（机械电子工程专业论文）叠图机控制系统设计与开发.pdf

|iii f r j l l l l1i l l 1 l i f l l r1 1 r ri i lipt=i|=r1 1 = = r i l l y 17 4 9 7 9 7 t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o r t h em a s t e r sd e g r e e t h e d e s i g n a n dd e v e l o p m e n tf o rt h e c o n t r o lo ff o l d i n gm a c h i n e b y z h a n gt i e f e n g s u p e r v i s o r p r o w a n gs h o u j u n j a n u a r y2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨盗墨墨盘堂 或 其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：锨锄辫 签字日期：夏口加年f 月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗堡墨太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡兰太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：张励蝠辇导师签名：毒卅叉* 签字日期：) , o o 牟- ，月y 日 签字日期： 7 o 卜年1 月阳日 摘要 本课题是为天津市飞星科技发展有限公司研发的叠图机控制系统，包括硬件电路设 计和软件编程。本叠图机控制系统能够实现折叠不同尺寸、带有不同装订边图纸的功能。 其中折叠尺寸包括a 3 、a 4 两种规格的纵向叠图和横向叠图，配合不同的装订边，可以 实现带不同装订边的a 3 、a 4 尺寸的叠图。 本论文主要介绍了叠图机的工作原理和软硬件控制系统的设计。 叠图机的硬件电路主要包括c p u 主控电路系统、键盘显示系统和电机驱动控制系 统。c p u 主控电路系统包括传感器检测系统、c p l d 译码信号系统和m 8 2 5 3 可编程定 时器系统。其中主控芯片采用美国a t m e l 公司生产的8 位c p ua t 8 9 c 5 2 单片机，通 过实时检测传感器信号及按键控制信号，控制系统产生步进电机的驱动控制信号，实现 相应尺寸的自动叠图控制。传感器部分包括6 个端面传感器和2 个槽型传感器，其中端 面传感器用来检测图纸的位置，而槽型传感器是在图纸开始进入叠图阶段时起导向作 用。c p l d 译码信号系统主要是产生译码片选信号来选通锁存器以及需要单片机控制芯 片的选通信号，另外还产生一些控制信号的选通信号。 键盘显示系统包括8 个l e d 共阴极数码管，6 个普通按键。其中按键用来选择需要 折叠的尺寸和装订边的尺寸以及急停控制。l e d 显示器则用来显示所选择的折叠尺寸和 装订边尺寸。在键盘显示系统中采用串行输入输出共阴极显示驱动器m a x 7 2 1 9 芯片， 单片机采用串行通信方式与m a x 7 2 1 9 接口来驱动数码管的显示。 电机驱动控制系统是由2 个步进电机来完成，并由两个步进电机驱动器来控制。步 进电机的起停及正反转信号是由单片机产生，再通过步进电机驱动器来控制步进电机； 步进电机的转速由m 8 2 5 3 可编程定时器产生不同方波频率脉冲信号来控制。 叠图机控制系统的软件程序采用汇编语言编写。包括叠图机主程序、系统自检测程 序、中断处理程序、键盘显示程序、最后几折处理程序、步进电机控制和尺寸计算程序 等。译码电路程序采用c p l d 芯片通过v h d l 语言编写。 关键词：叠图机单片机c p l d 传感器步进电机 a b s t r a c t t h i st o p i co fc o n t r o ls y s t e mo ff o l d i n gm a c h i n ei sr&df o rf e i x i n gt i a n j i n t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tc o ，l t d ，i n c l u d i n g h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g na n d s o f t w a r e p r o g r a m m i n g t h ec o n t r o ls y s t e mo ff o l d i n gm a c h i n ec a l l b ea c h i e v e dt h ef u n c t i o n so f d i f f e r e n tb i n d i n ge d g e sa n dd i f f e r e n tf o l d i n gs i z e s f o l d e dd i m e n s i o n sw h i c hi n c l u d ev e r t i c a l a n dh o r i z o n t a lf o l d i n go fa 3 ，a 4s i z e sc o p ew i t hd i f f e r e n tb i n d i n ge d g e ，c a na c h i e v ew i t h d i f f e r e n tb i n d i n ge d g eo f a 3 ，a 4f o l d i n g t l l i si s s u ef o c u s e so nt h ef o l d i n gm a c h i n ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g no fc o n t r o ls y s t e m h a r d w a r ea n ds o r w a r e f o l d i n gm a c h i n eh a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e sc p u c o n t r o lc i r c u i ts y s t e m ，k e y b o a r d ，d i s p l a y s y s t e m sa n dm o t o rd r i v es y s t e m s t h ec p u c o n t r o lc i r c u i ti n c l u d i n gt h es e n s o rd e t e c t i o n s y s t e m c p l dd e c o d i n gt h es i g n a ls y s t e ma n dt h e8 2 5 5p r o g r a m m a b l et i m e rs y s t e m t h e m c uu s e sa t m e l c o r p o r a t i o na t 8 9 c 5 2p r o d u c e db y8 - b i tm i c r o c o n t r o l l e r , r e c e i v i n gd a t a f r o ms e n s o r sa n dk e yd e t e c t i o ns i g n a la n di n t e r r u p ts i g n a l ，a n dt r a n s m i t i n gc o n t r o ls i g n a l s r e a l t i m et ot h em o t o r s e n s o rp a r tc o n s i s t so fs i xe n ds e n s o r sa n dt w os l o ts e n s o r s t h ee n ds e n s o r su s e dt o d e t e c tt h el o c a t i o no fs e n s o r s ，a n dr e a l t i m ef e e d b a c k i n gt ot h em i c r o c o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h e s t e p p e rm o t o rm o v e s ，w h i l et h es l o ts e n s o r sp l a yg u i d ew h e nt h ed r a w i n ge n t e r e di nf o l d i n g s t a g e c p l dd e c o d i n gs i g n a ls y s t e mi sm a i n l yg e n e r a t e dd e c o d i n gc h i ps e l e c ts i g n a l st o s t r o b el a t c h e sa n dt h ec h i pn e e d e dt oc o n t r o lb ym i c r o c o n t r o l l e r , i na d d i t i o nt os t r o b i n gs o m e c o n t r o ls i g n a l k e y b o a r da n dd i s p l a yp a r tc o n s i s t so fe i g h tl e dc a t h o d ed i g i t a lc o n t r o l ，6 n o r m a lb u t t o n sa n dam a x 7 219c h i p m a x 7 219i sas e r i a li n p u tl o u t p u tc o m m o n c a t h o d e d i s p l a yd r i v e r m i c r o c o n t r o l l e ri nt h ek e y b o a r dd i s p l a ys y s t e mu s i n gs e r i a lc o m m u n i c a t i o nt o t r a n s m i td a t as i g n a l st ot h em a x 7 219 ，t h eu s eo fm a x 7 219t od r i v et h ed i g i t a lt u b ed i s p l a y t h eb u t t o ni su s e dt os e l e c tt h es i z eo ff o l d e da n db i n d i n ge d g e s ，a sw e l la se - s t o p c o m m o n c a t h o d en i x i et u b ei su s e dt od i s p l a yt h es e l e c t e dt h es i z eo ff o l d e da n db i n d i n ge d g e s m o t o r c o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do ft w os t e p p e rm o t o r st oc o m p l e t e ，b yt w os t e p p e rm o t o rd r i v e rt o c o n t r 0 1 s t e p p e rm o t o rs t a r t s t o pa n dt h ep o s i t i v ei n v e r s i o ns i g n a li sg e n e r a t e db yt h em c u ； s t e p p e rm o t o rs p e e di s c o n t r o l e db yt h ep r o g r a m m a b l et i m e rm 8 2 5 3 ，w h i c hg e n e r a t e d i f f e r e n ts q u a r e w a v ef r e q u e n c yp u l s es i g n a lt o i nt h es o f t w a r e ，t h em a s t e rc h i pa t 8 9 c 5 2p r o g r a mu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g et ow r i t e ， i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a mo ff o l d i n gm a c h i n e ，s y s t e mt e s t i n gp r o c e d u r e s ，i n t e r r u p th a n d l e r , k e y b o a r dd i s p l a yp r o g r a m ，t h el a s tf e wf o l d i n gp r o c e s s e s ，a sw e l la ss t e p p e rm o t o r c o n t r o la n d s i z eo ft h ec a l c u l a t i o np r o c e d u r e s c p l dc h i pu s i n gv h d ll a n g u a g et ow r i t ep r o g r a m s k e yw o r d s ：f o l d i n gm a c h i n e ，m c u ，c p l d ，s e n s o r , s t e p p e rm o t e r 目录 第一章概述1 1 1 叠图机概述【3 3 】l 1 2 叠图机研究的目的和意义【3 3 】1 1 3 国内外研究现状分析【3 3 】2 1 4 目前国内外研究所存在的问题2 1 5 本章小结2 第二章叠图机机械结构及工作原理3 2 1 叠图机机械结构3 2 1 1 叠图机传动结构3 2 1 2 叠图机操作面板4 2 1 3 传感器位置结构5 2 2 叠图机工作原理6 2 3 本章小结7 第三章叠图机主控电路设计”8 3 1 叠图机主控电路功能概述8 3 2 单片机控制系统8 3 2 1 单片机系统概述“9 3 2 2 单片机的i o 口在c p u 主控电路中的作用9 3 2 3 看门狗芯片l o 3 2 4 复位电路设计l o 3 - 3 传感器与按键电路控制系统设计”1 1 3 4c p l d 系统”1 2 3 4 1m a xi i 系列c p l d 概述”1 2 3 4 2c p l d 系统配置和初始化1 3 3 4 3c p l d 的i o 口扩展”l3 3 4 4c p l d 的接口桥接1 4 3 4 5c p l d 的上电顺序1 5 3 4 6c p l d 译码电路设计16 3 5 本章小结1 7 第四章步进电机驱动系统1 8 4 1 步进电机选型及使用说明1 8 4 2 步进电机参数及接线1 9 4 2 1b s 5 7 h b 5 6 型号步进电机参数与接线1 9 4 2 2b s 8 6 h b 8 0 a 型号步进电机参数与接线2 0 4 3 步进电机驱动系统2 2 4 - 3 1m 8 2 5 3 定时器概述2 2 4 3 2 步进电机驱动器选型及使用说明2 4 4 3 3 步进电机驱动器细分电路2 5 4 3 4 步进电机驱动器的输入信号及接线原理图2 6 4 3 5 步进电机驱动电路设计2 7 4 4 本章小结”2 8 第五章叠图机按键与显示的电路设计2 9 5 1l e d 驱动电路设计“2 9 5 1 1m a x 7 2 1 9 引脚描述一2 9 5 1 2m a x 7 2 l9 串行数据传送说明3 0 5 1 3m a x 7 2 1 9 寄存器功能及说明3 l 5 2l e d 显示器原理图设计3 3 5 3 本章小结3 4 第六章叠图机软件系统设计3 5 6 1 叠图主程序设计3 5 6 2 叠图机检测程序设计”3 7 6 2 1 叠图机自检测程序设计3 7 6 2 2 叠图机维护检测程序设计3 8 6 3 叠图机按键处理程序设计3 8 6 4 叠图机中断程序设计4 0 6 4 1 叠图机按键中断程序设计4 0 6 4 2 叠图机传感器中断程序设计4 0 6 5 叠图机最后几折处理程序设计4 l 6 6c p l d 程序设计4 3 6 7 步进电机驱动控制程序及尺寸计算程序设计”4 4 6 8 本章小结”4 6 第七章结论与展望4 7 7 1 结论4 7 7 2 展望4 7 参考文献4 8 发表论文和科研情况说明5 0 致谢51 第一章概述 1 1 叠图机概述【3 3 】 第一章概述 叠图机根据输出叠图成品的类型分为两类：半自动( 仅叠一个方向) 和全自动( 又称十 字叠、一次成图) ；根据功能也分为两类：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p 引。 目前，国外叠图机可实现双模式叠图，既能与工程打印机联机使用( 在线叠图) ，网 络中的每一个用户都可以在自己的计算机上，了解到在线叠图机的工作状态和叠图模 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 印设备打印的白图) 。双模式叠图机可以完成所有不同的叠图任务。 1 2 叠图机研究的目的和意义【3 3 】 自电子技术一问世，电子技术与机械技术就紧密的结合起来，机电一体化产品随之应 运而生。近年来，随着科学技术的不断发展，工程复印、大型绘图机等文印设备越来越 普及。在国内制造业突飞猛进发展的过程中，c a d 制图等大型绘图设备得到了高速的 发展，晒图的速度也以几倍甚至几十倍的速度提高。而目前国内叠图大部分还是靠手工 进行操作，不仅耗费人力，而且还大大降低了生产效率，对于叠出的图纸也是参差不齐 很不美观。并且进口叠图机价格过高：例如：e s t e 2 3 0 0 进口价格为人民币7 万，这种 高价我们国内广大用户根本无法接受。中国也有极少数外资企业在购买高速c a d 数码 工程机时配套购买了联线高速全自动叠图机，例如上海大众汽车。但国内用户谁会投资 4 0 万元去买一台联线高速全自动叠图机呢? 而且国内用户要求是多方面的，例如大多数 国内用户一台叠图机最少要同时能做消防图、报批图、装订图、施工图，这种要求进口 设备很难都达到，原因是欧洲的标准化做得比我们好，所以对叠图机的要求相对而言侧 重于稳定性而非多功能。所以为了使国内中小企业花合理的价钱买到叠图机，避免手工 叠图的缺点，提高工作效率，开发出符合我国企业状况的叠图机来普及国内用机械代替 手工叠图十分必要。本文结合市场需求，研制了自动叠图机，其具有叠图速度适中、精 度高、成本低、占地小、操作简便快捷、功能齐全等特点，可取代耗时费力的人工叠图， 必将成为c a d 绘图的配套产品。这对于提高国家的综合竞争实力，改变国民在机械自 动化领域落后的局面具有重要的意义。 第一章概述 1 3 国内外研究现状分析 叠图机在国际上已经有超过3 0 年的历史，主要生产厂家集中在欧洲。目前欧洲市 场主要以中速半自动叠图机和联线高速全自动叠图机为主，并且可以实现双模式叠图， 即能与工程打印机联机使用( 在线叠图) ，网络中的每一个用户都可以在自己的计算机 上，了解到在线叠图机的工作状态和叠图模式，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，可以叠蓝图或由其他打印设备打印的白图) 。双模式叠图机可以完 成所有不同的叠图任务。由于欧洲人工成本极高( 人均工资1 5 0 0 元日) ，故欧洲用户 9 0 以上使用叠图机叠图，其发展之路分为手动叠图机、中速半自动叠图机、中速全自 动叠图机到联线高速全自动叠图机，现在欧洲已经全部c a d 直接出白图( 无晒图) 。 国内市场上的叠图机主要为瑞士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球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。 目前国内许多厂家纷纷投入叠图机的开发，比如北京万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，开发出具有自主知识产权的叠图机产品。今后几年国内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。 1 4 目前国内外研究所存在的问题 因为叠一张a 1 规格的图纸要求电机在6 秒之内以2 0 米分的线速度反复五次，相 当于一秒钟内汽车要完成加速、冲刺、刹车、停车，电机不仅要高速完成这个过程还全 部需要控制精度，而且提高一倍速度之后整机的惯量要增加四倍。对于成千上力的小型 设计所而言，他们出图每天仅仅是百张左右，中速半自动叠图机完全够用，而国内外真 正c a d 出图的大户是工厂和与之相应的设计部门，他们需要使用高速c a d 数码工程机 和与之相连的联线高速全自动叠图机，所以叠图机速度的提升是目前研究最重要的问 题。而且国内对于叠图机的性能需求是多样性的，这就需要设计出符合我国企业的多功 能叠图机，这对于叠图机机械构造的设计和电路的控制提出了苛刻的条件。 1 5 本章小结 叠图机是一种智能叠图设备，它是随着工程复印以及c a d 制图的普及所必然的产 物。它的出现不仅使企业避免了手工叠图，减少了成本，还大大提高了效率和质量。 第二章叠图机机械结构及j l ：作原理 第二章叠图机机械结构及工作原理 如图2 1 所示为叠图机外观整体机构，它主要包括工作台、操作面板、传感器位置 布局和传动部分。 2 1 叠图机机械结构 图2 - 1 叠图机外观图 2 1 1 叠图机传动结构 如图2 2 所示为叠图机侧面传动结构图，两个步进电机分别通过齿形带与相应的胶 辊连接1 0 】【1 4 1 。 图2 - 2 传动结构图 图2 2 中，( 6 ) 为m 2 齿滑轮，它与叠图主胶辊连接；( 7 ) 为m 2 齿形带，与m 2 第二章叠图机机械结构及j 1 ：作原理 齿滑轮和m 2 步进电机组件( 8 ) 相连，通过m 2 步进电机组件带动m 2 齿形带，再由 m 2 齿形带带动m 2 齿滑轮转动，最后m 2 齿滑轮带动叠图主胶辊实现主胶辊的转动。 同样，通过m 1 步进电机组件( 5 ) 带动m 1 齿形带( 4 ) ，再由m 1 齿形带带动m 1 齿滑 轮( 3 ) 转动，最后m 1 齿滑轮带动叠图副胶辊实现副胶辊的转动。在传动设计过程中， 为了保证m 1 、m 2 步进电机以相同的速度转动时主胶辊和副胶辊所走的距离相同，利用 了齿轮的传动比。取m 1 齿轮的齿数z l 为5 0 ，m 2 的齿数z 2 为8 0 ，而与电机m 1 、m 2 相连齿轮的齿数分别为z 3 = 1 8 ，z 4 = 1 6 ，而主胶辊的直径d 2 = 8 1 m m ，副胶辊的直径 d l = 4 5 m m ，这样就保证了公式z 3 z 1 * d i = z 4 z 2 d 2 成立，即当m 1 、m 2 步进电机速度 相同时，主胶辊和副胶辊走的距离也相同。 2 1 2 叠图机操作面板 ， 如图2 3 所示为叠图机的操作面板，一共有三个显示窗口，分别为纵向显示窗口、 横向显示窗口和装订边显示窗口。其中纵向显示窗口和横向显示窗口分别对应着a 键纵 向尺寸选择键和b 键横向尺寸选择键。 1 9 82 1 02 1 0 p 停止 回回回囡 图2 3 操作面板 通过重复按下纵向尺寸选择键a 键，可以选择带有不同装订边和不同纵向折叠尺寸 的折叠程序，如表2 1 所示。 表2 1 纵向折叠方式 方式折叠部分宽度装订边宽度中间叠纸 l1 7 5 m m3 5 m m 有 21 8 0 m m3 0 m m 有 31 8 5 m m2 5 m m 有 43 7 0 m m5 0 m m 有 53 8 0 m m4 0 m m 有 63 9 0 m m3 0 r n m 有 74 2 0 m m0 0 r a m 有 84 2 0 r a m0 0 m m 无 第二章叠图机机械结构及f 1 ：作原理 通过重复按下横向尺寸选择键b 键，可以选择不同横向折叠尺寸的折叠程序，包括 2 种方式：( 1 ) 2 9 7 折叠程序，其折叠部分长度2 9 7 m m ；( 2 ) 3 0 5 折叠程序，其折叠部 分长度3 0 5 m m 。 c 键、d 键和e 键是纵向定尺寸选择键，通过按下相应的键，分别对应下列3 种程 序：( 1 ) 1 9 8 折叠程序，其折叠部分宽度1 9 8 m m ，无装订边，有中间叠纸；( 2 ) 2 1 0 折 叠程序，其折叠部分宽度2 1 0 m m ，无装订边，有中间叠纸；( 3 ) 2 1 0 p p 折叠程序，其折 叠部分宽度2 1 0 m m ，无装订边，无中间叠纸。c 键除了可以选择1 9 8 折叠程序外，如果 在运行时出错，并且纵向显示窗口显示j 0 0 到j 0 5 时，按下c 键可以重新启动程序。( 注： 当按停止键f 后，纵向显示窗口显示j 0 8 ，此时按c 键不起作用。) f 键为停止键，通过按下f 键可以在任何情况下停止电机的转动，并在纵向显示窗 口内显示 j 0 8 ”，但只能通过断开设备电源，再重新接通设备电源的方式，才可撤销停止 状态。 2 1 3 传感器位置结构 如图2 4 为传感器位置结构图，在刚刚开机的数秒钟内，设备首先进行自检，在检 测全部传感器( 除b 4b 5 外) 都没有被遮挡之后，才进入到正常工作状态。 图2 4 传感器检测结构图 另外，传感器如果工作不正常也要直接影响到图纸折叠的质量。所以，传感器在叠 图机中是非常重要的。b 旺b 7 传感器的检测位置如图2 4 所示：b 0 位于进图导向组件 的内部，用于检测图纸是否进入叠图机内部；b l 、b 3 位于工作台的背面，用于检测叠 图过程中图纸所走的距离；b 4 、b 5 位于导向电机的下方，通过检测图纸的位置使导向 电机导向；b 6 位于下出图导向板的左背面，用于检测图纸是否完成全过程；b 2 、b 7 位 于进纸导向板组件下面小台板的背面，用于检测叠图模式为纵向叠图还是横向叠图。开 机后，如果设备纵向显示窗口显示“j 0 1 ”，则提示有某个传感器( 不包括b 4 、b s ) 被遮 第二章叠图机机械结构及- t 作原理 挡。在c p u 电路板的左下角有一排发光二级管，由下至上对应b o 至b 7 传感器，遮挡 任意一个传感器，则对应的发光二级管亮。叠图后只有当所有传感器都没有被遮挡时( 不 包括b 4 、b 5 ) ，电机才停止转动，这时才可以叠第二张图纸【l l 】。 2 2 叠图机工作原理 把图纸放到进图检测基准导向板( 图2 - 4 、图2 5 ) 上，当图纸前沿到达并覆盖b l 传 感器时，步进电机m 1 开始逆时针旋转带动胶辊1 工作。当图纸到达传感器b 0 时，步进电 机m 2 开始顺时针旋转带动胶辊3 工作，此时定时器t o 开始定时，定时让步进电机m 2 走 8 m m 距离的时间后，步进电机m 1 开始减速停止，步进电机m 1 停止后定时器t o 再经过相 同的定时时间m 2 也减速停止。经过延时2 0 0 m s 后，m i 和m 2 同时加速到一定的速度开始 运转。这时经过对传感器b 2 和b 7 的检测，判断出是叠横向图纸还是纵向图纸来调用相 应的程序。根据相应的程序步进电机m 1 m 2 保持相同的速度继续运转，直到图纸前沿到 达并覆盖b 6 时，定时器又开始定时，此时定时的时间为图纸从传感器b 6 的位置到此折 叠完为止的长度，定时结束后，m 1 m 2 步进电机同时减速停止。至此图纸的第一折叠完。 对于图纸的后面几折都是通过相同的算法实现的，就是通过叠完每折图纸后，改变步进 电机m 2 的方向，然后定时器定时一折所走长度的时间，通过重复此过程来实现剩下图 纸的折叠。在最后几折叠图过程中，为了保证最后一折叠的长度为所选择的长度以及出 图的方向为所规定的出图方向( 有传感器b 6 的方向) ，在最后一折之前会有一定的算法， 通过中间折纸的长度来保证最后一折的长度。在叠最后一折的时候程序始终检测传感器 b 6 ，当传感器b 6 不被遮挡时，叠图机完成一次叠图任务停止工作，开始等待叠下一张 图纸。而将刚才折叠好的图纸送上出图导向板并将图纸送出【强j 。 123 图2 5 检测基准导向板 1 检测基准扳 2 设计圈纸 3 ，工作台 第二章叠图机机械结构及j l ：作原理 2 3 本章小结 叠图机的机械结构不是很复杂，主要包括电机传动部分、传感器的位置布局以及操 作面板等，但是传感器的位置摆放相当关键，这决定了程序算法的编写，因为程序的处 理过程主要是通过实时检测传感器信号来完成的。 第三章叠图机主控电路设计 第三章叠图机主控电路设计 叠图机的硬件电路系统是叠图机的核心部分，主要包括c p u 主控电路系统，按键 显示系统，传感器检测系统，步进电机驱动系统以及译码与控制信号选通的c p l d 控制 系统。通过以上各个系统的有机结合来实现精确叠图。 3 1 叠图机主控电路功能概述 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：键和传感器输入 信号、c p u 电路系统、c p l d 系统信号、8 2 5 3 定时器、m a x 7 2 1 9 芯片及l e d 显示系统 等。它的原理框图如图3 - 1 所示。 图3 - l 主控电路原理图 在叠图机的硬件电路组成部分中，c p u 主控电路采用美国a t m e l 公司生产的8 位 a t 8 9 c 5 2 单片机，通过实时检测传感器信号及按键输入信号，发送步进电机的所需的驱 动控制信号。在主控电路系统中采用一块c p l d ，用它与单片机和各种芯片相连，产生 各种芯片所需的片选信号与控制选通信号。键盘显示部分包括8 个l e d 共阴极数码管， 6 个普通按键和一块m a x 7 2 1 9 芯片。其中按键用来选择需要折叠和装订边的尺寸以及 急停。共阴极数码管则用来显示所选择的折叠尺寸和装订边尺寸。m a x 7 2 1 9 是串行输 入输出共阴极显示驱动器，他通过串行通信方式接受来自单片机发送的数据d a t ，用 来驱动l e d 数码管显示出所选择的尺寸。传感器部分包括6 个端面传感器和2 个槽型 传感器，其中端面传感器用来检测图纸的位置，槽型传感器起导向作用。步进电机驱动 部分包括2 个步进电机和两个步进电机驱动。 3 2 单片机控制系统 单片机作为控制系统的核心部分对其i oe 1 分配相当关键，所以在设计当中尽量合 理分配i o 口，避免资源浪费。 第三章叠图机主控电路设计 3 2 1 单片机系统概述 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，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 de r a s a b l er e a do n l ym e m o r y ) 和2 5 6 b 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 易失存储技术生产，与标准m c s 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 ， 3 2 个i 0 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，片内振荡器及时钟电路。 a t 8 9 c 5 2 单片机内部设置有4 个并行i o 接口，其中p 0 口为双向三态输入输出接 口，p 1 、p 2 、p 3 口为8 位准双向输入输出接口。 p 0 口是一个8 位双向三态输入输出接口，p 2 口是一个准双向输入输出接口，而且 每一位都有自己的位地址。中央处理器可接字节进行数据传送，也可按位进行位操作。 在连接外部存储器时，p o 口一方面作为8 位数据输入输出口，另一方面输出外部存储 器的低8 位地址，地址数据分时传送。因此，p o 口实际上是地址数据总线接口。p 2 口输出外部存储器的高8 位地址。 p l 口与p 3 口是8 位准双向输入输出接口，每一位也有自己的位地址。c p u 可按字 节进行数据传送，也可按位进行位操作。另外，p 3 口具有第二功能，8 条输入输出线可 以独立地作为串行通信接口与其他控制信号纠引，如表3 1 所示。 表3 - 1 引脚功能 端口引脚第二功能 p 3 o r x d ( 串行输入口) p 3 1t x d ( 串行输出口) p 3 2i n t 0 ( 外部中断o ) p 3 3i n t l ( 外部中断1 ) p 3 4t o ( 定时计数器o ) p 3 5t 1 ( 定时计数器1 ) p 3 6w r ( 外部数据存储器写选项) p 3 7r d ( 外部数据存储器渎选项) 3 2 2 单片机的i o 口在c p u 主控电路中的作用 在叠图机控制系统中，单片机各个i o 口的作用如下所述： p 0 口被用来做双向i 0 口使用，一方面通过并行通信方式经过两个7 4 l s 2 4 0 n 检测 第三章叠图机主控电路设计 传感器及按键的输入信号：当接收按键信号时，从p o 0 到p o 5 口分别对应六个按键； 当接收传感器信号时，p 0 0 到p 0 7 分别对应8 个传感器信号。另一方面p 0 口通过 7 4 l s 5 7 4 用来输出单片机对步进电机的控制信号，p 0 0 、p 0 2 、p 0 3 、p o 5 、分别发送对 两个步进电机驱动器的方向和使能控制信号。p 0 6 用来发送控制起导向作用的电磁铁的 控制信号。 p l 口主要用来输出m a x 7 2 1 9 所需数据信号，直流电机的启动信号以及m 8 2 5 3 的 控制信号。p 1 2 、p 1 3 管脚用来控制m 8 2 5 3 定时的第0 通道和第l 通道的使能端，决定 其是否选通该通道。p 1 4 用来发送直流电机所需的动作信号，该直流电机起导向作用， 既当图纸最后出图的时候通过直流电机带动叉子挡住出图口的对面，使图纸最后从出图 口出去。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 所需的时钟脉冲信号。p 1 7 管脚发送串行信号控制l d e 显示驱动芯片m a x 7 2 1 9 的显示数据。 ， p 2 口的作用是提供c p l d 译码电路的输入位，使c p l d 产生各路7 4 h c 2 4 4 芯片所 需的选通信号来控制输入输出p o 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 3 口利用了端口引脚的第二功能来响应中断并控制m 8 2 5 3 芯片：p 3 1 脚( r x d 脚) 用来发送l e d 显示驱动芯片m a x 7 2 1 9 的片选信号。p 3 2 脚( i n t 0 脚) 用来检测传感器 输入信号触发的中断信号。p 3 3 脚( i n t l 脚) 用来检测按键触发的中断信号。p 3 6 脚( w r 脚) 用来连接m 8 2 5 3 芯片的w r 脚来实现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 脚来实现对该芯片内部数据的读取。 3 2 3 看门狗芯片 单片机应用系统中对单片机的监控方法有两种，一种是监控芯片，另一种是看门狗 芯片。监控芯片和看门狗芯片在功能上有相互重复之处，所谓的“看门狗”是指在系统设 计中，通过软件或硬件方式在一定的周期内监控单片机或其他c p u 的运行状况。如果 在规定的时间内没有收到来自单片机或其他c p u 的触发信号，则系统会强制复位，以 保证系统在受到干扰时仍然能够维持正常的工作状态。 专用硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，它实际上 是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲。从实现角度上看，该方式是一 种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好以后，在程序中适当地插入一些 看狗复位的指令，保证程序正常运行时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的r e s e t 引脚使单片机复位。在这种方式中，看门狗能否可靠有效地工作，与硬件组成及软件的 控制策略都有密切的关系。 3 2 4 复位电路设计 复位电路设计是为了在叠图机运行出错导致电机停止后，方便程序重新启动，而不 必再去重新关电源再开电源。如图3 2 所示为叠图机的复位电路，其中r s t 连接到单片 机的r e s e t 引脚，h e a d e r 2 为连接到复位按键c 键的接插槽。 第三章叠图机主控电路设计 图3 - 2 复位电路 3 3 传感器与按键电路控制系统设计 c p u 主控电路采用a t 8 9 c 5 2 单片机，其中p o 口连接到两个7 4 l s 2 4 4 n 锁存器。接 收来自传感器和按键的信号。 u l ， l a l l y l i 2l r ： l 3i y 3 l il