摘要
随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控机床的应用给传统制造业带来了革命性的变化。数控技术和数控装备已经成为了现代制造业的重要基础。因此，世界各国均采取了重大措施来发展自己的数控技术及其产业。生产装备的数字化已是制造业发展的大趋势。
本系统采用8031单片机作为数控装置的主控制器。6264和2764实现对单片机数据存储器和程序存储器的扩展。74LS138实现对I/O口的扩展。通过对8279的扩展实现键盘输入和显示器输出。以8031为核心的数控装置，通过I/O接口、环形分配器、光电耦合器、功率放大器等一起控制刀具纵向（Y轴）和横向（X轴）步进伺服电机的驱动。通过对8255芯片的扩展控制UPE的触发脉冲实现对主轴电机的平滑调速。通过光电式旋转编码器实现直流主轴电机的速度闭环控制和位置闭环控制。在插补运算中对逐点比较法和刀具半径补偿法进行解释。综上所述，通过控制车床进给步进电机的动作顺序，位移和进给速度，再配以主轴的进给、转速和转向，从而加工出各种形状不同零件。
关键词：数控技术单片机步进电机闭环控制
Two-dimensional motion control of CNC Lathe
Abstract
With the continuous development and application of digital technology to expand the field of application of CNC machine tools to the traditional manufacturing industry has brought a revolutionary change . CNC numerical control technology and equipment has become an important foundation of modern manufacturing . Therefore , countries around the world have taken significant steps to develop their own numerical control technology and industry . Digital production equipment has been a big trend in manufacturing industry.
The system uses 8031 as the main controller of CNC devices. 6264 and 2764 to achieve single-chip data memory and program memory expansion. 74LS138 to achieve I / O port expansion. By 8279 the expansion of keyboard input and display output . In 8031 as the core of the NC device through I / O interface , ring distributor, optocouplers , power amplifier control tool along the longitudinal (Y -axis ) and horizontal (X-axis ) servo stepper motor drive . Smooth realization of the spindle motor speed chips through 8255 extended control UPE trigger pulse. Achieved by DC spindle motor speed optical rotary encoder closed loop control and closed-loop position control . In the interpolation calculation for point by point comparison method and tool radius compensation explained . In summary, by controlling the stepper motor lathe feeding action sequence , displacement and feed rate , together with the spindle feed , speed and direction , to process a variety of shapes of different parts.
Keywords : CNC technology single-chip stepper motor closed-loop control
目录
第1章概述 (1)
1.1选题背景 (1)
1.2 数控机床系统的组成和工作原理 (1)
1.2.1数控机床的组成 (1)
1.2.2数控车床的工作原理 (5)
1.3数控机床的分类 (6)
1.3.1按控制方式分类 (8)
1.3.2按数控装置分类 (4)
1.4数控机床发展趋势 (5)
第2章总体方案设计 (6)
2.1 数控系统主控制器的选择 (6)
2.2车床运动方式的确定 (6)
2.3伺服系统的选择 (7)
2.4反馈装置的选择
2.5总体方案的确定 (8)
第3章 CNC系统硬件电路设计 (6)
3.1系统扩展的实现 (40)
3.1.1存储器扩展电路设计 (40)
3.1.2并行I/O接口扩展电路 (40)
3.1.3 复位与时钟电路 (40)
3.2键盘/显示接口电路 (40)
3.2.1 Intel 8279芯片简介 (40)
3.2.2单片机与8279键盘/显示器接口 (40)
第4章伺服系统设计 (6)
4.1主轴伺服系统的设计 (20)
4.2进给伺服系统的设计 (21)
4.2.1步进电动机的选择 (21)
4.2.2 (21)
4.3检测系统的设计 (30)
4.3.1概述 (30)
4.3.2光电编码器 (30)
第5章系统的软件设计 (33)
5.1主程序设计 (33)
5.2插补算法程序设计 (34)
5.3 步进电机的控制程序设计 (36)
5.4 键盘显示程序设计 (38)
第6章插补算法 (40)
6.1插补算法及原理 (40)
6.1.1概述 (40)
6.1.2逐点比较法 (41)
6.2刀具半径补偿 (46)
6.2.1刀具半径补偿的作用 (46)
6.2.2刀具半径补偿计算 (47)
第7章结论 (52)
参考文献 (53)
致谢 (55)
第1章概述
1.1选题背景
随着科技的不断发展，机电产品日趋精密复杂，更新换代周期也越来越短，从而促进了现代制造业的飞速发展。用普通车床加工出来的机电产品精度低、效率低，而劳动强度却很大，已经无法满足生产要求和社会发展的需要，从而一种新型的用数字程序控制的车床应运而生。
数控机床（Numerical Control Machine Tools）是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床，这种车床综合运用了计算机技术、自动控制技术、精密测量和机械设计等新技术。具体地说，就是指将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入计算机或数控系统经过译码、运算及处理，生成数字化的控制信息，控制机床的刀具与工件相对运动，加工出所需要的工件的一类机床。本系统所设计的数控车床即为数控机床中的一类：车床刀具运动二维控制系统。
1.2 数控机床系统的组成和工作原理
1.2.1数控机床的组成
控制介质数控装置伺服系统机床主体
测量装置
图1-1 数控车床的组成
数控机床的基本组成包括控制介质，数控装置，伺服系统，反馈装置及机床主体组成，如图1-1所示。为了提高机床的加工精度，在上述系统中主轴单元再加入一个测量装置，这样就构成了闭环控制的数控车床框图。开环控制系统的工作过程是这样的：将控制车床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给车床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列，然
后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。若为闭环系统，则在输入指令值的同时，反馈检测车床工作台的实者间有误际位移值，反馈量与输入量在数控装置中进行比较，若有差值，则数控装置控制车床向着消除误差的方向运动。
1)控制介质数控机床工作时，不要人去直接操作机床，但又要执行人的意图，这就必须在任何数控机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物称之为控制介质(或称为程序介质、输入介质、信息载体)。在数控机床加工时，控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置等信息的信息载体，它记载着零件的加工工序。数控机床中，常用的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡片、磁带和磁盘或其他可存储代码的载体。
2)数控装置数控装置是数控车床的核心，一般由输入输出装置、存储器、控制器、运算器、各种接口电路、CRT显示器等硬件以及相应的软件组成。其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制车床运动部件按加工程序指令运动。
3)伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电动机和进给电动机等。一般来说，数控机床的伺服驱动系统，要求有好的快速响应性能，以及能灵敏且准确地跟踪指令功能。
4)反馈装置反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，该装置可以包括在伺服系统中，它由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测数控机床坐标轴的实际移动速度和位移，并将信息反馈到数控装置或伺服驱动中，构成闭环控制系统。
5)车床本体数控车床的本体与普通车床基本类似，不同之处是数控车床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通车床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。
1.2.2数控车床的工作原理
在传统的金属切削机床上，加工零件时操作者根据图样的要求，通过不断改变刀具的运动轨迹、运动速度等参数，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格的零件。数控车床的加工，其实质是应用了“微分”原理。其工作原理与过程简述如下。
①数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按车床对应的坐标轴，以最小移动量（脉冲当量)进行微分，并计算出各轴需要需要移动的脉冲数。
②通过数控装置插补软件或插补运算器，把要求的轨迹用最小移动单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的你和折线。
③ 数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使车床坐标轴按分配的脉冲运动。
由上可见，只要数控机床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就完全可以等效代替理论曲线；只要改变坐标轴的脉冲分配方式，即可改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的；只要改变分配脉冲的频率，即可改变坐标轴（刀具）的运动速度。这样就实现了数控车床刀具移动轨迹的目的。实际加工过程中根据给定的数学函数，在理想轨迹（轮廓）的已知点之间，通过数据点的密化，确定一些中间点的方法，称为插补。能同时参与插补的坐标轴数，称为联动轴数。显然，当数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能就越强。
1.3 数控机床的分类
1.3.1 按控制方式分类
1) 开环(open loop )数控机床
开环数控机床采用开环进给伺服系统，如图1-2所示。
控制原理：数控装置根据所要求的进给速度和进给位移，输出一定频率和数量的进给指令脉冲，经驱动电路放大后，每个进给脉冲驱动功率步进电机旋转一个步距角，在经减速齿轮、丝杠螺母副，驱动工作台移动一个当量直线位移（称为脉冲当量）。 从理论上，对应一个进给脉冲，步进电机转过一个步距角，工作台移动一个当量位移，进给脉冲数量控制工作台的位移量，脉冲频率控制运动速度。无须对实际位移进行检测。所以开环数控机床没有位移检测装置。实际上，由于存在步距角误差、转动间隙和误差，实际位移与指令位移之间有误差。又由于没有检测装置检测实际位移，实际位移误差不能被补偿，所以，开环数控机床的精度较低，速度也较低。开环伺服系统多用于经济型数控机床或对旧机床进行改造。
图1-2 开环控制系统框图 2) 闭环(closed loop)数控机床
闭环伺服系统按闭环原理工作，如图1-3所示。由安装在进给执行部件上的位移检测装置直接检测的实际位移，经反馈回路反馈给数控装置，数控装置将位移指令与实际位移进行比较，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的速度指令。同时，测速元件测量伺服电机的转速，作为速度反馈信号，它与速度指令信号相比较后，其速度误差，对伺服电机的速度进行调节校正。从而控制工作台准确的按指令位移和速度运动。
指令值
车床
伺服系统 数控装置
位置反馈回路、速度反馈回路与主控回路构成两个封闭环，所以称闭环控制。双闭环控制可以获得比开环进给系统精度更高、速度更快、驱动功率更大的特性指标。
图1-3 闭环控制系统框图
3) 半闭环(semi-closed loop)数控机床
若将位置检测装置安装在伺服电机或传动丝杠的端部，间接测量执行部件的实际位移，按闭环原理控制。则构成半闭环控制，如图1-4所示。因为控制环路不包含实际需要被控制的执行部件，所以是半闭环。由于不是直接检测实际位移进行控制，所以，其精度低于闭环控制，但仍比开环的精度高。而且，控制系统的稳定性比闭环系统容易获得。现在，大多数数控机床都采用半闭环进给伺服系统。
图1-4 半闭环控制系统框图 1.3.2 按数控装置分类
数控车床若按其实现数控逻辑功能控制的数控装置来分，有硬线（件）数控和软线（件）数控两种。
（1） 硬线数控（称普通数控，即NC ）。这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由专用的固定组合逻辑电路来实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，因此系统的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在 70 年代以前应用得比较广泛。
（2） 软线数控（又称计算机数控或微机数控，即CNC 或MNC ）。这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成 CNC 装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现，对于不同的数控机床，只须编制不同的软件就位移检测装置 速度反馈 伺服电机 指令值 车床 位置比较电路 速度控制电路 位移检测装置
速度反馈
伺服电机 指令值 车床 位置比较电路 速度控制电路
可以实现，而硬件几乎可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性。
1.4数控机床发展趋势
1)向高速度、高精度方向发展
速度和精度是数控机床的两个重要指标，直接关系到产品的质量和档次、产品的生产周期和在市场上的竞争能力。
2)向柔性化、功能集成化方向发展
数控机床在提高单机柔性化的同时，朝单元柔性化和系统化方向发展，如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备；
3)向智能化方向发展
在新一代的数控系统中，由于采用“进化计算”、“模糊系统”和“神经网络”等控制机理，性能大大提高，具有加工过程的自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数动态补偿、智能诊断、智能监控等功能。数控系统向智能化方向发展。
4)向高可靠性方向发展
数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标，它主要取决于数控系统各伺服驱动单元的可靠性。为提高可靠性，目前主要采取以下措施：（1）采用更高集成度的电路芯片，以减少元器件的数量，提高可靠性。（2）通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时通过硬件结构的模块化、标准化、通用化及系列化，提高硬件的生产批量和质量。（3）增强故障自诊断、自恢复和保护功能。当发生加工超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。
5)向网络化方向发展
数控机床的网络化将极大地满足柔性生产线、柔性制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式。目前先进的数控系统为用户提供了强大的联网能力，除了具有RS232C接口外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可以实现多台数控机床间的数据通信和直接对多台数控机床进行控制。
第2章总体方案设计
在我国，普通数控车床方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。
数控车床系统总体方案的确定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，微型计算机数控系统的选择及设计等。根据毕业设计任务书及要求提出系统总体方案，对方案进行分析比较和论证，最后确定总体方案。对于经济型数控车床，在考虑总体方案设计时，应遵循的基本原则是：满足设计要求的前提下，对车床的设计尽可能少，以降低经济成本。
2.1 数控系统主控制器的选择
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：
1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；
2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；
3. I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。
除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。本系统设计选用单片机应用系统作为数控车床的数控系统，采用体积小、重量轻、功能强抗干扰能力强、性价比高的MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，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。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口等组成的控制系统。
2.2车床系统运动方式的确定
按照能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹，可将数控车床分为点位控制数控车床、点位直线控制数控车床、轮廓控制数控车床等。现分述如下：（1）点位控制数控车床。这类数控机床仅能控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动，从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。在整个移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有任何要求，但要求坐标位置有较高的定位精度。点位控制的数控机床用于加工平面
内的孔系，为了在精确定位的基础上有尽可能高的生产率，所以两相关点之间的移动先是以快速移动到接近新的位置，然后降速使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。
（2）点位直线控制数控车床。这类车床工作时，不仅要控制两相关点之间的位置 (即距离)，还要控制两相关点之间的移动速度和轨迹。其轨迹一般都由和各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于：当机床的移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向(一般地也可以沿45°斜线进行切削，但不能沿任意斜率的直线切削)进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多，例如，要增加主轴转速控制、循环进给加工、刀具选择等功能。
（3）轮廓控制数控车床。这类车床的控制装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每点的速度和位置，使机床加工出符合图纸要求的复杂形状的零件。它的辅助功能亦比较齐全。
本系统要求能加工出形状复杂的零件，因此运动方式采用连续控制的轮廓控制方式。
2.3伺服系统的选择
数控机床伺服系统是以机床移动部件(如工作台)的位置和速度为控制量的系统，又称随动系统，简称伺服系统。它接收插补生成的指令，并将其变换为机床工作台的位移。伺服系统作为数控机床的重要组成部分，其本身的性能直接影响着整个数控机床的精度和速度等技术指标。数控机床的伺服系统有步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。数控车床运动中，每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统。主轴运动和伺服进给运动是车床的基本成形运动。本数控车床系统的执行部件是主轴和刀具，因此应配备两套伺服系统：主轴运动伺服系统和进给伺服系统。主轴运动伺服系统采用直流伺服电动机来驱动主轴调速和正反转，进给伺服系统采用步进电机伺服系统。这里需要说明的是上面所说的进给伺服系统仅针对车床刀具的进给运动控制系统而言的，本系统所设计的数控车床的主轴也可实现进给运动，但此次设计的重点是车床刀具的进给运动，主轴的进给运动将在下文结合位移检测装置作简要说明，若不加特殊说明本设计所提到的进给运动指的是车床刀具的进给运动。
考虑到控制环路中不包含实际被控制的执行部件，检测反馈装置并不是直接对执行部件的实际位移进行检测,所以本数控系统采用半闭环控制方式,反馈回路直接由伺服电机引出。半闭环控制的精度小于闭环控制方式，但其精度足以满足本设计的要求。
2.4 反馈装置的选择
由于本系统采用的是半闭环控制方式，控制原理图如图1-5所示，引入了转速反
馈和位置检测反馈。直流测速发电机是一种模拟测速装置。它能产生和电动机转速成比例的电信号，并且能在较宽的范围内提供速度信号的能力，因此，目前直流测速发电机仍是速度伺服控制系统中的主要反馈元件。直流测速发电机安装在被测电机的主轴上，同被测电机以相同的转速旋转。测速发电机的输出电压通过调节电位器
R，
w
保证测速发电机在最大转速时，抽头电压输入到A/D转换器后，经A/D转换后接入到控制器中，故测速发电机和A/D转换器可以作为速度反馈装置。
另一种方法是使用光电编码器，光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。光电编码器作为一种体积小、精度高、响应速度快、性能稳定的转速与位置传感器在测控领域得到了广泛的应用。
由于本系统采用的是半闭环控制方式，并且是一个包含转速闭环与位置闭环的双闭环系统。测速发电机和A/D转换器只能实现速度反馈无法实现位置检测，要想实现位置闭环还必须另外设置位置反馈装置，这样不仅使得反馈装置过于复杂，成本也会大大提高。而采用光电编码器可以同时满足转速闭环与位置闭环的要求，故本系统采用光电编码器作为反馈装置。
2.5总体方案的确定
经总体设计方案论证后，确定的车床刀具二维运动控制系统总体方案示意图如图2-1所示。单片机控制系统由单片机8031、接口电路、驱动电路、伺服系统、位置检测等几大模块组成。车床的纵向（Y轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，主轴电机经齿轮减速后带动主轴转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。
本系统主要是采用单片机控制，通过对零件加工的要求，编制加工程序，输入到微机控制系统中，对驱动车床X轴与Y轴的伺服电机去控制车床进给运动部件的动作顺序，移动量和进给速度，在配以主轴的转速和转向，从而加工出各种形状不同的回转体零件。
图2-1 总体方案示意图
计算机数字控制装置（CNC 装置） 输入装置 通信线路 输出装置 主轴驱动单元
进给电动机 机床 主轴电动机 位置检测与转
速反馈装置 进给驱动单元
第3章 CNC系统硬件电路设计
3.1系统扩展的实现
单片机的芯片内集成了计算机的基本功能部件，已具备了很强的功能。例如，MCS-51系列单片机89C51、87C51和80C51，一块芯片就是一个完整的最小微机系统，但片内ROM、RAM的容量，并行I/O端口，定时器及中断源等内部资源是有限的。因为很多接口电路都是标准通用接口芯片，所以用户可根据系统的需要，选择适当的接口芯片与单片机连接起来，然后用程序设置其工作方式，以组成用户所需要的单片机应用系统。
本系统选用体积小、重量轻、抗干扰能力强且性价比高的8031单片机作为数控系统的主控制器。由于MCS-51单片机内部存储器的容量小，且8031是一个无ROM
的CPU。因此在实际使用时需要有外部扩展，其中包括外部程序存储器和数据存储器。
本章主要介绍如何扩展8031单片机外部程序存储器和数据存储器，并行口芯片8255的扩展，并介绍键盘、显示器的工作原理和键盘、显示接口芯片8279与8031单片机的接口。
图3-1 MCS-51系列单片机引脚图
单片机都是通过外部总线进行系统扩展的。所谓总线就是连接系统中各扩展部件的一组公共信号线。为了满足系统扩展要求，MCU-51系列单片机构成为三总线结构，即地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）。外部芯片都是通过这三组总线进行扩展的。下面就MCS-51单片机（如图3-1所示）对三总线进行说明。
1．地址总线（AB ）
MCS-51单片机地址总线宽度为16位，故可寻址范围为k 64216=字节。地址总线由P0口提供低8位70A ~A ，P2口提供高8位158A ~A 。由于P0还作为数据总线口，只能分时用作地址线，故P0口输出的低8位地址数据必须用锁存器锁存。锁存器的锁存控制信号为引脚ALE 输出的控制信号。在ALE 的下降沿将P0口输出的地址数据锁存。P2口具有锁存功能，故不需要外加锁存器。P0、P2口在系统扩展中用作地址线后就不能作为一般I/O 使用。
2．数据总线(DB)
数据总线由P0口提供，其宽度为8位，该口为三态双向口，是应用系统中使用最为频繁的通道。所有单片机与外部交换的数据、指令、信息，除少数可直接通过P1口外，全部通过P0口传送。数据总线要连接到多个外部芯片上，而在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。哪个芯片的数据通道有效则由地址线控制各个芯片的片选线来选择。
3．控制总线(CB)
在系统扩展中还需要一些控制信号线，以构成扩展系统的控制总线。其中包括以下几种控制信号。
① 以D R 和R W 作为扩展数据存储器和I/O 端口的读/写选通信号。当执行片外数据存储器操作指令MOVX 时，这两个控制信号自动生成；
② 以PSEN 信号作为扩展程序存储器（EPROM ）的“读”选通信号；
③ 以ALE 作为地址锁存的选通信号，以实现P0口输出的低8位地址锁存； ④ 以EA 信号作为片内或片外程序存储器选择信号。当0EA =时，只访问外部程序存储器，不论片内有无程序存储器。因此在扩展并使用外部程序存储器的时，必须使EA 接地。在这里EA 需接地。
3.1.1存储器扩展电路设计
存储器是由许多具有记忆功能的存储电路组成的，每个存储电路称为存储器的1位，可以存储1位二进制信息。大部分存储器是将8位存储电路组织在一起作为存储器中最基本的存储单元，称为一个字节（Byte ）。每个存储单元都有一个对应的地址，当存储器的地址线为n 条时，则可用的地址有2n 个，或者说该存储器有2n 个基本存储单元。
对于微型计算机来说，它的地址总线数目，决定了它可以寻找的存储器地址数目。当采用MCS-51单片机时，16根地址线（P2口为高8位地址线、P0口为低8位地址线）其寻址范围就是216（64K ）。换句话说，它最多可以连接容量为64K 字节的存储器。由于存储器具有记忆功能，在单片机应用系统中，常用于存储程序、数据和表格，是单片机应用系统中不可或缺的重要组成部分。
MCS-51的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。MCS-51单片机由于受管脚的限制，数据总线和地址总线是复用的。为了将它们分离出来，以便同单片机片外的芯片正确地连接，需要在单片机外部增加地址锁存器，从而构成与一般CPU 类似的片外三总线结构。
1. 8位数据/地址锁存器74LS373
74LS373是一种带有三态输出的8D 触发器，其引脚分布如图3-1所示。数据输入有允许段OE 控制，数据输出由数据输出控制端控制。D0—D7为数据输入端，Q0—Q7为数据输出端，功能表如表3-2所示。
表3-1 74LS373功能表
图3-2 74LS373引脚
2. 外部数据/程序存储器扩展
1) 常用的数据存储器
外部数据存储器一般由RAM 存储器构成，本系统选用6264（8KB ）作为数据存储器的扩展芯片。图3-3给出了6264的引脚图，其引脚符号的功能如下。
① A0---A12：地址输入线；
② D0---D7 ：双向三态数据线；
③ CE ：片选信号输入线，低电平有效。6264的26 脚
CS 为高电平，且CE 为低电平时才选中该片；
④ OE ：读选通信号输入线，低电平有效；
⑤ WE ：写允许信号输入线，低电平有效；
⑥ VCC ：工作电源，电压为+5V ；
⑦ GND ：线路接地。
图3-3 6264引脚图
Dn
LE OE Qn H
H L H L
H L
L X
L L Q0 X X H 高阻态
2) 常用的程序存储器 外部程序存储器一般由EPROM 、EEPROM 或
Flash 快闪存储器构成，在单片机来发装置中也可由RAM 存储器构成，以便对用户程序进行调试或修改。本系统外部程序存储器选用2764（8KB)芯片，图3-4给出了6264的引脚图，其引脚符号的功能如下。 ① A0---A12为地址线； ② D0--D7为数据输出线； ③ CE 为片选线； ④ OE /VPP 是数据输出选通/编程电源线； ⑤ PROG 是编程脉冲输入端。 图3-4 2764的引脚图
图3-5 存储器扩展电路原理图 本系统所扩展的2764和6264分别为8KB 程序存储器和8KB 数据存储器，K 8213 字节，故需要十三根地址线。故地址总线有P0口提供低8位70A ~A ，P2口提供高5位128A ~A 。同时P0还作为数据总线口，所以8031的ALE 提供地址锁存信号。读写控制信号R W 和D R 分部接6264芯片的WE 和OE ，以实现对外部数据存储器的读写。8031芯片的控制信号PSEN 接2764的OE 引脚，作为外部程序存储器的选通信号。又因为8031单片机没有内部ROM ，只访问外部程序存储器，因此在扩
展并使用外部程序存储器的时，必须使EA接地。本系统采用全地址译码，2764芯片、6264芯片片选信号CE分别接74LS138译码器的Y0和Y1。系统复位以后从0000H开始执行。单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即地址重叠）。在本次设计并没有地址重叠。基于Protel DXP的电路原理图如图3-5所示。
3.1.2 并行I/O接口扩展电路
在单片机应用系统中，经常要利用I/O接口芯片来对单片机的并行I/O端口进行扩展。 MCS-51单片机只有P1口和P2口部分能提供用户作为I/O口使用。不能满足本设计的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。
8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，它可扩展3个8位并行I/O口，有三种工作方式，并可通过编程选择其工作方式。其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。单片机通过8255连接外设时，外设与单片机的数据传送可以选择为直接传送方式、查询传送方式和中断传送方式。8255共有40个引脚，采用双列直插式封装。其外部引脚如图3-6所示，其读写信号的功能见表3-2.各引脚功能如下所述。
①A1~A0：口地址选择信号线。
②PA7~PA0：A口的输入/输出线。
③PB7~PB0：B口的输入/输出线。
④PC7~PC0：C口的输入/输出线。
⑤D7~D0：双向数据信号线，用来传送数据和控制字。
⑥RD：读信号线。
⑦WR：写信号线。
⑧CS：片选信号线，低电平时选中8255芯片。
⑨RESET：复位输入信号，高电平时复位8255。
图3-6 8255外部引脚
表3-2 8255控制信号功能表
CS A1A0 功能
0 00 对端口A进行读/写操作
0 01 对端口B进行读/写操作
0 10 对端口C进行读/写操作
8255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、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8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255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，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0～D7。由于8255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8255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8255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、复位信号RST 、写信号、读信号。当CPU 要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。
2）与外设接口部分
根据定义，8255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8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255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8255向外设输入输出8位并行数据。
（2）B 口：编号为PB0～PB7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。
（3）C 口：编号为PC0～PC7，用于8255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）控制器部分
8255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。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。
0 11 WR RD =01 写命令字 WR RD =10 高阻态 1 ××
高阻态
3.1.3 复位与时钟电路
1)复位电路
复位电路图有多种形式，只要保证Vcc振荡器和反向偏压发生器稳定之后能提供至少两个状态周期低电平即可，原理图中的电阻R1、R2和电容C3、开关S1构成复位电路。此复位电路具有上电自动复位和手动复位功能。当RESET出现高电平时，8031被初始化复位。只要输入端保持高电平则将循环复位。在复位有效期间ALE、PSEN 口输出高电平。当RESET输入端返回底电平后，CPU从地址执行程序。设计中采用上电复位和开关复位两种电路。这样可以保证芯片能在上电的情况下可靠地复位，如下图：
图3-7 复位电路
2)时钟电路
XTAL1为芯片内部振荡电路的输入端，XTAL0为芯片内部振荡电路的输出端，系统采用内部时钟电路。在XTAL1、XTAL2引脚上接定时元件，内部振荡电路产生自激振荡，定时电路一般用石英晶体和电容组成的并联电路。晶振可以在1.2—12MHZ 之间任选。现选晶振的频率为6MHZ。电容在5—30PF之间。现取30PF电容。电容对振荡频率有微小的影响。
图3-8时钟电路