情況下，可做 I/O 口使用，此時(shí)為準(zhǔn)雙向輸入 /輸出口。其功能為：八位輸入輸出線可作為 8 位的地址線使用，也可以作為 8 位雙向數(shù)據(jù)總線使用。 （ 4）輸入 /輸出（ I/O）引腳 P0、 P P P3（共 32 根） 端口線（ 4 8=32 條） 8031 共有四個(gè)并行 I 口，每個(gè)端口都有 8 條端口線用于傳送數(shù)據(jù) /地址。對(duì)于常用的 8031 來(lái)說(shuō)，無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以 EA 腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲(chǔ)器。 4） EA/VPP（引腳）：當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在 PC（程序 計(jì)數(shù)器）值超過(guò) 0FFFH（對(duì) 851/8751/80C51） 或 1FFFH（對(duì) 8052）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。但在此 期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 3） PSEN（ 29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。 ALE 端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流 ） 8 個(gè) LS 型的 TTL 輸入電路。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。 2） ALE/PROG（ 30 腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)， ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。當(dāng) VCC 主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍（ 5177。推薦在此引腳與 VSS 引腳之間連接一個(gè)約 的下拉電阻，與 VCC 引腳之間連接一個(gè)約 10μ F 的電容，以保證可靠地復(fù)位。采用外部振蕩器時(shí)，對(duì) HMOS 單片機(jī)，該引腳接外部振蕩器的信號(hào)，即把外部振蕩器的信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端；對(duì) XHMOS，此引腳應(yīng)懸浮。 XTAL2（ 18 腳）：接外晶體的另一端。在單片機(jī) 內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 （ 1）主電源引腳 VCC 和 VSS VCC—— （ 40 腳）接 +5V 電壓； VSS—— （ 20 腳）接地。在單片機(jī)的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制或與其它電源復(fù)用的引腳， 32 條輸入 /輸出（ I/O）引腳。芯片結(jié)構(gòu)如圖所示。 8031 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及管腳說(shuō)明 8031 單片機(jī)的基本機(jī)構(gòu) 8031 單片機(jī)通常有兩種封裝：一種是雙列直插式封裝，一種是方型封裝。用 8155 芯片作為顯示器和鍵盤的接口，溫控系統(tǒng)才用 8031 的 P1 口加驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器帶動(dòng)負(fù)載工作的。 8051 片內(nèi)有 4kb 的 ROM,無(wú)須外接存儲(chǔ)器和 74LS373，更能體現(xiàn)“單片”的簡(jiǎn)練。 單片機(jī)的選擇 8031 即無(wú)片內(nèi) ROM 也無(wú)片內(nèi) EPROM，使用時(shí)需要擴(kuò)展外部程 序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，外接的程序存儲(chǔ)器多為 EPROM 的 2764 系列。 圖 定時(shí)器控制寄存器 TCOD 9 第四章 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) CPU 是本系統(tǒng)的核心器件，本章將主要介紹有關(guān) CPU 的選取，單片機(jī)最小控制系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)中各元件的工作過(guò)程和器件管腳介紹等。 TMOD 中各位定義如圖所示。 T0 和 T1 計(jì)數(shù)器的溢出中斷請(qǐng)求還受中斷允許寄存器IE 中 EA、 ET0 和 ET1 狀態(tài)的控制。 內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器 /計(jì)數(shù)器的控制主要是通過(guò) TCON 和 TMOD 兩個(gè)特殊功能存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)的?？刂?/狀態(tài)線有兩累：一類是 CPU 發(fā)出的控制命令，如讀命令、寫命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲(chǔ)或外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請(qǐng)求、存儲(chǔ)器忙和復(fù)位信號(hào)等。 數(shù)據(jù)線用來(lái)傳送 CPU 寫入存儲(chǔ)器或經(jīng) I/O 借口讀入的數(shù)據(jù)。 內(nèi)部總線 單片機(jī)內(nèi)部總線是 CPU 連接片內(nèi)各主要部件的紐帶 ,是各類信息傳送的公共通道 .內(nèi)部總線主要由三中不同性質(zhì)的連線組成 ,它們是地址線、數(shù)據(jù)線 和控制狀態(tài)線。 I/O 串行通 信 ,它可以把單片機(jī)內(nèi)部的并行 8 位數(shù)據(jù) (8 位機(jī) )變成串行數(shù)據(jù)向外傳送 ,也可以串行接 ]收外部送來(lái)的數(shù)據(jù)并把它們變成并行數(shù)據(jù)送給 CPU 處理。 CPU 進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作的字長(zhǎng)同樣有 4 位、 8 位、 16 位和 32 位之分 ,字長(zhǎng)越長(zhǎng)運(yùn)算速度越快 ,數(shù)據(jù)處理能力也就越強(qiáng)。 微操作控制部件 :可以為 ID 輸出信號(hào)配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖 ,也可以與外部進(jìn)來(lái)的控制信號(hào)組合 ,共同形成相應(yīng)的微操作控制序列 ,以完成規(guī)定的操作。 時(shí)序部件 :由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成 ,用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號(hào) 。因此，指令可分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令。 指令是一種能供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分。 指令部分：是一種能對(duì)指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控制信號(hào)的邏輯部件，也是控制器的核心。 （ 2）控制器 控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞。 ALU，主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對(duì)累加器 A和暫存器 TMP中兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操作。累加器 A在加法錢用語(yǔ)存放一個(gè)操作數(shù)，加法操作后用于存放兩數(shù)之和，以便再次累加，故此得名。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元 ALU、累加器 A、通用寄存器 R0、暫存器 TMP和狀態(tài)寄存器 PSW 等五部分組成。 中央處理器（ CPU） 中央處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要像電子線路那樣化除它的全部電原理圖來(lái)加以分析介紹是根本不可能的。RAM 主要用來(lái)存放 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖之用。由于單片機(jī)主要主要在控制系統(tǒng)中使用，因此一旦該系統(tǒng)研制成功，其硬件和應(yīng)用程序已定型，為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi) ROM 中。通常， ROM 存儲(chǔ)容量較大，RAM 存儲(chǔ)器的容量比較小，這是單片機(jī)用于控制的一大特點(diǎn)。下面對(duì)本次設(shè)計(jì)中用到的單片機(jī)主要部件進(jìn)行 逐一介紹。其中，中央處理器（ CPU）的字長(zhǎng)長(zhǎng)，功能強(qiáng)大； ROM 和 RAM 的容量很大； I/O 接口的功能也大，這是單片機(jī)無(wú)法比擬的。 與單片機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)是一種多片機(jī)系統(tǒng)。 通常，單片機(jī)由集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件： CPU（中央處理器）、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。 以下就是萬(wàn)能銑床單片機(jī)控制系統(tǒng)的主程序流程框圖 圖 萬(wàn)能銑床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 5 第三章 單片機(jī)的概述 單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機(jī)種。 1升降臺(tái)可以帶動(dòng)整個(gè)工作臺(tái)沿床身的垂直導(dǎo)軌上下移動(dòng) , 以調(diào)整工件與銑刀的距離和垂直進(jìn)給。 1轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)可將縱向工作臺(tái)在水平面內(nèi)扳轉(zhuǎn)一定的角度 (正、反均為 0～45o)，以便銑削螺旋槽等。臺(tái)面上的 T 形槽用以安裝夾具或工件。主軸是一空心軸，前端有 7:24的精密錐孔，其作用是安裝銑刀刀桿錐柄。橫梁可沿床身的水平導(dǎo)軌移動(dòng)，其伸出長(zhǎng)度由刀桿長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行調(diào)整。內(nèi)部裝有主電動(dòng)機(jī)，主軸 變速機(jī)構(gòu)，主軸，電器設(shè)備及潤(rùn)滑油泵等部件。頂面上有供橫梁移動(dòng)用的水平導(dǎo)軌。 萬(wàn)能銑床機(jī)床設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)原理，操作方便；萬(wàn)能銑床操作面板均使用形象化符號(hào)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單直觀。 萬(wàn)能銑床 X、 Y、 Z 三方向?qū)к壐苯?jīng)超音頻淬火、精密磨削及刮研處理，配合強(qiáng)制潤(rùn)滑，提高精度，延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命。萬(wàn)能銑床主傳動(dòng)部分和工作臺(tái)進(jìn)給部分均采用齒輪變速結(jié)構(gòu)，調(diào)速范圍廣，變速方便，快捷。 45176。 機(jī)床主軸軸承為圓錐磙子軸承，萬(wàn)能銑床主軸采用三支承結(jié)構(gòu)，主軸的系統(tǒng)剛度好，承載能力強(qiáng)，且主軸采用能耗制動(dòng)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，停止迅速、可靠。為了讀鍵盤給定值，及完成檢測(cè)與控制，為設(shè)了擴(kuò)展存儲(chǔ)器，對(duì)各控制進(jìn)行編程，采用軟件與硬件接合的方法完成整個(gè)自動(dòng)裝箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 最后，通過(guò) P7 口連接報(bào)警裝置，如出現(xiàn)電機(jī)方面的故障或系統(tǒng)內(nèi)部的故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警，通常， 8031 連接驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)置，本設(shè)計(jì)中，利用了聲光報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)的?？赏ㄟ^(guò) 8155 的 PB 口用于給定值和產(chǎn)品計(jì)數(shù)顯示， PA 口讀鍵盤的給定值， PC 口高四位為輸入方式，用語(yǔ)檢測(cè)光電管和 START、 STOP 的兩個(gè)鍵值的狀態(tài)。其次，要通過(guò)鍵盤與顯示器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與監(jiān)控，可利用 8155 或 8255 并行接口連接。 利用單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 設(shè)計(jì) 萬(wàn)能銑床 1 目錄 第一章 緒論 .................................................................................................... 2 第二章 設(shè)計(jì)構(gòu)思 ............................................................................................ 3 第三章 單片機(jī)的概述 .................................................................................... 5 存儲(chǔ)器 .......................................................... 5 中央處理器（ CPU） ............................................... 5 I/O 接口 ......................................................... 7 內(nèi)部總線 ........................................................ 7 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ................................................... 7 第四章 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) .....................................