毕业设计（论文）-基于单片机的自动存包柜的设计

北京化工大学北方学院毕业设计（论文）I诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 年 月 日北京化工大学北方学院毕业设计（论文）II全自动存包柜的设计XXX电子信息工程 信工 0706 班 学号 070201149指导教师摘 要本文详细介绍了国内自动存包控制系统的发展现状，发展中所面临的问题。并详细介绍了本系统采用的单片机做控制器，可以同时管理 N 个存包柜。柜门锁由电磁阀控制，当顾客需要存包的时候，可以自行到存包柜前按“开门”键，单片机接收到一脉冲信号，并通过系统 I/O 口发出相应的信号，控制锁柜门的电磁阀将一空箱打开，顾客即可存包，并将柜门关上。当顾客需要取包时，要将只要将条码放置到条形码阅读器前方，条形码阅读器采集到条码信息输出相应的高低电平信号传给单片机，系统比较密码一致后，发出开箱信号至电磁阀是柜门打开，顾客即可将包取出。关键词：自动存包 单片机 光电传感器 条形码阅读器北京化工大学北方学院毕业设计（论文）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 北京化工大学北方学院毕业设计（论文）IV目 录前 言 1第 1章 自动 存包柜 2第 1.1 节 自动存包柜的发展概述 2第 1.2 节 总体方案确定 3第 2章 系统硬件设计 4第 2.1 节 MCS 51 单片机主要应用特性 4第 2.2 节 自动存包系统面板设计及控制原理图 6第 2.3 节 微型处理器 9第 2.4 节 系统扩展 .12第 2.5 节 输入/输出接口系统设计 20第 2.6 节 条形码阅读器设计 .25第 2.7 节 电机控制电路设计 .26第 2.8 节 电源 .27第 3章 系统流程图 .29第 3.1 节 控制主程序流程图 .29第 3.2 节 显示子程序程图 .31第 3.3 节 输入给定值中断服务程序 .32北京化工大学北方学院毕业设计（论文）V结 论 .33附 录 .34参考文献 .39致 谢 .40北京化工大学北方学院毕业设计（论文）1前 言随着我国的不断发展，产品呈现出种类数目不断增多、丰富的局面。尤其是生产质量的不断提高，对技术服务提出了更高的要求，特别是对物品的自动存储提出了更新更高的要求。在当前各种多功能全自动存包机逐渐进入各超市的情况下，我们有必要对国产自动存包控制的应用现状及发展作进一步探讨。在超市、综合商店、个人商店等人流量大的地方，常常需要对顾客随带物品进行存储。如果用人工完成不但麻烦，而且效率低，劳动强度大。随着微型计算机控制的普及，特别是单片机的应用，给该类系统的设计带来了极大的便利，在本次设计中，将主要介绍单片机控制自动存包控制系统的设计方法。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）2第1章 自动存包柜第1.1节 自动存包柜的发展概述电子存包柜又名自动存包柜、电子寄存柜，是20世纪嵌入式计算机快速发展后在传统寄存行业的一大应用。从外观和用途来看，电子存包柜属于家具类别中的钢制家具。从实现方式和功能上来看，电子存包柜属于电子专用设备。电子存包柜主要由以下几种类型：(1)机设条码式电子存包柜 存物时：按“存”键，寄存柜自动打印一张密码条，机器语音提示：“请取密码条”。使用者抽出密码纸，对应的箱门自动打开，存好后关上箱门。取物时：直接将条码纸在扫描口扫描，对应的箱门会自动打开。语音提示：“请取完物品后关好箱门。”(2)指纹式电子存包柜 以使用者指纹作为寄存的凭证；当使用者进行存物操作时，须先按一下操作键盘中的“存”键，然后在指纹采集窗里采集指纹，机器会把该指纹与分配给使用者使用的寄存箱的箱号结合起来，并将信息自动记录下，同时自动打开该箱，供使用者存物，存完后使用者自己关好箱门；取物时，只需须先按一下操作键盘中的“取”键，然后在指纹采集窗里采集指纹，寄存柜将指纹数据与先前记录下的进行比对，正确后才会打开该箱供使用者取物（同时机器会自动记录当时的时间、指纹以备查询）。 (3)非接触IC卡电子存包柜 以使用者所持IC卡（即射频卡）作为寄存的凭证；当使用者进行存物操作时，须先按一下操作键盘中的“存”键再刷卡（即让寄存柜读取卡号），寄存柜先识别是否为该场所的IC卡，若不是则拒绝存物；若是，机器会把该卡号与分配给使用者使用的寄存箱的箱号结合起来，并将信息自动记录下，同时自动打开该箱，供使用者存物，存完后自己关好箱门；取物时，只需须先按一下操作键盘中的“取”键再北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3刷卡，寄存柜将读取的卡号与先前记录下的进行比对，正确后才会打开该箱供使用者取物（同时机器会自动记录当时的时间、卡号以备查询）。 (4)联网型非接触IC卡电子存包柜 联网型非接触IC卡电子存包柜基本功能与非接触IC卡电子存包柜一致，另外增加了网络通讯模块，上位机管理软件等，以实现寄存状态联网监控，分段收费，报表打印等功能。 现在公共场所应用比较广泛。因此，研制出一种能自动存包的装置有很重大的意义，我所研究的就是这方面的课题。第 1.2 节 总体方案确定根据“自动存包”这一目的要求，做如下设计安排：第一部分：CPU 核心控制部分，由单片机 8031、复位电路、时钟电路等构成，是整个系统的核心。第二部分：键盘显示控制部分。对 3 个数码管和 2 个按键进行管理，3 个数码管用于显示两位柜号和 3 位密码，12 个按键分别为 10 个数字键和 2 个功能键。通过这些键盘，用户就可以完成所有的操作。第三部分：执行机构部分。它是通过 8051 的并行口扩展一片 8255A 芯片，并通过 8255A 控制 20 个灯的状态（亮灭）来模拟柜子的存包取包的过程。软件部分主要采用我们自己设定的一种与柜号相关联的算法来产生一组 3 位的随机密码，而密码的产生、核对过程就对应存包、取包的过程。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）4第 2 章 系统硬件设计第 2.1 节 MCS51 单片机主要应用特性MCS-51 单片机是美国 Intel 公司于 1980 年推出的产品,与 MCS-48 单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达 111 条，MCS-51 单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍用 MCS-51 单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的设计。MCS-51 系列单片机主要包括 8031、8051 和 8751 等通用产品，其主要功能如下：8 位 CPU4kbytes 程序存储器(ROM)128bytes 的数据存储器(RAM)32 条 I/O 口线111 条指令，大部分为单字节指令21 个专用寄存器2 个可编程定时/计数器5 个中断源，2 个优先级一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为 64kB外部程序存储器寻址空间为 64kB逻辑操作位寻址功能双列直插 40PinDIP 封装单一+5V 电源供电MCS-51 以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机北京化工大学北方学院毕业设计（论文）5的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了 MCS-51 单片机，像PHILIPS、Dallas、ATMEL 等著名的半导体公司都推出了兼容 MCS-51 的单片机产品，就连我国的台湾 WINBOND 公司也发展了兼容 MCS-51 的单片机品种。近年来 MCS-51 获得了飞速的发展，MCS-51 的发源公司 Intel 由于忙于开发 PC及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是 PHILIPS 和 ATMEL 公司，PHILIPS 公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速 I/O 口，A/D 转换器，PWM(脉宽调制)、WDT 等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线(I 2C)和控制网络总线(CAN)等功能加以完善。ATMEL 公司推出的 AT89Cxx 系列兼容 MCS-51 的单片机，完美地将 Flash(非易失闪存技术)EPROM 与 80C51 内核结合起来，仍采用 MCS-51 的总体结构和指令系统，Flash 的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。8051 是 MCS-51 系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21 个专用控制寄存器、4kB 的程序存储器、128 字节的数据存储器、4 组 8 位的并行口、两个 16 位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。MCS-51 采用模块式结构，MCS-51 系列中各种加强型单片机都是以 8051 为核心加上一定的新的功能部件后组成的，从而使它们完全兼容。表 2.1 为 MCS-51 系列单片机常用产品特性。表2.1 MCS-51系列单片机常用产品特性片内存储器片外寻址空间（KB）型号程序 数据I/O线定时器/计数器程序 数据8051 4K ROM 128 32 2个16位 64 648751 4K EPROM 128 32 2个16位 64 648031 无 128 32 2个16位 64 6480C51 4K ROM 128 32 2个16位 64 6487C51 4K EPROM 128 32 2个16位 64 6480C31 无 128 32 2个16位 64 648052 4K ROM 256 32 3个16位 64 64北京化工大学北方学院毕业设计（论文）68752 4K EPROM 256 32 3个16位 64 648032 无 256 32 3个16位 64 64MCS-51 具有比较大的寻址空间，地址线宽达 16 条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达 216=64kB，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对口的访问能力。此外，MCS-51 采用模块化结构，可方便地增删一个模块就可使引脚和指令兼容的新产品，从而容易使产品形成系列化。由于 MCS-51 集成了几乎完善的 8 位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。MCS-51 的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。MCS-51 单片机的工作频率为 2-12MHz，当振荡频率为 12MHz 时，一个机器周期为 1us,这个速度应该说是比较快的。MCS-51 把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。鉴于MCS-51的以上特点，本文的设计就是基于MCS-51的8031型号单片机来设计的自动存包系统。第 2.2 节 自动存包系统面板设计及控制原理图2.2.1 面板设计自动存包控制系统面板如图 2.1 所示北京化工大学北方学院毕业设计（论文）7图 2.1 控制面板下图为实物图的展示：7 821659430警报运行扫描 出单区域显示区域存包 取包北京化工大学北方学院毕业设计（论文）8图 2.1 实物图展示2.2.2 系统控制原理图北京化工大学北方学院毕业设计（论文）9图 2.3 自动存包系统控制原理图在本系统设计的自动存包系统中，采用 8031 单片机设计一个最小系统，为了读键盘给定值及完成检测和控制，系统中扩展一片 8255A 可编程接口及程序存储器EPROM 2764 其原理图如图 2.3 所示。在图 2.3 中所示，8031、74LS373、2764 组成最小系统。第 2.3 节 微型处理器8031 单片机是 Intel 公司生产的 MCS-51 系列单片机中的一种，除无片内 ROM 外，其余特性与 MCS-51 单片机基本一样。2.3.1 8031 性能特点8031 的主要性能包括:（1）与 MCS-51 位控制器产品系列兼容。（2）宽工作电压范围，VCC 可为 2.7V6V。（3）全静态工作，可从 0Hz 至 16Hz。（4）1288 位内部 RAM。（5）32 条可编程 I/O 线。（6）两个 16 位定时器/计数器。（7）中断结构具有 5 个中断源和 2 个优先级。2.3.2 8031 硬件结构及引脚功能8031 的内部硬件结构如图 2.4 所示：北京化工大学北方学院毕业设计（论文）10图 2.4 8031 引脚图在图 2.4 中所示，8031 单片机采用 40 引脚双列直插封装(DIP)形式。采用方形封装工艺。由于受到引脚数目的限制，所以有一些引脚具有第二功能。在单片机的40 条引脚中，有 2 条专用于主电源的引脚，2 条外接晶体的引脚，4 条控制和其它电源复用的引脚，32 条输入/输出引脚。下面分别说明这些引脚的名称和功能。（1）主电源引脚 Vcc 和 GNDVcc：芯片主电源，正常工作时接+5V 电源。GND：接电源地。（2）时钟振荡引脚 XTAL1 和 XTAL2XTAL1: 接外部晶体的一端。在单片内部，它是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。在测外部时钟电路时，对于 HMOS 单片机，此引脚必须接地；对CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2: 接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路时，对于 HMOS 单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于 CHMOS 单片机，此引脚应悬空。（3）控制信号引脚 RST/Vpd、ALE/PROG、PSEN 和 EA/Vpp。ALE/PROG: 地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。在扩展系统时，ALE 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地址锁存起来，以实现低 8 位地址和数据的隔离，P0 口作为数北京化工大学北方学院毕业设计（论文）11据地址复用口线。当访问单片机外部程序或数据存储器或外接 I/O 口时，ALE 输出脉冲的下降沿用低 8 位地址的锁存信号；即使不访问单片机外部程序或数据存储器或外接 I/O 口，ALE 端仍以晶振频率的 1/6 输出脉冲信号，因此可以作为外部时钟或外部定时信号使用。但应注意，此时不能访问单片机外部程序、数据存储器或外设 I/O接口。PSEN: 片外程序存储器读选通信号。在 CPU 向片外程序存储器读取指令和常数时，每个机器周期 PSEN 两次低电平有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器或I/O 接口时无效出现。EA/Vpp: 访问程序存储器控制信号/编程电源输入端。当 EA 端输入高电平时，单片机访问片内的程序存储器，在低 4KB 地址时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。当 EA 输入低电平时，CPU 仅访问片外程序存储器。在对 8751EPROM 编程时，此引脚接+21V 的编程电压 VPP。RST/Vpd: 复位/掉电保护信号输入端。单片机上电后，只要在该引脚上输入 24个振荡周期 2 个机器周期 0 宽度以上的高电平就会使单片机复位；若在 RST 与 Vcc之间接一个 10F 的电容，则可实现单片机上电自动复位。RST/Vpd 具有复位功能，在主电源 Vcc 掉电期间，该引脚可接上+5V 的备用电源。当 Vcc 掉到低于规定的电平，而 Vpd 在其规定的电压范围内时，+5V 就向片内 RAM 提供备用电源，以保持片内 RAM中的数据不丢失，复位后能继续正常运行。（4）输入/输出（I/O）引脚 P0、P1、P2、P3（共 32 根）P0.0P0.7: P0 口是一个 8 位双向 I/O 端口。在访问片外存储器时，它分时提供低 8 位地址和作 8 位双向数据总线。在 EPROM 编程时，从 P0 口输入指令字节；在验证程序时，则输出指令字节(验证时要外接上拉电阻)。P0 口能一吸收电流的方式驱动 8 个 LSTTL 负载。P1.0P1.7: P1 口是 8 位准双向 I/O 端口。在 EPROM 编程和程序验证时，它输入低 8 位址。P1 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。P2.0P2.7: P2 口是 8 位准双向 I/O 端口。在 CPU 访问外部存储器时，它输出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证时，它输出高 8 位地址。P2 口可驱动 4 个LSTTL 负载。P3.0P3.7: P3 口是 8 位准双 I/O 端口。它是一个复用功能口。作为第一功能使用时，为普通 I/O 口，其功能和操作方法与 P1 口相同。作为第二功能使用时,各引脚的定义如表 2-2 所示。P3 口的每一引脚均可独立定义第一功能的输入输出或第二功能。P3 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。表 2.2 各口线的第二功能定义北京化工大学北方学院毕业设计（论文）12口线 引脚 第二功能P3.0 10 RXD（串行输入口）P3.1 11 TXD（串行输出口）P3.2 12 （外部中断 0）0INP3.3 13 （外部中断 1）1P3.4 14 T0（定时器 0 外部输入）P3.5 15 T1（定时器 1 外部输入）P3.6 16 （外部数据存储器写脉冲）WRP3.7 17 （外部数据存储器读脉冲）D第 2.4 节 系统扩展8031 具有很强的扩展功能，允许扩展各种外围电路以补充片内资源不足，适应特定应用的需要，扩展内容包括数据存储器、程序存储器、I/O 接口等扩展结构如图2.5 所示：8031数据存储器 I/O 接口程序存储器北京化工大学北方学院毕业设计（论文）13图 2.5 8031 系统扩展结构图2.4.1 I/O 接口的扩展由于我们采集的数据量较多，因此 CPU 的 I/O 口线不够用，所以我们使用 8255A来扩展 I/O 口，以满足系统的要求。8255A 是 Intel 公司生产的通用可编程并行 I/O 接口芯片。8031 和 8255A 相连可为外设提供三个 8 位 I/O 端口，允许采用同步、异步和中断方式传送 I/O 数据。(1)8255A 内部结构和引脚功能内部结构8255A 内部由四部分电路组成。它们是 A 口、B 口和 C 口，A 组控制器和 B 控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑，如图 2-6 所示。1 A 口、B 口和 C 口。A 口、B 口和 C 口均为 8 位 I/O 数据口，但结构上略有差别。A 口由一个 8 位的数据输出缓冲/锁存器和一个 8 位的数据输入缓冲/锁存器组成。B 口由一个 8 位的数据输出缓冲/锁存器和一个 8 位的数据输入缓冲器组成。三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入/输出数据或控制信息。2 A、B 组控制电路。这是两组根据 CPU 的命令字控制 8255 工作方式的电路。A组控制 A 口及 C 口的高 4 位，B 组控制 B 口及 C 口的低 4 位。3 数据总线缓冲器。它是一个 8 位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连，传送数据或控制信息。4 读/写控制逻辑。这部分电路接收 MCS-51 送来的读/写命令和选口地址，用于控制对 8255A 的读/写。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）14图 2.6 8255A 芯片的内部结构图 引脚功能8255A 有 40 条引脚，采用双列直插式封装。如图 2.7 所示。图 2.7 8255A 引脚图1 数据总线（8 条）：D0D7:三态双向数据总线，8255A 与 CPU 数据传送的通道，当 CPU 执行输入输北京化工大学北方学院毕业设计（论文）15出指令时，通过它实现 8 位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。2 控制总线（6 条）：RESET: 复位信号，输入高电平有效。一般和单片机的复位相连，复位后，8255A 所有内部寄存器清 0，所有口都为输入方式。:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时有效，表示芯片被选中，允许CS8255A 与 CPU 进行通讯。:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许 8255A 通过数据总线向 CPURD发送数据或状态字。:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许 CPU 将数据或控制字写入W8255A。A0、A1：地址输入线。当=0，芯片被选中时，这两位的 4 种组合00、01、10、11 分别用于选择 A、B、C 口和控制寄存器。其组合如表 2.3。表 2.3 8255A 控制信号功能表CSA1A2 RDW端口地址 端口 功能0 00 0 1 00 H A 口 读 A 口0 00 1 0 00 H A 口 写 A 口0 01 0 1 01H B 口 读 B 口0 01 1 0 01H B 口 写 B 口0 10 0 1 02H C 口 写 C 口0 10 1 0 02H C 口 读 C 口0 11 1 0 03H 控制口 写控制字1 总线高阻3 并行 I/O 总线（24 条）：这些总线用于和外设相连，分别与 A、B、C 口相对应，用于 8255A 和外设之间传送数据，共分三组：PA0PA7:端口 A 输入输出线，一个 8 位的数据输出锁存器/缓冲器，一个 8 位的数据输入锁存器。PB0PB7:端口 B 输入输出线，一个 8 位的 I/O 锁存器，一个 8 位的输入输出缓冲器。PC0PC7:端口 C 输入输出线，一个 8 位的数据输出锁存器/缓冲器，一个 8 位的数据输入缓冲器。4 电源线（2 条）：VCC 为5V 电源线，允许变化10%；GND 为地线。(2)8255A 方式控制字北京化工大学北方学院毕业设计（论文）168255A 有两个控制字：方式控制字和 C 口单一置复位控制字。用户通过程序可以把这两个控制字送到 8255A 的控制寄存器（A1A011B） ，以设定 8255A 的工作方式和 C 口各位状态。这两个控制字以 D7 位状态作为标志。8255A 各端口工作于什么方式和是输入还是输出方式，是由方式控制字决定的。方式控制字格式如图 2.7 所示。D7 为控制字标志位，若 D7=1,则本控制字为方式控制字，若 D70，则本控制字为 C 口单一置复位控制字。D6D3 为 A 组控制位。其中，D6 和 D5 位 A 组方式选择位：若 D6D500，则 A组设定为方式 0；若 D6D501，则 A 组设定为方式 1：若 D6D51（为任意） ，则 A 组设定为方式 2。D4 为 A 口输入/输出控制位：若 D40，则 PA0PA7，用于输出数据；若 D40，则 PA0PA7 用于输入数据。D3 位 C 口高 4 位输入/输出控制位：若 D30，则 PC4PC7 为输出数据方式；若 D31，则 PC4PC7 为输入方式。图 2.8 方式控制字D2D0 为 B 组控制位，其作用和 D6D3 类似。其中，D2 为方式选择位，若D20，则 B 组设定为方式 0，若 D21，则 B 组设定为方式 1。D1 为 B 口输入/输出控制位，D10，则 PB0PB7 用于输出数据，若 D11，则 PB0PB7 用于输入数据。D0 为 C 口低 4 位输入/输出控制位，若 D00，则 PC0PC3 用于输出数据，若D01，则 PC0PC3 用于输入数据。如图 2.9 所示：北京化工大学北方学院毕业设计（论文）17图 2.9 置位控制字(3)8255A 的工作方式8255A 有三种工作方式：方式 0（Mode0） 、方式 1（Mode1）和方式 2(Mode2)。正确的选用方式控制字，并把它通过程序送给 8255A 的控制字寄存器就可设定 8255A的工作方式。方式 0（基本输入/输出方式）：这种方式不需要任何选通信号。A 口、B 口及 C 口的两个 4 位口中的任何一个端口都可以被设定为输入或输出。输出锁存，输入不锁存。根据控制字D4、D3、D1、D0 位的变化，方式 0 有 16 种不同的输入、输出组合方式。方式 1（选通输入/输出方式）：这种方式下，A 口、B 口、C 口分为两组。A 组包括 A 口和 C 口的高 4 位，A 口可由编程设定为输入口或输出口，C 口的高四位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；B 组包括 B 口和 C 口的低 4 位，B 口可由编程设定为输入口或输出口，C 口的低四位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号。A 口和 B 口的输入输出数据都被锁存。方式 2（双向总线方式）：这种方式下，A 口为 8 位双向总线口，C 口的 PC3PC7 用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；B 口和 C 口的 PC0PC2 则可编程为方式 0 或方式 1 工作。(4)8255A 与 CPU 8031 的接口北京化工大学北方学院毕业设计（论文）188255A 与 CPU 8031 的接口连线如图 2.10 所示。图 2.10 8255A 与 CPU8031 的接线图8255A 与单片机间有 3 组连线：D7D8 根数据线依次与 P0 口的 P0.7P0.0 一一对应连接：RD、WR、RESET 等 3 根控制线与单片机的同名引脚互连；片选端 CS 则与 P2 口相连；A1、A0 两根地址线与单片机的两个 I/O 引脚连接。2.4.2 存储功能扩展由于我们需要保存一定的数据，而 8031 片内没有程序存储功能，因此，EA 管脚总是接低电平。根据保存的数据量需要，我们选用了 EPROM 2764 为外扩的数据存储器。(1)态缓冲输出的 8D 锁存器，由于单片机的三总线结构中，数据线与地址线的低 8 位共用 P0 口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信号区分开。74LS373的锁存控制端直接与单片机的锁存控制信号 ALE 相连，在 ALE 的下降沿锁存低 8 位地址。其中，D0D7 为数据输入端；Q0Q7 为数据输出端；OE 为三态允许控制端（低电平有效） ；LE 为锁存允许端。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）19图 2.11 74LS373 引脚该片如何工作由功能表 2.4 决定，表中 L 为低电平、H 为高电平、Z 为高阻抗（相当开路）X 为任意电平，一般将 OE 接低电平，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 紫外线擦除电可编程只读存储器 EPROM 是国内用得较多的程序存储器。EPROM 芯片上有一个玻璃窗口，在紫外线照射下，存储器中的各位信息均变1，即处于擦除状态。擦除干净的 EPROM 可以通过编程器将应用程序固化到芯片中。本次设计所选用的是 2764 EPROM。2764 的概述这是一种可以擦去重写的只读存储器。通常用紫外线对其窗口进行照射，即可把它所存储的内容擦去。之后，又可以对其重新进行编程，写入新的内容。一旦写入，其存储的内容可以长期（几十年）地保存，即使去掉电源电压，也不会影响它所存储的内容。图 2.11 为通用的 EPROM 2764 的引脚图，它的容量为 8 K8bit。8 北京化工大学北方学院毕业设计（论文）20K 表示有 81024 个存储单元，8 位表示每个单元存储数据的宽度是 8 位。前者确定了地址线的位数是 12 位（A0A12） ，后者确定了数据线的位数是 8 位（D0D7） 。目前，除了串行存储器之外，一般情况下，我们使用的都是 8 位数据存储器。单一+5 V 供电，工作电流为 75 mA，维持电流为 35 mA，读出时间最大为 250 ns，DIP28封装。图 2.12 2764 引脚图引脚功能其中，A0A12 为地址线；D0D7 为数据线； 为片选线； 是读线；CEOE是编程输入；Vpp 为编程电源。PGM除了 12 条地址线和 8 条数据线之外， 为片选线，低电平有效。也就是说，只有当 为低电平时，2764 才被选中，否则，2764 不工作。 CEEPROM 2764 和锁存器 74LS373 与 8031 组成最小系统8031 单片机扩展一片 2764 程序存储器电路如图 2.12 所示。1 地址线。单片机扩展片外存储器时，地址是由 P0 和 P2 口提供的。图 2.12 中，2764 的 13 条地址线（A0A12）中，低 8 位 A0A7 通过锁存器 74LS373 与 P0 口连接，高 4 位 A8A12 直接与 P2 口的 P2.0P2.3 连接，P2 口本身有锁存功能。注意，锁存器的锁存使能端 LE 必须和单片机的 ALE 管脚相连。2764VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGMN.CA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D327648K EPROM北京化工大学北方学院毕业设计（论文）21图 2.13 8031 扩展 2764 EPROM 硬件接线图2 数据线。2764 的 8 位数据线直接与单片机的 P0 口相连。因此，P0 口是一个分时复用的地址/数据线。3 控制线。CPU 执行 2764 中存放的程序指令时，取指阶段就是对 2764 行读操作。注意，CPU 对 EPROM 只能进行读操作，不能进行写操作。CPU 对 2764 的读操作控制都是通过控制线实现的。2764 控制线的连接有以下几条：CE：直接 P2.5。OE：接 8031 的读选通信号端。在访问片外程序存储器时，只要端出现负脉冲，即可从 2764 中读出程序。第 2.5 节 输入/输出接口系统设计输入/输出接口系统就是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备接口，就是人机交互接口。这些输入/输出设备主要有键盘和显示器等。它们是系统中必不可少的输入、输出设备，是控制系统与操作人员之间交互的窗口。2.5.1 键盘系统设计键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）22键盘可以分为编码键盘和非编码键盘两种类型。前者能自动识别按下的按键并且能产生相应的代码，以并行或串行的方式发送给 CPU。它使用方便，接口简单，响应速度快，但是需要专用的硬件电路。本次设计中所采用的就是编码键盘。如图 2.3 中所示，8255A 为给定值输入接口。为了使系统简单，设计了一个由二极管矩阵组成的编码键盘，如图 2.14 所示：图 2.14 编码键盘原理图键盘输出信号 D，C，B，A（BCD 码）分别接到 8255A 的 A 口 PA3-PA0，键选通信号 KEYSTROBE（高电平有效） ，经反向器接到 8031 的 INT0 管脚。当按下某一个按键时，KEYSTROBE 为高电平，经过反相后的下降沿向 8031 申请中断。8031 响应后，读入 BCD 码值，作为定值，并送显示。本次设计只有 3 位显示，所以最多只能给定999。输入顺序为从最高位（百位数）开始。当按键未按下时，所有输出端口均为高电平。当有按键按下以后该按键的 BCD码将会出现在输出线上。2.5.2 显示系统设计为了使操作人员及时掌握生产情况，在一般的微型计算机控制系统或者智能仪器当中，都配有显示程序。本次设计采用 LED 数码显示。(1)LED 数码管的结构及显示原理常用的显示器件有：显示和记录仪表，CRT 显示终端，LED 或者 LCD 显示器，大屏幕显示器。本次设计所采用的是 LED 数码管。LED 数码管具有结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高等优点。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）23LED 数码管是由发光二极管组成，由于材料的不同，可以发出各种单色光线。发光二极管可以有多种组成形式，其中 7 段数码管应用最多，根据发光二极管内部的连接方式不同，又有共阴极或共阳极两种形式。如图 2.15 所示图 2.15 LED 数码管结构(2)74LS138 结构及功能图 2.16 74LS138 结构A1、A2、A3分别为输入端，G1为使能端的高电平，0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7分别为输出端。在讲38译码器的时候，老师还讲了38译码器的逻辑真值表，而且，38译码器就是根据逻辑真值表研制出的，如下图：北京化工大学北方学院毕业设计（论文）24图 2.17 74LS138 真值表注：表中的蓝色区域为输入使能端，黄色区域为输入选择端，绿色区域表示该译码器不工作。其引脚功能为：A、B、C 为译码地址输入端；G1为选通端；2A、 2B 为选通端（低电平有效） ；Y0Y7为译码输出端（低电平有效） 。G(3) 74LS377 结构及功能简单输出接口通常用 74LS377 芯片。该芯片是一个种 8D 锁存器，该芯片的引脚排列如下图所示：图 2.18 74LS377 引脚及功能北京化工大学北方学院毕业设计（论文）25图中相关引脚的功能如下：D0-D7:8 位数据端输入端。Q0-Q7:8 位数据输出端。G：使能控制端。CLK：时钟信号，上升沿锁存数据。表 2.5 74LS377 真值表CLK D Q1 X X Q0 1 1 10 1 0 0X 0 X Q下图是利用 74LS377 进行简单输出接口的扩展的电路，图中，由于 74LS 的 G 端与 P2.7 口连接，所以他的地址是：0XXX XXXX XXXX XXXXB。如果把“X”全置 1 的话，就是 0111 1111 1111 1111B 即 7FFH图 2.19 74LS377 输出接口的扩展电路由于 51 的与 74LS 的 CLK 端相连，当信号由低电平变高时，数据总线上的数据证实输出的数据。而此时 P2.7 也正输出低电平，有效，因此，数据就被锁存，有关程序如下：MOV DPTR， #7FFH ： 地址MOV A， #DATA ： DATA 为要送出的数据