武汉理工大学毕业设计（论文）
2 系统的电路设计
2.1 引言
由于电梯完成不同楼层的接送任务，所以要有很多按键才可以让满足不同楼层顾客的需求。而且，电梯还要有人性化的显示，如哪个按钮按下了，就把它对应楼层按钮的二极管点亮，还要有数码管实时显示电梯所在层数，用发光二极管来表示电梯当前的运行方向以及电梯厢门状态，用直流电机模拟电梯拖拽电机和厢门电机。而这些零碎的原件，又需要高效的芯片来控制，它们相互之间的连接问题这些就是本章所要叙述的电路设计部分。
2.2 仿真芯片的选择
本设计所模拟的楼层共有八层，其中所需要控制的器件较多，如每层都需有两个上下的指示灯，电梯轿厢内也需有去几层的指示灯等，而现有单片机的管脚资源无法满足需求，故第一步需要想法扩展单片机的I/O口管脚资源。由此选择扩展I/O口最典型的芯片8255A。其可把一组八位I/O管脚扩展为PA、PB、PC三组管脚，并通过寄存器对各组管脚进行配置，从而满足了本次设计的要求。由于每一层按键按下后电梯不能立即相应，需要经过一段时间才能运行到该层，而每一层按键是否按下是相互独立的，因此要用到D锁存器芯片74LS373。此外，单片机中断判断电路还需要两个四输入与门芯片74LS21和一个两输入与门74LS08，二极管显示电路用到74LS04非门芯片。综上所述，本设计总共用到六个芯片，即单片机80C51、I/O口扩展芯片8255A、74LS373D锁存器芯片、74LS04非门芯片以及74LS21和74LS08与门芯片。下面对设计中的主要芯片进行介绍。
2.2.1 80C51单片机
最早由Intel公司推出的8051/31类单片机是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051的许多特点（如时序特性）。提高了速度，降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品的价格。8051单片机有44个引脚的方形封装形式和40个引脚的双列直插式封装形式，最常用的40个引脚封装形式及其配置见图2-1所示[11]。
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图2-1 8051引脚图
各个引脚的功能说明如下： Vss:接地。 VCC:主电源+5V。
XTAL1:接外部晶体的一端。CHMOS单片机采用外部时钟时，时钟信号由此脚引入。 XTAL2:接外部晶体的另一端。HMOS单片机采用外部时钟时，时钟信号由此脚引入。 RST:①复位信号输入。②VCC掉电后，此引脚可接备用电源，保持内部RAM中的数据。
PSEN: 程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。取指令操作期间，PSEN的频率为振荡频率的1/6；若此期间有访问外部数据存储器的操作，则有一个周期中的PSEN信号将不出现。
ALE/PROG:地址锁存器允许。当单片机访问外部存储器时，该引脚的输出信号ALE用于锁存P0的低8位地址。ALE输出的频率为时钟振荡频率的1/6。
EA/VPP:①EA=0，单片机只访问外部程序存储器。对8031此引脚必须接地。EA=1，单片机访问内部程序存储器。对内部有程序存储器的8051单片机，此引脚应接高电平。当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。在对87C51内EPROM编程时，此引脚用于施加编程电压VPP。
P0.0~P0.7：P0口数据/低8位地址复用总线端口。 P1.0~P1.7：P1静态通用端口。
P2.0~P2.7：P2高8位地址总线动态端口。 P3.0~P3.7：P3双功能静态端口[12]~[13]。
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2.2.2 可编程I/O扩展芯片8255A
8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片(40引脚)。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255A可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。其芯片引脚图见图2.2，引脚功能见表2-1[14]。
图2-2 8255A引脚分布 表2-1 8255A引脚功能
引脚 D7～D0 A1, A0 RESET PA7～PA0 PB7～PB0 PC7～PC0 VCC GND 名称 三态、双向数据线 片选信号线 地址线 读出信号线 写入信号线 复位信号线 A口输入/输出信号线 B口输入/输出信号线 C口输入/输出信号线 ＋5V电源 电源地线 功能 与CPU数据总线连接，传送数据 低电平有效时，芯片被选中 选择内部端口 低电平有效时，允许数据读出 低电平有效时，允许数据写入 高电平有效时，将所有内部寄存器清零 输入/输出信号 输入/输出信号 输入/输出信号 芯片供电 接地
8255A作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、
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地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255A可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255A内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
1、与CPU连接部分
根据定义，8255A能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0～D7。由于8255A具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0～A1。此外CPU要对8255A进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。各信号的引脚编号如下：
(1)数据总线DB：编号为D0～D7，用于8255A与CPU传送8位数据。 (2)地址总线AB：编号为A0～A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。
(3)控制总线CB：片选信号CS、复位信号RST、写信号WR、读信号RD。当CPU要对8255A进行读、写操作时，必须先向8255A发片选信号CS选中8255A芯片，然后发读信号RD或写信号WR对8255A进行读或写数据的操作。
2、与外设接口部分
根据定义，8255A有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255A可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255A可同时控制24路开关。各通道的引脚编号如下：
(1)A口：编号为PA0～PA7，用于8255A向外设输入输出8位并行数据。 (2)B口：编号为PB0～PB7，用于8255A向外设输入输出8位并行数据。
(3)C口：编号为PC0～PC7，用于8255A向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答I/O方式时，C口用于应答信号的通信。
3、控制器
8255A将3个通道分为两组，即PA0～PA7与PC4～PC7组成A组，PB0～PB7与PC0～PC3组成B组。如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：
(1)A组控制器：控制A口与上C口的输入与输出。 (2)B组控制器：控制B口与下C口的输入与输出。
2.2.3 74LS373介绍
74LS373内部有八个D 锁存器。373为三态输出的八D 透明锁存器,共有54/74S373和 54/74LS373 两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别):型号tPd PD54S373/74S373 7ns 525mW 54LS373/74LS373 17ns 120mW373的输出端 O0~O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0~O7 为正常逻辑状
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态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0~O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，O随数据D而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。
引出端符号：D0～D7 数据输入端；OE 三态允许控制端（低电平有效）；LE 锁存允许端；O0~O7 输出端。
表2-2 74LS373真值表
Dn H L × × LE H H L × OE L L L H On H L Q0 高阻态
2.3 仿真电路
2.3.1 单片机最小系统模块
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
在本设计中，最小系统应该包括：单片机、晶振电路、复位电路等。如图2-3所示，晶振电路由C1与C2和晶振组成，晶振是给单片机提供工作信号脉冲的。它的速率就是单片机的工作速率，简单地说，没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。并在晶振的两引脚处接入两个10pF-50pF的瓷片电容接地用来削减偕波对电路的稳定性的影响。复位电路采取的为手动按键复位电路，由电容C13，电阻R11、R12和开关RESET组成，当单片机的复位引脚RESET出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。每次复位后，单片机的程序都会从第一条开始从新执行。另外，还额外设计了滤波防干扰电路，由C13与R12组成，电源先经过它们再接入单片机的Vcc，可以有效的减少其中的杂波带来的干扰[15]。
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