母線槽技術(shù)參數(shù)自動檢測線運動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、前 言隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，各行各業(yè)對電力需求量正逐步加大，使得社會上對電力傳輸?shù)目煽啃院桶踩蕴岢隽烁叩囊螅@極大地促進(jìn)了人們對于電力傳輸?shù)难芯?。而在遠(yuǎn)距離傳輸領(lǐng)域，電纜能很好的滿足要求，但是在電纜橋架、高層建筑以及工廠的近距離電力傳輸領(lǐng)域，電纜無法發(fā)揮其特性。在這種形勢下，人們急需尋找一種替代產(chǎn)品，于是母線槽應(yīng)運而生。母線槽在高層建筑以及工廠近距離電力傳輸領(lǐng)域中作為供電主干線，而高層建筑以及工廠與人們的生活密切相關(guān)，母線槽的作用就好似人體的大動脈，一旦出現(xiàn)故障將會造成嚴(yán)重的后果。因此，生產(chǎn)、建設(shè)及科研單位一直在為提高母線槽的可靠性做出努力。這就要求有可靠的檢測母線槽技術(shù)參數(shù)的技術(shù)。目前的

2、母線槽技術(shù)參數(shù)檢測，主要還是靠手工操作。檢測員手工操作，不僅會帶來操作誤差和漏測，另外測母線槽絕緣強(qiáng)度時需要高壓（2000V），對檢測員的人身安全無疑也是個很大的威脅。我選擇的課題母線槽技術(shù)參數(shù)自動檢測線運動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計，就是設(shè)計一種自動檢測裝置來代替手工檢測，降低工人勞動強(qiáng)度，提高安全性和可靠性。這個課題不僅是針對當(dāng)前母線槽檢測技術(shù)的研究，而且這個課題還需應(yīng)用單片機(jī)，這與我將來所從事的工作以及我的未來的事業(yè)發(fā)展方向是相一致的，我相信認(rèn)真的做這個課題將會使我在單片機(jī)方面受益匪淺。這個設(shè)計課題最重要的就是能夠熟練運用單片機(jī)，在搜集資料時，我主要搜集的就是單片機(jī)方面的書籍，以及關(guān)于畫PCB圖

3、的指導(dǎo)書。另外還訪問了 網(wǎng)站中有關(guān)于各種單片機(jī)芯片的詳細(xì)介紹，讓我收獲很大。母線槽技術(shù)參數(shù)檢測系統(tǒng)包括控制電路部分和氣壓傳動部分，我所負(fù)責(zé)設(shè)計的是母線槽技術(shù)參數(shù)檢測系統(tǒng)的控制電路部分，氣壓傳動部分則由潘彩霞同學(xué)負(fù)責(zé)。由于控制系統(tǒng)設(shè)計工作量較大，在設(shè)計時間內(nèi)，根據(jù)任務(wù)要求，完成了電路原理圖設(shè)計和PCB圖的繪制，剩余工作（制板，軟件設(shè)計，調(diào)試）可由其他人接著完成。 第一章 概 述1.1 母線槽簡介母線槽是一種新型的輸配電設(shè)備，是替代傳統(tǒng)的電纜和電纜橋架輸配電系統(tǒng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品,尤其在大電流輸送電方面母線槽居于主導(dǎo)地位， 母線槽輸電能力在200A5000A, 它是由許多個直線單元和若干個彎曲單元連接

4、起來的，它的外形如圖1-1所示。母線槽結(jié)構(gòu)大體是：有一層外殼，內(nèi)部有導(dǎo)電材料和絕緣材料，其中導(dǎo)電材料是分層的，每一片導(dǎo)電材料之間以及每一層導(dǎo)電材料之間都填充了絕緣材料。而不同的場合對于母線槽內(nèi)部填充的絕緣材料的絕緣強(qiáng)度以及導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性都有不同的 圖1-1AMC鋁殼母線槽要求，所以母線槽的制作材料會根據(jù)應(yīng)用場合的不同而有所不同。母線槽大體可以分為以下幾類：接線母線槽、高強(qiáng)型母線槽、高壓封閉母線槽、中低壓母線槽、封閉母線槽及空氣型母線槽等。母線槽雖然在目前的電傳輸領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但同樣也存在著一些缺陷，例如依靠螺釘聯(lián)接的部位過多，安裝施工復(fù)雜；同時維護(hù)量大、維護(hù)費用高。在運行過程中常遇到電磁振動

5、、熱脹冷縮、膨脹系數(shù)及外力等因素的影響，這些都會造成螺釘?shù)乃蓜?。如果一只螺釘出現(xiàn)松動，就會出現(xiàn)故障點發(fā)熱、高溫等現(xiàn)象，影響整條母線槽的運行穩(wěn)定性。尤其是對五線母線槽的不當(dāng)使用，還會造成PE線接觸電阻增大違反國家規(guī)定。但母線槽在大容量的情況下，還是存在著其自身的優(yōu)勢的。因為當(dāng)電流達(dá)到數(shù)千安培時，如果采用電纜，即使是單芯電纜也要多根進(jìn)行敷設(shè)，否則達(dá)不到相應(yīng)的大電流容量，此時母線槽就體現(xiàn)出自身的優(yōu)勢。1.2 母線槽技術(shù)參數(shù)檢測系統(tǒng)檢測的內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計中所設(shè)計的母線槽技術(shù)參數(shù)檢測儀主要用于檢測母線槽內(nèi)部導(dǎo)電部分的電阻以及導(dǎo)電體之間絕緣材料的絕緣強(qiáng)度。母線槽內(nèi)部一般用銅片作為導(dǎo)體。銅片的電阻是影響母線

6、槽導(dǎo)電能力的重要因素。電阻越大，母線槽在電傳輸過程中消耗就會越大，傳輸?shù)男示蜁降?。母線槽作為導(dǎo)線，知道其內(nèi)部導(dǎo)電體的電阻是非常必要的。而母線槽內(nèi)部導(dǎo)電體之間的絕緣填充物的絕緣強(qiáng)度則是影響安全性的重要因素。但是并不是說母線槽內(nèi)導(dǎo)電體的導(dǎo)電能力越小越好，絕緣填充物的絕緣強(qiáng)度越大越好。由于受到成本因素的限制，母線槽制造商必須制造出適合不同場合應(yīng)用的母線槽，這就需要準(zhǔn)確知道母線槽的兩個參數(shù)指標(biāo)。母線槽技術(shù)參數(shù)檢測過程如圖1-2所示。絕緣強(qiáng)度檢測儀（a）微歐計（b）(a) 檢測絕緣強(qiáng)度 (b) 檢測電阻 圖1-2參數(shù)檢測示意圖2311-母線槽 2-檢測頭 3-氣缸無論母線槽是幾層幾排，其檢測過程都是

7、一樣的。在檢測絕緣強(qiáng)度時，其中一個檢測頭固定于第一片導(dǎo)電片上，另外一個檢測頭從第二片導(dǎo)電片開始按照次序依次移動到各片導(dǎo)電片上。如此類推，對母線槽內(nèi)部導(dǎo)電片之間絕緣強(qiáng)度進(jìn)行兩兩檢測。在移動到每一片導(dǎo)電片上時，絕緣強(qiáng)度檢測儀會檢測出兩個檢測頭所檢測的兩片導(dǎo)電片之間的絕緣強(qiáng)度。檢測導(dǎo)電片電阻則比檢測絕緣強(qiáng)度簡單的多，只要控制兩個檢測頭同時移動到同一片導(dǎo)電片的兩端，微歐計即可測出此導(dǎo)電片的電阻。測得的導(dǎo)電片電阻和絕緣強(qiáng)度自動傳送到上位機(jī)。1.3 母線槽技術(shù)參數(shù)檢測系統(tǒng)的組成母線槽技術(shù)參數(shù)檢測系統(tǒng)組成如圖1-3所示，它的具體工作過程是：上位機(jī)發(fā)送啟動信號，運動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)（以下簡稱下位機(jī)）開始工作。下位

8、機(jī)利用控制氣壓傳動系統(tǒng)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)完成對母線槽的定位及測量頭的移動，測出母線槽內(nèi)導(dǎo)電片電阻以及導(dǎo)電片之間絕緣材料的絕緣強(qiáng)度，并把檢測結(jié)果傳送給上位機(jī)。上位機(jī)接收到檢測完畢的信號后，根據(jù)檢測結(jié)果判斷母線槽是否合格，若是合格產(chǎn)品，則發(fā)送信號給打印機(jī)，然后打印出所檢測的母線槽的條碼。上位機(jī)接收到打印機(jī)發(fā)送來的條碼打印完畢的信號后，發(fā)送信號給貼標(biāo)機(jī)，控制貼標(biāo)機(jī)把打印出來的條碼貼到母線槽上。貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)完畢后發(fā)送信號給上位機(jī)，上位機(jī)接著發(fā)送信號給下位機(jī)，由下位機(jī)控制完成對母線槽進(jìn)行包裝。打印機(jī)上位機(jī)貼標(biāo)機(jī)運動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)（下位機(jī)）測試系統(tǒng)母線槽包裝機(jī)構(gòu)定位機(jī)構(gòu)測試臺母線槽輔助動作控制電路輔助動作執(zhí)

9、行機(jī)構(gòu)（氣壓傳動）功率放大系統(tǒng)運動驅(qū)動機(jī)構(gòu)圖1-3母線槽技術(shù)參數(shù)自動檢測系統(tǒng)圖我在本次設(shè)計中所負(fù)責(zé)設(shè)計的是下位機(jī)中的控制電路部分。下位機(jī)的控制對象有：母線槽傳送電機(jī)、檢測臺傳送電機(jī)以及包裝臺傳送電機(jī)，檢測頭的電機(jī)，各處的定位氣缸，以及向上位機(jī)發(fā)送信號控制貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)。檢測臺及包裝臺如圖1-4所示。 圖1-4檢測及包裝臺示意圖1-檢測平臺 2-母線槽 3-檢測縱向定位缸 4-檢測平臺移送電機(jī) 5-包裝平臺6-包裝臺縱向定位缸 7、9-母線槽包裝上升缸 8-包裝臺移送電機(jī) 10、27-縱向到位檢測傳感器 11、26-左右端側(cè)向定位滑臺 12、25-右端測量頭驅(qū)動氣缸 13、24-X軸及U軸滑臺 1

10、4、23-X軸及U軸步進(jìn)電機(jī) 15、22-左右端側(cè)向定缸16、21-左右端垂直升降臺 17、19-Y軸及V軸步進(jìn)電機(jī) 18、20-左右端移動立柱下位機(jī)的主要工作過程流程如圖1-5所示。檢測平臺傳送電機(jī)啟動檢測臺母線槽縱向定位缸升起母線槽傳送電機(jī)停止左端側(cè)向定位缸啟動右端側(cè)向定位缸啟動連接絕緣強(qiáng)度檢測儀兩檢測頭移動檢測并將檢測結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)檢測完后回起點連接檢測電阻的微歐計兩檢測頭移動檢測并將檢測結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)開始Y左、右端側(cè)向定位缸到位？母線槽縱向到位？ANYN 兩個檢測頭回原點前后檢測頭側(cè)向定位缸退回檢測臺縱向定位缸退回檢測臺傳送電機(jī)啟動包裝臺傳送電機(jī)啟動包裝臺縱向定位缸升起母線槽離開檢

11、測臺后檢測臺電機(jī)停轉(zhuǎn)母線槽到達(dá)包裝臺后包裝臺電機(jī)停轉(zhuǎn)發(fā)信給上位機(jī)啟動貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)貼標(biāo)結(jié)束后，包裝氣缸升起延時，包裝定位缸退回包裝缸退回結(jié) 束A圖1-5下位機(jī)的工作過程第二章 運動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)控制電路設(shè)計2.1 運動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)控制電路總體設(shè)計在本次設(shè)計中，我設(shè)計的是下位機(jī)的控制電路部分。運動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)（下位機(jī)）控制電路的主要組成部分有：CPU8031、片外程序存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器、LED顯示電路、用于擴(kuò)展I/O口的8255、控制步進(jìn)電機(jī)的光電耦合電路、輸入輸出光電耦合電路、選擇開關(guān)以及用8155擴(kuò)展出的鍵盤組成。其組成框圖如圖2-1所示。8031CPUROMLED顯示RAM8155鍵盤PA母

12、線槽種類選擇開關(guān)工作方式選擇開關(guān)825574LS273X、Y、U、V軸電機(jī)的光電耦合電路輸入信號光電耦合電路輸出信號光電耦合電路 圖2-1控制系統(tǒng)硬件組成框圖我的具體設(shè)計思路是：采用8031作為CPU，外擴(kuò)8K的程序存儲器和4K的數(shù)據(jù)存儲器。其中8K的程序存儲器用2764芯片進(jìn)行擴(kuò)展，4K的數(shù)據(jù)存儲器用6264（空掉一條地址線）芯片進(jìn)行擴(kuò)展。步進(jìn)電機(jī)的輸出信號口用74LS273鎖存器輸出。I/O口用8255擴(kuò)展，所有的按鍵皆用8155擴(kuò)展成行列式鍵盤，它們的各種功能用軟件進(jìn)行定義。這些鍵有控制四個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給的八個手動按鍵以及八個控制氣缸升降的手動按鍵，另外還有編輯鍵盤二十個。6位LED靜態(tài)顯

13、示用于顯示編輯的內(nèi)容。2.2 單片機(jī)的選擇及存儲器的擴(kuò)展本節(jié)主要介紹了本次設(shè)計中所選用的CPU以及用于擴(kuò)展片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的芯片。本設(shè)計中，我選擇8031作為本次設(shè)計中的CPU。同時，選擇的程序存儲器是2764A，數(shù)據(jù)存儲器是6264。下面就8031、2764以及6264三種芯片的結(jié)構(gòu)性能、特點以及本設(shè)計的存儲器擴(kuò)展電路作一些介紹。2.2.1 單片機(jī)的選擇在大學(xué)期間接觸最多的單片機(jī)就是8031和8051。8051有內(nèi)部程序存儲器，但是其存儲空間比較小，不能滿足本設(shè)計的要求，同時相對于8031來講，8051的價格比較高，并且8031現(xiàn)在用的比較廣泛，因此本設(shè)計中，我選擇8031作為CP

14、U。下面就是關(guān)于8031的簡單介紹。1. 管腳功能8031為40引腳芯片。其引腳如圖2-2所示。它的引腳功能可以分為三部分：（1）I/O口線 P0、P1、P2、P3共四個八位口，其中P3口可作為第二功能口。（2）控制口線 PSEN（片外取指控制）、ALE（地址鎖存控制）、(片外存儲器選擇)、RESET(復(fù)位控制)。（3）電源及時鐘 Vcc、Vbb；X1、X2。 2. 8031的各個引腳介紹（1）時鐘電路引腳X1 (19腳)和X2（18腳） X2接外部晶體和微調(diào)電容的一端，即把外部振蕩器的信號直接連接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，振蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。X1接外部晶體和微調(diào)電容的另外一端，

15、在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部 圖2-28031單片機(jī)管腳圖時鐘電路時，該引腳必須接地。（2）ALE/（30腳） 地址鎖存允許信號端。當(dāng)CPU訪問外部存儲器的時候，ALE（允許地址鎖存）的輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。（3）PSEN （29腳） 此腳輸出外部程序存儲器的讀選通信號，在CPU訪問外部存儲器時，此端定時輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。（4）/Vpp（31腳） 外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。8031沒有內(nèi)部程序存儲器，所以腳必須常接地。（5）RESET/Vpd（9腳） 是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持兩個機(jī)器周期（24個

16、時鐘振蕩周期）的高電平時，就可以完成復(fù)位操作。（6）輸入/輸出（I/O） 引腳P0、P1、P2、P3（共是32根）1）P0口（P0.0P0.7，32腳39腳） 是一個雙向8位三態(tài)I/O口。當(dāng)其作為輸入口使用時，應(yīng)該先向口鎖存器寫入全1，此時P0口的全部引腳浮空，可以作為高阻抗輸入。作為輸入口使用時，要先寫1，這就是準(zhǔn)雙向的含義。在CPU8031訪問片外EPROM或RAM時，P0口是分時提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線，在此期間P0口內(nèi)部上拉電阻有效。2）P1口（P1.0P1.7，1腳8腳） 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的

17、I/O口。在P1口作為輸入口使用時應(yīng)先向P1口鎖存器寫入全1，此時P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。3）P2口（P2.0P2.7，21腳28腳） 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。訪問外部存儲器時，可以作為高八位地址總線送出高八位地址。4）P3口（P3.0P3.7，10腳17腳） 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，在8031中，這8個腳除了用于普通的輸入、輸出外，還可以用于專門的功能，它是一個復(fù)用雙功能口。P3口作為第一功能使用時，即作為普通I/O口用，功能和操作方法與P1口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定義見表2-1。P3口的每一條引腳均可以定義為第一功能的輸出輸入或

18、是第二功能。表2-1P3口的第二功能表引 腳第二功能P3.0RXD（串行口輸入端）P3.1TXD （串行口輸出端）（續(xù)）引腳第二功能P3.2（外部中斷0請求輸入端，低電平有效）P3.3（外部中斷1請求輸入端，低電平有效）P3.4T0（定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端）P3.5T1（定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）2.2.2 片外程序存儲器的選擇 在本次設(shè)計中需要外擴(kuò)8KB的程序存儲器，我選擇2764A用于擴(kuò)展片外存儲器。2764A是一種8K×8位的紫外線擦除電可編程只讀存儲器，

19、2764A為28腳雙列直插式封裝，其管腳圖如圖2-3所示。 1. 2764A的管腳介紹（1）A0A12 地址輸入線。（2）D0D7 三態(tài)數(shù)據(jù)總線，讀或者是編程檢驗時為數(shù)據(jù)輸出線，維持或者是編程禁止時，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，編程時為數(shù)據(jù)輸入線。 （3） 片選信號輸入線，“0”（低電平）有效。（4） 編程脈沖輸入線。（5） 讀選通信號輸入線，“0”（低電平）有效。（6）Vpp 編程電源輸入線，不同芯片型號 圖2-32764管腳圖及廠商生產(chǎn)的Vpp值不同。 （7）Vcc 主電源輸入線，Vcc一般為+5V。 （8）GND 線路接地的管腳。（9）NC 不做任何連接。2. 2764A芯片的工作方式選擇2764A的

20、工作方式選擇見表2-2。 表2-22764A的工作方式選擇 引腳操作方 式 （20）（22）（27）Vpp/V（1）Vcc/V（28）輸出（1113，151）讀VILVILVIH55DOUT維持VIH任意任意55高阻編程VILVIHVIL12.55DIN編程檢查VILVILVIH12.55DOUT編程禁止VIH任意任意12.55高阻 3. 2764A芯片的特性2764A是8K×8位EPROM器件，用以存放程序或者是常數(shù)。它有十三根地址線A12A0，能區(qū)分十三位二進(jìn)制地址信息。這十三根地址線分別與8031的P0口和P2.0P2.4連接，當(dāng)8031發(fā)送十三位地址信息時，可以分別選中276

21、4片內(nèi)8KB存儲器中任何一個單元。2764的引腳為片選信號輸入端，低電平有效。引腳接地表示選中該2764芯片。該片選信號決定了2764的8KB存儲器在整個8031擴(kuò)展程序存儲器64KB空間中的位置。2764的端由8031的引腳控制。在一個機(jī)器周期內(nèi)信號兩次有效。當(dāng)信號由高電平變成低電平時，允許2764輸出，將指定的2764存儲單元的內(nèi)容送到P0口，在的上升沿將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)CPU內(nèi)。2.2.3 片外數(shù)據(jù)存儲器芯片的選擇在本次設(shè)計中只需要擴(kuò)展4KB的數(shù)據(jù)存儲器，我所選用的是市場上比較容易購買到的靜態(tài)RAM6264。與動態(tài)RAM相比較，靜態(tài)RAM的優(yōu)點是：無須考慮為保持電路而設(shè)置的刷新電路，故擴(kuò)展

22、電路比較簡單；但是它也有缺點，就是由于靜態(tài)RAM是通過有源電路來保持存儲器中的數(shù)據(jù)的，因此要用后備電池保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器空間地址和外擴(kuò)程序存儲器一樣，由P2口提供高四位地址，P0口提供低八位地址。片外數(shù)據(jù)存儲器的讀和寫由8031的和信號控制。6264的管腳圖如圖2-4所示。1. 6264的管腳介紹 （1）A0A12 地址輸入線。 （2）D0D7 雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。（3） 片選信號輸入線，低電平有效。只有當(dāng)6264的26腳（CS2）為高電平時，且為低電平時才選中該片。（4） 寫允許信號輸入端，低電平有效。 （5）Vcc 工作電源，電壓為+5V 。 圖2-46264的管腳圖（6）GND

23、線路地。 2. 6264芯片的操作方式 6264芯片的操作方式見表2-3。表2-36264芯片的操作方式管腳操作方式（20）（26）（22）（27）IOIO(1113) （1519）未選中（掉電）V任意任意任意高阻未選中（掉電）任意V任意任意高阻輸出禁止VVVV高阻讀VVVVD寫VVVVD寫VVVVD3. 6264芯片的特性6264芯片是8K×8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲器芯片， 28線雙列直插式封裝。數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路與程序存儲器擴(kuò)展電路相似，所用的地址線與數(shù)據(jù)線是完全相同的。讀、寫控制線用、，但是它需要考慮與其它擴(kuò)充的統(tǒng)一編址以及片選端能否直接接地等問題，若是片選端不可以直接接地，則要考慮

24、譯碼器的選擇和統(tǒng)一進(jìn)行片選問題。而在本次設(shè)計中，我選擇74LS138譯碼器。另外，存儲器低八位地址需要鎖存器。在本次設(shè)計中，我所選用于擴(kuò)展存儲器的地址鎖存器是74LS373。2.2.4 程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展在前面介紹各個芯片時，對各個芯片的管腳性能均作了介紹，所擴(kuò)展的電路圖的連線即是根據(jù)引腳特性進(jìn)行的。所得擴(kuò)展電路如圖2-5所示。圖2-5程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展電路另外由于外擴(kuò)了數(shù)據(jù)存儲器，為了防止發(fā)生緊急情況時的數(shù)據(jù)丟失，本電路中設(shè)計了掉電保護(hù)，電路的具體接法見圖2-5。 本設(shè)計需要譯碼器。在這里我所選用的譯碼器是74LS138。74LS138的管腳圖如圖2-6所示。表2-4是7

25、4LS138譯碼器的功能表。表2-474LS138譯碼器的功能表輸入輸出選中的芯片號賦能選擇Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7G C B A× H× × ×H H H H H H H H無L ××× ×H H H H H H H H無H LL L LL H H H H H H H0#H LL L HH L H H H H H H1#H LL H LH H L H H H H H2#H LL H HH H H L H H H H3#H LH L LH H H H L H H H4#H LH L HH H

26、H H H L H H5#H LH H LH H H H H H L H6#H LH H HH H H H H H H L7#備注：表格中的=G+G 由74LS138的功能表，我們可以發(fā)現(xiàn)只有在G高電平而低電平時，74LS138譯碼器才處于工作狀態(tài)。而譯碼器究竟選擇哪個端口上的芯片，則是由CPU輸出給譯碼器的A、B、C三個管腳上的信號決定的。A、B、C這三個管腳可以接CPU的P2口上的任意三個管腳。在本次設(shè)計中，C、B、A三個管腳分別接在8031的P2口上的A14、A13、A12管腳上。由上述擴(kuò)展電路，我們可以得出這次設(shè)計中所擴(kuò)展的片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的地址 圖2-674LS138的

27、管腳圖范圍。具體確定方法如下：（1）程序存儲器地址范圍的確定 在這次設(shè)計中，所選用于擴(kuò)展片外程序存儲器的是8K×8的2764芯片。因為1KB=1024B，所以8KB=2×2B=2B，即2764需要外接13根地址線。即CPU8031的P0口的A0A7和P2口的A8A12按照次序接到2764的A0A12管腳上，因此，地址范圍確定如表2-5所示。表2-5程序存儲器2764的地址范圍A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0地址范圍0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00000H0 0 0 0

28、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10001H . 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 01FFEH0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11FFFH由表中我們可以知道在本次設(shè)計中，2764可以提供的選址范圍是0000H1FFFH。（2）數(shù)據(jù)存儲器地址范圍的確定 由于在本次設(shè)計電路中只需要擴(kuò)展4KB的片外數(shù)據(jù)存儲器，所以在設(shè)計電路時，我只選用了6264芯片的A0A11地址管腳。另外，由于6264芯片的片選端接在譯碼器U18（如圖2-5）的Y4端口上，因此對應(yīng)Y4輸出的譯碼信號A12、A13及A14為001。再有譯碼器U18的G端口接在CP

29、U的A15口上，根據(jù)74LS138的工作特性可知只有當(dāng)CPU的A15腳送給G端口信號固定為高電平“1”時，此譯碼器才可以被選中工作。由上可得6264的地址范圍見表2-6。表2-6數(shù)據(jù)存儲器6264的地址范圍A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0地址范圍1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0C000H1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1C001H . 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0CFFEH1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

30、 1CFFFH由表中我們可以知道在本次設(shè)計中，6264芯片可以提供的片外數(shù)據(jù)存儲器選址范圍是C000HCFFFH。2.3 顯示電路的設(shè)計本次設(shè)計中，我選擇LED設(shè)計顯示電路。且應(yīng)用的LED顯示方式是靜態(tài)顯示。靜態(tài)顯示需要鎖存器，我所選用的鎖存器是74LS273，下面做分別介紹。2.3.1 鎖存器74LS27374LS273是單片集成正沿觸發(fā)的觸發(fā)器，它用直接清零輸入執(zhí)行D型觸發(fā)器的邏輯功能。符合建立時間要求的D輸入端上的信息，在時鐘脈沖的正躍變沿上傳到Q端輸出端。時鐘的觸發(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間有關(guān)，當(dāng)時鐘輸入處于高電平或者處于低電平時，D端輸入的信號在輸出端沒有影

31、響。它的主要特點是：1）含有單向輸出的8個觸發(fā)器。2）緩沖的時鐘輸入和直接的清零輸入。3）每個觸發(fā)器有單獨的數(shù)據(jù)輸入。74LS273的管腳圖如圖2-7所示。其中74LS273的管腳功能是：1）D1D8 信號輸入端。2）Q1Q8 信號輸出端。 3）CLK 時鐘信號輸入端。 圖2-774LS273的管腳圖 4）CLR 清零端。 2.3.2 LED顯示電路設(shè)計 LED顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種形式。動態(tài)顯示是將所有位的段選碼并聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，而共陰極或共陽極點分別由相應(yīng)的I/O口線控制。這種顯示方式只需要兩個8位I/O口。其中一個控制段選碼，另外一個控制位選碼。在這種顯示方式的顯

32、示過程中，所需顯示的字段斷續(xù)通以電流，在需要多個字符同時顯示時，可以輪流給每一個字符通以電流，逐次把所需顯示的字符顯示出來。動態(tài)顯示的基本原理是：單片機(jī)依次發(fā)出段選控制字和對應(yīng)哪一位LED顯示器的位選控制信號，顯示器逐個循環(huán)點亮。適當(dāng)選擇掃描速度，利用人眼“留光”效應(yīng)，使得看上去好像這幾位顯示器在同時顯示一樣，而在動態(tài)掃描顯示控制中，同一個時刻，實際上只有一位LED被點亮。這種顯示方式可以簡化電路，降低成本。 靜態(tài)顯示則是所有的共陰極或共陽極點連接在一起接地或接+5V，每位的段選線分別與一個8位鎖存器的輸出口相連，顯示器中的各位相互獨立，因此在同一個時間里，每一位顯示的字符可以各不相同，而且各

33、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，管理也比較簡單，但是它占用的I/O口線資源比較多。本次設(shè)計所選為靜態(tài)顯示，共六個顯示位。其中一位十六段的“米”字形的LED用于顯示字母，其余的五位七段LED，其中的第一位用于顯示負(fù)號，表示四個電機(jī)的負(fù)方向進(jìn)給，其后三位用于顯示電機(jī)位移量的整數(shù)部分以及小數(shù)點，最后一位用于顯示電機(jī)位移量的小數(shù)部分。下面將對這兩種LED顯示器作分別的介紹。1. 十六段“米”字形LED十六段LED顯示的管腳配置外形圖如圖2-8所示： 本設(shè)計采用共陰極

34、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，該段筆畫的二極管就亮，不加電壓時則是暗的。在設(shè)計過程中，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。十六段發(fā)光二極管構(gòu)成“米”字形的LED顯示，它不僅可以顯示09十個數(shù)字，也可以顯示英文字母。而在本次設(shè)計中只需要顯示X、Y、U、V、N、M、T共七個字母，顯示字形編碼見表2-7。 圖2-8十六段LED管腳表2-7共陰極十六段LED顯示字形編碼表 顯示字符各段發(fā)光二極管上的電平共陰極段選碼N M L K J I H G F E D2 D1 C B A2 A1U0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0

35、000FCHV0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01400HX1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0B400HY0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 05400HM0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 01484H （續(xù)）N1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 05400HT0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 14803H2. 七段LED顯示七段LED顯示器是由8個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)在某段發(fā)光二極管上施加一定的正向電壓時，該段筆畫的二極管就亮，不加電壓時

36、則是暗的。在設(shè)計過程中，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。共陰極七段LED顯示字形編碼表如表2-8所示。 圖2-9七段LED顯示 管腳配置外形圖 表2-8共陰極七段LED顯示字形編碼表顯示字符各段發(fā)光二極管上的電平共陰極段選碼dp g f e d c b a00 0 1 1 1 1 1 1 3FH10 0 0 0 0 1 1 006H20 1 0 1 1 0 1 15BH30 0 1 0 1 1 1 14FH40 1 1 0 0 1 1 066H50 1 1 0 1 1 0 16DH60 1 1 1 1 1 0 17DH70 0 0 0 0 1 1 107H80

37、1 1 1 1 1 1 17FH90 1 1 0 1 1 1 16FH由上面講述的兩種LED特性，設(shè)計的LED顯示電路塊如圖2-10所示。 圖2-10LED顯示電路3. 各個LED顯示入口地址的確定在顯示電路里，6位LED共用一片譯碼器。前面講述的擴(kuò)展電路同樣也需要一個譯碼器。如果一個設(shè)計電路中用到多個譯碼器時，必須要確保這多個譯碼器不會同時處于工作狀態(tài)。在這里我區(qū)分兩片譯碼器是根據(jù)譯碼器必須在G口為高電平時方可工作的特性進(jìn)行的。具體方法是：將8031的A15口同時接在兩片譯碼器的G端，所不同的是在A15口與控制顯示電路的譯碼器的G端之間接上了一個非門（圖2-10）。也就是說將A15口的信號同

38、時送給兩片譯碼器，由于控制顯示電路的譯碼器的G端被接上了一個非門，所以兩片譯碼器的G端接收到的總是相反的信號，就可以確保兩片芯片不會同時被選中。8031的A15腳經(jīng)過非門接至LED顯示電路譯碼器的引腳。而由前面譯碼器的知識介紹我們可以知道譯碼器只有在為高電平時，才可能正常工作，因此當(dāng)顯示電路工作時，A15腳必須恒為低電平。而在本設(shè)計中，雖然只有六位LED，但由于有一位十六段的LED，所以一共需要七個鎖存器，這七個所存器就需要七個位選信號，而這七個位選信號就是顯示電路譯碼器譯碼輸出的信號與8031的相或得到的（圖2-10）。由分析過程，我們可以分別確定七片鎖存器的片選信號如下：（1）鎖存器U10

39、由于此芯片的片選端接在74LS138（U17）的第14號引腳Y1上，因此CBA=001,又因為A15恒為低電平，因此 可以確定此芯片的片選信號為：1000H。（2）鎖存器U11由于此芯片的片選端接在74LS138（U17）的第15號引腳Y0上，因此CBA=000，又因為A15恒為低電平，因此 可以確定此芯片的片選信號為：0000H。（3）鎖存器U12由于此芯片的片選端接在74LS138（U17）的第7號引腳Y7上，因此CBA=111，又因為A15恒為低電平，因此 可以確定此芯片的片選信號為：7000H。（4）鎖存器U13由于此芯片的片選端接在74LS138（U17）的第9號引腳Y6，因此CBA

40、=110，又因為A15恒為低電平，因此可以確定此芯片的片選信號為：6000H。（5）鎖存器U14由于此芯片的片選端接在74LS138（U17）的第10號引腳Y5，因此CBA=101，又因為A15恒為低電平，因此可以確定此芯片的片選信號為：5000H。（6）鎖存器U15由于此芯片的片選端接在74LS138（U17）的第11號引腳Y4，因此CBA=100，又因為A15恒為低電平，因此可以確定此芯片的片選信號為：4000H。（7）鎖存器U16由于此芯片的片選端接在74LS138（U17）的第12號引腳Y3上，因此CBA=011，又因為A15恒為低電平，因此可以確定此芯片的片選信號為：3000H。2.

41、4 鍵盤擴(kuò)展電路及鍵盤掃描程序的設(shè)計由于本課題所需要的按鈕比較多，而I/O口有限，因此除了CPU復(fù)位和急停是獨立式按鍵，其他的都被擴(kuò)展為行列式鍵盤。并且在本次設(shè)計中，我選擇8155擴(kuò)展這些按鍵。2.4.1 鍵盤接口芯片的選擇8155芯片的管腳圖如圖2-11。 1. 8155芯片的管腳（1）D0AD7雙向地址/數(shù)據(jù)總線。（2）LE在ALE的下降沿將AD0AD7上的低八位地址以及RAM/IO口選擇信息鎖存。（3）IO/RAM/IO選擇：IO/=0，單片機(jī)選擇8155中的RAM讀寫，AD0AD7上的地址為RAM單元地址； IO/=1，選擇8155的寄存器或者是端口。（4）片選信號，低電平有效。 圖2

42、-118155芯片的管腳圖（5）讀、寫控制輸入線，低電平有效。（6）RESET 輸入一個大于600ns的正脈沖時，8155總清零，各個I/O口定義為輸入方式。（7）PA0PA7 A口I/O數(shù)據(jù)傳送。（8）PB0PB7 B口/O數(shù)據(jù)傳送。（9）PC0PC7 C口I/O數(shù)據(jù)傳送或是A、B口選通方式時傳送命令狀態(tài)信息。（10）T0、T1 14位計數(shù)器輸入、輸出。（11）Vcc、Vss +5V電源和接地。2. 8155作為擴(kuò)展I/O口使用時的性質(zhì)當(dāng)8155作為擴(kuò)展I/O口使用時，IO/須接高電平，PA、PB、PC口地址低八位地址分別為01H、02H、03H（設(shè)地址無關(guān)位為零時）。8155片內(nèi)有鎖存器，

43、所以P0口輸出的低八位地址無需外加鎖存器，而直接與CPU8031的AD0AD7相連，既作為低八位地址總線，又作為數(shù)據(jù)總線。地址直接用ALE在8155中鎖存，高八位地址有和IO/地址控制線決定。8155的I/O口工作方式選擇是通過對8155內(nèi)部命令寄存器設(shè)定命令字格式來實現(xiàn)的，命令寄存器低八位地址為00H。下面是對8155的I/O口的工作方式選擇介紹。（1）基本I/O工作方式 當(dāng)8155被編程作ALT1、ALT2時A、B、C三口均作為基本輸入輸出方式，用命令寄存器D0、D1選定A口和B口作為輸入還是輸出工作方式，由D2、D3選定C口作為輸入還輸出方式。（2）選通I/O方式 8155編程為ALT3

44、時，A口定義為選通I/O，B口定義為基本I/O，編程為ALT4時，A口和B口均為選通I/O方式。選通輸入/輸出方式下，在輸入操作時，是外設(shè)送來的選通信號。當(dāng)有效后（低電平），把輸入的數(shù)據(jù)裝入8155，然后BF信號變高，以反映8155的緩沖器已經(jīng)滿了。在信號恢復(fù)為高電平時，INTR信號變高，向CPU申請中斷，當(dāng)CPU開始讀取輸入數(shù)據(jù)（信號下降沿）時，INTR信號恢復(fù)低電平，讀取數(shù)據(jù)完畢（信號上升沿），使BF信號恢復(fù)低電平，一次數(shù)據(jù)輸入結(jié)束。而在輸出操作時，是外設(shè)的應(yīng)答信號，當(dāng)外設(shè)接受并處理完數(shù)據(jù)后，發(fā)出負(fù)脈沖，在高電平時，使INTR有效，開始申請中斷，即要求CPU發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，CPU在中斷服務(wù)

45、中把數(shù)據(jù)寫到8155，并使BF變高，以通知外設(shè)可以開始接受和處理數(shù)據(jù)，外設(shè)處理完數(shù)據(jù)后，在以信號來應(yīng)答。（3）BF 緩沖器狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)輸出線，緩沖器有數(shù)據(jù)時，BF為高電平。（4） 設(shè)備選通信號線，低電平有效。2.4.2 鍵盤接口鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別是用專用硬件譯碼器實現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編號和鍵值的稱之為編碼鍵盤。非編碼鍵盤則是由軟件識別的鍵盤。鍵盤的掃描方式主要有三種：編程掃描方式、定時掃描方式、中斷掃描方式。在本設(shè)計中，我所用的是編程掃描方式。編程掃描方式即是查詢方式，就是在主程序中用一段專門的掃描和讀鍵程序來檢查有沒有鍵按下，并確定鍵值。在手動按鍵的過程中一般會產(chǎn)生鍵抖動

46、，此抖動可用硬件和軟件兩種方法消除。鍵數(shù)比較少時，可以用硬件方法消除鍵抖動。鍵數(shù)比較多時，用軟件去抖動方式。即在檢測出有鍵閉合后，執(zhí)行一個延時程序，讓前沿抖動消失后再一次檢測鍵的狀態(tài)，如果仍然保持閉合狀態(tài)的電平，則確認(rèn)為真正有鍵按下；當(dāng)檢測到按鍵釋放后，也要給5ms10ms的延時，待后沿抖動消失后才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。鍵盤的結(jié)構(gòu)分為獨立連接式和行列式（矩陣式）鍵盤，每一種鍵盤的譯碼方式又可以分為編碼方式和非編碼方式兩種類型。1. 行列式鍵盤介紹在本設(shè)計中，需要設(shè)計的按鍵有：09十個數(shù)字，四個步進(jìn)電機(jī)的四個坐標(biāo)方向代號：X、Y、U、V，另外還有輸入程序時所需要的字母：M、N、T、空格鍵、刪除鍵

47、、ENTER鍵、手動控制八個氣缸的按鍵以及手動控制四個步進(jìn)電機(jī)按鍵。在這個設(shè)計中，我把所有這些按鍵都設(shè)計在一個行列式鍵盤里，然后通過軟件對各個鍵的功能進(jìn)行定義。另外，由于要求設(shè)計的控制機(jī)適用于檢測以下幾種母線槽的：一列三排、一列四排、一列五排、兩列三排、兩列四排、兩列五排（此處的排和列是指母線槽內(nèi)導(dǎo)電體的排數(shù)和列數(shù)），因此在設(shè)計中對檢測部分的動作程序，是采用固化方式存在片外程序存儲器里的，這就需要在檢測過程中人為的根據(jù)母線槽的種類選擇程序進(jìn)行檢測。在這里我設(shè)計了撥碼開關(guān)用于人工選擇程序。這些按鍵以及選擇開關(guān)設(shè)計出的行列式鍵盤如圖2-12。2. 8155入口地址的確定8155的片選端接在譯碼器U

48、18（附錄一）的Y7端口上，所以CBA=111,又因為8155的IO/接在8031的A8口，因此對于8155而言，A8=1，因此8155的片選入口地址為F100H，A口為F101H，B口為F102H，C口為F103H。 圖2-12行列式鍵盤及選擇開關(guān)2.5 I/O接口電路設(shè)計在本次設(shè)計中，我所負(fù)責(zé)設(shè)計的是系統(tǒng)的下位機(jī)的控制電路部分。下位機(jī)的主要任務(wù)就是控制檢測頭檢測母線槽的技術(shù)參數(shù)。它的主要工作流程在第一章中已經(jīng)作了詳細(xì)的介紹。在檢測過程中，需要用 I/O口進(jìn)行信息的傳遞。 在本設(shè)計中，經(jīng)I/O口輸出信號的有：1）四個步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)脈沖信號。2）兩個傳送臺異步電機(jī)起停信號。3）八個電磁換向閥控

49、制信號。4）絕緣強(qiáng)度檢測儀和微歐計測量頭切換信號。需要經(jīng)I/O口輸入信號的有：1）兩個位置檢測信號。2）兩個壓力繼電器輸入信號。3）4個步進(jìn)電機(jī)正負(fù)超程信號。所有以上的這些I/O口，在本設(shè)計中，除了4個步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)脈沖信號用74LS273擴(kuò)展外，其他的輸入輸出接口都用8255進(jìn)行擴(kuò)展。2.5.1 8255芯片8255芯片的通用性比較強(qiáng)，可以通過編程靈活改變它的功能，在很多設(shè)計環(huán)境中，被用于擴(kuò)展并行I/O口。1. 芯片的管腳8255芯片的管腳圖如圖2-13。 8255芯片管腳功能如下：（1） PA0PA7，PB0PB7，PC0PC7三個均為獨立并行I/O端口，用于與外設(shè)傳遞數(shù)據(jù)信息、地址信息、

50、或狀態(tài)信息，A、B、C端口均為八位，都可以作為輸入/輸出端口，其中B、C兩個端口都是有一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，而A口則是包含一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器以及一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器。但是C口可以分為兩個四位端口：C口高四位端口和C口低四位端口，每個四位端口包含一個4位輸入緩沖器和一個4位輸出鎖存器/緩沖器。 圖2-13 8255芯片的管腳圖（2）片選信號，低電平有效，與系統(tǒng)高位地址的譯碼輸出連接，用于啟動CPU與8255之間的通信。（3）讀信號，低電平有效，與系統(tǒng)的端口讀信號連接，當(dāng)有效時，允許CPU從8255A的端口讀取信號或狀態(tài)字。（4）寫信號，低電平有效，與系統(tǒng)的端口寫信