母导线参数检测机控制系统设计

本科毕业设计（论文） 题目： 母导线参数检测机控制系统设计（下位机） 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： _ 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） I 摘 要 本文根据自动检测母导线导电片电阻和导电片之间绝缘强度的要求，提出了母导线参数检测机（下位机）控制系统的设计方案，并详细介绍了控制系统硬件电路的设计过程。该硬件电路选择 MCS-51 系列的单片机8031 作为 CPU。扩展了 32K 的程序存储器和 4K 的数据存储器，用于存放系统的监控程序和相关数据；设计了 6 位 LED 静态显示电路；选择 8255芯片扩展了若干个 I/O 口，用来控制 位置检测、压力继电器等信号的输入和异步电机起停、测量头切换等信号的输出；同时，还选择接口芯片 8155 扩展了编辑键盘和母导线种类选择开关；另外，还选择了锁存器 74LS273，用来锁存输出控制四个步进电机的正反转脉冲信号。 该控制系统硬件电路经进一步完善，结合控制软件 ，能够自动控制检测头的移动及检测，而整个控制系统还能自动控制 母导线的传送、定位、贴标、升降以及包装。整个控制系统的自动化程度高，避免了手动检测效率低、安全性差等缺点，在母导线技术参数自动检测方面有一定的参考应用价值。 关键词： 母导线 ；参数检测机；控制系统；硬件电路南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） II ABSTRACT According to the requirements of resistance and insulation strength between conducting plates, this paper advances a design scheme for the control system of bus bar parameter tester (slave computer), and introduces the design process for the hardware circuit of control system in detail. This hardware circuit selects an 8031, MCS-51 series micro controller, as the CPU. a 32K program memory and a 4K data memory were used to storage the monitor program and relative data, and a 6 bit LED static display circuit is also designed. I/O ports are realized with 8255 to input or output position detection signal, pressure relay signal, start-up/stop signal for the asynchronous motor, switch signal for the detector, etc. At the same time, the parallel interface, 8155, is used to achieve the edit keyboard function and the type selection of bus bar. Further more, the D latch, 74LS273, is used to lock the pulse signal of the movement of the 4 step motors. Hardware improved, combined with adequate software, the movement and detection of detector can be operated automatically under the control of the system developed. Moreover, the whole control system can automatically control the transmission, orientation, pasting mark, and package of the bus bar. Thus, the automation degree of the whole control system is high, and the disadvantages of low efficiency and low security are avoided. There is some application value in automatically detecting the bus duct parameter. Key words： Bus bar; parameter tester; control system; hardware 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 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 母导线简介 . 1 1.3 选题背景与意义 . 2 1.4 本文的结构 . 2 第二章 母导线参数检测机简介 . 3 2.1 母导线参数检测机的检测内容 . 3 2.2 母导线参数检测机控制系统的组成及工作流程 . 4 2.2.1 母导线参数检测系统的组成 . 4 2.2.2 母导线参数检测系统的工作流程 . 4 第三章 母 导线参数检测机（下位机）硬件电路设计 . 8 3.1 母导线参数检测机（下位机）硬件系统组成方案的拟定 . 8 3.2 CPU 存储器扩展电路的设计 . 9 3.2.1 CPU 的选择 . 9 3.2.2 ROM 的选择 . 10 3.2.3 RAM 的选择 . 11 3.2.4 锁存器的选择 . 12 3.2.5 CPU 存储器扩展电路 . 13 3.3 显示 电路的设计 . 15 3.3.1 锁存器 的选择 . 15 3.3.2 十六段“米”字形 LED . 15 3.3.3 七段 LED . 16 3.3.4 显示电路 . 17 3.4 I/O 接口电路 的设计 . 19 3.4.1 I/O 接口芯片的选择 . 19 3.4.2 I/O 接口电路 . 20 3.5 键盘及选择开关电路的设计 . 22 3.5.1 键盘及选择开关接口芯片的选择 . 22 3.5.2 键盘及选择开关电路 . 24 3.6 步进电机控制信号输出电路的设计 . 25 3.7 译码电路的设计 . 26 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） IV 3.7.1 译码器的选择 . 26 3.7.2 译码电路的组成 . 27 3.7.3 地址分配 . 28 3.8 母导线参数检测机（下位机）硬件电路 . 30 第四章 母导线参数检测机（下位机）控制程序流程图设计 . 31 4.1 主程序流程 图的设计 . 31 4.2 键盘扫描程序流程图的设计 . 32 4.2.1 手动键盘扫描程序流程图的设计 . 32 4.2.2 编辑键盘扫描程序流程图的设计 . 36 第五章 硬件 电路原理图及 PCB 图的绘制 . 41 5.1 Protel 99SE 的基础知识 . 41 5.1.1 Protel 99SE 的基本操作 . 41 5.1.2 电路原理图的设计步骤 . 41 5.1.3 PCB 图的设计步骤 . 42 5.2 电路原理图的绘制 . 43 5.2.1 绘 制过程中的问题与解决 . 43 5.2.2 元器件的封装 . 44 5.3 PCB 图的绘制 . 45 第六章 结论 . 47 致谢 . 49 参考文献 . 50 附录 A： 英文资料 . 51 附录 B： 英文资料翻译 . 58 附录 C： 硬件设计原理图与 PCB 图 . 63 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 1.1 引言 随着中国科技的不断发展，各行各业对电力资源的要求越来越高，而这无疑对电力传输提出了更高的要求。目前，在远距离电力传输方面，电缆的生产和应用已相当成熟，完全满足传输需求；而在近距离传输方面，电缆无法达到理想的传输效果，母导线的出现恰巧能弥补这一漏洞。 有关资料显示， 2005 年中国市场的母 导线 产品总需求量已近 100 亿元，从2000 2005 年，每年的市场增长率约为 20%。 据专家预测：随着 中国经济的可持续蓬勃发展，国内母 导线 市场预计在今后数年内将保持 20%的持续增长。如此数量的市场需求，使母 导线 产品得以迅速发展并在电力系统中广泛应用。 随着 母导线产品 的 广泛应用 ，母导线技术参数的检测问题也就随之产生。 母导线的主要技术参数是导线电阻和绝缘强度，对这两个参数的检测在国内还是由人工完成的，其自动检测技术在国内还是个空白。检测人员手动控制检测头去检测母导线的导线电阻和绝缘强度，手动定位很容易带来由于定位不准 而产生的操作误差，这与我们对母导线技术参数准确性的要求是相冲突的。另外，在检测母导线的绝缘强度时，需要对母导线通以高压，这无疑会威胁到检测人员的人身安全。随着社会的不断发展，人工检测技术远远不能满足社会对生产率的要求，开发母导线参数检测机，可以完成对母导线主要技术参数的自动检测，这可以有效地提高检测的自动化程度，提高检测精度，保证检测人员的安全。 1.2 母导线简介 1. 母导线的基本结构及特点 母导线是 低压供电系统中负责传输 及 分配电能的设备， 是替代传统电缆和电缆桥架输配电系统的新型产品，而在大电流输送方面更 是处于主导地位 。它 具有载流能力 强 、防护等级高、分配电能方便、传输 安全可靠等优点 。 图 1.1 母导线 母导线的结构如图 1.1 所示， 在母 导线 系统中一般由以下几个单元组成：馈电式母线（不带插口）或插接式母线（带插口）直线段单元；与变压器，配电柜等设备接口的进（出）线单元；换向单元有 L 形单元， T 型单元， Z 型单元；膨胀单元有膨胀节母线单元 ； 插接单元有插接箱单元。所有单元通常均由母 导线 制南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 2 造商进行标准设计，也可以根据工程需要进行现场测量后采取非标设计，以满足用户 及安装需要。 2. 母导线的种类 按其结构及用途分为密集绝缘、空气绝缘、空气附加绝缘、耐火、树脂绝缘和滑触式母 导线 ；按其外壳材料分为钢外壳、铝合金外壳和钢铝混合外壳母 导线 ；按其导体材料分有铜导体和铝导体母 导线 。 1.3 选题背景与意义 由于母导线导电片的横截面积大、电阻小，再加上检测技术的落后。目前国内的母导线生产厂家基本都不对导电片的电阻进行检测，而只是人工检测导电片之间的绝缘强度。在检测时，检测人员手持绝缘检测头对母导线进行检测，若母导线绝缘强度不够，绝缘强度检测仪就会报警，而且，检测过程中，检测头是通以高 压的，对操作人员的人身安全也是个威胁。在国外，不仅能检测导线电阻，而且检测的自动化程度相当高，国内与之存在的差距十分巨大。 事实上，导电片电阻作为母导线的主要技术参数，是有必要检测出来的。镇江地区的一些母导线生产企业也看到了这一点。另外，国内的检测水平也确实比较落后。因此，迫切希望设计一个控制系统对母导线技术参数进行自动检测， 这样就可以提高企业的生产效率，减少人员的投入，给企业带来广阔的市场前景和显著的社会效益。 1.4 本文的结构 本文以母导线为应用背景，对母导线参数检测机（下位机）控制系统的硬件电路进行了设 计。全文共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了母导线的特点、种类和应用，母导线参数检测机控制系统的研究背景与意义； 第二章介绍了母导线参数检测机的检测内容、组成以及工作流程； 第三章对 母导线参数检测机（下位机）控制系统硬件电路的组成 进行了研究，给出了硬件电路的组成框图，并详细介绍了硬件电路的设计过程； 第四章介绍了母导线参数检测机（下位机）主程序流程图和键盘扫描程序流程图的设计； 第五章介绍了 Protel 99SE 的基本知识，以及绘制硬件电路原理图和 PCB 图时遇到的困难和解决方法； 第六章总结 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） 3 第二章 母导线参数检测机简介 2.1 母导线参数检测机的检测内容 母导线参数检测机的主要检测内容为： 母导线内各个导电片的电阻； 母导线内导电片之间的绝缘强度。 导电片电阻和导电片之间的绝缘强度是母导线的主要技术参数。导电片电阻是影响母导线导电能力的主要因素。我们都知道，导线电阻的增大，会增加电能在传输过程中的电损耗，而母导线也是如此。另外，导电片之间的绝缘强度则是影响母导线安全性能的主要因素。因此，检测母导线这两个技术参数是十分重要的，这可以帮助 我们更加准确有效地把不同种类及型号的母导线应用到最适合它们的场合。 导电片电阻和绝缘强度两个参数的检测如图 2.1 所示 ，其中图 (a)检测的是导电片电阻，图 (b)检测的是导电片之间的绝缘强度。 1、检测头 2、气缸 3、母导线 (a) 检测导线电阻 (b) 检测绝缘强度 图 2.1 母导线参数检测示意图 微欧计 绝缘强度检测仪 (a) (b) 1 2 3 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 4 上位机 贴标机 打印机 测试系 统 功率放大系统 辅助动作 控制电路 运动驱动机构 辅助动作执行机构 （气压传动） 包装机构 母导线 定位机构 运动机构控制系统（下位机） 检测台 母导线 2.2 母导线参数检测机控制系统的组成及工作流程 2.2.1 母导线参数检测系统的组成 母导线参数检测系统主要由上位机、 运动机构控制系统（下位机）、贴标机、打印机、包装机构、检测机构、气压传动机构等部分组成，其中母导线参数检测机的控制系统主要由控制电路和气压传动两部分组成。图 2.2 为母导线参数检测系统的组成简图。 图 2.2 母导线参数检测系统的组成 2.2.2 母导线参数检测系统的工作流程 母导线参数检测机控制系统的下位机部分 控制的信号有：检测台上的传送电机，一个纵向定位气缸，两个横向气缸和这两个气缸上的压力继电器；包装台上的传送电机，一个定位气缸，两个上升气缸；两个检测头的气缸； X、 Y、 U、 V四轴的正反转； X、 Y、 U、 V 四个坐标 方向的进给， X、 Y、 U、 V 的超程。检测台和包装台的传动机构如图 2.3 所示。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 5 1.检测平台 2.母导线 3.检测纵向定位气缸 4.检测平台移送电机 5.包装平台 6.包装台纵向定位气缸 7、 9.母导线包装台升降气缸 8.包装台移送电机 10、 27.纵向到位检测传感器 11、 26.左右端横向定位滑台 12、 25.右端测量头驱动气缸 13、 24.X 轴及 U 轴滑台 14、 23.X 轴及 U 轴步进电机 15、 22.左右端横向定位气缸 16、 21.左右端垂直升降台 17、 19.Y 轴及 V 轴步进电机 18、 20.左右端移动立柱 图 2.3 检测台和包装台的传动机构示意图 母导线参数检测系统工作过程如下：上位机（ PC 机）发送启动信号给下位机，然后，下位机开始工作。下位机控制检测台传送装置和气压传动定位机构传送及定位母导线。之后，下位机通过运动机构控制检测系统检测导电片的电阻以及导电片之间的绝缘强度，并把结果传送给上位机 。上位机接受到检测完毕的信号后，根据检测结果判断母导线是否合格，若合格，则发送信号给打印机，打印机打印出所测母导线的条码。然后，上位机发送信号给贴标机，并控制贴标机把条码贴到母导线上。贴标机贴标完毕后发送信号给上位机，上位机接着发送信号给下位机，由下位机控制完成对母导线的包装。 下面将按照前文叙述的工作过程给出母导线参数检测机（下位机）控制系统的工作流程图（图 2.4）。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 6 检测台母导线传送电机启动 检测台纵向定位缸升起 检测台母导线传送电机停止 检测台左端侧向定位缸启动 检测台右端侧向定位缸启动 连接绝缘强度检测仪 两检测头移动、定位、检测并将检测结果发送给上位机 检测头检测完后回检测起点 连接检测电阻的微欧计 两检测头移动、定位、检测并将检测结果发送给上位机 开始 Y N Y N 母导线纵向到位？ 左、右端侧向定位缸到位？ 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 7 图 2.4 母导线参数检测机控 制系统（下位机）的工作流程 检测头检测完后回检测原点 检测台左、右端侧向定位缸退回 检测台纵向定位缸退回 检测台母导线传送电机启动 包装台母导线传送电机启动 包装台纵向定位缸升起 母导线离开检测台后检测台电机停转 母导线到达包装台后包装台电机停转 发送信号给上位机，启动贴标机贴标 贴标结束后，包装气缸升起 延时，包装 定位气缸退回 包装气缸退回 结 束 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 8 第三章 母导线参数检测机（下位机）硬件电路设计 3.1 母导线参数检测机（下位机）硬件系统组成方案的拟定 母导线参数检测机的控制电路主要有以下四部分组成： CPU 存储器 扩展电路、显示电路、信号输入 /输出电路、键盘扩展电路。控制电路的大致设计思路如下： CPU 采用 8031、外扩 ROM 采用 27256（ 32k 8）、外扩 RAM 采用 6264（ 8k 8）、 I/O 口用 8255 扩展、步进电机控制信号用 74LS273 锁存器扩展、键盘和选择开关用 8155 扩展、显示电路用 6 位 LED 静态显示。具体的电 路设计在下面章节会详细介绍。 母导线参数检测机（下位机）硬件系统组成方案如图 3.1 所示 。 图 3.1 硬件系统组成框图 8031 CPU 外扩 ROM （ 27256） 外扩 RAM （ 6264） 6 位 LED 显示电路 8155 手动控制电路 键 盘 母导线的种类选择开关 输出信号光 电耦合电路 8255 输入信号光 电耦合电路 控制 X、 Y、U、 V 轴电机正反转的光电耦合电路 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 9 3.2 CPU 存储器 扩展电路的设计 控制系统硬件电路的 CPU 存储器扩展电路部分： CPU 采用 8031、 外扩 程序存储器（ ROM） 采用 27256（ 32k 8）、外扩数据存储器（ RAM） 采用 6264（ 8k 8） 、锁存器采用 74LS373。本节主要对它们的引脚图、引脚功能及相关知识做了介绍。同时，给出了 CPU 存储器扩展电路。 3.2.1 CPU 的 选择 单片机的种类繁多，常见的 MCS-51 系列单片机有 8031和 8051。虽然 8051有内部 ROM，但存储空间较小，满足不了本次毕业设计的要求，另外， 8051 与 8031 相比价格偏高，且 8031目前使用较广泛，故控制系统硬件电路的 CPU选用 8031。 8031 是 MCS-51 系列单片机的典型产品，采用 40 引脚的双列直插封装（ DIP 方式），其引脚图如图 3.2 所示。按其引脚功能，这些引脚可分为四类： （ 1）电源引脚 VCC 和 GND（共 2 根） 1） VCC（ 40 脚）：接 +5V 电压。 2） GND（ 20 脚）：接地。 （ 2）外接晶振引脚 X1 和 X2（共 2 根） 图 3.2 8031 引脚图 X1（ 19 脚）和 X2（ 18 脚）引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接连接到内部时钟发生器的输入端。 （ 3）控制和复位引脚 ALE、 PSEN 、 EA 和 RST（共 4 根） 1） ALE（ 30 脚）：当访问外部存储器时， ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的地位字节。 2） PSEN （ 29 脚）：输出外部程序存储器（ ROM）的读选通信号。 3） EA （ 31 脚）：当 EA 端保持高电平时，访问内部 ROM，但在 PC（程序计数器）值超过片内 ROM 的容量时，将自动转向执行外部 ROM。当 EA 保持低电平时，则访问外部 ROM，不管是否有内部 ROM。对于本次毕业设计，采用CPU 是 8031，其内部无 ROM，所以 EA 脚必须常接地，这样才能选择外部 ROM。单片机只在复位期间采样 EA 脚的电平，复位结束以后 EA 脚的电平对 ROM 的访问无影响。 4） RESET（ 9 脚）：复位引脚。当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机 8031 复位。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 10 （ 4）输入 /输出（ I/O）引脚 P0、 P1、 P2、 P3（共 32 根） 1） P0 口（ 32 脚 39 脚）：是双向 8 位三态 I/O 口。在外接存储器时，与地址总线的低 8 位 及数据总线复用。 2） P1 口（ 1 脚 8 脚）：是 8 位准双向 I/O 口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，所以不是真正的双向 I/O 口。 3） P2 口（ 21 脚 28 脚）：是 8 位准双向 I/O 口。在访问外部存储器时，可作为高 8 位地址总线送出高 8 位地址。 4） P3 口（ 10 脚 17 脚）：是 8 位准双向 I/O 口。它是一个复用双功能口，每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 P3 口作为第一功能，即普通 I/O 口用时，功能和操作方法与 P1 口类似； P3口作为第二功能使用时，各引脚的定义见表 3.1。 表 3.1 P3 口第 2 功能表 引脚 第 2 功 能 P3.0 RXD（串行口输入端） P3.1 TXD（串行口输出端） P3.2 INT0 （外部中断 0 请求输入端，低电平有效） P3.3 INT1 （外部中断 1 请求输入端，低电平有效） P3.4 T0（定时器 /计数器 0 计数脉冲输入端） P3.5 T1（定时器 /计数器 1 计数脉冲输入端） P3.6 WR （外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效） P3.7 RD （外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效） 3.2.2 ROM 的选择 CPU 外扩 ROM 一般用 EPROM， 它是 紫外线可擦除电可编程的只读存储器，芯片置于紫外线灯下照 20min 以后，内部内容变为全“ 1”，通过编程器将程序代码写入后信息不会丢失，可靠性很高。常用的 EPROM 电路有 2732（ 4KB）、2764（ 8KB）、 27128（ 16KB）、 27256（ 32KB）、 27512（ 64KB），由于它们价格相近，且大容量的 EPROM 读取速度快，故控制系统的硬件电路采用 27256（ 32k 8）作为外扩 ROM。 图 3.3 27256 引脚图 外扩 ROM27256（ 32k 8）采用 28 引脚双列直插封装（ DIP 方式），其引脚图如图 3.3 所示。 1. 27256 的引脚功能 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 11 27256 各引脚的意义如下： 1） A0 A14：地址输入线。 2） D0 D7：三态数据总线，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， D0 D7 呈高阻抗。 3） CE ：片选信号输入线，低电平有效。 4） OE ：读选通信号输入线，低电平有效。 5） Vpp：编程电源输入线， Vpp 的值因芯片型号和制造厂商而异。 6） Vcc：主电源输入线， Vcc 一般为 +5V。 7） GND：线路接地。 2. EPROM 的操作方式 对 EPROM 的主要操作方式有： 1）编程方式：把程序代码（机器指令、常数）固化 到 EPROM 中。 2）编程校验方式：读出 EPROM 中的内容，检验编程操作的正确性。 3）读出方式： CPU 从 EPROM 中读取指令或常数，是单片机应用系统中的工作方式。 4）维持方式：不对 EPROM 操作，数据端呈高阻。 5）编程禁止方式：适用于多片 EPROM 并行编程不同数据。 表 3.2 给出了 27256 不同操作方式下控制引脚的电平。 表 3.2 27256 不同操作方式下控制引脚的电平 引 脚 方 式 CE (20) OE (22) Vpp (1) Vcc (28) D0 D7 (11 13)(15 19) 读 VIL VIL Vcc 5V 数据输出 禁止输出 VIL VIH Vcc 5V 高阻 维持 VIH 任意 Vcc 5V 高阻 编程 VIL VIH Vpp 5V 数据输入 编程校验 VIH VIL Vpp 5V 数据输出 编程禁止 VIH VIH Vpp 5V 高阻 3.2.3 RAM 的选择 控制系统硬件电路中的 RAM 用于存放控制检测头运动位移量的检测程序。目前，单片机系统常用的 RAM 电路有 6216（ 2KB）、 6264（ 8KB）、 62256（ 32KB）。考虑到控制系统存放的程序和数据不是很多，且市场上较容易买到 8k 的 RAM，价格也便宜，再加上 4k 的 RAM 很难买到，因此，选择 6264（ 8k 8）作为外扩RAM。由于只用到 4k 的容量， 故空掉了 A12 一根地址线。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 12 6264 同样采用 28 引脚的双列直插封装（ DIP 方式），其引脚图如图 3.4 所示。 6264 各引脚的意义如下： 1） A0 A12：地址输入线。 2） D0 D7：双向三态数据线。 3） VCC：工作电源 +5V。 4） GND：线路接地。 5） NC：悬空脚。 6） CE ：片选信号输入线，低电平有效。 图 3.4 6264 引脚图 7） OE ：读选通信号输入线，低电平有效。 8） WR ：写选通信号输入线，低电平有效。 9） CS：第二片选信号，高电平有效。 CS=1， CE =0 选中。 值得注意的是， 6264 芯片是易失性的，一 旦掉电，内部的所有信息都会丢失。因此，需设计一个掉电保护电路，在无外部电源给 6264 供电时，电路的备用干电池给 6264 供电，以保证 6264 内的数据不丢失。 表 3.3 给出了 6264 不同操作方式下控制引脚的电平。 表 3.3 6264 不同操作方式下控制引脚的电平 引 脚 方 式 CE (20) CS (26) OE (22) WR (27) D0 D7 (11 13)(15 19) 未选中（掉电） VIH 任意 任意 任意 高阻 未选中（掉电） 任意 VIL 任意 任意 高阻 输出禁止 VIL VIH VIH VIH 高阻 读 VIL VIH VIL VIH 数据输出 写 VIL VIH VIH VIL 数据输入 写 VIL VIH VIL VIL 数据输入 3.2.4 锁存器的选择 由于 8031 的 P0 口是地址和数据复用的，这就需要使用锁存器把低 8 位地址进行锁存，所以， CPU 存储器扩展电路中选择了较常用的 74LS373 锁存器，其引脚图如图 3.5所示。 74LS373 各引脚的意义如下： 1） D0 D7：三态门输入端。 图 3.5 74LS373 引脚图 2） Q0 Q7：三态门输出端。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 13 3） GND：接地。 4） VCC：电源端。 5） OE ：三态门使能端。 OE =0，三态门导通，允许 Q 端输出； OE =1，三态门断开，对外电阻呈高阻状态。 6） G：锁存器控制端。 G=1,锁存器处于透明工作状态，即锁存器的输出状态随输入端的变化而变化，即 Qi=Di (i=0,1,2 7)； G 由 1 变 0 时，数据被锁存起来，此时输出端 Qi 不再随输入端的变化而变化，而一直保持锁存前的值不变。G 端可直接与单片机的地址锁存控制信号端 ALE 相连，在 ALE 的下降沿进行地址锁存。 3.2.5 CPU 存储器扩展电路 本节将给出 CPU 存储器扩展电路，在此之前先对该扩展电路做以下几点说明： 1）由于外扩了 RAM 6264，为了防止 6264 因紧急情况 掉电而引起数据丢失，本电路原理图中设计了掉电保护电路。当发生紧急情况， CPU 停止供电时，掉电保护电路中的干电池就会给 6264 供电，保证其数据不丢失。同时，由于采用了三极管，在掉电后还可以把 6264 与其他电路隔开，这样，干电池就只需给 6264供电，可以更有效的延长其寿命。另外，由于 6264 的工作电压在 3V 4V 之间，因此，在设计的 CPU 存储器扩展电路中，用了两个电阻对提供的 5V 电压进行了分压。 2）由于控制系统的 6264 存储的内容并不多，主要用于存放控制检测头运动位移量的检测程序，再加上地址线不够用，因此， 6264 只用了 4k 的容量，它的引脚 2（ A12）被接地，即 6264 只用到了 A0 A11 共 12 根地址线。控制系统的27256 用到了 32k 的容量，即用到了 A0 A14 共 15 根地址线，主要用于存放监控程序。 3） 8031 的 P0 口的数据线和地址线是复用的，因此要经锁存器 74LS373 锁存低八位地址。而高八位地址则由 8031 的 P2 口提供。这样就构成了控制系统硬件电路所需的十六位地址。 4）由 8031 的 P1 口扩展的 +X、 -X、 +Y、 -Y、 +U、 -U、 +V、 -V 四个坐标方向的进给按钮也在此给出 。 6） CPU 存储器扩展电路部分 以及后面的显示电路部分还需用到译码器，本次毕业设计在这两部分电路中都选用 74LS138 译码器，对这部分知识将在后面用一节作详细的介绍。 完整的 CPU 存储器扩展电路如图 3.6 所示。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 14 图 3.6 CPU 存储器扩展电路 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 15 3.3 显示 电路的设计 控制系统硬件电路的显示电路部分采用六位 LED 静态显示：其中一位十六段的“米”字型的 LED 用于显示字母，其余的五位皆是七段 LED，其中的第一位 LED 用于显示坐标负号，其后三位用于显示检测机构位移量的整数部分，最后一位 LED 用于显示检测机构位移量的小数部分。 显示电路中 锁存器采用了74LS273。本节主要介绍了十六段“米”字形 LED、七段 LED、 74LS273 的引脚图和引脚功能，以及显示电路。 3.3.1 锁存器的选择 静态显示常用锁存器 74LS273，它是单片集成正沿触发的触发器，用直接清零输入执行 D 型触发器的逻辑功能。符合建立时间要求的 D 输入端上的信息，在时钟脉冲的正跃变沿上传到 Q 端输出端。时钟的触发产生于特定的电压电平上，且不直接同正跃变的跃变时间有关，当时钟输入处于高电平或者处于低电平时， D 端输入的信号在输出端没有影响。它的主要特点是： 1）含有单向输出的 8 个触 发器。 2）缓冲的时钟输入和直接的清零输入。 图 3.7 74LS273 引脚图 3）每个触发器有单独的数据输入。 74LS273 的引脚图如图 3.7 所示。其中 74LS273的引脚功能是： 1） 1D8D: 信号输入端。 2） 1Q8Q: 信号输出端。 3） CLK: 时钟信号输入端。 4） CLR: 清零端。 3.3.2 十六段“米”字形 LED 十六段“米”字形 LED 引脚图如图 3.8 所示。 显示电路采用共阴极的 LED 显示方式，当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该 段笔画的二极管就亮，不加电压时则是暗的。在设计过程中，考虑到二极管的耐压能力，为保护其不受损坏，在共地端接了限流电阻。十六段 “米”字形 图 3.8 十六段 LED 引脚图 LED 不仅可以显示 0 9 十个数字，还可以显示英文字母。控制系统中只需要显南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 16 示 X、 Y、 U、 V、 M、 N、 F