母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),導(dǎo)線,參數(shù),檢測(cè),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（下位機(jī)） 專 業(yè)： 自動(dòng)化（數(shù)控技術(shù)應(yīng)用） 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起迄日期： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： _ Graduation Design (Thesis) Design of Control System for Bus Bar Parameter Tester (Slave Computer) By YANG Huayong Supervised by Associate Prof. HUA Maofa Department of Automation Engineering Nanjing Institute of Technology June, 2007 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 本文根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)母導(dǎo)線導(dǎo)電片電阻和導(dǎo)電片之間絕緣強(qiáng)度的要求，提出了母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。該硬件電路選擇MCS-51系列的單片機(jī)8031作為CPU。擴(kuò)展了32K的程序存儲(chǔ)器和4K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存放系統(tǒng)的監(jiān)控程序和相關(guān)數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)了6位LED靜態(tài)顯示電路；選擇8255芯片擴(kuò)展了若干個(gè) I/O口，用來(lái)控制位置檢測(cè)、壓力繼電器等信號(hào)的輸入和異步電機(jī)起停、測(cè)量頭切換等信號(hào)的輸出；同時(shí)，還選擇接口芯片8155擴(kuò)展了編輯鍵盤(pán)和母導(dǎo)線種類選擇開(kāi)關(guān)；另外，還選擇了鎖存器74LS273，用來(lái)鎖存輸出控制四個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)。 該控制系統(tǒng)硬件電路經(jīng)進(jìn)一步完善，結(jié)合控制軟件，能夠自動(dòng)控制檢測(cè)頭的移動(dòng)及檢測(cè)，而整個(gè)控制系統(tǒng)還能自動(dòng)控制母導(dǎo)線的傳送、定位、貼標(biāo)、升降以及包裝。整個(gè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高，避免了手動(dòng)檢測(cè)效率低、安全性差等缺點(diǎn)，在母導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)方面有一定的參考應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：母導(dǎo)線；參數(shù)檢測(cè)機(jī)；控制系統(tǒng)；硬件電路 I 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRACT According to the requirements of resistance and insulation strength between conducting plates, this paper advances a design scheme for the control system of bus bar parameter tester (slave computer), and introduces the design process for the hardware circuit of control system in detail. This hardware circuit selects an 8031, MCS-51 series micro controller, as the CPU. a 32K program memory and a 4K data memory were used to storage the monitor program and relative data, and a 6 bit LED static display circuit is also designed. I/O ports are realized with 8255 to input or output position detection signal, pressure relay signal, start-up/stop signal for the asynchronous motor, switch signal for the detector, etc. At the same time, the parallel interface, 8155, is used to achieve the edit keyboard function and the type selection of bus bar. Further more, the D latch, 74LS273, is used to lock the pulse signal of the movement of the 4 step motors. Hardware improved, combined with adequate software, the movement and detection of detector can be operated automatically under the control of the system developed. Moreover, the whole control system can automatically control the transmission, orientation, pasting mark, and package of the bus bar. Thus, the automation degree of the whole control system is high, and the disadvantages of low efficiency and low security are avoided. There is some application value in automatically detecting the bus duct parameter. Key words：Bus bar; parameter tester; control system; hardware 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 母導(dǎo)線簡(jiǎn)介 1 1.3 選題背景與意義 2 1.4 本文的結(jié)構(gòu) 2 第二章 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)簡(jiǎn)介 3 2.1 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)的檢測(cè)內(nèi)容 3 2.2 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)的組成及工作流程 4 2.2.1 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 4 2.2.2 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程 4 第三章 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）硬件電路設(shè)計(jì) 8 3.1 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）硬件系統(tǒng)組成方案的擬定 8 3.2 CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì) 9 3.2.1 CPU 的選擇 9 3.2.2 ROM 的選擇 10 3.2.3 RAM 的選擇 11 3.2.4 鎖存器的選擇 12 3.2.5 CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 13 3.3 顯示電路的設(shè)計(jì) 15 3.3.1 鎖存器的選擇 15 3.3.2 十六段“米”字形LED 15 3.3.3 七段LED 16 3.3.4 顯示電路 17 3.4 I/O接口電路的設(shè)計(jì) 19 3.4.1 I/O接口芯片的選擇 19 3.4.2 I/O接口電路 20 3.5 鍵盤(pán)及選擇開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì) 22 3.5.1 鍵盤(pán)及選擇開(kāi)關(guān)接口芯片的選擇 22 3.5.2 鍵盤(pán)及選擇開(kāi)關(guān)電路 24 3.6 步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)輸出電路的設(shè)計(jì) 25 3.7 譯碼電路的設(shè)計(jì) 26 3.7.1 譯碼器的選擇 26 3.7.2 譯碼電路的組成 27 3.7.3 地址分配 28 3.8 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）硬件電路 30 第四章 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）控制程序流程圖設(shè)計(jì) 31 4.1 主程序流程圖的設(shè)計(jì) 31 4.2 鍵盤(pán)掃描程序流程圖的設(shè)計(jì) 32 4.2.1 手動(dòng)鍵盤(pán)掃描程序流程圖的設(shè)計(jì) 32 4.2.2 編輯鍵盤(pán)掃描程序流程圖的設(shè)計(jì) 36 第五章 硬件電路原理圖及PCB圖的繪制 41 5.1 Protel 99SE的基礎(chǔ)知識(shí) 41 5.1.1 Protel 99SE的基本操作 41 5.1.2 電路原理圖的設(shè)計(jì)步驟 41 5.1.3 PCB圖的設(shè)計(jì)步驟 42 5.2 電路原理圖的繪制 43 5.2.1 繪制過(guò)程中的問(wèn)題與解決 43 5.2.2 元器件的封裝 44 5.3 PCB圖的繪制 45 第六章 結(jié)論 47 致謝 49 參考文獻(xiàn) 50 附錄A：英文資料 51 附錄B：英文資料翻譯 58 附錄C：硬件設(shè)計(jì)原理圖與PCB圖 63 附件： 畢業(yè)論文光盤(pán)資料 54 第一章 緒 論 1.1 引言 隨著中國(guó)科技的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電力資源的要求越來(lái)越高，而這無(wú)疑對(duì)電力傳輸提出了更高的要求。目前，在遠(yuǎn)距離電力傳輸方面，電纜的生產(chǎn)和應(yīng)用已相當(dāng)成熟，完全滿足傳輸需求；而在近距離傳輸方面，電纜無(wú)法達(dá)到理想的傳輸效果，母導(dǎo)線的出現(xiàn)恰巧能彌補(bǔ)這一漏洞。 有關(guān)資料顯示，2005年中國(guó)市場(chǎng)的母導(dǎo)線產(chǎn)品總需求量已近100億元，從2000～2005年，每年的市場(chǎng)增長(zhǎng)率約為20%。據(jù)專家預(yù)測(cè)：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)母導(dǎo)線市場(chǎng)預(yù)計(jì)在今后數(shù)年內(nèi)將保持20%的持續(xù)增長(zhǎng)。如此數(shù)量的市場(chǎng)需求，使母導(dǎo)線產(chǎn)品得以迅速發(fā)展并在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。 隨著母導(dǎo)線產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，母導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)問(wèn)題也就隨之產(chǎn)生。母導(dǎo)線的主要技術(shù)參數(shù)是導(dǎo)線電阻和絕緣強(qiáng)度，對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的檢測(cè)在國(guó)內(nèi)還是由人工完成的，其自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)還是個(gè)空白。檢測(cè)人員手動(dòng)控制檢測(cè)頭去檢測(cè)母導(dǎo)線的導(dǎo)線電阻和絕緣強(qiáng)度，手動(dòng)定位很容易帶來(lái)由于定位不準(zhǔn)而產(chǎn)生的操作誤差，這與我們對(duì)母導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)準(zhǔn)確性的要求是相沖突的。另外，在檢測(cè)母導(dǎo)線的絕緣強(qiáng)度時(shí)，需要對(duì)母導(dǎo)線通以高壓，這無(wú)疑會(huì)威脅到檢測(cè)人員的人身安全。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人工檢測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)對(duì)生產(chǎn)率的要求，開(kāi)發(fā)母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)，可以完成對(duì)母導(dǎo)線主要技術(shù)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，這可以有效地提高檢測(cè)的自動(dòng)化程度，提高檢測(cè)精度，保證檢測(cè)人員的安全。 1.2 母導(dǎo)線簡(jiǎn)介 1. 母導(dǎo)線的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 母導(dǎo)線是低壓供電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)傳輸及分配電能的設(shè)備，是替代傳統(tǒng)電纜和電纜橋架輸配電系統(tǒng)的新型產(chǎn)品，而在大電流輸送方面更是處于主導(dǎo)地位。它具有載流能力強(qiáng)、防護(hù)等級(jí)高、分配電能方便、傳輸安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。 圖1.1母導(dǎo)線 母導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，在母導(dǎo)線系統(tǒng)中一般由以下幾個(gè)單元組成：饋電式母線（不帶插口）或插接式母線（帶插口）直線段單元；與變壓器，配電柜等設(shè)備接口的進(jìn)（出）線單元；換向單元有L形單元，T型單元，Z型單元；膨脹單元有膨脹節(jié)母線單元；插接單元有插接箱單元。所有單元通常均由母導(dǎo)線制造商進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)工程需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后采取非標(biāo)設(shè)計(jì)，以滿足用戶及安裝需要。 2. 母導(dǎo)線的種類 按其結(jié)構(gòu)及用途分為密集絕緣、空氣絕緣、空氣附加絕緣、耐火、樹(shù)脂絕緣和滑觸式母導(dǎo)線；按其外殼材料分為鋼外殼、鋁合金外殼和鋼鋁混合外殼母導(dǎo)線；按其導(dǎo)體材料分有銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體母導(dǎo)線。 1.3 選題背景與意義 由于母導(dǎo)線導(dǎo)電片的橫截面積大、電阻小，再加上檢測(cè)技術(shù)的落后。目前國(guó)內(nèi)的母導(dǎo)線生產(chǎn)廠家基本都不對(duì)導(dǎo)電片的電阻進(jìn)行檢測(cè)，而只是人工檢測(cè)導(dǎo)電片之間的絕緣強(qiáng)度。在檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員手持絕緣檢測(cè)頭對(duì)母導(dǎo)線進(jìn)行檢測(cè)，若母導(dǎo)線絕緣強(qiáng)度不夠，絕緣強(qiáng)度檢測(cè)儀就會(huì)報(bào)警，而且，檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)頭是通以高壓的，對(duì)操作人員的人身安全也是個(gè)威脅。在國(guó)外，不僅能檢測(cè)導(dǎo)線電阻，而且檢測(cè)的自動(dòng)化程度相當(dāng)高，國(guó)內(nèi)與之存在的差距十分巨大。 事實(shí)上，導(dǎo)電片電阻作為母導(dǎo)線的主要技術(shù)參數(shù)，是有必要檢測(cè)出來(lái)的。鎮(zhèn)江地區(qū)的一些母導(dǎo)線生產(chǎn)企業(yè)也看到了這一點(diǎn)。另外，國(guó)內(nèi)的檢測(cè)水平也確實(shí)比較落后。因此，迫切希望設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)母導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，這樣就可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，減少人員的投入，給企業(yè)帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)前景和顯著的社會(huì)效益。 1.4 本文的結(jié)構(gòu) 本文以母導(dǎo)線為應(yīng)用背景，對(duì)母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。全文共分為六章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章扼要地介紹了母導(dǎo)線的特點(diǎn)、種類和應(yīng)用，母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)的研究背景與意義； 第二章介紹了母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)的檢測(cè)內(nèi)容、組成以及工作流程； 第三章對(duì)母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）控制系統(tǒng)硬件電路的組成進(jìn)行了研究，給出了硬件電路的組成框圖，并詳細(xì)介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)程； 第四章介紹了母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）主程序流程圖和鍵盤(pán)掃描程序流程圖的設(shè)計(jì)； 第五章介紹了Protel 99SE的基本知識(shí)，以及繪制硬件電路原理圖和PCB圖時(shí)遇到的困難和解決方法； 第六章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問(wèn)題和進(jìn)一步研究的方向。 第二章 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)簡(jiǎn)介 2.1 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)的檢測(cè)內(nèi)容 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)的主要檢測(cè)內(nèi)容為：①母導(dǎo)線內(nèi)各個(gè)導(dǎo)電片的電阻；②母導(dǎo)線內(nèi)導(dǎo)電片之間的絕緣強(qiáng)度。 導(dǎo)電片電阻和導(dǎo)電片之間的絕緣強(qiáng)度是母導(dǎo)線的主要技術(shù)參數(shù)。導(dǎo)電片電阻是影響母導(dǎo)線導(dǎo)電能力的主要因素。我們都知道，導(dǎo)線電阻的增大，會(huì)增加電能在傳輸過(guò)程中的電損耗，而母導(dǎo)線也是如此。另外，導(dǎo)電片之間的絕緣強(qiáng)度則是影響母導(dǎo)線安全性能的主要因素。因此，檢測(cè)母導(dǎo)線這兩個(gè)技術(shù)參數(shù)是十分重要的，這可以幫助我們更加準(zhǔn)確有效地把不同種類及型號(hào)的母導(dǎo)線應(yīng)用到最適合它們的場(chǎng)合。 導(dǎo)電片電阻和絕緣強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)的檢測(cè)如圖2.1所示，其中圖(a)檢測(cè)的是導(dǎo)電片電阻，圖(b)檢測(cè)的是導(dǎo)電片之間的絕緣強(qiáng)度。 微歐計(jì) 絕緣強(qiáng)度檢測(cè)儀 (a) (b) 1 2 3 1、檢測(cè)頭 2、氣缸 3、母導(dǎo)線 (a) 檢測(cè)導(dǎo)線電阻 (b) 檢測(cè)絕緣強(qiáng)度 圖2.1 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)示意圖 2.2 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)的組成及工作流程 2.2.1 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)（下位機(jī)）、貼標(biāo)機(jī)、打印機(jī)、包裝機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，其中母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)的控制系統(tǒng)主要由控制電路和氣壓傳動(dòng)兩部分組成。圖2.2為母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)圖。 上位機(jī) 貼標(biāo)機(jī) 打印機(jī) 測(cè)試系統(tǒng) 功率放大系統(tǒng) 輔助動(dòng)作 控制電路 運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 輔助動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu) （氣壓傳動(dòng)） 包裝機(jī)構(gòu) 母導(dǎo)線 定位機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)（下位機(jī)） 檢測(cè)臺(tái) 母導(dǎo)線 圖2.2 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 2.2.2 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)的下位機(jī)部分控制的信號(hào)有：檢測(cè)臺(tái)上的傳送電機(jī)，一個(gè)縱向定位氣缸，兩個(gè)橫向氣缸和這兩個(gè)氣缸上的壓力繼電器；包裝臺(tái)上的傳送電機(jī)，一個(gè)定位氣缸，兩個(gè)上升氣缸；兩個(gè)檢測(cè)頭的氣缸；X、Y、U、V四軸的正反轉(zhuǎn)； X、Y、U、V四個(gè)坐標(biāo)方向的進(jìn)給，X、Y、U、V的超程。檢測(cè)臺(tái)和包裝臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2.3所示。 1.檢測(cè)平臺(tái) 2.母導(dǎo)線 3.檢測(cè)縱向定位氣缸 4.檢測(cè)平臺(tái)移送電機(jī) 5.包裝平臺(tái) 6.包裝臺(tái)縱向定位氣缸 7、9.母導(dǎo)線包裝臺(tái)升降氣缸 8.包裝臺(tái)移送電機(jī) 10、27.縱向到位檢測(cè)傳感器 11、26.左右端橫向定位滑臺(tái) 12、25.右端測(cè)量頭驅(qū)動(dòng)氣缸 13、24.X軸及U軸滑臺(tái) 14、23.X軸及U軸步進(jìn)電機(jī) 15、22.左右端橫向定位氣缸 16、21.左右端垂直升降臺(tái) 17、19.Y軸及V軸步進(jìn)電機(jī) 18、20.左右端移動(dòng)立柱 圖2.3 檢測(cè)臺(tái)和包裝臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程如下：上位機(jī)（PC機(jī)）發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)給下位機(jī)，然后，下位機(jī)開(kāi)始工作。下位機(jī)控制檢測(cè)臺(tái)傳送裝置和氣壓傳動(dòng)定位機(jī)構(gòu)傳送及定位母導(dǎo)線。之后，下位機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)導(dǎo)電片的電阻以及導(dǎo)電片之間的絕緣強(qiáng)度，并把結(jié)果傳送給上位機(jī)。上位機(jī)接受到檢測(cè)完畢的信號(hào)后，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷母導(dǎo)線是否合格，若合格，則發(fā)送信號(hào)給打印機(jī)，打印機(jī)打印出所測(cè)母導(dǎo)線的條碼。然后，上位機(jī)發(fā)送信號(hào)給貼標(biāo)機(jī)，并控制貼標(biāo)機(jī)把條碼貼到母導(dǎo)線上。貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)完畢后發(fā)送信號(hào)給上位機(jī)，上位機(jī)接著發(fā)送信號(hào)給下位機(jī)，由下位機(jī)控制完成對(duì)母導(dǎo)線的包裝。 下面將按照前文敘述的工作過(guò)程給出母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）控制系統(tǒng)的工作流程圖（圖2.4）。 檢測(cè)臺(tái)母導(dǎo)線傳送電機(jī)啟動(dòng) 檢測(cè)臺(tái)縱向定位缸升起 檢測(cè)臺(tái)母導(dǎo)線傳送電機(jī)停止 檢測(cè)臺(tái)左端側(cè)向定位缸啟動(dòng) 檢測(cè)臺(tái)右端側(cè)向定位缸啟動(dòng) 連接絕緣強(qiáng)度檢測(cè)儀 兩檢測(cè)頭移動(dòng)、定位、檢測(cè)并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給上位機(jī) 檢測(cè)頭檢測(cè)完后回檢測(cè)起點(diǎn) 連接檢測(cè)電阻的微歐計(jì) 兩檢測(cè)頭移動(dòng)、定位、檢測(cè)并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給上位機(jī) 開(kāi)始 Y N Y N 母導(dǎo)線縱向到位？ 左、右端側(cè)向定位缸到位？ Ⅰ 檢測(cè)頭檢測(cè)完后回檢測(cè)原點(diǎn) 檢測(cè)臺(tái)左、右端側(cè)向定位缸退回 檢測(cè)臺(tái)縱向定位缸退回 檢測(cè)臺(tái)母導(dǎo)線傳送電機(jī)啟動(dòng) 包裝臺(tái)母導(dǎo)線傳送電機(jī)啟動(dòng) 包裝臺(tái)縱向定位缸升起 母導(dǎo)線離開(kāi)檢測(cè)臺(tái)后檢測(cè)臺(tái)電機(jī)停轉(zhuǎn) 母導(dǎo)線到達(dá)包裝臺(tái)后包裝臺(tái)電機(jī)停轉(zhuǎn) 發(fā)送信號(hào)給上位機(jī)，啟動(dòng)貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo) 貼標(biāo)結(jié)束后，包裝氣缸升起 延時(shí)，包裝 定位氣缸退回 包裝氣缸退回 結(jié) 束 Ⅰ 圖2.4 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)（下位機(jī)）的工作流程 第三章 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）硬件系統(tǒng)組成方案的擬定 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)的控制電路主要有以下四部分組成：CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、顯示電路、信號(hào)輸入/輸出電路、鍵盤(pán)擴(kuò)展電路?？刂齐娐返拇笾略O(shè)計(jì)思路如下：CPU采用8031、外擴(kuò)ROM采用27256（32k×8）、外擴(kuò)RAM采用6264（8k×8）、I/O口用8255擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)用74LS273鎖存器擴(kuò)展、鍵盤(pán)和選擇開(kāi)關(guān)用8155擴(kuò)展、顯示電路用6位LED靜態(tài)顯示。具體的電路設(shè)計(jì)在下面章節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹。 母導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)機(jī)（下位機(jī)）硬件系統(tǒng)組成方案如圖3.1所示。 8031 CPU 外擴(kuò)ROM （27256） 外擴(kuò)RAM （6264） 6位LED 顯示電路 8155 手動(dòng)控制電路 鍵 盤(pán) 母導(dǎo)線的種類選擇開(kāi)關(guān) 輸出信號(hào)光 電耦合電路 8255 輸入信號(hào)光 電耦合電路 控制X、Y、U、V軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)的光電耦合電路 圖3.1硬件系統(tǒng)組成框圖 3.2 CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)硬件電路的CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路部分：CPU采用8031、外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器（ROM）采用27256（32k×8）、外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）采用6264（8k×8）、鎖存器采用74LS373。本節(jié)主要對(duì)它們的引腳圖、引腳功能及相關(guān)知識(shí)做了介紹。同時(shí)，給出了CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。 3.2.1 CPU 的選擇 單片機(jī)的種類繁多，常見(jiàn)的MCS-51系列單片機(jī)有8031和8051。雖然8051有內(nèi)部ROM，但存儲(chǔ)空間較小，滿足不了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，另外， 8051與8031相比價(jià)格偏高，且8031目前使用較廣泛，故控制系統(tǒng)硬件電路的CPU選用8031。8031是MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，采用40引腳的雙列直插封裝（DIP方式），其引腳圖如圖3.2所示。按其引腳功能，這些引腳可分為四類： （1）電源引腳VCC和GND（共2根） 1）VCC（40腳）：接+5V電壓。 2）GND（20腳）：接地。 （2）外接晶振引腳X1和X2（共2根） 圖3.2 8031引腳圖 X1（19腳）和X2（18腳）引腳接外部振蕩器的信號(hào)，即把外部振蕩器的信號(hào)直接連接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 （3）控制和復(fù)位引腳ALE、、和RST（共4根） 1）ALE（30腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的地位字節(jié)。 2）（29腳）：輸出外部程序存儲(chǔ)器（ROM）的讀選通信號(hào)。 3）（31腳）：當(dāng)端保持高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部ROM，但在PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過(guò)片內(nèi)ROM的容量時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部ROM。當(dāng)保持低電平時(shí)，則訪問(wèn)外部ROM，不管是否有內(nèi)部ROM。對(duì)于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，采用CPU是8031，其內(nèi)部無(wú)ROM，所以腳必須常接地，這樣才能選擇外部ROM。單片機(jī)只在復(fù)位期間采樣腳的電平，復(fù)位結(jié)束以后腳的電平對(duì)ROM的訪問(wèn)無(wú)影響。 4）RESET（9腳）：復(fù)位引腳。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)8031復(fù)位。 （4）輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根） 1）P0口（32腳～39腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口。在外接存儲(chǔ)器時(shí)，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用。 2）P1口（1腳～8腳）：是8位準(zhǔn)雙向I/O口。由于這種接口輸出沒(méi)有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，所以不是真正的雙向I/O口。 3）P2口（21腳～28腳）：是8位準(zhǔn)雙向I/O口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，可作為高8位地址總線送出高8位地址。 4）P3口（10腳～17腳）：是8位準(zhǔn)雙向I/O口。它是一個(gè)復(fù)用雙功能口，每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。 P3口作為第一功能，即普通I/O口用時(shí)，功能和操作方法與P1口類似；P3口作為第二功能使用時(shí)，各引腳的定義見(jiàn)表3.1。 表3.1 P3口第2功能表 引腳 第 2 功 能 P3.0 RXD（串行口輸入端） P3.1 TXD（串行口輸出端） P3.2 （外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效） P3.3 （外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效） P3.4 T0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端） P3.5 T1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端） P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸入端，低電平有效） P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸入端，低電平有效） 3.2.2 ROM 的選擇 CPU外擴(kuò)ROM一般用EPROM，它是紫外線可擦除電可編程的只讀存儲(chǔ)器，芯片置于紫外線燈下照20min以后，內(nèi)部?jī)?nèi)容變?yōu)槿?”，通過(guò)編程器將程序代碼寫(xiě)入后信息不會(huì)丟失，可靠性很高。常用的EPROM電路有2732（4KB）、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）、27512（64KB），由于它們價(jià)格相近，且大容量的EPROM讀取速度快，故控制系統(tǒng)的硬件電路采用27256（32k×8）作為外擴(kuò)ROM。 圖3.3 27256引腳圖 外擴(kuò)ROM27256（32k×8）采用28引腳雙列直插封裝（DIP方式），其引腳圖如圖3.3所示。 1. 27256的引腳功能 27256各引腳的意義如下： 1）A0～A14：地址輸入線。 2）D0～D7：三態(tài)數(shù)據(jù)總線，讀或編程檢驗(yàn)時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線，編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線。維持或編程禁止時(shí)，D0～D7呈高阻抗。 3）：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。 4）：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效。 5）Vpp：編程電源輸入線，Vpp的值因芯片型號(hào)和制造廠商而異。 6）Vcc：主電源輸入線，Vcc一般為+5V。 7）GND：線路接地。 2. EPROM的操作方式 對(duì)EPROM的主要操作方式有： 1）編程方式：把程序代碼（機(jī)器指令、常數(shù)）固化到EPROM中。 2）編程校驗(yàn)方式：讀出EPROM中的內(nèi)容，檢驗(yàn)編程操作的正確性。 3）讀出方式：CPU從EPROM中讀取指令或常數(shù)，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的工作方式。 4）維持方式：不對(duì)EPROM操作，數(shù)據(jù)端呈高阻。 5）編程禁止方式：適用于多片EPROM并行編程不同數(shù)據(jù)。 表3.2給出了27256不同操作方式下控制引腳的電平。 表3.2 27256不同操作方式下控制引腳的電平 引 腳 方 式 (20) (22) Vpp (1) Vcc (28) D0～D7 (11～13)(15～19) 讀 VIL VIL Vcc 5V 數(shù)據(jù)輸出 禁止輸出 VIL VIH Vcc 5V 高阻 維持 VIH 任意 Vcc 5V 高阻 編程 VIL VIH Vpp 5V 數(shù)據(jù)輸入 編程校驗(yàn) VIH VIL Vpp 5V 數(shù)據(jù)輸出 編程禁止 VIH VIH Vpp 5V 高阻 3.2.3 RAM 的選擇 控制系統(tǒng)硬件電路中的RAM用于存放控制檢測(cè)頭運(yùn)動(dòng)位移量的檢測(cè)程序。目前，單片機(jī)系統(tǒng)常用的RAM電路有6216（2KB）、6264（8KB）、62256（32KB）?？紤]到控制系統(tǒng)存放的程序和數(shù)據(jù)不是很多，且市場(chǎng)上較容易買到8k的RAM，價(jià)格也便宜，再加上4k的RAM很難買到，因此，選擇6264（8k×8）作為外擴(kuò)RAM。由于只用到4k的容量，故空掉了A12一根地址線。 6264同樣采用28引腳的雙列直插封裝（DIP方式），其引腳圖如圖3.4所示。 6264各引腳的意義如下： 1）A0～A12：地址輸入線。 2）D0～D7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。 3）VCC：工作電源+5V。 4）GND：線路接地。 5）NC：懸空腳。 6）：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。 圖3.4 6264引腳圖 7）：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效。 8）：寫(xiě)選通信號(hào)輸入線，低電平有效。 9）CS：第二片選信號(hào)，高電平有效。CS=1，=0選中。 值得注意的是，6264芯片是易失性的，一旦掉電，內(nèi)部的所有信息都會(huì)丟失。因此，需設(shè)計(jì)一個(gè)掉電保護(hù)電路，在無(wú)外部電源給6264供電時(shí)，電路的備用干電池給6264供電，以保證6264內(nèi)的數(shù)據(jù)不丟失。 表3.3給出了6264不同操作方式下控制引腳的電平。 表3.3 6264不同操作方式下控制引腳的電平 引 腳 方 式 (20) CS (26) (22) (27) D0～D7 (11～13)(15～19) 未選中（掉電） VIH 任意 任意 任意 高阻 未選中（掉電） 任意 VIL 任意 任意 高阻 輸出禁止 VIL VIH VIH VIH 高阻 讀 VIL VIH VIL VIH 數(shù)據(jù)輸出 寫(xiě) VIL VIH VIH VIL 數(shù)據(jù)輸入 寫(xiě) VIL VIH VIL VIL 數(shù)據(jù)輸入 3.2.4 鎖存器的選擇 由于8031的P0口是地址和數(shù)據(jù)復(fù)用的，這就需要使用鎖存器把低8位地址進(jìn)行鎖存，所以，CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路中選擇了較常用的74LS373鎖存器，其引腳圖如圖3.5所示。 74LS373各引腳的意義如下： 1）D0～D7：三態(tài)門輸入端。 圖3.5 74LS373引腳圖 2）Q0～Q7：三態(tài)門輸出端。 3）GND：接地。 4）VCC：電源端。 5）：三態(tài)門使能端。=0，三態(tài)門導(dǎo)通，允許Q端輸出；=1，三態(tài)門斷開(kāi)，對(duì)外電阻呈高阻狀態(tài)。 6）G：鎖存器控制端。G=1,鎖存器處于透明工作狀態(tài)，即鎖存器的輸出狀態(tài)隨輸入端的變化而變化，即Qi=Di (i=0,1,2……7)；G由1變0時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存起來(lái)，此時(shí)輸出端Qi不再隨輸入端的變化而變化，而一直保持鎖存前的值不變。G端可直接與單片機(jī)的地址鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在ALE的下降沿進(jìn)行地址鎖存。 3.2.5 CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 本節(jié)將給出CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，在此之前先對(duì)該擴(kuò)展電路做以下幾點(diǎn)說(shuō)明： 1）由于外擴(kuò)了RAM 6264，為了防止6264因緊急情況掉電而引起數(shù)據(jù)丟失，本電路原理圖中設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)電路。當(dāng)發(fā)生緊急情況，CPU停止供電時(shí)，掉電保護(hù)電路中的干電池就會(huì)給6264供電，保證其數(shù)據(jù)不丟失。同時(shí)，由于采用了三極管，在掉電后還可以把6264與其他電路隔開(kāi)，這樣，干電池就只需給6264供電，可以更有效的延長(zhǎng)其壽命。另外，由于6264的工作電壓在3V～4V之間，因此，在設(shè)計(jì)的CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路中，用了兩個(gè)電阻對(duì)提供的5V電壓進(jìn)行了分壓。 2）由于控制系統(tǒng)的6264存儲(chǔ)的內(nèi)容并不多，主要用于存放控制檢測(cè)頭運(yùn)動(dòng)位移量的檢測(cè)程序，再加上地址線不夠用，因此，6264只用了4k的容量，它的引腳2（A12）被接地，即6264只用到了A0～A11共12根地址線?？刂葡到y(tǒng)的27256用到了32k的容量，即用到了A0～A14共15根地址線，主要用于存放監(jiān)控程序。 3）8031的P0口的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，因此要經(jīng)鎖存器74LS373鎖存低八位地址。而高八位地址則由8031的P2口提供。這樣就構(gòu)成了控制系統(tǒng)硬件電路所需的十六位地址。 4）由8031的P1口擴(kuò)展的+X、-X、+Y、-Y、+U、-U、+V、-V四個(gè)坐標(biāo)方向的進(jìn)給按鈕也在此給出。 6）CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路部分以及后面的顯示電路部分還需用到譯碼器，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在這兩部分電路中都選用74LS138譯碼器，對(duì)這部分知識(shí)將在后面用一節(jié)作詳細(xì)的介紹。 完整的CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如圖3.6所示。 圖3.6 CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 3.3 顯示電路的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)硬件電路的顯示電路部分采用六位LED靜態(tài)顯示：其中一位十六段的“米”字型的LED用于顯示字母，其余的五位皆是七段LED，其中的第一位LED用于顯示坐標(biāo)負(fù)號(hào)，其后三位用于顯示檢測(cè)機(jī)構(gòu)位移量的整數(shù)部分，最后一位LED用于顯示檢測(cè)機(jī)構(gòu)位移量的小數(shù)部分。顯示電路中鎖存器采用了74LS273。本節(jié)主要介紹了十六段“米”字形LED、七段LED、74LS273的引腳圖和引腳功能，以及顯示電路。 3.3.1 鎖存器的選擇 靜態(tài)顯示常用鎖存器74LS273，它是單片集成正沿觸發(fā)的觸發(fā)器，用直接清零輸入執(zhí)行D型觸發(fā)器的邏輯功能。符合建立時(shí)間要求的D輸入端上的信息，在時(shí)鐘脈沖的正躍變沿上傳到Q端輸出端。時(shí)鐘的觸發(fā)產(chǎn)生于特定的電壓電平上，且不直接同正躍變的躍變時(shí)間有關(guān)，當(dāng)時(shí)鐘輸入處于高電平或者處于低電平時(shí)，D端輸入的信號(hào)在輸出端沒(méi)有影響。它的主要特點(diǎn)是： 1）含有單向輸出的8個(gè)觸發(fā)器。 2）緩沖的時(shí)鐘輸入和直接的清零輸入。 圖3.7 74LS273引腳圖 3）每個(gè)觸發(fā)器有單獨(dú)的數(shù)據(jù)輸入。 74LS273的引腳圖如圖3.7所示。其中74LS273的引腳功能是： 1）1D~8D: 信號(hào)輸入端。 2）1Q~8Q: 信號(hào)輸出端。 3）CLK: 時(shí)鐘信號(hào)輸入端。 4）CLR: 清零端。 3.3.2 十六段“米”字形LED 十六段“米”字形LED引腳圖如圖3.8所示。 顯示電路采用共陰極的LED顯示方式，當(dāng)在某段發(fā)光二極管上施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆畫(huà)的二極管就亮，不加電壓時(shí)則是暗的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到二極管的耐壓能力，為保護(hù)其不受損壞，在共地端接了限流電阻。十六段 “米”字形 圖3.8 十六段LED引腳圖 LED不僅可以顯示0～9十個(gè)數(shù)字，還可以顯示英文字母?？刂葡到y(tǒng)中只需要顯示X、Y、U、V、M、N、F七個(gè)字母，共陰極十六段LED顯示字形編碼見(jiàn)表3.4。 表3.4　共陰極十六段LED顯示字形編碼表 顯示 字符 各段發(fā)光二極管的電平 共陰極 段選碼 m l k j i h g2 g1 f e d2 d1 c b a2 a1 X 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B400H Y 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5400H U 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 00FCH V 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1400H M 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 14CCH N 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 24CCH F 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 03C3H 3.3.3 七段LED 七段LED引腳圖如圖3.9所示。七段LED顯示器是由8個(gè)發(fā)光二極管組成的，它們分別標(biāo)記為a、b、c、d、e、f、g、dp。當(dāng)在某段發(fā)光二極管上施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆畫(huà)的二極管就亮，不加電壓時(shí)則是暗的。例如：若要顯示數(shù)字1，那么b、c筆畫(huà)的二極管就亮，其它六位則是暗的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到二極管的耐壓能力，為保護(hù)其不受損壞，在共地端接了限流電阻。 圖3.9　七段LED引腳圖 共陰極七段LED顯示字形編碼表見(jiàn)表3.5。 表3.5　共陰極七段LED顯示字形編碼表 顯示字符 各段發(fā)光二極管的電平 共陰極段選碼 dp g f e d c b a 1 0 0 0 0 0 1 1 0 06H 2 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH 3 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH 4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 5 0 1 1 0 1 1 0 1 6DH 6 0 1 1 1 1 1 0 1 7DH 7 0 0 0 0 0 1 1 1 07H 8 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH （續(xù)） 顯示字符 各段發(fā)光二極管的電平 共陰極段選碼 dp g f e d c b a 9 0 1 1 0 1 1 1 1 6FH 0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 3.3.4 顯示電路 控制系統(tǒng)中，硬件電路的顯示部分采用六位LED靜態(tài)顯示。靜態(tài)顯示是所有的共陰極或共陽(yáng)極點(diǎn)連接在一起接地或接+5V，每位的段選線分別與一個(gè)八位鎖存器的輸出口相連，顯示器中的各位相互獨(dú)立，因此在同一個(gè)時(shí)間里，每一位顯示的字符可以各不相同，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存的輸出將維持不變，因此靜態(tài)顯示器的亮度較高，并且在顯示過(guò)程中，所需要顯示的字符的各字段連續(xù)通電，所顯示的字段連續(xù)發(fā)光。這種顯示方式編程容易，管理也比較簡(jiǎn)單。 詳細(xì)的顯示電路如圖3.10所示，由圖可知： 1）這次設(shè)計(jì)的六個(gè)LED的陰極先經(jīng)過(guò)上拉電阻再接地，即采用共陰極接法，這里的上拉電阻在電路中主要起限流作用。七段LED的八個(gè)引腳a、b、c、d、e、f、g分別與74LS273的Q1～Q8相連，即由74LS273鎖存輸出信號(hào)給六位LED，用來(lái)控制八個(gè)段位的亮暗，以顯示負(fù)號(hào)和數(shù)字。這里要注意的是，十六段LED有十六個(gè)段位，所以要經(jīng)兩個(gè)74LS273鎖存輸出，以提供這些段位的亮暗信號(hào)來(lái)顯示表3.4提及的七個(gè)字母。 2）74LS273的1D～8D分別接8031的P0口的D0～D7，清零端（CLR）接+5V電壓，時(shí)鐘信號(hào)輸入端（CLK）由譯碼器位選信號(hào)端與8031的相或后提供信號(hào)。 3）在顯示電路中，有六位LED，但由于十六段的LED需用到兩個(gè)74LS273鎖存器，即需要譯碼器提供兩個(gè)位選信號(hào)，所以一共需要七個(gè)74LS273鎖存器，顯然，這就需要用到譯碼器的七個(gè)位選信號(hào)，根據(jù)譯碼器提供的片選信號(hào)，就可以確定七個(gè)74LS273鎖存器的地址分配，具體如何分配將會(huì)在后面的“譯碼電路的設(shè)計(jì)”一節(jié)詳細(xì)介紹。 4）每個(gè)74LS273鎖存器的VCC和GND之間都接有去耦電容。 圖3.10 顯示電路 3.4 I/O接口電路的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)硬件電路的I/O接口用8255擴(kuò)展。X、Y、U、V四個(gè)坐標(biāo)方向的進(jìn)給按鈕由8031（U11）的P1口擴(kuò)展，電路圖如圖3.6所示。 3.4.1 I/O接口芯片的選擇 控制系統(tǒng)硬件電路的I/O接口芯片選用8255。8255是一種通用的可編程并行接口電路，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中被廣泛用作可編程外部I/O擴(kuò)展接口。其引腳圖如圖3.11所示。 8255可編程并行I/O芯片由以下四個(gè)邏輯結(jié)構(gòu)組成： （1）數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器 這是雙向三態(tài)的8位驅(qū)動(dòng)器，用于和單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和8255芯片的數(shù)據(jù)傳送。 （2）并行I/O端口 A口、B口和C口這三個(gè)8位I/O端口功能完全由編程決定，但每個(gè)口都有自己的特點(diǎn)。 1）A口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。它是最靈活的 圖3.11 8255引腳圖 輸入輸出寄存器，可編程作為8位輸入輸出或雙向寄存器。 2）B口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器（不鎖存）?？删幊套鳛?位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入輸出。 3）C口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器（不鎖存）。這個(gè)口在方式控制下，可分為兩個(gè)4位口使用。C口除作輸入、輸出口使用外，還可以作為A口、B口選通方式操作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。 （3）讀/寫(xiě)控制邏輯 它用于管理所有的數(shù)據(jù)、控制字或狀態(tài)字的傳送，接收單片機(jī)的地址信號(hào)和控制信號(hào)來(lái)控制各個(gè)口的工作狀態(tài)。 1）: 8255的片選引腳端。 2）: 讀控制端。當(dāng)=0時(shí)，允許單片機(jī)從8255讀取數(shù)據(jù)或狀態(tài)字。 3）:寫(xiě)控制端。當(dāng)=0時(shí)，允許單片機(jī)將數(shù)據(jù)或控制字寫(xiě)如8255。 4）RESET：復(fù)位控制端。當(dāng)RESET=1時(shí)，8255復(fù)位。復(fù)位狀態(tài)是：控制寄存器被清除，所有接口（A、B、C）被置入輸入方式。 A0、A1：口地址選擇。通過(guò)A0、A1可選中8255的4個(gè)寄存器。口地址選擇如下： A1 A0 寄存器 0 0 輸出寄存器A（A口） 0 1 輸出寄存器B（B口） 1 0 輸出寄存器C（C口） 1 1 控制寄存器（控制口） （4）A組B組控制塊 每個(gè)控制塊接收來(lái)自讀/寫(xiě)控制邏輯的命令和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的控制字，并向?qū)?yīng)口發(fā)出適當(dāng)?shù)拿?。A組控制塊控制A口及C口的高4位；B組控制塊控制B口及C口的低4位。 表3.6列出了CPU對(duì)8255端口的尋址和操作控制。 表3.6 CPU對(duì)8255端口的尋址和操作控制 A1 A0 操 作 0 1 0 00 D0～D7→PA口 0 1 0 01 D0～D7→PB口 0 1 0 10 D0～D7→PC口 0 1 0 11 D0～D7→控制口 0 0 1 00 PA口→D0～D7 0 0 1 01 PB口→D0～D7 0 0 1 10 PC口→D0～D7 1 × × ×× D0～D7呈高阻 0 1 1 ×× D0～D7呈高阻 0 0 0 ×× 非法操作 0 0 1 11 非法操作 3.4.2 I/O接口電路 控制系統(tǒng)的硬件電路中，開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口電路由8255擴(kuò)展。 開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)由8255（U31）的PA口擴(kuò)展，這些信號(hào)包括： 1）兩個(gè)位置檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)母導(dǎo)線置于檢測(cè)臺(tái)還是包裝臺(tái)； 2）兩個(gè)壓力繼電器輸入信號(hào)，發(fā)送測(cè)量頭橫向定位氣缸到位信號(hào)； 3）四個(gè)步進(jìn)電機(jī)正負(fù)超程信號(hào)，控制X、Y、U、V四個(gè)軸的超程。 開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)由8255（U31）的PB、PC口擴(kuò)展，這些信號(hào)包括： 1）兩個(gè)傳送臺(tái)（檢測(cè)臺(tái)、包裝臺(tái)）異步電機(jī)的起停信號(hào)； 2）八個(gè)電磁換向閥控制信號(hào)，控制八個(gè)氣缸的動(dòng)作； 3）絕緣強(qiáng)度檢測(cè)儀和微歐計(jì)測(cè)量頭切換信號(hào)。 詳細(xì)的I/O接口電路如圖3.12所示。 圖3.12 I/O接口電路 在I/O接口電路中，全部采用了光電耦合器（其結(jié)構(gòu)如圖3.13所示）。光電耦合器的后向通道往往所處環(huán)境惡劣，控制對(duì)象多為大功率伺服機(jī)構(gòu)，電磁干擾較為嚴(yán)重。為防止干擾竄入和保證系統(tǒng)的安全，常常采用光電 圖3.13 光電耦合器 耦合器，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，同時(shí)又可將系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)隔開(kāi)。 晶體管輸出型光電耦合器的受光器是光電晶體管，光電晶體管除了沒(méi)有使用基極外，跟普通晶體管一樣，取代基極電流的是以光作為晶體管的輸入。 光電耦合器也常用于較遠(yuǎn)距離的信號(hào)隔離傳送。一方面，光電耦合器可以起到隔離兩個(gè)系統(tǒng)地線的作用，使兩個(gè)系統(tǒng)的電源相互獨(dú)立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響；另一方面，光電耦合器的發(fā)光二級(jí)管是電流驅(qū)動(dòng)器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式。由于電流環(huán)電路是低阻抗電路，它對(duì)噪音的敏感度低，因此，提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力。 3.5鍵盤(pán)及選擇開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì) 3.5.1 鍵盤(pán)及選擇開(kāi)關(guān)接口芯片的選擇 控制系統(tǒng)的硬件電路中鍵盤(pán)接口芯片選用8155。8155芯片內(nèi)具有256B RAM、2個(gè)8位和1個(gè)6位的可編程I/O口、1個(gè)14位減法計(jì)數(shù)器，與MCS-51單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 1．8155的引腳功能 8155的引腳圖如圖3.14所示，引腳功能如下： 1）AD0～AD7：雙向地址/數(shù)據(jù)總線，分時(shí)傳送單片機(jī)和8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令、狀態(tài)信息。 2）ALE：地址鎖存信號(hào)輸入，在ALE下降沿將AD0～AD7上的低8位地址、RAM/IO口選擇信息鎖存。因此，MCS-51單片機(jī)的P0口輸出的低8位地址不需要再外接鎖存器。 3）：RAM/IO口選擇：=0，單片機(jī) 圖3.14 8155引腳圖 選擇8155中的RAM讀/寫(xiě)，AD0～AD7上地址為RAM單元地址；=1，選擇8155的寄存器或端口，地址分配見(jiàn)表3.7。 4）：片選信號(hào)，低電平有效。 5）、：讀、寫(xiě)控制輸入線，低電平有效。 6）RESET：輸入一個(gè)大于600ns正脈沖時(shí)，8155總清零，各I/O口定義為輸入方式。 7）PA0～PA7：A口I/O數(shù)據(jù)傳送。 8）PB0～PB7：B口I/O數(shù)據(jù)傳送。 9）PC0～PC5：C口I/O數(shù)據(jù)傳送或A、B口選通時(shí)傳送命令/狀態(tài)信息。 10）TMRIN：14位計(jì)數(shù)器輸入。 11）TMROUT：14位計(jì)數(shù)器輸出。 12）VCC 和GND：+5V電源和接地。 表3.7 8155端口地址分配 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 所選端口 0 1 X X X X X 0 0 0 命令/狀態(tài)寄存器 0 1 X X X X X 0 0 1 A口 0 1 X X X X X 0 1 0 B口 0 1 X X X X X 0 1 1 C口 0 1 X X X X X 1 0 0 計(jì)數(shù)器低8位 0 1 X X X X X 1 0 1 計(jì)數(shù)器高8位 0 0 X X X X X X X X RAM單元 2．8031和8155的連接 因8155的AD0～AD7為三態(tài)雙向的地址/數(shù)據(jù)總線口，內(nèi)部有地址鎖存器，故8155能直接和8031的P0口相連。圖3.15是8155和8031的接口邏輯。 P0口 P2.0 ALE (P3.6) (P3.7) 8031 AD0～AD7 PA PB ALE PC VCC GND RESET TI 8155 復(fù) 位 電 路 +5V 接地 74LS138的Y0 圖3.15 8031和8155的接口邏輯 8031 INT1 3.5.2 鍵盤(pán)及選擇開(kāi)關(guān)電路 根據(jù)控制要求，用8155的PA0～PA5和PC0～PC5擴(kuò)展一矩陣式鍵盤(pán)，擴(kuò)展的按鍵主要有：0～9十個(gè)數(shù)字鍵，X、Y、U、V四個(gè)軸的選擇按鍵，以及dp（小數(shù)點(diǎn)鍵）、Delete（刪除鍵）、Space（空格鍵）、Enter（回車鍵）、M（準(zhǔn)備功能鍵）、N（程序段號(hào)鍵）、F（進(jìn)給功能鍵）共二十一個(gè)按鍵。母導(dǎo)線種類選擇開(kāi)關(guān)由PB0～PB5擴(kuò)展，共有一層三列、一層四列、一層五列、二層三列、二層四列、二層五列六種選擇。詳細(xì)的鍵盤(pán)及選擇開(kāi)關(guān)擴(kuò)展電路如圖3.16所示。 圖3.16 鍵盤(pán)及選擇開(kāi)關(guān)擴(kuò)展電路 這里對(duì)PB6、PB7的功能做如下說(shuō)明：當(dāng)開(kāi)關(guān)撥至最左端，即PB6=0、PB7=1時(shí)，處于手動(dòng)鍵盤(pán)狀態(tài)（8031的P1口擴(kuò)展）；當(dāng)開(kāi)關(guān)撥至中間，即PB6=1、PB7=0時(shí)，處于編輯鍵盤(pán)狀態(tài)（8155擴(kuò)展）；當(dāng)開(kāi)關(guān)撥至最右端，即PB6=1、PB7=1時(shí)，處于等待自動(dòng)檢測(cè)狀態(tài)。 3.6 步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)輸出電路的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的硬件電路中，控制X、Y、U、V四軸的四個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)輸出接口電路由74LS273（U41）擴(kuò)展，其CLK信號(hào)由8031（U11）的和74LS138（U15）的Y2相或后提供。需注意的是，光耦輸出端的電源由外部電路提供。詳細(xì)的四個(gè)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)輸出接口電路如圖3.17所示。 圖3.17步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)輸出電路 3.7 譯碼電路的設(shè)計(jì) 本節(jié)主要介紹了這次控制電路設(shè)計(jì)中譯碼電路的譯碼方法，譯碼器的選擇，以及27256、6264、8155、8255、74LS273（包括顯示電路和步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)輸出電路兩部分）的地址分配。 3.7.1 譯碼器的選擇 控制系統(tǒng)硬件電路的CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路和顯示電路中的譯碼器都選用74LS138。 1. 74LS138的引腳描述 74LS138的引腳圖如圖3.18所示。74LS138引腳的描述如下： 1）只有G1接高電平、低電平時(shí)，74LS138 才處于工作狀態(tài)（注：=+）。在主控 圖3.18 74LS138引腳圖 電路和顯示電路中，和都選擇了接地，這樣，它們相或之后的電平始終為低，因此，只需考慮G1的電平就可判斷74LS138是否處于工作狀態(tài)。 如果一個(gè)設(shè)計(jì)電路中用到兩個(gè)或兩個(gè)以上的74LS138譯碼器時(shí)，必須要確保這多個(gè)譯碼器不會(huì)同時(shí)被選中而處于工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)解決方案如下：將兩個(gè)譯碼器的G1腳同接P2口中的引腳28（P2.7），其中顯示電路中