微机原理课程设计讲解

微机原理课程设计

学院：机电工程学院

专业：自动化 班级:XXXX 学号：XXXX 姓名：XX

指导教师：XXXXXXXX 完成时间：2015

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一、课程设计的基本要求

•设计8088微处理器最小系统 •用8284设计频率恒定的时钟电路

•用6264和2764设计存储器（RAM和ROM）电路。 •用ADC0809组成8位温度检测A/D变换接口电路 •用DAC0832设计8位D/A变换接口电路驱动直流电机 •用8255和8253设计步进电机控制电路 •用8255外联LED和键盘显示电路

二、设计的基本思路

采用8088的最小方式，利用三片74LS373锁存器设计20位地址总线电路，利用一片74LS245收发器形成数据总线电路。利用8254芯片提供频率恒定的时钟信号，同时具有复位信号和准备好信号发送给8088系统。运用两片2764和两片6264进行扩展，形成16K的ROM和16K的RAM电路。系统的定时计数器由一片8253构成，中断系统由8259组成，并行接口电路由8255构成。AD转换电路由ADC0809及其外围电路构成，由DAC0832及其外围电路构成DA转换电路驱动直流电机。芯片所需的片选信号均由74LS138译码电路产生。

三、系统的地址分配

ROM2764(1):0FC000H～0FDFFFH; ROM2764(2):0FE000H～0FFFFFH; RAM6264(1):00000H～01FFFH; RAM6264(2):02000H～03FFFH; ADC0809:0058H～005FH; DAC0832:0074H;

计时器8253:0020H～0023H; 并行接口芯片8255:0028H～002BH;

键盘地址:0070H～0073H; LED地址:0080H～0083H。

四、具体设计

1、8088微处理器最小系统

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1.1 8088微处理器介绍

8088微处理器采用40条引脚的双列直插式封装。为减少引脚，采用分时复用的地址/数据总线，因而部分引脚具有两种功能。8088微处理器有两种工作方式:最小方式和最大方式。8088最小方式系统主要由8088CPU、时钟信号发生器8284、地址锁存器74LS373、数据总线收发器74LS245。（CPU采用分时复用的地址/数据总线，而在执行对存储器读写或对I/O设备输入输出的总线周期中，保证地址信息一直有效，因而需采用地址锁存器74LS373完成对地址信息的锁

1存，以实现地址总线和数据总线的分离。）利用ALE地址锁存允许信号控制74LS373的STB将地址信息锁存，进而产生地址总线。8088的DEN信号作为74LS245的输出允许信号，仅当DEN信号为低电平时，允许74LS245进行数据234D传送。8088的DT/R为数据收发信号，当DT/R=0时，表示CPU接收数据，当DT/R=1时，CPU发送数据。数据在内存和I/O接口传送时，需要数据总线收发器作为驱动。 1.2—8088芯片引脚功能介绍 ⑴、地址/数据总线 ①、AD7-AD0(输入/输出，三态)为低8位地址/数据的复用引脚。当执行对存储器读写或在I/O端口输C161514131211109AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7A8A9A10A11A12A13A14A15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6S0/DENS1DT/RS2IO/MALEQS0INAQS1CLKRESET8765432393837363526272825241921入输出操作的总线周期的T1状态时，作为地址总线输出低8位地址；在其它T状态时，作为双向数据总线输出低8位数据。T1状态输出地址时，需要锁存器进行地址锁存。 1718NMIINTR3229313033342322RDWR/LOCHOLDHLDAMN/MXSSOTESTREADY8088 ②、A15-A8(输出，三态)作为高8位地址总线， 图1.1 8088引脚图 在读写存储器或I/O端口的整个周期中均输出高 B8位地址总线。 ③、A19/S6~A16/S3(输出，三态)为分时复用的地址/状态信号线。在存储器读写操作总线周期的T1状态输出高4位地址A19~A16，在总线的其它T状态，输出状态信息。T1状态时需要地址锁存器进行地址锁存。 ⑵、控制总线 ①MN/MX(输入)工作方式控制线。接+5V时处于最小工作方式；接地时处于 3 A、

最大工作方式。

②RD(输出，三态)读信号，低电平有效。有效时表示CPU正在执行从存储器或I/O端口输入的操作。

③NMI(输入)非可屏蔽中断请求输入信号，上升沿有效。当该引脚输入一个由低变高的信号时，CPU执行完现行指令后，立即进行中断处理。

④INTR(输入)可屏蔽中断请求信号，高电平有效。CPU在每条指令的最后一个时钟周期对INTR进行测试，以决定现行指令执行完后是否进行中断处理。 ⑤RESET(输入)系统复位信号，高电平有效（至少保持4个时钟周期）。该引脚有效时，CPU清除IP、DS、ES、SS、标志寄存器和指令队列为0及置CS为0FFFFH。该信号结束后，CPU从存储器的0FFFF0H地址开始读取和执行指令。

⑥READY(输入)准备好信号，来自存储器或I/O接口的应答信号，高电平有效。CPU在T3状态开始检查READY信号，当其有效时，表示存储器或I/O接口准备就绪。

⑦TEST(输入)测试信号，低电平有效。当CPU执行WAIT指令时，每隔5个时钟周期对TEST输入端进行测试，若为高电平，则CPU继续处于等待状态。直到其为低电平，CPU才开始执行下一条指令。 ⑶、最小方式下的控制引脚

①INTA(输出)CPU向中断控制器发出的中断响应信号。在相邻的两个总线周期中输出两个负脉冲。

②ALE(输出)地址锁存允许信号，高电平有效。当其有效时，表示地址线上的地址信息有效，利用其下降沿将地址信息锁存在74LS373地址锁存器中。 ③DEN(输出，三态)数据允许信号，低电平有效。当DEN有效时，表示CPU准备好接收和发送数据。

④DT/R(输出，三态)数据收/发信号，当DT/R=0时，表示CPU接收数据，当DT/R=1时，CPU发送数据。

⑤IO/M(输出，三态)高电平访问I/O端口，低电平访问存储器。

⑥WR(输出，三态)写信号，低电平有效。有效时表示CPU正在执行向存储器或I/O端口的输出操作。

⑦HOLD(输入)系统中其它总线主控设备向CPU请求总线使用权的总线申请信

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1234、 号，高电平有效。 ⑧HLDA(输出)是CPU对系统中其它总线主控设备请求总线使用权的应答信号，高电平有效。 ⑨SSO为系统状态信号。它与IO/M、DT/R共同组合反映当前总线周期执行的是什么操作。 13141155821210 1.3—8284时钟发生器引脚及功能 8284是双列直插式18脚组件，引脚功能介绍如下： ⑴、X1、X2：晶振输入端。 ⑵、ASYNC:READY同步选择输入。ASYNC信号决定READY的同步方式。ASYNC为低电平是，提供两级READY同步；为高电平时，提供一级READY同步。 ⑶、EFI：外来时钟输入端。 F/CEFICSYNCASYNCREADYCLKPCLKOSCRESET1716X1X2RDY1RDY2AEN1AEN2463711RES8284 ⑷、F/C：时钟源选择输入端。F/C接低 图1.2 8284引脚图 电平时，系统时钟CLK由晶体振荡器产生。 当F/C接高电平时，则CLK由外来时钟产生。 ⑸、OSC：晶振输出端。输出频率为晶振频率，TTC电平。 ⑹、CLK：提供整个计算机系统的时钟信号，成为系统时钟。CLK的频率是晶体震荡频率或EFI端输入频率1/3，占空比为33%。 ⑺、PCLK：为外设提供输出时钟信号，频率为CLK的1/2，占空比50%。 ⑻、RES：复位输入端。低电平有效，用于产生8088的RESET信号。由于8284内部具有斯密特整形电路，因此RES可以是缓慢变化的脉冲信号，它经8284内部电路整形而获得较陡的复位信号RESET。 ⑼、RESET：提供给8088及整个系统的复位信号，高电平有效，其宽度由RES决定。 ⑽、AEN1、AEN2：对应RDY1、RDY2的允许控制信号，低电平有效。当AEN1为低电平时，RDY1起作用，AEN2为低电平时，RDY2起作用。在单CPU系统中，AEN应接低电平，在多系统中，用这两个信号。 ⑾、RDY1、RDY2：高电平有效的输入信号，有效时表示数据已接收到或数据可以使用。 5 、

⑿、CSYNC：同步输入信号。用来使多个8284同步，以提高同步的CLK信号。CSYNC为高电平时，内部计数器复位；CSYNC为低电平时，才允许内部计数器计数。

1 1.4 8284内部功能介绍 23458284中，有时钟信号发生器、复位信号RESET和READY信号产生电路，这些电路分别向8088系统提供时钟信号CLK，复位信号RESET和准备好信号READY,还可向外界提供晶振信号OSC以及外围芯片所需的时钟信号PCLK。当8284的F/CD接+5V时，则由EFI输入决定时钟频率；当F/C接地时，则由振荡器决定时钟频率。不管在任何情况下，时钟输出频率是输入频率的1/3。 1.5 8088最小方式的实现电路图 AD[0..7]AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD71615141312111098765432393837363526272825241921A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19191AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7A8A9A10A11A12A13A14A15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6S0/DENS1DT/RS2IO/MALEQS0INAQS1CLKRESETD0D1D2D3D4D5D6D723456789GDIRA1A2A3A4A5A6A7A874LS245B1B2B3B4B5B6B7B81817161514131211D0D1D2D3D4D5D6D7D[0..7]1718CNMIINTRRDWR/LOCVCC3229313033342322A[0..19]A0A1A2A3A4A5A6A7347813141718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619A0A1A2A3A4A5A6A7RDWR/LOCHOLDHLDAMN/MXSSOTESTREADY80881314115R11KCRYSTALR2B1KY111F/CEFICSYNCASYNCREADYCLKPCLKOSCRESET58212101716X1X2RDY1RDY2AEN1AEN24637A8A9A10A11A12A13A14A15347813141718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619A8A9A10A11A12A13A14A15RES8284C1R3A[8..19]1KA16A17A18A190.1uF347813141718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619A16A17A18A19VCCs13SW-PBDiodeGNDD1ALE 图1.3 8088最小方式系统的实现电路图 6 AD、 2、RAM/ROM存储器系统 2.1 6264/2764芯片简介 •6264芯片 6264有28条引出线，包括:A0～A12为13条地址信号线；D0～D7为8条双向数据线；CS1、CS2为两条片C10987654325242123222272620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264D0D1D2D3D4D5D6D71112131516171819选信号线，当两个片选信号同时有效时，即CS1=0，CS2=1时，才能选中该芯片；OE为输出允许信号，只有当OE=0时，才允许该芯片将某单元的数据送到芯片外部的D0～D7上；WE是写允许信号，当WE=0时， 允许将数据写入芯片，当WE=1时，允许芯片的数 图2.1 6264引脚图 据读出。 表1 6264真值表 WE CS2 CS1 0 B OE × 0 × × × D0～D7 写入 读出 三态（高祖） 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 × × × 12•2764芯片 2764是一块8Kx8bit的EPROM芯片，其引脚中A0～A12为13条地址信息输入线，说明芯片的容量为8KD个单元。 D0～D7为8条数据线，表明芯片的每个存储单A1098765432524212322022271A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764D0D1D2D3D4D5D6D71112131516171819元存放一个字节（8位二进制数）；CE为输入信号，当它有效（低电平）时，能选中该芯片，CE为片选信号；OE是输出允许信号，当OE为低电平时，芯1D0～D7输出。PGM为编程脉冲输入端，2 图2.2 2764引脚图 片的数据可由3当对EPROM编程时，由此加入编程脉冲，读数据时PGM为1。 2.2存储器电路的设计（包括存储器地址分配译码器） 在该设计中选用的ROM模块芯片为EPROM2764，容量为8K*8。RAM模块芯片 7 C、

为SRAM6264，容量为8K*8。系统要求由16KB的ROM和16KB的RAM组成。16KB的RAM需要两片6264,16KB的ROM需要两片2764。4个芯片的片选信号由74LS138

1提供。 23456表2 存储电路的地址分配表 芯片 ROM1 DA19～A16 1111 1111 0000 0000 A15 1 1 0 0 A14 1 1 0 0 A13 0 1 0 1 A12～A0 0000H～1FFFH 0000H～1FFFH 0000H～1FFFH 0000H～1FFFH 地址（16进制） 0FC000H～0FDFFFH 0FE000H～0FFFFFH 00000H～01FFFH 02000H～03FFFH ROM2 RAM1 RAM2 2.3存储器电路原理图 D[0..7]A[0..19]A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A1222022271+5VA010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A1222022271+5VA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764WR+5VD0D1D2D3D4D5D6D711D012D113D215D316D417D518D619D7D0D1D2D3D4D5D6D711D012D113D215D316D417D518D619D7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A1210987654325242123222272620+5VA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A1210987654325242123222272620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264D0D1D2D3D4D5D6D711D012D113D215D316D417D518D619D7A1613A1724011AA131A142A153+5V6453A1924011AABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y715141312111097CA181G1G2AG2B74LS138276462641A1632A1774F321A1832A1974F32AAA131A142A153+5V645ABCG1G2AG2B74LS138Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7151413121110972764A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264D0D1D2D3D4D5D6D711D012D113D215D316D417D518D619D76264RDB 图2.3 存储电路图 3、8位温度检测A/D变换接口电路 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809适用于实时测试和过程控制。由于A/D变换中基准电压A作为参考电压的影响很大，故采用TL431输出+5V的基准电压。 3.1 ADC0809芯片 1238 456、

12U? 引脚介绍：

⑴、D0(2-8)～D7(2-1)：输出数据线，经由ENABLE控制的三态门输出；

⑵、IN0～IN7：8路模拟电压输出端； ⑶、ADDA,ADDB,ADDC：3路地址输入；ADDA是最低位，ADDC是最高位；

⑷、START：启动信号输入端，下降沿有效。当其上 D262728123451612IN-0IN-1IN-2IN-3IN-4IN-5IN-6IN-7ref(-)ref(+)ADC0809msb2-12-22-32-42-52-62-7lsb2-8EOCADD-AADD-BADD-CALEENABLESTARTCLOCK2120191881514177252423229610升沿时，所有内部寄存器清零；下降沿时，开 图3.1 ADC0809引脚图 始进行A/D转换:在转换期间，START应保持低电平。 ⑸、EOC：转换结束状态信号，高电平表示一次变换结束，否则表示正在进行A/DC转换；

⑹、ENABLE：输出允许信号，高电平有效；用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据，OE=1时，输出转换的得到的数据，OE=0时，输出数据线呈高阻状态；

⑺、CLK：时钟输入信号。ADC0809内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因而有时钟信号引脚，通常使用频率为500KHZ； B⑻、VREF(+),VREF(-)：参考电压输入端。 3.2 ADC0809内部结构逻辑输入部分8位A/D转换器STARTCLOCK三态数据输出锁存器图及主要特性: ADC0809主要特性:

IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78控制与定时EOC路模拟量开关树状开关SAR三态输出锁存D0D1D2D3D4D5D6D71）8路8位A/D转换器，及分辨率8位；

ADDA2）具有转换起停控制端； 3）转换时间为100s； 4）单个+5V电源供电；

ADDBADDCALE地锁与码TextA址存译器电阻网络器OEVREF(+)VREF(-)125）模拟输入电压范围0～+5V， 图3.2 ADC0809内部结构图 不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40～+85摄氏度； 6）低功耗，约15mW。

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、

3.3 ADC0809工作过程:

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，表示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，表示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器中，该信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

转换数据的传送:A/D转换得到的数据应该及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，只有确认完成后，才能进行传送。可采用三种方式进行传送:定时传送方式、查询方式、中断方式。 采用任何一种方式，只要确认传送完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址，并当信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接收。

3.4 LM35温度传感器简介

LM35是一种温度传感器，其输出电压与摄氏度温标呈线性关系，转换公式为:Vout_LM35(T)10mv0CT0C

由于其采用内部补偿，00C时输出为0V，每升高10C，输出电压增加10mv。其电源供电模式有单电源与正负双电源两种，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测，该设计采用单电源模式。 （1）LM35温度传感器参数：

1、工作电压：直流4～30v; 2、工作电流：小于133A; 3、输出电压：+6v～-1.0v 4、输出阻抗：1mA负载时0.1 5、精度：0.5℃精度（在+25℃时）； 6、漏泄电流：小于60μA； 7、比例因数：线性+10.0mV/℃； 8、非线性值：±1/4℃；

9、校准方式：直接用摄氏温度校准； 10、额定使用温度范围：-55～+150℃。 11、引脚说明：①电源负GND；②电源正VCC；③信号输出S； 12、供电电压35V到-0.2V 13、输出电流10mA 14、指定工作温度范围

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、

LM35A -55℃ to +150℃ LM35C, LM35CA -40℃ to +110℃ LM35D 0℃ to +100℃ （2）LM35工作电路的设计思路

1 由于LM35输出电压较低，100°C时仅为1V，虽然达到ADC0809输入范围，但精确度不高，现用EL2170组成反向比例放大器，将LM35输出信号放大5倍，达到0~5V，适合ADC0809输入范围，可提高精确度。 表3 ADC0809的地址分配： 2345678D芯片 A15～A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 地址（十六进制） 0058～005FH ADC 0809 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 000～111 3.5 A/D变换接口电路图： R?10KGNDU?R?7U?26272812IN-0IN-1IN-2IN-3IN-4EOCIN-5IN-6IN-7ALE16ref(-)ref(+)ADC0809U?AENABLESTARTCLOCKADD-AADD-BADD-Cmsb2-12-22-32-42-52-62-7lsb2-8212019188151417725A024A123A22296103U?AD[0,7]100KEL21706C2U?OUT23LM35AH(3)4345A[0..15]U?A2124069U?A3214081U?79101112131415Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y074LS138G2BG2AG154631CBA3A52A41A3A226A23131IO/M6U?A5A134A123A11U?AWRRD5A104A93A8U?AVCC124001314001CLKB2A61A74081A15A14 图3.3 ADC0809组成8位温度检测A/D变换接口电路 4、 用0832设计8位DA变换接口电路驱动直流电机 4.1 DAC0832介绍 A11 、 DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。因其价格低廉、接口简单、转换控制容易，在单片机应用系统中得到广泛应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路组成。DAC0832芯片引脚图及引脚功能 ①、DI0～DI7：转换数据输入端。 ②、CS：片选信号输入端，低电平有效。 ③、ILE：数据锁存允许信号输入端，高电平有效。 ④、WR1：第一写信号输入端，低电平有效。 111298Iout1Iout2RfbVref2019182lsbDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6msbDI7CSXfer765416151413117ILEWR2WR1DAC0832⑤、Xfer：数据传送控制信号输入端，低电平 图4.1 DAC0832引脚 有效。 ⑥、WR2：第二写信号输入端，低电平有效。

⑦、Iout1：电流输出1端，当数据全为1时，输出电流最大；当数据全为0时，输出电流最小。

⑧、Iout2：电流输出2端，DAC0832具有:Iout1+Iout2=常数的特性。 ⑨、R：反馈电阻端。

⑩、Vref：基准电压端，是外加的高精度电压源，与芯片内的电阻网络相连接，该电压范围为：-10V～+10V。

2344.2芯片工作原理

•DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。 数/模（D/A）转换器

•D/A转换器是接收数字量，输出一个与数字量相对应的电流或电压信号的模拟量接口。

•D/A转换器被广泛应用于计算机函数发生器、计算机图形显示以及与A/D转换器相配合的控制系统等。

•D/A转换原理：数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的。D/A转换器品种繁多，有权电阻DAC、变形权电阻DAC、T型电阻DAC、电容型DAC和权电流DAC等。为了掌握数/模转换原理，必须先了解运算放大器和电阻译码网络的工作原理和特点。

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Vcc、

•DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路组成。输入寄存器和DAC寄存器作为双缓冲。第一级锁存器是一个8位输入寄存器，锁存控制信号为ILE。第二级锁存器是一个8位DAC寄存器，它的锁存控制片选信号为Xfer非和WR2非。

•在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片DAC0832，每一片DAC0832的转换时间相同，可采用DAC寄存器对CPU分时输入，输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时产生各模拟信号。转换的8位数字量由芯片的8位数据输入线D0～D7输出。

4.3 DAC0832双极性电压输出控制原理

DAC0832是电流形式输出，当需要电压形式输出时，必须外接运算放大器。根据输出电压的极性不同，DAC0832又可分为单极性输出和双极性输出两种输出方式。

（1）单极性输出:DAC0832的单极性输出电路如图1所示，VREF可以接5V或10V参考电压。当接+5v时，输出电压范围是0V～-5V；当接-5V时，输出电压范围0V～+5V；当接+10V时，输出电压范围是0V～-10V,当接-10V时，输出电压范围是0V～+10V。若输入数字是0～255,则输出为：UOUT=-VERF×D/256。式中D为输入DAC0832的十进制数，因为转换结果IOUT1接运算放大器的反相端，所以，式中有一个负号。若VREF=+5V,，输入数字为：0～255时，VOUT=-(0～4.98)V。

图4.2 DAC0832的单极性输出

（2）双极性输出：即在单极性电压输出的基础上，在输出端再加一级运算

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、

放大器，就构成了双极性电压输出。通过运放A2将单向输出转变为双向输出。有VREF为A2运放提供一个偏移电流，该电流方向应与A1输出电流方向相反，且选择R1=R3=2R2。使得由VREF引入的偏移电流恰为A1输出电流的1/2。因而A2的运放输出将在A1运放输出的基础上产生位移。双极性输出电压与VREF及A1运放输出V1的关系是：UOUT=-（2U1+VREF）。DAC0832的双极性输出电路如图二所示，根据前面单极性输出表达式U1=-VREF×D/256，故UOUT=-(2U1+VREF)=VREF×D/128-VREF。

图4.3 DAC0832的双极性输出−

4.4 直流伺服机

直流伺服机的工作原理与一般直流电动机的工作原理完全相同。他激直

流电机转子上的载流导体（即电枢绕组）在定子磁场中受到电磁转矩的作用，使电机转子旋转。

由直流电机的基本原理分析可得： n=（U-IaRa)/Ke

式中： n─−电枢的转速，r/min u−−电枢电压 Ia−−电机电枢电流 Ra−−电枢电阻 Ke−−电势系数 调节电机的转速有三种方法:

（1）改变电枢电压Uo，此调节范围较大，直流伺服电机常用此方法调速。 （2）改变磁通量（即改变Ke的值）。改变激磁回路的电阻Rf以改变激磁电流If，可以达到改变磁通量的目的。

（3）在电枢回路中串联调节电阻Rt，此时有n=[u-Ia(Ra+Rt)]/Ke

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、

由上式可知，在电枢回路中串联电阻的方法，转速只能降低，而且电阻上的铜耗大，这种办法不经济。

最常用的还是调压调速系统，具体设计中，通过8088控制DAC0832将数字量转换成模拟量经过运算放大器放大输出给直流电机。 电路原理设计：

0832的DI0～DI7接到数据总线的D0～D7上，WR1、WR2经IOM和WR控制，片选端接到译码器上进行片选控制。Iout1和Iout2经LF351放大后驱动直流电机的运转。

1只要加上-12V的参考电压，LF351运放采用+12V电源，则可以输出0～12V电压，利用程序可以控制电机的启动和转速，显然，电机只能一个方向转动。 表4 DAC0832地址分配表 芯片 A15～A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 地址（十六进制） 0074H 23456DDAC0832 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 4.5 DAC0832变换接口电路驱动直流电机电路图 U?AWRU?AA[0..15]C4049U?A0A1A2123ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y715141312111097171131415164567U?DAC0832XferCSmsbDI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1lsbDI0WR1WR2ILE21819R1MIOM321324071R?10KR?510KC200P+5VA41A52A689A645G1G2AG2B74LS1387VrefRfbIout2Iout1Vcc89-5V3C0.162LF3514151211A313AA823A91A1045A11A132A1223A13B1A1445A15AAD[0..7]2A7MG?MOTOR SERVO+20A-+12R?R?36K36K+12V-12V 图4.4 DAC0832设计8位D/A变换接口电路驱动直流电机 15 、 5、8255和8253组成步进电机控制电路 5.1 8255介绍 8255是一种可编程并行接口芯片，其功能强，使用方便。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。 8255芯片图及引脚介绍 U? ①、D0～D7：8条双向数据线，用以传 送命令、据或者8255的状态； RD②、:读控制信号线，与其它信号线一343332313029282753698356D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC743214039383718192021222324251415161713121110起实现对8255的读操作。通常接系统总线的IOR信号（或RD信号） ③、WR:写控制信号线，与其它信号线一 起实现对8255的写操作。通常接系统总线 的IOW信号（或WR信号） 8255 ④、CS：片选信号线，当它为低电平 图5.1 8255芯片引脚图 时才能选中该8255，才能对它进行读写操作。通常由高位地址译码输出接在CS上，以便将该8255放在接口地址空间的规定地址上。 ⑤、A0、A1：地址选择信号线。8255内部有三个口：A口、B口和C口，还有一个控制寄存器CR，它们各占一个接口地址。A0、A1的不同编码可产生它们的地址，通常将8255的A0、A1与系统总线的A0、A1相连接，它们与CS一起决定8255的接口地址。 ⑥、RESET：复位输入信号。此端上的高电平可使8255复位。复位后，8255的A口、B口和C口均被定为输入状态。该端低电平使8255正常工作。 ⑦、PA0～PA7为A口的8条输入输出信号线，该口的这8条线是工作于输234入、输出还是双向（输入、输出）方式可由软件编程决定。

⑧、PB0～PB7为B口的8提送输入输出信号线，利用软件编程指定8条线

是输入还是输出。

⑨、PC0～PC7此8条线根据其工作方式可作为数据的输入或输出线，也可

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、

以用作控制信号的输出或状态信号的输入线。

•8255有三种工作方式：

（1）方式0：基本输入/输出（A口、B口、C口均可以） （2）方式1：选通输入/输出（A口、B口可以） （3）方式2：双向输入/输出（仅A口可以工作）

方式0:又称基本输入输出方式，在此方式下，8255的三个接口（A、B、C口）24条线全部规定为数据的输入输出线。A口的8条线（PA0～PA7）、B口的8条线（PB0～PB7）、C口的高4位（PC4～PC7）和C口的低4位（PC0～PC3）可用程序分别规定它们的输入输出方向。在方式0下，A口、B口、C口输出均有锁存能力，三个口的输入无锁存能力。

方式1:又称选通输入输出方式，只有A口、B口能工作在此方式下，而且还必须使用C口的某些引线来实现数据传送所需的握手信号和中断请求输出。通常该方式是以中断方式工作的。在1方式下，A口和B口均可分别作为输入接口，也可作为输出接口，且由软件编程来指定。A口、B口的输出、输入均具有锁存能力。

方式2:又称双向输入输出方式，此时只有8255的A口才有。在A口工作于双向输入输出方式时，要利用C口的5条线才能实现。此时B口只能工作在方式0或方式1，而C口剩下的3条线可作为输入输出线使用或用作B口方式1下的控制线。A口的输入输出均具有锁存能力。

A1,A0:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器. ①A1=0,A0=0时,PA口被选择;②A1=0,A0=1时,PB口被选择;③A1=1,A0=0时,PC口被选择;④A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择.

5.2 8253介绍

5.2.1 8253是一种可编程计数器/定时器（简称定时器） 8253引脚图及引脚介绍

①、CS:片选信号，当其低电平时，选中该芯片，实现对8253的读写操作；

②、RD:读控制信号，低电平有效； ③、WR:写控制信号，低电平有效；

④、D0～D7:双向数据总线，用于传送控制字和计数器的计数值；

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、 ⑤、A0、A1为内部计数器和控制寄存器的编码选择信号： A1 A0 0 0 0 1 1 1 0 1 CLK29GATE011GATE114GATE216RD21WR22CS23A019A1208765 4321GATE10OUT013OUT1ADR17OUT2U?87654321D0D1D2D3D4D5D6D7OUT0GATE0CLK010119DATA功能 8253D[0..7] 13 2122231920OUT1GATE1CLK11415CSRDWRA0A1OUT2GATE2CLK2选择计数器0 选择计数器1 选择计数器2 选择控制寄存器 1716188253 图5.2 8253引脚图 • 8253内部有三个机构和功能相同的定时/计数器，每个都有3条引线，CLK为外部计数时钟输入，每一个时钟周期可以对定时器内部的16位计数器减1；OUT为定时/计数器的输出信号，不同的工作方式输出不同的波形；门控信号GATE用以控制定时/计数器的工作。 •8253采用减1计数方式。在门控信号有效时，每输入1个计数脉冲，通道作1次计数操作。当计数脉冲是已知周期的时钟信号时，计数就成为定时。采用二进制计数时， 写入的初值范围为0000H~0FFFFH，最大计数值是0000H，代表65536。 采用BCD码计数时，写入的初值范围为0000~9999，最大计数值是0000，代表10000。与此计数器相对应，每个通道内设有一个16位计数值锁存器。必要时可用来锁存计数值。（特别说明：8253计数器的值先减1再判断是否为0，为0就中断了，所以最大初始值为0，这样减1以后，不为0，所以为最大的，取决于CF标志位）。当某通道用作计数器时，应将要求计数的次数预置到该通道的计数器中、被计数的事件应以脉冲方式从CLK端输入， 每输入一个计数脉冲，计数器内容减“1”，待计数值计到“0”。 OUT端将有输出。表示计数次234数到。当某个通道用作定时器时。 由CLK输入一定频率的时钟脉冲。根据要求5TitleSizeBDate:File:定时的时间长短确定所需的计数值。并预置到计数器中，每输入一个时钟脉冲，计数器内容减“1”， 待计数值计到“0”。OUT将有输出，表示定时时间到。允许从CLK输入的时钟频在1～2MHz范围内。因此，任一通道作计数器用或作定时器用，其内部操作完全相同，区别仅在于前者是由计数脉冲进行减“1”计数。 而后者是内时钟脉冲进行减“1”计数。

•8253的通道工作方式有6种可供选择的工作方式， 以完成定时、计数或脉

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、

冲发生器等多种功能。8253的有六种工作方式：（1）方式0：计数结束则中断、（2）方式1：单脉冲发生器（3）方式2：频率发生器（4）方式3：方波发生器（5）方式4：软件触发选通（6）方式5：硬件触发选通

•8253的6种工作方式中，门控信号GATE十分重要，且对不同的工作方式，

表5 GATE作用表

GATE 方式0 方式1 方式2 方式3 方式4 方式5 低电平或变到低电平 禁止计数 不影响 上升沿 不影响 启动计数 高电平 允许计数 不影响 允许计数 同方式2 允许计数 不影响 作用也不一样。

禁止计数并置OUT为高 初始化计数 同方式2 禁止计数 不影响 同方式2 不影响 启动计数 5.3 步进电机介绍

•步进电机在数控开环控制电路中有着不可替代的作用，是机电一体化的关

键部件之一。步进电机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电机，这种步进电机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称为脉动电动机。

步进电机的驱动是在各相线圈上加上有规律变化的脉冲信号，每个脉冲对应一个步距角。脉冲驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，该角度称为“步距角”。可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机在构造上有三种主要类型：反应式、永磁式和混合式。 反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成，结构简单、成本低、步距角小，可达1.20，但动态性能差、效率低、发热大。可靠性难保证。

永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好，输出力矩大，但这种电机精度差、步距角大（一般为7.50或150）。

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、

混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕

组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步距的精度。其特点是输出力矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂、成本相对较高。 环形分驱动电路步进电动机 图5.3 步进电机系统图 速度方向配器•步进电机的工作原理： 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入0 一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

•主要特点 23 1.步距误差不会长期积累； 2.无刷，可靠性高； 3.易于启动、停止、正反转及调速控制，快速响应好； 4.可在相当宽范围内平滑调速，同时易于实现多台步进电机的同步运行控制； 5.步距角选择范围大，可以根据不同的需要选择步进电机； 6.存在失步和共振现象； 7.需要使用步进电动机驱动源。 AC20BY-0MOTOR STEPPER•本次设计采用国产20BY-0型步进电机,其使用+5V直流电源，步距角为18度，电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁BD方式。 图5.4 步进电机 20 、

表6 步进电机相序表

相顺序 0 1 2 3 A 1 0 0 1 B 1 1 0 0 C 0 1 1 0 D 0 0 1 1 相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过18度，0→1→2→3→0则称为通电一周，转轴将转过72度，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来。而进行相反的通电顺序如3→2→1→0，将使电机同速反转。通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为其每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原地颤动。

表7 8253和8255的地址分配表

芯片 1A15～A8 00000000 00000000 2A7 0 0 A6 0 0 A5 1 1 A4 0 0 3A3 0 1 A2 0 0 A1～A0 00～11 00～11 4地址（十六进制） 0020H～0023H 0028H～002BH 58253 8255 D5.4 8255和8253设计步进电机控制电路原理图 D[0..7]A[0..15]U?A2A3A4U?A3A624011A0A1U?AA734A85A94075U?A10A1321A1U?AA12233A11A14455A1RDWR40716U?A132343332313029282753698356U?D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7825543214039383718192021222324251415161713121110D[0..7]123ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y715141312111097876543212122231920U?D0D1D2D3D4D5D6D7CSRDWRA0A18253OUT2GATE2CLK2OUT0GATE0CLK010119INTRCLKA51645G1G2AG2B74LS138OUT1GATE1CLK1131415RDWR171618CU?A174F04U?A174F04U?A174F04U?A174F042222ACM?20BY-0MOTOR STEPPERBD-5VB 图5.5 步进电机电路原理图 6、用8255外联LED和键盘显示电路 A 21 TitleSizeBDate:File:12345Number11-Jul-2015H:\\刘敏\\BACKUP~2\\BACKU、

1）矩阵键盘输入原理：

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上，当无键按下时，行线处于高电平。有键按下时，行、列线导通，行线电平由与此行线相连的列线电平决定。 2）LED显示原理：

通过8位锁存器74LS273控制LED灯显示，当某个发光二极管通过一定的电流时，该段就发光。控制其让某些段发光，某些段不发光则可以显示一些数字和符号。

表8 LED和键盘地址分配表

键盘 LED A15～A8 00000000 00000000 A7 0 1 A6 1 0 A5 1 0 A4 1 0 A3～A0 0000～0011 0000～0011 地址（十六进制） 0070H～0073H 0080H～0083H 0000000000 图6.1 键盘及LED显示电路图 22 、

五、课程设计心得体会

一、问题及解决方案

1、Protel 99 se 软件安装时出现问题，注册不成功。之后是安装打开却无法新建设计。分析认为应该是在安装过程中某一步可能安装错误。解决方法是重新安装，按照步骤一步一步的操作。最终软件成功安装并可以正常使用。

2、由于刚开始对Protel 99 se 软件的认知不足，不会使用该绘图软件，后面借阅图书馆相关的书籍及网上搜索软件使用方法，初步掌握了软件的使用，学会了如何查找、放置、删除元件并修改相关元件的属性。能使用软件进行简单的电路原理图设计。

3、将电路原理图插入World文档时，如果直接截图插入，图片放大后会不

清晰，所以采用软件中的Edit-select-All,之后Copy,这样粘贴插入后的图片是矢量图，放大后不会影响清晰度。 二、设计体会

本次课程设计虽然花费时间比较长、任务比较繁多一些，但在设计过程中极大地锻炼并提高了自己的设计和动手能力。对微机原理技术在生活中的应用有了更广的认识。

设计中对从对Protel 99软件的一无所知，到后来查阅资料、上网搜索，熟练掌握使用Protel99完成各种电路的绘制（时钟电路、总线电路、存储电路、译码电路、A/D和D/A转换电路、步进电机控制电路、键盘及LED显示电路）。

设计期间需用到之前所学的很多知识，自己难免会对某些知识有所忘记，这样就需翻看课本、再次学习，但回归课本的过程是自己对之前所学的微机原理知识有了更深的掌握与理解。

总之，通过这次课程设计，自己学会了一个新软件的使用，又复习了旧知识，增强了自己遇到问题独立思考、寻找解决方案的能力。过程艰难，但只要认真、努力去做，独立完成任务便是对自己的一次提升。

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