（检测技术与自动化装置专业论文）基于LPC2214挤奶机自动清洗控制器的设计.pdf

中囝农业大学硕士学位论文摘要 摘要 随着我国畜牧业的不断发展，国内奶牛场对挤奶机自动清洗控制器的需求越来越迫切。本课 题的目标在于：研究开发出经济实用、功能齐全的挤奶机自动清洗控制器，提高我国挤奶机产品 的市场竞争力，促进我国畜牧业的健康发展 目前使用的挤奶机清洗控制器其清洗参数大都不可调，而且没有与上位机通讯的功能。根据 这种情况，本课题设计了使用方便、功能齐全的挤奶机自动清洗控制系统本控制器采用p h i l i p s 的a r m 7 芯片l p c 2 2 1 4 作为c p u ，硬件电路主要包括：a r m 系统，液晶显示，键盘扩展、温度 采集、液位采集、控制及串口通讯等部分下位机程序采用c 语言编写，上位机软件采用v c + + 6 0 实现。该控制器能通过电磁阀和蠕动泵控制冷水、热水及酸液、碱液的加入，同时检测水温和液 位信号，调配出温度、浓度适宜的清洗液，并完成对挤奶机的分时、分类、分线路的全自动清洗 控制器人机界面友好、适用范围广，可由上位机进行监控，各清洗参数均可以根据需要进行调整 该清洗控制器不仅能保证清洗质量，还能提高生产效率，减少工人的劳动强度。系统经过现场调 试，运行稳定、清洗效果良好 关键词：挤奶机，自动清洗，l p c 2 2 1 4 ，r s 4 8 5 通讯 中国农业大学硕士学位论文 。 a b s t r a c t i a b s t r a c t w i t lt h ed e v e l o p m e n to fl i v e s t o c kh u s b a n d r y , t h ea u t o m a t i cc l e a n i n gc o n n , o l l e ro fm i l k i n g m c h i n ci sn e e d e dm o ”a n dm o l eu r g e n t l yi nd o m e s t i cc a t t l ef a r m s t h eg o a lo f t h i sp r o j e c ti st h es t u d y a n dd e v e l o p m e n to f al a a c f i c a la n dl o wc o s ta u t o m a t i cc l e a n i n gc o n t r o l l e rs y s t e mi nh o p e so f i n c r e a s i n g t h em a r k e tc o m p e t i t i o na b i l i t yo f t h eh o m e - p r o d u c e dm i l k i n g c h i n ea n da c c e l n 妇gt h ed e v e l o p m e n t o f l i v e s t o c kh u s b a n d r yi no u r c o n n t r y o a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o nt h a tt h ec l e a n i n gc o n t r o l l e ro f m i l k i n gm a c h i n e0 1 1t h em a r k e tc a l ln o t a d j u s ti t sc l e a n i n gp a r a m e t e r sa n dc o n u u u n i c a t ew i t ht h eu p p e rs u p e r v i s i n gs y s t e m , af u r - f u n c t i o n e d a u t o m a t i cc l e a n i n gc o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nt h ep r o j e c t t h i sc o n t r o l l e ra d o p t st h ep h i l i p sa r m 7d l i p l p c 2 2 1 4a sc p u t h ed e s i g n so fa r ms y s t e m , l c dd i s p l a y , k e y b o a r d , t e n g , e r a u ma n dl e v e ls i g n a l a c q u i s i t i o n 。c o n u o ls y s t e ma n ds e r i a le n m n n u n i c a t i e n 眦p r e s e n t e di nd e t a i lt h ep r o g r a m so f c p u a n d l l p p c fs u p e r v i s i n gs y s t e mmd e v e l o p e db yca n dv c + + 6 0r e s p e c t i v e l y t h es y s t e mc o n t r o l st h e a d d i t i o no fc o l dw a 船：h o tw a t e r , a c i df i q u i da n da l k a l il i q u i db ym a g n e tv a l v ea n dc r a w l i n gp u m p t h r o u g hm e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r ea n dw a t e rl e v e l , p r o p e rc l e a n i n gl i q u i dw a sn f i x e dt oc l e a at h em i l k m a c h i n e a u t o m a t i c a l l y t h e c o n t r o l l e r h a s f r i e n d l y i n t e r f a c e a n d w i d e a p p l i c a t i o n i tc a n b e m a n i p u l a t e d b yt h eu p p e rs u p e r v i s i n gs y s t e ma n dt h ec l e a n i n gp a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e rc mb ea d j u s t e d c o n v e n i e n t l ya c c o r d i n g t op r a c t i c a ln e e d 羽| l cl j s eo f t h i ss y s t e mc a nn o to n l ye n s u r et h ec l e a n i n gq u a l i t y o fm i l k i n g 程曙幽e b u ta l s o 越l a n c oc l e a n i n ge f f i c i e n c y s o m ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt ot e s tt h e c l e a n i n gc o n t r o l l e r , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mr i m ss t a b l y k e y w o r d s ：m i l k i n gm a c h i n e ，a u t o m a t i cc l e a n i n g , l p c 2 2 1 4 , r s 4 8 5c o n a m m i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 洪爱 时间： 助刃年多月2 护日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，邵：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 【保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名；岁头俊时间；立胡年歹肋日 导师签名： 时间。彻叨年6 肋日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 近年来我国乳品产业飞速发展，据波恩市场和价格信息中心报道，中国的牛奶产量一直保持 年均2 3 的商增长速度。2 0 0 5 年牛奶产量为2 7 5 亿吨，专家预测，到2 0 1 0 年中国的产奶量将达 到4 亿吨l l 】，届时将超过俄罗斯、巴基斯坦和德国，一跃戎为世界第三产奶大国。然而最近一项 调查显示：中国人均奶类占有量为2 1 7 k g ，仅为世界平均水平的五分之一这一反差从侧面说明 了我国乳品市场有着潜在的消费需求世界卫生组织已把人均乳品占有量列为衡量一个国家人民 生活水平的主要指标。奶类制品中，从吸收利用率来说，牛奶与人奶最接近，它含有丰富的营养 物质和各种长量，微量维生素、酶和抗体等，其蛋白消化吸收率高达9 8 ，钙吸收率高达7 0 ， 而一般食品仅为2 0 3 0 2 1 由于饮用牛奶对人体健康有益，政府也制订了针对乳业的相关扶 持政策，在十五计划中明确提出对发展乳业持鼓励态度，并投入巨资实施奶业重大关键技术研究 与产业化技术集成示范 随着我国乳品产业的不断发展，人们对于乳品产业也投入了更多的关注，一个公众普遍关心 的问题就是牛奶的卫生和质量而要真正提高牛奶的卫生和质量就要从奶源开始把关，这其中的 一个关键就是挤奶设备的清洗如果挤奶设备清洗不干净，则牛奶的卫生质量肯定无法保证近 年来，挤奶机在奶牛场中的应用日益广泛大型乳品企业都要求采用原位挤奶由于牛乳的脂肪 容易黏附于奶管的周围，用冷水很滩清洗，容易滋生细菌。因此保证挤奶机设备的清洁卫生是奶 牛场提高原料奶卫生指标的有效途径。挤奶机的清洗有手动清洗和自动清洗两种方式手动清洗 时，清洗的过程和时问由操作人员控制，清洗是否干净由操作人员通过肉眼观察决定。如果操作 人员在清洗时减少清洗步骤或时间，挤奶机的清洗质量就很难保证，牛奶的卫生和质量就会受到 影响，而且操作人员在清洗的不同阶段需要打开或关闭大量的电磁阀，容易出错，劳动强度较大 而自动清洗时，清洗工作由控制器按照相关标准自动完成，操作人员只需根据需要调整清洗参数 即可自动清洗不但能够确保清洗质量，而且降低了工人的劳动强度，提高了工作效率 本课题是2 0 0 5 国家星火计划“数字化奶牛场挤奶机关键设备与相关技术的研发与示范”( 项 目编号2 0 0 5 e a l 0 5 0 0 3 ) 的一部分。通过对挤奶机自动清洗控制器的设计，研发出适合我国国情、 成本低廉的产品，提高我国挤奶机产品的市场竞争力，减少自动清洗控制器及挤奶机的进口，降 低我国奶牛场( 特别是中小规模的奶牛场) 的设备成本，促进我国畜牧业的健康发展 1 2 国内外研究现状分析 目前国内生产的挤奶机设备9 5 以上都没有安装自动清洗装置，它们的清洗工作都由操作人 员手动控制完成，每次清洗需要多次反复开关阀门，清洗的过程和时间由操作人员控制。有的挤 奶机安装的清洗控制器控制功能较简单，不能自动调配清洗液，清洗方式、清洗路径、清洗时间 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 等参数都不能调整，并且不能通过上位机进行监控。不利于实现数字奶牛场的远程管理。 国外对于挤奶机设备及其清洗装置投入研究较早，目前已有不少公司生产挤奶机的自动清洗 控制器，其中比较著名的有瑞典的d e l a v a l ( 利拉法) 乳业机械有限公司1 3 1 、英国的f u l l w o o d ( 富尔德) 畜牧机械有限公司【4 j 、丹麦的s a c 挤奶设备有限公司阿、荷兰的g m 公司等。这些公 司生产的挤奶机自动清洗控制器的主要功能包括：整个清洗过程自动完成，清洗过程中有清洗状 态的显示、水温不够或水位不够时自动报警。其中又以d e l a v a l 公司生产的清洗控制器最为先进， 除了具备上述共同的功能外，还能够根据水质自动调配溶液的浓度这些公司的控制器功能简单、 不能分线路清洗、缺乏与上位机的通讯功能，而且价格较高目前国内大型奶牛场安装的带自动 清洗控制器的挤奶机基本上是从国外进口的 1 3 挤奶机清洗工艺要求及相关的标准 1 3 1 挤奶机清洗工艺要求 挤奶机每次在挤奶前后必须进行清洗，挤奶机的清洗有挤奶前的预洗，挤奶后的碱洗以及定 期酸洗 9 1 挤奶前的设备清洗即进行预洗是保证牛乳卫生的重要手段，预洗就是挤奶前要用冷热 水循环冲洗管道，或者先用一定浓度的消毒液循环冲洗管道，然后再用冷水把管道冲洗干净碱 洗的具体操作过程如下： 1 ) 清洗槽中加入冷水，用冷水循环冲洗管道约8 m i n ； 2 ) 放掉清洗槽中冷水，加入热水，加入碱性清洗液循环冲洗约1 2 r a i n - 3 ) 放掉清洗槽中的碱性清洗液，加入冷水循环冲洗约8 m i n ，停机待挤 为了保持奶管路的酸碱平衡，一般每三天在挤奶后的清洗中增加一次用酸性清洗剂的清洗， 具体过程如下： 1 ) 在清洗槽中加入冷水，用冷水循环清洗管道约8r a i n ； 2 ) 把冷水放掉，加入热水，加入碱性清洗液循环冲洗约1 2 r a i n ； 3 ) 放掉清洗槽中的碱性溶液，放入冷水循环冲洗约8 m i n ； 4 ) 在清洗槽中加入热水，加入酸性溶液循环冲洗约1 2 m i n ； 5 ) 放掉酸性清洗液，加入冷水循环清洗约8 m i n ，停机待挤 1 3 2 挤奶机清洗相关标准 为了能够确保牛奶的卫生和质量，对原料奶生产过程进行规范管理，欧盟、新西兰等有挤奶 机清洗的相关标准。我国目前对于挤奶机的清洗还没有国家标准，现在执行的是行业标准在许 多关于挤奶机设备的国家标准中涉及到挤奶机的清洗，如：g b f r8 1 8 6 - 1 9 8 7 挤奶设备技术要求 嘲、g b1 2 0 7 3 1 9 8 9 乳品设备安全卫生【7 l 、g b t 8 1 8 6 - 2 0 0 5 挤奶设备结构与性能嗍、g b t 8 1 8 7 - 2 0 0 5 挤奶设备试验方法1 9 1 本清洗控制器是根据我国挤奶设备清洗的行业标准、挤奶 设备的相关国家标准以及参考英国标准5 2 2 6 - 1 9 9 1 ( c o d eo f p r a c t i c ef o r e q u i p m e n ta n dp r o c e d u r e s f o r t h e c l e a n i n g a n d d i s i n f e c t i n g o f m i l k i n g m a c h i n e i n s t a l l a t i o n s ) 1 1 q 研制的。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 ! i i 。，。，一 1 4 课题的研究目标和内容 课题研究的目标是：研发出适合我国国情、成本低廉、功能齐全的产品，提高我国挤奶机产 品的市场竞争力，减少自动清洗控制器及挤奶机的进口，降低我国奶牛场的设备成本，促进我国 畜牧业的健康发展。 本课题研究的内容是自动清洗控制器的研制，主要包括以下三个部分： 1 ) 硬件部分；完成清洗控制器的原理图和p c b 设计，并进行硬件的组装及调试； 2 ) 软件部分：编写了清洗控制器运行程序以及上位机监控程序； 3 ) 自动清洗控制器的现场调试，确保控制器功能的实现。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景与意义，并对挤奶机自动清洗控制器的国内外研究现状进行 了分析，然后对挤奶机的清洗工艺及相关标准做了简要地介绍，最后确定了课题的研究目标和研 究内容。 3 中国农业大学硕士学位论文第二章自动清洗控翩器系统概述 2 1 设计要求 第二章自动清洗控制器系统概述 ( 1 ) 自动清洗控制嚣的要求 为了能够具备在奶牛场现场环境下工作的能力，对控制器提出了以下的几个要求： 1 ) 设各在长期工作条件下防水、防潮，绝缘； 2 ) 清洗设备上的按键、指示灯布局合理，易于操作、理解； 3 ) 具有中央控制功能在设备启动某项功能或控制某个外部设备时，相应的功能指示灯点 亮，以方便使用者随时了解设备的运行状态； 4 ) 电磁阀选用d c 2 4 v 电压控制，并可通过按键手动控制； 5 ) 液位传感器要求耐低浓度酸、碱腐蚀； 6 ) 具有自动配比清洗液的功能； 7 ) 真空泵的启动、停止由自动清洗控制器直接控制，同时也能通过按键进行手动启动、关 协； 8 ) 奶泵的启动、停止由集乳罐中液位传感器控制，同时自动清洗控制器也能够控制奶泵的 启动、关闭 ( 2 ) 自动清洗控制器功能 根据项目要求，自动清洗控制器要实现以下基本功能： 1 ) 控制不同的清洗方式自动完成； 2 ) 通过数字温度传感器实现水温检测，水温不够时报警并自动加热； 3 ) 清洗液不满足要求时自动报警； 4 ) l c d 显示清洗过程以及清洗进程时间； 5 ) 具有与上位机远程通讯功能； 6 ) 使用蠕动泵进行清洗液浓度自动配比； 7 ) 控制冲浪阀产生激荡水流，增强清洗效果； 8 ) 控制冷却罐的清洗； 9 ) 保存清洗记录及相关数据 ( 3 ) 自动清洗控制器的组成 自动清洗控制器由控制机构和执行机构两部分构成，分别如下： 1 ) 控制机构：l p c 2 2 1 4 ； 2 ) 执行机构：清洗液浓度自动配比机构、液位传感器、温度传感器、蠕动泵、奶泵、空气 冲浪阀、二通电磁阀。 4 中田农业大学硕士学位论文 第二章自动清洗控制器系统概述 ( 4 ) 自动清洗控制器软件设计 自动清洗控制器的软件设计确保了清洗功能的实现，应实现如下功能： 1 ) 可编程控制功能用户可根据实际情况修改设备运行的相关参数，如清洗的时间、清洗 的方式、清洗液浓度、冲浪阀工作时间等等； 2 ) 实现与上位机的通讯。 2 2 系统的总体设计 挤奶机自动清洗控制器的系统总体设计包括硬件设计和软件设计两个部分根据系统的设计 要求，需要实现自动控制进水，自动加酸性和碱性清洗液、预洗，酸洗、碱洗、选择清洗管道和 方式、采用冲浪阀增强清洗效果、与上位机的通讯及高、低液位、低温时的报警等功能。从被控 量来看，挤奶机自动清洗控制器系统要实现对如图2 1 所示的被控量的控制 囱2 - 1 自动清洗控制器整体结构图 系统的硬件部分主要包括以下几个部分： 1 ) a r m 主芯片l p c 2 2 1 4 ； 2 ) 电源模块； 3 ) 复位及数据保存模块； 4 ) 键盘输入及l e d 驱动模块# 5 ) 液晶显示模块； 6 ) 检测模块； 7 ) 控制及报警模块； 8 ) 通讯模块。 系统的硬件结构框图如图2 - 2 所示 5 中国农业大学硕士学位论文第二章自动清洗控制器系统概述 图2 - 2 系统硬件结构框图 系统的软件设计包括自动清洗控制器程序设计和上位机监控程序设计其中清洗控制器程序 采用c 语言编写，而上位机监控程序采用v c 编写，主要是通过m f c 的m s c o n m n 控件实现的。 挤奶机自动清洗系统的结构布局图如图2 * 3 所示，以下结合自动清洗控制器结构布局图说明 一下清洗的种类和路径。 对挤奶机进行清洗按照清洗液加入的不同可以分为清水清洗，碱性清洗液清洗和酸性清洗液 清洗。而实际清洗中都是按照清洗工艺的要求将其结合起来使用，分为挤奶前清洗、挤奶后清洗 i 和挤奶后清洗具体如下； 1 ) 挤奶前清洗：清水冲洗： 2 ) 挤奶后清洗i ；清水清洗，碱性清洗液清洗，清水清洗； 3 ) 挤奶后清洗：清水清洗，碱性清洗液清洗，清水清洗，酸性清洗液清洗，清水清洗 为了增强清洗的效果，对挤奶机进行清洗时还将其划分为三个循环系统，可以通过控制电磁 隅的启闭，使清洗液每次只能经由一个系统进行循环清洗这三个循环系统分别为挤奶系统、计 量系统、和主输奶系统。以双列平行式挤奶位的情况说明兰个循环系统的清洗路径如下： 挤奶系统清洗路径： 第一列：水槽一a 1 一i - l j 1 一p - i k - i 一集乳罐一奶泵一水槽( 捧水管b 1 ) 第二列：水槽- - a - 2 一1 2 3 - 2 一 - 2 一k - 2 一集乳罐一奶泵一水槽( 捧水管b 1 ) 计量系统清洗路径： 第一列；水槽 - - + b 1 一h l p - 1 一k - l 一集乳罐一奶泵一水槽( 捧水管e - 1 ) 第二列：永槽- - b 2 一m - 2 - - , p - 2 - k - 2 一集乳罐一奶泵一水槽( 捧水管e 1 ) 主输奶管道清洗路径： 第一列，水槽一a 1 一c 1 一集乳罐一奶泵一水槽( 捧水管b 1 ) 第二列：水槽一a 2 一c - 2 一集乳罐一奶泵一水槽( 捧水管b 1 ) 2 3 本章小结 本章主要介绍了自动清洗控制器的设计要求，并根据要求提出了系统的总体设计方案，包括 硬件设计和软件设计两个部分。最后，对挤奶机的结构布局和清洗流程进行了说明。 6 中同农业大学硕士学位论文 第二章自动清洗控制器系统概述 囤”挤奶机自动清洗系统结构布局 7 中用农业大学硕士学位论文第三章自动清洗控制器硬件设计 第三章自动清洗控制器硬件设计 3 1 主芯片l p c 2 2 1 4 l p c 2 2 1 4 是一款基于3 2 位a r m t t d m i - s 内核并支持实时仿真和跟踪的微处理器，并带有 1 6 k b 的片内s r a m 和2 5 6 k b 的高速f l a s h 。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位 代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式，它可 将代码规模降低3 0 4 ，两性能的损失却很小【l ” l p c 2 2 1 4 采用1 4 4 脚封装，极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路l o 位a i ) c ，p w m 输出以 及多达9 个的外部中断，使得这款微控制器特别适合工业控制应用领域。由于内置了宽范围的串 行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器，嵌入式软件调制解调器以及其它各种类 型的应用。 本系统选用l p e 2 2 1 4 作为c p i j 是综合考虑了系统需求和l p ( ；2 2 1 4 自身特点的，具体原因如下； 1 ) l p c 2 2 1 4 片内自带1 6 k 的s r 埘和2 5 6 k 的f l a s h ，因此在存储器方面不需傲扩展就可以满足系 统的要求，简化了系统，提高了系统运行的可靠性； 2 ) l p c 2 2 1 4 的通用 o 口多达1 1 2 个，满足系统外部设备较多的要求； 3 ) 9 个边沿或电平触发的外部中断引脚以及向量中断控制器使系统功能的实现和开发编程变得 灵活方便； 4 ) 标准串口能够实现与上位机的串口通讯； 5 ) 高速1 2 c 接口使系统能够通过 2 c 器件c a t l 0 2 5 保存清洗参数； 6 ) 自带的a d 、p 雕功能及外部总线接口为系统的功能扩展留有余地； 7 ) 简易的j - t a g 接口使程序的调试和下载都很方便。 3 2 电源模块 根据系统设计的要求，需要d c 2 4 v 、d c s v 、d c 3 3 v 和d c l 8 v 四种直流电源由于电源 部分的体积原因以及为了防止干扰，系统设计时d c 2 4 v 的电源部分单独制板其中d c 2 a v 用于 向电磁阀供电，d c s v 作为中间电源，向电压转换芯片以及部分外围器件供电d c 3 3 v 和d c l 8 v 主要向主芯片l p c 2 2 1 4 供电 从d c 2 4 v 到i ) c s v 采用l m 2 5 7 5 开关电源，它是一种正电压输出稳压器，1 a 的最大输出电 流已完全满足系统设计需求l m 2 , 5 7 5 在负载和外界温度发生变化时也能很好的保证输出电压的 精度，这种特性极大地简化了开关电源电路的设计。l m 2 5 7 5 内部已集成了一个开关调节器和一 个补偿反馈电路，再外接一个稳压二极管，一个电感以及两个电容即可获得一个高性能的直流转 换器。电流极限以及热关闭特性可避免l m 2 5 7 5 在过载情况下被损坏。l m 2 5 7 5 和以往三个引脚 的线性调节器不同，它不仅有更高的转换效率，而且还减小了散热片的面积，在很多情况下它甚 s 中国农业大学硕士学位论文 第三章自动清洗控制器硬件设计 至不需要散热片【1 2 1 。d c 2 4 v 到d c s v 的电路原理图如图3 - 1 所示。 从d c s v 到d c 3 3 v ，d c l 8 v 则使用小功率的正电压调节器s p x l t l 7 ，它是为满足中小功 率的需求而设计的一款小封装器件s p x i l l 7 以其极低的静态电流和截止电压而著称，满负载情 况下截止电压仅为1 1 v 【1 3 】。外接一个l o uf 的输出电容可以充分保证输出电压的稳定性，实际 上，对于大多数应用来说，一个2 2pf 的输出电容已经足够了s p x l l l 7 提供了以下几种表面封 装：s o t - 2 2 3 、t o 2 5 2 ，t o 2 2 0 和t o - 2 6 3 。 吲d 正l 口 1r 1 1 q 盟1 9 n z d e 懂 【 i ”2 l 。一 2 一姥一 珂 i i 。 “鄱j 内置大电流驱动级，段电流不小于2 5 m a ，字电流不小于1 5 0 m a ； 动态显示扫描控制，直接驱动8 位数码管或者“位发光管l e d ； 数码管可选择不译码方式或者b c d 译码方式； 数码管的字数据可实现左移、右移、左循环、右循环； 各数码管数字独立闪烁控制； 通过占空比设定可实现1 6 级亮度控制； 支持段电流上限调整，可以省去所有限流电阻； 扫描极限控制，支持1 劐8 个数码管，只为有效数码管分配驱动电流； 内置“个键盘控制器，基于8 8 矩阵键盘扫描； 内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路； 键盘中断，低电平有效输出； 提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放； 高速的4 线串行接口，支持多片级联，时钟速度最高可达1 0 m h z ： 串行接口中的d i n 和d c l k 信号线可以与其它接口电路共用，节约引脚； 内置时钟振荡电路，通常不需要外接晶体或者阻容振荡电路； 内置上电复位和看门狗，提供高电平有效和低电平有效复位输出。 3 4 2a 玉4 5 l 键盘扫描 c h 4 5 1 的键盘扫描功能支持8 x 8 矩阵的“键键盘在键盘扫描期问，d i g 7 一d i g 0 引脚用 于列扫描输出，s e g t s e g 0 引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入；当启用键盘扫描功能 后，i x ) l i t 引脚的功能由串行接1 7 的数据输出变为键盘中断以及数据输出 c h 4 5 1 定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描在键盘扫描期间，d i g 7 一d i g 0 引脚按照 d i g 0 至d i g 7 的顺序依次输出高电平，其余7 个引脚输出低屯平；s e g t - s e g 0 引脚的输出被禁 止，当没有键被按下时，s e g 7 - s e g o 都被下拉为低屯平；当有键被按下时，例如连接d i g 3 与 s e g 4 的键被按下，则当d i g 3 输出高电平时s e g 4 检测到高电平；为了防止因为按键抖动或者 乡卜界干扰而产生误码c h 4 5 1 实行两次扫描。只有当两次键盘扫描的结果相同时，按键才会被确 l l 中国农业大学硕士学位论文第三章自动清洗控制器硬件设计 认有效如果c h 4 5 1 检测到有效的按键，则记录下该按键代码，并通过d o u t 引脚产生低电平 有效的键盘中断，此时主芯片可以通过串行接口读取按键代码。在没有检测到新的有效按键之前， c h 4 5 1 不再产生任何键盘中断c h 4 5 1 不支持组合键，也就是说，同一时刻，不能有两个或者更 多的键被按下如果多个键同时按下，那么按键代码较小的按键优先。 c h 4 5 1 所提供的按键代码为7 位，b i t 2 b i t 0 是列扫描码，b i t 5 b i t 3 是行扫描码，b i t 6 是状 态码( 键按下为1 ，键释放为0 ) 例如，连接d i g 3 与s e g 4 的键被按下，则按键代码是l l o 0 0 1 1 b 或者6 3 h 。键被释放后，按键代码通常是0 1 0 0 0 1 1 b 或者2 3 h ，其中，对应d i g 3 的列扫描码为 0 1 1 b ，对应s e g 4 的行扫描码为1 0 0 1 3 主芯片可以在任何时候读取按键代码，但一般在c h 4 5 1 检测到有效按键而产生键盘中断时读取按键代码，此时按键代码的b i t 6 总是1 另外，如果需要 了解按键何时释放，主芯片可以通过查询方式定期读取按键代码，直到按键代码的b i t 6 为0 。 表3 1 是连接在d i g 7 - d i g o 与s e g 7 - s e g 0 之间的键被按下时，c h 4 5 1 所提供的按键代码。 这些按键代码具有一定的规律，如果需要按键被释放时的按键代码，则将表中的按键代码的b i t 6 置0 ，也就是将表中的按键代码减去4 0 h 即可 表3 1f f r l 4 5 1 按键代码 按键代码d i g 0d i g ld i g 2d 1 6 3d 1 6 4d i g 5d i g 60 1 0 7 洲4 0 1 14 1 1 t4 3 h4 3 84 4 1 t4 5 84 6 h4 7 1 1 s e 6 l4 删4 9 1 14 h4 阴4 c l i4 叫4 e i l4 f i i s b g 25 删5 1 h5 2 h5 3 h5 4 l5 5 h5 鲥5 7 i s b g 35 跏5 9 h5 h 5 蹦 5 0 i 5 堋5 e h5 f h s e g 46 0 h6 1 86 2 h6 3 h6 4 i l6 5 h6 硎6 7 l i s b g 56 8 h 6 9 h 6 1 16 阴6 0 i印h5 日i5 f i l s e g 67 0 i l7 1 h7 2 1 17 3 h7 4 h7 5 h7 6 h7 7 t l s e g 77 明7 9 i i7 l l7 蹦7 删7 哪7 翻7 阳 3 4 3c h 4 5 1 串行接口 c h 4 5 1 具有硬件实现的高速4 线串行接口，包括4 个信号线：串行数据输入线d i n ，串行数 据时钟线d c l k 、串行数据加载线l o a d 、串行数据输出线d o u t 其中d i n 、d c l k 、l o a d 是 带上拉的输入信号线，默认是高电平d o u t 在未启用键盘扫描功能时作为串行数据输出线，在 启用键盘扫描功能后作为键盘中断和数据输出线，默认是高电平 d i n 用于提供串行数据，高电平表示位数据l ，低电平表示位数据0 ，串行数据输入的顺序 是低位在前，高位在后另外，在c h 4 5 1 上电复位后，主芯片必须在d c l k 输出串行时钟之前， 先在d i n 上输出一个低电平脉冲( 由高电平变为低电平再恢复为高电平) ，通知c h 4 5 1 使能4 线 串行接口 d c l k 用于提供串行时钟，c h 4 5 1 在其上升沿从d i n 输入数据，在其下降沿从d o u t 输出 数据c h 4 5 1 内部有一个1 2 位的移位寄存器，在d c l k 的上升沿，d i n 上的位数据被移入移位 寄存器的最高位，以此类推，原次低位数据移入寄存器的最低位，在该上升沿后的第一个下降沿， 原次低位数据从d o u t 输出。c h 4 5 1 允许d c l k 引脚的串行时钟频率大于1 0 m h z ，从而可以实 现高速串行输入输出 1 2 中同农业大学硕士学位论文第三章自动清洗控制器硬件设计 l o a d 用于加载串行数据，c h 4 5 1 在其上升沿加载移位寄存器中的1 2 位数据，作为操作命 令分析并处理。也就是说，l o a d 的上升沿是串行数据帧的帧完成标志，此时无论移位寄存器中 的1 2 位数据是否有效，c h 4 5 1 都会将其当作操作命令进行处理 由于c h 4 5 1 只在l o a d 的上升沿加载命令数据并处理，所以主芯片不能将l o a d 信号线用 于其它用途，但是d i n 和d c l k 可以用于其它用途当主芯片i o 引脚资源紧张时，c h 4 5 1 只 需要独占使用l o a d 信号线，d i n 和d c l k 信号线可以与其它接口电路共用 主芯片向c h 4 5 l 输出串行数据的过程如下： 1 ) 输出一位数据，即向d i n 输出最低位数据b 0 ，并向d c l k 输出低电平脉冲( a 高电平 变为低电平再恢复为高电平) ，其中包括一个上升沿使该位数据被送入c h 4 5 1 ； 2 ) 以同样的方式，输出其他位数据b i b i i ； 3 ) 向l o a d 输出低电平脉冲，其中包括一个上升沿使c h 4 5 1 加载串行数据 d i h 订b i i b 2 l 1 t 3 i b lb g i b 6 i b 7 i b 9 1b i g lb 1 l 广 i|iiiiii i | _ _ _ _ _ - j _ - _ 一 d c i , i t 几几几几几几几几几几几厂一 l o a d li l 一l d o u t 一广百nb t i b 2 l b 3 i b 4 i e s i b 6 l b 7 i 9 br b i l l 一一l j iiii i | - - - _ _ - _ _ 一 图3 - 4 数据输入时序示意图 图3 4 是在末启用键盘扫描功能时，l p c 2 2 1 4 通过串行接口向c h 4 5 1 发送1 2 位数据的时序 示意图，数据是0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 b ，l o a d 的低电平脉冲可以更宽，图中以虚线表示。 当启用键盘扫描功能后，d o u t 用于键盘中断和数据输出，默认是高电平当c h 4 5 1 检测 到有效按键时，d o u t 输出低电平有效的键盘中断主芯片接收到中断信号后，发出读取按键代 码命令。c h 4 5 1 在l o a d 的上升沿后从i x ) l i t 输出7 位按键代码的最高位，主芯片继续输出串 行时钟，在d c l k 的每个下降沿，c h 4 5 1 依次从d o u t 输出7 位按键代码的剩余6 位，顺序是 高位在前，低位在后7 位按键代码输出完毕后，无论d c l k 如何变化，c h 4 5 1 都将d o u t 恢 复为默认的高电平。主芯片从c h 4 5 1 获得按键代码的过程如下； 1 ) 输出一位数据，即向d i n 输出读取接键代码命令的最低位数据b o ，并向d c l k 输出低 电平脉冲； 2 ) 以同样的方式，输出读取按键代码命令的位数据b i b l l ； 3 ) 向l o a d 输出低电平脉冲，其中包括一个上升沿使c h 4 5 1 加载串行数据，c h 4 5 1 分析出 是读取按键代码命令，立即在d o u t 输出按键代码的最高位数据k 6 ： 4 ) 读取一位数据，即从d o u t 读取按键代码的最高位数据k 6 ，并向i ) c l k 输出低电平脉 冲； 5 ) 以同样的方式，输入按键代码的位数据k s - k 0 中国农业大学硕士学位论文第三章自动清洗控制器硬件设计 3 4 5c h 4 5 1 在系统中的应用 系统中l p c 2 2 1 4 使用了p o 2 4 、p o 2 5 、p o 2 7 分别控制c h 4 5 1 的d c l k 、d i n 、l o a d 信号， 由于系统采用中断的方式读取按键代码，故使用具有外部中断功能的引脚p 0 1 6 与d o u t 引脚相 连。c h 4 5 1 的工作电压为5 v ，而l p c 2 2 1 4 的i 0l aq - 作电压为3 3 v ，所以在p o 2 4 、p o 2 5 、p 0 2 7 、 p 0 1 6 与d c l k 、d i n ，l o a d ，d o l l t 之间串连了4 7 0 欧姆的限流电阻，并且将p 0 2 4 ，p o 2 5 ， p 0 2 7 引脚接上l k 的上拉电阻c h 4 5 1 可支持8 x 8 共6 4 个按键扫描，但考虑到显示部分采用 液晶显示，可通过翻页选择不同的清洗功能，所以只使用了1 6 个按键，分别是p 9 数字键、上 下翻页选择键、确定键、取消键、主菜单键以及修改键。另外c h 4 5 1 还可驱动8 个数码管或者 6 4 个发光二极管，由于系统采用液晶进行数据的显示，所以没有接数码管，只选取了d i g 6 、d i g 7 两组驱动输出共1 6 个独立l e d ，辅助显示清洗状态接口电路如图3 5 所示。 出眙嶂每蕞 w c 一自 涮 自m j 一渊 阳并d c l 置 1 5 - 疆掰 d c t 五懿巷 口 阳瑚 瑚 l 嘲蝴 4 7 0 m m w l o d 对 研 l 啪斑 4 7 0 d 舶砧b m 开 1 1 d o r涮 啪廷 w嘲 m 3 5 液晶显示模块 圉3 _ 5 键盘接口电路 由于清洗控制器需要显示的数据比较多，故考虑使用l c d 进行数据的显示本系统采用青 云创新公司生产的带汉字字库的液晶显示器l c m l 2 8 6 4 ，液晶屏幕为1 2 8 x 6 4 m m 2 ，一共可以显 示4 行，每行8 个汉字 3 5 1l c m l 2 8 6 4 功能特点 中文液晶显示模块l c m l 2 8 6 4 的字型r o m 内含8 1 9 2 个1 6 1 6 点中文字型和1 2 8 个1 6 x 8 半宽的字母符号字型。另外绘图显示画面提供一个6 4 x 2 5 6 点的绘图区域g d r a m ，而且内含 c g r a m 提供4 组软件可编程的1 6 x1 6 点阵造字功能。电源操作范围宽( 2 7 v 5 5 v ) ，低功耗 设计可满足产品的省电要求同时提供了与微控器灵活的接口模式( 并行8 位“位，串行3 线尼 线) l c m l 2 8 6 4 可实现汉字、a s c i i 码、点阵图形的同屏显示，应用范围广“。 1 4 中国农业大学硕士学位论文第三章自动清洗控匍器硬件设计 3 5 2l c m l 2 8 6 4 数据传输模式 1 、并行数据传输模式 当p s b 引脚接高电平时( 模块背面s p 的短路电阻在“p 4 侧) ，模块将进入并行传输模式 在并行传输模式下，可由指令位( d l n a g ) 来选择8 位或4 位接口，主控制系统将配合( r s ， r w 。e ，d b 0 - - d b 7 ) 来完成传输动作 在4 位传输模式中，每一个八位的指令或数据都将被分为二组：较高4 位的数据将会被放在 第一组的( d t - d 4 ) 部分，而较低4 位的数据则会被放在第二组的( d t d 4 ) 部分，至于相关的 另四位则在4 位传输模式中均未被使用 2 、串行数据传输模式 当p s b 引脚接低电平时( 模块背面s p 的短路电阻在“s ”侧) ，模块将进入串行模式在 串行模式下，主控制系统将配合传输同步时钟s c l k 与接收串行数据线s i d ，来完成串行传输的 动作。片选c s 设为高电平时，同步时钟线s c l k 输入信号被接收，当片选c s 设为低电位时。 模块的内部串行传输计数器与串行数据将会被重置片选c s 可被固定接到高电平 从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输起始位，它需先接收到五个连续的。1 ”( 同 步位串) 作为起始序列，此时传输计数器将被重置并且串行传输被同步，接下来的2 个b i t 分别 指定传输方向位r w 及暂存器选择位r s ，最后一位则为0 在接收到起始字节后，每个指令或数据将分为二组：较高4 位的数据将会被放在第一组的 ( d 7 一d 4 ) 部分，而较低4 位的数据则会被放在第二组的( d 7 - d 4 ) 部分，至于相关的另四位则 都为0 时序如图3 - 6 所示 雷3 - 8 串行尊线数据传输时序 3 5 3l c m l 2 8 6 4 在系统中的应用 为满足现场要求。保证显示的实时性，本系统与液晶模块的接口采用并行数据传输模式主 芯片l p c 2 2 1 4 的p 0 1 0 、p 0 8 - p 0 6 、p 2 2 8 、p 2 2 5 - p 2 2 3 分别与l c m l 2 8 6 4 的d 0 - , d 7 数据引脚 相连，p 0 1 3 - p 0 1 1 分别与r s r w 、e 控制引脚相连，l c m l 2 8