双坐标十字滑台设计及控制

1、机电一体化系统设计课课程设计指导书双坐标十字滑台设计及控制长春工业大学机电工程学院前 言本课程设计指导书是根据长春工业大学机电工程学院2003年最新修订的专业课程教学大纲并结合本专业实际教学情况而编写的，根据机电一体化系统设计这门专业课，配套的本课程设计的基本要求、主要内容及相关技术资料。本课程设计指导书包括课程设计内容、设计要求和有关设计步骤，尽可能使学生对于本课程设计有一个清晰的思路。由于篇幅的限制，为避免重复，对于本课程相关教材中已有详细叙述的基本理论知识，本指导书仅做概要提示 ，具体内容请参考相关教材。另外，本指导书后附有关设计资料，供同学参考。希望同学们在课程设计之前，一定要通读本指

2、导书，做好预习，避免设计中的盲目。同时在课程设计过程中，提倡大家在独立思考的前提下，互相探讨，积极钻研，勇于提出创新的见解和方案。对书中不足之处，敬请提出宝贵意见。-学院教学院长（签字）： 年月日系主任（签字）： 年月日执笔人（签字）： 年月日目录前言 1第一章 绪论 3 1-1 课程设计的目的和要求 31-2 课程设计的实施规则 31-3 课程设计过程及方式 51-4 时间安排及考核方法 7 第二章 课程设计内容 10 2-1 设计方案的确定 10 2-2 本次设计的主要内容112-3设计步骤112-3-1总体设计方案的选择及确定122-3-2硬件设计122-3-3软件设计13附录 22第一

3、章 绪论 1-1课程设计的目的和要求1、课程设计的目的课程设计是重要的教学环节之一，是学生将课堂教学知识用于实践的有效途径。本次课程设计的核心目的是：通过对数控十字滑台控制部分的设计，使学生能够综合运用自己学过的微机原理及其接口技术、数控技术等专业课程知识，初步掌握单片机控制系统的设计原理、设计过程及应用，为后续的毕业设计与参加工作后的科研设计工作打下坚实基础。2、本次设计的要求1. 加深理解和掌握机电一体化系统设计这门专业课程的基本知识，提高学生综合运用所学知识的能力。2. 培养学生根据设计课题的需要，选用参考书、查阅有关工程手册的技术数据、图表和文献资料的能力，提高学生独立解决工程实际问题

4、的能力。3. 设计方案的分析和比较、设计计算、元器件选择及电路设计等环节，初步掌握对有一定应用价值的小规模电路的设计方法。4. 学会对简单实用电路的设计方法，提高学生的设计能力。5. 了解与课题有关的电路以及元器件的工程设计规范，整理相关资料，按设计任务书的要求编写设计说明书和设计报告，正确反映设计和设计报告，正确绘制电气原理图和编制程序等。6. 通过课程设计实践，帮助学生逐步建立正确的生产观点、经济观点、全局观点和安全用电和节约用电的观点。7. 初步掌握有关工程设计的方法、步骤，逐步熟悉开展技术设计的基本程序，为以后参与设计及研制新产品打下初步基础。1-2 课程设计的实施规则一、 课程设计计

5、划的制订根据教学计划和本课程教学大纲的要求，结合具体情况提前制定本学期课程设计计划，完成与本课程设计有关的教学文件。主要包括：课程设计的时间、场地、人员分组等的安排，课程设计的纪律要求及其他注意事项，课程设计指导书的编写，课程设计任务书的制定等，课程设计前要将课程设计指导书和课程设计任务书发给每个学生，要求学生提前做好预习。二、 课程设计指导教师的安排1各专业课程设计的指导教师，应有一名组长负责。组长应该由对该课程理论和实践教学都十分熟悉的教师担任。课程设计开始前，组长必须安排提前做好与本次课程设计的相关准备工作。2安排课程设计指导教师时，每班至少安排一名正在承担或己承担过该课程理论课教学的教

6、师带学生的课程设计，不得安排与实习课程无关的教师进行指导。在学生课程设计前，指导教师必须做课程设计的全面动员工作，并做好对学生进行课程设计的任务要求、时间场地安排及纪律方面的教育。3指导教师在指导课程设计的过程中，要认真向学生讲解课程设计的设计内容、要求、主要设计参数和设计过程，认真做好设计指导工作。三、 课程设计的纪律要求1课程设计一般不允许学生请假，确因特殊情况需要请假，须事先经指导教师和主管教学院长批准，报教务处备案，并安排补做。2课程设计期间，必须严格遵守作息制度，不得迟到、早退；有事必须向指导教师请假，不得擅自离开。3课程设计期间缺席三分之一者，不予评定实习成绩，视其具体情况，决定是

7、否给予补做的机会。四、 课程设计成绩的评定1课程设计结束时，学生要按照课程设计任务书的要求，认真撰写课程设计报告。2课程设计的考核是课程设计报告的评阅、口试（答辩）和平时检查几方面的综合评定。3指导教师根据学生在课程设计过程中的综合表现（思想表现，学习态度，团结互助以及遵守纪律等）、实际动手能力及课程设计报告，按优秀、良好、中等、及格、不及格五级评分制评定实习成绩。4无故不按时交课程设计报告的学生，其成绩按不及格计。课程设计成绩不及格者，按长春工业大学本科生学籍管理办法的有关规定处理。五、 课程设计的总结工作.课程设计结束后，应该对课程设计全过程进行全面总结，组织指导教师和学生进行交流，并形成

8、书面材料向学院汇报，不断总结课程设计工作经验，不断提高课程设计教学质量。、1-3 课程设计的过程及方式一、课程设计的过程本课程设计分指导教师讲解和同学们独立设计两个过程。指导教师讲解内容包括：（1） 讲解本课程设计的目的及意义。（2） 讲解本课程设计的内容与要求。（3） 分组，布置设计任务书（4） 介绍设计步骤和重点设计环节。（5） 说明本课程设计时间安排、纪律要求及考核方法。 除了指导教师讲授以上的内容外，其它时间由学生自己按要求独立完成课程设计，指导教师进行有针对性的辅导，随时解答学生们的疑问，及时处理设计中遇到的问题。二、课程设计方式为了提高效率、讲求实效、取得预期的收获，课程设计按以下

9、方式进行。（一） 设计前预习 预习是课程设计前的重要准备工作，是保证课程设计顺利进行的必要步骤，也是培养学生独立工作能力、提高课程设计质量与效率的重要环节，要求做到：1学习相关课程的内容，熟悉有关理论知识。2认真阅读本指导书，了解课程设计的内容、方法、步骤及要求。3查找和借阅有关设计资料和技术手册。4预习期间进行学生分组，每组6人，安排组长1人，组内明确任务、合理分工，预习需人人进行，组长负责检查。设计前每组应就有关设计内容进行讨论，做到心中有数，同时上交预习报告一份（二） 设计进行 整个课程设计过程中必须严肃认真，集中精力按时完成工作。 1预习检查、严格把关 本课程设计开始前应由指导教师检查

10、预习质量（包括对本课程设计的理解、认识及预习报告），当确认已做好了课程设计前的准备工作方可开始设计，对于因没有预习而对本次设计的目的、内容、方法、要求了解很差的同学，应拒绝其参加设计。 2独立设计，协调工作 本课程设计要求每名同学独立完成，同时也提倡同学之间积极讨论，大胆提出新思路、新见解，对于设计中采用创新的设计方法、设计电路及新型元器件的同学，在最后评定成绩时从优掌握。 3认真负责、按时完成（三） 设计报告 设计报告是课程设计工作的最后成果和总结提高，是课程设计的重要环节，也是对学生分析、归纳等工作能力的进一步培养和锻炼，因此必须独立书写，每人一份，应按照设计任务书的要求和相关设计步骤，完

11、成详细设计设计过程，包括方案论证、参数计算及元器件选择等，最后写出心得体会，以便积累一定的实际设计经验。 撰写设计报告应具有严肃认真的态度，报告要求条理清楚、简明扼要，字迹端正、图表规范，分析认真、结论明确。课程设计报告内容应主要包括以下几方面：1课程设计名称、专业、班级、组别、姓名、学号、设计日期。2设计目的和要求。3根据设计任务书，进行方案论证。4写出详细的设计过程，包括相关参数计算及元器件选择等。5按照工程绘图标准，绘制系统的电气原理图，列出元器件明细表。6分析讨论设计过程中遇到的问题，写出心得体会以及合理化建议和改进措施。1-4 课程设计的时间安排及考核方法一、课程设计的时间安排根据本

12、机电专业的教学计划，其课程设计的时间为二周。整个课程设计过程可分为四个阶段：1设计、计算阶段（约占设计学时的40%）2制图阶段（约占设计学时的40%）3总结报告阶段（约占设计学时的15%）4考核阶段（约占设计学时的5%）具体时间安排如下：时间内容安排周一上午课程设计动员、讲解设计内容、步骤、要求及注意事项，并进行学生分组下午 熟悉设计题目，查找资料，方案论证周二周四根据课程设计任务书的要求，按步骤认真完成课程设计的各部分内容周五上午设计总结，完成设计报告下午 考核（答辩）二、课程设计的考核 在课程设计进行期间，指导教师每天都要对学生的出勤情况、学习态度及工作完成情况进行检查督促，并做好记录。课

13、程设计结束后，指导教师要组织对学生进行考核，根据学生在整个课程设计期间的纪律情况、工作态度，设计报告及图纸的质量并结合其基础知识掌握的情况（口试），综合确定学生的课程设计成绩（按五级评分制优，良，中，及格，不及格计），无课程设计报告或无故不参加课程设计者成绩按不及格计，有缺勤、迟到、早退、违纪等情况酌情降低成绩。 每项考核内容占总成绩的分数如下：考核内容评分标准（100满分）备注设计方案的正确与合理性1090100分为优8089分为良7079分为中6069分为及格60分以下为不及格系统参数计算的准确性10元器件选择的合理性10设计报告及图纸的完成质量20基础知识掌握情况（答辩）20出勤情况、学

14、习态度20 创新101-5本次设计的验收方式设计验收采用答辩为主、设计说明书及代码清单评审为辅的方式进行。学生首先进行答辩，自述设计情况（5分钟左右），指导教师根据学生的设计情况进行提问（5分钟左右），并结合学生的设计说明书和程序代码清单综合评定学生的最终成绩。第二章 设计任务及内容2-1 本次设计的主要任务1、单片机控制系统电路图一张，0号图纸；2、g00功能实现程序代码一份，并根据分组情况实现g01或g02功能程序代码，要求完成程序代码清单及程序代码注释；3、设计说明书一份，详细说明设计理论基础、实现方法及控制系统各个关键参数。单片机应用系统的设计包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试

15、、产品化等几个阶段，这几个阶段并不都是绝对划分的，有时也是交叉进行的。图1描述了单片机应用程序的一般过程。图1 单片机应用系统研制过程由图1所示的流程来看，单片机应用系统的研制过程是比较复杂的，在具体的设计运作过程中，主要涉及了总体设计、硬件设计、可靠性设计、保密性设计、软件设计等内容。根据本次设计的具体情况，重点是主总体设计、硬件设计与软件设计的相关内容。2-2本次设计的主要内容本次设计的核心内容为数控十字滑台设计数控编程及运动控制系统，具体有三个主要设计内容：1、控制系统设计设计以8051单片机系列芯片为扩展核心的控制系统设计，它是系统的整个控制核心，负责接收操作指令，并根据输入的指令控制

16、步进电机的运动，是本次设计核心内容。设计要求以8031芯片为核心，扩展程序存储器、数控存储器、键盘及显器示接口及其它并行控制接口，形成完整控制系统。2、g00，g01，g02功能程序实现g指令准备性工艺指令，是在数控系统中插补运算之前需要预先规定，为插补运算做好准备的工艺指令。g功能指令代码从g00至g99共100种，本次设计着重完成前三种，即g00，g01和g02。其中，g00为定点位、g01为直线插补、g 02为顺时针方向圆弧插补。设计要求使用mcs-51系列单片机汇编语言实现以直线与圆弧线补为核心的g功能。3、步进电机驱动电路设计步进电机驱动需要很大的电流控制，而由计算机及环形分配器送来

17、的控制脉冲信号，一般为弱电信号，因此步进电机需要有功率放大电路以得到控制电机绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。本次设计要求设计一种控制方便、 调试容易、开关速度快及元件损耗小等优点的步进电机驱动电路。2-3设计步骤1、 总体设计方案的选择及确定。2、 设计方案论证后查阅资料。3、 对硬件系统的设计。4、 对软件系统的设计。5、 步进电机伺服系统设计。6、 插补原理及程序设计。2-3-1总体设计方案的选择及确定单片机应用系统的研制是从确定的目标任务在开始的，在进行系统设计之前，必须根据系统的应用场合、工作环境、具体用途提出合理的、详尽的功能技术指标，对产品的可靠性、通用性、可维护性、先进性

18、以及成本等进行综合考虑，使确定的技术指标合理，并符合国际标准。在总体设计阶段，除了要确定功能技术指标这一关键性的内容外，还根据市场货源情况、印机、显示器等器件和设备、在总体设计阶段，应该对器件的选择提出具体规定。总体设阶段最后的任务是权衡利弊，仔细划分出硬件和软件功能。单片机应用系统的硬件配置与软件设计是紧密相关的，硬件与软件在功能上具有一定的互换性，如步进电机驱动所必须的环形分配器，即可以由数字逻辑电路硬件实现，也可以由软件来实现。多使用硬件完成功能，可以增加工作速度、降低软件工作量，但是提高了硬件成本；多使用软件完成功能，不但可以降低硬件开支，还可心简化硬件结构，但增加了软件的复杂性。因此

19、在总体设计阶段，硬件与软件的功能划分是十分得要的。2-3-2硬件设计mcs-51系列单片机应用系统硬件设计方案主要讨论程序存储器、数据存储与i/o接口、地址分配及总线驱动等内容。1. 程序存储器一般情况下，片内不带有eprom程序存储的单片机型（如8031等）比较适用于国内单内机应用系统开发，这种芯片的价格与内有eprom（如8715等）的价格要低很多，只需要一片eprom电路作为程序存储器，使用灵活，仍然可保持单生机的各种优点。当前市场上，容易不同的eprom芯片的价格相差不大，因此选用速度高、容量大的芯片（如27256）比较经济，并且还为软件的扩展留有余地。2. 数据存储器及i/o接口应用

20、系统应用场合的不同，对ram需求差异比较大，对于常规量和控制器，可能需要较少容量的数据存储器，但对于数据采集系统，则需要大容量的ram。大容量的ram不但体积小，而且性能价格比较高，一片62256芯片比16片6116芯片的性能比要高得多。单片机应用系统一般都要扩展i/o接口，选择i/o接口时应该从体积、价格、负载、功能等几个方面来考虑。选用标准的可编程的i/o接口电路（如8255），则接口简单、使用方便，对总线的负载小，但应用于简单应用场合时，其i/o线与接口功能没有被充分利用，造成浪费；使用三态门电路或锁存器作i/o接口，灵活性高、口线利用率高、负载能力强、可靠性高，但对总线负载大，接口复杂

21、。因此必须根据系统总的输入输出要求来选择接口电路。3. 地址分配外部程序存储一般由单片机的erpom组成，独占64k字节的地址空间，因此一般不必进行地址译码，只需将其片选端接地即可。由于扩展的数据存储器与i/o接口电路一般由多片芯片组成，而且数据区与i/o接口为统一编址，共占64k字节的数据存储空间，因此必须进行地址译码。一般常采用地址译码器或线选法进行地址分配。线选法与地址译码原理具体见本大纲的“数据存储器扩展”一节。4总线驱动mcs-51生活经验统单片机扩展功能比较强，但扩展总线的负载超过了总线负载的能力，系统便不能可靠地工作。这时必须在总纯度上加装驱动器。常用的总线驱动器为74ls245

22、t 74ls244。2-3-3软件设计根据程序设计的需要，本部分重点描述软件的结构设计。软件系统结构设计的主要原则是，根据问题的定义，将系统的整个工作分解为几个相对独立的操作部分，并由这几个部分的相互关系，设计合理的软件结构，使cpu可以有条不紊地工作。1程序结构设计程序结构设计主要有顺序设计和实时多任务操作系统设计。对于简单的单片机应用系统，通常采用顺序设计方法。顺序程序设计方法通常由主程序和若干个中断服务程序所构成，设计者根据问题的定义和操作功能的划分，指定各个中断服务程序对事件请求作出必要的处理，包括现场保护、中断服务、现场恢复、中断返回等四个部分。需要注意的，中断的发生常常是随机的，可

23、能在主程序的任意地方打断，在设计阶段通常无法预料这时主程序的执行状态，因此在执行中断服务程序地，必须对原有的程序状态进行现场保护。现场 保护的内容是中断服务程骗子所需要使用的资源（中断服务程序使用这些资源时，这些资源的主程序数据将被覆盖），如psw、acc、dptr等。而主程序通常是一个顺序执行的无限循环程序，不停地查询各种软件标志进行日常事务处理。图2描述的中断服务程序与主程序的结构。图2 中断服务程序结构与主程序结构顺序程序设计方法容易理解，能够满足大多数应用系统的功能要求。其主要缺点软件结构不清晰、软件的修改扩充比较困难，实时性差。2程序设计技术（1）模块程序设计模块化程序是常用的程序设

24、计技术，其核心思想是将一个功能具有完整功能的大的程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块，各个程序模块分别进行设计和调试，通过对各个模块的调用实现系统的整体功能。模块化设计能够有效地降低软件系统的复杂性和难度，大大提高系统的可靠性，同时也提高了程序代码的可复用性。进行模块化程序设计时一般遵循以下几条原则； 每个模块不宜太大； 各个模块间在逻辑相对独立； 对简单的任务不必采用模块化； 尽量使用已有的模块。（2）自上而下地程序设计进行软件设计时，先从主程序开始设计，从属的程序或子程序用府号代替。主程序编好后再编制各个从属程序和子程序，最后完成整个系统软件的设计工作。进行软件调试时也按这个次序进

25、行。3.程序设计过程 选择好软件结构和采用的程序设计技主后，便可进行具体的程序设计工作了。具体设计过程有以下4部分。（1）建立数学模型（2）绘制程序流程图（3）编写程序（4）程序的汇编、调试和固化2-3-4步进电机伺服控制系统设计xy双向十字滑台的运动由x向和y向步进电机来控制，通过电机驱动滑台的各个运动部件，从而准确地控制它们的速度和位置。一般地，数控伺服系统可分为开环及闭环两大类，其中闭环伺服还可以根据检测位置的不同进一步细分为半闭环伺服和闭环伺服。由于开环伺服系统具有结构简单、调试维修方便、成本低的特点，因此虽然这种伺服的误差没有补偿和校正，精度较低，但广泛应用于中小型经济型数控机床。鉴

26、于开环伺服系统的特点，本次设计的总体设计方案似采用开环伺服，并为xy两个运动方向加上极限位置检测及原点定位检测以实现基本运动位置的控制。下面以典型的开环伺服系统结构（如图3所示）为例，详细介绍本次设计的过程。图3开环伺服系统结构一、数控系统及环形分配器的设计数控十字没滑台数控系统是以mcs-51系列单片机为核心部件，外部扩展程序存储器、数据存储器、键盘/显示器接口和其它并行接口而实现的。键盘/显示接口扩展（见附录2），键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备。单片机使用显示器主要有七段数码管或点阵式显示器，是最基本的输出设备。限于大纲篇幅，键盘和显示器的工作原理在这里就不进行

27、详细描述了，请学生参考微机接口技术课程教材或其它参考资料。在附录2里主要讨论使用intel8279可编程键盘/显示器接口器件进行键盘与显示的扩展。二、步进电机驱动电路设计步进电机驱动电路实际上是一个功率开关电路，其功能是将环分配器或微处理器送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。因此步进电机有m相，就应有m路功率放大电路。步进电机驱动放大电路种类很多，按其主电路的结构分有单电压驱动和高低电压驱动和高低电压驱动两种，其具体驱动电路说见数控机床课程教材，在本次设计中就不详细描述了。三、插补原理及程序设计插补计算就是数控系统根据输入的基本数据，如直线终点

28、坐标值、圆弧起点、圆心、进给速度等，通过计算，将工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发送进给指令。数控机床的常用插补计算方法有逐点比较插补计算法（简称逐点比较法）、数学积分插补计算方法（简称数字积分法）、时间分割插补计算方法和样条插补计算方法等，在本次课程设计中，我们使用逐点比较法进行插补计算。逐点比较法每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行一次比较，视该点在给定轨迹的上方还是下方，或在给定轨迹的里面还是外面，从而决定下一步的进给方向，使之趋近加工轨迹。逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧线的，它与规定的直线或圆弧之间最大误差不超过一个脉冲当量，因此只要将脉冲当量取得足够小，就可达

29、到加工精度的要求。（一）直线插补计算原理1偏差计算公式假定加工如图所示的第一象限直线oa。取直线的起点为坐标原点，直线终点坐标（xe,ye）是已知的。m(xm,ym)为加工点（动点），若m在oa直线上，则根据相似三角形的关系可得。取fm=ymxeye作为插补的偏差判别式。若fm=0，表明m点在oa直线上；若fm0，表明m点在oa直线上方m处；若fm0时，沿+x轴方向走一步；当fm0时，沿+x方向进给一步，走一步后新的坐标值为：xm+1， ym+1=ym新的偏差为fm+1=fm+xe-xm+1ye=fm-ye若fm0，应向+y方向进给一步，走一步后的新坐标值为：fm+1=fm+x由此得到了偏差计

30、算公式，在公式中只有加、减运算，只要将前一点的偏差与等于常数的终点坐标值xe,ye 相加减，即可得到新的坐标点的偏差值。加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即f0=0，这样随着加工点的前进，新的加工点的偏差fm+1都可以由前一点fm和终点坐标相加或相减得到。2终点判别算法逐点比较法的终点判别有多处方法，下面介绍两种常用方法。第一种：设x、y两个减法计数器，加工开始前，在x、y计数器中分别存入终点坐标值xe, ye，在x坐标（或y坐标）方向上 第进给一步时，就在x计数器（y计数器）中减去1，直至这两个计数器的数都减到0，此时达到终点。第二种：用一个终点计数器，寄存x和y两个坐标，从起点至达

31、终点的总步数为，x或y坐标和线进给一步，减去1，直至为0时，到达终点。3插补计算插补计算时，每走一步，都要进行以下四个步骤的逻辑运算和自述运算，偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判别。4不同象限的直线插补计算上机讨论的是第一象限的直线插补方法，其它三个象限的直线插补计算可以用相同的原理获得。下表列出了四个象限进行直线插补时的偏差计算公式与进给脉冲方向。在计算时，公式中的xe,ye均为绝对值。线型fm0时进给方向fm0时进给方向偏差计算公式l1+x+xfm0时：fm+1=fm+yefm0，表明加工点在圆弧外；若fm0，对于第一象限内逆圆，为了逼近圆弧，应沿+y方向进给一步，到m+1点，其坐标值为

32、：新的加工点偏差为：若fm+1=xm,ym+1=ym+1。新的加工点的偏差为：由于上述的推导得知，只要知道一点的偏差就可以计算出新的一点的偏差。因为加工是从圆弧的起点开始的，因此，起点偏差为f0=0，所以新加工点的偏差总可以根据前一加工点的数据计算出来。2终点判别法圆弧插补的终点判别法和直线插补相同，可将从起点到终点x、y轴走步的步数的总和存入一个计数据，每走一步便从计数器中减1，当计算数器值为0时，发出到达终点信号。3插补计算过程圆弧插补过程和直线插补相同，但是偏差计算公式不同，而且在偏差计算的同时还要进行动点瞬时坐标的计算，以使为下一点的偏差计作好准备。4四个象限圆弧插补计算公式不同象限的

33、圆弧插补比较复杂，圆弧所在象限不同，顺逆不是，则插补计算公式和进给的方向也不同。归纳有8种情况，这8种情况的进给脉冲方向和偏差计算公式由下表所示。其中xm,ym,xm+1,ym+1都是动点坐标的绝对值。附录1附录图1- 1为mcs-51系统扩展示意图。附录图1- 1 mcs-51系统展示意图mcs-51具有很强的系统扩展能力，可以扩展64k节节的程序存储器和64k字节的数据存储器或输入输出口。本次设计中，需要扩燕尾服外部程序与数据存储器，以及键盘显示器接口等外部接口，下面就根据设计要求详细介绍单片机扩展系统。1mcs-51系统单片机概述请同学们参照微机接口技术教材或其综相关资料。2程序存储器的

34、扩展程序存储器用于存储程序代码和程序常数。由于单片机的应用系统通常是专用系统，一旦系统研制完毕其软件也定型，所以单片朵程序存储一般由半导体只读存储器组成。本次设计采用eprom（紫外线可擦除电可编程）型半导体只读存储器为8031扩展程序存储器，常用eprom电中盘 2716、2732、2764、27128、27256和27512等。由于十字滑台数控程序比较复杂，因此需要容量较大的程序存储器，建议在设计采用27256作为系统扩展存储器。（1）芯片引脚功能主要含意 aoai：地址输入线，i=1015； o0o7：三态数据总纯度，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线，维持或编程禁止时呈高阻

35、态； ce：选片信号输入线，低电平有效； pgm：编程脉冲输入线； oe：读选通信号输入线，低电平有效 vpp：编程电源输入线，其具体值因芯片型号和制造厂而异； vcc：主电源输入线，一般为+5v gnd：线路地。（2）prom的主要操作方式编程方式：把程序代码（机器指令、常灵敏）固化到eprom中；编程校验方式：读出eprom中的内容，检验编程操作的正确性；读出方式：cpu从eprom中读取指令或常数；维持方式：数据端呈高阻态，耗电少；编程禁止方式：适用于多片eprom并行编程不同数据。（3）扩展基础原理mcs-51系列单片机的引脚ea是程序存储器选择信号输入线。对于片内无程序存储器的803

36、1、8032等，ea引脚必须接地，使cpu在取指令周期只能从外部程序存储器中读取指令；对于内部有程序存储器的8051等芯片，ea接+5v，这样cpu在取指令时，若pc（程序计数器）值小于内部程序存储器容量，cpu则从内部程序存储器取指令，否则从外部扩展程序存储器中取指令。引脚psen是51系列单片机对外部程序存储器的读选通信号输出线，仅当cpu访问外部程序存储器时，该引脚才被激活，输出负脉冲（与该引脚相接的程序存储器读选通信号输入线低电平有效）。单片机地址允许锁存信号ale上升为高电平后，p2口输出高8位地址（pch值），p0口输出低8位地址（pcl值）；ale下降为低平电后，p2口输出的信息

37、不变，而p0口输出浮空，即低8位地址信息消失，因此低8位地址必须在ale降为低电平之前由上部地址锁存器来锁存；接着psen输出一个负脉冲，选通外疗程序存储器，p0转为输入状态，接收外部程序存储器的指令字节。（4）扩展方法由于p0口上的低8位地址信息在ale引脚降为低电平后会消息，因此扩展程序存储器时，必须使用外部地址锁存器来锁存低8位地址信息，常用74ls3737作为地址锁存器。其引脚功能如下： d0d7：数据输入； q0-q7：数据输出； e：三态门输出允许控制信号输入端，低电平有效； g：锁存信号输入端，高电平使74ls373，电平负跳变时将数据输入端的状态锁存起来. vcc:电源输入;

38、gnd:线线路地。eg功能01直通（qi=di）00保持（qi保持不变）0x输出高阻扩展程序丰储器时，将74ls373的e脚接地、g接单片机的ale引脚、74ls373的数据输入端接单片机的p0口、其数据输出接外部程序存储器的低8位地址端。这样，当ale输出高电平时，74ls373直通，使p0口输出的低8位地址信息及进入74ls373，并与p2口输出的高8位地址同时到达外部程序存储器的地址线，当ale变为低电平时，p0口低8位地址初锁存保持，使外部程序存储器的低8位地址保持不变，p0口可读到可靠信息。3. 数据存储器的扩展数据存储用于存储现场采集的原始数据、运算结果等，因此外部数据存储器应能随

39、机读写，通常采用半导体静态随机存取存储器ram电路组成，具有存取速度快、使用方便和价格低廉等优点。常用的数据存储器有36116、6264、62256等。建议在本次设计工作中采用62256作为扩展数据存储器。（1）芯片引脚功能描述 a0-ai：地址输入线，i=10(6116), 12(6264),14(62256) o0-o7：双向三态数据线； ce：选片信号输入线，低电平有效； oe：读选通信号输入线，低电平有效； we：写选通信号输入线，低电平有效； vcc:工作电源 gnd：线路地。信号方式ceoeweo0-o7读001数据输出写010数据输入维持1任意任意高阻态（2）外部数据存储器扩展原

40、理mcs-51单片机对外部数据存储器的操作指令有四条： movxa，ri movxri,a movxa,dptr movxdptr,a其中,头两条指令是以r0或r1作指针的对外部数据存储器页面寻址,页号由当前p2口锁存内容决定,这两条指令适宜寻址容量较小的外部数据存储器后两条指令是以16位的dptr（数据指针）作指针，可对64k字节的外部数据存储器寻址。cpu在执行前两条指令时，p2口输出的dph内容，p0口输出dpl内容。mcs-15单片机在访问外部数据存储器时，一个机器周期中，ale只输出一个脉冲，ale返回低电平后，读信号rd或写信号we有效，而psen始终无效（保持高电平），所以单片机

41、访问外部数据存、储器时不会访问到外部程序存储器。（3）外部数据存储器扩展方法常用的一种方式是外部数据存储器的地址们ag-aj由单片机的p2 接口提供，8位地址线接地址锁存器（如74ls373）输出端。读、写控制信号分别连续单片机的rd、wr。对外部数据存储器的选片可采用线选法或地址译码法。 线选法 线选法就是把某一位地址线直接连到扩展电路芯片的选片端，一般选片端为低电平有效，只有这一位地址线为低电平，cpu就选中了该电路进行读写。采用线选法时，扩展的外部数据存储器（包括i/o接口）的地址可以这样确定：用作选征的地址线为0，ram电路单元或i/o接口电路的端口地址cpu的寻址所确定期，而其它没有

42、用到的地址线均匀1。线选法的优点是硬件简单，但由于所用的选片信号线一般是高位地址线，它们的仅值比较大，因此地址空间没有被充分利用，ram和i/i接口地址出现不邻接的现象。 地址译码法对于需要扩展较多的rma和i/o接口的系统，需要采用地址译码方法。低位地址线作为扩展电路的单无地址线（取外部电路中最多的地址线位数），对高位地址线采用译码器进行译码，译出选片信号。常用的译码有以下几种： 24译码器74ls139 38译码器74ls138 46译码器74ls154附录28279芯片是一种专用于键盘/显示器的接口器件，它能对显示器自动扫描，能识别键盘上闭合的键号，提高cpu的工作效率。8279包括键盘

43、输入和显示输出两个部分。键盘部分提供的扫描方式可以和64个按键或传感器阵列相连；能自动消除开关抖动以及对n键同时按下采取保护。显示部分按扫描方式工作，可以显示8或16位led数码管显示器。（1）8279的引脚功能 db0-db7：双向数据总线，用于在cpu和8279之间传 送命令、数据和状态； clk：时钏输入线，用于产生内部定时； reset：复位输入线，复位后，8279被置为以下工作方式：16显示左边输入，编码扫描键盘双键封锁，时钟系数为31； cs：选片信号输入线，低电平时cpu选中8279，允许对8279进行读写操作； a0：缓冲器地址输入线，高电平时数据线上传送的是命令或状态信息，低

44、电平时数据线上传送的是数据信息； rd：读信号输入线，低电平有效，8279内部缓冲器信息送db0-7； wr：写信号输入线，低电平有效，接收数据总线db0-7上的信息写入内部缓冲器； irq：中断请示输出线，高电平有效。在键盘工作方式中，fifo ram中有键输入数据时，irq上升为高电平，向cpu请求中断，cpu每次读出fifo ram数据时，irq上升为高电平，向cpu请求中断，cpu每次读出fifo ram数据时，irq变为低电平，若ram中还有数据，irq在读出后又返回高电平，直至fifo中的所有数据被读完irq才保持低电平。在传感器方式中，每当检查到传感器信号变化时irq上升为高电平

45、； sl0-sl3：扫描输出线，用以对键盘/传感器矩阵和显示器进行扫描； rl0-rl7：数据输入线，键盘/传感器矩阵的行（或行号）数据输入线。该输入线内部有提高电路，使之保持高电平，也可以由外部开关拉成低电平； shift：换档输入线，在键扫描中，闭合键的位置信息（行和列号）与换档输入线的状态一起存入fifo，使键盘上的每个键可以定义为上、下两档功能； cntl/stb：控制/选通输入线，在键盘方式中，作为控制输入线，它的状态和键输入信息一起存储到fifo中。在选通工作方式中，作为数据送入fifo的选通输入线。 outa0outa3：四位输出口； outb0outb3：四位输出口； bd：显

46、示消隐输出线，低电平有效，该输出线在数字切换过程中或使用显示器熄灭命令使显示器消隐； vcc：电源； vss：地。（2）8279的内部结构与工作原理8279的内部结构主要由i/o控制及数据缓冲器、控制与定时寄存器及定时控制、扫描计数器、输入缓冲器、键盘去抖及控制、fifo/传感器及其状态寄存器、显示ram和显示地址寄存器组成。 i/o控制及数据缓冲器双向的三态数据缓冲器将内部总线和外部系统的数据总线db0-db7相连，用于在cpu和8279之间传送命令、数据和状态信息。i/o控制电路以cs、a0、rd、wr线上输入信号控制总线上信息的传送，即对内部不同的寄存器和缓冲器进行读或写。cs为片选输入

47、线，为低电平有效。当该引脚上为低电平时允许cpu对其进行读写，一般接系统的地址译码器。ao为信息属性选择线，用来指出所传送的信息是命令/状态，还是数据，a0为逻辑1时，cpu写入8279的信息是控制命令，从8279读出的状态字节；a0为逻辑0时，读出和定入的信息都是数据。a0通常接系统的地址总线低位。 时序控制逻辑控制和时序寄存器用于存放键盘和显示器的工作方式和其他状态信息。时序和控制部件包含了定时计数器，其中一个计数据是n分频器，分频系数可以编程为2-31之间的任何一个数，对clk上输入的时钟脉冲信号进行n分频，以产生基本的100khz的内部计数信号（此时扫描时间为5.1ms，去抖动时间为1

48、0.3ms），共它计数器将100khz信号再分频，以提供适当的键盘矩阵扫描和显示器扫描的时间。 扫描计数器扫描计数器有两种工作方式，一种是编码工作方式，计数器以二进制方式计数，4位计数的状态直接从扫描线sl0-sl3上输出，必须由外部译码对sl0-sl3进行译码，以产生对键盘和显示器的扫描信号，另一种是译码工作方式，对计数器的低两位进行译码后从sl0-sl3上输出，作为48键盘和4位显示器的扫描信号，因此在译码方式中只有显示ram的前4个字符被显示出来。编码方或扫描出高电平有效，译码方式中扫描输出线低电平有效。 输入缓冲器和键盘去抖控制输入缓冲器锁存rl0rl7上的信息。在键盘工作方式中，对键

49、盘进行扫描，搜索键盘上的闭合键，由去抖电路检测到某个键闭合后等待10ms，再检测该键的状态，若仍然闭合，则将键在矩阵中的地址（行、列号）以及shift和cntl状态都写入fifo ram。 在传感器方式中，每次扫描时直接把rl0rl7上信息写八传感器ram，在选通方式中，由选通输入信号的上升沿将rl0rl7上信息写入fifo ram。fifo/传感器ramfifo/传感器ram是一个双功能的88ram缓冲器。在键盘选通输入方式中，是一个先进先出的数据缓冲器，每一个新输入的信息写入ram中的下个单元，并按写入的次序读出。fifo状态寄存器存放fifo中的字符数和fifo的满空标志，对fifo读出

50、写入次数太多时间视为溢出错误。当cs=0，a0=1，rd=0时便读出fifo的状态字节，当fifo中有数据时，由控制电路发出irq信号。 显示地址寄存器和显示ram显示地址寄存器用于存储cpu当前正在读写的显示ram单元地址以及正在显示的两个4位半字节地址。读写显示ram地址由编程设定，也可以定义为读写后地址半字节显示地址由8279自动刷新。（3）8279的控制命令系统通过对8279编程写入控制命令来选择其工作方式。8279控制命令为一个字节，其中高三位为命令的特征位，不同的命令有不同的特征位。8279的主要控制命令如下： 键盘显示器方式设置命令d7d6d5d4d3d2d1d0000ddkkk

51、最高三位000是方式设置命令的特征位，dd为显示器工作方工选择位，kkk为键盘工作方式选择位，具体工作方式如下所示显示器方式选择d4 d3显示器方式选择0 088字符显示左边输入0 1168字符显示左边输入1 088字符显示右边输入1 1168字符显示右边输入键盘工作方式选择d2 d1 d4显示器方式选择0 0 0 编码扫描键盘-双键封锁0 0 1译码扫描键盘-双键封锁0 1 0编码扫描键盘-n键巡回1 0 0译码扫描键盘-n键巡回1 0 1编码扫描传感器矩阵1 1 0译码扫描传感器矩阵1 1 1选择输入译码扫描显示器8279复位以后dd=01，即168字符显示左边输入方式，在键盘设置为译码扫描方式时，显示4个字符，与显示方式无关，kkk=000，即为编码扫描键盘一双键封锁方式。键盘工作方式有三种，即双键封锁、n键巡回、特殊出错方式：双键封锁在去抖过程中可能出现三种情况：当某一个键按下时，去抖动逻辑置位，接着再去搜索共它的闭合键，如果没有其它的键按下，说明只按下一个键，则该键的位置就与cntl及shift线的状态一起送入fifo r