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母线槽
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电路设计
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母线槽参数检测机构运动控制电路设计,母线槽,参数,检测,机构,运动,控制,电路设计
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摘 要本文根据自动检测母线槽导电片电阻及导电片之间的绝缘强度等技术参数的要求，设计了母线槽参数检测机控制系统（下位机）。本设计采用8031作为CPU，外扩程序存储器和数据存储器;I/O口用8255扩展，用来控制位置检测、压力继电器等信号的输入和异步电机起停、测量头切换等信号的输出;键盘及选择开关用8155扩展，步进电机脉冲信号经过锁存器输出；6位LED静态显示：其中一位16段的“米”字形的LED用于显示字母，其余五位七段LED用于显示数字。 母线槽主要技术参数自动检测时，下位机接受上位机发送的启动信号开始工作，控制检测台的传送装置和气压传动定位机构传送和定位母线槽。接着下位机通过运动机构控制检测系统导电片的电阻与导电片之间的绝缘强度，并显示控制轴的位移量。该控制系统硬件电路经进一步完善，结合控制软件，能够自动控制检测头的移动及检测，而整个控制系统还能自动控制母线槽的传送、定位、贴标、升降以及包装。整个控制系统的自动化程度高，避免了手动检测效率低、安全性差等缺点，在母线槽技术参数自动检测方面有一定的参考应用价值。关键词：母线槽；检测机构；控制系统；硬件电路ABSTRACTAccording to the requirements of automatically detecting the resistance of conducting plates and the insulation strength between them, this paper advances a design scheme for the control system of bus duct parameter detection machine (subordinate machine), and introduces the design process for the hardware circuit of control system in detail. This hardware circuit selects the singlechip 8031 of MCS-51 series as the CPU. It expands the program memory of 32K and data memory of 4K to storage the monitor program and correlational data, and designs a 6 bit LED static display circuit. Some I/O ports are expanded to control the input of position detection signal, pressure relay signal, etc; and they also control the output of start-up singal and stop signal for the asynchronous motor, switch signal for the detector, etc. At one time, the interface chip 8155 is selected to expand compilation keyboard and the kind option switch of bus duct. Otherwise, the flip-latch 74LS273 is selected to control the output pulse signal of pros and cons to turn for the 4 step motors. If this hardware circuit of control system is consummated, and is combined with control software, it can automatically control the movement and detection of detector. Moreover, the whole control system can automatically control the transmission, orientation, pasting mark, and package of the bus duct. So, the automation degree of the whole control system is high, and the disadvantages of low efficiency and bad security are avoided. There is some referenced and applied value in automatically detecting the bus duct parameter.Key words: bus duct; parameter detection machine; control system; hardware circuit58目 录第一章 绪 论11.1引言11.2母线槽简介11.3 母线槽参数检测机的检测内容21.4 母线槽参数检测机控制系统的组成及工作流程41.4.1 母线槽参数检测系统的组成41.4.2 母线槽参数检测系统的工作流程4第二章 母线槽参数检测机硬件电路设计82.1 母线槽参数检测机硬件系统组成方案的拟定82.2 CPU存储器扩展电路的设计92.2.1 CPU 的选择92.2.2 ROM 的选择102.2.3 RAM 的选择122.2.4 锁存器的选择142.2.5 CPU存储器扩展电路的设计142.3键盘及选择开关电路的设计152.3.1 键盘及选择开关接口芯片的选择152.3.2 键盘及选择开关电路182.4显示电路的设计192.4.1 锁存器的选择192.4.2 七段LED192.4.3 十六段“米”字形LED202.4.4 显示电路212.5 I/O接口电路的设计232.5.1 I/O接口芯片的选择232.5.2 I/O接口电路242.6 步进电机控制信号输出电路的设计262.7 译码电路的设计262.7.1 译码器的选择262.7.2 译码电路的组成292.7.3 地址分配302.8 母线槽参数检测机（下位机）硬件电路32第三章 母线槽参数检测机控制程序流程图设计333.1 主程序流程图的设计333.2 键盘扫描程序流程图的设计343.2.1 手动键盘扫描程序流程图的设计343.2.2 编辑键盘扫描程序流程图的设计38第四章 硬件电路原理图及PCB图的绘制434.1 Protel DXP的基础知识434.1.1 Protel DXP的基本操作434.1.2 电路原理图的设计步骤454.1.3 PCB图的设计步骤464.2电路原理图的绘制474.2.1 绘制原理图中的问题与解决474.2.2 各元器件的封装474.3 PCB图的绘制49第五章 结 论515.1 论文总结515.2 感想52致 谢53参考文献54附录A：英文资料55附录B：英文资料翻译61附录C：硬件设计原理图与PCB图66附件: 毕业论文光盘资料第一章 绪 论1.1 引言随着中国科技的不断发展，各行各业对电力资源的要求越来越高，而这无疑对电力传输提出了更高的要求。目前，在远距离电力传输方面，电缆的生产和应用已相当成熟，完全满足传输需求；而在近距离传输方面，电缆无法达到理想的传输效果，母线槽的出现恰巧能弥补这一漏洞。有关资料显示，2005年中国市场的母线槽产品总需求量已近100亿元，从20002005年，每年的市场增长率约为20%。据专家预测：随着中国经济的可持续蓬勃发展，国内母线槽市场预计在今后数年内将保持20%的持续增长。如此数量的市场需求，使母线槽产品得以迅速发展并在电力系统中广泛应用。随着母线槽产品的广泛应用，母线槽技术参数的检测问题也就随之产生。母线槽的主要技术参数是导线电阻和绝缘强度，对这两个参数的检测在国内还是由人工完成的，其自动检测技术在国内还是个空白。检测人员手动控制检测头去检测母线槽的导线电阻和绝缘强度，手动定位很容易带来由于定位不准而产生的操作误差，这与我们对母线槽技术参数准确性的要求是相冲突的。另外，在检测母线槽的绝缘强度时，需要对母线槽通以高压，这无疑会威胁到检测人员的人身安全。随着社会的不断发展，人工检测技术远远不能满足社会对生产率的要求，开发母线槽参数检测机，可以完成对母线槽主要技术参数的自动检测，这可以有效地提高检测的自动化程度，提高检测精度，保证检测人员的安全。1.2 母线槽简介 母线是一种可与几条电路分别连接的低阻抗导体，母线槽（Bus bar可称作汇流排）由绝缘材料包裹的几条并排母线加上金属外壳封装而成。母线槽系统是由各种母线槽单元首位链接并加上端接部分和附件组成的封闭式的输配电系统，它是一种新型的电力传输设备，传输的容量范围从25安培到7500安培，其功能类似于电缆，其构架及安装类似于空间管道系统，适用于各种高层建筑和工矿企业的输配电系统。组成母线槽系统的单元按照功能的不同可分为标准母线槽单元、特殊结构母线槽单元、特殊功能母线槽单元、端接部分和附件。标准母线槽是在母线槽系统中最常用的单元，承担主要的输配电任务，其中直线型母线槽根据需要可带有插孔，电流由此引出至用电设备；特殊结构的母线槽单元在走线现场遇到特殊情况下使用，主要绕过走线时所碰到的障碍物；特殊功能的母线槽单元包括伸缩节、膨胀节、变容节和分岔母线，对于母线槽系统有特殊的作用；附件用于母线槽系统的安装，固定作用，安装在开关柜上，终端套则是在各条母线槽分支的终端必须安装的单元，防止异物进入。特殊功能的母线单元在母线槽系统中的作用非常重要。变容节中的母排是有不同界面的母排焊接而成，电流经过变容节后，自动下降，不用再通过其他的变容手段，当需要变化电流等级时，直接用变容节来改变母线槽的电流等级即可；膨胀节内用软电缆代替母线，整个母线槽系统因电热的影响，木牌会产生伸缩现象，此时通过膨胀节中的软电缆的调节就能使系统避免遭破坏木牌如果哦连续50米以上不改变方向或没有分支，需要安装膨胀节；由于母线槽系统的测量和制造上存在误差，当系统较长是，会产生较大的积累误差，此时可以安装可调节母线槽，这种母线槽的长度可以在一定范围内调节来消除误差。特殊母线槽通常在大型工程中使用较多，以保证系统的安全经济可靠地运行。图1.1是母线槽系统的安装示意图，将始端箱接在开关柜上，电流由此引入，严格个输配电母线槽单元将电能输送到系统的各个部分，将连接有用电设备的插接箱插入母线槽上的插孔即可使用，各个母线槽单元之间的连接有对接式和插接式两种，通常用螺钉或链接铜排连接非常方便。母线槽的安装通常用托架、吊臂和弹簧支架作为支撑，为了便于安装，母线槽系统通常沿墙、柱子和屋顶走线，同时也占用较少的空间。 图1.1 母线槽系统的安装示意图母线槽系统的单元分类和功能见表1.11.3 母线槽参数检测机的检测内容母线槽参数检测机的主要检测内容为：母线槽内各个导电片的电阻；母线槽内导电片之间的绝缘强度。导电片电阻和导电片之间的绝缘强度是母线槽的主要技术参数。导电片电阻是影响母线槽导电能力的主要因素。我们都知道，导线电阻的增大，会增加电能在传输过程中的电损耗，而母线槽也是如此。另外，表1.1母线槽系统的单元分类和功能类别实例功能标准母线槽始端母线槽、直母线槽（可带插孔）、L型母线槽、T型母线槽、十字型母线槽输配电特殊结构Z型母线槽、LL型母线槽、ZL型母线槽、TL型母线槽、任意角度母线槽输配电，特殊情况下使用特殊功能的母线槽伸缩节、膨胀节、变容节、分岔母线完成温度调节、规格转换、误差补偿等特殊功能附件插接箱连接用电设备托臂、吊架、弹簧支架、螺钉系统的安装端接部分始端箱、终端套保护，结构上必须导电片之间的绝缘强度则是影响母线槽安全性能的主要因素。因此，检测母线槽这两个技术参数是十分重要的，这能帮助我们更加准确有效地把不同种类及型号的母线槽应用到最适合它们的场合。导电片电阻和绝缘强度两个参数的检测如图1.2所示，其中图(a)检测的是导电片电阻，图(b)检测的是导电片之间的绝缘强度。(b) 微欧计绝缘强度检测仪(a) 1231、检测头 2、气缸 3、母线槽 (a) 检测导线电阻 (b) 检测绝缘强度图1.2 母线槽参数检测示意图1.4 母线槽参数检测机控制系统的组成及工作流程1.4.1 母线槽参数检测系统的组成母线槽参数检测系统主要由上位机、运动机构控制系统（下位机）、贴标机、打印机、包装机构、检测机构、气压传动机构等部分组成，其中母线槽参数检测机的控制系统主要由控制电路和气压传动两部分组成。图1.3为母线槽参数检测系统的组成简图。上位机贴标机打印机测试系统功率放大系统辅助动作控制电路运动驱动机构辅助动作执行机构包装机构母线槽定位机构运动机构控制系统（下位机）检测台母线槽图1.3 母线槽参数检测系统的组成1.4.2 母线槽参数检测系统的工作流程母线槽参数检测机控制系统的下位机部分控制的信号有：检测台上的传送电机，一个纵向定位气缸，两个横向气缸和这两个气缸上的压力继电器；包装台上的传送电机，一个定位气缸，两个上升气缸；两个检测头的气缸；X、Y、U、V四轴的正反转； X、Y、U、V四个坐标方向的进给，X、Y、U、V的超程。检测台和包装台的传动机构如图1.4所示。1.检测平台 2.母线槽 3.检测纵向定位气缸 4.检测平台移送电机5.包装平台 6.包装台纵向定位气缸 7、9.母线槽包装台升降气缸8.包装台移送电机 10、27.纵向到位检测传感器11、26.左右端横向定位滑台 12、25.右端测量头驱动气缸13、24.X轴及U轴滑台 14、23.X轴及U轴步进电机15、22.左右端横向定位气缸 16、21.左右端垂直升降台17、19.Y轴及V轴步进电机 18、20.左右端移动立柱图1.4 检测台和包装台的传动机构示意图母线槽参数检测系统工作过程如下：上位机（PC机）发送启动信号给下位机，然后，下位机开始工作。下位机控制检测台传送装置和气压传动定位机构传送及定位母线槽。之后，下位机通过运动机构控制检测系统检测导电片的电阻以及导电片之间的绝缘强度，并把结果传送给上位机。上位机接受到检测完毕的信号后，根据检测结果判断母线槽是否合格，若合格，则发送信号给打印机，打印机打印出所测母线槽的条码。然后，上位机发送信号给贴标机，并控制贴标机把条码贴到母线槽上。贴标机贴标完毕后发送信号给上位机，上位机接着发送信号给下位机，由下位机控制完成对母线槽的包装。下面将按照前文叙述的工作过程给出母线槽参数检测机（下位机）控制系统的工作流程图（图1.5）。检测台母线槽传送电机启动检测台纵向定位缸升起检测台母线槽传送电机停止检测台左端侧向定位缸启动检测台右端侧向定位缸启动连接绝缘强度检测仪两检测头移动、定位、检测并将检测结果发送给上位机检测头检测完后回检测起点连接检测电阻的微欧计两检测头移动、定位、检测并将检测结果发送给上位机开始YNN母线槽纵向到位？左、右端侧向定位缸到位？检测头检测完后回检测原点检测台左、右端侧向定位缸退回检测台纵向定位缸退回检测台母线槽传送电机启动包装台母线槽传送电机启动包装台纵向定位缸升起母线槽离开检测台后检测台电机停转母线槽到达包装台后包装台电机停转发送信号给上位机，启动贴标机贴标贴标结束后，包装气缸升起延时，包装定位气缸退回包装气缸退回结 束图1.5 母线槽参数检测机控制系统（下位机）的工作流程第二章 母线槽参数检测机硬件电路设计2.1 母线槽参数检测机硬件系统组成方案的拟定母线槽参数检测机的控制电路主要有以下四部分组成：CPU存储器扩展电路、显示电路、信号输入/输出电路、键盘扩展电路。控制电路的大致设计思路如下：采用8031作为、外扩ROM（27256（32k8）和RAM（6264（8k8）、I/O口用8255扩展、步进电机控制信号经过74LS273锁存器后输出、键盘和选择开关用8155扩展、显示电路用6位LED静态显示：其中一位十六段的“米”字形的LED用于显示字母，其余的五位皆是七段LED。具体的电路设计将在后面作详细的介绍。母线槽参数检测机硬件系统组成方案如图2.1所示。8031CPU外扩ROM（27256）外扩RAM （6264）6位LED显示电路8155手动控制电路键 盘母导线的种类选择开关输出信号光电耦合电路 8255输入信号光电耦合电路控制X、Y、U、V轴电机正反转的光电耦合电路图2.1硬件系统组成框图 2.2 CPU存储器扩展电路的设计控制系统硬件电路的CPU存储器扩展电路部分：CPU采用8031、外扩程序存储器（ROM）采用27256（32k8）、外扩数据存储器（RAM）采用6264（8k8）、锁存器采用74LS373。本节主要对它们的引脚图、引脚功能及相关知识作了简单介绍。同时，给出了CPU存储器扩展电路。2.2.1 CPU 的选择单片机的种类繁多，常见的MCS-51系列单片机有8031和8051。虽然8051有内部ROM，但其容量只有4KB，存储空间较小，满足不了本次毕业设计的要求。另外，8031目前使用比较广泛，且8051与8031相比价格偏高，所以在本次设计中，控制系统硬件电路的CPU选择用8031。8031是MCS-51系列单片机的典型产品，采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），其引脚图如图2.2所示。按其引脚功能，这些引脚可分为四类：（1）电源引脚VCC和GND（共2根） 1）VCC（40脚）：接+5V电压。2）GND（20脚）：接地。（2）外接晶振引脚X1和X2（共2根） X1（19脚）和X2（18脚）引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接连接到内部时钟发生器的输入端。（3）控制和复位引脚ALE、和RST（共4根） 1）ALE（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。 2）（29脚）：输出外部程序存储器（ROM）的读选通信号。 图2.2 8031引脚图3）（31脚）：当端保持高电平时，访问内部ROM，但在PC（程序计数器）值超过片内ROM的容量时，将自动转向执行外部ROM。当保持低电平时，则访问外部ROM，不管是否有内部ROM。对于本次毕业设计，采用CPU是8031，其内部无ROM，所以脚必须常接地，这样才能选择外部ROM。单片机只在复位期间采样脚的电平，复位结束以后脚的电平对ROM的访问无影响。4）RESET（9脚）：复位引脚。当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机8031复位。（4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）1）P0口（32脚39脚）：是双向8位三态I/O口。在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个TTL负载。2）P1口（1脚8脚）：是8位准双向I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，所以不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。3）P2口（21脚28脚）：是8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，可作为高8位地址总线送出高8位地址。P2口能驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。4）P3口（10脚17脚）：是8位准双向I/O口。这8个引脚除用于普通输入、输出外，还可以用于专门功能，它是一个复用双功能口。P3口能驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。P3口作为第一功能使用时，即作为普通I/O口用，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2.1所示。值得强调的是P3口每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。表2.1 P3口第2功能表引脚第 2 功 能P3.0 RXD（串行口输入端）P3.1 TXD（串行口输出端）P3.2 （外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3 （外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4 T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5 T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6（外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效）P3.7 （外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效）2.2.2 ROM 的选择CPU外扩ROM一般用EPROM，它是紫外线可擦除电可编程的只读存储器，芯片置于紫外线灯下照20min以后，内部内容变为全“1”，通过编程器将程序代码写入后信息不会丢失，可靠性很高。常用的EPROM电路有2732（4KB）、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）、27512（64KB），由于它们价格相近，且大容量的EPROM读取速度快，再结合本次设计所需要的存储空间，故控制系统的硬件电路采用27256（32k8）作为外扩ROM。 外扩ROM27256（32k8）采用28引脚双列直插封装（DIP方式），其引脚图如图2.3所示。 1. 27256的引脚功能27256各引脚的意义如下：1）A0A14：地址输入线。2）D0D7：三态数据总线，读或编程检验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时，D0D7呈高阻抗。 3）：片选信号输入线，低电平有效。4）：读选通信号输入线，低电平有效。5）Vpp：编程电源输入线，Vpp的值因芯片型号和制造厂商而异。6）Vcc：主电源输入线，Vcc一般为+5V。 图2.3 27256引脚图7）GND：线路接地。2. EPROM的操作方式 对EPROM的主要操作方式有： 1）编程方式：把程序代码（机器指令、常数）固化到EPROM中。2）编程校验方式：读出EPROM中的内容，检验编程操作的正确性。3）读出方式：CPU从EPROM中读取指令或常数，是单片机应用系统中的工作方式。4）维持方式：不对EPROM操作，数据端呈高阻。5）编程禁止方式：适用于多片EPROM并行编程不同数据。表2.2给出了27256不同操作方式下控制引脚的电平。表2.2 27256不同操作方式下控制引脚的电平 引 脚方 式(20)(22)Vpp(1)Vcc(28)D0D7(1113)(1519)读VILVILVcc5V数据输出禁止输出VILVIHVcc5V高阻维持VIH任意Vcc5V高阻编程VILVIHVpp5V数据输入编程校验VIHVILVpp5V数据输出编程禁止VIHVIHVpp5V高阻3.程序存储器扩展方法 内部有程序存储器的单片机扩展外部程序存储器时，EA接高电平。CPU取指令时，PC值在内部程序存储器范围内时从内部取指令，PC值大于内部程序存储器范围内时从外部EPROM中取指令。本次设计所用的8031CPU，其内部没有用户程序存储器，EA接地，外接EPROM，CPU总是从外部EPROM中取指令。一般来说，外部程序存储器由一片EPROM组成，EPROM片选信号可以直接接地。当EA接地时，外部EPROM的地址从令开始；当EA接高电平时，外部EPROM的地址紧跟在内部程序存储器的地址后开始。图2.4给出了8031单片机和EPROM27256的接口方法。图2.4 8031和27256的接口方法2.2.3 RAM 的选择控制系统硬件电路中的RAM主要用于存放控制检测头运动位移量的检测程序。目前，单片机系统常用的RAM电路有6216（2KB）、6264（8KB）、62256（32KB）。考虑到控制系统存放的程序和数据不是很多， 8k的RAM比较常用，市场上容易买到且价格比较便宜，因此，选择6264（8k8）作为外扩RAM。由于只用到4k的容量，故空掉了A12一根地址线（接地），即只用到了A0A11共12根地址线。6264同样采用28引脚的双列直插封装（DIP方式），其引脚图如图2.5所示。1.6264各引脚的意义如下： 1）A0A12：地址输入线。2）D0D7：双向三态数据线。 3）VCC：工作电源+5V。4）GND：线路接地。5）NC：悬空脚。6）：片选信号输入线，低电平有效。 7）：读选通信号输入线，低电平有效。8）：写选通信号输入线，低电平有效。 9）CS：第二片选信号，高电平有效。CS=1，=0选中。值得注意的是，6264芯片是易失性的，一旦掉电，内部的所有信息都会丢失。因此，需设计一个掉 图2.5 6264引脚图电保护电路，在无外部电源给6264供电时，电路的备用干电池给6264供电，以保证6264内的数据不丢失。表2.3给出了6264不同操作方式下控制引脚的电平。表2.3 6264不同操作方式下控制引脚的电平 引 脚方 式(20)CS(26)(22)(27)D0D7(1113)(1519)未选中（掉电）VIH任意任意任意高阻未选中（掉电）任意VIL任意任意高阻输出禁止VILVIHVIHVIH高阻读VILVIHVILVIH数据输出写VILVIHVIHVIL数据输入写VILVIHVILVIL数据输入2.RAM的扩展方法对于MCS-51的扩展系统，经常需要扩展RAM和I/O口，由于RAM和I/O口均使用、信号作为选通信号，故RAM和I/O共占64KB的地址空间，因此RAM,I/O口的片选信号一般由高位地址译码产生，或者用线选法，即用某一位高位地址作为片选信号。图2.6给出了用线选法外接6264的接口方法，6264的地址范围为6000H-7FFFH。MCS-51访问外部数据存储器时保持高电平，对外部RAM或I/O读、写时，外部EPROM的数据线呈高阻态。图2.6 8031与6264的接口方法2.2.4 锁存器的选择由于8031的P0口是地址和数据复用的，这就需要使用锁存器把低8位地址进行锁存，所以，CPU存储器扩展电路中选择了较常用的74LS373锁存器，其引脚图如图2.7所示。74LS373各引脚的意义如下： 1）D0D7：三态门输入端。 2）Q0Q7：三态门输出端。3）GND：接地。 4）VCC：电源端。5）：三态门使能端。=0，三态门导通，允许Q端输出；=1，三态门断开，对外电阻呈高阻状态。 图2.7 74LS373引脚图6）G：锁存器控制端。G=1,锁存器处于透明工作状态，即锁存器的输出状态随输入端的变化而变化，即Qi=Di (i=0,1,27)；G由1变0时，数据被锁存起来，此时输出端Qi不再随输入端的变化而变化，而一直保持锁存前的值不变。G端可直接与单片机的地址锁存控制信号端ALE相连，在ALE的下降沿进行地址锁存。2.2.5 CPU存储器扩展电路的设计本节将给出完整的CPU存储器扩展电路（如图2.8所示），在此之前先对该扩展电路做以下几点说明：1）由于采用了三极管，在掉电后可以把6264与其他电路隔开，这样，干电池就只需给6264供电，可以更有效的延长其寿命。另外，由于6264的工作电压在3V4V之间，因此，在设计的CPU存储器扩展电路中，用了两个电阻对提供的5V电压进行了分压。2）8031的P0口的数据线和地址线是复用的，因此要经锁存器74LS373锁存低八位地址，高七位地址则由8031的P2口提供，这样就构成了控制系统硬件电路所需的十五位地址。3）由8031的P1口扩展的+X、-X、+Y、-Y、+U、-U、+V、-V四个坐标方向的进给按钮也在此给出。4）CPU扩展电路部分以及后面的显示电路部分还需要用到译码器，本次设计在这两部分电路中都选用74LS138译码器，对于这部分的知识将在后面的章节中作详细的介绍。2.3键盘及选择开关电路的设计2.3.1 键盘及选择开关接口芯片的选择控制系统的硬件电路中键盘接口芯片选用8155。8155芯片内具有256B RAM、2个8位和1个6位的可编程I/O口、1个14位减法计数器，与MCS-51单片机接口简单，广泛应用于单片机应用系统。18155的引脚功能8155的引脚图和逻辑框图分别如图2.9、图2.10所示，引脚功能如下：1）RST：复位信号输入端，高电平有效。复位后，3个I/O口均为输入方式。2）AD0AD7：三态的地址/数据总线。与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。 3）：读选通信号，控制对8155的读操作，低电平4）：写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。5）：片选信号线，低电平有效。6）IO/：8155的RAM存储器或I/O口选择线。当IO/0时，则选择8155的片内RAM，AD0AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00HFFH）；当IO/1时，选择8155的I/O口，AD0AD7上的地址为8155 I/O口的地址。7）ALE：地址锁存信号。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及，IO/的状态都锁存到8155内部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。图2.8 CPU存储器扩展电路8）PA0PA7：8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。9）PB0PB7：8位通用I/O口，功能同A口。10）PC0PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。11）TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。12）TIMER OUT：定时/计数器输出端。13）VCC：5V电源。28031和8155的连接因8155的AD0AD7为三态双向的地址/数据总线口，内部有地址锁存器，故8155能直接和8031的P0口相连。图2.11是8155和8031 的接口逻辑。 图2.9 8155引脚图256*8静态RAM定时器ABCA口B口C口PA0PA7PB0PB7PC0PC7IO/MAD0AD7CEALERDWRRESETT1TOVssVcc(+5V) 图2.10 8155逻辑图P0口P2.0ALE(P3.6) (P3.7) 8031AD0AD7 PA PBALE PC VCC GNDRESET TI 8155 复 位电 路+5V接地74LS138的Y0图2.11 8031和8155的接口逻辑8031INT12.3.2 键盘及选择开关电路根据控制要求，用8155的PA0PA5和PC0PC5扩展一矩阵式键盘，扩展的按键主要有：09十个数字键，X、Y、U、V四个轴的选择按键，以及dp（小数点键）、Delete（删除键）、Space（空格键）、Enter（回车键）、M（准备功能键）、N（程序段号键）、F（进给功能键）共二十一个按键。母线槽种类选择开关由PB0PB5扩展，共有一层三列、一层四列、一层五列、二层三列、 二层四列、二层五列六种选择。详细的键盘及选择开关扩展电路如图2.12所示。图2.12 键盘及选择开关扩展电路这里对PB6、PB7的功能做如下说明：当开关拨至最左端，即PB6=0、PB7=1时，处于手动键盘状态（8031的P1口扩展）；当开关拨至中间，即PB6=1、PB7=0时，处于编辑键盘状态（8155扩展）；当开关拨至最右端，即PB6=1、PB7=1时，处于等待自动检测状态。2.4显示电路的设计 控制系统硬件电路的显示电路部分采用六位LED静态显示：其中一位十六段的“米”字型的LED用于显示字母，其余的五位皆是七段LED，其中的第一位LED用于显示坐标负号，其后三位用于显示检测机构位移量的整数部分。最后一位LED用于显示检测机构位移量的小数部分。显示电路中锁存器采用了74LS273。本节主要介绍了十六段“米”字形LED、七段LED、74LS273的引脚图和引脚功能，以及显示电路。2.4.1 锁存器的选择静态显示常用锁存器74LS273，它是单片集成正沿触发的触发器，用直接清零输入执行D型触发器的逻辑功能。符合建立时间要求的D输入端上的信息，在时钟脉冲的正跃变沿上传到Q端输出端。时钟的触发产生于特定的电压电平上，且不直接同正跃变的跃变时间有关，当时钟输入处于高电平或者处于低电平时，D端输入的信号在输出端没有影响。它的主要特点是： 1）含有单向输出的8个触发器。2）缓冲的时钟输入和直接的清零输入。 3）每个触发器有单独的数据输入。 74LS273的引脚图如图2.13所示。其中74LS273的引脚功能是：1）1D8D: 信号输入端。2）1Q8Q: 信号输出端。3）CLK: 时钟信号输入端。4）CLR: 清零端。 图2.13 74LS273引脚2.4.2 七段LED七段LED引脚图如图2.14所示。在单片机中通常使用7段LED构成字型“8”，另外还有一个小数点发光二极管以显示数字、符号及小数点，这种显示器有共阴和共阳两种。发光二极管的阳极连在一起的（公共端Ka）称为共阳极显示器，阴极连在一起的（公共端Ka）称为共阴极显示器。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a、b、c、d、e、f、g，另一个小数点为dp 发光二极管。当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。例如：若要显示数字1，那么b、c笔画的二极管就亮，其它六位则是暗的。为了保护各段LED不被损坏，需在公共地端加限流电阻。 图2.14七段LED引脚图共阴极七段LED显示字形编码表见表2.4。表2.4共阴极七段LED显示字形编码表显示字符各段发光二极管的电平共阴极段选码dpgfedcba10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011016DH6011111017DH70000011107H8011111117FH9011011116FH0001111113FH2.4.3 十六段“米”字形LED十六段“米”字形LED引脚图如图2.15所示。显示电路采用共阴极的LED显示方式，当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔画的二极管就亮，不加电压时则是暗的。在设计过程中，考虑到二极管的耐压能力，为保护其不受损坏，在共地端接了限流电阻。十六段 “米”字形LED不仅可以显示09十个数字，还可以显示英文字母。控制系统中只需要显示X、Y、U、V、M、N、F七个字母，共阴极十六段LED 图2.15 十六段LED引脚图显示字形编码见表2.5。表2.5共阴极十六段LED显示字形编码表显示字符各段发光二极管的电平共阴极段选码mlkjihg2g1fed2d1cba2a1X1011010000000000B400HY01010100000000005400HU000000001111110000FCHV00010100000000001400HM000101001100110014CCHN001001001100110024CCHF01001010000000104A02H2.4.4 显示电路控制系统中，硬件电路的显示部分采用六位LED静态显示。静态显示是所有的共阴极或共阳极点连接在一起接地或接+5V，每位的段选线分别与一个八位锁存器的输出口相连，显示器中的各位相互独立，因此在同一个时间里，每一位显示的字符可以各不相同，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存的输出将维持不变，因此静态显示器的亮度较高，并且在显示过程中，所需要显示的字符的各字段连续通电，所显示的字段连续发光。这种显示方式编程容易，管理也比较简单。详细的显示电路如图2.16所示，由图可知：1）这次设计的六个LED的阴极先经过上拉电阻再接地，即采用共阴极接法，这里的上拉电阻在电路中主要起限流作用。八段LED的八个引脚a、b、c、d、e、f、g、dp分别与74LS273的Q1Q8相连，即由74LS273锁存输出信号给六位LED，用来控制八个段位的亮暗，以显示负号和数字。这里要注意的是，十六段LED有十六个段位，所以要经两个74LS273锁存输出，以提供这些段位的亮暗信号来显示所需要的字母。综上，在显示电路部分需要用到七个74LS273锁存器，显然，这就需要用到译码器的七个位选信号，根据译码器提供的片选信号，就可以确定七个74LS273锁存器的地址分配，具体如何分配将会在后面的“译码电路的设计”一节详细介绍。2）74LS273的1D8D分别接8031的P0口的D0D7，清零端（CLR）接+5V电压，时钟信号输入端（CLK）由译码器位选信号端与8031的相或后提供信号。3）每个74LS273锁存器的VCC和GND之间都接有去耦电容，可抗干扰。图2.16 显示电路2.5 I/O接口电路的设计控制系统硬件电路的I/O接口用8255扩展。X、Y、U、V四个坐标方向的手动进给按钮由8031（U11）的P1口扩展，电路图如图2.8所示。2.5.1 I/O接口芯片的选择 控制系统硬件电路的I/O接口芯片选用8255。8255是一种通用的可编程并行接口电路，在单片机应用系统中被广泛用作可编程外部I/O扩展接口。其引脚图如图2.17所示。8255可编程并行I/O芯片由以下四个逻辑结构组成：（1）数据总线驱动器 这是双向三态的8位驱动器，用于和单片机的数据总线相连，以实现单片机和8255芯片的数据传送。（2）并行I/O端口 A口、B口和C口这三个8位I/O端口功能完全由编程决定，但每个口都有自己的特点。 1）A口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和 图2.17 8255引脚图一个8位数据输入锁存器。它是最灵活的输入输出寄存器，可编程作为8位输入输出或双向寄存器。2）B口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器（不锁存）。可编程作为8位输入或输出寄存器，但不能双向输入输出。3）C口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器（不锁存）。这个口在方式控制下，可分为两个4位口使用。C口除作输入、输出口使用外，还可以作为A口、B口选通方式操作时的状态控制信号。（3）读/写控制逻辑 它用于管理所有的数据、控制字或状态字的传送，接收单片机的地址信号和控制信号来控制各个口的工作状态。1）: 8255的片选引脚端。 2）: 读控制端。当=0时，允许单片机从8255读取数据或状态字。3）:写控制端。当=0时，允许单片机将数据或控制字写如8255。4）RESET：复位控制端。当RESET=1时，8255复位。复位状态是：控制寄存器被清除，所有接口（A、B、C）被置入输入方式。A0、A1：口地址选择。通过A0、A1可选中8255的4个寄存器。口地址选择如下： A1 A0 寄存器 0 0 输出寄存器A（A口） 0 1 输出寄存器B（B口） 1 0 输出寄存器C（C口） 1 1 控制寄存器（控制口）（4）A组B组控制块 每个控制块接收来自读/写控制逻辑的命令和内部数据总线的控制字，并向对应口发出适当的命令。A组控制块控制A口及C口的高4位；B组控制块控制B口及C口的低4位。表2.6列出了CPU对8255端口的寻址和操作控制。2.5.2 I/O接口电路控制系统的硬件电路中，开关量输入/输出接口电路由8255扩展。开关量输入信号由8255（U31）的PA口扩展，这些信号包括：1）两个位置检测信号，检测母线槽置于检测台还是包装台；2）两个压力继电器输入信号，发送测量头横向定位气缸到位信号；3）四个步进电机正负超程信号，控制X、Y、U、V四个轴的超程。开关量输出信号由8255（U31）的PB、PC口扩展，这些信号包括：1）两个传送台（检测台、包装台）异步电机的起停信号；2）八个电磁换向阀控制信号，控制八个气缸的动作；3）绝缘强度检测仪和微欧计测量头切换信号。表2.6 CPU对8255端口的寻址和操作控制A1 A0操 作01000D0D7PA口01001D0D7PB口01010D0D7PC口01011 D0D7控制口00100PA口D0D700101PB口D0D700110PC口D0D71D0D7呈高阻011D0D7呈高阻000非法操作00111非法操作详细的I/O接口电路如图2.18所示。图2.18 I/O接口电路在I/O接口电路中，全部采用了光电耦合器（其结构如图2.19所示）。光电耦合器的后向通道往往所处环境恶劣，控制对象多为大功率伺服机构，电磁干扰较为严重。为防止干扰窜入和保证系统的安全， 图2.19 光电耦合器常常采用光电耦合器，用以实现信号的传输，同时又可将系统与现场隔开。 晶体管输出型光电耦合器的受光器是光电晶体管，光电晶体管除了没有使用基极外，跟普通晶体管一样，取代基极电流的是以光作为晶体管的输入。光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。一方面，光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响；另一方面，光电耦合器的发光二级管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。由于电流环电路是低阻抗电路，它对噪音的敏感度低，因此，提高了通信系统的抗干扰能力。2.6 步进电机控制信号输出电路的设计 控制系统的硬件电路中，控制X、Y、U、V四轴的四个步进电机的正反转脉冲信号输出接口电路由74LS273（U41）扩展，其CLK信号由8031（U11）的和74LS138（U15）的Y2相或后提供。注意：光耦输出端的电源由外部电路提供。详细的四个步进电机正反转脉冲信号输出接口电路如图2.20所示。2.7 译码电路的设计本节主要介绍了这次控制电路设计中译码电路的译码方法，译码器的选择，以及27256、6264、8155、8255、74LS273（包括显示电路和步进电机控制信号输出电路两部分）的地址分配。2.7.1 译码器的选择控制系统硬件电路的CPU存储器扩展电路和显示电路中的译码器都选用74LS138。1. 74LS138的引脚描述 74LS138的引脚图如图2.21所示。74LS138引脚的描述如下：1）只有G1接高电平、低电平时，74LS138才处于工作状态（注：=+）。在主控电路和显示电路中，和都选择了接地，这样，它们相或之后的电平始终为低，因此，只需考虑G1的电平就可判断图2.20步进电机控制信号输出电路 74LS138是否处于工作状态。如果一个设计电路中用到两个或两个以上的74LS138译码器时，必须要确保这多个译码器不会同时被选中而处于工作状态。本设计解决方案如下：将两个译码器的G1脚同接P2口中的引脚28（P2.7），其中显示电路中74LS138的G1端接一个非门，具体接法如图2.22所示。 图2.21 74LS138引脚图主控电路中的74LS138显示电路中的74LS1388031非门P2.7G1图2.22 两个74LS138的接法G12）由CPU输出给译码器的A、B、C三个引脚的信号决定译码器究竟选择哪个端口上的芯片。A、B、C三个引脚可以接CPU的P2口上的任意三个引脚，本次设计中两个74LS138的A、B、C接的依次是25（P2.4）、26（P2.5）、27（P2.6）。3）Y0Y7是8个位选信号端。硬件电路中，主控电路中的译码器用到了Y0、Y1、Y2、Y3共4个位选信号端；显示电路中的译码器用到了Y0、Y1、Y2、Y4、Y5、Y6、Y7共7个位选信号端。2. 74LS138的功能表（表2.8）表2.8 74LS138译码器的功能表输入输出选中的芯片号赋能选择Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7G C B A H H H H H H H H H无L H H H H H H H H无H LL L LL H H H H H H H0#输入输出（续）选中的芯片号赋能选择Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7G C B AH 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 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#注：表格中=+。2.7.2 译码电路的组成1. 主控电路译码 主控电路部分译码电路组成如图2.23所示。74LS138A B C G1 G2A G2B6264的引脚8155的CE引脚8255的引脚步进电机控制信号处74LS273的CLK引脚Y0Y1Y2Y3P2.4P2.5P2.6P2.7接地图2.23 主控电路部分译码电路2. 显示电路译码这里同样以附录C的硬件设计原理图中的元件名来区分74LS273，显示电路部分译码电路组成如图2.24所示。U22U23U24U25U26U27U2816段LED7段LED7段LED7段LED7段LED7段LEDY0Y1Y2Y5Y6Y774LS138A B C G1 G2A G2BP2.4P2.5P2.6P2.7接地非门或门或门或门或门或门或门或门图2.24 显示电路部分译码电路组成框图2.7.3 地址分配1. 存储器的地址分配（1）27256地址范围的确定 因为27256是32K的ROM，所以32KB=B=B，即27256需要接15根地址线。故8031的P0口的A0A7和P2口的A8A14依次接到27256的A0A14管脚上，因此，27256地址范围的确定见表2.9。表2.9程序存储器27256的地址范围A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0地址范围0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00000H0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10001H . 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 07FFEH0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 17FFFH由表可知，27256的寻址范围是0000H7FFFH。（2）6264地址范围的确定 由于在本次设计电路中只需要扩展4KB的片外数据存储器，所以在设计CPU存储器扩展电路时，我只选用了6264芯片的A0A11地址管脚。另外，由于6264芯片的片选端接在CPU存储器扩展电路中的74LS138的Y3端口上，因此对应Y3输出的译码信号A14、A13及A12为011。再有74LS138的G1端口接在8031的引脚28（A15）上，根据74LS138的工作特性可知只有当8031的引脚28（A15）送给G1端口信号固定为高电平“1”时，此译码器才可以被选中工作。由上可得6264的地址范围见表2.10。表2.10数据存储器6264的地址范围A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0地址范围1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0B000H1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1B001H . 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0BFFEH1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1BFFFH由表3.10可知，6264芯片可以提供的片外数据存储器寻址范围是B000HBFFFH。2. 8155的地址分配CPU存储器扩展电路中的74LS138工作，则A15（P2.7）=1；由图2.16可知，本次设计8155的片选端接CPU存储器扩展电路中的74LS138的Y0，所以74LS138的CBA=000；8155的接8031的P2.0（A8），而8155是作为I/O口用，所以8155的P2.0=1。根据表3.7知8155端口地址的分配方法可得出：8155的命令/状态口地址为8100H，A口地址为8101H，B口地址为8102H，C口地址为8103H。3. 8255的地址分配 CPU存储器扩展电路中的74LS138工作，则A15（P2.7）=1；由图2.13可知，本次设计8155的片选端接CPU存储器扩展电路中的74LS138的Y1，所以74LS138的CBA=001。根据段落2.5.1中介绍的8255端口地址的分配方法可得出：8255的控制口地址为9003H，A口地址为9000H，B口地址为9001H，C口地址为9002H。4. 74LS273的地址分配（1）步进电机控制信号输出电路部分 CPU存储器扩展电路中的74LS138工作，则A15（P2.7）=1；另外，这部分74LS273的CLK由CPU存储器扩展电路中的74LS138的Y2与8031的相或后提供，所以CBA=010。故此处74LS273的入口地址为A000H。（2）显示电路部分 如图2.21所示，由于显示译码电路中的74LS138的G1脚在接到8031的P2.7（A15）前加了一个非门，因此，这里的74LS138若处于工作状态，A15（P2.7）=0。电路中的74LS273的CLK由显示电路中的74LS138的Y0、Y1、Y2、Y4、Y5、Y6、Y7分别与8031的相或后提供，具体见图3.10。因此，我们可以确定显示电路中7片74LS273的片选信号，见表2.11（表中74LS273用图2.10里的元件号表示）。表2.11 74LS273的片选信号元件号片选端接的位选信号端CBA片选信号U22Y00000000HU23Y10011000HU24Y20102000HU25Y61106000HU26Y41004000HU27Y51015000HU28Y71117000H2.8 母线槽参数检测机（下位机）硬件电路本次毕业设计的母线槽参数检测机（下位机）硬件电路见附录C第三章 母线槽参数检测机控制程序流程图设计3.1 主程序流程图的设计母线槽参数检测机（下位机）控制系统的程序用汇编语言编写。主程序内容包括：（1）各芯片的初始化，如定义8155和8255的输入输出以及显示器清零等；（2）接受上位机的启动指令；（3）读母线槽种类选择开关状态。主程序流程图如图3.1所示。开始初始化PB6=1且PB7=1？一层三列？Y执行检测程序一层四列？二层三列？执行检测程序执行检测程序YYNNNZ开始检测Y上位机发送启动指令？PB6=0且PB7=1？NY执行编辑键盘扫描程序N执行手动键盘扫描程序YN一层五列？二层四列？二层五列？执行检测程序执行检测程序执行检测程序结束YYYNNNZ图3.1 主程序流程图3.2 键盘扫描程序流程图的设计 键盘可分为独立联接式和行列（矩阵）式两类，每一类又可根据对按键的译码方法分为编码键盘和非编码键盘两种类型。 编码键盘主要通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲，选通脉冲常用CPU的中断请求信号，以便通知CPU以中断方式接收被按按键的键码。这种键盘使用方便，但硬件电路复杂，常不被微型计算机采用。在非编码键盘中，每个按键的作用只是使相应接点接通或断开，每个按键的键码并非由硬件电路产生，而是由相应扫描程序对它扫描形成的。因此，非编码键盘硬件电路极为简单，在微型计算机中得到了广泛的应用。本次毕业设计主要用到了独立式非编码键盘（手动键盘）和行列式编码键盘（编辑键盘）。下面将依次对它们做详细介绍，并给出键盘扫描程序流程图。3.2.1 手动键盘扫描程序流程图的设计在手动键盘（独立式非编码键盘）中，每个按键都是彼此独立的，均需占用CPU的一条I/O输入数据线。本次毕业设计的手动键盘部分主要指前一章的图2.6提到的由8031的P1口扩展的+X（S11）、-X（S12）、+Y（S13）、-Y（S14）、+U（S15）、-U（S16）、+V（S17）、-V（S18）八个方向的八个进给按键。图2.7中的每个按键均和8031的P1口中一条相连。若没有按键按下时，8031从P1口读得的引脚电平均为高电平（+5V）；若某一按键被按下，则读键所对应的端口线变为低电平。CPU根据8155PB口工作方式选择开关的选通状态对P1口进行查询，即可发现键盘上是否有键按下以及哪个按键被按下。手动键盘扫描程序流程图如图3.2所示。开始调用延时20ms子程序P1.0=0?执行键处理程序YP1.0=0?P1.1=0?NNZ1调用延时20ms子程序P1.1=0?YYZ0Y执行键处理程序NN调用延时20ms子程序P1.2=0?执行键处理程序YP1.2=0?P1.3=0?NN调用延时20ms子程序P1.3=0?YYZ0Z1调用延时20ms子程序P1.4=0?执行键处理程序YP1.4=0?NYN执行键处理程序YNZ2N结束调用延时20ms子程序P1.5=0?执行键处理程序YP1.5=0?P1.6=0?NN调用延时20ms子程序P1.6=0?YYZ2调用延时20ms子程序P1.7=0?执行键处理程序YP1.7=0?NNYN执行键处理程序YN图4.2 手动键盘扫描程序流程图3.2.2 编辑键盘扫描程序流程图的设计在前面已经介绍过：编码键盘主要通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲，选通脉冲常用CPU的中断请求信号，以便通知CPU以中断方式接收被按按键的键码。本次毕业设计中的编辑键盘部分是由8155芯片扩展的。具体是由8155芯片的PA口（PA0PA5）和PC口（PC0PC5）共扩展了二十一个有效按键，具体为：09十个数字键，X、Y、U、V四个轴的选择按键，以及dp（小数点键）、Delete（删除键）、Space（空格键）、Enter（回车键）、M（准备功能键）、N（程序段号键）、F（进给功能键）。它们的功能是通过软件来定义的，它们的编码见表3.1。第二章图2.16中的按键S?3按键S?17为待定义按键。二十一个有效按键的编码值的计算方式是：设PA口的初始值为1，对应按键处的A口、C口值为0，则每个按键均可得到一个十六位的编码值。例如：键值为数字1的按键有效时，PA0=0且PC1=1，则可得到A口的编码为3EH（0011 1110），C口为3D H（0011 1101），则数字键0键对应的键值为3E3DH（A口高八位，C口低八位）。表3.1编辑键盘21个按键的编码编号编码键值编号编码键值PA0PC03E3EH0PA1PC53D1FHXPA0PC13E3DH1PA2PC03B3EHYPA0PC23E3BH2PA2PC13B3DHUPA0PC33E37H3PA2PC23B3BHVPA0PC43E2FH4PA2PC33B37HMPA0PC53E1FH5PA2PC43B2FHNPA1PC03D3EH6PA2PC53B1FHFPA1PC13D3DH7PA3PC0373EHDeletePA1PC23D3BH8PA3PC1373DHEnterPA1PC33D37H9PA3PC2373BHSpacePA1PC43D2FHdp硬件电路中的按键是用软件延时方式去抖动的，因此，在每一次判断按键状态时，都必须执行延时子程序，以消除由于键抖动而带来的瞬时无效闭合的影响。下面讲述编辑键盘部分。编辑键盘扫描程序流程图如图3.3所示。开 始A口置低调用延时20ms子程序调用延时20ms子程序调用延时20ms子程序NYNYNNYBYYYNNPC0=0?PC0=0?PC1=0?PC1=0?CPC2=0?PC2=0?D调用延时20ms子程序结 束NYYNPC3=0?PC3=0?（a）E调用延时20ms子程序NYYNPC4=0?PC4=0?F调用延时20ms子程序NYYNPC5=0?PC5=0?GBPA0置高PC0=0?执行键处理程序PA1置高NYPC0=0?执行键处理程序NPA2置高PC0=0?执行键处理程序PA3置高PC0=0?执行键处理程序NNYY（b）结 束YEPA0置高PC3=0?执行键处理程序PA1置高PC3=0?结 束执行键处理程序NNYY（c）图3.3 编辑键盘扫描程序流程图PA2置高PC3=0?执行键处理程序NY图3.3所示为编辑键盘扫描程序流程图的一部分。其中图（a）为编辑键盘扫描程序流程图的主程序流程图，它延伸出的B、C、D三部分子程序内容基本相同，而E、F、G三部分子程序内容也基本相同。在图3.3中只列出了B段子程序，如图（b）所示，C、D、两段子程序只需把图（b）中所有的PC0分别改成PC1、PC2就可以了。E段子程序见图（c），F、G两段子程序只需把图（c）中所有的PC3分别改成PC4、PC5就可以了。注意：前文提及的手动键盘只有当8155的PB6=0、PB7=1时，才有效；编辑键盘只有当8155的PB6=1、PB7=0时，才有效。第四章 硬件电路原理图及PCB图的绘制使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理论应用到实际的第一步，之前的设计环节只停留在理论设计方面，所以此环节是整个设计的重中之重，此环节成功了，整个设计才能说是成功了。本次毕业设计控制系统的电路原理图以及PCB图的绘制均是用Protel DXP软件完成的。与以前的版本相比较，Protel DXP的功能得到进一步的增强，新增功能如下：1）全新的设计方法；2）全新的设计界面；3）在原理图中添加PCB设计规则；4）多通道设计；5)组装变量控制；6）集成元件库；7）增强的自动布线器；8）增强的PCB布板功能。总之，Protel DXP集强大的设计能力、复杂工艺的可生产性和设计管理于一体，可完整地实现电子产品从电学概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及中间所有分析的仿真和验证。其绘制的步骤大致如下：1）设置原理图设计环境。2）放置元器件。3）原理图布线。4）编辑与调整。5）检查原理图。6）生成网络表。7）在PCB绘制环境导入网络表。8）手动或自动布局、布线。9）画PCB图边框。具体的操作步骤将在下文详细阐述。4.1 Protel DXP的基础知识 本节主要介绍了Protel DXP中的一些基本操作，以及电路原理图和PCB图的设计步骤。4.1.1 Protel DXP的基本操作1.装载元件库在开始原理图设计之前，首先要装载所用元件所属的元件库。此时，如果一次载入过多的元件库，不仅回占用较多的系统资源，也会降低应用程序执行的效率，因此，在原理图设计前只需载入必要而常用的元件库。其步骤如下：用鼠标点击Desing菜单的Add/Remove/Remove Libraries 命令，屏幕将出现一个对话框，点击对话框中的Add Librsry 按钮，载弹出的对话框中选择要添加的库即可。对话框中的Remove按钮用来删除选中的库，Move Up、Move Down按钮用来上移下移当前选中的库。2.元件的放置元件库的添加与删除完成之后，就可以在原理图中放置元件。通常可以用以下方法来放置元件。1） 通过输入元件编号来选取元件2）从原件列表中选取3.元件的位置调整元件放置完后，为使原理图布局合理或易于连线，常常要对元件的位置或方向进行调整，调整方法如下：1）元件的移动用鼠标对准要移动的对象，点击鼠标左键，选中要移动的元件，或在一定区域的左上角点击鼠标左键，然后拖动鼠标到区域的右下角，选中在此矩形框中的所有对象。然后拖动鼠标到所需的位置，释放鼠标左键，即完成元件移动。2）元件的旋转在元件放置前，用下列案件调整原件的方向：空格键 每按一下使元器件作逆时针方向旋转；X： 左右对称Y： 上下对称3）阵列式粘贴原件阵列式粘贴是一种特殊的粘贴方式，它可以按指定的间距将同一个元件重复地粘贴到图纸上。具体步骤如下：首先选择需要粘贴的元件，然后执行Edit/Copy命令，此时屏幕上出现十字光标，将光标对准选择的元件点击鼠标左键，被选择的原件复制到剪贴板上。接着执行菜单命令Edit/Paste Array ,系统弹出一对话框，框内各选项功能如下：ITEM COUNT ： 用来设置粘贴元件的个数TEXT INCREMENT： 用来设置粘贴原件序号的增值HORIZONTAL： 用来设置粘贴原件水平间距VERTICAL：用来设置粘贴原件垂直间距设置完成后点击OK按钮，屏幕上出现一个十字光标，在图纸上选择一个合适的位置后点击鼠标左键，系统就在图纸上放置了N各所选择的元件。4.元件的排列与对齐Protel DXP提供了一系列的排列与对齐功能，极大地提高了用户的工作效率。这一功能可用菜单Edit/Align中的命令实现。各命令功能如下：Align Left /Right：将选取的元件向最左/右边的元件对齐Center Horiizontal：将选取的元件向最左边的元件和最右边的元件的中间位置对齐Distribute Horiizontally：将选取的元件在最左边的元件和最右边的元件之间等间距放置Align Top：将选取的元件向最上面的元件对齐Align Bottom：将选取的元件向最下面的元件对齐Center Vertically：将选取的元件向最上面的元件和最下面的元件的中间位置对齐Distribute Vertically：将选取的元件在最上面的元件和最下面的元件之间等间距放置5.放置电源和地线电源和接地元件可以使用Power Objects 工具上对应的命令来选取，该工具通过执行View/Toolbars/Power Objects命令来打开或关闭。6.放置导线 元件放置好以后，下一步工作就是用导线将个元件连接起来。布线方法分为三类：1）90布线方式 2）45布线方式 3）任意角度布线方式7.放置电器节点 在Tool/Preference/Schematic 中选择自动连接点选项，则不需要用手工放置电气节点，只要连接接头和连线相交，系统会根据需要自动放置电器节点。8.总线、总线分支和网络标号工具的使用4.1.2 电路原理图的设计步骤一般来讲，进入SCH设计环境之后，需要经过以下几个步骤才算完成原理图设计：1) 设置好原理图所用的图纸大小。最好在设计之初就确定好要用图纸大小。虽然在设计中可以更改图纸的大小和属性，但养成良好的习惯会在将来的设计过程中受益。2) 制作元件库中没有没有的原理图符号。因为很多元件在Protel 99中没有收录，这是就需要用户绘制这些元件的原理图符号，并最终将其应用于电路原理图的绘制过程之中。3） 对电路图的元件经行构图。在放置元件之前，需要先大致地估计以下元件的位置和分布，如果忽略了这一步，有时会给后面的工作造成意想不到的困难。4）元件布局。这是绘制原理图最关键的一步。虽然在简单的电路图中，即使并没有太在意元件布局，最终也可以成功地进行自动或手动布线，但是在设计较复杂的电路图时，元件布局的合理与否将直接影响原理图的绘制效率以及所绘制出的原理图外观。5） 对原理图内的图件进行电气连接。这里提到的线路可以是导线，节点或者总线及其分支线。当然，在比较大型的系统设计中，原理图的走线并不多，更多的时候是应用网络标号来代替直接的线路连接。这样做既可以保证电路的电气连接，又可以避免使整个原理图看起来杂乱无章。6） 放置注释。 这样做既可以使电气图更加一目了然，增强了可读性。同时，他也是合格的电路设计人员所必须具备的素质。4.1.3 PCB图的设计步骤在PCB的绘制过程中，除了4.1.2中的步骤（1）（6）外，还有以下三步：（1）在PCB绘制环境导入网络表 若在导入过程中遇到错误，需及时更正。处理宏错误通常按照宏命令执行的顺序来进行，因为Protel中宏命令的执行是有顺序的，前面的宏命令错误可能引起后续有关宏命令的错误。如某个元器件的封装遗漏了，则后面与该元器件有关的宏命令都会报错。在PCB绘制环境导入网络表时，产生的错误及警告一般有以下几种形式（见表4.1）:表4.1 载入网络表时产生错误及警告的形式序号错 误错误类型1Net not Found(网络丢失)Error2Component not found(元器件丢失)Error3Node not found(节点丢失)Error4Net already exists(网络已经存在)Error5Component already exists(元器件已经存在)Error6New footprint not matching old footprint(新封装与旧封装不符)Error7Footprint not found in Library(库中找不到封装)Error8Alternative footprint used instead(使用替代封装) Warning（2）手动或自动布局、布线 根据元器件的数目等原因，自动布局、布线的时间也有很大的区别。在元器件较多时，使用自动布局、布线功能比较方便快捷。（3）画PCB图边框 用于限制元器件的范围、布线的范围等。4.2电路原理图的绘制原理图的成功绘制是生成PCB图的重要前提。在绘制原理图时，最重要的就是正确选择元器件，以及填写元器件的封装。在选择元器件的过程中不仅要考虑到该元器件的适用价值，还要考虑到该元器件的封装是否符合实际。4.2.1 绘制原理图中的问题与解决由于本次设计是我第一次用Protel软件绘制比较复杂的原理图和电路板图，遇到问题在所难免。1绘制原理图所遇到的问题1）选用单个的电阻及或门，显得元器件繁多，电路板图内很乱。2）总线连接处总是产生错误。3）无法生成正确的网络表。2. 所遇问题的解决办法1）阻值相同的电阻采用排阻，所有的或门采用74系列的或门，它的一个芯片内包含有四个或门。这样就大大减少了元器件的数量。2）总线连接处的错误产生的原因是：我没有弄明白总线连接的意思，以为只要用一根总线把所有需要接的管脚接上就可以了。而实际上是：必须要在每个管脚上加上网络标号，否则系统无法分清楚这些网络线究竟谁与谁相连接。3）此处错误产生的原因是：有的是元器件根本没有封装，也有的虽然写了封装号，但是封装库里根本就没有这种封装。解决办法就是根据元器件的管脚，首先在元器件封装库里寻找对应的封装，如果没有，则自己另外画封装图。另外在单个的电阻处，我采用贴片电阻的封装，这样就可以使做出的电路板美观一点。4.2.2 各元器件的封装元器件的封装可以在电路原理图绘制完成后，也可以在绘制过程中。每个元器件必须都有自己的封装，否则绘制完成的电路原理图将无法生成网络表，这也就意味着无法生成PCB图。封装库中已有的封装可以直接引用，而封装库中没有的封装则要自己绘制并生成库文件。另外，由于绘制的PCB图是作为制造电路板的样本的，因此元器件封装图必须与实物相符，否则，绘制出的PCB图将没有任何价值。本次毕业设计所用元器件的封装如表4.2所示。本次毕业设计用Protel DXP绘制的控制系统的电路图见附录C。表4.2 元器件的封装表序号元 件 种 类元 件 名 称元 件 封 装1CPU(8031)8031AHDIP40282558255ADIP40381558155HDIP404外扩ROM27256DIP285外扩RAM6264DIP286锁存器174LS373DIP207锁存器274LS273DIP208译码器74LS138DIP1697段LEDAMBERCCSIP91016段LEDDPY_16-SEGSIP2011干电池BATTERYPOLAR1.012无极性电容CAPRAD0.113极性电容ELECTRO1RB.2/.414晶振CRYSTALXTAL115与非门NANDSIP316光耦OPTOISO1DIP417二极管DIODEDIODE0.418三极管NPN、PNPTO-519非门NOTSIP220或门ORSIP321排阻RESPACK4DIP1622电阻RES2AXIAL0.423按键SW-PBSIP224拨码开关SW-6WAYSIP7252眼插座CON2SIP2263眼插座CON3SIP3278眼插座CON8SIP84.3 PCB图的绘制前面所画的电路原理图只表示各元件之间的连接关系，并不能代表元件的实际安装情况。之所以画电路原理图就是为了绘制电路的PCB图，这才是最终的目的所在，画好原理图是为设计电路板图提供基础。电路板就是所有电子产品都具有的焊接元件的基板。像画电路原理图一样，首先要设置电路板的设计环境。双击图标PCB Document即可建立电路板文件，进入电路板设计环境。该环境中有一个电路板板层切换标签，用鼠标点击可以更换板层。生成电路板有两种设计方法。一种是自动画电路板，一种是人工画电路板。人工画电路板是耗时和费劲的，此次设计中采用的是自动布线画电路板。在电路板（PCB）环境下，使用Design/Load菜单，然后在弹出的窗口中单击Browse按钮，再在弹出的窗口中选择生成的网络表文件（扩展名为Net），单击OK，可以看到网络表已经转换成可以执行的宏命令显示在窗口的下部，这时应该观察窗口底部的状态条（Status）以确定所有的宏命令是否有效，若有错误（Error）就应该找出错误的原因。这些错误可能是元件封装名称不对，致使在封装库中找不到，这种情况将显示：Footprint XXX not found in Library，或是封装可以找到，但是管脚号和焊盘号不一致，这种情况将显示Node not found。比如在设计中用到的二极管，由于元件的管脚号是1和2，而封装的焊盘号是A和K，所以在调入网络表的时候会出现Node not found的错误。更改这样的错误的方法是，首先在原理图中双击二极管，然后在弹出的属性对话框中，选择Hidden Pins前的小方框，关闭属性对话框后，就可以看到二极管的管脚号显示出来，确定管脚号和二极管阴极和阳极之间的关系。将当前窗口切换到电路板图，在封装库管理器中选择International Rectifiers 库，在库中找到二极管的封装，单击管理器中的Edit按钮，屏幕被切换到元件封装编辑窗口，并显示二极管的封装，双击焊盘，将焊盘号A该
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