数控螺纹车床控制系统硬件电路设计 毕业设计

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GRADUATIONDESIGNTHESISCONTROLSYSTEMHARDWARECIRCUITDESIGNOFNUMERICALCONTROLTHREDLATHEBYCHENKAISUPERVISEDBYASSOCIATEPROFHUAMAOFASCHOOLOFAUTOMATIONNANJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGYJUNE,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MCS51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MCS51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；电路设计南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IABSTRACTTHISPAPERINTRODUCEDTHEDESIGNPROCESSOFTHECONTROLSYSTEMHARDWARECIRCUITOFNUMERICALCONTROLTHREDLATHERINDETAILTHECONTROLSYSTEMHARDWARECIRCUITMAINLYINCLUDESSIXPARTSCPUCLOCKANDRESETCIRCUIT，MEMORYEXPANDER,MANUALKEYBOARDANDEDITORKEYBOARDCIRCUIT，I/OEXPANDER，DISPLAYCIRCUITASWELLASDECODINGCIRCUITTHECONTROLSYSTEMCHOSETHE8031SINGLECHIPOFTHEMCS51SERIESTOBEMAINCPU；INTHEDESIGNOFMEMORYEXPANDER,THECHIPOF27256EXPANDINGPROGRAMMEMORYOF32KANDTHECHIPOF6264EXPENDINGTHEDATACARRIERSTORAGEOF8KOUTSIDE,USEDFORDEPOSITINGTHESYSTEMADMINISTRATIONPROCEDUREANDCNCPROCESSPROGRAMASWELLASOPERATIONALDATASRESPECTIVELYTHEPAEXPORTANDPCEXPORTOF8155AREUSEDTOEXPANDTHEMATRIXEDITORKEYBOARDCIRCUITFORINPUTTINGOREDITINGTHEPROGRAMANDDATA,THEP1EXPORTOF8031SINGLECHIPISUSEDTOEXPENDTHEMANUALKEYBOARDFORSTARTINGANDSTOPPINGSYSTEMANDMOVINGTHEDIRECTIONALPARTINXORZORIENTATIONTHECHIPOF8255ISCHOSENASI/OEXPANDERFORRECEIVINGORTRANSMITTINGINFORMATIONOFONOFFANDRELATEDMESSAGE892051SINGLECHIPOFTHEMCS51SERIESISCHOSENTOCONTROLTHETHREEROWSOFLEDMONITORTODISPLAY,USEDFORSHOWINGTHESIZEOFCOORDINATESOFXAXISANDZAXISANDTHERELATEDNUMBEROFFUNCTIONWORDINADDITION,THECHIPOF74LS164ISUSEDTODESIGNDECODINGCIRCUITFORSIGNALELECTIONOFRELATEDCHIPSTOTALTOSAY,THECIRCUITISSIMPLE,THEDEVELOPMENTCOSTISLOW,THERELIABILITYOFSYSTEMISHIGH,INTHISFOUNDATION,FURTHERCONSUMMATESTHEHARDWARE,ANDDEVELOPTHECONTROLSOFTWARE,THENTHEDESIGNHASTHEACTUALAPPLICATIONVALUEFORECONOMYNUMERICALCONTROLTHREDLATHER,ESPECIALLYFORTHOSEOFWHICHTHEDEMANDOFFUNCTIONISNTHIGHKEYWORDSNUMERICALCONTROLTHREDLATHECONTROLSYSTEMCIRCUITDESIGN南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）II目录第一章绪论111引言112选题背景与意义113研究现状214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421控制对象及要求422总体控制方案的拟定4221主CPU的选用4222外扩存储器的确定5223显示电路的确定5224扩展键盘及I/O口电路的确定6225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731CPU时钟及复位电路设计7311时钟电路设计7312复位电路设计732存储器扩展电路设计8321程序存储器扩展电路设计8322数据存储器扩展电路设计1033手动键盘和编辑键盘电路设计14331手动键盘电路设计14332工作方式选择开关电路设计15333编辑键盘电路设计1634I/O接口扩展电路设计2035显示电路设计24351数字动态显示电路设计24352功能显示电路设计2736步进电机控制信号输出电路设计3137译码电路设计32371扩展芯片选择译码电路设计32南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）III372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3541控制系统电路原理图的绘制方法及步骤3542控制系统电路PCB图的绘制方法及步骤37第五章结论3951论文总结3952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）4第一章绪论11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。12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，南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）5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。13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”期间国产南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）6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。14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。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）7第二章数控螺纹车床控制系统硬件电路设计方案的拟定21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。22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。221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MCS51系列单片机作为主控制器。MCS51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MCS51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，MCS51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MCS51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以选用8031单南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）8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。222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。223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、控南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）9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。224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。225总体方案的结构框图总体方案的结构框图如图21所示。光耦电路74LS273显示电路626489C205127256键盘74LS37381558031单片机74LS1388255A手动按钮图21总体方案结构框图I/O接口南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）10第三章数控螺纹车床控制系统硬件电路设计31CPU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31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。311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32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。312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32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以上便图318031引脚图南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）11VPP1VCC28A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1427OE22CE20A1326D011D112D213D315D416D517D618D719GND14A010UAM27C256200/BXA28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32所示，只要按下急停按钮S9，INT0端出现低电平，利用8031的P32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32所示。图328031时钟及复位电路原理图32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。112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEA2DATE200863SHEETOFFILEDPROTELDXP与与与与与与与与与SCHDOCDRAWNBY15KR530R115KR31N4148D21N4148D1312U31C51C210C1S9GNDGND5GNDGND47KR85GND530PFC430PFC31210MHZY1P101P112P123P134P145P156P167P178INT1,P3313INT0,P3212T1,P3515T0,P3414/EA31RESET15XTAL218XTAL119/RD17/WR16P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728VCC40VSS20RXD,P3010TXD,P3111/ALE30/PESN29U10S53GND南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）12321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33所示。27256与8031的连接图如图35所示。根据程序存储器电路的连接，确定27256的寻址范围，见表31。表31程序存储器地址表地址线A15A14A13A12A11A1A0地址00000000000H00000010001H00000100002H01111107FFEH01111117FFFH1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34所示。它的输入输出关系见表32。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。OELEDNQNLHHHLHLLLLLLLLHHHZ表3274LS373的功能表（A）图3327256引脚图南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）132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P00P07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OE0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358031与27256连接图322数据存储器扩展电路设计图3474LS373引脚图（A）图366264引脚图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）14南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1533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。331手动键盘电路设计所选用的8031单片机的P1口（P10P17、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39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VCC锁存器P1XDCPQQP1X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚内部上拉电阻图398031单片机P1口结构图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）16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，P10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310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310手动键盘电路原理图（A）112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEA2DATE200863SHEETOFFILEDPROTELDXP与与与与与与与SCHDOCDRAWNBY15KR530R115KR31N4148D21N4148D1312U31C51C210C1S9GNDGND5GNDGND47KR85GND5S1S2S3S4S5S6GND10KR1610KR1510KR1010KR910KR710KR6530PFC430PFC31210MHZY1P101P112P123P134P145P156P167P178INT1,P3313INT0,P3212T1,P3515T0,P3414/EA31RESET15XTAL218XTAL119/RD17/WR16P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728VCC40VSS20RXD,P3010TXD,P3111/ALE30/PESN29U10104C612JP1S53GNDGND南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）17332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311所示。333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312所示。图316手动键盘电路原理图（A）图311工作方式选择开关电路原理图（A）123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE23MAY2007SHEETOFFILEDPROTELEXAMPLESMYDESIGNDDBDRAWNBYAD012PA021AD113PA122AD214PA223AD315PA324AD416PA425AD517PA526AD618PA627AD719PA728PB029CE8PB130RD9PB231WR10PB332IO/M7PB433ALE11PB534PB635PB736TMROUT6PC037PC138TMRIN3PC239PC31PC42RESET4PC55112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEA2DATE20861SHEETOFFILEDPROTELDXP与与与与与与与与与与与与与SCHDOCDRAWNBY74LS373D14D27D38D413D514D617LE11D718D03/OE1VCC20Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719GND10U1974LS138A1B2C3G2A4G2B5G16GND8Y015Y114Y213Y312Y41Y510Y69Y77VCC16U17D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A7C12104C1GNDA13A14A15A13A14A15GND5GND5825/CS6RESET35A18A09/WR36D727D628PC710PC611PC512PC413PC317PC216PC115PC014PB725PB422PB624PB523PB321PB220PB119PB018PA13PA04PA22PA31PA440PA539PA638PA737D034D133D232D331D430D529/RD5U6810KR8010KR8110KR8210KR8310KR8410KR85S155GNDP101P112P123P134P145P156P167P178INT1,P3313INT0,P3212T1,P3515T0,P3414/EA31RESET15XTAL218XTAL119/RD17/WR16P0039P0138P0237P0336P0435P0534P063P0732P2021P212P2223P2324P2425P2526P2627P2728VCC40VS20RXD,P3010TXD,P311/ALE30/PESN29U10D7D6D5D4D3D2D1D0A1A01C1510KR715GND南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）18AD0AD7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/M0，单片机选择8155中的RAM读/写，AD0AD7上地址为RAM单元地址；IO/M1，选择8155的寄存器或端口，地址分配见表35。表358155地址分配表CEIO/MA7A6A5A4A3A2A1A0所选端口01000命令/状态寄存器01001A口01010B口01011C口01100计数器低8位01101计数器高8位00RAM单元图312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313所示。8155对编辑键盘的扩展图如图314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、图3128155芯片引脚图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）19112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEA2DATE2008121SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGS1SCHDOCDRAWNBYA11A12A13A14A15D0D1D2D3D4D5D6D7A8P101P112P123P134P145P156P167P178INT1,P3313INT0,P3212T1,P3515T0,P3414/EA31RESET15XTAL218XTAL119/RD17/WR16P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728VCC40VSS20RXD,P3010TXD,P3111/ALE30/PESN29U10PA021PA122PA223PA324PA425PA526PA627PA728PB029PB130PB231PB332PB433PB534PB635PB736PC037PC138PC239PC31PC42PC55AD012AD13AD214AD315AD416AD517AD618AD719CE8RD9WR10IO7ALE11RESET4TMRIN3TMROUT6U73A1B2C3G2A4G2B5G16GND8Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77VCC16U17A8A9A10D0D1D2D3D4D5D6D7A13A14A15GND5GND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321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。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）20图3138155与8031连接原理图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）21112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEA2DATE2008121SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETINGS1SCHDOCDRAWNBYS1221U8221U8321U8421U8521U8621U8721U8821U89S13S14S15S16S17S18S1910KR11110KR11210KR113S20S21S22S23S24S25S26S27S28S29S30S31S32S33S34S35S36S37S38S39S40S41S42S43S44S45S46S47S48S49S50S5110KR114PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PA6PA7PA5PA4PA3PA2PA1PA010KR1155PC0PC1PC2PC3PC4S52PC5GNDPA021PA122PA223PA324PA425PA526PA627PA728PB029PB130PB231PB332PB433PB534PB635PB736PC037PC138PC239PC31PC42PC55AD012AD113AD214AD315AD416AD517AD618AD719CE8RD9WR10IO7ALE11RESET4TMRIN3TMROUT6U7310KR110PC0PC1PC2PC3PC4PC534I/O接口扩展电路设计图314编辑键盘电路原理图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）22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315和图316分别为8255A的逻辑结构图和引脚图。8255A与8031的连接如图317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P25、P26、P27。8255读控制端RD、写控制端WR与8031的RD、WR直接连接。当RD0时，允许单片机从8255读取数据或状态字。当WR0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RESET1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36。8255的输入端图3158255A逻辑结构图（A）图3168255A引脚图（A）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）23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318A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P00P07。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318（B）所示。图3178255与8031连接图（A）112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEA2DATE200861SHEETOFFILEDPROTELDXP与与与与与与与与与与与与与SCHDOCDRAWNBY74LS373D14D27D38D413D514D617LE11D718D03/OE1VCC20Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719GND10U1974LS138A1B2C3G2A4G2B5G16GND8Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77VCC16U17D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A7C12104C11GNDA13A14A15A13A14A15GND5GND58255/CS6RESET35A18A09/WR36D727D628PC7