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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（2K×8）和6264（8K×8）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
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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。
手动按钮 8031 单片机 89C2051 74LS373 74LS138 27256 6264 显示电路 8155 键盘 8255A 74LS273 光耦电路 I/O接口 图2.1 总体方案结构框图
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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。
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
图3.1 8031引脚图
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30Ω，R3取15KΩ,C1取10μF。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
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南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 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。 C40123456781213U10VccP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7INT0,P3.2INT1,P3.3VssP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.72039383736353433322122232425262728D2R8+54.7KC51μ1N4148R5+515KC21μGNDR315KGNDR130ΩC110μS53GNDGNDY1D11415T0,P3.4T1,P3.51N4148S9+512U331GND3151819/EARESETXTAL2XTAL1/RD/WR1011302921171630pFC410MHZ30pFC3RXD,P3.0TXD,P3.1/ALE/PESNGNDD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00H—FFH，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U?1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0000H—FFFFH，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 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10987654325242123226272220A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14OECEVPPD0D1D2D3D4D5D6D7VCCGND111121315161718192814AM7C256-200引脚图/BXA(28图23.3 27256 )
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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 0 0 0 0 0 … 0 0 0 0 0 0 0 … 0 1 0 0 0 0 0 … 1 0 ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ 0 1 1 1 1 … 1 0 0 1 1 1 1 … 1 1 地址 0000H 0001H 0002H ┆ 7FFEH 7FFFH 1．地址线的连接
27256低8位地址线A0—A7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]。
图3.4 74LS373引脚图
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表3.2 74LS373的功能表
OE L L L L H LE H H L L × Dn H L L H × Qn H L L H Z