四、单片机型数控系统硬件电路设计

4.1 设计内容

（1） 按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；

（2） 选择计算机或中央处理单元的类型；

（3） 根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；

（4）根据控制对象以及系统工作要求设计扩展Ｉ／Ｏ接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；

（5）选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；

（6）绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；

（7） 说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。

4.2控制系统的功能要求

（1）z向和x向进给伺服运动控制 （2）自动回转刀架控制 （3）螺纹加工控制 （4）行程控制 （5）键盘及显示 （6）面板管理

（7）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。

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4.3硬件电路的组成：

后面所画大图采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：

（1）CPU采用8031芯片；

（2）扩展程序存储器2764两片，6264一片； （3）扩展可编程接口芯片8155两片； （4）地址锁存器，译码器个一个； （5）键盘电路，显示电路； （6）光电隔离电路，功率放大功率； （7）越程报警电路，急停电路，复位电路； （8）面板管理电路。

RAM ROM CPU I/O接口 光电隔 离 功率放 大 步进电 机 外 设 键盘、显示器 数控系统结构框图

4.4选择电气元件及电路设计 4.4.1微机机型和扩展存储器的选择

确定微机机型就是选择CPU。单片机价格低、可靠性较高，适用于控制，选择单片机做控制器比较合适。

根据总体方案的确定，微机采用MCS-51系列单片机。51系列有三种型号：

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8031是无ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计就采用8031单片机。

8031单片机是美国Intel公司的产品MCS—51系列单片机的一个型号，是目前性能较高的8位单片微型计算机。8031单片机内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位定时器，四个八位并行口，一个全功能串行口，可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量为64K字节，具有5个中断源并配有两个优先级，还有21个特殊功能寄存器。

所以8031单片机是一种理想的8位微型计算机，在各种数控系统中的到广泛的应用。

A．程序存储器的扩展 a．选用2732芯片 常用的EPROM存储器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分别为2K、4K、8K、16K，32K。由于车床数控系统包括系统控制程序和加工程序，采用4KB×8的2732芯片。

2732芯片是一个有24根引脚的双列直插式集成元件。该芯片共有13根地址线A0～A12，8根数据线D0～D7，其余的为控制线。

2732低八位地址线和74LS373的输出端连接,高六位地址线直接与8031的P2.0～P2.5连接。它的八位数据线直接与8031的P0口连接。

b．地址锁存器74LS373

单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作为数据线，所以P0是一个分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低8位地址信息，通常采用74LS373作为地址锁存器。

除74LS373外，74LS273、8282、8212等芯片也可用作地址锁存器，使用时接法稍有不同，由于接线稍繁，多用硬件和价格稍贵，故不如74LS373用得普遍。74LS373作为地址锁存器。D1～D8是输入端，Q1～Q8是输出端，CE是片选端，片选端G与8031单片机的地址锁存信号ALE连接。当片选端G=1时，74LS373的输出端与输入端相通，当G端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入的地址信息就被锁入Q1～Q8中。

B．数据存储器的扩展 a．选用6264芯片 数据存储器选用8K×8位的6264芯片。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地址线分别与P2.0～P2.4相连，8位数据线直接接到8031P0口，读写控制引脚OE,WE与8031的读写控制引脚RD,WR直接相连，片选端CE1通过译码电路与8031相连。

b．地址译码器74LS138 外部芯片都通过总线与单片机连接，单片机数据总线分时地与各个外部芯片进行数据传送，故需进行片选控制。若芯片内有多个地址单元时，还要进行片内地址选择。8031单片机应用系统的地址译码规定，外部扩展芯片与数据存储器

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统一编址，所以外部芯片不仅占用数据存储器一定数量的地址单元，而且要使用读/写信号与读/写指令完成数据传送。

经济型数控硬件结构中采用全地址译码方式。所谓全地址译码是：低位地址作为片内地址，高位地址用译码器译码，译码器输出的地址选择信号作为片选线连至每个外部芯片的片选端。

地址译码常用74LS138译码器，G1、G2A和G2B是赋能端，A、B、C是选择端，Y0～Y7是输出端。

74LS138地址译码电路输入端出占用了8031单片机的P2.5～P2.7三根高位地址线，剩余的13根地址线用作数据存储器的内地址线。74LS138译码器每一个输出端可接一个外部芯片的片选端实现分时片选控制，因此，一个74LS138译码器的8根输出端可以连接8个8K字节地址空间。单片机的读/写信号经过与门后控制译码器的赋能端G2A、G2B，这就保证只有在读/写状态时译码器输出端才会输出片选。

4.4.2确定I/O接口

8031只有P1口可作为普通I/O口用，所以需扩展。键盘需要32个键，采用矩阵式键盘，需12个I/O口；显示器采用6个LED，需6个I/O接口；两个三相步进电机，采用软件环行分配器，需6个；刀架需4个；紧急停需1个。采用一片8279芯片和一片8255A即可。

键盘/显示器接口采用8279芯片，因为8279芯片是专用的键盘/显示器接口芯片，还可以编程。8279芯片具有消颤（去抖动）、双键同时按下保护功能。显示控制亦按扫描方式工作，可以显示8或16个数码（字符）。LED的个数应满足显示值的要求和便于显示。

8279与单片机8031的连接无特殊要求，除数据线、RESET、WR、RD直接连接外，CS与74LS138译码器输出线Y1相连；8279的IRQ经反相器与8031的中断请求输人线INT1相连；时钟输人端CLK与8031的地址锁存控制端ALE相连。8279键盘最大可配置8×8个键，实际用了32个键。扫描线信号为SL0～SL2，经74LS138译码器输出的4个列选信号，接入键盘列线。键盘行查询用了RL0～RL7的8根回馈线，接人键盘行线。8279配置的8位共阴极LED显示器，其字位线由扫描线SL0～SL2经译码器、驱动器提供，字段线由OUTA0～OUTBA3、OUTB0～OUTB3通过驱动器提供。

4.4.3键盘接口设计

首先判断键盘上有无键闭合，先送8255的PA口一个数据为00H，使列线PA0～PA7的电平均为0，然后读PB口的PB0～PB2的状况；若不全为“1”，则有键闭合，此时延时10ms去掉抖动后再判断有无键闭合。如无则继续扫描，如有则判断按下的键号。

如确定有键按下时，便开始计算键值。当采用8行4列的键盘时，定义第一行的键为00H～03H，定义第二行键的键值为04H～07H，依次类推。首先判断

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