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机械机电毕业设计论文
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毕业设计13供水管道恒压智能控制系统设计,机械机电毕业设计论文
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浙江工业大学浙西 分 校 毕业设计（论文） 课题名称： 单片机控制的智能型自动名茶炒制机 学生姓名： 郑雪君 系 （部）： 信息与电子工程系 专业班级： 04 工自 (1)班 指导教师： 黄云龙、朱秋琴、廖东进 职 称 ： 副教授、 助教、 助教 2007 年 6 月 1 日 nts 摘 要 本文 根据 传统炒茶工艺中存在的不足和缺点，将单片机控制技术应用 于炒茶工艺中，实现单片机控制的智能化炒茶。该系统解决了传统炒茶工艺中耗时长、对人员炒茶技术要求高、无法大规模生产等缺点。 本机械将单片机的体积小、功耗低、价格低、品种规格系列化、硬件具有广泛的通用性、有专门的开发系统等优点结合起来，对制茶机的炒制方法跟对炒锅温度的控制结合在一起，实现了自动化生产。 本文根据热电偶测温再经过放大器放大后把模拟量经 A/D 转换器转换成数字信号传送给单片机， 数字量经单片机内部存储数据的比较再经过光电隔离再控制可控硅进行对温度的控制。本 设计以 8031 单片机为主体的控制系统 构成 一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器，使其既可与微机配合构成控制系统，又可作为一个独立的单片机控制系统，具有较高的灵活性和可靠性。单片机根据输入的各种命令，进行智能算法得到控制值，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而加热电炉。 关键字 :温度控制 ,热电偶传感器， A/D 转换器， 单片机 nts Abstract This article according to the traditional tea to fry the insufficiencyand the shortcoming which in the system craft exists, applies themonolithic integrated circuit control technology to the tea fries inthe system craft, realizes intellectualized tea trillion system whichthe monolithic integrated circuit controls. This system solved thetraditional tea to fry long in the system craft consumed when to thepersonnel tea fries the system specification to be high, to be unableshortcoming and so on large scale production. This machinery the monolithic integrated circuit volume small, thepower loss low, the price is low, the variety specification seriation,the hardware has the widespread versatility, has merit and so onspecial development system unifies, fries the system method to thesystem tea machine with to the wok temperature control to unify intogether, has realized the automated production. This article according to the thermo-element to measure warm enlargesagain after the amplifier, the simulation quantity transforms thedigital signal after the A/D switch to transmit gives the monolithicintegrated circuit, the digital quantity after the monolithicintegrated circuit interior stored datum comparison, again passesthrough the photoelectricity isolation, thus controls thesilicon-controlled rectifier to carry on the temperature the control.This design constitutes take 8,031 monolithic integrated circuits asthe main body control system to be able to carry on the more complexdata processing and the plurality of controls function intelligentcontroller, causes its both to be possible with the microcomputercoordination constitution control system, and may take an independentmonolithic integrated circuit control system, has a higher flexibilityand the reliability. The monolithic integrated circuit basis inputseach kind of order, carries on the intelligent algorithm to obtain thecontrol value, the output pulse trigger pip, has triggered theelectric circuit through zero to actuate the bidirectionalsilicon-controlled rectifier, thus heats up the electric stove. Essential character: Temperature control, thermocouple sensor, A/Dswitch, monolithic integrated circuit nts 目 录 摘 要 . 1 ABSTRACT. 2 第 1章 绪论 . 3 第 2章 方案论证比较设计 . 7 2.1 单片机概述 . 7 2.1.1 硬件 . 7 2.1.2 软件 . 7 2.2 步进电机的工作原理 . 8 2.3 步进电机工作方式的选择 . 9 2.3.1 控制步进电机换向顺序 . 10 2.3.2 控制步进电机的转向 . 10 2.3.3 控制步进电机的速度 . 10 2.4 单片机控制步进电机的设计思路 . 10 2.5 设计的要求 . 10 第 3章 控制系统的硬件电路设计 . 12 3.1 SPCE061A的介绍 . 12 3.1.1 性能 . 12 3.1.2 结构 . 13 3.1.3芯片的引脚排列和说明 . 13 3.1.4 SPCE061A单片机硬件结构 . 14 3.1.5 Nsp TM的核心结构 . 16 3.1.6寄存器组 . 17 3.2步进电机的选择 . 18 3.3 步进电机的驱动电路设计 . 18 3.3.1多个功率放大器件驱动电机 . 18 3.3.2 L298N芯片驱动电机 . 18 3.4数码管显示电路的设计 . 20 3.4.1串行接法 . 20 3.4.2并行接法 . 20 3.5 4X4键盘电路的设计 . 21 第 4章 控制系统的软件电路设计 . 23 4.1 控制脉冲的产生 . 23 4.2 步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系 . 24 4.3 步数的确定 . 25 4.4 步进电机的变速控制 . 27 4.5 双机通讯的程序设计 . 137 结 论 . 42 参考文献 . 43 致 谢 . 44 附录 . 45 nts 第一章 绪 论 1.1 引言 在我国现有的炒茶机的 各种机型中 很难找到技术含量高、特别是可以 实 现自动化加工、连续化生产 的机械产品 的 不足与缺点，本机械将单片机的体积小、功耗低、价格低、品种规格系列化、硬件具有广泛的通用性、有专门的开发系统等优点结合起来，对制茶机的炒制方法跟对炒锅温度的控制结合在一起，实现了自动化生产。 nts 本文 根据 传统炒茶工艺中存在的不足和缺点，将单片机控制技术应用于炒茶工艺中，实现单片机控制的智能化炒茶。该系统解决了传统炒茶工艺中耗时长、对人员炒茶技术要求高、无法大规模生产等缺点。 通过生产新型机械和对旧机械的技术改造使制茶机能实 现茶机的连续化、自动化生产。 1.2 机械制茶机的现状 据估算，目前全国 70%以 上的茶己全部或部分使用机器炒制，自 20 世纪60 年代出现炒茶机械化以来，各种杀青机、理条机、烘干机均有快速发展，各种机器的加工质量在各自相应的工序中能达到甚至赶超手工炒茶相应工序中的质量，但是每种机器只能完成一道或两道土序，因此加工效率较低 ;20 世纪 90年代以来研制的多功能炒茶制机，如 6CDM-42 型多功能机集杀青、理条、压扁、辉干于一体，大大提高了炒茶的加工效率，但各工序之间是脱节的，即不能进行流水线生产。 近年试制的电脑控制型龙井茶炒制机将土艺参数贮存于控制器中，对龙井茶加土过程中的温度、时间、转速及加 压、停机等动作进行了自动控制，实现了龙井茶青锅与辉锅的自动化加工，进一步提高了加工效率，但是，受该系统中多功能机结构的限制，并没有实现流水线生产。因此，为了进一步提高炒茶制机的自动化水平，实现炒茶的流水线生产，迫切需要研制适用于连续加工的多功能炒茶机 1.3 单片机技术现状 单片机可应用于电话机、寻呼机、对讲机等电信设备，电视机、录像机、摄像机、 VCD 机、洗衣机等家用电器，电子玩具，计算机外围设备，办公自动化设备，工业控制设备、仪器仪表，军用设备等等。有人这样说 :“凡是能想到的地方，单片机都可以用得上”， 这并不夸张。全世界单片机的年产量数以亿计，应用范围十分广阔，许多科技期刊还专门开辟了单片机专栏。 单片机应用的意义不仅仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益，更重要的还在于从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。以前，必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念，随着单片机的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，而单片机的应用必将更加深入、更加广泛。 目前 ，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低 价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势 : (1)CMOS化 (2)低功耗化 (3)低电压化 (4)大容量化 (5)高性能化 (6)外围电路内装化 串行扩展技术 在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位 OTP（ One Time Programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片 内，推动了单片机“ 单片 ” 应用结构的发展。特别是 I C、 SPI 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。 nts 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中， 80C51系列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司将其MCS 51 系列中的 80C51 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 IC 制造厂商，如 Philips、 NEC、 Atmel、 AMD、华邦等，这些公司都在保持与 80C51单片机兼容的基础上改善了 80C51 的许 多特性。这样， 80C51 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为 80C51 系列。 80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的 MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明， 80C51可能最终形成事实上的标准 MCU芯片。 我国在 80 年代初就开始引进了单片机，在资金严重不足的情况下，自行研制了开发工具和应用软件，根据我国的实际生产需要和借鉴国外单片机应用实例，逐步在我国开展了单片机的应用工作，现在各行各业都可看到单片机应用的踪迹。 与世界的单片机 发展，应用情况相比，我国处于相当落后的状态。据统计，1995年我国单片机产品的实际产量仅为 1000 万片，占世界产量的百分之几，人均单片机的拥有量还不足一片。从单片机使用角度看，我国单片机使用面虽广，但是使用的批量也仅集中在空调，洗衣机及电饭煲等家用电器中。可见我国的单片机市场很大，尤其在智能仪表和智能传感器，通讯，测控网络和现场总线，农用单片机以及智能 IC卡等方面都有着广阔的前景，可以大大拓帘单片机应用领域 1.3.1 单片机在机械控制中的发展状况 电机是与电能的生产、传输和使用有着密切关系的电磁机构。在日常 生活中，电机的使用随处可见，比如 :在很多场合大量使用各种电动机作为原动机，用以拖动各种机械设备 ;在军事、信息和各种自动控制系统中，使用大量的控制电机，作为检测、执行和计算等元件。 电机运动控制技术以电力半导体变流器件的应用为基础、以电动机为控制对象、以自动控制理论为指导、以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计 (CAD)为手段，并且与检测技术和数据通信技术相结合，构成一门具有相对独立性的科学技术。在生产设备和过程自 动化中发挥着日益 重要的作用。 真正意义上的电机运动控制系统是在 20世纪 30年代出现的，当时是晶 闸管、引燃管，而后是磁放大器、磁饱和电抗器作为静止变流器，形成了新一代电机运动控制系统。 随着新型电力电子器件、自动控制理论以及微处理器技术的发展，电机运动控制系统发生了巨大的变革。到了 21 世纪的今天，电机运动控制系统的技术水平更是提高到了一个新的高度，无论是应用的广泛程度，还是研究的深入程度都是过去人们想象不到的。 1.3.2 单片机在温度控制中的应用 单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场合的智能温度 控制器应运而生。在科研、生产中，常常需要对某些系统进行温度的监测和控制。需检测和控制的温度系统一旦确定，其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确定了。这时，影响系统热平衡的因素主要有：系统温度 T、设定温度 Ta、系统周围的环境温度 Ts 以及加热方式和调节方法。目前已有的实nts 现温控的方法有很多种，如：油浴恒温法、比例式、积分式及其组合的调节方法等等，其中有的方法达到热平衡需要的时间很长，但是其控温精度很高，而有的是达到热平衡的时间短，但其控温精度却不够高。 1.4 热传感器的发展现状 温度是一个基本的物理量，自然界中的 一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查， 1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从 17 世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、 PN 结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红 外传感器和微波传感器。 温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。众所周知，日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化。 最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1.5 课题来源，研究内容及研究结果 1.6 毕业设计任务 nts 第二章 单片机对炒茶过程的控制及各部分参数要求 2.1 炒茶的总体过程 及框图 图（ 1）炒茶过程的框图 鲜叶摊放 6-8h分筛 青锅 8min使茶叶脱水 摊凉回潮 回潮 40-60 min 辉锅 4-6min使茶叶定色型 微波加热 使茶叶水份符合标准 nts 2.2 炒茶各环节的参数要求 2.2.1 鲜叶摊放 一般鲜叶摊放厚度 3-6 cm,摊 放 6-8h,至手感捏叶有自然弹性，不粘手不戳手，含水量 68%一 70%时炒制。 2.2.2 青锅 炒制机，投叶炉膛温度一般在 240 (相当于锅体 120左右 )，将鲜叶快速均匀地投入锅中，可听到“喳喳 .”响声。每锅投叶量为 250 一 450g，炒手带着鲜叶，锅内茶叶翻炒 2-3 min 后，叶了开始萎瘪，梗了发软，叶色发绿， ， ，炒手开始捺扭茶叶。初始宜轻，以后根据茶叶干燥程度逐步加重压力，并用微电脑控制调控方式讲行炒制，促使芽叶扁平成条，至手感芽条还有韧性，含水率在感茶条还有韧性，含水率在 30%一 40%时即可停机 出叶。青锅时间一般需 8 min 左右。 2.2.3 微波 加热 当茶叶经过青锅后在同一时间经过烘箱传送加热 ,并通过微波技术使茶叶的水份达到要求 .从而使茶叶的口感跟佳 ,使得机器茶有人工茶的口感 . 2.2.4 摊凉回潮 快 速摊凉，并回潮 40-60 min，经簸、拣筛后即可辉锅。 2.2.5 辉锅 炒制机辉锅，投叶炉膛温度一般在 200 (相当于锅体 80左右 )，青锅叶两锅并一锅均匀地投入锅中，芽叶自然翻炒 1min，手感回软发烫，调整炒手扭力，采用微电脑调控方式进行压捺、摊磨。炒制 1. 5 mir 生右，茶条手感还有韧 性，折不断时，调整炉膛温度下 170左右，加扭程度到最重，然后再炒制 1 min 左右，其间适时调整微电脑调控方式，至茶叶扁平光滑，折为断时，即可调减压力，停机出叶。辉锅时间一般需 4-6min 2.3 单片机对炒茶过程的控制 及框图 框图中 各 部分参数具体说明如下： （ 1） 1#锅体温度： 青锅 投叶炉膛温度在 240 (相当于锅体 120左右 )。 （ 2） 2#锅体温度：青锅在 2-3 min后，调整炉膛温度至 220左右 。 （ 3） 3#锅体温度：辉锅 投叶炉膛温度在 200(相当于锅体 80左右 )。 （ 4） 4#锅体温度： 辉锅 炒制 1.5min后，调整炉膛温度至 170左右 。 nts 图（ 2）炒茶温度控制系统框图 第 三 章 单片机对温度传感器的控制 3.1 机械概述 机型主要由长形半圆炒茶锅、长形炒叶板、传动机构、热源装置、控温仪表和机架等组成。长形半圆炒茶锅用薄钢板卷制，直径约 60cm,锅口后半部装有挡叶罩板，中部装有主轴，主轴两端通过放射形撑杆装有 4 块长板形炒手，炒板上敷有弹层。炒叶板由主轴带动可实现对锅内加工叶的翻炒，由于主轴两端弹性装在机架上并在凸轮轨道的控制下，使得炒 叶板通过锅底时与锅壁间隙最小，从而实现加压 ;为了使加压更有效，同时还设有脚踏板，当踩下踏板后通过连杆使整个主轴和炒叶板部件向下，炒叶板便对加工叶施以重压并使其在锅壁上产生一定滑动，起到磨光作用。锅的下方装有热源装置，使用温控仪调控锅温 3.1.1 系统的组成 炒制机由曲线形炒茶锅、机架、热源、炒手、加压装置、传动结构和微电脑控制系统等机构组成，曲线形炒茶锅以薄钢饭冲压而成。机架山角钢焊接，外装护板，炒茶锅、热源、传动机构、加压装置都装在机架。热源采用电热管加热，设置在炒茶锅下部，以硅藻上保温材料一隔热，通过微 电脑控温系统的温控设置，直接对锅体加温、炒手由炒板和划杆组成。划竿是一块直线形钢片，一端折边，与炒板一起联结在炒叶锅内部的炒动轴和凸轮上。传动机构山电机 ,V 带、链轮、减速箱组成，带动传动轴，使炒乎在凸轮轨迹上顺时针运转。 单 片 机 温度设定 温度显示 温度报警 传感器 温度检测 2#温度控制 1#锅体温度 120 1#温度控制 3#锅体温 度 80 2#锅体温度 110 3#温度控制 4#温度控制 4#锅体温度 70 nts 3.1.2 系统优点 茶炒制机结构较为简单、易于操作，使用得当情况下炒制的龙井茶和扁茶品质较好，加上机器加工制造技术也较简单 ，成本也比较低而且能对旧机器进行改造。 3.2 控制系统的工作步骤 炒手在微电脑控制系统的调控下，形成二种不同的炒制方式 :第 1 种是炒板在锅内塌炒一下，翻炒一下 ;第 2 种是 炒板在锅内塌炒一下，翻炒一下 ;第 3 种是炒板在锅内塌炒一下，翻炒一下。因此，产生不同的炒制效果。加压装置采用手调和脚踏相结合，其连杆联接凸轮，通过调整凸轮的位置，使加压的轻重效果不同，加压轻重程度由机架上的导杆显小 炒制机作业时，热源对炒叶锅加热，开动电机，传动机构带动传动轴，使炒手在凸轮轨迹上作顺时运转。在适宜温度控制下，将鲜叶均匀投入炒茶锅内，随着炒板和划竿运转，并通过锅壁的高温炒制，加上叶的酶活性很快被破坏，完成杀青上序。加上叶在炒制过程中，由于炒叶板、划竿的特殊结构与炒茶锅的有机结合，加上叶能够 沿轴向顺序排列，被不断翻炒卷紧，得以杀青、理条。当杀青叶理条到一定程度，可用控制力式进行炒制，直至完成青锅作业。青锅叶摊凉回潮，使茶条水分分布均匀。摊凉结束，将青锅叶两锅的量投入一锅，继续翻炒理条，待茶条回软时理条结束，加重炒手，采用适宜调控方式进行炒制，在不同力的作用下，使加上叶在干燥的同时使茶条变得扁平光滑，直到全部成形，完成龙井茶个程加上。为了适应不同炒制阶段的上艺需要，微电脑控制扁形茶炒制机设置不同的炒制力式和路径，使炒板的炒制动作可按加上叶进程变化需要灵活调控掌握 ;同时，微电脑控制系统可根据炒制过 程中锅温需要灵活调控电热管开关，保证加上叶质量 3.3 单片机对温度传感器的控制过程 图（ 3）单片机控制温度传感器的框图 3.3.1 温度传感器的概述 近百年来温度传感器的发展大致分为三个阶段： 1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。 2.模拟集成温度传感器 /控制器。 3.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。 分立式温度传感器 模拟集成温度传感器 模拟 集成温度控制器 智能温度传感器 智能温度控制器 温度传感器 单片机 放大器及放大电路 A/D 转换器及电路 nts 3.3.2 温度 信号测量 温度信号测量由三端稳压器 VR时（被测电压输入绝对值大于参考电压）， OR 端输出低电平 1916 DS1DS4 多路选通脉冲输出端。 DS1对应千位， DS4对应个位。每个选 脉冲宽度为 18个时钟周期，两个相邻脉冲之间间隔为 2个时钟周期 2023 Q0Q3 BCD码数据输出线，其中 Q0 为最低位， Q3为最高位。当DS2、 DS3和 DS4选通期间，输出三位完整的 BCD 码，即09十个数字中任何一个都可以。但在 DS1选通期间， Q0Q3除了表示千位的 0或 1外，还表示了转换值的正负极性和欠量程还是过量程 24 VDD 正电源端。典型值为 +5V 引脚功能表 5G14433功能框图 多路选择开关锁存器Q0Q3 DS1DS4极性判别个位 十位 百位 千位 溢出逻辑控制C M O S 线 性 电 路时钟实时显示 转换周期过量程V R 基 准 电 压V A G 模 拟 地V x 被 测 电 压5G14433功 能 图3.极限参数 电源电压： -0.8V+18V； 任意端输入电压： -0.5V（ VDD+0.5V）； 任何端最大允许电流： 10mA； 存储温度： -65 +150。 5.推荐工作状态 参数名称 符号 最小值 典型值 最大值 单位 nts 电源电压 VDD -5 +5 V 模拟输入电压 Vx -2 +2 V 电源电流 IDD -2 +2 mA 时钟频率 fLCK 60 kHz 工作温度 TA -40 +85 参考电压 VR 0.2 2.0 V 6应用信息 5G14433的外部连接电路 尽管 5G14433外部连接元件很少，但为使其工作于最佳状态，也必须注意外部电路的连接和外接元件的选择，其实际连接电路如图所示。为了提高电源抗干扰的能力，正，负电源分别通过去耦电容 0.047uF、 .0.02uF与 Vss（ VAG）相连。图中 DU端和 EOC端短接，以选择连续转换方式，使每一次转换的结果都输出。 外部连接电路 当 C1=0.1uF， VDD=5V， fCLK=66KHz 时，若 Vxmax=+2V，则 R1=480K；若Vxmax=+200mV，则 R1=28K。外接失调补偿电容固定为 0.1uF。外接时钟电阻Rc=470 K时， fLCK 66KHz;当 Rc=200K时， fLCK=140KHz。实际电路中一般取 Rc=300 K 。 第四章 单片机系统的扩展 4.1 系统扩展概述 MCS 51 系列单片机的功能较强，从一定意义上说，一块单片机就相当于一台单片机的功能。这就使得在智能仪器、仪表、小型检测及控制系统、家用电器中可直接应用单片机而不必再扩展外围芯片，使用极为方便。但对于一些较大的应用系统来说，单片机片内所具有的功能将显得不足，这时就必须在片外连接nts 一些外围芯片。这些外围芯片，既可能是存储器芯片，也可能是输入 /输出接口芯 片。 1. 系统的扩展一般有以下几方面的内容： 外部程序存储器的扩展； 外部数据存储器的扩展； 输入 /输出接口的扩展； 管理功能器件的扩展（如定时 /计数器、键盘 /显示器、中断优先编码等）。 2. 系统扩展的基本方法： 使用 TTL 中小规模集成电路进行扩展。这是一种常用的简单扩展方法。根据微机系统与总线相连应符合“输出锁存、输入三态”的原则，可以选用 TTL锁存器作为输出口，三态门作为输入口。例如，可以采用 74LS273、 74LS373、8282、 8283 等器件作为具有锁存功能的输出口。选用 8282、 8287、 74LS244、74LS245 等器件作为三态输入口。也可以采用 D 触发器、 R S 触发器作为外设与 CPU 间通信的应答联络控制电路。这种扩展方法适用于较简单的扩展系统。 采用 Intel MCS 80/85 微处理器外围芯片来扩展。由于 Intel 公司在研制单片机时使其具有 MCS 80/85 的总线标准，从而可以用 MCS 80/85 系列的外围芯片来扩展 MCS 51 单片机系统。 采用为 MCS 48 系列单片机设计的一些外围芯片，其中许多芯片可直接与 MCS 51 系列单片机选用。 采用与 MCS 80/85 外围芯片兼 容的其它一些通用标准芯片。 单片机器控制系统的总体框图 4.1.2 常用扩展器件简介 一、总线驱动器 74LS244 总线驱动器 74LS244 经常用作三态数据缓冲器， 74LS244为单向三态数据缓冲器，而 74LS244为双向三态数据缓冲器。单向的内部有 8个三态驱动器，分成两组，分别由控制端 1G和 2G控制；双向的有 16个三态驱动器，每个方向 8个。在控制端 G 有效时（ G 为低电平），由 DIR 端控制驱动方向； DIR 为“ 1”时方向从左到右（输出允许）， DIR为“ 0”时方向从右到左（输入允许）。 74LS244 的引脚如图 所示。 nts 1G 11A11A3GND2Y11A42Y22Y31A22Y461098753274LS244V CC202A11513111214181617192A31Y42A21Y31Y11Y22A42G74LS244 的引脚 二、地址锁存器 74LS373 74LS373是一种带输出三态门的 8D锁存器，其结构示意图如图所示。 IN1-88D锁存器 三态门OUT1-8G OE1D8D 8Q1Q74LS373 的结构图 其中： 1D 8D为 8个输入端。 1Q 8Q为 8个输出端。 G为数据打入端 :当 G为“ 1”时 ,锁存器输出端状态 (1Q 8Q)同输入状态 (1D8D)；当 G由“ 1”变“ 0”时 ,数据打入锁存器中。 OE为输出允许端 ;当 OE 0时 ,三态门打开 ;当 OE 1时 ,三态门关闭 ,输出呈高阻。 在 MCS 51单片机系统中 ,经常采用 74LS373作为地址锁存器使用 ,其连 接方法如图所示。其中输入端接至单片机的口，输出端提供的是地址的低位，端接至单片机的地址锁存器信号。输出允许端 OE接地表示输出三态门一直打开。 ALE OEG74LS373A7 A0P0.7 P0.01Q8Q1D8D74LS373 的结构图 nts 4.2 存储器的扩展 4.2.1程序存储器的扩展 半导体存储器分为随机存取存储器（ Random Access Memory）和只读存储器（ Read Only Memory）两大类，前者主要用于存放数据，后者主要用于存放程序。只读存储器的特点是信息一旦写入之后就不能随意跟更改，特别是不能在程序运行 过程中写入新的内容，而只能读出其中的内容，故称之为只读存储器；只读存储器的另一个特点是断电以后信息不会消失，能够长久保存。 只读存储器是由 MOS 管阵列构成的，以 MOS 管的接通或断开来存储二进制信息。按照程序要求确定 ROM 存储阵列中各 MOS 管状态的过程叫做 ROM编程。根据编程方式的不同， ROM 可分为以下 3 种： 1）掩摸 ROM 2）可编程 ROM（ PROM） 3） 可擦除 ROM（ EPROM 或 E2PROM） 4.2.1.2 EPROM2764简介 1） 2764的引脚 自从 EPROM276芯片被逐渐淘汰后，目前比较广泛采用的 是 2764芯片为双列直插式 28引脚的标准芯片，容量为 8K 8位，其管角如图所示。 2764 的引脚 其中： A12 A0： 13位地址线。 D7 D0： 8位数据线。 CE：片选信号，低电平有效。 OE：输出允许信号，当 OE=0 时，输出缓冲器打开，被寻址单元的内容才能被卖出。 Vpp：编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压（ +25V 或 +12V）；正常使用时，该端加 +5V 电源。（ NC为不用的管脚）。 2） 2764的工作时序 2764在使用时 ，只能将其所存储的内容读出，其过程与 RAM的读出十分类似。即首先送出要读出的单元地址，然后使 CE 和 OE 均有效（低电平），则在芯片的D0D7数据线上就可以输出要读出的内容。其过程的时序关系如图所示。 nts 有效数据有效地址EPROM 的一个重要特点就是在于它可以反复擦除，即在其存储的内容擦除后可通过编程（重新）写入新的内容。这就是用户调试和修改程序带来很大的方便。EPROM的编程过程如下： （ 1）擦除：如果 EPROM 芯片是第一次使用的新芯片，则它是干净的。干净的标志 通常是一个存储单元的内容都是 FFH。若芯片是使用过的，则它需要利用紫外线照射其窗口，以便将其内容擦除干净。一般照射击 1520min 即可擦除干净。 （ 2）编程： EPROM 的编程有两种方式：标准编程和灵巧编程。标谁编程的过程为：将 Vcc接 +5V 电源， Vpp接 +21V电源（注意：不同厂家的芯片其编程电压 Vpp 是不一样的），然后输入需编程的单元地址，在数据线上加上要写入的数据，使 CE保持低电平， OE为高电平。当上述信号稳定后，在 PGM端加上 50 5ms的负脉冲。这样就将 1个字节的数居写到了相应的地址单元中。 重复上述过程，即可将要写入编程过程。 灵巧编程方式要比标准编程方式快 5倍左右。同时，这种方式编程有更高的可靠性和安全性。该方法的时序图由图所示。时序图中的时序仅表示各信号的相互关系，而波形的持续时间并不成比例。 数据地址编程 校验当加上 Vcc为 5V， Vpp为 21V后，对一个写入地址，先用 2ms编程脉冲进行编程，接着进行校验。若写入不成功，则再加 2ms编程脉冲，最多可进行 25次。若 25 次仍不能将数据正确写入，则认为芯片本身已损坏。重复上述过程，将所nts 有要写入的单元编程。最后再对所有的单元进行一次校验。 这里应注意的是，对于不同型号、不同厂家生产的 EPROM芯片，其编程电压Vpp是不一样的，有 +12V、 +18V、 +21V、 +24V 等数种。编程时一定要根据芯片所要求的电压业编程。若不注意，极易烧坏芯片。 2764与单片机的连接图如图示。 4.2.2 数据存储器的扩展 4.2.2.1 数据存储器概述 数据存储器即随机存取存储器（ Random Access Memory），简称 RAN，用于存放可随时修改的数据信息。它与 ROM不同，对 RAM可以进行读、写两种操作。RAM 为易失性存储器，断电后所存信息立即消失。按半导体工艺， RAM 分为 MOS型和双极型两种。 MOS型集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较慢。双极型的特点恰好相反。在单片机系统中多数采用 MOS 型数据存储器，使得输入输出信号能与 TTL相兼容，扩展后的信号连接也很方便。按工作方式， RAM分 为静态（ SRAM）和动态（ DRAM）两种。静态 RAM只要电源加上，所存信息就能可靠保存。而动态RAM使用的是动态存储单元，需要不断进行刷新以便周期性地再生，才能保存信息。 4.2.2.2 静态 RAM6264 简介 6264是 8K 8位的静态数据存储器芯片，采用 CMOS工艺制造，为 28引脚双列直插式封装，其引脚图如图所示。 A0-A 12I/ O0 -I /O 7CE 1CE 2WEOE地址线双向数据线片选线1片选线2写允许线读允许线RAM6264 引脚图 需要说明的是， 6264有两个片选信28123567891011121314NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GNDV CCWECE2A8A9A11OEA10CE1I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3626427262524232221201918171615nts 号 CE1 和 CE2，只有当 CE1 0， CE2 1 时，芯片才被选中。在实际应用中，往往只用其中 1个，而将另一个接成常有效；也可以 将系统片选信号以及取反后的信号分别接至 CE1 和 CE2端。 3.7.2.3 数据存储器扩展举例 数据存储器的扩展与程序存储器的扩展相类似，不同之处主要在与控制信号的接法不一样，不用 PSEN信号，而用 RD和 WR信号，且直接与数据存储器的 OE端和 WE端相连即可。 下 图为外扩 1 片 6264的连接图。采用线选法，将片选信号 CE1与 P2.7相连，片选信号 CE2与 P2.6 相连。其地址译码关系为： A15 A14 A13 A12 A11 A10 0 1 所占 用的地址为 : 第一组 4000H 5FFFH (A13 0) 第二组 6000H 7FFFH (A13 1) 扩展一片 RAM6264 的连接图 4.3 单片机 I/O 口的扩展（ 8155 扩展芯片） 4.3.1 8155 的结构和引脚 Intel 8155是一种多功能的可编程的可编程接口芯片，它具有 3个可编程 I/O（ A 口和 B 口是 8 位， C 口是 6 位）、 1 个可编程定时器 /计数器和 256B 的 RAM，能方便地进行 I/O 扩展和 RAM 扩展，其组成框图及引脚如图 3 18 所示。 8155 为 40 脚双列直插 式封装，其引脚的功能及特点说明如下： RESET：复位端，高电平有效。当 RESET 端加入 5us 左右宽的正脉冲时，8155 初始化复位。把 A 口、 B 口、 C 口均初始化为输入方式。 AD0AD7：三态地址数据总线。采用时方法区分地址及数据信息。通常与MCS-51 单片机的 P0 口相连。其地址码可以是 8155 中 RAM 单元地址或 I/O 地址。地址信息由 ALE 的下降沿锁存到 8155 的地址锁存器中，与 RD 和 WR 信号配合输入或输出数据。 CE：片选信号端，低电平有效。它与地址信息一起由 ALE 信号的下降沿锁到 8155 的锁存器中。 nts 8155 引脚和结构图 IO/M： RAM 和 I/O 接口选择端。 IO/M=0 时，选中 8155 的片内 RAM，AD0AD7 为 RAM 地址（ 00HFFH）； IO/M=1 时，选中 8155 片内 3 个 I/O 接口以及命令 /状态寄存器和定时器 /计数器。 AD0AD7 为 I/O 接口地址，见下表 8155 口地址分配 AD7-AD0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 选中的寄存器 X x x x x 0 0 0 X x x x x 0 0
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