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

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)： _ 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） I 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)展了編輯鍵盤和母導(dǎo)線種類選擇開關(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） II 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） III 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 鍵盤及選擇開關(guān)電路的設(shè)計(jì) . 22 3.5.1 鍵盤及選擇開關(guān)接口芯片的選擇 . 22 3.5.2 鍵盤及選擇開關(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 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） IV 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 鍵盤掃描程序流程圖的設(shè)計(jì) . 32 4.2.1 手動(dòng)鍵盤掃描程序流程圖的設(shè)計(jì) . 32 4.2.2 編輯鍵盤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)論文光盤資料 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） 1 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） 2 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。 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） 3 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： 母導(dǎo)線內(nèi)各個(gè)導(dǎo)電片的電阻； 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。 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 微歐計(jì) 絕緣強(qiáng)度檢測(cè)儀 (a) (b) 1 2 3 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） 4 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 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。 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。 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） 5 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）。 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） 6 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) 開始 Y N Y N 母導(dǎo)線縱向到位？ 左、右端側(cè)向定位缸到位？ 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） 7 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 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 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） 8 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、鍵盤和選擇開關(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 。 圖 3.1 硬件系統(tǒng)組成框圖 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 母導(dǎo)線的種類選擇開關(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 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） 9 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、 PSEN 、 EA 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） PSEN （ 29 腳）：輸出外部程序存儲(chǔ)器（ ROM）的讀選通信號(hào)。 3） EA （ 31 腳）：當(dāng) EA 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) EA 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 EA 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 EA 腳的電平，復(fù)位結(jié)束以后 EA 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。 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） 10 （ 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 INT0 （外部中斷 0 請(qǐng)求輸入端，低電平有效） P3.3 INT1 （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 WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸入端，低電平有效） P3.7 RD （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?1”，通過(guò)編程器將程序代碼寫入后信息不會(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 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） 11 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） CE ：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。 4） OE ：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 CE (20) OE (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。 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） 12 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） CE ：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。 圖 3.4 6264 引腳圖 7） OE ：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效。 8） WR ：寫選通信號(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， CE =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 CE (20) CS (26) OE (22) WR (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 VIL VIH VIH VIL 數(shù)據(jù)輸入 寫 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。 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） 13 3） GND：接地。 4） VCC：電源端。 5） OE ：三態(tài)門使能端。 OE =0，三態(tài)門導(dǎo)通，允許 Q 端輸出； OE =1，三態(tài)門斷開，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，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。 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） 14 圖 3.6 CPU 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 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） 15 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） 1D8D: 信號(hào)輸入端。 2） 1Q8Q: 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） 16 示 X、 Y、 U、 V、 M、 N、 F