经济型数控车床控制系统硬件电路设计

海量机械毕业设计，请联系Q99872184南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）题目经济型数控车床控制系统硬件电路设计专业自动化（数控技术应用）班级数控033学号Z35702203学生姓名王慧蕴指导教师华茂发副教授起迄日期2007320076设计地点实验楼_海量机械毕业设计，请联系Q99872184GRADUATIONDESIGNTHESISHARDWAREDESIGNOFECONOMICNCLATHEBYWANGHUIYUNSUPERVISEDBYASSOCIATEPROFHUAMAOFADEPARTMENTOFAUTOMATIONENGINEERINGNANJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGYJUNE,2007南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）I摘要本文详细地介绍了经济型数控车床控制系统硬件电路的设计过程。该控制系统主要可分为四部分设计CPU存储器扩展电路设计、显示电路设计、手动键盘和编辑键盘电路设计以及I/O扩展电路设计。在CPU存储器扩展电路设计中，CPU选用MCS51系列的8031单片机，外扩32K的程序存储器和8K的数据存储器，分别用于存放系统管理程序、数控加工程序以及运算数据；在显示电路设计中，选用MCS51系列的89C2051单片机作为从CPU，控制三排LED显示器，用于X轴、Z轴动态坐标以及相关数字的动态显示；在手动键盘和编辑键盘设计中选用8155芯片的PA口和PC口作为行、列母线，扩展矩阵式编辑键盘，用于程序和数据的输入或编辑，同时选用8031单片机的P1口扩展手动键盘，用于系统启动、停止以及运动部件在X、Z轴方向的手动控制；在I/O口扩展电路设计中选用8255芯片扩展输入输出口，用于接收和传送开关量及相关信息。总体来说，该设计电路简单、开发成本低、可靠性高，在此基础上，进一步完善硬件，并开发控制软件，对经济型数控车床，尤其是功能要求不高的经济型车床，具有一定的应用价值。关键词数控车床；控制系统；电路设计南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IIABSTRACTTHISPAPERINTRODUCEDTHEHARDWAREDESIGNOFTHEECONOMYNUMERICALCONTROLLATHEINDETAIL,WHICHMAINLYINCLUDESFOURPARTSRAM/ROM,DISPLAYMODULE,KEYBOARDANDSYSTEMI/OINTHEDESIGN,AMCS51SERIESMICROPROCESSOR,8031,ISCHOSENASTHESYSTEMCPU,A32KROMISUSEDTOSTORETHESYSTEMSOFTWAREANDAN8KRAM,TOSTORENCCODEANDOPERATIONDATARESPECTIVELYANOTHERMCU,89C2051ISUSEDTOREALIZETHECONTROLOFTHETHREEROWSLEDMONITORSHOWINGCOORDINATESOFAXISXANDZAXISANDOTHERSTATEOFTHESYSTEMCHARNELAANDCOF8155AREUSEDFOREDITORKEYBOARD,WHICHMAKETHEINPUTTINGOREDITINGOFTHENCCODEANDDATAPOSSIBLECHARNELP1OF8031ISUSEDFORTHEOPERATIONKEYBOARDSUCHASSYSTEMPOWERON/OFFANDMOVEMENTOFAXISXORZAPROGRAMMABLEPARALLELI/OCHIP,8255,ISUSEDTOACHIEVESYSTEMI/OANDTHETRANSMISSIONOFOTHERINFORMATIONINSUMMARIZE,THESYSTEMDEVELOPEDISCHARACTERIZEDBYITSSIMPLICITY,LOWDEVELOPMENTCOSTANDHIGHRELIABILITYITCANFINDITSACTUALVALUEINTHEDEVELOPMENTOFECONOMICNCLATHE,ESPECIALLYFORTHOSEWHOSEFUNCTIONISNOTDESIREDSOMUCHKEYWORDSNUMERICALCONTROLLATHECONTROLSYSTEMCIRCUITDESIGN南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）III目录第一章绪论111引言112选题背景与意义213研究现状314本文的结构4第二章经济型数控车床控制系统硬件电路设计方案的拟定521控制对象及要求522总体控制方案的拟定5221主CPU的选用5222外扩存储器的确定6223显示电路的确定6224扩展键盘及I/O口电路的确定7225总体方案的结构框图7第三章经济型数控车床控制系统硬件电路设计831CPU时钟及复位电路设计8311时钟电路设计8312复位电路设计832存储器扩展电路设计9321程序存储器扩展电路设计9322数据存储器扩展电路设计1133显示电路设计14331数字动态显示电路设计14332功能字显示电路设计1634手动键盘和编辑键盘电路设计17341手动键盘电路设计18342工作方式选择开关电路设计20343编辑键盘电路设计2135I/O接口扩展电路设计2336步进电机控制信号输出电路设计2837译码电路设计29371扩展芯片选择译码电路设计29南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IV372显示位选择译码电路设计31第四章控制系统原理图及PCB图的绘制3241控制系统电路原理图的绘制方法及步骤3242控制系统电路PCB图的绘制方法及步骤35第五章结论3751论文总结3752感想38致谢39参考文献40附录A英文资料41附录B英文资料翻译55附录C硬件设计原理图与PCB图67附件毕业论文光盘资料南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1第一章绪论11引言科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。许多生产企业（例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂）已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采用这种高度自动化和高效率的设备，尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但在大批大量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然非常显著的。但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产的零件（批量在10100件）约占机械加工总量的80以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小、改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得和不合理，因为需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存与发展，各生产企业不仅要提供高质量的产品，而且频繁地改型，缩短生产周期，以满足市场上不断变化的需要。因此，即使是大批量生产，也改变了产品长期一成不变的做法。频繁地开发新产品，使“刚性”的自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。已经使用的各类仿型加工机床部分解决了小批量、复杂零件的加工。但在更换零件时，必须制造靠模和调整机床，不但要耗费大量的手工劳动，延长了生产准备周期，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。为解决上述这些问题，来满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数字机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等）和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁带）将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控机床与其它自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）2一条新的穿孔纸带或磁带，不需要对机床作任何调整。我国在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，是我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。目前我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心机床。我国经济型数控车床的研究、生产和推广工作也取得了较大的进展，它必将对我国各行业的技术改造起到了积极的推广作用。目前，在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需要量将会大幅度的增长，这将有力地促进数控机床的发展。毫无疑问，数控机床必然会在我国四化建设中发挥越来越大的作用。12选题背景与意义我国数控车床发展，始于20世纪70年代，通过30余年的发展，我国目前生产的数控车床，分为经济型数控车床、中档型数控车床和高档型数控车床三种档次，其中经济型数控车床约占数控车床产量90。经济型数控车床，价格低廉，设备费用投入较少，可以广泛地满足企业发展初期的需要，特别是受到民营经济企业的欢迎，仍是我国当前数控车床的主流产品。经济型数控车床主要特点有1）价格低廉，性价比适中，大约是同等配置带伺服电动机系统的1/4或更低。它特别适合于普通机床的改造，适合在生产第一线大面积推广。2）适合于多品种、中小批量的自动化生产，对产品的适应性强，在普通机床上加工的产品大都可以在经济型数控产品上加工。加工不同零件，只需改变加工工序，并且能很快适应和达到批量生产。3）提高产品质量，降低废品损失。数控装置有较高的加工精度，加工出的产品尺寸一致性好、合格率高。4）能解决复杂零件的加工精度控制问题。5）节约大量工装费用，降低生产成本。手工操作需要大量不同类型的靠模和成形刀具，用经济型数控车床加工可以不用工装，不仅节约了工装费用，还减轻了工具制造部门的压力。6）减轻了工人的劳动强度。使用经济型数控车床可将工人从紧张、繁重的体力劳动中解脱出来。7）提高工人素质，促进技术进步。数控系统的出现扩大了工人的视野，带动了学习微电子技术的热潮，为工人由“体力型”向“智力型”过渡创造了条件，促进了工厂的技术进步。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）38）增强了企业应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件。企业应用经济型数控系统对设备进行改造后，提高了加工精度和批量生产的能力，同时又保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，增强企业的竞争能力。全功能的数控车床虽然功能丰富，但成本高，我国一般中小企业购置困难，中小企业为了发展生产，希望对原有机床进行改进，进行数控化、自动化，以提高生产效率。经济型数控车床就是结合现实的生产实际和我国的国情，在满足基本功能的前提下，尽可能降低价格。由于其独特的优点，经济型数控车床被大量的中小企业看好。当前，我国步入市场经济不久，一般国有制造企业正处于在改革和调整的时期，资金严重不足；制造业的民营企业刚刚成长，同样资金也非常紧张，不可能付出大量资金购买高档次数控设备。而大量的机械零件需要高速加工制造，需要大量便宜且自动化程度很高的设备。由于步进电动机的数控系统在某种意义上可以装备这个档次的设备，作为中高档数控车床的替补和填充，因此它仍有存在的空间和时间，有它在一定时期存在的必要性。13研究现状从1960年开始至今，世界经济强国如德国、日本、法国、意大利等纷纷开发、生产及使用数控机床。1958年中国也开始着手数控技术的研究，并于1968年在北京第一机床厂研制出中国第一台数控车床。随着国内数控厂家（主要有武汉华中数控、北京航天数控、沈阳蓝天数控、广州数控GSK、成都广泰数控GREAT、威海华东数控等）的增加，众多的应用广泛的数控系统应运而生。国内数控系统在高中、低挡领域均有涉及，且在国内制造业应用广泛，并且正向纳米级精度、高可靠性、进给高速的数控领域进军。“十五”期间国产数控机床发展很快。从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种低中高档数控车床。从品种上看，我国生产的数控车床品种比较齐全，每年都有数控车床新品种，可供各方面用户选用。从生产规模上看，国产经济型数控车床已形成规模生产，有十余家企业生产规模达到年产千台以上。“十五”期间我国数控车床进入了发展快速期，生产产量由2001年的10022台增加到2005年的37811台，增长377倍；产值由2001年的1153亿元增加至2005年的6163亿元，增长535倍。平均单台产值由2001年的116万元增加至2005年的163万元。数控车床的消费量由2001年的13123台增加到2005年的42551台，消费额由2001年的306亿美元增加南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4到2005年的118亿美元。国产数控车床的市场占有率逐年提高，按台数计，由2001年的725上升到2005年的889；按金额计，由2001年的435上升到2005年的653，接近2/3。在经济型数控系统中，我国具有很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床市场上，国产数控系统是一枝独秀，为我国计算机数控系统的发展做出了贡献，在世界数控技术发展史上占有重要的一页。现在的经济型数控车床大多数是以单片机为控制核心，以步进电机为驱动，以开环控制方式为基础，采用立式4工位刀架，比起中高档数控车床来说定位精度相对较低，刀具数量少，加工范围较窄，加工精度较低，有一定的使用局限性，但是经济型数控车床的功能实用，软件功能不低于同样配置的一般伺服电动机的功能，因此基本上能满足加工要求。目前，我国生产经济型数控车床的企业已超过50余家，全国年产量已超过30000台以上，已达到相当的规模。国产经济型数控车床受到国外跨国机床公司的产品和其在国内合资企业和独资企业生产的产品双重挑战，在产品技术、月产量、规模上都不及外国公司和合资企业。因而，当前要加速经济型数控车床产业化程度，通过制造技术和管理技术的提升，提高国产经济型数控车床的性价比和质量稳定性，缩短交货期，争取更多的国内市场份额。在这样的大环境下，生产经济型数控车床的企业适时增加经济型数控车床的功能，降低价格，使得性价比更高，提高市场竞争力。14本文的结构本文以经济型数控车床的研发工程项目作为应用背景，对经济型数控车床控制系统硬件电路进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下第一章扼要地介绍了经济型数控车床特点、研究意义与相关研究背景；第二章对控制对象进行了研究，结合设计要求，给出了总体设计方案；第三章具体给出了经济型数控车床控制系统硬件电路的设计过程，包括存储器扩展电路设计、显示电路设计、手动键盘和编辑键盘电路设计、步进电机控制信号输出电路设计、I/O口扩展电路设计以及译码电路设计等；第四章对绘制控制系统的电路原理图及PCB图作简单介绍；第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）5第二章经济型数控车床控制系统硬件电路设计方案的拟定21控制对象及要求此次设计对象为经济型数控车床控制系统硬件电路，采用8031单片机作为主CPU，外扩32K程序存储器和8K数据存储器；需控制两轴X轴和Z轴，且X轴、Z轴步进电机正、反转脉冲信号要经锁存器输出；显示电路要实现三排LED动态显示；需扩展手动键盘及编辑键盘电路；需扩展若干输入输出口，用于开关量及相关信息的输入输出。22总体方案的确定数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成1）主控制器，即中央处理单元（CPU）；2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；4）接口，即I/O输入输出接口电路；5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。221主CPU的选用在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；2）可扩展存储器的容量；3）指令系统功能，影响编程灵活性；4）I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力；5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济的要求。目前在经济型数控机床中，一般选用MCS51系列单片机作为主控制器。MCS51系列单片机主要有三种型号的产品8031、8051和8751。三种型南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）6号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8031片内无ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。根据机床要求，采用8位机。由于MCS51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以选用8031单片机。其次，设计要求也是要求用8031。由此可见选用8031是符合经济型数控机床电路设计的。此次设计使用的是8031芯片。222外扩存储器的确定8031单片机片内只有128个字节的RAM，需要外扩存储器。存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，有三种ROM可供选择，一种是掩膜ROM，一种是可编程ROM（PROM），还有一种是紫外线可擦除ROM（EPROM），现在多用的是EPROM，在选择EPROM时要考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。根据设计要求，需要外扩32K程序存储器，所以选择27256芯片。在选择数据存储器芯片时，常采用半导体静态随机存取存储器RAM电路。常用的数据存储器有静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。DRAM一般用于存储容量较大的系统中，而且DRAM需要刷新逻辑电路以保持数据信息的不丢失，电路设计较复杂。虽然DRAM芯片具有容量大、功率低、价格便宜等优点，但它极易受干扰，对外界环境、工艺结构、控制逻辑和电源质量等的要求都很高。同时与DRAM相比，SRAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，故扩展电路较简单。因此，此次设计的控制系统选用SRAM。在8031单片机应用系统中，最常用的静态数据存储器RAM芯片有6116（2K8）和6264（8K8）两种。根据设计要求，需要外扩8K数据存储器，所以选择6264芯片。在存储器扩展电路的设计中还应包括地址琐存器电路和译码电路的设计。223显示电路的确定显示电路需要实现三排LED动态显示，用以显示X轴、Z轴动态坐标以及相关的数字，这就需要一个从CPU，从CPU主要是按照中央CPU送来的显示命令和显示内容，组成相应的显示信息，负责产生显示器所需要的扫描信号，控制显示器按规定的显示方式显示有关信息。89C2051将多功能的8位CPU与FPEROM结合在同一片芯片上，高度灵活且价格适宜。此次设计选用89C2051作显示CPU，控制显示器显示。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）7显示器的种类多种多样，有CRT显示器、LED显示器、LCD显示器、辉光显示器、荧光显示器及投影显示器等等。在机床数控系统中，常用CRT和LED以及LCD显示器，这三种显示器可显示数字、字符、及各种信息状态。现在比较流行的是LCD显示器，它虽然优点很多，但它多用于大信息量、高密度、快速变换、长时间观察的地方，如果用在经济型数控车床控制系统硬件电路中，会造成资源浪费。在所有的显示器中，LED由于功耗较少、亮度强、控制简单可靠，且价格很低，在机床数控系统和各种仪器仪表中广泛使用。此次设计选用的显示器就是LED显示器。经济型数控车床需要三排显示，即X轴坐标、Z轴坐标、功能字及其后的相关数字。显示数字用8段数码管，功能字是字母，所以显示功能字需要用16段数码管。224扩展键盘及I/O口电路的确定扩展键盘及I/O口电路的确定应包括接口芯片的选用、步进电机控制电路、键盘显示电路以及其他辅助电路的设计。在计算机控制系统中，按键开关、波段开关和键盘作为人机联系的手段不可缺少。8031的P1口可作为输入使用进行功能键的控制，例如X轴、Z轴正反转、超程、启动、停止等。8155作为单片机应用系统常用的可编程I/O接口得到了广泛应用。对于单片机系统来说，用8155作为键盘的接口，无需再专门增加芯片，所以此次设计编辑键盘用8155控制。8255A是一种通用的可编程并行接口电路，在单片机系统中被广泛用作可编程外部I/O扩展接口。同时它与8031单片机连接方式简单，所以此次设计选用8255扩展输入输出信号接口。225总体方案的结构框图总体方案的结构框图如图21所示。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）8图21总体方案结构框图第三章经济型数控车床控制系统硬件电路设计31CPU时钟及复位电路设计此次设计采用INTEL公司开发的8031单片机作为主CPU，它是整个控制系统电路的核心。8031芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图31所示。I/O口线P0、P1、P2、P3共四个8位口；控制口线PSEN（片外取指控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）；电源及时钟VCC（接5V电源）、VSS（接地）；XTAL1和XTAL2接外部晶体振荡器。311时钟电路设计单片机8031虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。经济型数控车床控制系统硬件电路采用图318031引脚图手动按钮8031单片机74LS2738255A8155键盘272566264显示电路光耦电路I/O接口南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）9VPP1VCC28A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1427OE22CE20A1326D011D112D213D315D416D517D618D719GND14A010UAM27C256200/BXA28内部时钟方式，在XTAL1、XTAL2引脚上外接晶振Y2以及电容C7和C8构成并联谐振电路，使内部振荡器产生自激振荡，如图32所示。电路中晶振Y2取典型值12MHZ，相当于8031单片机的心脏，控制着工作节奏。电容C7、C8分别取值为33PF，它们使振荡器起振并可对振荡器的频率起到微调作用。当数控车床控制系统加电以后约10MS开始起振，XTAL2输出3V左右的正弦波，振荡器产生的时钟送至8031单片机内部的各个部件。312复位电路设计该控制系统采用按钮复位。在8031复位端RESET上接如图32所示电路，当上电或按动按钮S40，复位端RESET上出现高电平，保持10MS以上便能可靠地实现复位，R44取30，R45取15K,C5取10F。同时，系统的急停开关也接在该复位端上，如图32所示，只要按下急停按钮S52，INT0端出现低电平，利用8031的P3口第二功能，实现外部中断请求，同时，RESET端上出现高电平，实现可靠复位。复位电路设计如图32所示。32存储器扩展电路设计8031芯片内部无程序存储器，只有256字节的数据存储器，地址为00HFFH，因123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2007SHEETOFFILEE业业MYDESIGNDDBDRAWNBYGNDD31N4148D41N4148C733C833R4615KR4515KR4430GND5R4747KGNDC510Y212MHZC61S52EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U268031123U51A74ALS00GND5C9105S40GNDGND图328031时钟及复位电路原理图南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）10而再组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是16位的，所以最多能扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，其地址均为0000HFFFFH，在经济型数控车床控制系统硬件电路中，只需扩展32K的程序存储器和8K的数据存储器，如第二章所述，选用27256芯片作为32K的程序存储器扩展，6264芯片作为8K的数据存储器扩展。321程序存储器扩展电路设计程序存储器扩展时，扩展容量为32K，大于256字节，因此EPROM片内地址除了由P0口经锁存器提供8位地址线外，还需由P2口提供7位地址线。选用的27256芯片为28脚双列直插式扁平封装芯片，其引脚如图33所示。27256与8031的连接图如图35所示。根据程序存储器电路的连接，确定27256的寻址范围，见表31。表31程序存储器地址表地址线A15A14A13A12A11A1A0地址00000000000H00000010001H00000100002H01111107FFEH01111117FFFH1地址线的连接27256低8位地址线A0A7经地址锁存器与8031的P0口相连；27256高7位地址直接与8031的P2口相连。由于8031的P0口是分时输出低8位地址和数据，因此要外接地址锁存器，并与CPU发出的地址允许锁存信号ALE的下降沿将地址信息锁存入地址锁存器中。在此系统设计中选用的地址锁存器芯片是74LS373，它是带三态缓冲器输出的8D触发器，其引脚如图34所示。它的输入输出关系见表32。将OE接低电平，LE接ALE就能正常工作，则输入端DN为高电平时，输出端QN也为高电平，输入为低时，输出也为低，从而实现锁存功能，所以只要将8031的ALE信号与锁存器74LS373芯片ALE端相连。单片机的P2口用作高地址线及片选地址线，由于P2口输出具有锁存功能，因此不必外加锁存器。表3274LS373的功能表（A）图3327256引脚图南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）112数据线的连接存储器的8位数据线D0D7是8根双向数据线。读或编程检验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时，D0D7呈高阻抗。它与8031芯片的P0口P00P07直接相连，单片机规定指令码和数据都是由P0口读入，数据线对应脚相连即可。3控制线的连接8031芯片的PSEN与27256芯片的OE端相连，OE是输出允许信号端，低电平有效，当OE0时，芯片中的数据可由D0D7端输出；8031芯片EA接地，CPU执行外部程序存储器的指令；8031芯片ALE接地址锁存器74LS373的G端；27256的CE端是选片信号端，低电平有效，所以使它正常工作只要直接接地即可。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE28MAY2007SHEETOFFILEF业业业MYDESIGNDDBDRAWNBYD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U5374ALS373A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1326A1427CE20OE22VPP1D011D112D213D315D416D517D618D719U54272565GNDGNDD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7A8A9A10A11A12A13A14A15A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A0A1A2A3A4A5A6A7EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U268031图358031与27256连接电路原理图322数据存储器扩展电路设计由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器（RAM）。根据设计的要求需扩展8KB的数据存储器，所以在此选用了一片6264芯片，它采用CMOS工艺，采用28脚OELEDNQNLHHHLHLLLLLLLLHHHZ图3474LS373引脚图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）12双列直插式扁平封装。6264引脚图36所示。6264与8031连接图如图37所示。6264典型存取时间为100NS，电源电压为5V，工作电流为40MA，维持电压为2V，维持电流2A。容量为8K213，每字节为8位，有8条数据线I/O0I/O7，13条地址线A0A12；如程序存储器27256一样，6264的13条地址线A0A12分两部分来连接，低8位地址线A0A7要经地址锁存器与8031的P0口相连；6264的高5位直接由8031的P2口直接提供。8031与外部数据存储器的连接方法和与程序存储器连接方法大致相同。唯控制线的连接不同RAM读入信号OE与8031芯片的RD引脚相连；RAM的写输入信号WE与8031芯片WR相连。片选信号CS1接译码器74LS138的Y6输出端。之所以需要译码器74LS138，是因为8031单片机许需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。所以根据数据存储器电路的连接，确定6264的寻址范围，其范围见表33。6264芯片的工作方式见表34。表33数据存储器6264地址表地址线A15A14A13A12A11A1A0地址1100000C000H1100001C001H1100010C002H1100011C003H1101111DFFFHWECS1CS2OEI/O0I/O7工作状态H高阻未选中L高阻未选中HLHH高阻输出禁止HLHL数据输出读操作LLHH数据输入写操作LLHL数据输入写操作图366264引脚图（A）表34数据存储器6264功能表（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）13123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE28MAY2007SHEETOFFILEF业业业MYDESIGNDDBDRAWNBYA1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U4474ALS138D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U5374ALS373A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CS120CS226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719U5662645R4151KR4210K5GNDD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7A8A9A10A11A12A13A14A15A0A1A2A3A4A5A6A7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U268031GNDGNDCPU存储器扩展电路原理图如图38所示。图378031与6264电路连接原理图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1512345678ABCD87654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA2DATE19JUN2007SHEETOFFILEI业业业业业业业MYDESIGNDDBDRAWNBYA1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U4474ALS138D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U5374LS373A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CS120CS226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719VCC28GND14U566264A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1326A1427CE20OE22VPP1D011D112D213D315D416D517D618D719U5427256GND5Q19013R43100K5Q29013R48100K55GNDGNDR4151KR4210K5GNDD21N4148D11N41485C442GNDR3910KR4010KGND21V1D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7A8A9A10A11A12A13A14A15A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A0A1A2A3A4A5A6A7EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U268031GND图38CPU存储器扩展电路原理图南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1633显示电路设计331数字动态显示电路设计显示电路是为了实现人机交流信息而设计的，由于需要三排LED动态显示，所以要有从CPU，选用89C2051芯片作为从CPU来控制显示器。显示器选用控制简单、价格低廉的LED显示器。所采用的89C2051，属于CMOS高性能8位单片机，自带2K字节内闪可编程、可擦除只读存储器。管脚封装为20引脚，与8751相比只去掉P0口、P2口，片内都一个模拟电压比较器，结构紧凑，体积小。用它设计产品，外围元器件少，接口技术简单，缩小电路板面积，成本低，开发容易，可广泛应用于小型简单不需很多I/O口控制的各种智能产品设计。89C2051的引脚图如图39所示。作为从CPU的89C2051芯片与8031芯片的连接如图所示310所示。电路图中，89C2051芯片的P1口是双向8位I/O端口，由于P12P17引脚有内部上拉电阻，所以它可与锁存器的输出端直接连接，而P10和P11需要外部上拉电阻，要分别接R100和R101两个5K的电阻。P1口P10P17分别接锁存器74LS273的输出端口Q0Q7，74LS273的输入端AD0AD7分别接8031的P0口AD0AD7，它的选通输入端11引脚写控制输入端WR控制，当WR时，74LS273的11脚产生上升沿，开始触发DQ。P32接法与74LS273的11脚接法相同。复位输入端RST的接法采用的常用复位接法，在没有按下按钮S1时，5V的电源给电容C1充电，节点处为高电平，经反向器变为低电平，即RESET端的输入信号为低电平。相反，当按下按钮S1时，电容C1放电，节点处为低电平，经反向器输出高电平，RESET端因为接收了高电平，从而实现了复位，该引脚上只要有两个机器周期的高电平即可复位89C2051，电阻R1取值10K与5V电源相连，电阻R28取值30与按钮S1相连，电容C1取值10F。振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端XTAL1和振荡器反相放大器的输出端XTAL2接法和8031单片机相同。89C2051的P37接8031的P30脚。与89C2051相连的显示器是单片机应用系统人机对话中常用的输出装置，LED显示器由于其简单的结构和低廉的价格，对于要求不是很高的经济型数控车床控制系统来说是一个很好的选择。LED显示器是由发光二极管构成的字段图3989C2051引脚图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1712345678ABCD87654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA2DATE23MAY2007SHEETOFFILEDPROTELEXAMPLESMYDESIGNDDBDRAWNBYD13Q12D24Q25D37Q36D48Q49D513Q512D614Q615D717Q716D818Q819CLK11CLR1U2574LS273R2830R110KC110GND5S1C230C330GNDGNDY112MHZGNDD0D1D2D3D4D5D6D7J0J1J2J3J4J5J6J7J0J1J2J3J4J5J6J7RST1P302P313XTAL24XTAL15P326P337P348P359P1719P1618P1517P1416P1315P1214P1113P1012P371189C2051U2789C2051ABCR1005KR1015K5J0J1123U11A56U23C业8031业P0业业8031业WR业业74LS138业Y5业图31089C2051与8031连接图组成的显示器，有8段（含小数点）和16段（“米”字）管两大类。如图311所示。图中的AG七个笔划（段）及小数点DP均为发光二极管。数码管显示器根据公共端的连接方式，可以分为共阴极数码管（将所有发光二极管的阴极连在一起）和共阳极数码管（将所有发光二极管的阳极连在一起）。由于经济型数控车床控制系统硬件电路需要有三排数字显示，每排又有6位，硬件较多，如果采用静态显示，则占用的硬件资源较多，虽然动态显示占用CPU的时间较多，但两者比较，还是选择动态显示。所谓动态显示就是所需显示字段断续通以电流，在需要多个字符同时显示时，可以轮流给每一个字符通以电流，逐次把所需显示的字符显示出来。此次经济型数控车床控制系统扩展的三排数字显示LED数码管选用共阴极型。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通过译码器74LS138的六个输出端用来作逐位扫描控制。在每个段笔画要串一个300的限流电阻。笔画的选择称为段选，公共端的选择称为位选。所采用三排8段数码管，它们由从CPU（89C2051）控制。因为有6列数码管显示，所以还需要一个译码器，选用74LS138芯片即3线8线译码器。89C2051的P3口P33、P34、P35线分别接74LS138的选择输入端A、B、C（1、2、3引脚），则译码器的8个输出线Y0Y7任选6个可分别控制数码管的显示。三排LED至8031的P30端（A）图3118段和16段数码管外形（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）18数码管与89C2051芯片所构成的动态显示连接图如图315所示。89C2051单片机依次发出段选控制字和对应哪一位LED显示器的位选控制信号，三排LED显示器逐个循环电亮。适当选择扫描速度，利用人眼“留光”效应，使得看上去好像这几个显示器同时在显示一样。三排LED显示要实现动态显示还需用到8位移位寄存器74LS164，它的特点是具有选通串行输入端和一个异步清除输入端。74LS164引脚如图312所示，74LS164与89C2051芯片以及与LED显示器电路连接原理图如图313所示。因为要有三排数字显示，所以需要三片74LS164芯片。每片的串行输入端A、B都并接在一起，其中一片U29的输入端接89C2051单片机的P30端，用于Z轴坐标的动态显示，当选通串行输入端输入低电平时，禁止进入新数据，并把第一个触发器在下一个时钟脉冲来后复位到低电平时，选通串行输入端（A和B）可完全控制输入数据。74LS164芯片的工作方式见表35，实现移位功能。表中，代表任意状态；QA0、QB0QH0代表在稳态输入条件建立之前QA、QBQH的输出状态；QAN、QBNQHN代表在最近的时钟上升沿转换之前QA、QBQH的输出状态；H/L、QANQBN代表在最近的时钟上升沿转换之后QA、QBQH的输出状态。串行时钟输入端CLK接89C2051单片机的P31端，虽然不管时钟处于高电平或低电平时，串行输入端的数据都可以被改变，但只有满足建立条件的信息才能进入，时钟控制发生在时钟输入由低电平到高电平的跃变上，即发生在上升沿状态时。另两片74LS164芯片的接法相似，只是在选通输入端接法不同，在电路连接原理图中，U5的输入端接U29的输出端QH，U4的输入端接U5的输出端QH。表3574LS164功能表输入输出清零时钟ABQAQBQCLLLLHLQA0QB0QH0HHHHQANQGNHLLQANQGNHLLQANQGN332功能字显示电路设计功能字显示电路选用16段数码显示器，它是“米”字管，用它可实现字母图31274LS164引脚图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）19显示。8段数码管只能实现数字及字母AF的显示，所以为了实现机床所有功能字都能显示，选择了16段数码管。在我们的接触中，16段数码管很少见，通常见到的都是8段数码管。它的工作原理与8段数码管相同。实际上16段数码管实现的是静态显示，所谓静态显示就是需要显示的字符的各字段连续通电，所显示的字段连续发光，即功能字是一直点亮的。当系统需要显示时，8031单片机便将要显示的数据送锁存器74LS273（U2、U3）锁存。锁存器将显示码送至16段数码管DS1显示。若没有新数据送显示器，则8031单片机便去