母导线参数检测机控制系统设计

南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 母导线参数检测机控制系统设计（下位机）专 业： 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： _Graduation Design (Thesis)Design of Control System for Bus Bar Parameter Tester (Slave Computer)ByYANG HuayongSupervised byAssociate Prof. HUA MaofaDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 2007南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）摘 要本文根据自动检测母导线导电片电阻和导电片之间绝缘强度的要求，提出了母导线参数检测机（下位机）控制系统的设计方案，并详细介绍了控制系统硬件电路的设计过程。该硬件电路选择MCS-51系列的单片机8031作为CPU。扩展了32K的程序存储器和4K的数据存储器，用于存放系统的监控程序和相关数据；设计了6位LED静态显示电路；选择8255芯片扩展了若干个 I/O口，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；同时，还选择接口芯片8155扩展了编辑键盘和母导线种类选择开关；另外，还选择了锁存器74LS273，用来锁存输出控制四个步进电机的正反转脉冲信号。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导线的传送、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，在母导线技术参数自动检测方面有一定的参考应用价值。关键词：母导线；参数检测机；控制系统；硬件电路II南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）ABSTRACTAccording to the requirements of resistance and insulation strength between conducting plates, this paper advances a design scheme for the control system of bus bar parameter tester (slave computer), and introduces the design process for the hardware circuit of control system in detail. This hardware circuit selects an 8031, MCS-51 series micro controller, as the CPU. a 32K program memory and a 4K data memory were used to storage the monitor program and relative data, and a 6 bit LED static display circuit is also designed. I/O ports are realized with 8255 to input or output position detection signal, pressure relay signal, start-up/stop signal for the asynchronous motor, switch signal for the detector, etc. At the same time, the parallel interface, 8155, is used to achieve the edit keyboard function and the type selection of bus bar. Further more, the D latch, 74LS273, is used to lock the pulse signal of the movement of the 4 step motors. Hardware improved, combined with adequate software, the movement and detection of detector can be operated automatically under the control of the system developed. Moreover, the whole control system can automatically control the transmission, orientation, pasting mark, and package of the bus bar. Thus, the automation degree of the whole control system is high, and the disadvantages of low efficiency and low security are avoided. There is some application value in automatically detecting the bus duct parameter.Key words：Bus bar; parameter tester; control system; hardware 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 母导线简介11.3 选题背景与意义2 1.4 本文的结构2第二章 母导线参数检测机简介3 2.1 母导线参数检测机的检测内容3 2.2 母导线参数检测机控制系统的组成及工作流程4 2.2.1 母导线参数检测系统的组成42.2.2 母导线参数检测系统的工作流程4第三章 母导线参数检测机（下位机）硬件电路设计8 3.1 母导线参数检测机（下位机）硬件系统组成方案的拟定8 3.2 CPU存储器扩展电路的设计93.2.1 CPU 的选择93.2.2 ROM 的选择103.2.3 RAM 的选择113.2.4 锁存器的选择123.2.5 CPU存储器扩展电路133.3 显示电路的设计153.3.1 锁存器的选择153.3.2 十六段“米”字形LED153.3.3 七段LED163.3.4 显示电路173.4 I/O接口电路的设计193.4.1 I/O接口芯片的选择193.4.2 I/O接口电路203.5 键盘及选择开关电路的设计223.5.1 键盘及选择开关接口芯片的选择223.5.2 键盘及选择开关电路243.6 步进电机控制信号输出电路的设计253.7 译码电路的设计263.7.1 译码器的选择263.7.2 译码电路的组成273.7.3 地址分配283.8 母导线参数检测机（下位机）硬件电路30第四章 母导线参数检测机（下位机）控制程序流程图设计314.1 主程序流程图的设计314.2 键盘扫描程序流程图的设计324.2.1 手动键盘扫描程序流程图的设计324.2.2 编辑键盘扫描程序流程图的设计36第五章 硬件电路原理图及PCB图的绘制415.1 Protel 99SE的基础知识415.1.1 Protel 99SE的基本操作415.1.2 电路原理图的设计步骤415.1.3 PCB图的设计步骤425.2 电路原理图的绘制435.2.1 绘制过程中的问题与解决435.2.2 元器件的封装445.3 PCB图的绘制45第六章 结论47致谢49参考文献50附录A：英文资料51附录B：英文资料翻译58附录C：硬件设计原理图与PCB图63附件： 毕业论文光盘资料55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，母导线的出现恰巧能弥补这一漏洞。有关资料显示，2005年中国市场的母导线产品总需求量已近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，国内母导线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，使母导线产品得以迅速发展并在电力系统中广泛应用。随着母导线产品的广泛应用，母导线技术参数的检测问题也就随之产生。母导线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导线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，这与我们对母导线技术参数准确性的要求是相冲突的。另外，在检测母导线的绝缘强度时，需要对母导线通以高压，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，开发母导线参数检测机，可以完成对母导线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 母导线简介1. 母导线的基本结构及特点母导线是低压供电系统中负责传输及分配电能的设备，是替代传统电缆和电缆桥架输配电系统的新型产品，而在大电流输送方面更是处于主导地位。它具有载流能力强、防护等级高、分配电能方便、传输安全可靠等优点。 图1.1母导线母导线的结构如图1.1所示，在母导线系统中一般由以下几个单元组成：馈电式母线（不带插口）或插接式母线（带插口）直线段单元；与变压器，配电柜等设备接口的进（出）线单元；换向单元有L形单元，T型单元，Z型单元；膨胀单元有膨胀节母线单元；插接单元有插接箱单元。所有单元通常均由母导线制造商进行标准设计，也可以根据工程需要进行现场测量后采取非标设计，以满足用户及安装需要。2. 母导线的种类按其结构及用途分为密集绝缘、空气绝缘、空气附加绝缘、耐火、树脂绝缘和滑触式母导线；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。1.3 选题背景与意义由于母导线导电片的横截面积大、电阻小，再加上检测技术的落后。目前国内的母导线生产厂家基本都不对导电片的电阻进行检测，而只是人工检测导电片之间的绝缘强度。在检测时，检测人员手持绝缘检测头对母导线进行检测，若母导线绝缘强度不够，绝缘强度检测仪就会报警，而且，检测过程中，检测头是通以高压的，对操作人员的人身安全也是个威胁。在国外，不仅能检测导线电阻，而且检测的自动化程度相当高，国内与之存在的差距十分巨大。事实上，导电片电阻作为母导线的主要技术参数，是有必要检测出来的。镇江地区的一些母导线生产企业也看到了这一点。另外，国内的检测水平也确实比较落后。因此，迫切希望设计一个控制系统对母导线技术参数进行自动检测，这样就可以提高企业的生产效率，减少人员的投入，给企业带来广阔的市场前景和显著的社会效益。1.4 本文的结构本文以母导线为应用背景，对母导线参数检测机（下位机）控制系统的硬件电路进行了设计。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的特点、种类和应用，母导线参数检测机控制系统的研究背景与意义；第二章介绍了母导线参数检测机的检测内容、组成以及工作流程；第三章对母导线参数检测机（下位机）控制系统硬件电路的组成进行了研究，给出了硬件电路的组成框图，并详细介绍了硬件电路的设计过程；第四章介绍了母导线参数检测机（下位机）主程序流程图和键盘扫描程序流程图的设计；第五章介绍了Protel 99SE的基本知识，以及绘制硬件电路原理图和PCB图时遇到的困难和解决方法；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。第二章 母导线参数检测机简介2.1 母导线参数检测机的检测内容母导线参数检测机的主要检测内容为：母导线内各个导电片的电阻；母导线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导线的主要技术参数。导电片电阻是影响母导线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，而母导线也是如此。另外，导电片之间的绝缘强度则是影响母导线安全性能的主要因素。因此，检测母导线这两个技术参数是十分重要的，这可以帮助我们更加准确有效地把不同种类及型号的母导线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2.1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。微欧计绝缘强度检测仪(a) (b) 1231、检测头 2、气缸 3、母导线(a) 检测导线电阻 (b) 检测绝缘强度图2.1 母导线参数检测示意图2.2 母导线参数检测机控制系统的组成及工作流程2.2.1 母导线参数检测系统的组成母导线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，其中母导线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2.2为母导线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（气压传动）包装机构母导线定位机构运动机构控制系统（下位机）检测台母导线图2.2 母导线参数检测系统的组成2.2.2 母导线参数检测系统的工作流程母导线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2.3所示。1.检测平台 2.母导线 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.母导线包装台升降气缸 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2.3 检测台和包装台的传动机构示意图母导线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导线。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导线是否合格，若合格，则发送信号给打印机，打印机打印出所测母导线的条码。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导线上。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导线的包装。下面将按照前文叙述的工作过程给出母导线参数检测机（下位机）控制系统的工作流程图（图2.4）。检测台母导线传送电机启动检测台纵向定位缸升起检测台母导线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YNYN母导线纵向到位？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导线传送电机启动包装台母导线传送电机启动包装台纵向定位缸升起母导线离开检测台后检测台电机停转母导线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2.4 母导线参数检测机控制系统（下位机）的工作流程第三章 母导线参数检测机（下位机）硬件电路设计3.1 母导线参数检测机（下位机）硬件系统组成方案的拟定母导线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：CPU采用8031、外扩ROM采用27256（32k8）、外扩RAM采用6264（8k8）、I/O口用8255扩展、步进电机控制信号用74LS273锁存器扩展、键盘和选择开关用8155扩展、显示电路用6位LED静态显示。具体的电路设计在下面章节会详细介绍。母导线参数检测机（下位机）硬件系统组成方案如图3.1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3.1硬件系统组成框图3.2 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做了介绍。同时，给出了CPU存储器扩展电路。3.2.1 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，但存储空间较小，满足不了本次毕业设计的要求，另外， 8051与8031相比价格偏高，且8031目前使用较广泛，故控制系统硬件电路的CPU选用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3.2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） 图3.2 8031引脚图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地位字节。 2）（29脚）：输出外部程序存储器（ROM）的读选通信号。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。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。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。4）P3口（10脚17脚）：是8位准双向I/O口。它是一个复用双功能口，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。P3口作为第一功能，即普通I/O口用时，功能和操作方法与P1口类似；P3口作为第二功能使用时，各引脚的定义见表3.1。表3.1 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）3.2.2 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，故控制系统的硬件电路采用27256（32k8）作为外扩ROM。 图3.3 27256引脚图外扩ROM27256（32k8）采用28引脚双列直插封装（DIP方式），其引脚图如图3.3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。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3.2给出了27256不同操作方式下控制引脚的电平。表3.2 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3.2.3 RAM 的选择控制系统硬件电路中的RAM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，且市场上较容易买到8k的RAM，价格也便宜，再加上4k的RAM很难买到，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。6264同样采用28引脚的双列直插封装（DIP方式），其引脚图如图3.4所示。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。 图3.4 6264引脚图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3.3给出了6264不同操作方式下控制引脚的电平。表3.3 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3.2.4 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3.5所示。74LS373各引脚的意义如下：1）D0D7：三态门输入端。 图3.5 74LS373引脚图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。 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。3.2.5 CPU存储器扩展电路本节将给出CPU存储器扩展电路，在此之前先对该扩展电路做以下几点说明：1）由于外扩了RAM 6264，为了防止6264因紧急情况掉电而引起数据丢失，本电路原理图中设计了掉电保护电路。当发生紧急情况，CPU停止供电时，掉电保护电路中的干电池就会给6264供电，保证其数据不丢失。同时，由于采用了三极管，在掉电后还可以把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）由于控制系统的6264存储的内容并不多，主要用于存放控制检测头运动位移量的检测程序，再加上地址线不够用，因此，6264只用了4k的容量，它的引脚2（A12）被接地，即6264只用到了A0A11共12根地址线。控制系统的27256用到了32k的容量，即用到了A0A14共15根地址线，主要用于存放监控程序。3）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。而高八位地址则由8031的P2口提供。这样就构成了控制系统硬件电路所需的十六位地址。4）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。6）CPU存储器扩展电路部分以及后面的显示电路部分还需用到译码器，本次毕业设计在这两部分电路中都选用74LS138译码器，对这部分知识将在后面用一节作详细的介绍。完整的CPU存储器扩展电路如图3.6所示。图3.6 CPU存储器扩展电路3.3 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。3.3.1 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。 图3.7 74LS273引脚图3）每个触发器有单独的数据输入。 74LS273的引脚图如图3.7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。3.3.2 十六段“米”字形LED十六段“米”字形LED引脚图如图3.8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 图3.8 十六段LED引脚图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显示字形编码见表3.4。表3.4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mlkjihg2g1fed2d1cba2a1X1011010000000000B400HY01010100000000005400HU000000001111110000FCHV00010100000000001400HM000101001100110014CCHN001001001100110024CCHF010010000000001103C3H3.3.3 七段LED七段LED引脚图如图3.9所示。七段LED显示器是由8个发光二极管组成的，它们分别标记为a、b、c、d、e、f、g、dp。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。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。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。 图3.9七段LED引脚图共阴极七段LED显示字形编码表见表3.5。 表3.5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dpgfedcba10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011016DH6011111017DH70000011107H8011111117FH（续）显示字符各段发光二极管的电平共阴极段选码dpgfedcba9011011116FH0001111113FH3.3.4 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3.10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。七段LED的八个引脚a、b、c、d、e、f、g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表3.4提及的七个字母。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）在显示电路中，有六位LED，但由于十六段的LED需用到两个74LS273锁存器，即需要译码器提供两个位选信号，所以一共需要七个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。 4）每个74LS273锁存器的VCC和GND之间都接有去耦电容。图3.10 显示电路3.4 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四个坐标方向的进给按钮由8031（U11）的P1口扩展，电路图如图3.6所示。3.4.1 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3.11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/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。它是最灵活的 图3.11 8255引脚图输入输出寄存器，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3.6列出了CPU对8255端口的寻址和操作控制。表3.6 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3.4.2 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，检测母导线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。详细的I/O接口电路如图3.12所示。图3.12 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3.13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，常常采用光电 图3.13 光电耦合器耦合器，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。3.5键盘及选择开关电路的设计3.5.1 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的引脚图如图3.14所示，引脚功能如下：1）AD0AD7：双向地址/数据总线，分时传送单片机和8155之间的地址、数据、命令、状态信息。2）ALE：地址锁存信号输入，在ALE下降沿将AD0AD7上的低8位地址、RAM/IO口选择