经济型数控车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）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 MCS-51 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 MCS-51 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）IIABSTRACTThis paper introduced the hardware design of the economy numerical control lathe in detail, which mainly includes four parts: RAM/ROM, display module, keyboard and system I/O. In the design, a MCS-51 series microprocessor, 8031, is chosen as the system CPU, a 32K ROM is used to store the system software and an 8K RAM, to store NC code and operation data respectively. Another MCU, 89C2051 is used to realize the control of the three rows LED monitor showing coordinates of axis X and Z axis and other state of the system. Charnel A and C of 8155 are used for editor keyboard, which make the inputting or editing of the NC code and data possible. Charnel P1 of 8031 is used for the operation keyboard such as system power on/off and movement of axis X or Z. a programmable parallel I/O chip, 8255, is used to achieve system I/O and the transmission of other information. In summarize, the system developed is characterized by its simplicity, low development cost and high reliability. It can find its actual value in the development of economic NC lathe, especially for those whose function is not desired so much.Key words： Numerical Control Lathe; Control System; Circuit Design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 .11.1 引言.11.2 选题背景与意义.21.3 研究现状.31.4 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 .52.1 控制对象及要求.52.2 总体控制方案的拟定.52.2.1 主 CPU 的选用 .52.2.2 外扩存储器的确定.62.2.3 显示电路的确定.62.2.4 扩展键盘及 I/O 口电路的确定 .72.2.5 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 .83.1 CPU 时钟及复位电路设计 .83.1.1 时钟电路设计.83.1.2 复位电路设计.83.2 存储器扩展电路设计.93.2.1 程序存储器扩展电路设计.93.2.2 数据存储器扩展电路设计.113.3 显示电路设计.143.3.1 数字动态显示电路设计.143.3.2 功能字显示电路设计.163.4 手动键盘和编辑键盘电路设计.173.4.1 手动键盘电路设计.183.4.2 工作方式选择开关电路设计.203.4.3 编辑键盘电路设计.213.5 I/O 接口扩展电路设计 .233.6 步进电机控制信号输出电路设计.283.7 译码电路设计.293.7.1 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）IV3.7.2 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 .324.1 控制系统电路原理图的绘制方法及步骤.324.2 控制系统电路 PCB 图的绘制方法及步骤 .35第五章 结论 .375.1 论文总结 .375.2 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1.1 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。1.2 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。1.3 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 3.77 倍；产值由2001 年的 11.53 亿元增加至 2005 年的 61.63 亿元，增长 5.35 倍。平均单台产值由 2001 年的 11.6 万元增加至 2005 年的 16.3 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 3.06 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 11.8 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 72.5%上升到 2005 年的 88.9%；按金额计，由 2001 年的 43.5%上升到 2005 年的 65.3%，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。1.4 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2.1 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。2.2 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。2.2.1 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 MCS-51 系列单片机作为主控制器。MCS-51 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 MCS-51 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，MCS-51 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 MCS-51 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。2.2.2 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。2.2.3 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。2.2.4 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。2.2.5 总体方案的结构框图总体方案的结构框图如图 2.1 所示。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）8图2.1 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3.1 CPU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 3.1 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 。3.1.1 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3.1 8031引脚图手动按钮8031单片机74LS2738255A8155键盘27256 6264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）9V PP 1V CC 28A 19A 28A 37A 46A 55A 64A 73A 825A 924A 1021A 1123A 122A 1427O E22C E20A 1326D 0 11D 1 12D 2 13D 3 15D 4 16D 5 17D 6 18D 7 19G ND 14A 010U ?A M2 7C 25 6-2 00 /BX A(28 )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 3.2 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 。3.1.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 所示。3.2 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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 1-Jun-2007 Sheet of File: E:业业MyDesign.ddb Drawn By:GNDD31N4148D41N4148C7 33 C833R4615KR4515KR4430GND+5R47 4.7KGNDC510Y212MHZC61S52EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U26803112 3U51A74ALS00GND+5C910+5S40GND GND图3.2 8031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。 3.2.1 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 3.3 所示。27256 与 8031 的连接图如图 3.5 所示。根据程序存储器电路的连接，确定 27256 的寻址范围，见表 3.1。表 3.1 程序存储器地址表地址线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 7FFFH1. 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 3.4 所示。它的输入输出关系见表 3.2。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3.2 74LS373的功能表 （a ）图3.3 27256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，D0 D7 呈高阻抗。它与8031 芯片的 P0 口 P0.0P0.7 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 OE = 0 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。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 28-May-2007 Sheet of File: F:业业业MyDesign.ddb Drawn By:D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U5374ALS373 A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1326A1427CE20OE22VPP1D011D112D213D315D416D517D618D719U5427256+5GNDGNDD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7A8A9A10A11A12A13A14A15A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A0A1A2A3A4A5A6A7EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U268031图 3.5 8031 与 27256 连接电路原理图3.2.2 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OE LE Dn QnL H H HL H L LL L L LL L H HH Z图3.4 74LS373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 3.6 所示。6264 与 8031 连接图如图 3.7 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 8K=213 ，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3.3。6264 芯片的工作方式见表 3.4。表 3.3 数据存储器 6264 地址表地址线A15 A14 A13 A12 A11 A1 A0 地址1 1 0 0 0 0 0 C000H1 1 0 0 0 0 1