扭矩测量仪设计说明书

/扭矩测量仪毕业设计说明书摘要随着机械工业的迅速发展，对测量技术提出了越来越高的要求。不仅要求测量精度高速度快，而且要求整个测量系统的自动化和智能化程度高。扭矩是旋转动力机械中一项十分重要的参数，通过测量各种传动轴扭矩参数，可为系统设计和改进提供参考依据。但扭矩测量要远比其它力学测量要复杂，是力学测量中一个叫薄弱的环节。对扭矩的测试的检测，传统手段多采用机械方法，但因为摩擦，磨损等因素，严重影响了测试仪的使用寿命和测量的可靠性。随着我国相关工业的发展，机械式扭转强度测试已不满足要求。本次设计电子扭转强度测试仪，具有可靠性高，响应快，可过载保护等优点，可广泛用于手工件的在线测试。关键字：单片机电阻式传感器扭矩测试AbstractTheinstrumenthasthereliabilitytobehigh,therepsonemayquicklytheover-loadprotectionmerit,butwidelyusesineachkindofworkpiecetestthetorquereflectoscopereflectorwhichcontrolusingthemonolithicintegratedcricuit,triesthesensorusingtheresistance,usesthemonolithincintegratedcricuittomakethecentralprocessingchip,cancorrecltysurveythetorquewhichthetorquewhichtheworkpiecemaywithstandHasthestructuresimpleperformancestablesurveyaccurateeasytooperate,thetechnicalparameterachievedmeritandsoondesignrequest,hasthecertainusevauleKeyword:singlechipresistancesensortorquetesting目录TOC\o"1-3"\h\z第一章绪论11.1单片机概述、应用与发展11.1.1单片机简介11.1.2单片机的应用领域11.1.3单片机的发展趋势21.2扭矩测量仪的应用和发展21.2.1扭矩测量的基本原理和方法31.2.2扭矩测量技术的发展方向31.2.3国外扭矩测量仪的现况简介41.3扭矩传感器的种类51.4本设计的主要任务6第2章总体方案设计72.1系统工作原理72.1.1传感器的测试原理72.1.2单片机的引脚描述与片外结构图82.2测试系统的组成以与机械结构102.3系统中单片机的选用与设计112.3.1单片机应用系统的概述112.3.2单片机的选用132.4显示器的设计142.5键盘的设计162.6驱动部分设计182.6.1伺服系统的组成182.6.2伺服系统驱动的驱动部分设计18第3章硬件电路的设计233.1检测元件233.1.1系统的检测元件233.1.2测量转换电路233.2A/D转换器253.3逻辑电路273.3.1锁存器74LS373273.3.2片外数据存储器6264283.3.3片外程序存储器2764(ROM)283.3.4TPμP-40A微型打印机293.3.5BCD拨码盘303.3.6芯片8155的接口与主要功能343.3.7芯片AD52236第4章系统软件设计384.1按键识别程序384.2键盘/显示系统的执行设计394.3步进电机的控制的流程图的设计414.4控制打印机的流程图434.5反转复位流程图444.6过载判断流程图454.7过载判定流程图46结论47参考文献48致49附录50一、步进电机驱动程序50二、键盘扫描子程序：51三、求键值子程序：52四、打印程序：53五、显示子程序54第一章绪论1.1单片机概述、应用与发展1.1.1单片机简介单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器与A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。与一般的微型计算机相比，单片机的具有以下特点：小巧灵活、成本低易于产品化可靠性高，抗干扰能力强，适应温度围宽。易扩展，很容易构成各种规模的应用系统。控制功能强。具有位处理指令，有很强的逻辑操作功能。容易实现多机和分布式控制。1.1.2单片机的应用领域按照单片机的特点，单片机可分为单片机应用和多机应用。1.单机应用在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式，单片机应用的主要领域有：（1）测控系统用单片机可构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。达到测量与控制的目的。例如：温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产自动控制、汽轮机电液调节系统、车辆检测系统等。（2）智能仪表用单片机改造原有的测量、控制仪表，能推动仪表向数字化、智能化、多功能化、综合发展化。如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。通过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等用硬件电路难以实现的难题迎刃而解。（3）机电一体化产品单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机、电一体化产品。例如在电传打字机的设计中由于采用了单片机可提高可靠性与增强功能，降低控制成本。（4）智能接口在计算机系统，特别是较大型的工业测、控系统中，如果用单片机进行接口的控制与管理、单片机与主机可并行工作，大大提高系统的运行速度。例如，在大型数据采集系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处理，如数字滤波、线行化处理、误差修正等。2．多机应用单片机的多机应用系统可分为功能集散系统，并行多机处理与局部网络系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。例如一个加工中心的计算机系统由多片单片机构成，每个单片机完成某个独立功能，如机床加工运行控制，控制对刀系统、坐标系统、刀库管理、状态监视、伺服驱动等。并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速问题，以便构成大型实时工程应用系统。局部网络系统单片机网络系统的出现使单片机应用进入了一个新的水平。目前单片机构成的网络系统主要是分布式的测、控系统。单片机主要用于系统中的通信控制，以与构成各种测、控用的子级系统。1.1.3单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。1.2扭矩测量仪的应用和发展扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。随着工业生产自动化和智能程度的提高，在大型复杂机械系统中各种扭矩的准确测量和监控成为急需解决的问题。只有研制性能良好的扭矩测试仪，才能对大型机械系统的扭矩进行准确测量和监控，并反映动态扭矩的时基幅值和响应速度。扭矩测量仪应用围很广泛，它渗透到工业、农业、交通运输、航天航空、国防、能源等各个领域。1.2.1扭矩测量的基本原理和方法测量扭矩的方法，按照它的基本原理可以分为：传递法(扭轴法)、平衡力法(反力法)与能量转换法等三。1.传递法传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法。这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用于测量扭矩的弹性元件是扭轴。2.平衡力法对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩作用时，在它的机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩(或称为支座反力矩)。测量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡力法，亦称反力法。3.能量转换法这是根据其它能量参数(如电机参数)测量机械能参数与扭矩的方法。综上所述的三种扭矩测量方法，传递法和平衡力法为直接测量扭矩的方法，其测量方便、精确度高，而能量转换法为间接测量扭矩的方法，测量误差比较大，常达±（10～15）％。所以只有在无法直接测量的场合下，才采用间接测量法。1.2.2扭矩测量技术的发展方向扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前，由于微机的应用，扭矩测量仪性能大大提高，而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究。目前传感器主要发展动向为：1.传感器从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作为传动轴一部分才能使用，这样限制了它的应用围，一般用于实验室、台架测量。现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器，只要将传感器卡在轴上或安装在轴边，无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。2.对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。随着新原理、新材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用，正在促进传统传感器的变革，新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便，代表扭矩传感器的新动向。电磁型相位差传感器是一种比较成熟的传感器，现经改型成为不带辅助电机的电磁型传感器，不但减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，而且耐振性能好。微扭矩测量传感器的研究。随着家用电器的迅速发展，如电风扇、微电机、缝纫机、剃须刀、电冰箱、洗衣机甚至开关都要测量扭矩，急待解决g·cm级的扭矩测量，新传感器的研制将成为解决这一问题的关键。在信号传输方面，以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输。如感应方式或遥测体制，它克服了接触式传输的缺点。随着检测变换集成化和多功能化，将过去先检测传输、后对信号进行变换处理的概念演变为先检测变换处理，后再进行传输，这一变更已成为可能。扭矩测量仪的智能化、微机化是当今测量仪变革的主流，单片微机和软件的开发应用已使信号的检测、采集、比较、相关、数字滤波、域间变换、逻辑和函数运算、程序给定和反馈控制等功能由仪器本身来实现成为可能。软件扩展了结构的性能限制，并使仪器具有智能化。既能适应被测参数的变化来自选量程、自动补偿、自动校正、人机对话、自寻故障，并能方便的与总线接口，进行多台联机通信与控制。在扭矩传感器信号传输与测量仪的总成上，工业化扭矩仪研制的呼声愈来愈高，一改以往扭矩测量仪多半应用于实验室台架测量的情景。工业化扭矩仪的要必需满足苛刻的工业应用环境，即可靠性要高，重复性要好，价格要低廉，与机器匹配，安装方便，但精度要求不高，用其作为指导生产、保护机械不受损伤的有效手段。1.2.3国外扭矩测量仪的现况简介1.国外扭矩测量仪现状美国阿克来克斯公司(Acurexco.)中的一个分公司WDC(无线数据传输公司)，自70年代起，生产“通用海上试验功率测试系统”(UniversalSeaTrialPowerMeasurementSystem)，显示板上可显示被测主机的扭矩、转速和功率。此类仪器的扭矩测量是采用卡环式应变传感器敏感被测轴的扭转变形角，变形量与扭矩成正比。量程围为0～2×106N·m，测量精度为±1％F.S.，转速测量是采用红外线测速法，精度为±0.25％F.S.，平均无故障时间MTBF为4200h。此外，美国的太克(TORODUCTOR)公司生产无接触式磁弹性扭矩仪；美国麻省理工学院研制成抗干扰性强的光纤扭矩传感器。这些都代表着世界新潮流。日本小野测试社擅长制造磁电式相位差扭矩测量仪，首期产品多半用于实验室，适用于精测扭矩。其量程围较宽，小量程为0.2～10N·m，量程为10～10×106N·m，已成系列产品，精度可达0.5％～1％F.S.。20世纪80年代初，小野测试社和赤版铁工所联合研制出船用主机扭矩测量仪MS25B，可测扭矩(5×105N·m，精度±0.8%F.S.)、转速(214.7r/min，精度±0.1r/min)和功率(1500ps)。德国马霍克(Mc.huk)公司历史悠久，生产的振弦式扭矩测量仪闻名世界。该仪器是利用轴扭转时致使传感器中的钢弦拉紧或放松，从而使钢弦自身频率变化测得扭矩；数据传输方式有滑环式和感应式。其生产的MDS820产品，被测轴颈围为Æ50～Æ1000mm此外，德国的HBM公司(HoffingerBaldwinMesefechmikGmhm)生产电阻应变式扭矩测量仪，采用弧齿联轴节，以消除不同轴度带来的测量误差，独具风格。生产电阻应变式扭矩仪的还有英国霍佛科公司(Hover-Krafe)和荷兰的A.V.D公司，它们在舰船监测上都已亮相。2.国扭矩测量仪的发展国扭矩测量技术的研究和扭矩测量仪的生产已初具规模，从扭矩测量仪的类别、数量和质量来看，绝大部分式电阻应变式和磁电式扭矩仪。电阻应变式扭矩测量仪是拾取粘贴在受扭轴上的电阻应变片的阻值变化来测量扭矩的，故无须断开轴系，而且测量仪表也可采用通用的电阻应变仪。电阻应变式传感器的生产单位较多，如机床研究所、中国船舶工业总公司701研究所，通用机械研究所，成功的应用于机床和各种动力轴的扭矩测量。在舰船、货船主机扭矩测量上，中国船舶工业总公司704研究所生产的卡环型应变式扭矩传感器，测量时只要将卡环卡在轴上就可测量扭矩，测量仪表采用INTELMCS-51单片机作为核心的智能仪器，可同时测量扭矩转速、功率，并具有自诊断、数据处理、温度修正、越限报警等功能，集成度高，可靠性好。磁电式扭矩测量仪最早的研制单位是电器科学研究所，供应市场的是1000N·m扭矩转速传感器和数字扭矩转速测盆仪。随后交通大学、中国船舶工业总公司704研究所、机械工程研究所、第二电表厂、湘西仪表元件厂、东安机器厂、机电学院相继研制成磁电式扭矩测量仪，这种类型的扭矩仪是目前国应用最多的扭矩仪。例如中国船舶工业总公司704研究所制造的20-20KN·m扭矩转速传感器和数字扭矩转速测量仪，成功地应用在地质矿产部钻机上。现场的钻探表演，获得美国、俄罗斯等31国参加联合国亚太地区钻机学术会议专家的好评。该所生产的磁电式扭矩测量仪也可与上述的智能化测量仪连用，系统精度为0.596F.S.1.3扭矩传感器的种类为了满足各种不同的测试要求，各种类型的传感器相继出现。磁电型相位差式传感器这时国最普遍使用的传感器。生产厂家也主要生产这种类型的传感器，它已广泛用于手工业、科研各个领域。随着工业发展要求，已涌现出耐振动、成本低、体积小、不带辅助电极的扭矩传感器。应变式传感器这是最早应用的传感器。随着弹性体和应变片质量的提高，出现了下些新型传感器。如：卡环式应变传感器、感应式应变传感器。它们的信号传输方式为摇测式、感应式，代替了以往经典的滑环传输方式，并提高了测试精度。但在低速状态下，滑环通输应变传感器还有应用市场。目前，704所正在研制2000KNM扭矩传感器标定采用模拟方法。3.光电式传感器这种形式的传感器以往应用较少。最近有几个单位正在研制，有的单位正在准备研制扭矩传感器。4.磁弹性传感器该型传感器应用较早，但在国研制起步较迟，其结构简单，成本较低，精度1%-2%左右，最近几年研究此类传感器的单位有四五家，成为一种新动向。5、小量程（克、厘米）扭矩传感器为满足微电机和家用电器的需要，小量程扭矩传感器开始供应1.4本设计的主要任务1.根据总体方案的结构形式，进行技术设计，包括硬件设计和软件设计，选择元件，对主要芯片进行反复查证，选择最合理的。2.正确的绘制出主要芯片的硬件连接图。3.完成相关软件程序的编写。第2章总体方案设计2.1系统工作原理本系统由一台8051单片机，I/O接口，步进电动机驱动器，步进电动机，光电耦合电路，脉冲环形分配，传感器，A/D转换器组成。2.1.1传感器的测试原理本系统采用电阻应变传感器，其工作原理，根据测试仪的扭矩测量原理，即以金属材料为敏感元件的应变片原理基于金属的应变效应。由物理学可知：金属的电阻R为:（2-1）QUOTE式中：ρ—电阻率L——金属丝长度A——金属丝截面面积金属丝受到拉伸和变形后，尺寸变化导致电阻值变化：dR/R=dL/L-dA/A+dρ/ρ推导整理后得：ΔR/R=Kε式中：K金属材料灵敏度系数K=1+2μ+dρ/（ε·ρ）（2-2）μ=金属材料的泊松比ε=dL/L大多数金属在弹性变形围的K值是常数，其随着材料的不同而不同。由此可见，应变与电阻变化率成线性关系。基于以上原理，智能化扭矩测试仪采用电阻式传感器，将作用在被测在工件上的扭矩值转换为金属应变电阻改变，通过电桥电路转变为电信号。单片机通过I/O口发送脉冲信号给步进电动机驱动器，以控制步进电动机的方向和参数，用半导体应变左为传感器，将作用在被测工件上的扭矩值转换为应变片电阻的变化，通过电桥电路转变为电信号，由A/D卡把模拟信号转化为单片机可以接受的数字信号，由单片机对数字信号进行处理，并把步进电动机产生拟定扭矩值显示出来，通过键盘接口，打印机，将输出的扭矩值打印出来，与BCD拨码盘的初量数据比较，当输出的扭矩值接近最大值时，停止操作结束流程，LED闪烁888，等待手工取下夹具，当需要测量的扭矩大于传感器器的测量围时强行测量会损坏传感器，因此当需要测量值超过量程时，LED闪烁000，要求用户重新输入。单单片机程序存储器显示打印控制按钮BCD拨盘A/D转换调理电路扭矩传感器步进电机驱动电机图2-1测试工作原理图2.1.2单片机的引脚描述与片外结构图图2-28051芯片引脚分配图各引脚功能说明如下：GND:接地端Vcc:电源端P0.0-P0.7:通道0，双向I/O口。第二功能是在访问外部储存器时用低8位地址线和8位数据线，在编程和检验时用于数据的输入和输出。P1.0-P1.7:通道1，双向I/O口。在编程和检验时，用于接收低位地址字节。P2.0-P2.7:通道2，双向I/O口。第二功能在访问外部存储器时，高八位地址。在编程和检验时，用作高位地址和控制信号。P3.0-P3.7：双向I/O口。每条线均有各位的第二功能，功能表如下：表2-1P3口的第二功能表通道位第二功能说明P3.0RTD串行口输出P3.1TXD串行口的输入P3.2外部中断0的中断请求输入P3.3外部中断1的请求输入P3.4T0计数器0的计数输入P3.5T1计数器1的计数输入P3.6外部数据存储器的写选通信号P3.7外部数据存储器的读选通信号ALE/:ALE是地址锁存器允许信号，在访问外部存贮器时，用来锁存P0口送出的低8位地址信号。在不访问外部存贮器器械时，ALE也以振荡频率的1/6的固定速度输出，此时，它可用作时钟信号。第二功能是对8751的EPROM编程时的编程脉冲输入端。：外部程序存贮器ROM的读选信号。在执行访问外部ROM的时候，信号会自动产生，访问外部数据RAM或部数据ROM时，不会产生有效的低电平信号。/VPP：访问外部存贮器控制信号。无效（高电平）时，访问部ROM,有效（低电平）时，访问外部ROM。第二功能Vpp为对8751的EPROM的21V编程电源输入。RST/VPD：RST是复位信号输入端。当由此输入端保持两个机器周期(24个振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。第二功能时VPD，即备用电源输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAN提供设备用电源，以保证存贮在RAM中的信息不丢失。XTAL1和XTAL2：在使用单片机部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。在使用外部时钟时，则用来输入时钟脉冲，但对NMOS和COMS芯片的接法不同。对8051系列芯片，由于部多一个定时器还需要附加别的输入端，为此，又借用P1.0和P1.1作为定时器2的输入T1和T2。2.2测试系统的组成以与机械结构测试仪由4大部分组成，分别是：设置部分，控制部分，执行部分和打印部分。（1）、设置部分主要采用BCD拨码盘，可以方便直观地完成力矩极限值的初始化设置，用以实现测试过程中的过载保护。（2）、控制部分主要通过单片机的键盘接口，实现人机交换，通过单片机的多个端口进行接受发送信号，从而实现对力矩传感器信号的调整、采样、数据和数据显示。(3)、打印部分将测试结束后保存的测试数据由微型打印机输出。（4）、将测试结束后保存的测试数据由微型打印和输出。机械部分示意图2-3：图2-3机械部分示意图如图所示，测试仪可以通过更换不同规格的夹具对各种工件进行测量。汽缸用来将夹具与待测工件夹紧，单片机控制系统通过步进电动机将扭矩施加到工件上。测试的对象是通过别克变形车后桥加强螺帽，该加强零件的外形是平板上焊接着一一个螺帽，需要检测螺帽和平板之间焊接处所承受扭矩是否满足标准，以保证汽车的安全行驶。2.3系统中单片机的选用与设计2.3.1单片机应用系统的概述由于单片机应用系统多种多样，技术要求各不一样，因此，设计方法和研制步骤也不完全一样单片机应用系统的研制过程包括总体设计，硬件设计，软件设计，在先调试产品化等几个阶段。它们不是绝对分开的，而是交叉进行的。（1）、总体设计首先如同任何产品的设计一样，单片机应用系统的研制时从确定目标任务开始的。在着手进行系统设计之前，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。不管是老产品的改造还是新产品的设计应对产品可靠性、通用性、可维护性、先进性以与成本等进行综合考虑，应该注意技术指标在研制的过程中还需要作适当的调整。随着电力系统的快速发展，电网的容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调度的自动化显的尤为重要;而在电力调读自动化系统中，电力参数的测量是最基本的功能。如何快速、准确、精确的采集各种电力参数显的尤为重要。在实现自动化化的过程中，最关键的环节是数据采集。根据采集信号的不同，可分为直流采样和交流采样两种。直流采样，顾名思义，采样对象是直流信号。它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为0-5V的直流电压，再由各种装置和仪表采样。此种方法软件设计简单，对采样值只需做一次比例变换即可的到被测量的数值。但直流采样仍有很大的局限性：无法实现实时信号采样：变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响：设备复杂，维护难等。交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送人计算机进行处理。由于这种方法能够对被测量的值进行采样，因而实时性好，相位失真小。它用软件代替硬件的功能又使硬件的投入大大减小。随着微机技术的不断发展，交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的直流采样方法。本系统采用8051单片机实现电力参数的交流采样。通过LED显示器显示频率、电压、电流的实时值，在过压30%、欠压30%时进行声光报警，并能定时打印电压、电流与频率值。实践证明，采样交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流有功功率、功率因数等电力参数有较好的精确度和稳定性。=1\*GB3①交流采样原理若将电压有效值公式离散化，以一个周期有限个采样电压数字量来代替一个周期连续变化的电压函数值，则：∆Tm为相邻两次采样的时间间隔;um为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N为1个周期采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等，即∆Tm为时间常数∆T，考虑到N=（T/∆T）+1，是根据一个周各采样瞬时值与每周期采样点数计算机电压信号有效值的公式。=2\*GB3②系统硬件组成本系统的硬件部分由电源、主机、数据采样电路、键盘输入电路显示器和打印机输出电路共6部分组成。主机由单片机8051、地址锁存器74LS373外接8Χ8KB的程序存贮器2764和8Χ8KB的数据存贮器6264构成。在电力系统的实际运行中，电网存在谐波，还会有各种瞬时干扰，如投切电容器和开关合闸、掉闸等都会产生干扰；而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此本系统求取电力参数采用数字滤波方法祛除干扰，用软件代替硬件，实践证明具有较好的滤波效果。此外，系统中还采用一些干扰措施，以使系统具有良好的抗干扰性能。其次，在机型选择上还要考虑到以下几点：=1\*GB2⑴市场资源必须稳定充足。=2\*GB2⑵在单片机性能主要选择最容易实现产品技术指标的机种，而且，能达到较高性能价格比=3\*GB2⑶研制周期上要考虑对所选的机种是否熟悉是否马上着手进行系统的设计。有优良的开发工具。最后，还要考虑到器件的选择，除了单片机以外系统中可能需要传感器、模拟电路、输入/输出电路、存贮器以与打印机、显示器等器件设备这部分选择应符合的精度速度而后可靠性等方面的要求=2\*GB2⑵硬件设计硬件的功能已由总体设计所规定，硬件设计任务是根据总体设计要求，在所选择的机型基础上具体修改系统所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图。根据有关的资料和相关文献设计硬件，以与工艺结构的设计加工，印制的制作、样机的组装等。=3\*GB2⑶可靠性设计随着单片机应用深入到各领域，对单片机应用系统的可靠性提出了越来越多的要求。特别是对工业控制、交通管理、通信领域中实时监控系统，最根本的技术指标是系统的可靠性。单片机应用系统的可靠性通常是在规定功能的能力。为了减少系统的错误和可靠性。单片机应用系统的可靠性通的措施如下：=1\*ROMANI采用抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力=2\*ROMANII提高元器件的质量=3\*ROMANIII采用容错技术=4\*GB2⑷软件设计单片机的应用系统软件的设计是系统最基本工作量中较大的任务。在软件设计之前首先应该进行软件的结构设计。合理的软件结构是设计出一个性能优良的单片机应用系统的基础，必须给以足够重视，对于简单的单片机应用系统，通常采用顺序程序设计的方法，这种系统软件由主程序完成，并指定各个中断的优先级。顺序程序设计方法容易理解掌握，也满足大多数简单的应用系统对软件的功能要求，但是缺点是软件的结构不够清楚，软件的修改扩充比较困难时性差，对复杂应用系统可采用实时的应用系统。=5\*GB2⑸程序设计选择好的软件结构和采样的程序设计技术之后，便可以着手进行程序的设计，把问题的定义转为具体程序。程序编写首先要建立模型，然后绘制流程图，最后编写程序。程序的设计，是单片机应用于中的一种程序设计技术，它是把一个功能完整的较长的程序分解为若干功能相对独立的较小的程序的模块，各个程序模块分别进行设计、编制程序和调试，最后把各个高度好的程序模块连成一个大的程序。自顶向下的程序设计，在设计时先从主程序开始设计，从属的程序或子程序用符号来代替。主程序编好后再编制从属的程序。最后完成整个系统输出的设计。2.3.2单片机的选用=1\*GB2⑴单片机的选用8051部的可改写、可编程ROM，用户可采用写入程序，又可以擦除程序，擦除后还可以重新编写，它也可以进行扩展，可以根据实用中的具体要求，扩展不同容量存的芯片，并且，这种芯片集成度高，结构简单，性价比高，产品来源丰富，相关软件利用比较方便。根据设计的要求和对单片机的容量的要求选用8051，硬件上的EA按低电平，一般情况下，可以扩展程序存贮器和数据存贮器。=2\*GB2⑵单片机上的硬件资源片有256字节的RAM除此之外还可以根据需要在外部扩展2Χ64KB存贮器；时钟电路的频率0-24MHZ；2个中断电源、一个中断优先的中断控制器；1个全双工异步串行口。用MCS-51资源开发MCS-96单片机，附电路图2-4.把图中元件装在一块电路板上，将该板粘在8051背部，连8051的线也全部从8051背部引出，拆除原8051的RC复位元件。另外，8051单片机就有地址从2000H开始的RAM或ROM，以共8098作程序存贮器；如果是ROM，必须按8098的要求写入有关数据如芯片配置字，跳转到用户程序RAM区的指令等；如果是RAM可以在8051监控下填写。如果8051单片机没有地址从2000H开始的RAM或ROM，那么只好扩充了；另外，系统应实行RAM、ROM统一编址，以免冲突。使用时，开头置于“8051”，除可以调试51程序外，还可以编辑8098程序；开头置于“8098”，8098开始执行地址从2080H开始的8098程序，为了能看到结果，8098程序中应包括数据转存RAM的程序段。当然，最好是利用PC与单片机的通信功能提高开发效率。图2-4MCS-51开发MCS-96单片机图2.4显示器的设计=1\*CHINESENUM3一、显示器的使用在我们单片机的系统中，通常是LED数码来显示各种数字或符号，由于它具有清晰的、亮度高、使用电压低、寿命长等特点，因此得到非常广泛的使用。在我们的设计中需要其3个数码管LED显示。LED显示器就是我们小时候玩的火柴棒游戏，几根火柴棒组合起来，可以拼各种各样的图形，LED显示器实际上就是这样的东西，八段LED显示器，由8个发光二极管组成。其中7个长条行的发光管排列成“日”字形，另一个点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用它能显示各种数字与部分英文字母。LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管都连接在一起的，称之为共阳极LED显示器，另一种是8个发光二极管的阴极连在一起的称之为共阴极LED显示器。如图2-5所示。共阳和工阴结构的LED显示器各笔画段和各位置安排是一样的。等二极管导通时，响应的笔画段发亮，由发亮的笔化段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgedcba对应于一个字节的D7D6D5D4D3D2D0等，若用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴极LED显示器，当共阴极接地，而阳极hgfedcba各段为11111111时，显示器显示“8”字符，即对于共阴极LED显示器，“8”字符的字形代码是FFH。如果是共阳极LED显示器，共阳极接高电平，显示“图2-5显示器连接图=2\*CHINESENUM3二、显示器的连接于驱动=1\*Arabic1、显示器的显示常用两种连接方法，静态显示和动态显示，所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独具有锁存功能的I/O口接口用于笔划段字形代码，这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示的数据时，再发送新的字形代码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。但是由于静态的连接需要占用许多I/O线，而且我们用到的显示器比较多，所以采用动态串行连接方法。动态扫描显示器接口是单片机中应用最广泛的一种显示方法之一。其接口电路实把所有显示器的8个笔划段a-h同右端连接在一起，而每个显示器的公共极COM是各自独立的受I/O口线控制。CPU向字段输出口送出字形代码时，所有显示器接口收到一样的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器的亮点时间是一个极为短暂的(约1ms),但由于人的视觉短暂停留现象与发光二极管余晖效应，尽管实际上个位显示器并非同时点亮，但只要扫描速度足够快给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感看了。2、由于不需要很多显示器，所以我们可以选择Inter公司推出的一种专用I/O口扩展接口器件Inter8155芯片作为驱动芯片。它可以直接和MCS-51、MCS-96等单片机总线相连接，能自动对8×8的键盘进行扫描，接收键盘上的输入信息，并存入部的FIFO缓冲器，在有键盘输入时向CPU请求中断。能自动消除开关抖动以与N键轮回的保护。2.5键盘的设计由于8051单片机的引脚数量有限，所以必须进行扩展，那么我们用一片Inter8155芯片来扩展I/O接口，它具有2个8位、一个6位可编程I/O口，可通过程序改变其功能，因而使用灵活方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。我们选择的Inter8155芯片，将键盘连接到Inter8155上，由于键盘的使用不是实时性的，所以我们采用了中断的键盘扫描方式，即当有键按下时进行处理。由于我们使用了32个键，所以有4×8=32个就够了。把PB7-PB0作为行线，PC0-PC3作为列线这样键盘就连接好了。CPU视键盘中是否有键按下的原理很简单。CPU只要把“1”若CPU发现有键按下，则它必须获取被按按键的行值和列值。CPU获取被按按键的行值和列值只要逐行对键盘扫描就行了，即轮流的使用PC0-PC3口中每条行线变为低电平以与读取和判断PB0-PB7口的列值。若列值位1FH，则表明被按按键不在本行；若列值不为1FH，则对应的行值和列值就是被按按键的列值和行值。在按下某个按键时，被按按键簧片总会有清微的抖动，这种抖动常会持续10ms左右的时间，因此，CPU在按键抖动期间扫描键盘当然会得到错误的行值和列值，最好的方法是使CPU在检验到键盘按下时的延迟20ms再进行扫描。用户在操作时常常因不小心同时按下了一个以上的按键即发生了窜键。CPU处理窜键间的原则是把最后放开的按键认作真正被按的按键。CPU在处理发生在两个不同行商的窜键时可以预先设定一个窜键标志寄存器。窜键标志寄存器在行扫描前清零，在行扫描期间用于记录被按按键个数，帮发生故障时窜键标志必须大于01H。因此，CPU在行扫描时必须不以发现第一个被按按键位满足，而是应继续完成对所有行的一遍扫描，并在该行扫描结束后根据窜键标志来判断是否发生窜键，则CPU再进行一遍扫描就可获得最后放开键盘的行值和列值。求键值必须先求关键字，求关键字必须知道行值和列值，则将求键值步骤如下总结：求行序号：行序号和行值可以从原理图中看出，即CPU把被按按键盘行值位02H，右移两次全为“0”，故行序号位01H。求关键字：由键值表可以看到，CPU把行序号移到高四和列值低四位相加便可得到相关的关键字。例如：01H，若吧它和平共处17H的列值低四位相加，则相应的关键字为17H。表2-2键值表关键字键值行值列值按键0FH00HB=01HA=0FH01FH01HB=01HA=0FH11TH02HB=02HA=17H21BH03HB=02HA=1BH32FH04HB=04HA=0FH42TH05HB=04HA=1TH52BH06HB=04HA=1BH63FH07HB=08HA=0FH73TH08HB=08HA=0TH83BH09HB=08HA=1BH93DH0AHB=08HA=1DHA2DH0BHB=04HA=1DHB1DH0CHB=02HA=1DHC0DH0DHB=01HA=1DHD0BH0EHB=01HA=1BHE0TH0FHB=01HA=1THF0EH10HB=01HA=1EHEXEC1EH11HB=02HA=1EHSTEP2EH12HB=04HA=1EHMON3EH13HB=08HA=1EHMON4FH14HB=10HA=0FHDISP4TH15HB=10HA=1THRED4BH16HB=10HA=1BHDUMP4DH17HB=10HA=1DHLOAD5FH18HB=020HA=0FHPROG5TH19HB=20HA=1THMOVE5BH1AHB=20HA=1BHRAM5DH1BHB=20HA=1DHBP求键值：被按按键的关键字在键值表中的序号定义为该键的键值。因此，被按按键的键值必定位02H.即被按按键为数字4、被按按键的键值类型判断：在键值表中，数字值必须小于10H，功能键的键值是大于或等于10H的。因此，CPU判别被按按键是数字键还是功能键还是十分容易的：若被按按键的键值小于是10H，则转数字处理程序；若被按按键大于或等于10H，则CPU通过查表可以很快转如相应按键的处理程序。2.6驱动部分设计2.6.1伺服系统的组成扭矩测试仪的伺服系统是I/O口（单片机）、步进电动机、步进电动机驱动电器、光电耦合电路、环形脉冲分配器组成。系统工作时有单片机通过I/O发送步进脉冲信号给步进电动机驱动器，驱动步进电动机完成工作。由于单片机不仅要对被控对象进行监测，输入被控系统的开关量和模拟量，而且还要把经过处理的信息的开关量和模拟量的形式输出并控制被控系统工作工作，这批开关量（如：动力回路的启闭、机械限位开关状态等等）和模拟量（如：压力、温度和流量传感器的输出、发电机的输出电压、电流和功率、电网电压等等）本身往往就是强电系统。因此，强电控制电路必将会对单片机控制系统长生严重的干扰，以致单片机控制系统不能正常工作。单片机控制系统和强电控制回路共地是引起干扰的主要原因，因为强电控制回路中的电流和电压往往很大，并会在强电用电器和地之间形成强大的脉动干扰，这个脉动干扰的有效必然会通过接地的不良电阻和电容耦合到单片机的主机回路中，消除这些脉冲干扰的有效方法是使单片机弱电部分和强电控制回路隔开，在电气连接上切断他们彼此间的耦合通路，所以单片机环脉冲分配之间接一个光电隔离器。光电隔离器的原理电路时由一个发光二极管和一个光敏三极管组成的复合的晶体管。为了让步进电动机不丢失，在光电隔离器后面紧接上环形脉冲分配器。由于I/O口发送的信号为TTL信号无驱动能力，因此需对CPU信号进行功率放大，在信号经过功率放大装置放大后，才可以驱动步进电动机，步进电动机通过传动机产生扭矩并由传感器检测得到数据。2.6.2伺服系统驱动的驱动部分设计=1\*GB2⑴步进电动机的选择步进电动机与其传动装置在扭矩测试仪中主要是转动产生扭矩。步进电动机的步距角分辨率和传动机构的导程式决定仪器分辨率的重要因数。步进电动机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电动机可分为反应式步进电动机（简称VR）、永磁式步进电动机（简称PM）和混合式步进电动机（简称HB）步进电动机区别与其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号的频率决定。步进电动机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生，其基本原理如下：控制换相顺序：通电换相的过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的六拍工作方式，其各相通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A通过控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。=1\*GB3①控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电动机正转，如果按反序通电换相，电机反转。=2\*GB3②控制步进电动机的速度如果给步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它就再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移的直流执行元件。步进电机的选择包括类型的选择、步距角选择、最大静转矩的选择。类型选择反应式步进电动机在相绕组在不通电时没有定位转矩，如果不通电，电机的转轴可自由转动。另一方面，永磁式步进电动机在相绕组不通电时有较小的定位转矩而混合式步进电机则具有步距角小，定位精度高，误差不积累，与断电后能自锁等特点。可以说集中了反应式和永磁式步进电机的优点。它适用数字程序控制系统，可调恒数装置与其它有精度要求的开环数字系统，用作执行元件。在有些系统不要求在断电时负载中须保持固定位置，采用反应式步进电动机比较合适。有些系统只要求在断电时负载中须保持固定位置口，因而，选择永磁电机是合理的。而考虑到本系统不仅要求显示器在步进电机断电后必须准确定位而且需要步进电机步距角较小，定位精度高以保证系统的检验精度，因此我们决定采用混合式步进电机。步距角的选择步距角大小会直接影响步进电动机起动和运动频率，外形尺寸一样的电动机，步距角小的往往起动、运行频率比较高，但转速和输出功率不一定高。使用时，可根据需要的脉冲当量和可能选择的传动比选择步进电动机的步距角。例如需的步距增量运动时，可有三种选择。其主要特征如下表2-3所示：选择正好1.8°步矩角的电动机选择小于1.8°步矩角的电动机（c）选择大于1.8°布矩角的电动机表2-3步进电机的主要参数表相数步距角相电流最大静转矩空载启动频率23.0A0.75NM8.0KHZ/M驱动电相电阻相电流重量绝缘强度DC(24-40)V1.02.7mA0.6KgB（2）步进电动机的选择步进电动机驱动电路就是其最基本的功能来讲，是一个依次给电动机各相通电的控制功效级装置，步进电动机驱动器是缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑与正反控制门组成，能把输入的脉冲CP转换成环形脉冲，以便控制步进电动机驱动器的结构框图如图2-6所示：图2-6步进电机驱动图本系统所采用的步进电动机驱动器时由美国斯达特公司生产的SH-2H057M型驱动器，该驱动器与我们选择的57BYG09是配套产品。步进电动机驱动电器的基本框图如上图2-6所示。程序逻辑电路和环形分配器接受输入的控制脉冲信号CP并将其转变为功率驱动器的驱动信号并给电机各项绕组供电。不通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是三相的步进电机，就需要对三路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来回路的制作也比较复杂。考虑机电一体化这门课程的掌握程度，故采用此方案。最大静转矩选择选择步进电动机时，最主要的任务之一就是要详细规定电动机的标准转矩值。一般最大静转矩较大的电动机，可以带动较大的负载转矩，负载转矩和最大静转矩的比值通常0.3-0.5，按最大静转矩的值可以把步进电动机分为伺服步进电动机和功率步进电动机。前者输出力矩较小，有时需要经过力矩放大器或伺服功率放大系统带动步进电动机。而功率步进电动机的最大静转矩一般大于0.05NM。它不需要提高了传动精度。就能直接带动负载。它不仅大大简化了系统，而且提高了传动精度。根据本系统负载特点，无需采用功率放大装置，因此我们决定采用功率步进电机。综合上述三点，我们最终选择了美国斯达特公司57BYG09混合式步进电机。步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说驱动器没接受一个CP信号就驱动步进电机旋转一个步距角，CP脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变。控制CP脉冲个数，则可以使步进电动机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机的的调速和定位目的。本驱动的信号是高电平有效，如下图所示图2-7CP脉冲图方向电平信号DIR用于控制步进电动机的旋转方向。此端位高电平时，电机一个旋向；此端为低电平时，电机为一个旋向。电机换相必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以与下一个方向的第一个CP脉冲前发出。DIR信号的作用周期如下图所示：图2-8DIR信号的作用周期图综合以上所述，控制步进电机的主要参数：①CP脉冲的个数代表步进电机的转矩②CP脉冲的频率代表步进电机的速度③DIR的信号控制步进电机的运行方向硬件电路的设计3.1检测元件3.1.1系统的检测元件传感器部分在检测传感器中的应用可以分为三种方式：磁弹性式;相位差式和应变片式。经过比较，我们采用电阻应变片式扭矩传感器。该类传感器将金属铂片型电阻应变片按4等分粘贴在轴的表面，应变方位与连线方法，如图3-1所示：应变片与轴线成45度角图3-1应变片粘贴图图3-2金属铂电阻如图3-2所示，金属银铂式电阻应变片由于它有散热好，允许通过较大电流，横向效应小，疲劳的寿命长，柔性好。并可做成基长很短或任意形状，在工艺上适于大批量生产等特点，因此得到广泛应用，已经逐渐代替丝式应变片。3.1.2测量转换电路常规应变片的电阻的变化很小，因而测量转换电路应当精确地测量出这些小的电阻变化。在应变式传感器中，最常用的是桥式电路，按电源性质可分为直流电桥；交流电桥两类，按桥臂工作数量可分为单臂工作桥；半桥和全桥。下面我们将采用全桥工作方式来满足系统灵敏度高的要求。电桥输出电压的公式是：U=Ui/4(△R/R1-△R2/R2+△R3/R3-△R4/R4)=U2K(ε1-ε2+ε3-ε4)(3-1)全桥工作方式基本应变电桥电路如图3-3所示。图3-3桥路的调零原理图在使用上述公式时，应注意电阻变化和应变值的符号。ε1,ε2,ε3,ε4可以是试件的纵向应变，也可以时试件的横向应变，取决于应变片的连接方向。若是压应变应以负ε值代入，若是拉应变ε应以正值代入。由上述公式可看出，电桥的输出电压与电阻的变化值△R/R以与应变ε成正比。当应变值较小时，非线性可忽略，万恶杜宇半导体应变片尤其在测大应变时，非线性不可忽略。对于全桥4个应变片处于差分工作状态，即一片感受正应变，另一片感受负应变，经过推力可证明理论上不存在非线性问题。采用恒流源作桥路电源也能减小非线性误差。实际使用中，R1,R2,R3,R4不可能严格相等，所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定为零，因此，必须设置调零电路，如图3-4所示。调解R最终可以使R/R=R/R，电桥趋于平衡，U被预调到零位。这一过程被称为直流电桥的电阻平衡。图中R5是用于减少调节围的限流电阻。图3-4桥式电阻的输出图3.2A/D转换器AD574A是美国公司A/D研制的12位逐次逼近式ADC，适合在多精度快速取样系统统计中使用，这也是系统之所以用AD574A来将模拟量转换成数字量的原因。AD574A的部结构和AD0809类同，只是数字量位数由8位变成12位，故，对它的部结构不再阐述，只是它和ADC0809的区别加以分析。=1\*GB3①AD574A部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，故它使用方便，依然可以和微机直接接口，而且无需外接CL0CK时钟。=2\*GB3②AD574A的转换时间可达2μs这和ADC0809的100μs时间显然要快的多，但和同系列的3us的AD578相比逊色不小。=3\*GB3③AD574A输入模拟电压为0-+5V，是单级性的单AD574A的输入模拟电压即可是单级的也可是双极性的：单级性输入时是0-+10或0-+20V，双极性输入时：或之间。=4\*GB3④AD574A的数字量可以设定为8位，也可以设定为12位。AD574A为28引脚双列直插式封装，引脚分别如图3-5所示。各引脚功能为：=1\*GB3①模拟量输入线（3条）：10VIN为10V量程的模拟电压输入线，单级时为0-+10v，双极时为；20VIN为20V量程模拟电压输入线，单级性时为0-+20V，双极性为。AC为模拟电压地线。=2\*GB3②数字量输入线（13条）:DB-DB为数字量输出线，DB为最高位，接地线，常和AC相接后接地。图3-5AD574A引脚图=3\*GB3③控制线（6条）：和CE：为片选线，低电平有效；CE为片使能，高电平有效。和CE共用于片选控制：当为0时，和CE为1时，选中本片工作，否则本片处于禁止状态。R/为读出转化控制输入线能决定进行12位还是8位A/D转换，控制功能如表3-1所示。要强调指出：在启动AD574A在进行A/D转换时，应先使R/为低电平，然后再使和CE分别变为有效。这样可以避免启动A/D转换前出现的读操作。表3-1AD574A引脚功能表CER/12/A0完成操作100X0启动12位A/D转换启动8位A/D转换12位数字量输出100X11011X10100变8位数字量输出10101低4位数字量输出0XXXX无操作X1XXXSTS为转换状态输出线口，STS为高电平，表示AD574A正处于A/D转换状态；若STS线位低电平时，则它已A/D转换完成。因此，在实用中，STS线可共CPU查询，也可作为MCS—51的外中断请求输入线。④测试/调零线（3条）：REFIN和REFOUT线：REFIN位部解码网络所需参考电压输入线；REFOUT线位部参考电压输出线，通常REFIN和REFOUT之间可以跨界一个100Ω的金属瓷电位器电位计，用来调整各量程增益。BIPOFFICE位补偿线，用于在模拟输入为零时，把ADC输出数字量调整为零。⑤电源线（3条）：VL位+5V电源线，VCC位+12V—+15V电源线，VEE位-12V—-15V电源线。3.3逻辑电路3.3.1锁存器74LS373锁存器74LS373工作过程如下，单片机的地址锁存器允许ALE脉冲下降沿选通74LS373de使能端G，则P0口的低8位地址信息被锁入地址锁存器中，74LS373的输出端OE直接使其一直有效锁入地址信息得以有效输出。8051单片机的P0口分时传递低8位地址线和数据线，故8051扩展系统使用锁存器的必要性。如8051芯片外ROM2764与RAM6264读选通信端控制2764与6464的输出，允许信号OE在PSEN脉冲上升沿的瞬间实现取值，复用为地址线和数据线的P0口。在取值的瞬间保持有效，必须使用地址锁存器，由于P2口用于高8位地址线，所以它们的传递不必使用地址锁存器。74LS373的功能如表3-2所示：表3-274LS373的主要功能表输出控制允许GD输出LHHHLHLLLLXQHXXZ（高阻）在系统中，74LS373引脚连接如下图3-6所示。3.3.2片外数据存储器6264利用8051的扩展功能外扩RAM电路作为外部的数据存储器以扩大存储器的容量。6264是8K×8的静态随即存储器在片外可以扩展8K歌单元数据存储器的容量。3.3.3片外程序存储器2764(ROM)程序存储器用来存放编好的始终保留的固定程序和表格常数，程序存储器做为地址指针，通过16位地址总线可寻址空间位64K字节。8051单片机片无程序存储器，需要扩展外部EPROM。2764时一种8K×8的紫外线擦出可编程只读存储器，2引脚双列直插式封装。单极性0—+5V供电，工作电流100mA，维持电流50mA，读出时间250ms。图3-674LS373引脚连接图8051的低位地址子P0口送出，经74LS373锁存后送ROMA2764，高位地址线由P2口送出，不经过锁存器直接到EPROM，寻址后自2764读得8位数据（指全）后由P2口送出，不经过锁存器直接送EPROM，寻址后自2764读得8位数据(指全)后由P2输入8051。2764较2716具有储存容量大于本系统，种容量足以。2764片选通端低电平有效是与8051想接后来控制的片使能端数8051的P2.7相接且低电平时有效，从综合经济和质量两方面考虑选择2764作为片外程序存储器是比较优化的。有关2764的引脚如图3-7所示图3-72764的引脚图3.3.4TPμP-40A微型打印机TPμP-40A是智能打印机，可以直接与应用系统的总线相接，实际应用系统常使通过扩展I/O口与打印机相接。次打印机具有较丰富的打印命令，命令代码均为单字节，格式简单，便于和各种计算机应用系统或智能仪器仪表相接。本设计通过8155芯片进行I/O口扩展与TPμP-40A打印机的相接。通用PA口输出数据，用74HC138译码器作为选通线打印机的BUSY与8051的P3.3（）相连，这样既可以用中断的方式来控制打印机，也可以用查询法来控制。1.接口功能（1）DB0-DB7：数据线，单向由计算机输入打印机。（2）：数据选通信号。在信号的下降沿，将数据线上的8位数据被打印机读入机所存。（3）：BUSY打印机“忙”状态信号。当该信号有效（“1”）时，表示打印机正忙于处理数据，次时计算机不得使用信号向打印机送入新的数据。2.打印机与并行口的操作当打印机与并行口连接时，首先要测试打印机的状态信号BUSY，BUSY=0时才允许进行传送；当传送数据到数据总线时，产生一个负脉冲选通信号。3.打印机命令（如下表所示）表3-3TPμP-40A的命令代码与功能命令代码命令功能01H打印字符、图等，增宽02H打印字符、图等，增高03H打印字符、图等，宽和高都增加04H字符行间距更换/定义05H用户自定义字符点阵06H驻留代码字符点阵式样更换07H水平(制表)跳区08H垂直（制表）跳行09H回复ASCⅡ代码和请输入缓冲区命令0AH一个空位后回车换行0BH无效0CH无效0DH回车换行/命令结束0EH重复打印同一字符命令0FH打印位点阵图命令3.3.5BCD拨码盘eq\o\ac(○,1)拨码盘种类很多，作为人机接口使用的最方面的拨码盘是十进制输入，BCD码输出的BCD拨码盘。这种拨码盘如图3-8所示，图中为4片BCD拨码盘拼接的四位十进制拨码盘组。每片拨码盘具有0～9十个位置，每个位置都有相应的数字显示，代表拨码盘的十进制数。因此每片拨码盘可以代表一位十进制数。需要几位十进制可选择几片BCD拨码盘一的单拼接。BCD拨码盘后面有5个接点，其中A为输入控制线，另外四根是BCD码输出线中的某几根接通。其接通的BCD码输出线状态正好与拨盘指示的十进制数相互一致。BCD拨码盘的输入输出状态如下表3-5所示。BCD拨盘与单片机的接口：单片BCD拨码盘可以与任何一个4位I/O口相连。以输入BCD码。A端接+5V。为了使输出端在不与控制端A相连时由确定的电平，常将8421输出端通过电阻拉低。图3-9所示是8051通过P1.0-P1.3单片BCD拨盘的接口电路。图3-8BCD拨码盘示意图控制端A接+5V，当薄码盘拨至某个十进制数时，相应的8421有效输出电平（如拨’6’时，4，2端为有效端）无效端为低电平。这时拨盘输出的BCD码为正逻辑(原码)如表3-4所示，如果控制端A接第，8421端通过电阻上拉至变电平时，拨盘输出的BCD码为反逻辑（反码）。74LS06是集电极开路高压输出的六反相缓冲器、驱动器。用来选中拨码盘并吸表3-4BCD拨码盘的输入输出状态表拨盘输入控制端A输出状态8421012345678911111111110000000011000011110000110011000101010101收较大电流，8个1K电阻起限流作用。图3-9为BCD拨码盘的部原理图。1，2，4，8四个端子为数据端，COM为公共端，当拨码盘窗口现实的数值不为0时，其数据线将由一位与COM接通。图3-98051与BCD拨码盘的接口电路现将二极管的作用分析如下：首先是没有二极管的情况下。下面以图3-10中断额1#,2#l两个拨码盘为例来说明。当P1.4输出为高电平，P1.5输出为低电平时，1#拨码盘被选中。假设1#拨码盘的输出值为5，而2#是7，这时读入单片机的数据并不是我们想要的5，而是7.也就是说在这种输出端直接相接的情况下，拨码盘之间相互影响。如果我们采用继电器等器件电气隔离，则会造成成本增加，设计与控制繁琐。其次是接二级管之后的情况。在图3-10中我们仍以1#,2#拨码盘为例来分析。当1#拨码盘以低电平被选中，而2#以高电平被禁止时，假设1#拨码盘的值仍是5，而2#仍是7。这时1#拨码盘1，4端子上的二极管导通，P1.0,P1.2为低电平;2#拨码盘由于其COM端为高，故其1，2，4端子高，这时其1，4端子上的二极管处于反向截止状态，从而保证2#拨码盘的高电平输出不再受1#拨码盘低电平输出的影响，因此读入单片机的数据也有了保证。eq\o\ac(○,2)多片BCD拨码盘与单片机接口在应用系统中，要输出多位十进制时，应将多片BCD拨码盘拼接。如果按照图3.9的接法，N位十进制拨盘需要占用4×N根I/O口线，为了减少I/O占用数量，可将拨码盘的输出线分别通过4个与非门与单片机相连，而，每片拨盘的控制端A不再接+5V或地，而是分别与I/O口线相连，用来控制选择多片拨盘中的任意一片。这时，用N片BCD拨盘拼成时，只需N根I/O口线。由于BCD拨盘方便、直观、实用、易于操作等诸多优点，图3-108051与BCD拨码盘的接口电路广泛应用于参数设置的检测仪表、机械机床等设备上，具有很大的应用空间。但是，由于每个BCD拨码盘需要许多数据接口线，如果我们需要多位的数值设置，则需要多个数据线，如采用直线连接，须扩展多个端口，造成接线太多，成本增加，电路复杂。当我们将多个拨码盘数据线连接在同一个数据总线上面时，如果拨码盘不能进行有效的电气隔离，拨码盘之间数据会相互影响，导致数据读入错误，甚至由于逻辑电平冲突，使得整个控制系统无法运行。我们在塑窗焊机控制的设计中，利用非门逻辑电路和二极管的单向导电性，经多次实验改进，形成以下电路（如图3-11所示），很好的解决了这个问题。图3-118051与BCD码拨盘输入电路图3-11所示是8051通过P1口与3片BCD码拨盘相连接的4位BCD码输入电路。3片拨盘德BCD码输出一样端接入同一个4输入与非门。4个与非门输出8421端分别接入P1.3、P1.2、P1.1、P1.0,其余P1.6、P1.5、P1.4分别与百、十、个位BCD码盘的控制端相连连。当选中某位时，该位的控制端置0，其他三个控制端置1例如：选中首位时，P1.6置0，P1.4-P1.5置1，此四个与非门所有与其它位连线的输入端均为1状态，因此，四个与非门输出的状态完全取决于百位数的BCD拨码盘的输出状态。由于该位的控制端置0，