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数控 螺纹 车床 控制系统 硬件 电路设计

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数控螺纹车床控制系统硬件电路设计,数控,螺纹,车床,控制系统,硬件,电路设计

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：南 京 工 程 学 院本科生毕业设计（论文）中期自查表姓 名 陈凯学 号203040407指导教师 华茂发专 业自动化（数控技术）院（系部）自动化学院毕业设计(论文)题目数控螺纹车床控制系统硬件电路设计课题性质工程设计课题有无变化无 任务书规定目前应该完成的工作：毕业设计开题报告，CPU时钟及复位电路设计，储存器扩展电路设计，I/O口扩展电路设计，手动键盘和编辑键盘电路设计，显示电路设计，用PROTEL绘制控制系统原理图，用PROTEL绘制PCB图。已完成的工作和所取得阶段性成果：毕业设计开题报告，CPU时钟及复位电路设计，储存器扩展电路设计，I/O口扩展电路设计，英文资料翻译。用PROTEL将CPU时钟及复位电路，储存器扩展电路，I/O口扩展电路，手动键盘和编辑键盘电路原理图绘制出。未按时完成工作的原因分析：显示电路设计，由于对LS164移位寄存器以及所要求控制三排LED的显示方式不理解，没有能够设计出电路。手动键盘与编辑键盘电路设计，对编辑键盘电路不理解。下一步工作计划和研究内容：设计显示电路，绘制控制系统PCB图对毕业设计（论文）工作的自我评价：基本上完成了任务书上所规定的任务。从设计中学到了很多相关的专业知识，锻炼了自己独立工作的能力，养成了良好的查阅资料的习惯，拓宽了知识面和思维，加深了对一个系统完整开发流程的了解，累积了很多经验，学会了利用已掌握的知识解决问题并针对问题提出解决方案，提高了自己今后单独开发硬件电路系统的能力，为以后的工作打下了良好的基础。中期报告（任务书规定应该完成的工作，已完成的工作工作状况的自我评价，对指导教师指导情况的评价等）学生签名： 陈凯 2008年 5 月 7 日对指导教师严格管理和按时指导情况的评价：在老师的指导下对自己的课题有了充分的理解，在老师的帮助下完成了规定的设计内容。对学校组织毕业设计（论文）工作意见和建议：指导教师意见指导教师签名： 年 月 日学院（系、部、中心）意见审查结果： 通过 不通过 主管领导（签名）： 年 月 日南京工程学院毕业设计任务书 自动化 系 自动化（数控技术） 专业设 计 题 目 数控螺纹车床控制系统 硬件电路设计 学 生 姓 名 陈 凯 班 级 数控042 起 止 日 期 2月25日至6月13日 指 导 教 师 华 茂 发 教研室主任 葛 红 宇 发任务书日期 2008年2月25 日1.毕业设计的原始数据： 控制轴数：两轴（X轴、Z轴）。扩展存储器：32K程序存储器，8K数据存储器。显示：三排LED。I/O接口：若干2.毕业设计(论文)的内容和要求(包括技术要求、图表要求以及工作要求等)： 采用8031作为主CPU， 外扩32K程序存储器， 8K数据存储器；用 89C2051作从CPU，控制三排LED显示；键盘用8155扩展；X轴、Z轴步进电机正、反转脉冲信号经锁存器输出；用8255扩展若干输入、输出信号接口。3.毕业设计应完成的技术文件：（1）毕业设计说明书（论文）（2）控制系统原理图（3）PCB图（4）英文资料译文4.主要参考文献：1.何立民. MCS-51单片机应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版 社，1990年2.李朝青. 单片机原理及接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，19993.赵德安等. 单片机原理与应用. 北京：机械工业出版社，20045.毕业设计(论文)进度计划(以周为单位)：起 止 日 期工 作 内 容备 注第一周第二周第三周第四周第五周第六周第七周第八周第九周第十周第十一周第十二周第十三周第十四周第十五周第十六周熟悉课题收集资料写毕业设计开题报告拟定方案CPU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I/O扩展电路设计用PROTEL绘制CPU扩展电路原理图用PROTEL绘制其余电路原理图绘制PCB图英文资料翻译写论文写论文修改论文答辩教研室审查意见： 室主任 年 月 日系部审查意见： 系主任 年 月 日 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 数控螺纹车床控制系统硬件电路设计 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： 工程实践中心 Graduation Design (Thesis)Control System Hardware Circuit Design of Numerical Control Thred Lathe ByCHEN KaiSupervised byAssociate Prof. HUA MaofaSchool of Automation Nanjing Institute of TechnologyJune, 2008南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）摘 要本文详细地介绍了数控螺纹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六部分：CPU时钟及复位电路、存储器扩展电路、手动键盘和编辑键盘电路、I/O扩展电路、显示电路以及译码电路。控制系统选用MCS-51系列的8031作为主CPU；在存储器扩展电路设计中,选用27256芯片外扩了32K的程序存储器和 6264芯片外扩了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，扩展了矩阵式编辑键盘，用于程序和数据的输入或编辑，同时选用8031单片机的P1口扩展了手动键盘，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芯片扩展了输入输出口，用于接收和传送开关量及相关信息；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；此外选用74LS138译码器设计了相关芯片的片选信号译码电路。综上所述，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，对经济型数控螺纹车床，尤其是功能要求不高的经济型螺纹车床，具有一定的应用价值。关键词：数控螺纹车床；控制系统；电路设计III南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）ABSTRACTThis paper introduced the design process of the control system hardware circuit of numerical control thred lather in detail. The control system hardware circuit mainly includes six parts: CPU clock and reset circuit，memory expander, manual keyboard and editor keyboard circuit，I/O expander，display circuit as well as decoding circuit. The control system chose the 8031 singlechip of the MCS-51 series to be main CPU；In the design of memory expander, the chip of 27256 expanding program memory of 32K and the chip of 6264 expending the data-carrier storage of 8K outside, used for depositing the system administration procedure and CNC process program as well as operational datas respectively; The PA export and PC export of 8155 are used to expand the matrix editor keyboard circuit for inputting or editing the program and data, The P1 export of 8031 singlechip is used to expend the manual keyboard for starting and stopping system and moving the directional part in X or Z orientation; The chip of 8255 is chosen as I/O expander for receiving or transmitting information of on-off and related message. 892051 singlechip of the MCS-51series is chosen to control the three rows of LED monitor to display, used for showing the size of coordinates of X axis and Z axis and the related number of function word; In addition, the chip of 74LS164 is used to design decoding circuit for signal-election of related chips. Total to say, the circuit is simple, the development cost is low, the reliability of system is high, in this foundation, further consummates the hardware, and develop the control software, then the design has the actual application value for economy numerical control thred lather, especially for those of which the demand of function isnt high. Key words： Numerical Control Thred Lathe; Control System; Circuit Design南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）目 录 第一章 绪论11.1 引言1 1.2 选题背景与意义11.3 研究现状21.4 本文的结构3第二章 数控螺纹车床控制系统硬件电路设计方案的拟定42.1 控制对象及要求4 2.2 总体控制方案的拟定4 2.2.1 主CPU的选用4 2.2.2 外扩存储器的确定52.2.3 显示电路的确定5 2.2.4 扩展键盘及I/O口电路的确定62.2.5 总体方案的结构框图6第三章 数控螺纹车床控制系统硬件电路设计73.1 CPU时钟及复位电路设计73.1.1 时钟电路设计7 3.1.2 复位电路设计7 3.2 存储器扩展电路设计8 3.2.1 程序存储器扩展电路设计8 3.2.2 数据存储器扩展电路设计103.3 手动键盘和编辑键盘电路设计143.3.1 手动键盘电路设计14 3.3.2 工作方式选择开关电路设计15 3.3.3 编辑键盘电路设计163.4 I/O接口扩展电路设计203.5 显示电路设计24 3.5.1 数字动态显示电路设计243.5.2 功能显示电路设计273.6 步进电机控制信号输出电路设计313.7 译码电路设计323.7.1 扩展芯片选择译码电路设计32 3.7.2 显示位选择译码电路设计34第四章 控制系统原理图及PCB图的绘制354.1 控制系统电路原理图的绘制方法及步骤354.2 控制系统电路PCB图的绘制方法及步骤37第五章 结论39 5.1 论文总结395.2 感想40致谢41参考文献42附录A：英文资料43附录B：英文资料翻译58附录C：硬件设计原理图与PCB图72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）第一章 绪 论1.1 引言随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求。1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，从而一种新型的用数字程序控制的机床（数控机床）应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品，是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。随着社会的发展,现代制造工业也在急速的取代换新,而效率,经济便是其中的主流之一。由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善并且大大提高了生产效益，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。1.2 选题背景与意义我国数控螺纹车床的发展主要建立在数控车床的基础上，通过近几年的发展，我国目前生产的数控螺纹车床主要分为经济型数控螺纹车床、中档型数控螺纹车床和高档型数控螺纹车床三种档次，其中经济型数控螺纹车床约占总产量的90%。经济型数控螺纹车床，价格低廉，设备费用投入较少，经济效益较高，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，数控螺纹车床主要特点有：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。它特别适合于普通螺纹机床的改造，适合在生产第一线大面积推广。2）适合于多品种、中小批量螺纹的自动化生产，对产品的适应性强，在普通螺纹机床上加工的产品大都可以在数控螺纹车床上加工。加工不同螺纹零件，只需改变加工工序，并且能很快适应和达到批量生产。3）提高螺纹的质量，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，用数控螺纹车床加工可以少用工装，不仅节约了工装费用，还减轻了工具制造部门的压力。6）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。7）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，提高设备自身对螺纹产品更新换代所需要的应变能力，增强企业的竞争能力。由于其独特的优点，数控螺纹车床被很多生产螺纹的中小企业看好。由于我国步入市场经济不久，一般国有螺纹制造企业正处于在改革和调整的时期，资金严重不足；生产螺纹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，作为中高档数控螺纹车床的替补和填充，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 研究现状目前国产数控机床与国际先进水平的差距在逐渐缩小。国产数控机床的发展经历了十年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场各种数控机床，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。在某些领域部分技术已经达到世界先进水平。随着国内数控厂家的增加，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。在经济型数控系统中，我国具有很大优势，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，比起中高档数控车床来说虽然定位精度相对较低，加工精度较低，有一定的使用局限性，但是经济型数控螺纹车床基本上能满足一般精度的加工要求，成本较低，控制简单。所以经济型数控螺纹车床受到很多中小企业的亲睐。但是，近年来国产经济型数控车床同样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。采取多种措施，积极开发已试制成功的中高档数控车床的国内市场，突破一点，在用户生产使用中不断改进和完善，以点带面，逐步取得用户认可。这样才能使我国数控车床的性价比越来越高，总体水平与国外先进水平越来越近，受到更多经济型企业的拥护。1.4 本文的结构本文以数控螺纹车床的研发工程项目作为应用背景，对数控螺纹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螺纹车床特点、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螺纹车床控制系统硬件电路的设计过程，包括CPU时钟及复位电路设计、存储器扩展电路设计、手动键盘和编辑键盘电路设计、I/O口扩展电路设计、显示电路设计、步进电机控制信号输出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。第二章 数控螺纹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数控螺纹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；采用89C2051作从CPU，控制三排LED显示；采用8155扩展键盘；需控制X轴和Z轴；采用8255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。 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是符合数控螺纹车床电路设计的。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，常采用半导体静态的随机存取存储器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。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，如果用在数控螺纹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、亮度较强、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。数控螺纹车床需要三排显示，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“米”字数码管。由于要实现数字的三排显示，需要使用74LS164移位寄存器来实现移位的功能，显示功能字时，需要使用74LS273锁存器来实现静态显示。考虑到89C2015的管脚过少，加入一个74LS138译码器进行位选译码。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口可作为信号输入口，主要包括手动X轴、Z轴正反转、超程、启动、停止、螺纹脉冲以及螺纹零脉冲信号输入。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。光耦电路74LS273显示电路626489C205127256键盘74LS37381558031单片机74LS1388255A手动按钮图2.1 总体方案结构框图I/O接口第三章 数控螺纹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。图3.1 8031引脚图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1。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。数控螺纹车床控制系统硬件电路采用内部时钟方式，在XTAL1、XTAL2引脚上外接晶振Y1以及电容C3和C4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Y1取典型值10MHZ，相当于8031单片机的心脏，控制着工作节奏。电容C3、C4分别取值为30pF，它们使振荡器起振并可对振荡器的频率起到微调作用。当数控螺纹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所示的电路，当上电或按动按钮S53，复位端RESET上出现高电平，保持10ms以上便能可靠地实现复位，R1取30，R3取15K,C1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S9，INT0端出现低电平，利用8031的P3.2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。图3.2 8031时钟及复位电路原理图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，在数控螺纹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图3.3 27256引脚图程序存储器扩展时，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地址A15 A14 A13 A12 A11 A1 A00 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 1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4。表3.2 74LS373的功能表 （a）OELEDnQnLHHHLHLLLLLLLLHHHZ图3.4 74LS373引脚图 （a） 2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，D0D7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。图3.5 8031与27256连接图3.2.2 数据存储器扩展电路设计图3.6 6264引脚图 （a） 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。 地址线地址A15 A14 A13 A12 A11 A1 A01 1 0 0 0 0 0C000H1 1 0 0 0 0 1C001H1 1 0 0 0 1 0C002H1 1 0 0 0 1 1C003H 1 1 0 1 1 1 1DFFFH表3.3 数据存储器6264地址表WECS1CS2 OE I/O0I/O7工作状态 H高阻未选中 L高阻未选中H L H H高阻输出禁止 H L H L数据输出读操作 L L H H 数据输入写操作 L L H L 数据输入写操作表3.4 数据存储器6264功能表图3.7 8031与6264电路连接原理图 （a）CPU存储器扩展电路原理图如图3.8所示：图3.8 CPU存储器扩展电路原理图 3.3 手动键盘电路和编辑键盘电路设计数控螺纹车床控制面板上应有功能键、波段开关以及编辑按键，这些都应是手动键盘和编辑键盘要设计的部分。手动键盘控制简单，普通的I/O即可实现，每一个键相当于一个机械开关，当键按下时，触电闭合，当键松开时，触电断开。即手动键盘采用独立式键盘方式，手动键盘按键按键的每个键都有一根信号线与8031单片机电路相连，所有按键有一个公共地或公共正端，每个键相互独立互不影响。当按下一个键时，无论其它键是否按下，此键的信号线就由“1”变“0”；当松开此键时，无论其他键是否按下，该键的信号线就由“0”变“1”。由此可见，独立式键盘只适用于键的个数较少的应用系统，电路较简单。而编辑键盘由于按键较多，比手动键盘复杂的多，编辑键盘是数控螺纹车床控制系统中人机对话常用的输入装置，键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据数控螺纹车床控制系统的用途而定。此次设计采用四十个键，因为对于数控螺纹车床来说四十个键已经绰绰有余了。一般来说，键盘有两大类，除了手动键盘所采用的独立式，还有一类为矩阵式，由于是要设计四十个键的键盘，按键个数较多，所以选择矩阵式键盘设计。3.3.1 手动键盘电路设计图3.9 8031单片机P1口结构图 （a）所选用的8031单片机的P1口（P1.0P1.7、18脚）是准双向口，一般作通用I/O端口使用，内部有上拉电阻，位结构如图3.9所示，P1口的每一位口线能独立用作输入线或输出线。在作输入时，必须先将“1”写入口锁存器，使场效应管截止，即编程时要先将“1”写入锁存器，该口线由内部上拉电阻提拉成高电平，同时也能被外部输入源拉成低电平，即当外部输入“1”时该口线为高电平，而输入“0”时，该口线为低电平。通过按下不同的按钮，使得输入为“0”，从而实现相关的操作。以启动按键为例，当按下启动按钮S1时，P1.0口输入“0”，系统启动。设计中手动键盘电路采用独立式结构，连接图如图3.10所示。每个键都有一根信号线与8031单片机P1口连接，所有按键都有一个公共地端，并通过10K的电阻接+5V的电源，每个键相互独立互不影响，分别实现启动按钮、停止按钮、X轴正转按钮、X轴反转按钮、Z轴正转按钮、Z轴反转按钮、螺纹脉冲输入、螺纹零脉冲输入。图3.10 手动键盘电路原理图 （a）图3.16 手动键盘电路原理图 （a）3.3.2 工作方式选择开关电路设计 操作面板上除手动按键以外，还有一些工作方式选择开关，这些波段开关可通过8255扩展实现，8255的三个并行端口PA、PB、PC这都是8位，都可被编程为输入或输出。此次数控螺纹车床控制系统硬件电路设计中使用PA口作为波段开关的扩展，他们分别为空运行开关、自动开关、手动I开关、手动II开关、回零开关以及扫描键盘开关。六档波段开关一端接地，另外的六挡端分别通过一个10K的上拉电阻与+5V电源及PA口的六个脚相连接。通过使波段开关处于不同位置而实现不同的功能。具体工作方式选择开关连接图如图3.11所示。 图3.11 工作方式选择开关电路原理图（a）3.3.3 编辑键盘电路设计编辑键盘按键数量较多，采用8155芯片来扩展编辑键盘。键盘由09，字母AZ等组成。当数控螺纹车床处于编辑状态时，通过该键盘可输入数字、字母进行编辑。8155芯片的引脚图如图3.12所示。图3.12 8155芯片引脚图 （a）AD0AD7为双向地址/数据总线，分时传送单片机和8155之间的地址、数据、命令、状态信息。ALE为地址锁存信号输入，在ALE下降沿将AD0AD7上的低8位地址、RAM/IO选择信息锁存。所以，8031单片机的P0口输出的低8位地址不需要再外接锁存器，可直接与8155相连接。IO/M为RAM/IO口选择，IO/M=0，单片机选择8155中的RAM读/写，AD0AD7上地址为RAM单元地址；IO/M=1，选择8155的寄存器或端口，地址分配见表3.5。表3.5 8155地址分配表CE IO/MA7A6A5A4A3A2A1A0 所选端口0 1 0 0 0命令/状态寄存器 0 1 0 0 1A口 0 1 0 1 0 B口 0 1 0 1 1 C口 0 1 1 0 0计数器低8位 0 1 1 0 1 计数器高8位 0 0 RAM单元图3.12中，CE为片选信号，低电平有效；RD、WR为读、写控制输入线，低电平有效；RESET为复位端，输入一个大于600ns正脉冲时，8155总清零，各I/O口定义为输入方式；PA0PA7为A口I/O数据传送；PB0PB7为B口I/O数据传送；PC0PC7为C口I/O数据传送或A、B口选通方式时传送命令/状态信息。TI、TO为14位计数器输入、输出；VCC、VSS为+5V电源和接地。8155与8031连接如图3.13所示。8155对编辑键盘的扩展图如图3.14所示。独立式键盘虽然简单，但只适用于键的个数较少的应用系统中，但像在数控螺纹车床控制系统中，编辑键盘需要四十个按键，所以采用的是方式是矩阵式，它不同与手动键盘所采用的独立式，独立式按键每个键相互独立互不影响，而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。在图3.21中, PA口的8位经反向器输出为行母线，PC口低5位通过10K的电阻接+5V电源为列母线，行列母线相交处用按键连接。通过键盘扫描方式,扫描PC口状态，即8155的A口作为输出口，输出键盘的扫描信息；C口作为输入口，用来接收键盘读入信息。根据按下键的不同，产生的键值也不同，一个键只对应于一个键值。事实上对应于每一种输出状态，只要按下一个键，那么就可以得到一键的编码值，这个值对于不同的键是不同的，具有唯一性。 图3.13 8155与8031连接原理图 （a） 图3.14 编辑键盘电路原理图 （a）3.4 I/O接口扩展电路设计 由于8031只有P1口和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统要扩展输入输出接口电路。当单片机应用系统中需要较为复杂的I/O口时，通常采用可编程I/O接口芯片扩展I/O口，如8255A芯片、8155芯片。此次数控螺纹车床控制系统硬件电路I/O接口就是采用8255A芯片和8155芯片，8255A具有三个相互独立的输入/输出通道：通道A、通道B、通道C。图3.15和图3.16分别为8255A的逻辑结构图和引脚图。 图3.15 8255A逻辑结构图 （a） 图3.16 8255A引脚图 （a）8255A与8031的连接如图3.17所示。8255A芯片可与8031芯片直接连接。CS端为8255A的片选引脚端，接74LS138译码器的Y4 ，74LS138译码器的三个输入端A、B、C分别接8031的P2.5、P2.6、P2.7。8255读控制端RD、写控制端WR与8031的RD、WR直接连接。当RD=0时，允许单片机从8255读取数据或状态字。当WR=0时，允许单片机将数据或控制字写入8255。8255的复位控制端RESET与外部复位电路相连，当RESET=1时，8255复位，复位状态是控制寄存器被清除，所以接口（A、B、C）被置入输入方式。8255口地址选择端A0、A1接74LS373地址锁存器的地址锁存输出端A0、A1，通过A0、A1可选中8255的4个寄存器。口地址选择见表3.6。8255的输入端直接与8031的P0口连接。此次设计，8255A的PA口已为工作方式选择端口；PB口作为直接信号输入端口；PC口作为直接信号输出端。8255A扩展I/O电路原理图如图3.18(a)所示。与8255A芯片相似，8155芯片也可与8031芯片直接连接。8155的片选信号CE接74LS138译码器的Y7 ，它的读控制端RD、写控制端WR、地址锁存信号输入端ALE分别接8031的RD、WR、ALE端，复位控制端RESET接外部复位电路，输入端AD0AD7分别接8031的P0.0P0.7。此次设计，8155的PA口和PC口已用作编辑键盘信号的输入输出端；PB口可作为直接的信号输入端用于收信。8155芯片扩展I/O接口原理图如图3.18（b）所示。 图3.17 8255与8031连接图 （a）表3.6 8255的口地址选择 A1 A0寄存器00输出寄存器A（A口）01输出寄存器B（B口）10输出寄存器C（C口）11控制寄存器（控制口）（a） （a）（b）图3.18 I/O口扩展电路原理图 （a）图3.18中，输入输出信号全部经光电耦合电路，光电耦合电路如图3.19所示：图3.19 光耦电路图图中，当有信号输入时，如果是低电平，发光二极管导通发光，三极管导通，输出低电平，即接收了低电平；相反，如果是高电平输入，发光二极管截止，三极管不导通，输出高电平，即接收到了高电平。同理，当有信号输出时，二极管如果接收的是低电平，则导通发光，三极管导通，输出低电平；相反，如果二极管接收到的是高电平，则截止不发光，三极管也截止，则输出高电平。3.5 显示电路设计3.5.1 数字动态显示电路设计显示电路是为了实现人机交流信息而设计 的，由于需要三排LED动态显示，所以要有从CPU，选用89C2051芯片作为从CPU来控制显示器。显示器选用控制简单、价格低廉的LED显示器。图3.20 89C2051引脚图 （a）所采用的89C2051，属于CMOS高性能8位单片机，自带2K字节内闪可编程、可擦除只读存储器。管脚封装为20引脚，与8751相比只去掉P0口、P2口，片内都一个模拟电压比较器，结构紧凑，体积小。用它设计产品，外围元器件少，接口技术简单，缩小电路板面积，成本低，开发容易，可广泛应用于小型简单不需很多I/O口控制的各种智能产品设计。89C2051的引脚图如图3.20所示。作为从CPU的89C2051芯片与8031芯片的连接如图所示3.21所示。电路图中，89C2051芯片的P1口是双向8位I/O端口，由于P1.2P1.7引脚有内部上拉电阻，所以它可与锁存器的输出端直接连接，而P1.0和P1.1需要外部上拉电阻，要分别接R23和R24两个5K的电阻。P1口P1.0P1.7分别接锁存器74LS273的输出端口Q1Q8，74LS273的输入端D1D8分别接8031的P0口D0D7，它的选通输入端11引脚写控制输入端WR控制，当WR时，74LS273的11脚产生上升沿，开始触发DQ。P3.2接法与74LS273的11脚接法相同。复位输入端RST的接法采用的常用复位接法，在没有按下按钮S10时，+5V的电源给电容C7充电，节点处为高电平，经反向器变为低电平，即RESET端的输入信号为低电平。相反，当按下按钮S10时，电容C1放电，节点处为低电平，经反向器输出高电平，RESET端因为接收了高电平，从而实现了复位，该引脚上只要有两个机器周期的高电平即可复位89C2051， 电阻R19取值10K与+5V电源相连，电阻R18取值30与按钮S10相连，电容C7取值10F。振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端XTAL1和振荡器反相放大器的输出端XTAL2接法和8031单片机相同。89C2051的P3.7接8031的P3.0脚6。与89C2051相连的显示器是单片机应用系统人机对话中常用的输出装置，LED显示器由于其简单的结构和低廉的价格，对于要求不是很高的经济型数控螺纹车床控制系统来说是一个很好的选择。LED显示器是由发光二极管构成的图3.21 89C2051,74LS273与8031连接 （a）字段组成的显示器，有8段（含小数点）和16段（“米”字）管两大类。如图3.22所示。图3.22 8段和16段数码管外形 （a）图中的ag七个笔划（段）及小数点dp均为发光二极管。数码管显示器根据公共端的连接方式，可以分为共阴极数码管（将所有发光二极管的阴极连在一起）和共阳极数码管（将所有发光二极管的阳极连在一起）。由于数控螺纹车床控制系统硬件电路需要有三排数字显示，每排又有6位，硬件较多，如果采用静态显示，则占用的硬件资源较多，虽然动态显示占用CPU的时间较多，但两者比较，还是选择动态显示。所谓动态显示就是所需显示字段断续通以电流，在需要多个字符同时显示时，可以轮流给每一个字符通以电流，逐次把所需显示的字符显示出来。此次数控螺纹车床控制系统扩展的三排数字显示LED数码管选用共阴极型。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通过译码器74LS138的六个输出端用来作逐位扫描控制。在每个段笔画要串一个300的限流电阻。笔画的选择称为段选，公共端的选择称为位选。所采用三排8段数码管，它们由从CPU（89C2051）控制。因为有6列数码管显示，所以还需要一个译码器，选用74LS138芯片即3线8线译码器。89C2051的P3口P3.3、P3.4、P3.5线分别接74LS138的选择输入端A、B、C（1、2、3引脚），则译码器的8个输出线Y0Y7任选6个可分别控制数码管的显示。89C2051单片机依次发出段选控制字和对应哪一位LED显示器的位选控制信号，三排LED显示器逐个循环电亮。适当选择扫描速度，利用人眼“留光”效应，使得看上去好像这几个显示器同时在显示一样。图3.23 74LS164引脚图 （a）三排LED显示要实现动态显示还需用到8位移位寄存器74LS164，它的特点是具有选通串行输入端和一个异步清除输入端。74LS164引脚如图3.23所示，因为要有三排数字显示，所以需要三片74LS164芯片。每片的串行输入端A、B都并接在一起，其中一片U29的输入端接89C2051单片机的P3.0端，用于Z轴坐标的动态显示，当选通串行输入端输入低电平时，禁止进入新数据，并把第一个触发器在下一个时钟脉冲来后复位到低电平时，选通串行输入端（A和B）可完全控制输入数据。74LS164芯片的工作方式见表3.7，实现移位功能。表中，代表任意状态；QA0、QB0QH0代表在稳态输入条件建立之前QA、QBQH的输出状态；QAn、QBnQHn代表在最近的时钟上升沿转换之前QA、QBQH的输出状态；H/L、QAnQBn代表在最近的时钟上升沿转换之后QA、QBQH的输出状态。串行时钟输入端CLK接89C2051单片机的P3.1端，虽然不管时钟处于高电平或低电平时，串行输入端的数据都可以被改变，但只有满足建立条件的信息才能进入，时钟控制发生在时钟输入由低电平到高电平的跃变上，即发生在上升沿状态时。另两片74LS164芯片的接法相似，只是在选通输入端接法不同，在电路连接原理图中，U26的输入端接U27的输出端QH，U27的输入端接U28的输出端QH。三排LED数码管与89C2051芯片所构成的动态显示电路图如图3.24所示。表3.7 74LS164功能表输 入输 出清零 时钟A BQA QB QCL L L LHL QA0 QB0 QH0HH HH QAn QG nHL L QAn QG nH LL QAn QG n3.3.2 功能字显示电路设计功能字显示电路选用16段数码显示器，它是“米”字管，用它可实现字母显示。8段数码管只能实现数字及字母AF的显示，所以为了实现机床所有功能字都能显示，选择了16段数码管。在我们的接触中，16段数码管很少见，通常见到的都是8段数码管。它的工作原理与8段数码管相同。实际上16段数码管实现的是静态显示，所谓静态显示就是需要显示的字符的各字段连续通电，所显示的字段连续发光，即功能字是一直点亮的。为了实现静态显示功能，需要采用74LS273锁存器将8031传递的数据锁存器来。74LS273芯片的功能主要锁存，由于74LS273只有8个输出端Q1Q8,则需要2片74LS273来连接16段数码管，2片芯片的Q1Q8分别接16段数码管的a,a1,b,c,d1,d2.e,f以及g1,g2,h,I,j,k,l,m口。当系统需要显示时，8031单片机便将要显示的数据送锁存器74LS273（U5、U6）的D1D7口锁存。锁存器将显示码送至16段数码管DS1显示。若没有新数据送显示器，则8031单片机便去做其他工作，这样就能现实静态显示。16段数码管显示器与8031所构成的静态显示如图3.25所示。显示电路原理图如图3.26所示。图3.24 数字动态显示电路原理图 图3.25 功能字静态显示电路原理图 图3.26 显示电路原理图 3.6 步进电机控制信号输出电路设计 通常，用做锁存器的芯片有74LS273、74LS377、74LS373、8282等。在此次设计中，X轴、Z轴步进电机正、反转脉冲信号要经锁存器输出，此锁存器采用74LS273芯片。74LS273的引脚图如图3.27所示。图3.27 74LS273引脚图 （a）74LS273的工作方式见表3.8。74LS273与8031单片机的连接如图3.28所示图3.28 74LS273与8031单片机的连接 （a）CLRCLKDQ0011110010Q0表3.8 74LS273功能表图中，锁存器74LS273的D1D8的端分别与8031单片机的P0口的P0.0P0.7相连，74LS273 的Q1Q4输出步进电机的X轴、Z轴的脉冲信号，74LS273的CLK端由译码器的输出端Y2和8031单片机的WR信号共同决定，当8031单片机向74LS273输出数据时，先把要输出的数据放在累加器A中，然后执行一次以4000H为目的地址的传送操作，这时P2.7=0，P2.6=1, P2.5=0,在WR脉冲的作用下，CLK端得到一正脉冲，使得经P0口输出的数据被锁存在74LS273输出端。当然输出需要接光耦电路，光耦电路的接法和前面扩展输入输出口所接的光耦电路相同，原理也相同。3.7 译码电路设计3.7.1 扩展芯片选择译码电路设计图3.29 74LS138引脚图 （a）8031单片机允许扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，这样就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。所以需选用译码电路。常用的译码器有74LS138（3/8译码器）、74LS139（双2/4译码器）、74LS154（4/16译码器）等。此次设计采用的是74LS138译码器。引脚图如图3.29所示。由于此次数控螺纹车床控制系统容量较大，扩展的外围芯片较多，如8155芯片、8255A芯片、6264芯片、四片74LS273芯片，以及六列LED显示器，所以需要两片74LS138译码器。一片用于选择六列LED显示器部分，另一片用于选择上述的剩下的所有芯片。由于芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用全地址译码的方法。所谓全地址译码就是将它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。，利用这种地址编码的方法，除了片内地址线以外，剩余的高位地址线全部参加译码。用于选择8155芯片、8255A芯片、6264芯片以及4片74LS273芯片的38译码器（74LS138），输入占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，即8031单片机的P2.5、P2.6、P2.7分别接74LS138译玛器的输入端A、B、C，正常工作时候，赋能端G1要接高电平，G2要接低电平，74LS138与各芯片的连接图如图3.30所示。根据译码电路接线，确定各外扩芯片的地址空间或入口地址见表3.9。表3.9 芯片地址表芯片地址线地址A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A062641 1 0 C000HDFFFH81551 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 A口 E101HB口 E102HC口 E103H 82551 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A口 8000HB口 8001HC口 8002H273（U5） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000H273（U6） 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2000H273（U4） 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A000H273（U7） 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4000H表3.9 芯片地址表图3.30 74LS138与外围各芯片连接电路原理图 （a）输入输出关系功能表见表3.10。表3.10 74LS138译码器功能表 输 入输 出赋能选择G1 G2C B AY0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 H H H H H H H H HL H H H H H H H HH LL L LL H H H H H H HH LL L HH L H H H H H HH LL H LH H L H H H H HH LL H HH H H L H H H HH LH L LH H H H L H H HH LH L HH H H H H L H HH LH H LH H H H H H L HH LH H HH H H H H H H L3.7.2 显示位选择译码电路另一片译码74LS138，它的六个引脚输出端分别接六列的显示器的阴极，用于控制显示器是否选通显示，它的选择输入端A、B、C分别接89C2051的P3.3、P3.4、P3.5，赋能端G1接高电平，G2接低电平。与六列LED显示器的连接74LS138译码器的输出端不能直接与LED的共阴极相连，还要接一个同向门，用来提高它的驱动能力。显示位选择译码电路原理图如图3.31所示。图3.31 74LS138与LED连接电路原理图 （a）图3.31 74LS138与LED连接电路原理图 （a）第四章 控制系统原理图及PCB图的绘制 使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理论应用到实际的第一步，之前的设计环节只停留在理论设计方面，所以此环节是整个设计的重中之重，此环节成功了，整个设计才能说是成功了。4.1 控制系统电路原理图的绘制方法及步骤数控螺纹车床控制系统电路原理图草图画好之后，就可以通过Protel绘制原理图了。目前比较流行的计算机绘制电路图软件有Protel，Orcad，PADPower等。其中Protel是国内使用和最为流行的计算机绘制电路图的软件。1998年美国的A CCELTechnologiesDos公司推出了TANGO电路设计软件包，几年之后又由Protel TechnologiesDos公司推出ProtelforDos软件包作为升级版本，随着windows操作系统的开发，Protel始终是PC平台上最流行的EDA工具软件之一,2001年Protel公司推出Protel DXP，功能得到了进一步的增强，新功能如下：1）全新的设计方法； 2）全新的设计界面；3）在原理图中添加PCB设计规则；4）多通道设计；5）组装变量控制；6）集成元件库；7）增强的自动布线器；8）增强的PCB布板功能。总之，Protel DXP集强大的设计能力，复杂的工艺的可生产性和设计过程管理于一体，可以完整的实现电子产品从电学概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及中间所有的分析和验证。绘制原理图时，首先应该启动Protel DXP，进入原理图的设计环境，点击Files/New/Schematic选项，新建一个名为sheet.schDoc的原理图文件。可以通过Files/Save as重新命名原理图。在编辑原理图之前，要根据原理图的复杂程度等因素选择合适的图纸类型，尺寸等点击Design菜单下的Option命令，弹出对话框内选择sheet Option标签，其实Standard Style用来设置图纸的大小，考虑到数控螺纹车床控制系统设计元器件较多，测选用A2图纸进行绘制。设置完设计环境后，开始放置元件，通过加载Protel DXP自带的元件库，然后在库中寻找所需元件，找到后进行元件的放置。由于8031，8255，8155等芯片在Protel DXP自带的元件库中无法找到，所以需要自己对其进行封装。在Protel DXP环境下选择系统菜单File/New/PCB Library，创建一个新的空白的PCB文档，保存这个文件，开始进行元件的封装。点击集成环境底部左端标签PCB Library，此时打开了PCB Library标签页，Add用于在封装库中创建新的封装，点击Add，系统打开元件封装创建向导Component Wizard，选择封装选择列表框中的双列直插封装Dual in-line Package（DIP）,点击Next进入下一步，进入设置元件的DIP封装焊盘各个尺寸，而后按下Next，进入元件封装外廓线宽设置，完成后点击Next，设置封装焊盘数量，例如8031芯片，应该选择40个焊盘,设置完毕后，选择Next进入封装命名对话框，此时输入DIP40完成元件封装的创建。创建完封装后，就可以创建元件库文件了，点击File/New/Schematic Library命令，建立一个新原理图元件库，并且保存该元件库。在绘图工具箱中点击矩形绘图工具，绘制元件的轮廓，完成后，点击工具箱的放置管脚按钮，在元件体上需要放置管脚的地方点击鼠标放置管脚。完成后，双击想要编辑的管脚，按照元件的管脚图，设置各个管脚的属性。完成后，保存该元件库。为了能在原理图中调用自己创建的元件，所以需要创建集成的元件库，在上面创建的基础上，在Protel DXP环境下选择菜单File/New/Integrated Library，创建空白的集成元件库，而后选择菜单File/Save Project保存该集成库。完成上述操作后，鼠标点击集成环境底部标签Project，打开Project标签页，鼠标右击集成苦项目，导出引导式菜单，选中子项Add to Project，在集成库项目中加入先前创建原理图元件库和PCB元件库。再次保存集成库项目。点击原理图元件库，选择表单Model下方的按钮Add为所创建的原理图元件指定一个封装形式。点击Add按钮，打开对话框Add New Model，在对话框的Model Type下拉列表中选择封装Footprint，而后确定，系统打开PCB Model对话框，在对话框中点击Name编辑框后面的Browse按钮，弹出Browse Libraries中选取适当的封装库，点击OK选择完成。上述过程中创建了一个集成元件库，但是这个库还不能直接应用到电路设计中，需要对其进行编译，生成IntLib文件才能被调用。选中系统菜单Project/Compile Integrated Library,系统编译前面的集成元件库项目，最终生成集成库，此时的集成库才能在原理图中被调用并且存在封装形式10。将元件放置完成后，利用Protel DXP提供的各种画线工具和指令将元件用 导线连接起来，构成一个完整的电路原理图。在连接时要注意布线须符合的电气规则。在绘制时，为了使原理图清晰易懂，可以用总线来代替多条信号线，但是要注意的是，总线仅是示意性的电气连接，真正表示管脚之间联系的是网络标号。一张原理图中网络标号相同表示它们是连接在一起的。使用Place/NetLabel菜单命令，移动光标放置网络标号。在布线的同时，也要进行电源，地线以及网络标号的放置。在放置网络标号时，一定要等标号的左下角光标显示为红色时再点击鼠标将其放下。在放置元件时由于元件数量较多，往往会忘记对元件进行编号，为了防止遗漏或者重复编号，可以同过Tool/Annotate命令来对元件进行自动的标号，在弹出的对话框中，选择Update Changes List按钮后，点击Execute Changes按钮，完成元件的自动标注。至此整个原理图绘制完成，通过点击Project/CompileAllProject选项编译项目，然后点击Navigator工作面板的Compile按钮，通过Messages对话框查看错误，并且修正这些错误。由于自己在创建元件库时对某些管脚的设置错误，使得在编译时总是出现错误，最后在老师的指导下修正了完成。当编译无误时，点击Desige/Netlist/Protel菜单，系统将自动生成原理图的网络表文件。4.2 控制系统电路PCB图的绘制方法及步骤前面所画的电路原理图只表示各元件之间的连接关系，并不能代表元件的实际安装情况。之所以画电路原理图就是为了绘制电路的PCB图，这才是最终的目的所在，画好原理图只不过是为设计电路板图提供基础。电路板就是所有电子产品都具有的焊接元件的基板。首先应该创建一个PCBProject，在Protel环境下点击File/New/PCB Project保存该项目，将通过Add Project将画好的原理图添加进这个Project中，然后点击File/New/PCB，创建一个空白的PCB文档，并且保存，此时这个文件的命名应该与原理图的命名一样，否则原理图将无法调入。选择菜单Design/Import Changes from，导入原理图，导入原理图中存在很多的错误，导致有的元件无法导入，通过老师的指导以及同学的帮助，对某些元件的管脚进行了重新设置。最后所有的元器件都被导入，并且没有错误存在。调入元件完成后，进行PCB禁止布线层的设置。PCB的禁止布线区用于限制PCB布线中的走线范围，在PCB自动布线操作中，布线器按照一定算法在禁止布线区外布线。禁止布线层上绘制禁止布线区时，首先选中PCB编辑器绘图区底部层面选择区中的禁止布线层Keep-Out Layer，将其设置为当前工作层，选好工作层后，利用菜单Place/Line，在PCB板框内部设置一个封闭的矩形，设定PCB的禁止布线区。由于元件比较多，所以默认的PCB板框需要扩大才能放下所有的元件。可以通过PCB的编辑器Design/Board Sharp菜单实现，子菜单中，Define from selected objects用来根据选定的对象定义PCB的外廓；Redefine Board Shape用来重新定义PCB外廓，此时定义好的PCB内部区域变为绿色，绘图区光标变为十字形状，移动鼠标，点击鼠标左键，再次绘制一个封闭的多边形，可以重新定义PCB；MoveBoard Vertices用于编辑PCB外廓定点选中该项, PCB内部区域变为绿色，同时突出标明边框的顶点与中心，鼠标左键选中并拖动这些突出的顶点和中心，可以修改PCB的外形；Move Borad Shape用于移动PCB，此时板上的对象不随之移动。重新设置了PCB板框的大小后，将调入的元件逐个拖入板框中，尽量让原理图中在一起的元件放在一起，这样对以后的自动布线有好处，元件与元件之间不能太挤，否则可能无法自动布线。通常走线方面要设置的有安全距离、走线转角方式、走线层次和走线方向、走线优先次序、走线模式、走线过孔形式、SMD元件焊盘脖颈、SMD焊盘与走线拐角之间的距离限制、SMD与平面之间的限制以及走线线宽等。制造方面要设置的有走线与走线之间的最小夹角、最大最小孔尺寸、最小环宽、锡膏层延伸、铺铜的连接方式、电源层安全距离、连接到电源层的方式、阻焊层延伸量等。在这些工作都做好之后，使用Auto Route/ALL菜单命令，在弹出的窗口单击Route All按钮，就可以看到屏幕上在自动布线，最终完成布线。布线完成后，选择菜单Place/Polygon Plane，系统弹出覆铜属性设置对话框，在Net Option选项组中的下拉列表Connect