贴标机械手运动控制系统设计.doc

南京工程学院 自动化学院自动化学院 本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题目 贴标机械手运动控制系统设计贴标机械手运动控制系统设计 专 业 自动化 数控技术应用 自动化 数控技术应用 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 起迄日期 设计地点 实实验验楼楼 Graduation Design Thesis The Design Of Labeling Manipulator Controller By CAI Weiting Supervised by Associate Prof HUA Maofa Department of Automation Engineering Nanjing Institute of Technology June 2007 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 I 摘摘 要要 本文概述了母导线的结构型式 使用范围以及选型 及其自动检测系统的 组成和控制流程 着重介绍了贴标机运动控制系统的设计和功能实现 贴标机 运动控制系统选用MCS 51系列单片机8031作为CPU 外部扩展了程序存储器和 数据存储器 用于存储控制系统监控程序和数据 并设计了LED显示电路 手 动键盘和编辑键盘 控制步进电机转动的脉冲信号 采用光电隔离输出 提高 了系统的可靠性 另外还设计了与本控制系统相配套的步进驱动电路 在该驱 动电路中 选用89C2051作环行分配器件 电路简单易于进行相序分配 本驱动 电路为恒流斩波电路 能将电机绕组电流恒定 电路简单 工作可靠 文中绘出 了驱动的电路原理图 给出了四相步进电机的正转反转的程序设计流程图和主 要的控制程序 最后介绍了Protel 99 SE 在电路设计中的应用 指出了设计中出 现的问题 并提出了具体的解决方法 关关键键词词 母导线贴标机 单片机控制 步进驱动电路 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 II Abstract In this paper the structure usage and composition of the automatic testing system and the control flow of the bus bar were introduced briefly and the motion control of the labeling machine is emphasized and realized In the system developed a 51 series MCU 8031 is used as the controller and data memorizer program memorizer LED displaying circuit keyboard circuit and other function module are completed Optical coupler used in the pulse generation and transmission the system reliability is promoted greatly Further more a 89C2051 is used in the phase conversion of the step motor the system got simplified The schematic diagram of the driver the flow chart of motion of the 4 phase step motor and main program of the controller is presented in detail In the end of this paper the application of protel 99se in the system development problems encountered during the design is summarized and solution in detail is advised Keywords the bus bar labeling machine Microcontroller control step motor driver 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 III 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 引言 1 1 2 选题背景与意义 2 1 3 研究现状 2 1 4 本文的结构 3 第二章第二章 母导线参数检测系统简介母导线参数检测系统简介 4 2 1 母导线简介 4 2 2 母导线分类 4 2 3 母导线基本结构 4 2 4 自动检测系统组成 6 2 5 自动检测系统控制流程 7 第三章第三章 贴标机运动控制系统电路设计贴标机运动控制系统电路设计 10 3 1 贴标机运动机构概述 10 3 2 贴标机运动控制方案拟定 11 3 2 1 总体方案设计 11 3 2 2 贴标机控制系统设计 11 3 3 CPU 选择及其外围电路设计 12 3 3 1 单片机 8031 简介 12 3 3 2 单片机 8031 的时钟及复位电路 13 3 4 存储器扩展电路设计 13 3 4 1 程序存储器的扩展 13 3 4 2 数据存储器的扩展 14 3 5 显示电路设计 17 3 5 1 LED 显示器简介 17 3 5 2 LED 显示电路 17 3 6 键盘扩展电路设计 18 3 6 1 编辑键盘接口芯片选择 18 3 6 2 编辑键盘电路 20 3 6 3 手动键盘电路 20 3 6 4 编辑键盘流程图 21 3 7 输入 输出信号接口扩展电路设计 21 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 IV 3 7 1 步进电机控制信号接口电路 21 3 7 2 开关量输入 输出信号接口电路 21 3 8 地址译码电路设计 22 3 8 1 译码电路 22 3 8 2 译码地址 24 第四章第四章 步进电机驱动电路设计步进电机驱动电路设计 25 4 1 步进电机简述 25 4 2 步进电机的控制原理 25 4 3 相序分配电路设计 26 4 3 1 相序分配电路 26 4 3 2 相序分配软件 27 4 4 功率放大电路设计 29 第五章第五章 贴标机械手运动控制系统的原理图及贴标机械手运动控制系统的原理图及 PCB 图绘制图绘制 32 5 1 用 Protel 99 SE 进行电路设计的基本步骤 32 5 1 1 电路原理图设计的步骤 32 5 1 2 印刷电路板设计的步骤 32 5 2 电路原理图设计 33 5 3 印刷电路板的设计 33 5 4 设计中的问题及解决方法 35 第六章第六章 总总 结结 36 1 论文总结 36 2 感谢 36 致致 谢谢 38 参考文献参考文献 39 附录附录 A 英文资料 40 附录附录 B 英文资料翻译 45 附录附录 C 硬件设计原理图与 PCB 图 49 附件 附件 毕业论文光盘资料 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 0 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 引言引言 人类已经进入电气化时代 人们借助电气技术实现了自动控制机械 自动 生产线甚至自动工厂 并大大地发展了自动控制理论 在单片机出现后 计算 机成为广大工程技术人员现代化技术革新 技术革命的武器 目前 计算机在 工业控制领域中得到最广泛的应用 各种机电设备都竞相引入单片机构成各种 控制器 控制系统以及相应的多机系统和网络系统 而本课题母导线贴标机控 制系统 就是通过外扩键盘 显示和输入 输出接口等单元 满足母导线自动贴 标功能的单片机系统 作为一名将成为电子 电气工程技术人员的自动化专业 毕业生 了解和掌握单片机及其控制系统是非常必要的 目前 主要的自动贴标技术有三种 1 吸贴法 或 气吸法 这是最普通的贴标技术 当标签纸离开传送带后 分布到真空垫上 真空垫 连接到一个机械装置的末端 当这个机械装置伸展到标签与包装件相接触后 就收缩回去 此时就将标签贴附到包装件上 这种技术可靠地实现正确地贴标 且精度高 这种方法对于产品包装件的高度有一定变化的顶部贴标 或对于难 于搬动的包装件侧面贴标是非常适用的 但是它的贴标速度较慢 2 吹贴法 或 射流法 这种技术的某些运作方式是与上述吸贴法相似的 就是将标签放置到真空 表面垫上固定 直到贴附动作开始为止 但在本方法中真空表面是保持不动的 标签固定和定位在一个 真空栅 上 真空栅 为一个上面具有几百个小孔的 平面 这些小孔是用来维持形成 空气射流 的 由这些 空气射流 吹出一 股压缩空气 压力很强 使真空栅上标签移动 让它贴附到被包装物品上 这是 一项稍具复杂性的技术 它具有较高的精度和可靠性 3 擦贴法 或 刷贴法 第三种贴标方法称为同步贴标法 也可称作 擦贴法 刷贴法 或 接 触粘贴法 在贴标时 当标签的前缘部分粘附到包装上后 产品就马上带走标 签 在这一种贴标机中 只有当包装件通过速度与标签分配速度一致时 这种 方法才能成功 这是一项需要维持连续作业的技术 此外 为使标签的贴附满 足完整恰当的要求 像刷子或滚筒那样的第二套装置也是不可缺少的 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 1 1 2 选题背景与意义选题背景与意义 近年来 随着市场竞争的日益激烈 人们对产品外包装的要求越来越高 在包装件或产品上加上适当的标签 不仅可以清晰地表示出产品的商标 主要 参数 使用说明等信息 而且美观的产品标签还有助于提升公司形象 促进产 品的销售 自动贴标机是在包装件或产品上加上标签的一种自动化设备 目前 所使用的贴标机中 多采用步进电机或伺服电机 结构和控制较复杂 制造成 本较高 采用气动技术 不仅可以做到机械结构简单 而且具有绿色环保 防 火 防爆 耐高温等特点 同时输出力及输出速度易于调节 可以最大限度地 保护包装物品 因此 研究和开发基于气动技术的自动贴标机 具有实用价值 自动贴标机具有以下特点 1 一般结构复杂 运动速度快 动作精度高 为满足性能要求 对零件的 刚度要求和表面质量等都有较高的要求 2 用于食品和药品的包装机要便于清洗 与食品和药品接触的部位要用不 锈钢或经化学处理的无毒材料制成 3 进行包装作业时的工艺力一般都较小 4 一般都采用无级变速装置 以便灵活调整速度 调节生产能力 5 特殊类型的专业机械 种类多 生产数量有限 随着各种贴标技术的深入发展 贴标机正向着以下几个发展方向 1 高生产率 高可靠性 高精度 好的柔性和灵活性 注重成套性和配套 性 2 自动化程度不断提高 过去的手工半手工的复杂作业 己被半自动或自 动的贴标机所取代 且逐渐向控制智能化的方向发展 3 先进的机电技术和新元件被综合应用于贴标机中 并通过采用先进的设 计方法提高产品设计质量 缩短制造周期 贴标机作为包装生产线的一个重要组成部分 直接影响到包装质量 因此 要努力提高贴标质量 根据贴标要求从设计 制造 装配 调试等方面综合考 虑 以较低的成本满足贴标机的功能要求 1 3 研究现状研究现状 目前国内母导线技术参数的测定还是由人工完成 其自动检测技术在国内 还是个空白 随着社会的发展 人工检测技术远远不能满足社会对生产率的要 求 采用自动检测技术并配备自动化检测装置将大大提高企业生产的效率 减 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 2 少人员的投入 将会给企业带来广阔的市场前景和显著的社会效益 1 4 本文本文的结构的结构 本文以贴标机械手的研发工程项目作为应用背景 对 8031 单片机的扩展技 术 步进电机的恒流斩波技术进行了研究 全文共分为六章 各章的主要内容 如下 第一章扼要地介绍了母导线 自动贴标机的概念 特点与相关研究背景 第二章研究了母导线参数检测系统 第三章对贴标机进行了研究 给出了外部扩展电路的控制方案 并讨论了 单片机的扩展相关外部电路的设计方法 第四章对步进电机进行了研究 给出了四相八拍步进电机的控制方案 并 讨论了步进电机驱动电路的设计方法 第五章介绍了用 Protel 99SE 绘制原理图的过程其中遇到的问题及解决方法 第六章总结了全文的研究工作 给出了存在的问题和进一步研究的方向 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 3 第二章第二章 母导线参数检测系统简介母导线参数检测系统简介 2 1 母导线简介母导线简介 母线是一种可与几条电路分别连接的低阻抗导体 母导线由绝缘材料包 裹的几条并排母线加上金属外壳封装而成 母导线是低压供电系统中负责传 输电能 分配电能的一种新型的配电设备 由于母导线具有载流能力大 防 护等级高 分配电能方便 安全可靠等优点是替代传统的电缆和电缆桥架输 配电系统的更新换代产品 尤其在大电流输送电方面母导线居于主导地位 其输电能力在 200A 5000A 母导线由许多个直线单元和若干个弯曲单元 连接组成 与传统的电缆配电方式比较 母导线具有体积小 输送电流大 安全可靠 拆装方便 基建与配电施工互不相扰 一次投资可反复使用等优 点 是一种理想的配电产品 母导线的安装可直接从变压器接到低压配电柜 也可以从低压柜直接接到配电系统作为配电干线线路 2 2 母导线分类母导线分类 母导线主要有三相三线制 三相四线制和三相五线制 其中又有单通道 和双通道之分 截面如图 2 1 所示 按制造工艺和用途 又可以分为 密 集型母导线 空气型母导线 高性能型母导线 耐火型母导线 防水型母导 线 绝缘型母导线 按其外壳材料分为钢外壳 铝合金外壳和钢铝混合外 壳母导线 按其导体材料分有铜导体和铝导体母导线等 2 3 母母导导线线基基本本结结构构 1 外壳 母导线外壳由优质钢和铝组成 以减少磁滞涡流损耗 完成 面喷涂灰色环氧树脂 对外表加以保护 母导线外壳完全封闭以免机械损伤 和灰尘积聚 而且采用 50 容量的整个外壳铝质接地导体 由于这导体是 母导线外壳的一部分 当发生高容量的接地故障时 可有效接地和保护整个 系统 2 连接装置 母导线的连接装置是使用螺栓 其材料为高强度钢 弹 簧垫片为宽沿以确保压力在整个受压面上的均匀分布 螺栓为双头设计 有 力矩指示 81 108N m 处于地电位 在母线全部检测后扭断力矩螺栓 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 4 以达到压紧力矩 800A 及以上的母导线可以在不影响邻母导线段的情况下 拆除一段 也可以在要求电气隔离的情况下 拆除连接装置 3 母线 母线采用表面度银的铜排作为导电材料 导电排的外表面均 采用 B 级 130 聚脂胶片以达到长期绝缘效果 在额定负载电流下 母线槽 内任何一点的温升不应高出周围环境55 C 800A 及意识的直线馈线和插 入式母导线为三明治结构 除开口处 其余部分母线各层无空间存在 防止 烟囱效应 4 插接口 每条标准插接母导线为 3 05m 长 在每条母导线两个侧 面均有插接口 插接口上有活页门作保护 插接口间距为610mm 在插 接箱安全插入之前应使检查开口方便可行 明确标注插接口母线的相序 1 2 3 4 5 6 7 a b c d 图 2 1 母导线截面图 1 绝缘垫块 2 固定螺栓 3 导电排 4 绝缘层 5 侧板 6 盖板 7 外壳螺栓 母导线结构 图 2 2 由绝缘垫块 酚醛塑料 固定螺栓 导电排 绝缘层 聚四氟乙烯 侧板 盖板和外壳螺栓等部件组成 母导线应用范围广 适用于高层建筑 多层工业工房 机床密集的车间 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 5 产品工艺多变的车间 老车间和厂房的改造 以及各种实验室 展览馆 体 育馆 宾馆等场所作电力馈电和配电使用 可以应用于多个行业的 许多场合 防护等级高 可广泛应用于室内 户外 地下 水中和含有腐蚀 性气体等特殊环境中 图 2 2 母导线结构 母导线的相关技术参数执行GB7251 2 的相关规定 其主要参数有 额 定电流及电压 介电性能 绝缘电阻 结构强度和防护等级等 产品型号标 识如图 2 3 所示 母导线的参数性能要求达到 1 母导线保证在额定工作电流及110 的额定电压下长期正常作 2 母导线单元应承受交流 2500V 有效值 的工频耐压 历时1min 无击穿或闪络现象 3 母导线单元相与相之间及外壳之间的绝缘电阻均不低于20 欧姆 4 母导线 2m 长度中间能承受 2m 母导线本身重量加 90kg 的静负荷 不影响其性能 母导线连接处能承受1 5m 母导线重量加 90kg 的静负荷 不影响其性能 5 防护等级为 IP40 图 2 3 母导线产品型号 2 4 自动检测系统组成自动检测系统组成 母导线自动检测系统主要由一个上位机 PC 运动控制系统 或称 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 6 下位机 母导线参数检测系统 贴标机 气压系统 辅助动作执行结构 包装机构 定位机构 步进驱动系统等组成 并配备了相关的传输机构 打 印机等 如图 2 4 所示 图 2 4 自动检测系统的组成 上位机 PC 主要负责母导线自动检测系统的总体控制 控制下位机 接收检测系统检测数据 打印检测结果及控制贴标机贴标 下位机由 8031 单片机构成 主要控制气缸传动系统和步进驱动系统 相应执行机构 单元根据控制系统发出的控制信号动作 贴标机系统由8031 及外围电路 组成 接收上位机控制信号 控制贴标机械手 抓取打印机打印的标签并粘 贴到母导线外壳上 定位机构是由气缸驱动的 2 5 自动检测系统控制流程自动检测系统控制流程 上位机 打印机 下位机检测系统 气压传动 系统 功率放大系统 步进驱动系统 测试台母导线 执行机构 气缸 贴标机 母导线 包装机构定位机构 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 7 检测平台传送电机启动 检测台母线槽纵向定位缸升起 母线槽传送电机停止 左端侧向定位缸启动 右端侧向定位缸启动 连接绝缘强度检测仪 两检测头移动检测并将检测结果发送给上位机 检测完后回起点 连接检测电阻的微欧计 两检测头移动检测并将检测结果发送给上位机 开始 Y 左 右端侧向定位缸到 位 母线槽纵向到位 A N Y N 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 8 两个检测头回原点 前后检测头侧向定位缸退回 检测台纵向定位缸退回 检测台传送电机启动 包装台传送电机启动 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 发信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 定位缸退回 包装缸退回 结 束 A 图 2 5 自动检测系统控制流程图 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 9 第三章第三章 贴标机运动控制系统电路设计贴标机运动控制系统电路设计 3 1 贴标机运动机构概述贴标机运动机构概述 贴标机是一个三坐标机构 由X 轴 横向运动 Y 轴 垂直运动 Z 轴 纵向运动 组成 三个轴分别由三个步进电机驱动 通过机械传动装 置 控制母导线贴标机贴标机械手的运动 实现粘贴标签的具体动作 贴标 机运动机构如图 3 1 所示 其中贴标机械手由一个两位三通电磁阀 图中 未画出 控制的薄膜气缸 抽风扇和压标头等机械部件组成 通过抽风扇抽 风 形成负压吸附标签 贴标机械手在三坐标方向移至母导线外壳表面 薄 膜气缸上腔进气 压标头伸出将标签压贴在母导线外壳表面上 Y 2 1 X Z 6 3 4 5 7 图 3 1 贴标机运动机构示意图 1 X 向步进电机 2 Y 向步进电机 3 薄膜气缸 4 吸标风扇 5 贴标机械手 6 压标头 7 Z 向步进电机 3 2 贴标机运动控制方案贴标机运动控制方案拟定拟定 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 10 3 2 1 总体方案设计总体方案设计 如图 3 2 所示 选用 8031 单片机作为 CPU 扩展控制系统 输出分别 控制 X 轴 Y 轴和 Z 轴方向步进电机脉冲信号 经光电耦合器输出 由 89C2051 单片机对各轴正反转脉冲进行相序分配 利用恒流斩波电路对环型 分配后的信号进行放大 形成控制步进电机的四相驱动信号 最终实现对各 轴步进电机的控制 贴标机控 制系统 光 耦 光 耦 光 耦 贴标头开关量 输出接口 X 轴相序分配X 轴驱动器 X 轴步 进电机 Y 轴相序分配Y 轴驱动器 Y 轴步 进电机 Z 轴相序分配Z 轴驱动器 Z 轴步 进电机 图 3 2 总体控制方案框图 3 2 2 贴标机控制系统设计贴标机控制系统设计 如图 3 3 所示 贴标机控制系统采用8031 单片机作为 CPU 8031 单 片机是控制系统的核心 控制贴标机的运动 手动按钮接8031 的 P1 口 对贴标机运动进行手动控制 手动操作X 轴 Y 轴和 Z 轴的移动 用 2764 芯片外扩 8KB 程序存储器 ROM 存储贴标机运动的控制程序 用 6264 芯片外扩 4KB 数据存储器 RAM 存储贴标机运动的相关数据 四位 LED 显示 一位用 米 字型 16 段管 用来显示字母 X Y 和 Z 其它 三位用 7 段管 分别显示百 十 个位数值 LED 显示的段选信号经 74LS273 锁存器输出 位选信号用 8031 的 P2 口高位地址经 74LS138 译 码输出 键盘用 8255A 的 PC 口扩展 行线接 PC 口高四位 列线接 PC 口低四位 实现 4 4 小键盘 分别设置 0 9 数字键 X Y 和 Z 三个字 母键等键盘按钮 输入 输出 I O 接口也由 8255A 扩展 控制贴标机的 操作方式 手动 自动和键盘扫描 和三轴的正负行程限位等信号 步进电 机的脉冲信号经 74LS273 锁存输出 经光耦电路隔离 接贴标机各轴步进 电机的脉冲分配器 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 11 8031 单片机 ROMRAM 8255A 74LS273 步进电机驱动电路 键盘 I O 接 口 手 动 按 钮 4 位 LED 显示 图 3 3 控制系统组成框图 3 3 CPU 选择及其外围电路设计选择及其外围电路设计 MCS 51 系列中 常用的有 8031 和 8051 等 其中 8031 内部没有 ROM 需外扩一程序存储器 根据母导线控制系统的要求 要求具有 8KB 程序存储器 8051 内部只有 4KB 程序存储器 存储空间仍需外扩 所以选用 8031 单片机 8031 具有价格低 功能强 使用灵活 开发方便 等特点 适合贴标机控制系统的控制 3 3 1 单片机单片机 8031 简介简介 制造工艺为 HMOS 的 MCS 51 单片机都采用 40 只引脚的双列直插封 装 DIP 方式 8031 引脚如图 3 4 所示 I O 口线 P0 P1 P2 P3 共 四个 8 位口 控制口线 片外取指控制 ALE 地址锁存控制 PSEN 片外存储器选择 RESET 复位控制 电源及时钟 Vcc 接 5VEA 电源 Vss 接地 XTAL1 和 XTAL2 接外部晶体振荡器 当 8031 单片机外扩程序存储器 数据存储器或输入输出端口时 外部 芯片需要 8031 为其提供地址总线 数据总线和控制总线 如图3 5 所示 地址总线 AB 宽度为 16 位 可访问 64KB 的外部程序存储器和 64KB 的外部数据存储器 低 8 位地址总线 A0 A7 由 P0 口经地址锁存器提 供 高 8 位地址总线 A8 A15 直接由 P2 口提供 数据总线 宽度为 8 位 由 P0 口提供 控制 总线 CB 由 P3 口的第二功能 状态和 4 根独立的 控制线 RESET ALE 和组成 EAPSEN 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 12 图 3 4 8031 引脚图 图 3 5 8031 片外总线结构 3 3 2 单片机单片机 8031 的时钟及复位电路的时钟及复位电路 1 时钟电路 单片机 8031 虽然有内部振荡电路 但要形成时钟 必须外部附加电路 母导线贴标机控制系统用内部时钟方式 在XTAL1 XTAL2 引脚上外接 晶体以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路 使内部振荡器产生自激振荡 如图 3 6 所示 2 复位电路 贴标机系统采用按钮复位和内部中断复位相结合 在8031 复位端 RESET 上接如图 3 6 所示电路 当上电或按动按钮S00 或急停按纽 S100 后 复位端 RESET 上出现高电平 便能可靠地实现复位 图 3 6 时钟及复位电路 3 4 存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计 3 4 1 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 13 1 程序存储器芯片选择 EPROM 是可擦除 可编程只读存储器 母导线贴标机控制系统中 只需 扩展 8KB 空间的程序存储器 用一片 2764 8K 8 芯片就可满足要求 图 3 7 所示为 2764 芯片引脚 图中 A0 A12 为地址线 D0 D7 为数据输出线 为片选端 为输出允许端 为编程脉冲端 NC 为未连接端 VppCEOEPGM 为编程电压端 Vcc 为 5V GND 为地 图 3 7 2764 引脚图 图 3 8 6264 引脚图 2 程序存储器扩展电路 图 程序存储器扩展时 一般扩展容量大于256 字节 因此 EPROM 片 内地址线除了由 P0 口经锁存器提供 8 位地址线外 还需由 P2 口提供若干 地址线 EPROM 所需地址线数决定于 EPROM 的容量 当 EPROM 为 2KB 时地址线为 11 根 4KB 时地址线为 12 根 8KB 时地址线为 13 根 以此类推 所需的高位地址线由P2 口提供 如图 3 9 所示 贴标机系统外扩 8KB 程序存储器 8031 的 P0 口经 74LS373 锁存器接 2764 的 8 根地址线 A0 A7 8031 的 P2 0 P2 4 接 2764 的另 5 根地址线 A8 A12 8031 单片机 P0 口接 2764 的数据线 D0 D7 ALE 允许地址锁存 接锁存器CLK 端 11 脚 由于是分时使 用 先输出外部存储器的低8 位地址 故应在外部加锁存器将地址数据锁 存 地址锁存信号用 ALE 然后 P0 口才作为数据口使用 根据程序存储器电路的连线 确定2764 的寻址范围 如表 3 1 所示 3 4 2 数据存储器的扩展数据存储器的扩展 1 数据存储器芯片选择 表 3 1 程序存储器地址表 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 14 地址线 A15 A14 A13 A12 A11 A1 A0 地址 0 0 0 0 0 0 00000H 0 0 0 0 0 0 10001H 0 0 0 0 0 1 00002H 0 0 0 1 1 1 01FFEH 0 0 0 1 1 1 11FFFH 8031 单片机内部有 128 个字节的 RAM 在母导线贴标机控制系统中 仅靠片内 RAM 是不够的 必须外扩外部数据存储器 常用的数据存储器有 静态 RAM SRAM 和动态 RAM DRAM 两类 DRAM 一般用于存储 容量较大的系统中 而且 DRAM 需要刷新逻辑电路以保持数据信息的不丢 失 电路设计较复杂 虽然DRAM 芯片具有容量大 功率低 价格便宜等 优点 但它极易受干扰 对外界环境 工艺结构 控制逻辑和电源质量等的 要求都很高 因此 母导线贴标机控制系统选用SRAM 与 DRAM 相比 SRAM 无须考虑保持数据而设置的刷新电路 故扩展 电路较简单 在 8031 单片机应用系统中 当数据存储量较小时 最常用的 静态数据存储器 RAM 芯片有 6116 2K 8 和 6264 8K 8 两种 贴标 机控制系统要求外扩不大于4K 数据存储器 故 6264 芯片能满足要求 6264 是 8K 8 位静态随机存储器芯片 采用CMOS 工艺制作 28 线双 直插式封装 其引脚如图 3 8 所示 A0 A12 为片内 13 位地址线 D0 D7 位 8 位数据线 和 CS2 为片选端 为读 写信号线 1CSOEWR 2 数据存储器扩展电路 如图 3 9 所示 6264 芯片低 8 位地址线 A0 A7 与 8031 单片机 P0 口经地 址锁存器 74LS373 锁存输出相连接 高 4 位地址线 A8 A11 与 8031 单片机 P2 0 P2 3 直接相连 A12 接地当 4K 存储器使用 数据线 D0 D7 直接与 8031P0 口相连 片选由 8031 高位地址 P2 4 P2 7 经 74LS138 地址译码控1CS 制 片选 CS2 保持高电平 6264 芯片的写信号接掉电保护电路 掉电保护电路 带有后备电池 在系统掉电瞬间 自动保护 RAM 中有用的信息和系统的运行 状态 当电源恢复时 能自动恢复掉电前的工作状态 根据数据存储器的扩展电路 确定 6264 芯片的寻址范围 见表 3 2 表 3 2 数据存储器地址表 地址线地址 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 15 A15 A14 A13 A12 A1 A0 1 1 1 0 0 0EOOOH 1 1 1 0 0 1E001H 1 1 1 0 1 0EFFEH 1 1 1 0 1 1EFFFH 图 3 9 存储器扩展电路图 3 5 显示电路设计显示电路设计 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 16 单片机的显示器主要有 LED Light emitting Diode 发光二极管显示器 和 LCD Liquid Crystal Display 液晶显示器 两种 其中 LED 的结构和电路设计 更为简单 价格也更低廉 所以贴标机系统选用 LED 显示 LED 显示器有静态显示和动态显示两种方式 所谓静态显示就是需要显示 的字符在各字段连续通电 所显示的字段连续发光 所谓动态显示 就是用扫 描的方法一位一位轮流点亮显示器的各个位 对于显示器的每一位来说 每隔 一段时间点亮一次 利用人眼视觉的暂留效应 使得看上去好像几位显示器同 时在显示 因此动态显示必须设计动态扫描电路 以保证显示的连续性 虽然静态显示占用 硬件资源较多 但因为贴标机系统只用 4 位 LED 显示 位数较少 增加硬件不多 同时考虑到动态显示占用 CPU 时间较多 所以贴标 机系统选用静态显示 3 5 1 LED 显示器简介显示器简介 LED 显示器由发光二极管构成的字段组成的 有7 段 不含小数点段 和 16 段 米 字 管两类 如图 3 10 所示 这种显示器又有共阴极和 共阳极之分 当一个或几 个发光二极管的阳极为高 电平时 相应的段被点亮 即显示 如果加到各段阳极上 的代码不同 则控制显示 不同的字符或数字 这个 代码称为段选码 也叫 字 形码 表 3 3 列出了 7 段 LED 显示数字 0 9 的 a b 对应段选码 7 段 LED 显 图 3 10 LED 显示器 示器一般都有 dp 显示段 a 七段显示器 b 十六段显示器 用于显示小数点实际上为 8 段 所以它的段选码为一个字节 段选码的编 码顺序从最高位到最低位分别对应dp g f e d c b a 段 3 5 2 LED 显示电路显示电路 根据对贴标头运动范围的估计 三个轴各自的行程不超过一米 所以用 三位 LED 显示数值 最大显示值为 999mm 即可满足显示要求 米 字 型 LED 显示 X Y Z 三轴坐标字母 贴标机系统的LED 显示 段选信号由 8031 单片机 P0 口输出 经 74LS273 锁存器接各位 LED 段选信号端 位选 信号用 8031 的 P2 口高位 P2 7 P2 6 P2 5 经 74LS138 译码器地址译 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 17 码 形成 5 个不同的入口地址 接各位74LS273 的片选端 控制各位 LED 选通显示 接口电路如图 3 12 所示 图中 LED1 用于显示字母 X Y Z LED2 用于显示百位数值 LED3 用于显示十位数值 LED4 用于 显示个位数值 表 3 3 七段 LED 显示器段选码 显示字符共阴极型共阳极型显示字符共阴极型共阳极型 03FHC0H56DH92H 106HF9H67DH82H 25BHA4H707HF8H 3 4FH B0H8 7FH 80H 466H99H96FH90H 3 6 键盘扩展电路设计键盘扩展电路设计 贴标机系统用到两个键盘 一个为编辑键盘 用8255A 扩展 键盘由 数字键 0 9 字母键 X Y Z 等组成 当贴标机位于编辑状态时 通过该 键盘输入 X 轴 Y 轴和 Z 轴坐标的位移量 另一个为手动键盘 用8031 单片机 P0 口控制 贴标机在手动方式时 按下手动键盘 可以实现贴标机 X 轴 Y 轴和 Z 轴正 负方向的手动操作 3 6 1 编辑键盘接口芯片选择编辑键盘接口芯片选择 8255A 作为单片机应用系统常用的可编程I O 接口得到广泛的应用 对于单片机系统来说 若系统已用到8255A 在 8255A 资源足够时 作为 键盘的接口无需再专门增加芯片 所以用 8255A 扩展编辑键盘 不仅使系 统资源得到充 分利用 而其使电路设计更 为简单 8255A 是 Intel 公司生产的可编程输入输出接 口芯片 它具有 3 个 8 位的并行 I O 口 具有三 种工作方式 可通过程序改变其功能 因而使用 灵活方便 通用性强 可作单片机与多种外围设 备连接时的中间接口电路 8255A 的引脚介绍如图 3 11 所示 图 3 11 8255A 引脚图 D7 D0 为三态双向数据线 与单片机数据总线连接 用来传送数据信息 为片选信号端 低电平有效 表示芯片被选中 为读出信号端 低CERD 电平有效 控制数据的读出 WR 为写入信号端 低电平有效 控制数据 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 18 的写入 PA7 PA0 为 A 口输入 输出线 PB7 PB0 为 B 口输入 输出线 PC7 PC0 为 C 口输入 输出线 A0 A1 为地址线 用来选择 8255A 内部 端口 RESET 接复位信号 VCC 接 5V 电源 图 3 12 LED 接口电路 3 6 2 编辑键盘电路编辑键盘电路 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 19 如图 3 13 所示 编辑键盘电路采用矩阵式结构 按键触点接于行 列 母线构成的矩阵电路的交叉处 每当一个键按下时通过该键将相应的行 列 母线连通 PC 口低 4 位经反相器输出为列线 PC 口高 4 位通过电阻接 5V 电源为行线 行 列母线相交处用按键连接 通过键盘扫描方式 扫描 PC3 PC0 口状态 读 PC7 PC4 口状态 在行 列线相交处 确定按键的 键值 图 3 13 编辑键盘电路 3 6 3 手动键盘电路手动键盘电路 手动键盘电路如图 3 14 所示 采用独立式结构 每个键都有一根信号线与 8031 单片机 P1 口连接 所有按键有一个公共地端 并通过电阻接 5V 电源 每 个键相互独立互不影响 图 3 14 手动键盘电路 3 6 4 编辑键盘流程图编辑键盘流程图 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 20 开始 所有行置低 读取列值 有键按下 行扫描 找到按键 行 列扫描 找到按键 列 由列值 行值形成编码 查表得到键值 返回 N Y N Y Y N 根据编辑键盘电路接口和工作原理 设计编辑键盘扫描程序流程图 如 图 3 15 所示 图 3 15 键盘扫描程序流程图 3 7 输入输入 输出信号接口扩展电路设计输出信号接口扩展电路设计 3 7 1 步进电机控制信号接口电路步进电机控制信号接口电路 贴标机系统的输出信号主要有步进电机 X 轴 Y 轴和 Z 轴的正转 反转共 六个信号 由 8031 单片机 P0 口经地址锁存器 74LS273 锁存输出 信号通过光 电耦合器接步进电机相序分配电路 如图 3 16 所示 3 7 2 开关量输入开关量输入 输出信号接口电路输出信号接口电路 输入信号主要为 X 轴 Y 轴和 Z 轴的正 负超程信号 贴标机自动状态 手 动状态和编辑状态选择开关输入信号 输出信号有贴标头抽风扇和薄膜气缸控 制信号 输入信号经光电耦合器接 8255A 芯片 PA 口 为了节省 I O 口资源 将 各坐标轴正负超程信号并接成一个输入信号 输出信号接 8522A 芯片 PB 口 经 光耦输出 如图 3 17 所示 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 21 图 3 16 步进电机控制信号接口电路 图 3 17 开关量输入 输出信号接口电路 贴标机自动状态 手动状态和编辑状态拨动开关信号输入流程图如图 3 18 所示 3 8 地址译码电路设计地址译码电路设计 控制系统中 所以外围芯片都通过总线与 8031 相连 8031 数据总线分时地 与外围芯片进行数据传送 所以要进行片选控制 需要片选信号的芯片 6264 8255A 输出步进电机控制信号的 74LS273 LED 显示用的 5 个 74LS273 3 8 1 译码电路译码电路 用 3 8 译码器 74LS138 进行全地址译码 由表 3 4 的 74LS138 译 码器真值表可知 将 G1 接 5V G2A G2B 接地 P2 7 P2 6 P2 5 分别 接到 74LS138 译码器的 C B A 端 74LS138 地址译码输出 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 22 Y0 Y1 Y2 Y3 和 Y4 分别与 8031 的写选通信号相 或 后接 LED 显示用 的 5 个 74LS273 的片选控制端 Y5 接 8255A 片选控制端 Y6 接 6264 芯片片 选控制端 Y7 与 8031 的写选通信号相 或 后接步进电机控制信号输出芯片 74LS273 片选控制端 如图 3 19 所示 初始化 执行自动程序 开始 自动状 态吗 手动状 态吗 编辑状 态吗 读 8031P1 口状态 执行编辑键盘扫描程序 结束 Y N Y N Y N 图 3 18 选择开关信号输入流程图 图 3 19 74LS138 译码电路 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 23 表 3 4 74LS138 译码器真值表 输 入 赋 能选 择 输 出 G1 G2C B AY0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 H L H L H L H L H L H L H L H L H L L L L L L H L H L L H H H L L H L H H H L H H H H H H H H H H H H H H H H H H H L H H H H H H H H L H H H H H H H H L H H H H H H H H L H H H H H H H H L H H H H H H H H L H H H H H H H H L H H H H H H H H L 3 9 2 译码地址译码地址 根据译码电路接线 确定各外扩芯片的地址空间或入口地址见表 3 5 表 3 5 芯片地址表 地址线 芯片 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 地 址 62641 1 1 0 E000H EFFF H A 口D000H B 口D001H8255A1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 C 口D002H 步进 74LS2731 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0F000H LED1 外1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 08000H LED1 内1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 09000H LED21 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A000H LED31 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0B000H 显示 74L S273 LED41 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0C000H 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 24 第四章第四章 步进电机驱动电路设计步进电机驱动电路设计 4 1 步进电机简述步进电机简述 步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行 元件 控制步进电机的输入脉冲数量 频率及电机各项绕组的接通顺序 可以得 到各种需要的运行特性 尤其是与数字设备配套时 体现了更大的优越性 步 进电机对旋转角度和转动速度进行的高精度控制使步进电机作为控制执行元件 成为机电一体化的关键产品之一 广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械 等领域 随着微电子和计算机技术的发展 步进电机的需求量与日俱增 在各个国 民经济领域都有应用 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信 号的控制 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 永磁式步进电机 混合式步进电机和单相式步进电机等 其中反应式步进电机的转子磁路由软磁 材料制成 定子上有多相励磁绕组 利用磁导的变化产生转矩 现阶段 反应式步 进电机获得最多的应用 步进电机和普通电机的区别主要在于其脉冲驱动的形式 正是这个特点 步进 电机可以和现代的数字控制技术相结合 不过步进电机在控制的精度 速度变 化范围 低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机 在精度不是 需要特别高的场合就可以使用步进电机 步进电机可以发挥其结构简单 可靠性 高和成本低的特点 使用恰当的时候 甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美 4 2 步进电机的控制原理步进电机的控制原理 四相步进电机定子上有八个凸齿 每一个齿上有一个线圈 线圈绕组的连 接方式 是对称齿上的两个线圈进行反相连接 八个齿构成四对 所以称为四 相步进电机 步进电机是贴标机系统中的执行元件 在贴标机控制系统控制下 驱动 贴标机械手移动 贴标机各轴步进电机采用四相八拍工作方式 通电方式如 下 A AB B BC C CD D DA 按上述方式通电 步进电机正向转动 反之 如果通电方向与上述方向 相反 步进电机反向转动 可见 步进电机的方向控制与内部绕组的通电顺 序有关 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 25 步进电机的工作控制框图如图 4 1 所示 在图中脉冲分配电路分配步进电 机工作方式所需的各相脉冲信号 功率放大电路对脉冲分配回路输出的弱电信 号进行放大 产生电机工作所需的激磁电流 A 相 脉 B 相 冲 分 配 C 相 D 相 功率放大 功率放大 功率放大 功率放大 步进 电机 脉冲 信号 方向 信号 图 4 1 步进电机工作方式控制框图 4 3 相序分配电路设计相序分配电路设计 4 3 1 相序分配电路相序分配电路 选用 89C2051 作为环形分配器 电路比较简单 硬件成本低 并且可以 根据应用系统的需要灵活地改变步进电机的控制方式 如图 4 2 所示 取 89C2051 的 P1 7 P1 6 P1 5 P1 4 作相序脉冲 输出口 通过光电耦合器分别与步进电机的D 相 C 相 B 相 A 相驱动 电路接口相连接 相序分配表见表4 1 P3 2 口采用第二功能 外0INT 部中断 0 接收系统产生的脉冲信号 方向信号接P3 3 口 表 4 1 四相八拍步进电机脉冲分配表 步步 序序 D D 相相 C C 相相 B B 相相 A A 相相 P1 7 P1 6 P1 5 P1 4 相序字模相序字模通电状态通电状态方方 向向 01010 0