畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于單片機的自動存包柜的設(shè)計

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北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）I誠信申明本人申明：我所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下對四年專業(yè)知識而進行的研究工作及全面的總結(jié)。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中創(chuàng)新處不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京化工大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而已經(jīng)使用過的材料。與我一同完成畢業(yè)設(shè)計（論文）的同學(xué)對本課題所做的任何貢獻均已在文中做了明確的說明并表示了謝意。若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任。本人簽名： 年 月 日北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）II全自動存包柜的設(shè)計XXX電子信息工程 信工 0706 班 學(xué)號 070201149指導(dǎo)教師摘 要本文詳細介紹了國內(nèi)自動存包控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)展中所面臨的問題。并詳細介紹了本系統(tǒng)采用的單片機做控制器，可以同時管理 N 個存包柜。柜門鎖由電磁閥控制，當顧客需要存包的時候，可以自行到存包柜前按“開門”鍵，單片機接收到一脈沖信號，并通過系統(tǒng) I/O 口發(fā)出相應(yīng)的信號，控制鎖柜門的電磁閥將一空箱打開，顧客即可存包，并將柜門關(guān)上。當顧客需要取包時，要將只要將條碼放置到條形碼閱讀器前方，條形碼閱讀器采集到條碼信息輸出相應(yīng)的高低電平信號傳給單片機，系統(tǒng)比較密碼一致后，發(fā)出開箱信號至電磁閥是柜門打開，顧客即可將包取出。關(guān)鍵詞：自動存包 單片機 光電傳感器 條形碼閱讀器北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）IIIDesign of Automatic Package of CounterAbstractThis paper describes the control system of the domestic auto-save package development status of the problems faceing the development. And details of the system microcontroller to do with the controller, can manage a package of counter N. Controlled by a solenoid valve cabinet locks, when customers need to save the package, they can keep their own bag to the counter before the press the “open“ button, the microcontroller receives a pulse signal, and the system I / O port to issue the appropriate signal, control lock door of the solenoid valve will be an empty box is opened, the customer can deposit bags, and cabinet door. When the customer needs to take when the package is to simply place the barcode in front of bar code readers, bar code readers bar code information collected by the high-low output signals to the appropriate microcontroller, the password system is relatively consistent, the issue out of the box signal to the solenoid valve is the door open, the customer can remove the package. Keywords: Automatic Storage Bag Microcontroller Photoelectric Sensors Bar Code Reader 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）IV目 錄前 言 1第 1章 自動 存包柜 2第 1.1 節(jié) 自動存包柜的發(fā)展概述 2第 1.2 節(jié) 總體方案確定 3第 2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 4第 2.1 節(jié) MCS— 51 單片機主要應(yīng)用特性 4第 2.2 節(jié) 自動存包系統(tǒng)面板設(shè)計及控制原理圖 6第 2.3 節(jié) 微型處理器 9第 2.4 節(jié) 系統(tǒng)擴展 .12第 2.5 節(jié) 輸入/輸出接口系統(tǒng)設(shè)計 20第 2.6 節(jié) 條形碼閱讀器設(shè)計 .25第 2.7 節(jié) 電機控制電路設(shè)計 .26第 2.8 節(jié) 電源 .27第 3章 系統(tǒng)流程圖 .29第 3.1 節(jié) 控制主程序流程圖 .29第 3.2 節(jié) 顯示子程序程圖 .31第 3.3 節(jié) 輸入給定值中斷服務(wù)程序 .32北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）V結(jié) 論 .33附 錄 .34參考文獻 .39致 謝 .40北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1前 言隨著我國的不斷發(fā)展，產(chǎn)品呈現(xiàn)出種類數(shù)目不斷增多、豐富的局面。尤其是生產(chǎn)質(zhì)量的不斷提高，對技術(shù)服務(wù)提出了更高的要求，特別是對物品的自動存儲提出了更新更高的要求。在當前各種多功能全自動存包機逐漸進入各超市的情況下，我們有必要對國產(chǎn)自動存包控制的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展作進一步探討。在超市、綜合商店、個人商店等人流量大的地方，常常需要對顧客隨帶物品進行存儲。如果用人工完成不但麻煩，而且效率低，勞動強度大。隨著微型計算機控制的普及，特別是單片機的應(yīng)用，給該類系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的便利，在本次設(shè)計中，將主要介紹單片機控制自動存包控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）2第1章 自動存包柜第1.1節(jié) 自動存包柜的發(fā)展概述電子存包柜又名自動存包柜、電子寄存柜，是20世紀嵌入式計算機快速發(fā)展后在傳統(tǒng)寄存行業(yè)的一大應(yīng)用。從外觀和用途來看，電子存包柜屬于家具類別中的鋼制家具。從實現(xiàn)方式和功能上來看，電子存包柜屬于電子專用設(shè)備。電子存包柜主要由以下幾種類型：(1)機設(shè)條碼式電子存包柜 存物時：按“存”鍵，寄存柜自動打印一張密碼條，機器語音提示：“請取密碼條”。使用者抽出密碼紙，對應(yīng)的箱門自動打開，存好后關(guān)上箱門。取物時：直接將條碼紙在掃描口掃描，對應(yīng)的箱門會自動打開。語音提示：“請取完物品后關(guān)好箱門?！?2)指紋式電子存包柜 以使用者指紋作為寄存的憑證；當使用者進行存物操作時，須先按一下操作鍵盤中的“存”鍵，然后在指紋采集窗里采集指紋，機器會把該指紋與分配給使用者使用的寄存箱的箱號結(jié)合起來，并將信息自動記錄下，同時自動打開該箱，供使用者存物，存完后使用者自己關(guān)好箱門；取物時，只需須先按一下操作鍵盤中的“取”鍵，然后在指紋采集窗里采集指紋，寄存柜將指紋數(shù)據(jù)與先前記錄下的進行比對，正確后才會打開該箱供使用者取物（同時機器會自動記錄當時的時間、指紋以備查詢）。 (3)非接觸IC卡電子存包柜 以使用者所持IC卡（即射頻卡）作為寄存的憑證；當使用者進行存物操作時，須先按一下操作鍵盤中的“存”鍵再刷卡（即讓寄存柜讀取卡號），寄存柜先識別是否為該場所的IC卡，若不是則拒絕存物；若是，機器會把該卡號與分配給使用者使用的寄存箱的箱號結(jié)合起來，并將信息自動記錄下，同時自動打開該箱，供使用者存物，存完后自己關(guān)好箱門；取物時，只需須先按一下操作鍵盤中的“取”鍵再北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3刷卡，寄存柜將讀取的卡號與先前記錄下的進行比對，正確后才會打開該箱供使用者取物（同時機器會自動記錄當時的時間、卡號以備查詢）。 (4)聯(lián)網(wǎng)型非接觸IC卡電子存包柜 聯(lián)網(wǎng)型非接觸IC卡電子存包柜基本功能與非接觸IC卡電子存包柜一致，另外增加了網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，上位機管理軟件等，以實現(xiàn)寄存狀態(tài)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，分段收費，報表打印等功能。 現(xiàn)在公共場所應(yīng)用比較廣泛。因此，研制出一種能自動存包的裝置有很重大的意義，我所研究的就是這方面的課題。第 1.2 節(jié) 總體方案確定根據(jù)“自動存包”這一目的要求，做如下設(shè)計安排：第一部分：CPU 核心控制部分，由單片機 8031、復(fù)位電路、時鐘電路等構(gòu)成，是整個系統(tǒng)的核心。第二部分：鍵盤顯示控制部分。對 3 個數(shù)碼管和 2 個按鍵進行管理，3 個數(shù)碼管用于顯示兩位柜號和 3 位密碼，12 個按鍵分別為 10 個數(shù)字鍵和 2 個功能鍵。通過這些鍵盤，用戶就可以完成所有的操作。第三部分：執(zhí)行機構(gòu)部分。它是通過 8051 的并行口擴展一片 8255A 芯片，并通過 8255A 控制 20 個燈的狀態(tài)（亮滅）來模擬柜子的存包取包的過程。軟件部分主要采用我們自己設(shè)定的一種與柜號相關(guān)聯(lián)的算法來產(chǎn)生一組 3 位的隨機密碼，而密碼的產(chǎn)生、核對過程就對應(yīng)存包、取包的過程。北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計第 2.1 節(jié) MCS—51 單片機主要應(yīng)用特性MCS-51 單片機是美國 Intel 公司于 1980 年推出的產(chǎn)品,與 MCS-48 單片機相比，它的結(jié)構(gòu)更先進，功能更強，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達 111 條，MCS-51 單片機可以算是相當成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51 系列或其兼容的單片機仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍用 MCS-51 單片機作為代表進行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。我們也以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的設(shè)計。MCS-51 系列單片機主要包括 8031、8051 和 8751 等通用產(chǎn)品，其主要功能如下：8 位 CPU4kbytes 程序存儲器(ROM)128bytes 的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)32 條 I/O 口線111 條指令，大部分為單字節(jié)指令21 個專用寄存器2 個可編程定時/計數(shù)器5 個中斷源，2 個優(yōu)先級一個全雙工串行通信口外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為 64kB外部程序存儲器尋址空間為 64kB邏輯操作位尋址功能雙列直插 40PinDIP 封裝單一+5V 電源供電MCS-51 以其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“名機”，為以后的其它單片機北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）5的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。正因為其優(yōu)越的性能和完善的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致后來的許多廠商多沿用或參考了其體系結(jié)構(gòu)，有許多世界大的電氣商豐富和發(fā)展了 MCS-51 單片機，像PHILIPS、Dallas、ATMEL 等著名的半導(dǎo)體公司都推出了兼容 MCS-51 的單片機產(chǎn)品，就連我國的臺灣 WINBOND 公司也發(fā)展了兼容 MCS-51 的單片機品種。近年來 MCS-51 獲得了飛速的發(fā)展，MCS-51 的發(fā)源公司 Intel 由于忙于開發(fā) PC及高端微處理器而無精力繼續(xù)發(fā)展自己的單片機，而由其它廠商將其發(fā)展，最典型的是 PHILIPS 和 ATMEL 公司，PHILIPS 公司主要是改善其性能，在原來的基礎(chǔ)上發(fā)展了高速 I/O 口，A/D 轉(zhuǎn)換器，PWM(脈寬調(diào)制)、WDT 等增強功能，并在低電壓、微功耗、擴展串行總線(I 2C)和控制網(wǎng)絡(luò)總線(CAN)等功能加以完善。ATMEL 公司推出的 AT89Cxx 系列兼容 MCS-51 的單片機，完美地將 Flash(非易失閃存技術(shù))EPROM 與 80C51 內(nèi)核結(jié)合起來，仍采用 MCS-51 的總體結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，F(xiàn)lash 的可反擦寫程序存儲器能有效地降低開發(fā)費用，并能使單片機作多次重復(fù)使用。8051 是 MCS-51 系列單片機中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21 個專用控制寄存器、4kB 的程序存儲器、128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、4 組 8 位的并行口、兩個 16 位的可編程定時/計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器。MCS-51 采用模塊式結(jié)構(gòu)，MCS-51 系列中各種加強型單片機都是以 8051 為核心加上一定的新的功能部件后組成的，從而使它們完全兼容。表 2.1 為 MCS-51 系列單片機常用產(chǎn)品特性。表2.1 MCS-51系列單片機常用產(chǎn)品特性片內(nèi)存儲器片外尋址空間（KB）型號程序 數(shù)據(jù)I/O線定時器/計數(shù)器程序 數(shù)據(jù)8051 4K ROM 128 32 2個16位 64 648751 4K EPROM 128 32 2個16位 64 648031 無 128 32 2個16位 64 6480C51 4K ROM 128 32 2個16位 64 6487C51 4K EPROM 128 32 2個16位 64 6480C31 無 128 32 2個16位 64 648052 4K ROM 256 32 3個16位 64 64北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）68752 4K EPROM 256 32 3個16位 64 648032 無 256 32 3個16位 64 64MCS-51 具有比較大的尋址空間，地址線寬達 16 條，即外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的尋址范圍達 216=64kB，這作為單片機控制來說已是比較大的，這同時具備對口的訪問能力。此外，MCS-51 采用模塊化結(jié)構(gòu)，可方便地增刪一個模塊就可使引腳和指令兼容的新產(chǎn)品，從而容易使產(chǎn)品形成系列化。由于 MCS-51 集成了幾乎完善的 8 位中央處理單元，處理功能強，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，硬件的加、減、乘、除法器和布爾處理機及各種邏輯運算和轉(zhuǎn)移指令，這給應(yīng)用提供了極大的便利。MCS-51 的指令系統(tǒng)近乎完善，指令系統(tǒng)中包含了全面的數(shù)據(jù)傳送指令、完善的算術(shù)和邏輯運算指令、方便的邏輯操作和控制指令、對于編程來說，是相當靈活和方便的。MCS-51 單片機的工作頻率為 2-12MHz，當振蕩頻率為 12MHz 時，一個機器周期為 1us,這個速度應(yīng)該說是比較快的。MCS-51 把微型計算機的主要部件都集成在一塊芯片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，可靠性更高，運行速度更塊。由于屬于芯片化的微型計算機，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達最優(yōu)化，抗干擾能力加強，工作亦相對穩(wěn)定。因此，在工業(yè)測控系統(tǒng)中，使用單片機是最理想的選擇。單片機屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。鑒于MCS-51的以上特點，本文的設(shè)計就是基于MCS-51的8031型號單片機來設(shè)計的自動存包系統(tǒng)。第 2.2 節(jié) 自動存包系統(tǒng)面板設(shè)計及控制原理圖2.2.1 面板設(shè)計自動存包控制系統(tǒng)面板如圖 2.1 所示北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7圖 2.1 控制面板下圖為實物圖的展示：7 821659430警報運行掃描 出單區(qū)域顯示區(qū)域存包 取包北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）8圖 2.1 實物圖展示2.2.2 系統(tǒng)控制原理圖北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）9圖 2.3 自動存包系統(tǒng)控制原理圖在本系統(tǒng)設(shè)計的自動存包系統(tǒng)中，采用 8031 單片機設(shè)計一個最小系統(tǒng)，為了讀鍵盤給定值及完成檢測和控制，系統(tǒng)中擴展一片 8255A 可編程接口及程序存儲器EPROM 2764 其原理圖如圖 2.3 所示。在圖 2.3 中所示，8031、74LS373、2764 組成最小系統(tǒng)。第 2.3 節(jié) 微型處理器8031 單片機是 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS-51 系列單片機中的一種，除無片內(nèi) ROM 外，其余特性與 MCS-51 單片機基本一樣。2.3.1 8031 性能特點8031 的主要性能包括:（1）與 MCS-51 位控制器產(chǎn)品系列兼容。（2）寬工作電壓范圍，VCC 可為 2.7V～6V。（3）全靜態(tài)工作，可從 0Hz 至 16Hz。（4）128×8 位內(nèi)部 RAM。（5）32 條可編程 I/O 線。（6）兩個 16 位定時器/計數(shù)器。（7）中斷結(jié)構(gòu)具有 5 個中斷源和 2 個優(yōu)先級。2.3.2 8031 硬件結(jié)構(gòu)及引腳功能8031 的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示：北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）10圖 2.4 8031 引腳圖在圖 2.4 中所示，8031 單片機采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式。采用方形封裝工藝。由于受到引腳數(shù)目的限制，所以有一些引腳具有第二功能。在單片機的40 條引腳中，有 2 條專用于主電源的引腳，2 條外接晶體的引腳，4 條控制和其它電源復(fù)用的引腳，32 條輸入/輸出引腳。下面分別說明這些引腳的名稱和功能。（1）主電源引腳 Vcc 和 GNDVcc：芯片主電源，正常工作時接+5V 電源。GND：接電源地。（2）時鐘振蕩引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1: 接外部晶體的一端。在單片內(nèi)部，它是反相放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。在測外部時鐘電路時，對于 HMOS 單片機，此引腳必須接地；對CHMOS 單片機，此引腳作為驅(qū)動端。XTAL2: 接外部晶體的另一端。在單片機內(nèi)部,接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端，振蕩器的頻率是晶體振蕩頻率。若采用外部時鐘電路時，對于 HMOS 單片機，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對于 CHMOS 單片機，此引腳應(yīng)懸空。（3）控制信號引腳 RST/Vpd、ALE/PROG、PSEN 和 EA/Vpp。ALE/PROG: 地址鎖存使能輸出/編程脈沖輸入端。在擴展系統(tǒng)時，ALE 用于控制把 P0 口輸出的低 8 位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低 8 位地址和數(shù)據(jù)的隔離，P0 口作為數(shù)北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）11據(jù)地址復(fù)用口線。當訪問單片機外部程序或數(shù)據(jù)存儲器或外接 I/O 口時，ALE 輸出脈沖的下降沿用低 8 位地址的鎖存信號；即使不訪問單片機外部程序或數(shù)據(jù)存儲器或外接 I/O 口，ALE 端仍以晶振頻率的 1/6 輸出脈沖信號，因此可以作為外部時鐘或外部定時信號使用。但應(yīng)注意，此時不能訪問單片機外部程序、數(shù)據(jù)存儲器或外設(shè) I/O接口。PSEN: 片外程序存儲器讀選通信號。在 CPU 向片外程序存儲器讀取指令和常數(shù)時，每個機器周期 PSEN 兩次低電平有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或I/O 接口時無效出現(xiàn)。EA/Vpp: 訪問程序存儲器控制信號/編程電源輸入端。當 EA 端輸入高電平時，單片機訪問片內(nèi)的程序存儲器，在低 4KB 地址時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當 EA 輸入低電平時，CPU 僅訪問片外程序存儲器。在對 8751EPROM 編程時，此引腳接+21V 的編程電壓 VPP。RST/Vpd: 復(fù)位/掉電保護信號輸入端。單片機上電后，只要在該引腳上輸入 24個振蕩周期 2 個機器周期 0 寬度以上的高電平就會使單片機復(fù)位；若在 RST 與 Vcc之間接一個 10μF 的電容，則可實現(xiàn)單片機上電自動復(fù)位。RST/Vpd 具有復(fù)位功能，在主電源 Vcc 掉電期間，該引腳可接上+5V 的備用電源。當 Vcc 掉到低于規(guī)定的電平，而 Vpd 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時，+5V 就向片內(nèi) RAM 提供備用電源，以保持片內(nèi) RAM中的數(shù)據(jù)不丟失，復(fù)位后能繼續(xù)正常運行。（4）輸入/輸出（I/O）引腳 P0、P1、P2、P3（共 32 根）P0.0～P0.7: P0 口是一個 8 位雙向 I/O 端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低 8 位地址和作 8 位雙向數(shù)據(jù)總線。在 EPROM 編程時，從 P0 口輸入指令字節(jié)；在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)(驗證時要外接上拉電阻)。P0 口能一吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載。P1.0～P1.7: P1 口是 8 位準雙向 I/O 端口。在 EPROM 編程和程序驗證時，它輸入低 8 位址。P1 口能驅(qū)動 4 個 LSTTL 負載。P2.0～P2.7: P2 口是 8 位準雙向 I/O 端口。在 CPU 訪問外部存儲器時，它輸出高 8 位地址。在對 EPROM 編程和程序驗證時，它輸出高 8 位地址。P2 口可驅(qū)動 4 個LSTTL 負載。P3.0～P3.7: P3 口是 8 位準雙 I/O 端口。它是一個復(fù)用功能口。作為第一功能使用時，為普通 I/O 口，其功能和操作方法與 P1 口相同。作為第二功能使用時,各引腳的定義如表 2-2 所示。P3 口的每一引腳均可獨立定義第一功能的輸入輸出或第二功能。P3 口能驅(qū)動 4 個 LSTTL 負載。表 2.2 各口線的第二功能定義北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）12口線 引腳 第二功能P3.0 10 RXD（串行輸入口）P3.1 11 TXD（串行輸出口）P3.2 12 （外部中斷 0）0INP3.3 13 （外部中斷 1）1P3.4 14 T0（定時器 0 外部輸入）P3.5 15 T1（定時器 1 外部輸入）P3.6 16 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖）WRP3.7 17 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）D第 2.4 節(jié) 系統(tǒng)擴展8031 具有很強的擴展功能，允許擴展各種外圍電路以補充片內(nèi)資源不足，適應(yīng)特定應(yīng)用的需要，擴展內(nèi)容包括數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、I/O 接口等擴展結(jié)構(gòu)如圖2.5 所示：8031數(shù)據(jù)存儲器 I/O 接口程序存儲器北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）13圖 2.5 8031 系統(tǒng)擴展結(jié)構(gòu)圖2.4.1 I/O 接口的擴展由于我們采集的數(shù)據(jù)量較多，因此 CPU 的 I/O 口線不夠用，所以我們使用 8255A來擴展 I/O 口，以滿足系統(tǒng)的要求。8255A 是 Intel 公司生產(chǎn)的通用可編程并行 I/O 接口芯片。8031 和 8255A 相連可為外設(shè)提供三個 8 位 I/O 端口，允許采用同步、異步和中斷方式傳送 I/O 數(shù)據(jù)。(1)8255A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能①內(nèi)部結(jié)構(gòu)8255A 內(nèi)部由四部分電路組成。它們是 A 口、B 口和 C 口，A 組控制器和 B 控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫控制邏輯，如圖 2-6 所示。1 A 口、B 口和 C 口。A 口、B 口和 C 口均為 8 位 I/O 數(shù)據(jù)口，但結(jié)構(gòu)上略有差別。A 口由一個 8 位的數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個 8 位的數(shù)據(jù)輸入緩沖/鎖存器組成。B 口由一個 8 位的數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個 8 位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器組成。三個端口都可以和外設(shè)相連，分別傳送外設(shè)的輸入/輸出數(shù)據(jù)或控制信息。2 A、B 組控制電路。這是兩組根據(jù) CPU 的命令字控制 8255 工作方式的電路。A組控制 A 口及 C 口的高 4 位，B 組控制 B 口及 C 口的低 4 位。3 數(shù)據(jù)總線緩沖器。它是一個 8 位的雙向三態(tài)驅(qū)動器，用于與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，傳送數(shù)據(jù)或控制信息。4 讀/寫控制邏輯。這部分電路接收 MCS-51 送來的讀/寫命令和選口地址，用于控制對 8255A 的讀/寫。北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）14圖 2.6 8255A 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖② 引腳功能8255A 有 40 條引腳，采用雙列直插式封裝。如圖 2.7 所示。圖 2.7 8255A 引腳圖1 數(shù)據(jù)總線（8 條）：D0～D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255A 與 CPU 數(shù)據(jù)傳送的通道，當 CPU 執(zhí)行輸入輸北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）15出指令時，通過它實現(xiàn) 8 位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。2 控制總線（6 條）：RESET: 復(fù)位信號，輸入高電平有效。一般和單片機的復(fù)位相連，復(fù)位后，8255A 所有內(nèi)部寄存器清 0，所有口都為輸入方式。:片選信號線，當這個輸入引腳為低電平時有效，表示芯片被選中，允許CS8255A 與 CPU 進行通訊。:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時，允許 8255A 通過數(shù)據(jù)總線向 CPURD發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)字。:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時，允許 CPU 將數(shù)據(jù)或控制字寫入W8255A。A0、A1：地址輸入線。當=0，芯片被選中時，這兩位的 4 種組合00、01、10、11 分別用于選擇 A、B、C 口和控制寄存器。其組合如表 2.3。表 2.3 8255A 控制信號功能表CSA1A2 RDW端口地址 端口 功能0 00 0 1 00 H A 口 讀 A 口0 00 1 0 00 H A 口 寫 A 口0 01 0 1 01H B 口 讀 B 口0 01 1 0 01H B 口 寫 B 口0 10 0 1 02H C 口 寫 C 口0 10 1 0 02H C 口 讀 C 口0 11 1 0 03H 控制口 寫控制字1 ×× × × × × 總線高阻3 并行 I/O 總線（24 條）：這些總線用于和外設(shè)相連，分別與 A、B、C 口相對應(yīng)，用于 8255A 和外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)，共分三組：PA0～PA7:端口 A 輸入輸出線，一個 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個 8 位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。PB0～PB7:端口 B 輸入輸出線，一個 8 位的 I/O 鎖存器，一個 8 位的輸入輸出緩沖器。PC0～PC7:端口 C 輸入輸出線，一個 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個 8 位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。4 電源線（2 條）：VCC 為＋5V 電源線，允許變化±10%；GND 為地線。(2)8255A 方式控制字北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）168255A 有兩個控制字：方式控制字和 C 口單一置復(fù)位控制字。用戶通過程序可以把這兩個控制字送到 8255A 的控制寄存器（A1A0＝11B） ，以設(shè)定 8255A 的工作方式和 C 口各位狀態(tài)。這兩個控制字以 D7 位狀態(tài)作為標志。8255A 各端口工作于什么方式和是輸入還是輸出方式，是由方式控制字決定的。方式控制字格式如圖 2.7 所示。D7 為控制字標志位，若 D7=1,則本控制字為方式控制字，若 D7＝0，則本控制字為 C 口單一置復(fù)位控制字。D6～D3 為 A 組控制位。其中，D6 和 D5 位 A 組方式選擇位：若 D6D5＝00，則 A組設(shè)定為方式 0；若 D6D5＝01，則 A 組設(shè)定為方式 1：若 D6D5＝1×（×為任意） ，則 A 組設(shè)定為方式 2。D4 為 A 口輸入/輸出控制位：若 D4＝0，則 PA0～PA7，用于輸出數(shù)據(jù)；若 D4＝0，則 PA0～PA7 用于輸入數(shù)據(jù)。D3 位 C 口高 4 位輸入/輸出控制位：若 D3＝0，則 PC4～PC7 為輸出數(shù)據(jù)方式；若 D3＝1，則 PC4～PC7 為輸入方式。圖 2.8 方式控制字D2～D0 為 B 組控制位，其作用和 D6～D3 類似。其中，D2 為方式選擇位，若D2＝0，則 B 組設(shè)定為方式 0，若 D2＝1，則 B 組設(shè)定為方式 1。D1 為 B 口輸入/輸出控制位，D1＝0，則 PB0～PB7 用于輸出數(shù)據(jù)，若 D1＝1，則 PB0～PB7 用于輸入數(shù)據(jù)。D0 為 C 口低 4 位輸入/輸出控制位，若 D0＝0，則 PC0～PC3 用于輸出數(shù)據(jù)，若D0＝1，則 PC0～PC3 用于輸入數(shù)據(jù)。如圖 2.9 所示：北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）17圖 2.9 置位控制字(3)8255A 的工作方式8255A 有三種工作方式：方式 0（Mode0） 、方式 1（Mode1）和方式 2(Mode2)。正確的選用方式控制字，并把它通過程序送給 8255A 的控制字寄存器就可設(shè)定 8255A的工作方式。方式 0（基本輸入/輸出方式）：這種方式不需要任何選通信號。A 口、B 口及 C 口的兩個 4 位口中的任何一個端口都可以被設(shè)定為輸入或輸出。輸出鎖存，輸入不鎖存。根據(jù)控制字D4、D3、D1、D0 位的變化，方式 0 有 16 種不同的輸入、輸出組合方式。方式 1（選通輸入/輸出方式）：這種方式下，A 口、B 口、C 口分為兩組。A 組包括 A 口和 C 口的高 4 位，A 口可由編程設(shè)定為輸入口或輸出口，C 口的高四位則用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號；B 組包括 B 口和 C 口的低 4 位，B 口可由編程設(shè)定為輸入口或輸出口，C 口的低四位則用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號。A 口和 B 口的輸入輸出數(shù)據(jù)都被鎖存。方式 2（雙向總線方式）：這種方式下，A 口為 8 位雙向總線口，C 口的 PC3～PC7 用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號；B 口和 C 口的 PC0～PC2 則可編程為方式 0 或方式 1 工作。(4)8255A 與 CPU 8031 的接口北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）188255A 與 CPU 8031 的接口連線如圖 2.10 所示。圖 2.10 8255A 與 CPU8031 的接線圖8255A 與單片機間有 3 組連線：D7～D8 根數(shù)據(jù)線依次與 P0 口的 P0.7～P0.0 一一對應(yīng)連接：RD、WR、RESET 等 3 根控制線與單片機的同名引腳互連；片選端 CS 則與 P2 口相連；A1、A0 兩根地址線與單片機的兩個 I/O 引腳連接。2.4.2 存儲功能擴展由于我們需要保存一定的數(shù)據(jù)，而 8031 片內(nèi)沒有程序存儲功能，因此，EA 管腳總是接低電平。根據(jù)保存的數(shù)據(jù)量需要，我們選用了 EPROM 2764 為外擴的數(shù)據(jù)存儲器。(1)態(tài)緩沖輸出的 8D 鎖存器，由于單片機的三總線結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)線與地址線的低 8 位共用 P0 口，因此必須用地址鎖存器將地址信號和數(shù)據(jù)信號區(qū)分開。74LS373的鎖存控制端直接與單片機的鎖存控制信號 ALE 相連，在 ALE 的下降沿鎖存低 8 位地址。其中，D0～D7 為數(shù)據(jù)輸入端；Q0～Q7 為數(shù)據(jù)輸出端；OE 為三態(tài)允許控制端（低電平有效） ；LE 為鎖存允許端。北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）19圖 2.11 74LS373 引腳該片如何工作由功能表 2.4 決定，表中 L 為低電平、H 為高電平、Z 為高阻抗（相當開路）X 為任意電平，一般將 OE 接低電平，LE 接 ALE 就能正常工作。表 2.4 74LS373 真值表OELE Dn QnL H H HL H L LL L L LL L H HH X X Z(2)2764 EPROM 紫外線擦除電可編程只讀存儲器 EPROM 是國內(nèi)用得較多的程序存儲器。EPROM 芯片上有一個玻璃窗口，在紫外線照射下，存儲器中的各位信息均變1，即處于擦除狀態(tài)。擦除干凈的 EPROM 可以通過編程器將應(yīng)用程序固化到芯片中。本次設(shè)計所選用的是 2764 EPROM。①2764 的概述這是一種可以擦去重寫的只讀存儲器。通常用紫外線對其窗口進行照射，即可把它所存儲的內(nèi)容擦去。之后，又可以對其重新進行編程，寫入新的內(nèi)容。一旦寫入，其存儲的內(nèi)容可以長期（幾十年）地保存，即使去掉電源電壓，也不會影響它所存儲的內(nèi)容。圖 2.11 為通用的 EPROM 2764 的引腳圖，它的容量為 8 K×8bit。8 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）20K 表示有 8×1024 個存儲單元，8 位表示每個單元存儲數(shù)據(jù)的寬度是 8 位。前者確定了地址線的位數(shù)是 12 位（A0～A12） ，后者確定了數(shù)據(jù)線的位數(shù)是 8 位（D0～D7） 。目前，除了串行存儲器之外，一般情況下，我們使用的都是 8 位數(shù)據(jù)存儲器。單一+5 V 供電，工作電流為 75 mA，維持電流為 35 mA，讀出時間最大為 250 ns，DIP28封裝。圖 2.12 2764 引腳圖②引腳功能其中，A0～A12 為地址線；D0～D7 為數(shù)據(jù)線； 為片選線； 是讀線；CEOE是編程輸入；Vpp 為編程電源。PGM除了 12 條地址線和 8 條數(shù)據(jù)線之外， 為片選線，低電平有效。也就是說，只有當 為低電平時，2764 才被選中，否則，2764 不工作。 CE③EPROM 2764 和鎖存器 74LS373 與 8031 組成最小系統(tǒng)8031 單片機擴展一片 2764 程序存儲器電路如圖 2.12 所示。1 地址線。單片機擴展片外存儲器時，地址是由 P0 和 P2 口提供的。圖 2.12 中，2764 的 13 條地址線（A0～A12）中，低 8 位 A0～A7 通過鎖存器 74LS373 與 P0 口連接，高 4 位 A8～A12 直接與 P2 口的 P2.0～P2.3 連接，P2 口本身有鎖存功能。注意，鎖存器的鎖存使能端 LE 必須和單片機的 ALE 管腳相連。2764VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGMN.CA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D32764—8K EPROM北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21圖 2.13 8031 擴展 2764 EPROM 硬件接線圖2 數(shù)據(jù)線。2764 的 8 位數(shù)據(jù)線直接與單片機的 P0 口相連。因此，P0 口是一個分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)線。3 控制線。CPU 執(zhí)行 2764 中存放的程序指令時，取指階段就是對 2764 行讀操作。注意，CPU 對 EPROM 只能進行讀操作，不能進行寫操作。CPU 對 2764 的讀操作控制都是通過控制線實現(xiàn)的。2764 控制線的連接有以下幾條：CE：直接 P2.5。OE：接 8031 的讀選通信號端。在訪問片外程序存儲器時，只要端出現(xiàn)負脈沖，即可從 2764 中讀出程序。第 2.5 節(jié) 輸入/輸出接口系統(tǒng)設(shè)計輸入/輸出接口系統(tǒng)就是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備接口，就是人機交互接口。這些輸入/輸出設(shè)備主要有鍵盤和顯示器等。它們是系統(tǒng)中必不可少的輸入、輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。2.5.1 鍵盤系統(tǒng)設(shè)計鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）22鍵盤可以分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。前者能自動識別按下的按鍵并且能產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，以并行或串行的方式發(fā)送給 CPU。它使用方便，接口簡單，響應(yīng)速度快，但是需要專用的硬件電路。本次設(shè)計中所采用的就是編碼鍵盤。如圖 2.3 中所示，8255A 為給定值輸入接口。為了使系統(tǒng)簡單，設(shè)計了一個由二極管矩陣組成的編碼鍵盤，如圖 2.14 所示：圖 2.14 編碼鍵盤原理圖鍵盤輸出信號 D，C，B，A（BCD 碼）分別接到 8255A 的 A 口 PA3-PA0，鍵選通信號 KEYSTROBE（高電平有效） ，經(jīng)反向器接到 8031 的 INT0 管腳。當按下某一個按鍵時，KEYSTROBE 為高電平，經(jīng)過反相后的下降沿向 8031 申請中斷。8031 響應(yīng)后，讀入 BCD 碼值，作為定值，并送顯示。本次設(shè)計只有 3 位顯示，所以最多只能給定999。輸入順序為從最高位（百位數(shù)）開始。當按鍵未按下時，所有輸出端口均為高電平。當有按鍵按下以后該按鍵的 BCD碼將會出現(xiàn)在輸出線上。2.5.2 顯示系統(tǒng)設(shè)計為了使操作人員及時掌握生產(chǎn)情況，在一般的微型計算機控制系統(tǒng)或者智能儀器當中，都配有顯示程序。本次設(shè)計采用 LED 數(shù)碼顯示。(1)LED 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及顯示原理常用的顯示器件有：①顯示和記錄儀表，②CRT 顯示終端，③LED 或者 LCD 顯示器，④大屏幕顯示器。本次設(shè)計所采用的是 LED 數(shù)碼管。LED 數(shù)碼管具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，壽命長，可靠性高等優(yōu)點。北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）23LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成，由于材料的不同，可以發(fā)出各種單色光線。發(fā)光二極管可以有多種組成形式，其中 7 段數(shù)碼管應(yīng)用最多，根據(jù)發(fā)光二極管內(nèi)部的連接方式不同，又有共陰極或共陽極兩種形式。如圖 2.15 所示圖 2.15 LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)(2)74LS138 結(jié)構(gòu)及功能圖 2.16 74LS138 結(jié)構(gòu)A1、A2、A3分別為輸入端，G1為使能端的高電平，0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7分別為輸出端。在講38譯碼器的時候，老師還講了38譯碼器的邏輯真值表，而且，38譯碼器就是根據(jù)邏輯真值表研制出的，如下圖：北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）24圖 2.17 74LS138 真值表注：表中的藍色區(qū)域為輸入使能端，黃色區(qū)域為輸入選擇端，綠色區(qū)域表示該譯碼器不工作。其引腳功能為：A、B、C 為譯碼地址輸入端；G1為選通端；2A、 2B 為選通端（低電平有效） ；Y0~Y7為譯碼輸出端（低電平有效） 。G(3) 74LS377 結(jié)構(gòu)及功能簡單輸出接口通常用 74LS377 芯片。該芯片是一個種 8D 鎖存器，該芯片的引腳排列如下圖所示：圖 2.18 74LS377 引腳及功能北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）25圖中相關(guān)引腳的功能如下：D0-D7:8 位數(shù)據(jù)端輸入端。Q0-Q7:8 位數(shù)據(jù)輸出端。G：使能控制端。CLK：時鐘信號，上升沿鎖存數(shù)據(jù)。表 2.5 74LS377 真值表CLK D Q1 X X Q0 1 1 10 1 0 0X 0 X Q下圖是利用 74LS377 進行簡單輸出接口的擴展的電路，圖中，由于 74LS 的 G 端與 P2.7 口連接，所以他的地址是：0XXX XXXX XXXX XXXXB。如果把“X”全置 1 的話，就是 0111 1111 1111 1111B 即 7FFH圖 2.19 74LS377 輸出接口的擴展電路由于 51 的與 74LS 的 CLK 端相連，當信號由低電平變高時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)證實輸出的數(shù)據(jù)。而此時 P2.7 也正輸出低電平，有效，因此，數(shù)據(jù)就被鎖存，有關(guān)程序如下：MOV DPTR， #7FFH ： 地址MOV A， #DATA ： DATA 為要送出的數(shù)據(jù)