经济型数控钻床控制系统硬件电路设计

南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）题 目 ： 经济型数控钻床控制系统硬件电路设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： _ Graduation Design (Thesis)Hardware Design of Economic NC Drilling MachineByHuang Li gangSupervised byAssociate Prof. Hua mao faDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 2007南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）- -摘 要本文介绍了经济型数控钻床控制系统硬件电路的设计方法。该控制系统以8031 为主 CPU，用它来控制整个数控钻床的工作,另外选用 89C2051 作从 CPU ，实现对八位 LED 动态显示电路的控制。主 CPU 8031 扩展了外部程序存储器27256 和数据存储器 6264，外部程序存储器用于存放系统程序；数据存储器用于存放加工程序和数控系统处理的中间数据。本设计用 8155 来实现键盘接口电路的扩展。数控钻床的 MDI 方式包括手动、自动、空运行、回零、编辑等，它的扩展本设计选用了 8255 芯片的 PA 口。步进电机控制信号由 8031 发出，通过总线驱动，由 74LS273D 触发器向外发送。利用 8155 和 8255 的剩余口进行输入输出接口电路的扩展。各芯片间信息的相互传递，通过数据总线和控制总线来实现。加之以相应的软件，此系统就构成了完整的数控钻床控制系统。它不仅可以作为经济型数控钻床的控制系统，还可用作对普通钻床的数控改造。在国内的中小企业将有一定的应用市场。关键词：数控钻床；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）- I -ABSTRACTIn this paper, the design of economy numerical control system for drilling machine is introduced. A 8031 used asthe host CPU, the control system controls the entire numerical drilling machine. Another MCU, 89C2051, is used as the slave CPU to achieve the control of LED. An external ROM 27256 and a RAM 6264 was used to store system program and the machining data separately. And the keyboard function was realized with an 8155. The MDI function of the NC drilling machine including manual and automatic operation, returning to zero, editing and so on, which were realized with the PA port of a 8255 chip. The control signal, with which the step motor is driven, was generated with a MCU, 8031, and transmitted with a D latch 74LS273. Other ports of 8155 and 8255 were used for the I/O signal of the NC system. The information exchange of different chips was realized with the data bus and the control bus.With adequate software, this system can be integrated to NC system of a drilling machine or used in the reconstruction of universal drilling machine. So it will find its widely usage in the markets of middle or small enterprise.Key words： Numerical control drilling machines; control system; design of circuit南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）- I -目 录第一章 绪论 .11.1 引言.11.2 选题背景与意义.11.3 研究现状.21.4 本文的结构.3第二章 数控钻床控制系统电路设计 .42.1 设计总体思路及结构.52.2 数控钻床控制系统主 CPU 的选择 .52.3 控制系统复位电路的设计 .62.4 存储器扩展电路设计 .72.5 键盘扩展电路设计.112.6 显示电路设计.142.6.1 八段数码管动态显示电路.142.6.2 十六段数码管静态显示电路.212.7 输入/输出信号接口电路设计 .222.8 步进电机控制信号输出接口电路设计.252.9 译码电路设计.25第三章 控制系统电路原理图以及 PCB 图的绘制.273.1 电路原理的图绘制 .273.2 PCB 图的绘制 .28第四章 结论 .304.1 论文总结.304.2 感想.30致谢.32参考文献.33附录 A：英文资料. 34附录 B：英文资料翻译.41附录 C： 硬件设计 PCB图48附录 D：硬件设计原理图及光盘南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）- II -南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）0第一章 绪 论1.1 引言随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。目前我国机床总拥有量约为 400 万台，其中数控机床只有 8 万多台，远远低于美国、日本、德国、韩国等制造业发达国家机床数控化率 20 以上的水平。主要表现在设备老化陈旧、自动化水平低、技术水平落后、劳动生产率低，严重影响了生产力的发展。采用先进的工艺设备，逐步增加数控机床所占比重，已经成为我国制造技术发展的总趋势，也是企业走出困境、提升水平，实现跨越式发展的必由之路。提高机床数控化率有两个途径：（1） 购买新的数控机床； （2） 把普通型的旧机床改造成数控机床。目前我国的普通钻床仍占很大比重，所以才会出现上述的大量求购意向，而且还有的小型企业不愿废弃原有的普通钻床，想要在已有的普通钻床基础上进行数控改造，这都需要开发适合普通机床改造的经济型数控系统。1.2 选题背景与意义由于我国现处于社会主义初级阶段，经济水平相对而言比较落后，普通钻床占据着国内绝大多数的市场，而普通钻床有着很大的弊端，如精度方面达不到要求，工作效率比较低。所以经济型数控钻床以及对普通钻床进行经济型数控钻床改造，在国内还是有着十分广阔的前景。本设计选用了 8031 单片机作为核心，开发通用型数控钻床的控制系统。它具有以下几点优势：南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）11）开发成本低。 8031 单片机芯片的价格（10 元左右）相对现在比较前沿的 EDA 板（ 200 元左右）而言有着绝对的优势。2）电路设计简单。3）通用性好。相对于传统的由纯硬件组成的普通钻床控制电路而言，它的控制信号是由芯片发出的，所以它的控制系统的通用性很强。它不但能用做经济型数控钻床的控制系统，而且可以用来对普通钻床进行数控改造。所以此课题有一定的研究价值，能取得一定的经济效益及社会意义。1.3 研究现状随着科技发展的日新月异，新一代的 CPU 及控制算法不断推陈出新，目前，数控技术正在发生根本性变革，较传统相比，各方面都有很大的提高。1高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。2柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。3工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）2前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。4智能化新一代 PCNC 数控系统智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。1.4 本文结构本文以数控钻床硬件电路的研发工程项目为应用背景，对数控技术进行了研究。全文共分为四章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了国内外数控技术的现状发展趋势与研究背景；第二章分模块地介绍了整个数控钻床控制系统的硬件电路及相关芯片的结构与用法。第三章对怎样用绘制软件 PROTEL99SE 完成本毕业设计的原理图及 PCB图作了简单的介绍；第四章对数控钻床控制系统硬件电路设计工作进行了总结，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 数控钻床控制系统电路设计2.1 设计的总体思路及结构本设计是以 8031 单片机为核心，开发通用型数控钻床的控制系统。从 CPU 选用了 89C2051，用来对动态显示电路进行控制。之所以选择 8031 单片机作为主 CPU 是因为它价格便宜，性能稳定，被广泛地用于工程设计中。选用 89C2051 对动态显示进行控制，不但节省了很多硬件，节约了成本，而且使 8031 主 CPU 不必花很多时间用在对显示电路的控制上，从而使得此系统运行更快，更稳定。总体设计一共分为七个模块来实现整个控制系统的各功能。它们分别是：（1）控制系统复位电路模块 包括上电复位和手动复位，当系统上电时复位引脚获得高电平，使系统复位。急停键和复位键按下时都可以使系统复位，急停时还可使 CPU 进入中断程序保存有用的数据。（2）存储器扩展电路模块 选用 27256 32KB 程序存储器对 8031 进行程序存储器扩展，用 74LS373 对 8031 的低八位地址进行锁存，与高七位地址组合得到十五位地址，即可对 27256 的地址进行选择。选用 6264 8KB 数据存储器，进行数据存储器扩展，用 138 对它进行片选。 （3） 键盘扩展电路模块 它分为两部分，分别是 8031P1 口手动键盘扩展和 8155 矩阵键盘扩展。P1 口用于手动键盘的输入端，分别控制，X 轴、Y 轴、Z 轴以及起动、停止、超程报警，用 8155 的 PA 口和 PC 口扩展了 40 个按钮的矩阵键盘。（4）显示电路模块 分为动态显示电路和静态显示电路。四排动态显示由89C2051 来控制，它用来显示数字字符。十六位静态显示是由 8031 主 CPU 控制的，它用来显示英文字符。（5）输入输出接口电路扩展模块 它分为 8255 扩展电路和 8155I/O 信号接口电路。8255 的 PA 口作为 MDI（自动运行、空运行、回零、编辑、手动）方式的输入端，PB 口和 PC 口用于 CPU 与外部信号的收发。8155 的 PB 口用于 CPU 与外部信号的联络。（6）步进电机控制信号输出模块 8031 的脉冲信号通过 74LS245 总线驱动器驱动，由 74LS273 向外发送步进电机脉冲。（7）74LS138 译码电路 8031 通过 74LS138 译码得到各芯片的片选地址，加上相应的读写信号，从而控制整个数控钻床控制系统。图 2.1 为整体系统模块构成框图。16 段 LED静态显示电路6264南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4图 2.1 模块构成框图2.2 控制系统主 CPU 选择作为主 CPU 的 8031 是本设计的核心芯片。MCS-51 系列中，各种廉价的普及型 8031 单片机为我国单片机技术的普及、推广做出了巨大贡献。8031 具有价格低、功能强、使用灵活、开发方便等特点，输入输出口也够用，所以能用于数控钻床控制系统的设计；而本人在大学课程中的单片机和微机原理两门专业课，都对此芯片作了详细的介绍。因此我选用 8031 单片机作为此系统的核心 CPU。1. 8031 单片机的特点1）具有功能很强的 8 位中央处理单元（CPU）；2）片内有时钟发生电路（12MHZ），每执行一条指令的时间为 14s;3）片内具有 128 字节的 RAM；4）具有 21 个特殊寄存器；5）可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节的外部程序存储器；6）具有 4 个 I/O 口，32 根 I/O 线；7）具有 2 个 16 位定时器/计数器；8）具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级；9）具有一个全双功串行接口；动态显示8031主CPU272568155 矩阵键盘I/O 信号的收发74LS2458255至步进电机驱动MDI方式转换开关74LS373收发信号电路2051手动键盘南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）510）具有位寻址能力，适合逻辑运算。从上述特性可以看出这种 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控制系统。28031 引脚功能8031 一共有 40 个引脚，见图 2.2,其中 Vcc(40 脚)接+5V 电压，VSS 接地。XTAL1(19 脚) 和 XTAL2(18 脚)接外部晶振的信号（我选择的晶振频率为12MHZ） ，即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器输入端。 ALE(30 脚)允许地址锁存引脚，用于锁存地址的低字节。它可用作对外输出时钟，或用于定时。PSEN(29 脚)外部程序存储器读选通信号引脚。在从外部程序存储器取指令期间，每个机器周期 PSEN 两次有效。在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次信号将不出现。此引脚可驱动八个 TTL 门电路。EA(31 脚)对于8031 而言此引脚必须接地，这样才能选择外部程序存储器 27256。P1 口（1 脚8 脚）：是八位准双向 I/O 口。由于这种接口输出没有高阻，输出也不能锁存，故不是真正的双向 I/O 口。P1 口能驱动四个 TTL 负载。在此模块中 P1 口用来进行手动控制主轴进给。由于此钻床系统为三轴控制（Z，Y ，Z ） ，加上启动与暂停口（超程与暂停共用一个端口） ，P1 口的 8 个输入端都被充分利用。P2 口（21 脚 28 脚）：是八位准双向 I/O 口。在访问外部存储器时，它可以作为高 8 位地址总线，送出高八位地址。P2 口可以驱动四个 TTL 负载。P3 口（10 脚 17 脚）：是八位准双向 I/O 口。P3 能驱动四个 TTL 负载。它作为第一功能使用时，即作为普通 I/O 口用，功能和操作方法与 P1 口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表 2.1 所示。表 2.1 P3 口第二功能表引脚 第二功能P3.0 RXD(串行口输入端)串行 P3.1 TXD(串行口输出端)P3.2 INTO(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出端，低电平有效)P3.7 RD(外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效)南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）62.3 控制系统复位电路设计 当振荡器运行时，在 RST(9 脚引脚)上出现两个机器周期的高电平，使单片机复位。复位电路可分为系统上电复位和手动复位，如图 2.2 所示，系统上电瞬间电容 C1 和 C4 充电，与非门的两个输入端为低电平，输出高电平使系统复位。按下“复位”按钮与“急停”按钮都可使系统复位。当按下复位按纽时，与非门“2”号引脚经电阻分压所得低电平，使单片机复位。当急停键没按下时，此端管脚处于高电平，即与非门的一个管脚“1”为高电平，此时若连接与非门的另一个管脚的复位按钮没按下，则“2”号引脚也为高电平，两个高电平与非所得低电平，8031 不复位。若按下急停键，与之连接的二极管导通， “1”号引脚为低电平，此时无论复位按钮有没有按下，与非门的输出端为高电平，使8031 复位，同时 INTO 的输入端口为低电平，向 CPU 申请中断。2.图 2.2 控制系统复位电路图2.4 存储器扩展电路设计图 2.3 为存储器扩展电路模块，该模块除了 8031 外，还用到：74LS373、74LS138、27256、6264 四个主要芯片。由于本系统是采用 8031 作为主 CPU，所以必须外接一个 ROM。而南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）727256EPROM 是具有紫外线可擦除，可编程功能的只读存储器,当它置于紫外线灯下照 20ms 以后，内部内容变为全“1” ，通过编程器将程序代码写入后消息不会丢失，可靠性很高。所以本模块选择它作为程序存储器扩展芯片。其引脚意义如下：AOA14：地址输入线。因为 27256 一共有 15 根地址线，所以 A15 号地址线没有选用，设取值为“0” 。27256 地址范围见下表 2.2。表 2.2 程 序 存 储 器 地 址 表D0D7 为三态数据总线（有时用 O0O7 表示） 。读或编程检验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时为高阻抗。 OE 为读选通信号输入线，低电平有效，它与 8031 的 PSEN 外部存储器读选通信号相连。8031 从 27256 取指令期间，每个机器周期 PSEN 两次有效，即 OE 引脚两次出现低电平。在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次信号将不出现。编程电源输入线 VPP（此模块中 VPP 接+5V，电压通过电容与片选信号 CE 隔离） 。片选信号 CE，低电平有效，此时 CE 接地，选中 27256。由于 27256 的地址线为 15 位，而主 CPU8031 的 ADOAD7 是分时复用的，所以必须有一个地址锁存器，锁存低八位地址。由于我在大学课本中只接触到74LS373 一种地址锁存器，所以选择它来进行地址锁存。其管脚中 D0D7 为数据输入端，Q0Q7 为数据输出端 ，OE 为输出控制端，当 OE 为低电平时，允许D0D7 输出到 Q0Q7 上，当 OE 为高电平时，输出线为浮空状态，此模块中 OE接地，使 74LS373 一直有效。LE 为数据输入控制线，当 LE 为高电平时，输出端 Q0Q7 和输入端 D0D7 的状态相同，当 LE 为低电平时(下降沿)，输入端D0D0 的数据锁入到 Q0Q7 的 8 位锁存器中。在此钻床控制系统中，主控程序都被固化在 27256EPROM 中，主 CPU 通过运地 址 线A15 A14 A13 A12 A11 A1 A0地 址0 0 0 0 0 0 0 0000H0 0 0 0 0 0 1 0001H0 0 0 0 0 1 0 0002H 0 1 1 1 1 1 0 7FFEH0 1 1 1 1 1 1 7FFFH南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）8行其中程序来对整个钻床系统进行控制。而数控钻床在运行过程中将其正在执行的程序和各种计算的结果存储到RAM 中，8031 内部 128B 的 RAM 显然是不够的。所以必须外扩一个 RAM。图 2.3 存储器扩展电路图本设计选择采用半导体静态随机存储器 RAM 作为数据存储器扩展。之所以选择 SRAM，是因为考虑到它与 DRAM 相比抗干扰能力强，无需刷 新 逻 辑 电 路 就 可以 保 持 数 据 信 息 的 不 丢 失 。 在 SRAM 系 列 中 ， 容 量 为 8KB 的 6264 作 为本 设 计 的 外 扩 RAM 较 为 合 适 ， 其 中 ：A0A12：地址输入线。D0 D7：双向三态数据线，有时用 00O7 表示。CS1:片选通信号输入线，低电平有效，此信号与 138 的 Y5 相连，经译码得出 6264 的地址范围。地址范围见表 2.3。OE:读选通信号输入线，低电平有效，它与 8031 的 RD 相连。WE: 读选通信号输入线，低电平有效，它与 8031 的 WR 连接。VCC: 工作电源5V。GND:线路接地。图中 6264 的 CS，为第二片选信号，高电平有效。CS=1,CE=0 选中 6264。在此模块中因为 CS 所需的高电平为 3.3V,而系统所能提供的为 5V，所以必须接表 2.3 数 据 存 储 器 地 址 表地 址 线A15 A14 A13 A12 A1 A0地 址南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）91 0 1 0 0 0 A0OOH1 0 1 0 0 1 A001H 1 0 1 1 1 0 BFFEH1 0 1 1 1 1 BFFFH一分压电路，见下图 2.4。两个电阻 R1 和 R2 的阻值分别为 5.1K 和 10K ，经计算 CS 端口分压所得电压约为 3.3V。又因为 6264 是随机存储器，所以如果不外接电源，系统一但掉电，其中的数据将会丢失，为了保存其中有用的数据，本模块还设计了掉电保护电路。如图 2.5 所示，当系统没有掉电时，上面的二极管导通，由于干电池的电压小于 5V，所以下面的二极管截止，6264 由系统供电。当系统掉电时，下面的二极管导通，6264 由干电池供电。CS2图 2.4 分压电路图 2.5 掉电保护电路2.5 键盘扩展电路设计数控钻床的控制系统需要一个人机对话装置，这种人机对话装置通常采用键盘和显示器。显示器是单片机应用系统人机对话中常用的输出装置，键盘是单片机应用系统中人机对话常用的输入装置。键盘的结构有两类，一类是独立式键盘，另一类是矩阵式键盘。本系统中我用 8155 扩展了一个四十个按钮的矩阵式键盘(见图 2.6),用 8031 的 P1 口扩展了一个八按钮的独立式键盘（见图南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）102.8） 。下面对键盘的设计进行详细的介绍。18155 键盘扩展电路 8155 键盘扩展电路可分为四部分：矩阵式键盘，8155 芯片，上拉电阻，74LS466。 如图 2.6 所示，矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处，每当一个键按下时，通过该键将相应的行、列母线连通。8155 的 PA口作为输出口，输出键盘的扫描信号，C 口作为输入口，用来接收键盘读入的信号。根据按下键的不同，产生的键值也不同，一个键对应于一个键值，事实上每个键的输出与输入的组合是唯一的，只要按下一个键，那么就可以得到一个键的编码值，这个值由软件控制，不同的键，编码值是不同的。矩阵式键盘的优点是：它能最大化地利用可编程 I/O 设备的端口。很好地满足多键值键盘设计的需要。在本模块中，键盘电路用到了 8155 的 8 个 PA 口和 5 个 PB 口，扩展了 40 个键值的矩阵式键盘。图 2.6 8155 键盘扩展电路模块（1）8155 地址的分配 双向地址数/据线 AD0AD7，分时传送但单片机和8155 之间的地址、数据、命令、状态信息。在地址锁存信号 ALE 下降沿将AD0AD7 上的低 8 位地址、RAM/IO 口选择信息锁存。因此，MCS-51 单片机的P0 口输出的低 8 位地址不需要再外接锁存器。IO/M=0 时单片机选择 8155 中的RAM 读/写， AD0AD7 上地址为 RAM 单元地址；IO/M=1，单片机选择 8155 寄存器或端口，地址分配见下表 2.5。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）11表 2.5 8155 地址分配表由于 CE 片选信号在此模块中连接 74LS138 的 Y4（图 2.21） ，IO/M 端接A12，所以根据表 2.5，可得此 8155 端口的具体地址表见表 2.6。表 2.6 8155 口具体地址分配表命令状态寄存器：9000HA 口地址：9001HB 口地：9002H C 口地址：9003H计数器低八位：9004H计数器高八位：9005H内部 RAM：8000H80FFH。（2）与 8031 的连接 读写控制输入线 RD、WR，低电平有效，它与 8031 的读写信号连接在一起。此键盘电路中 PA 口的 8 个端口连接一个非门集成电路 74LS466，它作为此矩阵式键盘的输出口，输出键盘的扫描信号。PC 口作为输入口，用来接收键盘读入信号。剩余的 PB 口用于输入输出信号的收发。T1 口接主 CPU 的 INT1 端口，用于申请中断。VCC、VSS ：+5V 电源和接地。8155 提供的 PA 口、PB 口、PC 口以及定时器/计数器都是可编程的。CPU 通过写命令字来控制对它们的操作，通过读状态字来判别它们的状态。命令字和状态字寄存器公用一个地址，命令字寄存器只能写不能读。状态字寄存器只能读不能写。（3） 八三态反向缓冲器 74LS466 此模块中 74LS466 的使能端 G1，G2 接地，CE IO/M A7 A6 A5 A4 A2 A1 A0 所选端口0 1 0 0 0 命令/状态寄存器0 1 0 0 1 A 口0 1 0 1 0 B 口0 1 0 1 1 C 口0 1 1 0 0 计数器低八位0 1 1 0 1 计数器高八位0 0 RAM 单元A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 所选端口1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 命令/状态寄存器1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 A 口1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 B 口1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 C 口1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 计数器低八位1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 计数器高八位1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 RAM 单元南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）12充当八个非门。图 2.7 为其管脚图。图 2.7 八三态反向缓冲器 74LS466 管脚图2. 8031 P1 口手动键盘本钻床手动进给方式是用独立式键盘来实现的。独立式键盘的每个键都是有一根信号线与单片机相连，所有按键共接一个公共地，每个键相互独立，互不影响。如图 2.8 所示 8031 的 P1 口外接八个按钮，按钮的另一端共同接地。八个按钮分别对钻床主轴的+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z 方向的进给运动和启动、暂停、超程报警进行控制（其中输入超程信号和暂停信号接入同一端口 P1.7） 。当没有进给或启动暂停需要时，8 个端口由上拉电阻引入高电平，当有进给或启动暂停需要时，按下所需按钮+5V 电压与接地之间形成电压差产生电流，此端口电压为低电平，CPU 通过读此端口对各信号的输入进行相应的控制。2.6 显示电路设计本设计的显示电路可分为两种，静态显示和动态显示。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）13图 2.8 手动键盘电路图静态显示不占用 CPU 工作时间，但需要使用锁存器进行数据锁存，而本设计如果采用静态显示方式的话就需要使用几十个锁存器，这样硬件电路太复杂，而且会造成设计成本提高。而本人设计的是经济型数控系统，所以本设计采用动态显示方式，而动态显示方式虽然可以减少硬件使原理图简洁，但严重占用CPU 时间，影响控制系统处理其他数据的速度。所以决定使用一个从 CPU，专门用来控制显示电路。显示 CPU 主要是按照主 CPU8031 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。2.6.1 八段数码管动态显示电路LED 八段数码管动态显示是本设计的一大特色。在此模块中一共用到五个芯片。分别是 89C2051 从 CPU（一个） ，LED 八段数码管四排（共 24 个） ，74LS164（4 个） ，74LS273（一个） ，74LS138（一个） ，和 74LS465（一个） 。图 2.9 为八段数码管动态显示模块。器件从上到下从左到右分别为，74LS273、98C2051、74LS164、LED 八段数码管、74LS138、74LS465。1.动态显示原理南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）14图 2.9 八段数码管动态显示模块图中，89C2051 的 P3.3 口、P3.4 口、P3.5 口分别与 74LS138 译码器的A、B、C 三输入端相连，且 74LS138 的三个使能端都有效。74LS138 的输出端YOY5 分别接 74LS465 的输入端 D1D6，输出端 Q1Q6 分别接六纵排 8 段LED 数码管的“3” “8”引脚， （数码管是共阴极接法）当 89C2051 P3.3 口、P3.4口、P3.5 口输出“000”时，Y0 端输出低电平，选中第一列（从右往左）LED，第一列数码管发光，显示字符。当三口输出“001”时，第二列数码管发光，显示字符，以次类推，当译码管译码速度很快，且 74LS164 移位达到一定频率时，给人的感觉是，所有数码管显示字符，这就实现了 8 段数码管的动态显示。由此看出，89C2051 在此显示模块中对各个芯片起控制作用。2.89C2051选用 89C2051 对动态显示进行控制，不但节省了很多硬件，节约了成本，而且使 8031 主 CPU 不必花很多时间用在对显示电路的控制上，从而使得此系统运行更快，更稳定。（1）89C2051 的性能及特点 89C2051 是一种低功耗、高性能的 8 位CMOS 微控制器，片内带 2KB 的快闪可编程及可擦除只读存储器（FPERROM ） 。它与主 CPU8031 指令兼容，片内 FPEROM 允许对程序存储器在线重新编程。ATMEL 的 2051 将具有多种功能的 8 位 CPU 与 FPEROM 结合在同一芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了高度灵活价格适宜的方案。2051 还增加了在零平下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电模式。其中，在闲置模式下，CPU 停止工作，但 RAM,定时 /计数器，串行口和中断系统仍然在工作，在掉电模式下，只保存 RAM 的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其他功能，直到下一次硬件复位为止。89C2051 主要性能如下：1）低功耗的闲置与掉电模式。2）有片内精密模拟比较器。3）可直接驱动 LED。4）可编程串行通道。5）5 个中断源。6）2 个十六位定时器/计数器。7）15 条可编程 I/O 线。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）158）宽工作电压范围为 2.7V6V。9）两级程序存储器加密。10）全静态工作方式：0HZ24MHZ 。 11）与 MCS-51 产品兼容。12）2KB 再线可重复编程快闪存储器， 图 2.10 89C2051 引脚图寿命可达 1000 次写/擦除周期。 （2）引脚功能说明 89C2051 引脚分布如图 2.10 所示。VCC供电电源。 GND电路地。 P1 口为双向八位 I/O 口。 P1.2P1.7 引脚有内部上拉电阻 P1.0 和 P1.1 需要外部上拉电阻。P1.0 和 P1.1 还作为模拟比较器的正输入端和负输入端，与片内精密比较器相连。P1 口输出缓冲器能吸收 20mA 灌入电流，并可直接驱动LED 显示器。当向端口写入电平“1”时，可作为输入引脚。因为 P1.2P1.7 有内部上拉作用，此时若有外电路作为输入，引脚会向外灌电流（In） 。P1 口在快闪编程与校验功能中还承担数据代码接收任务。在本设计中 P1 口用作数据输入端，连接 D 触发器 74LS273 的输出端见图 2.9。P3 口P3 口只有七位 P3.0P3.5 和 P3.7 引脚具有内部上拉电路。P3.6 为内部比较器输出，无外部引脚。89C2051 无 RD 和 WR 控制信号，P3.7 为一般 I/O线，在本控制系统中 P3.7 与 8031 的 RXD（十号管脚）相连，作为 89C2051 与8031 信号联络脚。P3 口输出缓冲器能吸 20mA 灌入电流，当向端口 P3 写入电平“1”时，可作为输入端口。因为具有内部上拉作用，当 P3 口有外部低电平输入时，引脚向外产生灌电流（In） 。时钟电路的设计，外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 接外部振荡器信号，即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器的输入端，并上两个电容，C101 取30 p,C102 也取 30p，如图 2.11 所示。本人设计的原理图中使用了 12MHz 晶 振 ，则 根 据 单 片 机 CPU 的 工 作 时 序 ， 其 3 个 周 期 的 具 体 值 计 算 如 下 ： 振 荡 周 期 = ；1/2us机 器 周 期 = ；61s指令周期= 。(4)南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）16图 2.11 89C2051 复位电路PST复位输入端。振荡器工作时，该引脚上两个机器周期高电平可复位89C2051。如图 2.11 当系统上电时，电容 C3 相当于短路，+5V 电压通过电阻 R4直接与地导通，此时非门输入端为低电平，经反向器输出高电平，复位89C2051。当手动复位开关没有按下时，+5V 电压通过反向器变为低电平后引入复位端，此时 89C2051 没有复位。当按下手动复