瓶盖冲床数控系统毕业设计 .doc

I 瓶盖冲床数控系统毕业设计瓶盖冲床数控系统毕业设计 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1 1 数控机床的发展现状及趋势 1 1 1 数控机床简介 1 1 1 2 数控冲床是数控机床的一种 1 1 1 3 数控系统组成 1 1 2 冲床数控系统设计的意义 2 1 3 瓶盖冲床数控系统的设计 3 1 3 1 瓶盖冲床数控系统设计目的 3 1 3 2 瓶盖冲床数控设计的原则 3 1 3 3 瓶盖冲床数控系统的总体设计 3 1 3 4 瓶盖冲床数控系统设计任务及要求 4 第 2 章 步进电机的应用及冲床数控系统设计概述 5 2 1 步进电机简介及其应用 5 II 2 1 1 步进电机的发展 5 2 1 2 步进电机的原理 5 2 1 3 步进电机的分类和选用 5 2 2 冲床数控系统设计概述 6 2 3 本章小结 7 第 3 章 瓶盖冲床数控系统的设计方法 8 3 1 冲床数控系统功能概述 8 3 2 系统硬件结构 9 3 3 系统软件结构 9 3 3 1 指纹识别模块软件结构 9 3 3 2 单片机软件结构 9 3 4 本章小结 14 第 4 章 瓶盖冲床数控系统的硬件设计 15 4 1 主要器件的选择 15 4 1 1 单片机的选择 15 4 1 2 键盘显示接口芯片的选择 19 4 1 2 其他芯片的选择 20 4 2 硬件电路结构组成分析 27 4 2 1 键盘显示电路 27 4 2 2 复位电路 29 4 2 3 时钟电路 30 4 2 4 串行下载接口电路 31 4 2 5 继电器连接电路 32 4 2 6 传感器接口电路 33 4 2 7 步进电机控制驱动电路 33 4 2 8 冲压模具的选择 37 第 5 章 瓶盖冲床数控系统的软件设计 38 III 5 1 瓶盖冲床数控系统软件框图 38 5 2 键盘显示电路软件设计 39 5 2 1 HD7279A 初始化 39 5 2 2AT24C01 初始化 42 5 3 步进电机驱动和控制功能的实现与中断服务程序 42 5 3 1 步进电机相关参数的确定 42 5 3 2 步进电机的加减速 43 5 3 3 功能键完成参数设定及功能执行 44 5 3 4 中断服务程序 45 5 4 单片机软件设计 46 5 4 1 单片机 C51 源程序 46 5 4 2 HD7279A 初始化程序 46 5 4 3 AT24C01 初始化程序 47 5 4 3 步进电机正反转及其加减速程序 49 5 4 4 定时器调整中断及软件延时 51 第 6 章 结论 53 参考文献 54 致 谢 55 附 录 56 附 1 系统硬件电路原理图 56 附 2 软件程序清单 57 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 数控机床的发展现状及趋势 1 1 1 数控机床简介 数控机床是数字控制机床的简称 是一种装有程序控制系统的自动化机床 该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序 并将其 译码 从而使机床动作并加工零件 给机床装上数控系统后 机床就成了数控机床 当然 普通机床发展到数 控机床不只是加装系统这么简单 例如 从铣床发展到加工中心 机床结构发 生变化 最主要的是加了刀库 大幅度提高了精度 加工中心最主要的功能是 铣 镗 钻的功能 我们一般所说的数控设备 主要是指数控车床和加工中心 1 1 1 2 数控冲床是数控机床的一种 数控冲床是深喉颈普通冲床与数控送料机相结合的高新技术产品 电脑自 动编程 CAD 设计 采用新型专用冲模 能加工长 2500 宽 1250 厚 8 以内 规格的铁板 不锈钢板 铝板等 可冲 圆孔 椭圆孔 长腰孔 长方孔 多 边孔 菱型孔 星型孔 十花孔 梅花孔 百叶孔 浅拉伸孔等多种孔形 布 孔精度 0 15mm 布孔形式 90 度 60 度 45 度 1 1 3 数控系统组成 由显示器 控制器伺服 伺服电机 和各种开关 传感器构成 目前世界 最大的三家厂商是 日本发那客 德国西门子 日本三菱 其余还有法国扭姆 西班牙凡高等 国内由华中数控 航天数控等 国内的数控系统刚刚开始产业 化 水平质量一般 高档次的系统全都是进口 随着计算机技术日新月异的发展 基于微机的数控是数控技术发展的必然 趋势 所以在现阶段能在已有资源的基础上对老式机床的数控系统改造成为了 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 2 切实可行的一大出路 我这次设计的基于单片机的冲床系统就是对老式冲床改 造的一种尝试 1 2 冲床数控系统设计的意义 冲床数控系统是装备工业的一种 其技术水平和现代化程度决定着整个国 民经济的水平和现代化程度 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端 工业的使能技术和最基本的装备 数控技术又是当今先进制造技术和装备最核 心的技术 因此 专家们预言 机械制造的竞争 其实质是数控技术的竞争 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 是制造业 实现自动化 柔性化 集成化生产的基础 是提高产品质量 提高劳动生产率 必不可少的物质手段 是国防现代化的重要战略物质 是关系到国家战略地位 和体现国家综合国力水平的重要基础性产业 当今世界各国制造业广泛采用数 控技术 以提高制造能力和水平 提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力 大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发 展 提高综合国力和国家地位的重要途径 此外世界上各工业发达国家还将数 控技术及数控装备列为国家的战略物资 不仅采取重大措施来发展自己的数控 技术及其产业 而且在 高精尖 数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和 限制政策 根据国民经济发展和国家重点建设工程的具体需求 设计制造 高 精 尖 重大数控装备 打破国外封锁 掌握数控装备关键技术 创出中国数控机 床品牌 提高市场占有率是全面提升我国基础制造装备的核心竞争力的关键所 在 可见技术在不断进步 纯机械式冲床已经被淘汰 取而代之的是具有高度 准确性和直观性且与机械装置有机结合的 具有更高控制精度的等优点的数控 冲床 数控冲床更具人性化 更能提高工业的生产品质 更受生产厂家的欢迎 1 2 无可否认机械时代已经过去 电子时代已经到来 作为新时代的我们 更 应该提高自身能力 适应新时代的发展 知识来自实践 多去生活中探询所需 要的 对于上述所提到的研究课题 我们应尽量考虑到人的因素 增强数控系 统的实用性和操作性 为使用者提供切实的方便 所以 在设计的时候 应该 从多方面 多角度去考虑问题 而且应该进一步提高数控系统的质量 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 3 1 3 瓶盖冲床数控系统的设计 1 3 1 瓶盖冲床数控系统设计目的 瓶盖数控冲床是实现生产和工作中最常见的一种数字机械装备 其控制核心可 以采用模拟电路和数字电路设计实现 但是成本较高且电路会非常复杂 也可 以采用 PLC 配合专用驱动器来实现 但是我们无法学习到对应用系统的分析和 解决工程问题的能力 这里我是用单片机来设计一个瓶盖冲床数空系统 并通 过该系统的设计使自己掌握单片机应用系统的硬件设计 软件设计 系统综合 调试等知识 1 3 2 瓶盖冲床数控设计的原则 1 性原则 要力求最大限度地满足实际工作的需要 充分考虑硬件实 现与软件性能实现的实用性 把瓶盖冲床数控系统的基本冲压及步进电机驱动 控制功能实现作为首要实现的目标来进行考虑 尽可能做到硬件电路设计美观 大方 操作简便又不失实用性 2 可扩展性与可维护性原则 为适应现在瓶盖冲床数控系统的发展与 需要 瓶盖冲床数控系统要可扩展性和可维护性 软件设计尽可能模块化 组 件化 使应用系统可灵活配置 适应不同的情况 硬件电路的设计尽可能考虑 到现在的需要及将来的发展趋势 3 安全可靠性原则 软件的设计要做到安全可靠 防止系统的性能不 稳定 软件设计的恰当可以让硬件电路的实现简单稳定 更加的便捷与完美 1 3 1 3 3 瓶盖冲床数控系统的总体设计 本文则主要从单片机 AT89S52 入手来设计一种瓶盖冲床数控系统 因为单 片机便宜耐用 性能可靠 因而由单片机实现的瓶盖冲床数控系统有着简单实 用 价格低廉的优点 比较适合于日常生产中的使用 如果对系统再稍加修饰 还可作为一种通用多功能的高精度控制冲床 配合多功能模具可以实现多样化 生产 提高设备的通用性 本文通过用对一个能实现瓶盖冲压 动态显示 智能驱动 人为输入的瓶 盖冲床数控系统的设计学习 详细介绍了 52 系列单片机应用中的数据转换显 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 4 示 数码管显示原理 SPI 总线扩展接口 I2C 总线扩展 步进电机的控制及 其驱动 单片机的定时中断原理 从而达到学习目的 了解单片机相关指令在 各方面的应用 系统由 AT89S52 LED 数码管 共阴极 按钮按键 发光二极 管 步进电机及其专用驱动芯片等部分构成 能实现瓶盖冲床数控系统的基本 功能 能进行数码管的动态显示 也具有人工输入控制 比对校正工件位置 实现自动控制和人为干涉等功能 文章后附有电路原理图 程序清单 输入输 出口对应表 1 瓶盖冲床数控系统总框图 2 系统各个模块的设计 3 相关的硬件电路设计与实现 4 相关的软件设计 程序流程图与其实现 1 3 4 瓶盖冲床数控系统设计任务及要求 1 了解瓶盖冲床的工作过程 2 实现功能 控制二轴步进电机 按要求控制冲床 冲压瓶盖 3 完成单片机的步进电机控制电路 驱动电路 现使操作电路的设计 显示方式 LED 4 完成电路设计 PCB 设计 部分程序设计 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 5 第 2 章 步进电机的应用及冲床数控系统设计概述 2 1 步进电机简介及其应用步进电机简介及其应用 2 1 1 步进电机的发展 步进电机 又称为脉冲电动机或阶越电动机 国外一般称为 STEP MOTOR 或 者 STEPPING MOTOR PULSE MOTOR STEPPER SERBO SPEPPER 目前 随着电 子技术 控制技术和电动机本体的发展和变化 传统的电机分类间的界限越来 越模糊 这是机电一体化的必然趋势 就传统的步进电机来说 步进电机可以 简单的定义为 根据输入的脉冲信号 每改变一次励磁状态就前进一定角度 若不改变励磁状态则保持一定的位置而静止的电动机 从广义上讲 步进电机 是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机 也可以看作是在一定频率范围转 速与控制脉冲频率相同的同步电机 7 2 1 2 步进电机的原理 步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用 其原始模型起源于 1830 年 至 1860 年间 1870 年前后开始以控制为目的尝试 应用于氩弧灯的电机输送 机构 这被认为是最初的步进电机 此后 在电话自动交换机中广泛使用了步进电 机 不久在缺乏交流电源的船舶和飞机等独力系统中广泛使用 20 世纪 60 年代后期 在步进电机本体方面随着永磁材料的发展 各种实 用性步进电机应运而生 而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的 应用 在近 30 年间 步进电机迅速地发展并成熟起来 从发展的趋势来讲 步进电机已经能够于直流电机 异步电机 以及同步电机并列 6 8 2 1 3 步进电机的分类和选用 步进电机是数字控制电机 它将脉冲信号转变成角位移 即给一个脉冲信 号 步进电机就转动一个角度 因此非常适合于单片机控制 步进电机可分为 反应式步进电机 简称 VR 永磁式步进电机 简称 PM 和混合式步进电机 简称 HB 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 6 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是 它是通过输入脉冲信号来进 行控制的 即电机的总转动角度由输入脉冲数决定 而电机的转速由脉冲信号 频率决定 步进电机的驱动电路根据控制信号工作 控制信号由单片机产生 1 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配 例如 三相步进 电机的三拍工作方式 其各相通电顺序为 A B C D 通电控制脉冲必须严格按 照这一顺序分别控制 A B C D 相的通断 2 控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电 步进电机 正转 如果按反序通电换相 则电机就反转 3 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲 它就转一 步 再发一个脉冲 它会再转一步 两个脉冲的间隔越短 步进电机就转得越 快 调整单片机发出的脉冲频率 就可以对步进电机进行调速 考虑到本次设计所使用的负载不是很大 所以所采用的是 2 相反应式步进 电机 2 2 冲床数控系统设计概述 数控冲床作为一种高精度的自动化机床 综合应用了电子 计算机 自动控 制和机床制造等领域的先进技术 在机械制造业中发挥着巨大的作用 它很好地 解决了现代机械制造中结构复杂 精密 批量小 多变零件的加工问题 且能稳 定产品的加工质量 大幅度地提高生产率 实际意义上的数控系统设计多可以理 解为数控改造 数控改造一般是指对普通冲床某些部位做一定的改造 配上数控 装置 从而使冲床具有数控加工能力 其目的是为了提高老设备的加工精度和生 产效率 适应多品种和小批量零件的生产 同时可以使技术等级较低的工人也能 加工出高质量的零件 减少设备技术改造的投资等等 所有这些都是为了提高机 床的价格性能比 即用较少的钱得到较高的机械性能和加工能力 因此 把普通 冲床改造为数控机床是一条提高数控化率的有效途径 一般来说 对现有普通冲床进行数控改造的具体做法是 主传动系统一般不 作变动 进给传动系统中采用高精度的滚珠丝杠替换进给轴原有的普通丝杠 机 械部分改造完成后 配上 MCS 52 单片机作为数控系统 用步进电机作驱动元件 经过一级减速齿轮驱动 X Y 轴的运动 设计方案中应主要考虑系统控制部分的设计如 控制核心的选用 步进电 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 7 机的驱动和控制方法 人机接口的设计 以及相关电路和器件的选用等等 本文所涉及的数控系统设计主要侧重于冲床智能化运作的改造 而机械部 分的改造本文并未涉及 2 3 本章小结 本章对步进电机的应用及冲床数控系统设计进行了介绍 进一步明确了本 毕业设计的主要目的 即完成冲床数控系统设计的设计 开发 以解决现有冲 床可靠性较差 工作质量低 占用人力资源大 不能智能化工作 工作方式单 一的不足 冲床实物较大 工作环境和装置复杂 设计中并未到实际场所中剖 析实物冲床结构 所以于实际应用有一定差距 如何驱动和控制步进电机 进 行冲压瓶盖 人工如何于数控系统通信是本论文的研究重点 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 8 第 3 章 瓶盖冲床数控系统的设计方法 3 1 冲床数控系统功能概述 数控冲床作为一种高精度的自动化机床 综合应用了电子 计算机 自动控 制和机床制造等领域的先进技术 在我国工业生产中起着极其巨大的作用 它很 好地解决了现代机械制造中加工对象精密 结构复杂 品种多 批量小等问题 且产品加工质量稳定 生产效率大幅度提高 考虑到我国国情 价格昂贵的中 高精度的全功能数控机床难以被广大生产企业所接受 而价格相对低廉的经济型 数控系统得到了迅速地发展 经济型数控系统采用了适合于现场实时控制和数 据采集的单片机作为控制器 以控制灵活 可靠性高的步进电机进行驱动 与传 统的中 高精度全功能数控系统相比 经济型数控系统具有结构简单 工作性能 稳定 性能价格比较高等特点 特别是在对现有普通机床进行数控改造方面 MCS 51 系列单片机体现了无穷的魅力 数控冲床主要用来完成批量冲压规定形状的物料的任务 其功能随冲床的 生产要求和造价而不尽相同 但通用的功能机构基本一致 主要包括以下几部 分 1 冲压执行机构 一般采用长颈深喉冲头 通过交流电机配合减速装 置完成冲压动作 2 伺服控制机构 采用开环控制 用单片机来实现对步进电机的 X Y 轴向运动控制 3 传感器检测机构 为了协调冲头冲压动作和步进电机的进给动作 防止动作失调 一般选用光电传感器检测冲头状态 检测信号通过单片机发出 信号协调步进电机的动作 4 强电控制机构 由于伺服控制机构为弱点控制 而冲压执行机构为 强电动作机构 所以需要用继电器来实现弱点控制强电动作 继电器配合电流 放大电路 通过继电器开关的吸合与断开达到控制冲头动作的目的 5 人机对话机构 一般采用典型的键盘显示电路 根据工作要求和系 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 9 统功能的不同其具体配置也不尽相同 通过键盘输入对冲床进行功能操作 需 要显示的参数通过显示器显示 3 2 系统硬件结构 根据上述功能要求 本次设计系统的硬件部分主要包冲压执行机构 单片 机 键盘及显示器件 伺服控制机构 继电器 光电传感器等 伺服控制机构 主要完成步进电机的驱动 控制等操作 单片机作为系统的核心 控制整个系 统 对各个部分发出指令和控制 本次设计瓶盖冲床数控系统的硬件结构如图 3 1 所示 3 3 3 系统软件结构 3 3 1 指纹识别模块软件结构 瓶盖冲床数控系统的功能主要有步进电机 X Y 轴轴向运动控制 电机的 驱动 电机的加减速控制 键盘 显示控制 继电器和传感器信号的接受和控 制 中断模块控制整个系统的实时过程 步进电机 X Y 轴轴向运动流程如图 3 2 所示 电机的加减速控制流程如图 3 3 所示 定时中断程序框图如图 3 4 按操作流程或系统职能 步进电机的驱动和控制软件主要由以下几部分构成 1 电机的驱动 2 电机的加减速控制 3 X Y 轴 轴向运动控制 3 3 2 单片机软件结构 根据系统功能要求 单片机软件主要由以下几部分构成 单片机与外接存储器的通讯程序 主要负责单片机与指纹识别模块之间数 据和命令的传输 根据他们之间的协议 设计编写他们之间的通讯程序 主要 是单片机用软件语言来模拟 I2C 总线通信规程 单片机与 IC 卡的通讯程序 主要模拟确认信号 起始位 停止位 写操 作 读操作等通讯规程 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 10 AT89S52 单 片 机 HD727 9 键盘 显示 8LED 显示 AT24C01 存储器 光偶 TL521 4 X2 L297 2 L298 2 传感器 2 相步 进电机 继电器 冲头 电 磁 铁 交流电 机 5 5 键盘 图 3 1 瓶盖冲床数控系统硬件系统总框图 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 11 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 12 开始 冲头回应 步长 0 点动 步数 0 正向 判断当前位置执行反 向操作 返回 显示刷新 加工完 置回位标志 冲头不工作置 相应标志 点动运行 判断当前 位置正向 操作 加减速控制 图 3 2 步进电机 X 轴软件流程图 Y 轴软件流程图与上图类似故不赘述 开始 加速判断 匀速运动置不加 速标志 减速判断 置减速标志 脉冲频率控制程序 返回 加速运动 减速运动 图 3 3加减速子程序 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 13 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 14 开始 关中断 保护现场 回位 X 步进 Y 步进 Y 回位 X 回位 Y 向运动模块 定时器赋值向 运动模块 恢复现场开中断返回 X 回位子程序 Y 回位子程序 X 向运动模块 图 3 4 定是中断程序流程图 3 4 本章小结 本章根据具体的实际应用 设计系统主要功能 并作了描述 根据功能设 计 进行了总体设计 提出了硬件的设计思路和硬件的功能框图 在硬件设计 的基础上 对软件进行了设计 设计了系统职能模块 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 15 第 4 章 瓶盖冲床数控系统的硬件设计 4 1 主要器件的选择 根据上一章所述 瓶盖冲床数控系统的硬件部分主要包括步进电机控制驱 动模块 键盘显示模块 单片机 存储器件 时钟芯片等 4 1 1 单片机的选择 AT89S52 是一种低功耗 高效能带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 40 个引脚 32 个外部双向输入 输 出 I O 端口 256 bytes Rom 一个六向量两级中断结构 看门狗电路同时其 内含有 2 个外中断口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 该 器件采用 ATMEL 高密度非易丢失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个 芯片中 ATMEL 的 AT89S52 是一种高效微控制器 为很多嵌入式控制系统提 供了一种灵活性高且价廉的方案 AT89S52 可以按照常规方法进行编程 也可 以在线编程 同时 AT89S52 可降至 0HZ 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 CPU 的工作 但允许 RAM 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 RAM 中的内容 但振荡器停 止工作并禁止其他所有部件工作直到下个硬件复位 AT89S52 具有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 1 2 本文用的 AT89S52 的封装形式是 PDIP 其引脚分布情况如下图 4 1 所示 其 主要功能特性如下 1 主要功能特性 与 MCS 51 兼容 8K 字节可编程闪烁存储器 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 16 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 个可编程双向 I O 口 3 个 16 位可编程定时器 计数器 图 4 1 AT89S52 引脚分布图 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 1 个可编程 UARL 通道 1 个串行中断 两个外部中断源 8 个中断源 全静态操作 0HZ 24MHZ 可直接驱动 LED AT89C2051 软件设置睡眠和唤醒功能 2 管脚说明 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 17 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路的双向 I O 口 可以驱动 8 个 TTL 电路 当 P0 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 口能够用于外部程序 数据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作 为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 口输出为原码 而此时 P0 外部必须 被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能 接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输 入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 与 AT89C51 不同之处是 P1 0 和 P1 1 还可以分别作为定时 计数器 2 的 外部计数输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX 参见表 4 1 表 4 1 引脚号 功能特性 P1 0 T2 定时 计数器 2 外部计数脉冲输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时 计数 2 捕获 重装载触发和方向控制 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且 作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由 于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉 优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器 的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的 缘故 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 18 P3 口也可作为 AT89S52 的一些特殊功能口 P3 口管脚的备选功能如下 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 此外 P3 口还接受一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高 电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此 它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部 数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地 址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另 外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每 个机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP 如加密位 LBI 被编程 复位时内部 会锁存 EA 端状态 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 19 3 振荡器特性 XTAL1 口和 XTAL2 口分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可 以配置为片内振荡器 采用石晶振荡和陶瓷振荡均可 如采用外部时钟源驱动 器件 XTAL2 口应悬空 且可省去上拉电阻 当有信号输入至内部时钟信号要 通过一个二分频触发器 因此 对外部时钟信号的脉冲宽度没有什么要求 但 为便于多芯片同步工作 外接时钟方波信号的高低电平的持续时间都大于 20ns 4 芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并 保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且在任何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须先被执行 此外 AT89S52 设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支 持两种软件可选的掉电模式 在闲置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定时 器 计数器 串口和中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存 RAM 的内容并 且冻结振荡器 禁止所用其他芯片功能 直到下一个硬件复位为止 1 2 4 1 2 键盘显示接口芯片的选择 HD7279A 芯片的实物如图 4 2 所示 HD7279ABCD 八位 LED 数码管 64 键键 盘控制芯片外部管脚分布情况如图 4 3 所示 图 4 2 HD7279A 实物图 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 20 图 4 3 HD7279A 键盘显示接口芯片 芯片 HD7279A 是一片具有串行接口的 可同时驱动 8 位共阴极数码管 或 者 64 只独立 LED 的智能显示驱动芯片 该芯片同时还可连接多达 64 键的键 盘矩阵 单片即可完成 LED 显示 键盘接口的全部功能 HD7279A 内部还有译码器 可以直接接受 BCD 码或者 16 进制码 并同时具 有 2 种译码方式 此外 还具有多种控制指令 如消隐 闪烁 左移 右移 段寻址等 HD7279 具有片选信号 可以方便地实现多于 8 位的显示或者多于 64 键的 键盘接口 其串行接口无须外围元件可以直接驱动 LED 各位独力控制译码及 消隐和闪烁属性 内嵌 循环 左移 循环 右移指令 具有段寻址指令 方便控制独立 LED 64 键键盘控制器 内含去抖动电路 有 DIP 和 SOIC 两种 封装形式供选择 其引脚图如图 2 3 所示 1 2 引脚 VDD 为正电源 3 5 引脚 NC 无连接 必 须悬空 4 引脚 VSS 接地 6 引脚 CS 为片选输入端 此引脚为低电平时 可以 向芯片发送指令及读取键盘数据 7 引脚 CLK 为同步时钟输入端 向芯片发送 数据及读取键盘数据时 此引脚电平上升沿表是数据有效 8 引脚 DATA 为串行 数据输入 输出端 当芯片接受指令时 此引脚为输入端 当读取键盘数据时 此引脚在 读 指令最后一个时钟的下降沿变为输出端 9 引脚 KEY 为按键有 效输出端 平时为高电平 当检测到有效按键时 此引脚变为低电平 10 16 引脚 SG SA 为段 g 段 a 驱动输出 17 引脚 DP 为小数点驱动输出 18 25 引脚 为数字 0 数字 7 驱动输出 26 引脚 CLKO 为振荡输出端 27 引脚 RC 为 RC 振荡 器连接端 28 引脚 RESET 为复位端 BCD 码锁存 7 段译码 驱动器 利用该器件的 7 段码 a b c d e f g 可直接驱动数码管 LED 共阴 根据上述的控制端功 能 HD7279A 在电路工作时 其 1 和 2 端并联接到电源端 VDD 而 4 端连接 VSS 接地 当需要数据传输时 片选端 CS 为低电平 CLK 和 DATA 为输入端接受数 据 进行译码操作或直接送显示位显示 当键盘有键按下时 KEY 为低电平同 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 21 时 DATA 在键盘读指令最后一个周期的下降沿变为输出端 图 1 是利用 HD7279A 驱动共阴极数码管 LED 的电路原理图 电路中的二极管为数码管中七段码 a g 所对应的发光二极管 4 1 2 其他芯片的选择 1 AT24C01 AT24C01 是一个 1K 位串行 CMOS E2 PROM 内部含有 128 个 8 位字节 CATALYST 公司的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的功耗 AT24C01 有一个 8 字节页写缓冲器 该期间通过 I2 C 总线接口进行操作 有一个专门的写保 护功能 其主要特性如下 与 400KHz I2 C 总线兼容 1 8 到 6 0 伏工作电压范围 低功耗 CMOS 技术 写保护功能 当 WP 为高电平时进入写保护状态 页写缓冲器 自定时擦写周期 1 000 000 编程 擦除周期 可保存数据 100 年 8 脚 DIP SOIC 或 TSSOP 封装 其管脚图如图 2 4 图 4 4 AT24C01 存储器 其管脚功能如下 A0 A1 A2 器件地址选择 SDA 串行数据 地址 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 22 SCL 串行时钟 WP 写保护 Vcc 1 8V 6 0V 工作电压 Vss 地 CAT24C01 支持 I2 C 总线数据传送协议 I2 C 总线协议规定任何将数据传 送到总线的器件作为发送器 任何从总线接收数据的器件为接收器 数据传 送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的 主器件和从器件 都可以作为发送器或接收器 但由主器件控制传送数据 发送或接收的模式 通过器件地址输入端 A0 A1 和 A2 可以实现将最多 8 个 AT24C01 器件 连接 到总线上 2 LED 显示器 简单的 LED 显示器有 LED 状态显示器 俗称发光二极管 LED 七段显示 器 俗称数码管 和 LED 十六段码显示器 发光二极管用于显示系统的两种状 态 数码管用于显示数字 LED 十六段显示器用于字符显示 下面重点介绍 LED 七段显示器 LED 七段显示器由 8 个发光二极管 以下简称字段 构成 通过不同的组 合可用来显示数字 0 9 字符 A F H L P R U Y 等符号及小数点 1 数码管分类 数码管分为共阳极和共阴极两种类型 共阳极数码管中 8 个发光二极管的阳极 二极管正端 连在一起 通常 共阳极接高电平 一般接电源 其它管脚接段驱动电路输出端 当某段驱动 电路的输入端为低电平时 该端所连接的字段导通并点亮 根据发光字段的不 同组合可显示出各种数字或字符 此时 要求段驱动电路能吸收额定的段导通 电流 还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻 共阴极 LED 数码管由 8 只发光二极管 VD1 至 VD8 共阴极连接并按 8 字 形结构排列而成 其它管脚接段驱动电路输出端 当某段驱动电路的输出端为 高电平时 该端所连接的字段导通并点亮 这样 根据这些二极管的正极接高 低不同的电位 正极为高电位的相对应的二极管就会导通而发光 从而使数码 管根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符 同样 要求段驱动电路 能提供额定的段导通电流 还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 23 限流电阻 2 共阴极数码管结构及代码显示 共阴极 LED 数码管结构如图 4 5 示 3 图 4 5 共阴极 LED 数码管结构图 3 TL7705AD 复位芯片 TL7705AD 是单片机专用复位芯片 采用上电复位模式 其输出可分为正 复位反复位 可以同时为 2 片芯片提供复位而不现互干扰 其管脚图如下 图 4 6 TL7705A 复位芯片 SEN RESIN 与 VCC 并联接 5V 电源 输出 为反复位 CT REF 与 GND 并联接地 输出 RST 接正复位 4 TLP521 4 芯片简介 TLP521 4 是光电耦合芯片 其主要参数如下 输入脉冲电压最高可达 55V 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 24 电流转换率 50 隔离电压 2500Vrms 管脚图如下 图 4 7 TLP521 4 管脚图 管脚功能如下 1 3 5 7 阳极输入 2 4 6 8 阴极输入 9 16 耦合输出端 5 L297 L298 驱动控制芯片 L297 是步进电机控制器 包括环形分配器 H 桥式驱动器 实际上它就 是一个控制相序的部件 它的核心是一组译码器 能够产生各种所需的相序 这一部分是由两种输入模式控制 方向控制 CW CCW 和 HALF FULL 以及步进式时钟 CLOCK 它将译码从一阶梯推进至另一阶梯 译码器有四 个输出点连接到输出逻辑部分 提供抑制和斩波功能所需的相序 因此 L297 可以产生三种不同的相序 由单片机给出的输入指令是输入时钟和方向指令 他们在脉冲分配器中经逻辑组合转换成各项通断的时序逻辑信号 导通逻辑信 号送至功率驱动级 转换成其内部功率开关的基极 或栅级 驱动信号 功率驱 动除包括功率开关及其驱动电路外 还包括一些电流反馈控制和限流 限压 过热保护等辅助电路部分 L297 主要由译码器 两个固定斩波频率的脉冲宽度调制 PulseWidth 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 25 Modulation 恒流斩波器以及输出的逻辑控制组成 其主要引脚见图 2 L297 的核心是脉冲分配器 产生相序信号 输出 A B C D 驱动信号分别由 4 6 7 9 引脚输出送入双 H 桥功率放大电路 经放大后驱动电机 顺时针旋 转的 A B C D 信号状态如图 4 8 控制电机旋转方向通过 17 引脚 逆时针旋 转时置换 RESET 引脚 ABCD 回到 0101 初始状态 HOME 两个 PWM 恒流斩波器用 来控制绕组电流 每个斩波器由一个比较器 一个 RS 触发器和外接采样电阻 组成 并设有一个公用振荡器 向两个斩波器提供触发脉冲信号 绕组相电流峰 值由 Vref 整定 通过 l5 引脚接两个电阻来调节斩波器电路的参考电压 频率 由外接 16 引脚的 RC 网络决定 当电机绕组相电流上升 外接采样电阻的电压上 升到基准点压 Vref 时 比较器翻转 使触发器复位 功率晶体管关断 电流下降 等待下一个振荡脉冲的到来 这样 触发器输出的是恒频 PWM 信号 反馈电压 来自功率放大电路由 13 14 引脚输入 通过所反馈的电位的大小比较来确定是 否进行斩波控制 以达到控制电机绕组电流峰值 保护电机的目的 该器件的特性是只需接受方向 正 反转 模式 半步 基本步距 时钟 步进脉冲 3 个输入信号 它产生 3 种相序的信号 对应于 3 种不同的工作方 式 半步方式 四相八拍 基本步距 单相激励方式 单相四拍 基本步距 两 相激励方式 两相两拍 脉冲分配器内部是一个 3bit 可逆计数器 加上一些 组合逻辑 产生每周期 8 步格雷码时序信号 这也就是半步工作方式的时序信号 此时 HALF FULL 取高电平 若取低电平 得到基本步距工作方式 在本文介绍 的驱动器中 模式输入端 19 引脚 半步 整步控制引脚 设为高电平 选择半步方 式 其工作方式输出的波形如图 4 9 引脚为同步端 它可以连到另一组 L297 的同步端 5 8 引脚通过与驱动信号的逻辑组合分别成为使两个双极性 H 桥驱 动电路中晶体管导通或关断的使能信号 通过图 4 9 可以看出 引脚 5 输出的 信号波形为 A B 信号相加 引脚 8 输出的信号波形为 C D 信号相加 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 26 图 4 8 信号状态 图 4 9 输出波形 图 4 10 L297 引脚图 图 4 11 L298 引脚图 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 27 4 2 硬件电路结构组成分析 4 2 1 键盘显示电路 1 显示模块的选择 方案一 采用液晶 LCD 显示器 液晶显示器功耗低 轻便防震 但其 亮度不够高 对工作环境要求高 抗干扰能力差 而且其造价相对较高 为了 降低成本和处于实际场所限制故不采用 方案二 采用数码管 LED 显示 数码管体积小 亮度高 重量轻 在所 要求显示内容不是太复杂的情况下易采用方案二 故本设计的显示模块部分选 用数码管方案 2 键盘显示方案论证 键盘显示作为常用的系统输入输出结构 有着多种的实现方法 1 在系统资源丰富 I O 口有富裕且键盘键位或者先是位数不多情况下 可以采取驱动电路直接连接单片机 I O 口的方法 这样实现起来电路连接简单 可行性高 但是当系统要求较高 I O 口紧张时 这种方法连接起来会比较繁 琐 且难以保证电路的可靠性 2 可以采用并行键盘接口芯片 8279 和可编程 I O 接口芯片 8155 组合实 现键盘和显示电路的连接 这也是比较经典的键盘显示电路连接方法 这样可 以解决因部分 I O 口紧张的问题 而且最多可接 8 8 键盘和 8 位显示器 但处于本系统设计的实际考虑 此种并行接口方法无法满足设计要求 3 采用基于 SPI 串行总线的键盘显示接口控制芯片 HD7279A 来实现 此 种方法可以最大限度的节省单片机的 I O 口资源 只需要与单片机通过四跟连 线连接就可以完成键盘先是需要的全部功能 并且最多可以接 8 位显示和多达 64 位的键盘 此种方法唯一的缺点就是因为采用循环扫描的方式 如果采用普 通的数码管 亮度可能不够 所以对于数码管的要求就比较高 选用高亮度或 超高亮度的数码管可以解决这个问题 数码管的尺寸也不宜选的过大 一般字 符高度不宜超过一英寸 如果是用大型的数码管 应使用适当的驱动电路 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 28 本次设计就是采用的第三种方案 通过 P1 口 P1 3 P1 4 和 P3 口的 P3 3 和 P3 5 与单片机连接 以此解决系统 I O 口资源紧张的问题 本设计显示部 分采用普通共阴极数码管显示 采用动态扫描 以减少硬件电路 3 HD7279A 键盘显示工作原理 1 HD7279A 采用串行方式与单片机通讯 串行数据从 DATA 引脚送入芯片 并由 CLK 端同步 当片选信号变为低电平后 DATA 引脚上的数据在 CLK 引脚的 上升沿被写入 HD7279A 的缓冲寄存器 2 HD7279A 通过三种指令结构来实现键盘和数据的显示 一种是不带数 据的纯指令 指令的宽度为 8 个 BIT 即单片机发送 8 个 CLK 脉冲 一种是带有 数据结构的指令 宽度为 16BIT 即单片机需要发送 16 个 CLK 脉冲 另一种是 读取键盘数据指令 宽度为 16 个 BIT 前 8 个为单片机发送到 HD7279A 的指令 后 8 个 BIT 为 HD7279A 返回的键盘代码 执行此指令时 HD7279A 的 DATA 端在 第 9 个 CLK 脉冲的上升沿变为输出状态 并与第 16 个脉冲的下降沿恢复为输 入状态 等待接受下一个指令 串行接口时序如下图 图 4 12 纯指令 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 29 图 4 13 带数据指令 图 4 14 读键盘指令 4 2 2 复位电路 单片机复位电路是使 CPU 和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始 状态 并从该状态开始工作 例如复位后 PC 0000H 使单片机从第一个单元取 指令 无论是在单片机刚接上电源时 还是断电后或者发生故障后都要复位 单片机复位的条件是 使 RST 引脚 加上持续两个机器周期 即 24 个振荡RST 周期 的高电平 单片机常见的复位电路有上电复位电路和按键复位电路两种 如图 3 1 所示 图 4 15 单片机常见两种复位电路 左边的为上电复位电路 它是利用电容充电来实现的 在接电瞬间 RESET 端的电位与 VCC 相同 随着充电电流的减少 RESET 的电位逐渐下降 只要保证 RESET 为高电平的时间大于两个机器周期 便能正常复位 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 30 右边的为按键复位电路 该电路除了具有上电复位电路功能 还可以使用 中复位 只要按下图中的 RESET 键 此时电源 Vcc 经电阻 R1 R2 分压 在 RESET 端产生一个复位高电平 单片机复位期间不产生 ALE 和 PSEN 信号 即 ALE 1 这表明单片机复位不 会有任何取址操作 在本设计中由于采用了基于 I2C 总线的 AT24C01 存储器等多方面因素的考 虑 采用上电复位电路方式 4 本次设计采用了有复位芯片为核心的复位电路 其连接电路如下 图 4 16 复位电路 4 2 3 时钟电路 在单片机内部有一个高增溢反相放大器 用于构成振荡器 但要形成时钟 外部还需要附加电路 AT89S52 的时钟产生方法有下图两种方式 REF 1 RST 5 CT 3 SEN 7 RST 6 RESIN 2 GND 4 VCC 8 U6 TL7705AD C14 103 R22 103 RST R20 472 RST C13 10uF 50V VCC1 沈阳工业大学本科生毕业设计 论文 31 图 4 17 AT89S52 的两种时钟电路 1 内部时钟方式 利用芯片内部的振荡器 然后在引脚 XTAL1 和引脚 XTAL2 两端接晶体或陶 瓷谐振器 就构成了稳定的自激振荡器 其发出的脉冲直接送入内部的时