（教育技术学专业论文）基于单片机的叠图机研究与教学方法实践.pdf

天津师范大学硕士学位论文 摘要 论文以电子技术知识为基础，采取产学研相结合的模式，设计了一个基于单 片机的自动叠图机控制系统，希望将来以此设计为实例，开发一个用于展示电子 技术学科实际应用的教学软件，让同学们更好的了解该学科的实际应用意义，从 而提高自身对该学科的学习兴趣，更好的掌握所学知识。 自动叠图机用于实现图纸的自动折叠，叠图机接通电源后，机器内部存在一 个默认尺寸的程序，用户也可以通过按键来选择所需的叠图尺寸，然后只需将所 要折叠的图纸从规定位置送入叠图机，叠图机内的进纸步进电机自动启动，将图 纸不断送入叠图机内部，并在特定时刻启动叠图步进电机自动完成叠图工作，最 后自动将图纸从出纸平板送出。叠图机在我国具有普及的趋势。 论文对国外叠图机的现状进行了简单的介绍。在设计过程中尽量采用模块化 设计，将整个控制系统分成三个互相关联的部分分别设计完成，对每部分的功能、 主要元件、设计的实现进行了具体介绍。 叠图机主控电路中的单片机采用的是美国a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 2 芯 片，利用其内部存储器存储程序，采用并行通信方式处理叠图机按键和传感器的 中断信号以及叠图步进电机的控制信息，采用串行通信方式传送控制l e d 显示 的信息，实现整体功能，同时对于步进电机的控制进行了研究。 在硬件电路的基础上对主控电路中的单片机进行编程，实现单片机对控制电 路中其他元件的控制，最终控制步进电机转动，实现自动叠图功能。程序中编写 了较多具有通用功能的子程序，方便各处程序的调用。 关键词：教育模式自动叠图机单片机串行通信 墨望堕苎查堂堡主堂垡堡奎 竺竺r 竺 a b s t r a c t t h i s p a d e r i sf i n i s h e do nt h eb a s i so fe l e c t r o nt e c h n o l o g yb y t h e u n i v e r s i t y i n d u s t r y - s c i e n c ei n s t i t u t ep a r t n e r s h i pm o d e l a u t h o rd e s i g n e dac o n t r o l s y s t e mf o ra l la u t o m a t i cf o l d e rw h i c hb a s e do nt h es i n g l e - c h i pa n dh o p et ou s et h i s d e s i g na sa l le x a m p l et od e v e l o pi n s t r u c t i o n a ls o f t w a r ef o rt h es t u d e n t st od i s p l a yt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r o nt e c h n o l o g y t h r o u g ht h i ss o f t w a r es t u d e n t sc a n m a k eb e t t e rc o m p r e h e n da b o u tt h i ss u b j e c ta n de n h a n c et h e i ri n t e r e s t t h ea u t o m a t i cf o l d e ri su s e dt of o l db l u e p r i n t s w h e nt h ef o l d e ri ss w i t c ho n ， t h e r ei sa l lo r i g i n a ld i m e n s i o ni nt h ep r o g r a m ，a n du s e rc a ns e l e c td i f f e r e n td i m e n s i o n s b yp u s h i n gt h ek e y s w h e nu s e rp u s h e st h eb l u e p r i n ti n t ot h ef o l d e r , o n eo fs t e p m o t o r sw i l ls t a r t u pa n dm a k et h ed r a w i n gi n t ot h ef o l d e ru n i n t e r r u p t e d a tt h e s p e c i f i c a l l ym o m e n ta n o t h e rs t e pm o t o rw i l ls t a r t u pt of o l dt h ed r a w i n g a tl a s tt h e f o l d e db l u e p r i n tw i l lb ep u s h i n go u ta u t o m a t i c a l l y t h ea u t o m a t i cf o l d e rw i l lb ew i d e u s e di no u rc o u n t r y t h ep a p e ri n t r o d u c e da u t o m a t i cf o l d e r sa c t u a l i t yi nf o r e i g nc o u n t r i e s w h i l ei n t h ep r o c e s so fd e s i g n i n g , a c c o r d i n gt h ec o n c e p to fm o d u l i z a t i o nt h ec o n t r o ls y s t e m w a sd i v i d e di n t ot h r e ei n t e r r e l a t e dp a r t s t h ef u n c t i o n ，m a i nc o m p o n e n t sa n dd e s i g n p h i l o s o p h yo fe a c hp a r tw a s d e s c r i b e di nd e t a i l t h es i n g l e c h i di nt h em a i nc o n t r o l l e dc i r c u i ti sa t 8 9 c 5 2w h i c hp r o d u c e db y a t m e lc o m p a n yi na m e r i c a n t h ep r o g r a mw a ss t o r e di ni t si n t e r n a lr a m t h e k e y s a n ds e n s o r s i n t e r r u p ts i g n a l sa n ds t e pm o t o r s c o n t r o l i n f o r m a t i o nw a s p r o c e s s e db yp a r a l l e lc o m m u n i c a t i o n t h el e dd i s p l a yi n f o r m a t i o nw a ss e n db y s e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ra l s oh a dt a k e nt h es t u d yo fs t e pm o t o rc o n t r 0 1 t h es i n g l e c h i pw a sp r o g r a m m e do nt h eb a s i so ft h ec i r c u i t ，a n dt h e nt h ec h i p c a nc o n t r o lo t h e r c o m p o n e n t s i nt h ec i r c u i ta n d s t e p m o t o r st o i m p l e m e n t a u t o m a t i c a l l yf o l d i n g t h e r ea r em a n ys u b p r o g r a m sw h i c hh a v ec o m m o nf u n c t i o n i t sc o n v e n i e n tf o rt h em a i np r o g r a mt ou s et h e m k e yw o r d s ：e d u c a t i o n a l m o d e la u t o m a t i cf o l d e r s i n g l e c h i p s e r i a ic o m m u n i c a t i o n i i 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 目前综合素质较高的实用型人才越来越受到社会欢迎，高等院校作为培养高 素质人才的基地，把培养适应社会发展的特色实用人才作为首要目标。促进学生 知识、能力、素质三方面的协调发展和整体提高，培养适应时代需求和为社会主 义现代化建设服务的具有创新精神以及各类实用技术的高素质管理人才，是我们 实施素质教育的一个方面。 素质教育最基本的理解应该是“以提高人们来适应现代社会精神文明和物 质文明需要为根本目的的教育”翻。素质教育是以人为本，适应当代经济社会发 展需求的高水平、高质量的教育。 专业素质教育是素质教育的重要组成部分，专业素质教育应该是面向社会实 际需求，理论与实际相结合的，而不只是单纯满足理论或者实验室环境下的需要。 但是目前在大学生中普遍存在一种现象：每天坐在课堂中，面对书本却并不知道 自己现在所学知识如何运用到实际生产中去，感觉所学的知识枯燥无味，不能提 高自身的学习热情，达不到掌握知识的目的。这与素质教育的目标相去甚远。面 对这种情况，我们想为电子技术学科设计一个多媒体课件，通过它来向同学们展 示这一学科在实际产品开发中的应用。利用多媒体系统生动、形象的图像、声音、 文字、动画，全面调动学生的各种感官，极具感染力的特点。促进学生非智力因 素的培养，激发学生的学习兴趣和内部动机，活跃学生的思维过程；使学生轻松 愉快地投入学习，减轻了学生的负担，增进了学生的身心健康。 所谓多媒体技术就是将诸如文字、数据、语言、图形、图像、声音、音乐、 动画等多种媒体结合在一起，并通过计算机进行综合处理和控制而形成的一种信 息技术。随着多媒体技术的日益成熟和普及，多媒体技术在教育中的应用越来越 普遍。多媒体课件做是为实现教学目标而服务的一种辅助教学手段，只要很好选 定教学课题和教学目标，就能创作出符合教学实际的多媒体课件，发挥多媒体特 长，有效地调动和充分发挥学生的学习积极性和主动性，提高课堂教学效率。 这次设计工作采用的是产学研相结合的方式来完成的。在以往的传统教育 实践中，主要采用的是重理论轻实践的教育模式，从而忽视了对学生进行创新 能力和实践动手能力的培养，为了培养出适应新环境下的高素质技术人才，走 产学研相结合的教育模式之路势在必行。目前有些企业的产品已经不能满足市 场的要求，但由于电子人才流失和缺乏资金，其原有的产品和工艺得不到技术更 新与改造，而市场急需的产品又没有能力开发出来，其结果造成恶性循环，举步 墨兰堑蔓奎兰堡主兰垒望塞蔓= 兰些垦 维艰，经营困难。而高等学校的特殊环境，聚集着具有高新知识和技术的人才 与学生，还有目前先进的电子技术和e d a 实验室。这是目前大多数国有企业，特 别是中、小企业无法具备的优势。产学研相结合实现了高等学校、科研机构及 企业的优势互补，为学生提供了参加生产实践和科研实践的机会，特别是在科 研实践中培养了学生的创新能力。学生们正好利用自己理论知识新、基础厚、 精力旺盛的优势，在企业工程技术人员指导下，克服其实际经验不足的劣势，利 用目前所学过的先进理论和e d a 工具优势，站在巨人肩膀上。修改、升级老产品， 开发新产品满足市场需求，提高自身专业素质。 本文的研究目的就是利用电子技术设计一个实用的产品，为多媒体软件的制 作提供一个真实的实例对象，同时也是一次产学研相结合教育模式的实践。设计 工作以单片杌与接口技术为核心，结合数字电路内容，这样将来通过多媒体软 件的展现，可以使学生获得单片机应用系统设计的基本理论、基本知识与基本技 能，了解单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，以及单片机在测量、控 制、智能化等电子应用领域的运用。 在选题时考虑到随着科学技术的不断发展，文印设备也得到了高速的发展， c a d 出图、晒图的速度都以几倍甚至几十倍的速度提高。叠图是文印部门必须 要做的工作之一，但目前国内叠图工作大多数都是以手工为主，不仅效率低而且 质量不稳定。而叠图机以其叠图速度快，精度高，操作简单，成为取消耗时费力 的手工叠图，轻松完成大量叠图任务的理想设备。叠图机将成为今后几年内文印 部门必备的产品之一。因此我们以叠图机为设计对象，本文主要围绕自动叠图机 的研制展开。 本章主要介绍关于叠图机的现状及论文研究的内容。 1 1 叠图机概述 叠图机以输出叠图成品分两类：半自动( 仅叠一个方向) 和全自动( 又称： 十字叠、一次成图) 。以功能分两类：联机( 在线) 叠图机和独立式叠图机( 人 工送入图纸) 。联机( 在线) 叠图机主要与c a d 输出设备相连，设计人员可以 通过网线或单机指令指示图纸的叠图方式。叠图机由于受机械结构及控制电器的 限制，在叠图的速度上没有本质的差距，所谓的高档叠图机就是增加几项非主要 功能而已。 目前，国外叠图枧可实现双模式叠图，既能与工程打印机联机使用( 在线 叠图) ，网络中的每个用户都可以在自己的计算机上，了解到在线叠图机的工 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 作状态和叠图模式，可以在打印或复印图纸时选择不同格式的叠图方式。用户不 必到叠图机前来选择叠图模式，真正实现远程控制，当然也可以脱机使用( 手工 送图，可以叠蓝图或由其它打印设备打印的自图) 。双模式叠图机可以完成所有 不同的叠图任务。 叠图机在国外普及率极高，2 0 年前欧洲生产叠图机的大厂很多，那时计算 机技术刚刚开始应用，计算机技术结合传感器技术使叠图机一夜间在欧洲普及。 时至今日以这些技术为基础的叠图机还在大批量的工作，其叠图的精度、速度不 比现在的最新型号叠图机差。现在欧美生产的叠图机主要是供给旌乐、奥西、奇 普、瑞网等厂家的c a d 输出设备配套。 国内市场上的叠图机主要为瑞士b a y 公司的b a y 叠图机，德国瑞网公司的 r o w e f o l d 系列叠图机以及意大利瑞格利叠图机。德国瑞网公司是国际上公认的大 型工程图纸处理设备的最专业的制造商，于九十年代开始研制开发全数字网络化 工程文件处理系统，产品至今已在一百三十个国家和地区得到广泛使用。进入中 国市场的叠图机基本是国外档次最低的产品，其主力产品在国内基本没有市场， 原因就在于价格。举例讲：一台联机( 在线) 与c a d 输出设备相配的叠图机的 价格在人民币3 0 万以上，这个价格几乎与c a d 输出设备相同。一台独立式全自 动叠图机的价格也超过人民币2 0 万，只有半自动叠图机的价格比较低，一般在 6 - 9 万元。其中意大利产品的价格最低，德国的最贵。总体相比之下叠图机进口 价格还是偏贵。 面对巨大的市场商机，目前国内许多厂家纷纷投入叠图机的开发，如北京 市万奥印制设备公司以及天津诺威科技发展有限公司均已开发出各自的 产品。叠图机的主要部件( 包括机械、电器控制) 的技术早已被国内各行各业 所掌握，我们只要将各行各业的产品技术集中到叠图机上来，就可以开发出具有 自主知识产权的叠图机产品。今后几年国产叠图机不仅功能质量将逐步完善，其 价格也将很快趋于合理，半自动叠图机价格将控制在4 万元人民币内，全自动叠 图机价格将控制在1 0 万元人民币左右。 为了开发适应国内市场的叠图机产品，我们与企业共同合作，来完成自动叠 图机项目，同时这也是我们与企业联合申请的天津市教委基金项目，由企业提供 机械部分的制造安装，我们来完成控制部分的设计与编程以及今后的更新与升级 工作。我们的优势是能够较快了解和学习当今国内外最新技术，而企业具有丰富 经验，两者结合也是产学研的最好结合。 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 论文研究的内容 本文的组织方式主要按照叠图机研发的过程依次展开。 全文共分七章。第一章概括介绍项目背景。第二章对整个控制系统的设计进 行简单的总体介绍。第三章主要讲述主控电路部分的设计工作。第四章为键盘、 显示部分的设计介绍。第五章讲述了步进电机控制部分的设计。第六章为单片机 控制程序的编写与调试介绍。第七章为总结与展望，在总结本项目的基础上，提 出了下一步的工作设想。 天津师范大学硕士学位论文 第二章系统设计 第二章系统设计 设计过程中将自动叠图机控制系统分成三部分：键盘、显示部分，单片机主 控制部分以及步进电机驱动部分。三部分各自独立又有机的结合共同构成整个叠 图机的自动控制系统。 本章主要介绍系统的总体设计思想及系统结构。 2 1 系统设计目标 项目的设计目标是实现叠图机的自动控制，它的功能包括叠图机接通电源 后，机器内部存在一个默认尺寸的程序，用户也可以通过按键来选择其它的叠图 尺寸。尺寸确定好后，只需将所要折叠的图纸沿叠图机进纸板的特定位置推入， 叠图机内部的进纸步进电机自动启动，将图纸不断送进叠图机内，并在特定时刻 启动叠图步进电机自动完成叠图工作，叠图完成后自动将图纸从出纸平板送出， 若图纸还需要纵向折叠，只需将图纸纵向再次送入叠图机，此时叠图机将自动按 纵向尺寸叠图。 2 2 控制电路的结构与设计 控制系统是通过三个分别具有各自独立功能的电路共同工作来实现的，三部 分的联系图如图2 一l 所示。 图2 1 总体电路图 天津师范大学硕士学位论文 第二章系统设计 各部分的功能如下： 键盘、显示部分( k e y 部分) ：通过面板上的按键可以实现对不同叠图程 序的选择，同时通过l e d 将所选择的程序显示出来；按键信号及控制l e d 显示信 号都是经数据线传送由主控电路板完成处理的。 单片机控制部分( c p u 部分) ：单片机控制部分接收到键盘的按键信号后 经过输入电路的处理，将信号以并行通信方式送到c p u 的数据端口，经内部程序 处理，按具体情况更改内部特定单元的数据，并将控制l e d 显示的信息通过特定 端口以串行通信方式发出，经输出电路的处理由数据线送至键盘、显示器控制板， 控制显示内容。c p u 接受传感器的输入信号，根据输入值来判断图纸行进的位置 并给出不同的控制信号来控制步进电机。 步进电机驱动部分( m o t o r 部分) ：接收单片机控制部分发送过来的电机 控制信息及时钟脉冲信号，经信号分配、功率放大后驱动步进电机，完成对图纸 的折叠。 天津师范大学硕士学位论文 第三章叠图机主控电路设计 第三章叠图机主控电路设计 叠图机主控电路接收键盘及传感器信号，经过程序处理发送l e d 的显示及步进 电机驱动的控制信号实现自动叠图。本章主要介绍主控电路中的输入输出电路、单 片机及其外围电路。以下将对其各部分分别进行介绍。 3 1 主控电路的功能 主控电路是实现叠图机叠图功能的关键环节。主控电路主要分为三部分：输入 信号处理、单片机及其外围电路、输出信号处理。它的原理框图如图3 - 1 示。 _ ， 卜一舢净袒雌l 删i ；一呈 图3 - 1 主控电路原理框图 当外部信号发送到主控板后，信号经过处理以并行方式送到c p u 的p 0 口，单片 机读取p 0 口的数值，根据内置程序进行信号判断并发送相应的控制信号给输出电 路，控制整个叠图机的正常工作。 3 2 输入信号的处理 输入信号处理部分由7 4 l s 0 5 ，7 4 h c 2 4 4 ，c d 4 0 7 5 以及g a l l 6 v 8 等芯片电路组成， 采用并行通信的方式将信号传送到单片机的p 0 口。以下简单介绍其功能及在电路中 的作用。 7 天津师范大学硕士学位论文 第三章叠图机主控电路设计 3 2 1 元件介绍 7 4 l s 0 5 是一个集电极开路输出的六路反向器。在输入信号处理电路中，外部 键盘、传感器信号传送到主控电路后首先经7 4 l s 0 5 芯片处理，得到单片机数据输入 口所需的稳定的高低电平信号。传感器输入信号则经7 4 l s 0 5 芯片再次处理后连接到 l e d 指示灯，便于调试时对输入信号进行观察。 7 4 h c 2 4 4 为三态输出的八缓冲器。输入信号处理电路利用7 4 h c 2 4 4 处理经过 7 4 l s 0 5 处理的开关量。在输入电路中传感器信号及按键信号都是输送到单片机的p o 口，因此要通过单片机的特定端口：p 2 6 ，p 2 7 分别发送片选信号控制输入电路中 的7 4 h c 2 4 4 芯片，选择在某一特定时刻单片机p o 口的信号是按键信号还是传感器信 号。方便单片机做出相应的处理。 c d 4 0 7 5 芯片是一个三输入或门芯片。在输入信号处理过程中，利用一个 c d 4 0 7 5 芯片来处理按键的输入信号，当有任意按键按下时，经过此芯片产生一个低 电平信号送至单片机的外部中断端口i n t o ，引起c p u 响应中断，单片机通过预制的 中断程序完成对按键信号的消抖、键值判断、l e d 显示信息的发送以及关键寄存器 参数的修改。 3 2 2 通用阵列逻辑 设计中用到了g a l l 6 v 8 芯片，g a l ( 通用阵列逻辑，g e n e r i ca r r a yl o g i c ) 是 在p a l ( 可编程阵列逻辑，p r o g r a m a b l ea r r a yl o g i c ) 的基础上发展起来的一种 具有较高可靠性和灵活性的新型可编程逻辑器件1 3 7 1 ，它采用了e e p r o m 工艺，实现 了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很 强的灵活性。g a l 器件的主要特点有：较高的通用性和灵活性；1 0 0 可编程；1 0 0 9 6 可测试；均采用高性能的e 2 c o m s 工艺。 g a l 器件型号的定义和p a l 一样根据输入输出的数量来确定，g a l l 6 v 8 中的1 6 表示阵列的输入端数量，8 表示输出端的数量，v 则表示输出形式可以改变的普通型。 g a l l 6 v 8 的片内逻辑阵列图如图3 2 所示。 g a l l 6 v 8 输入部分与阵列是由1 6 个信号形成3 2 条互补输入垂直线和6 4 条水平 乘积线构成的3 2 6 4 的矩阵，即有2 0 4 8 个可编程单元。输出逻辑宏单元o l m c 墨苎塑蔓查兰堡圭兰垡堕苎 墨三兰塞里墨圭苎皇墅堡生 ( o u t p u tl o g i cm a c r oc e l l ) 由或门、异或门、d 触发器、多路选择器m u x 、时钟 控制、使能控制和编程元件等组成。 控制电路中，g a l l 6 v 8 负责当有传感器或按键信号输入时分别向单片机发送不 同的外部中断信号，将电机的时钟控制信号发送至输出电路。 图3 - 2g a l l 6 v 8 内部逻辑阵列图 墨登堕翌查兰堡主兰垡笙苎 苎三兰兰望垫圭芝皇竺苎堡兰 以上几种芯片共同构成了主控电路的输入部分完成对输入信号的初步处理。 3 3 单片机及其外围电路 下面对主控电路中单片机及其外围电路的一些元件及其在电路中的作用进行具 体介绍。 3 3 1 单片机 单片机及其外围电路图组成框图如图3 3 所示。 p or p i 6 p 1 7 挖5p l5 p 26 p i 2 p l3 p 2 7舳 a v r l n 】d i n n 图3 - 3 单片机及其外围电路组成框图 叠图机控制电路设计选用的单片机是a t 8 9 c 5 2 芯片。a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公 司生产的低电压、高性能c m o s8 位单片机p 司，片内含8 kb y t e s 的可反复擦写的只 读程序存储器( p e r o m - p r o g r a m m a b l ea n d e r a s a b l er e a do n l ym e m o r y ) 和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m - r a d o ma c c e s sm e m o r y ) ，器件采用a t m e l 公司的高密 度、非易失性存储技术生产，与标准m c s 一5 l 指令系统及8 0 5 2 产品引脚兼容，片内 置通用8 位中央处理器( c p u c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 和f l a s h 存储单元，功能 强大，适合许多较为复杂控制应用场合。 a t 8 9 c 5 2 提供的标准功能包括：8 k 字节f l a s h 闪速存储器，2 5 6 字节内部r a m ， 墨堡塑蔓查兰堡主兰垡堡塞 苎三兰墨塑垫圭篓皇些堡生 3 2 个i o 口线，3 个1 6 位定时计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串 行通讯口，片内震荡器及时钟电路。同时，a t 8 9 c 5 2 可降至0 h z 的静态逻辑操作， 并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止c p u 的工作，但允许r a m 、定 时计数器、串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存r a m 中的内容，但振荡 器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。a t 8 9 c 5 2 的方框图如图 3 4 所示。 p 0 口是一组8 位漏极开路型双向i o 口，也即地址数据总线复用口。作为输 出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8 个t t l 逻辑门电路，对端口p o 写1 时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分 时转换地址( 低8 位) 和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在f l a s h 编程时，p 0 口接收指令字节，而在程序校验时，要求外接上拉电阻。 图3 - 4a t 8 9 c 5 2 方框图 丕苎堑蔓查兰塑主兰垡丝苎苎三兰墨里垫圭丝皇堕堡生 p 1 口是一个带内部上拉电阻的8 位双向i 0 口，p 1 的输出缓冲级可驱动( 吸收 或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对端口写“l ”，通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个 引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。f l a s h 编程和程序校验期间，p l 接收低8 位地址。 p 2 口是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 的输出缓冲级可驱动( 吸 收或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对端口写“1 ”，通过内部的上拉电阻把端口 拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某 个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或1 6 位地址的外 部数据存储器时，p 2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器时， p 2i ：1 输出p 2 锁存器的内容。f l a s h 编程或校验时，p 2 亦接收高位地址和一些控制 信号。 p 3 口是一组带有内部上拽电阻的8 位双向i oe l 。p 3 口输出缓冲级可驱动( 吸 收或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对p 31 7 1 写入“1 ”时，它们被内部上拉电阻 拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的p 3 口将用上拉电阻输出电流。p 3 口 除了作为一般的i o 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3 - 1 所示。此外， p 3 口还接收一些用于f l a s h 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 端口引脚第二功能 p 嘎o鞍越( 赢符输入口) p 囊，阜行输出口) p s 0藕孽豫( 外中新0 ) p 氛3辩i ( 多 中掰1 ) p 氛|询( 定时，计数嚣o ) p 氛5t 1 ( 定时，计数嚣1 ) 嗽擘激( 多嘲数据存储蒜写i 亳矮) 附l 晒( 岁滔数据存赭嚣读选逶) 表3 - 1p 3 口的第二功能表 在叠图机控制电路设计当中单片机的各个i o 口的作用如下： 墨堡墅蔓查鲎塑圭兰堡丝苎 苎三兰墨鬯! ! 圭丝皇竺苎堡生 p 0 口被用来做双向i o 口，一方面通过并行通信方式接收传感器及键盘的输 入信号：当接收按键信号时，从p o 0 至p 0 5 口分别对应六个按键；当接收传感器 信号时，p o 0 至p 0 7 可分别对应8 个传感器信号。另一方面用来输出单片机发出 的对步进电机的控制信号，p o 0 至p 0 2 ，p o 3 至p o 5 分别发送对两个步进电机工 作方式的控制信号。此外p 0 口还在程序初始化时用来向m 8 2 5 3 芯片发送控制数据及 计数值。 p 1 口主要用来输出对l e d 显示的数据、控制信号以及控制步进电机时钟信号 的发送：p 1 2 、p 1 3 管脚用来控制m 8 2 5 3 芯片的输出信号，决定其是否有脉冲输出， 此输出脉冲即为步进电机工作所需的时钟信号。p 1 5 管脚利用单片机内部一个定时 计数器来实现定时翻转，为看门狗芯片k 4 x s l 3 发送喂狗信号。p 1 6 管脚用来发 送l e d 显示驱动芯片m a x 7 2 1 9 的时钟脉冲信号。p 1 7 管脚发送串行信号控制l e d 显 示驱动芯片m a x 7 2 1 9 的控制数据及显示数据。 p 2 口主要通过控制电路中各路7 4 h c 2 4 4 芯片来控制输入到p 0 口的信号内容， 以及控制输出电路中部分芯片的使能端来控制主控电路对外的信号输出，p 2 o 、p 2 1 则用来控制m 8 2 5 3 芯片的地址线。 p 3 口是利用了它端口引脚的第二功能来响应中断并控制电路芯片：p 3 1 脚 ( r x d 脚) 用来发送显示驱动芯片m a x 7 2 1 9 的片选控制信号。p 3 2 脚( i n t 0 脚) 用来接收传感器输入信号引起的中断。p 3 3 脚( i n t l 脚) 用来接收按键引发的中 断信号。p 3 6 脚( w r 脚) 用来连接m 8 2 5 3 芯片的w r 脚控制对该芯片数据的写入。 p 3 7 脚( r d 脚) 连接m 8 2 5 3 芯片的r d 脚控制对该芯片内部数据的读取。 3 3 2 看门狗芯片 i _ i a x 8 1 3 芯片是一个典型的看门狗芯片，其方框图如图3 5 所示。 看门狗( w a t c h d o gt i m e r ) ，是一个定时器电路删，一般有一个输入w d i 端， 叫喂狗端，一个输出到微控制器的r s t 端，微控制器正常工作的时候，每隔一段时 间输出一个信号到喂狗端，给? d t ( w a t c h d o gt i m e r ) 清零，如果超过规定的时间 不喂狗，( 一般在程序跑飞时) ，w d t 定时超过，就会给出一个复位信号到微控制器， 使微控制器复位，防止微控制器死机。看门狗的作用就是防止程序出现死循环，或 者说程序跑飞。 天津师范大学硕士学位论文第三章叠图机主控电路设计 遨h 犁 _ d 蓄娜。囱由娜早 卟r l 竺r ! e 型f i t l l 落矗徽 杂 一韭 图3 - 5m a x 8 1 3 方框图 艇s h 嘲 工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计 数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看 门狗中断，造成系统复位。硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行， 也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位。如 果出现死循环，或者说p c 指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。 在叠图机的电路设计中就是用单片机中的t o 定时器中断程序处理来达到定时 翻砖p 1 5 脚的状态，并传送至m a x 8 1 3 的釉i 口进行喂狗，防止程序跑飞的。 3 3 3 计数分频嚣 7 4 h c 4 0 6 0 是高速c m o s1 4 级二进制串行计数分频器，提供十种分频输出，最 高可达到1 1 6 3 8 4 倍分频。其逻辑框图如图3 6 所示。 在叠图机设计电路中，该芯片用来对一个4 m i z 的晶体震荡器进行2 4 分频，其 输出作为m 8 2 5 3 的时钟源，该信号再经m 8 2 5 3 处理后作为步进电机的时钟控制信号 来控制步进电机的转速。 天津师范大学碛士学位论文第三章叠图机主控电路设计 3 3 4 电源 图3 - 67 4 h c 4 0 6 0 芯片逻辑框图 l 4 9 6 2 是单片集成开关电源芯片，其原理框图如图3 7 所示。 3 - 7l 4 9 6 2 原理框图 1 5 - 蒌鲞盟蔓查兰堡主兰垒丝塞兰三兰墨望垫主垫皇堕堡生 在l 4 9 6 2 的这些引脚中，1 0 脚为反馈端，通过电阻分压器( 检测电阻) 可将 输出电压的一部分反馈到误差放大器。1 l 脚是补偿端，该端与误差放大器的输出端 相连，可利用外部阻容元件对误差放大器进行频率补偿。1 4 脚接定时电阻和电容可 用于决定开关频率。1 5 脚为软启动引脚外接软启动电容可以对芯片起到保护作用。 4 、5 、1 2 、1 3 脚为信号地。7 和2 脚分别为输入和输出引脚。此外，1 、3 、6 、8 、9 、 1 6 脚为空脚。 l 4 9 6 2 的内部功能电路主要包括：5 1 v 基准电压源、误差放大器、锯齿波发 生器、p w m 比较器、功率输出级、软启动电路、输出限流保护电路以及芯片过热保 护电路。检测电阻r 3 、r 4 组成分压器可用于调节输出电压v o 。如果不用分压器， 而直接把v o 反馈到2 脚，v o 则输出固定的+ 5 v 电压。另外，根据需要，在r l 、c 3 两端还可并联一只高频滤波电容。l 是储能电感，c 5 是输出滤波电容，v d 3 为续流 二极管。l 、c 5 和v d 3 构成了降压式输出电路。功率脉冲调制信号从7 脚引出。该 信号为高电平( 开关功率管导通) 时，除可向负载供电之外还有一部分电能储存在 l 和c 5 中，此时v d 3 截止。当功率脉冲信号变为低电平( 开关功率管关断) 时，v d 3 导通，这样，储存于l 中的电能就经过由v d 3 构成的回路向负载供电，从而维持输 出电压v o 不变。 它的主要优点是集成化程度较高( 内含开关功率管和保护电路) ，外围电路简 单，输出电压连续可调，并且稳压性能好。在叠图机电路中用它来实现低压d c d c 电源变换。将直流2 4 v 变为直流5 v 从而为电路中的芯片提供稳定的5 v 工作电源。 其在电路中的应用如图3 - 8 所示。 图3 - 8l 4 9 6 2 芯片及其外围电路 天津师范大学硕士学位论文 第三章叠圈机主控电路设计 3 4 输出信号处理 输出信号主要包括步迸电机的控制信号、脉冲信号以及对于l e d 显示驱动芯片 的控制信号。 在输出电路中由单片机和其它芯片输出的信号经7 4 h c 2 4 4 芯片锁存后再经光电 隔离芯片将单片机及其外围电路与外部电路进行隔离，后经- - a 重达林顿反相驱动 器处理送至信号输出接口处。 具体芯片原理及应用介绍如下 3 4 1 光电耦合嚣 t l p 5 2 1 4 芯片是一个光电耦合器，一般用在v f c ( 模数插件) 及开关量输入或 输出回路中，主要起电气隔离作用。它不仅起高压隔离作用及满足安全规范要求， 还有信号隔离作用，提高单片机抗干扰能力保护单片机。其框图如图3 9 所示。 髓j p 5 2 l _ 图3 - 9t l p 5 2 1 - 4 的框图 光电耦合器由发光二极管和光敏三极管两部分组成t 4 0 l 。信号传输是单方向的， 左右两部分在电气上是独立的，由两套电源供电，有各自的参考电位。 输出电路中还有t i l l l 3 芯片，它的作用与t l p 5 2 1 - 4 相同，两者的区别在于它们 的封装的内部结构不同，t i l l l 3 的封装内部带有基极端子，如图3 1 0 所示。 m ” ” 他 n 加 9 天津师范大学硕士学位论文 第三章叠圈机主控电路设计 蔽 帕 甄 枷 3 一1 0t i l i l 3 的框图 叠图机设计中利用光隔离器组成的光电隔离电路将控制器与外部的电路隔离开 来，使得外部电路的变化不至于影响或者损坏控制系统，从而提高系统的可靠性， 增强抗干扰能力 3 4 2 达林顿阵列驱动 u l n 2 8 0 4 是一个达林顿阵列，其原理框图如图3 一1 1 所示。 r ” m 叮兽下之下” t、 o l 驽l _ 鹧- l 已嘉一i - ! 。= i 。 图3 一i iu l n 2 8 0 3 原理框图 它通常是专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动 势的二极管。u l n 2 0 0 3 的输出端允许通过i c 电流2 0 0 m a ，饱和压降v c e 约l v 左右，耐 压b v c e o 约为3 6 v 。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输 出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器( s s r ) 等外接控制器件。 在叠图机的输出电路中，此芯片被用来做后续电路控制开关，通过单片机的输 出信号控制此芯片右侧电路的是否导通，实现数字信号向后续电路的传递。 除以上这些芯片，电路中还包括7 4 h c 2 4 4 芯片，被用来对部分输出的信号进行锁 存，由单片机来对这些芯片发送控制信号，从而实现特定时刻单片机对输入、输出 信号的选择处理。主控电路板原理图如图3 1 2 所示。 天津师范大学硕士学位论文 第三章叠圈机主控电路设计 图3 1 2 叠图机主控电路图 此电路具有独立的电源芯片，实现自身稳定的电源供给，完整的信号输入输出 处理回路以及单片机的外围电路，对输入输出信号做了抗干扰处理，即使较恶劣的 工作环境也不会影响单片机的性能。 天津师范大学硕士学位论文 第四章键盘及l e d 的设计 第四章键盘及l e d 的设计 叠图机的键盘及l e d 显示部分的电路很简单，主要由输入信号处理、按键、 l e d 驱动器及l e d 数码管等组成。它是完整的人机界面模块，通过数据线实现与 控制部分的通信，进行信号的处理。 这部分的电源与主控电路电源处理方式相同，都是由l 4 9 6 2 芯片及其外围电 路实现将2 4 v 直流电源转换成5 v 直流电源来为电路板供电。 键盘由六个按键组成，可用来选择不同的叠图尺寸。按键信号发生后直接经 信号线传送至主控电路的信号输入端。 主控电路传送过来的信号经一个t l p 5 2 1 - 4 光电耦合器隔离处理，产生高低 电平送至l e d 驱动芯片m a x 7 2 1 9 的输入端。 4 1l e d 驱动 电路设计中l e d 驱动选用的是m j ( 7 2 1 9 芯片，m a x 7 2 1 9 是美国m a x i m ( 美信) 公司推出的多位l e d 显示驱动器【”】，采用串行通信方式传送数据，可 直接与单片机接口连接，用户能方便的修改其内部参数，以实现多位l e d 显示。 它内含硬件动态扫描显示控制，每枚芯片可驱动8 个l e d 数码管，也可直接驱 动6 4 段l e d 条形图显示器。当多片m a x 7 2 1 9 级联时，可控制更多的l e d 。也 完全可以将m a x 7 2 1 9 的一部分用于条形图显示，一部分用于其他显示( 如数字 和字母等) 。显示的数据由单片机送给m a x 7 2 1 9 。 4 1 1 逻辑结构 m a x 7 2 1 9 主要由8 个数位寄存器和6 个控制寄存器组成： 数位寄存器7 o ：它决定该位l e d 显示内容。 译码方式寄存器：它决定数位寄存器的译码方式，它的每一位对应一个数 位。其中，1 代表b 码方式；0 表示不译方式。若用于驱动l e d 数码管，应将 数位寄存器设置为b 码方式：当用于驱动条形图显示器时，应设置为不译码方 式。 扫描位数寄存器：设置显示数据位的个数。该寄存器的d 2 d 0 ( 低三位) 指定要扫描的位数，支持o 7 位，各数位均以1 3 k h z 的扫描频率被分路驱动。 天津师范大学硕士学位论文 第四章键盘及l e d 的设计 亮度控制寄存器：该寄存器通常用于数字控制方式，利用其d 3 d o 位控 制内部脉冲宽度调制d a c 的占空比来控制l e d 段电流的平均值，实现l e d 的 亮度控制。d 3 d o 取值可从0 0 0 0 1 1 1 1 ，对应电流占空比则从1 3 2 变化到3 1 3 2 ， 共1 6 级，d 3 d o 的值越大，l e d 显示越亮。而亮度控制寄存器中的其他各位 未使用，可置任意值。 显示测试寄存器：它用来检测外挂l e d 数码管各段的好坏。当d o 置为1 时，l e d 处于显示测试状态，所有8 位l e d 的段被扫描点亮，电流占空比为3 1 3 2 ； 若d o 为0 ，则处于正常工作状态。d 7 d 1 位未使用，可任意取值。 关断寄存器：用于关断所有显示器。当d o 为0 时，关断所有显示器，但 不会消除各寄存器中保持的数据；当d o 设置为1 时，正常工作。剩下各位未使 用，可取任意值。 无操作寄存器：它主要用于多m a x 7 2 1 9 级联，允许数据通过而不对当前 m a x 7 2 1 9 产生影响。 4 1 2 引脚说明 m a x 7 2 1 9 是共阴极l e d 显示驱动器，它的功能框图如图4 - 1 所示，其功能 说明如下。 1 m 了z h0 m y 图4 - 1m a x 7 2 1 9 的功能框图 天津师范大学硕士学位论文 第四章键盘及l e d