母线槽技术参数自动检测线运动机构控制系统设计

1、前 言随着现代社会的发展，各行各业对电力需求量正逐步加大，使得社会上对电力传输的可靠性和安全性提出了更高的要求，这极大地促进了人们对于电力传输的研究。而在远距离传输领域，电缆能很好的满足要求，但是在电缆桥架、高层建筑以及工厂的近距离电力传输领域，电缆无法发挥其特性。在这种形势下，人们急需寻找一种替代产品，于是母线槽应运而生。母线槽在高层建筑以及工厂近距离电力传输领域中作为供电主干线，而高层建筑以及工厂与人们的生活密切相关，母线槽的作用就好似人体的大动脉，一旦出现故障将会造成严重的后果。因此，生产、建设及科研单位一直在为提高母线槽的可靠性做出努力。这就要求有可靠的检测母线槽技术参数的技术。目前的

2、母线槽技术参数检测，主要还是靠手工操作。检测员手工操作，不仅会带来操作误差和漏测，另外测母线槽绝缘强度时需要高压（2000V），对检测员的人身安全无疑也是个很大的威胁。我选择的课题母线槽技术参数自动检测线运动机构控制系统的设计，就是设计一种自动检测装置来代替手工检测，降低工人劳动强度，提高安全性和可靠性。这个课题不仅是针对当前母线槽检测技术的研究，而且这个课题还需应用单片机，这与我将来所从事的工作以及我的未来的事业发展方向是相一致的，我相信认真的做这个课题将会使我在单片机方面受益匪浅。这个设计课题最重要的就是能够熟练运用单片机，在搜集资料时，我主要搜集的就是单片机方面的书籍，以及关于画PCB图

3、的指导书。另外还访问了 网站中有关于各种单片机芯片的详细介绍，让我收获很大。母线槽技术参数检测系统包括控制电路部分和气压传动部分，我所负责设计的是母线槽技术参数检测系统的控制电路部分，气压传动部分则由潘彩霞同学负责。由于控制系统设计工作量较大，在设计时间内，根据任务要求，完成了电路原理图设计和PCB图的绘制，剩余工作（制板，软件设计，调试）可由其他人接着完成。 第一章 概 述1.1 母线槽简介母线槽是一种新型的输配电设备，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线槽居于主导地位， 母线槽输电能力在200A5000A, 它是由许多个直线单元和若干个弯曲单元连接

4、起来的，它的外形如图1-1所示。母线槽结构大体是：有一层外壳，内部有导电材料和绝缘材料，其中导电材料是分层的，每一片导电材料之间以及每一层导电材料之间都填充了绝缘材料。而不同的场合对于母线槽内部填充的绝缘材料的绝缘强度以及导电材料的导电性都有不同的 图1-1AMC铝壳母线槽要求，所以母线槽的制作材料会根据应用场合的不同而有所不同。母线槽大体可以分为以下几类：接线母线槽、高强型母线槽、高压封闭母线槽、中低压母线槽、封闭母线槽及空气型母线槽等。母线槽虽然在目前的电传输领域应用广泛，但同样也存在着一些缺陷，例如依靠螺钉联接的部位过多，安装施工复杂；同时维护量大、维护费用高。在运行过程中常遇到电磁振动

5、、热胀冷缩、膨胀系数及外力等因素的影响，这些都会造成螺钉的松动。如果一只螺钉出现松动，就会出现故障点发热、高温等现象，影响整条母线槽的运行稳定性。尤其是对五线母线槽的不当使用，还会造成PE线接触电阻增大违反国家规定。但母线槽在大容量的情况下，还是存在着其自身的优势的。因为当电流达到数千安培时，如果采用电缆，即使是单芯电缆也要多根进行敷设，否则达不到相应的大电流容量，此时母线槽就体现出自身的优势。1.2 母线槽技术参数检测系统检测的内容本次毕业设计中所设计的母线槽技术参数检测仪主要用于检测母线槽内部导电部分的电阻以及导电体之间绝缘材料的绝缘强度。母线槽内部一般用铜片作为导体。铜片的电阻是影响母线

6、槽导电能力的重要因素。电阻越大，母线槽在电传输过程中消耗就会越大，传输的效率就会越低。母线槽作为导线，知道其内部导电体的电阻是非常必要的。而母线槽内部导电体之间的绝缘填充物的绝缘强度则是影响安全性的重要因素。但是并不是说母线槽内导电体的导电能力越小越好，绝缘填充物的绝缘强度越大越好。由于受到成本因素的限制，母线槽制造商必须制造出适合不同场合应用的母线槽，这就需要准确知道母线槽的两个参数指标。母线槽技术参数检测过程如图1-2所示。绝缘强度检测仪（a）微欧计（b）(a) 检测绝缘强度 (b) 检测电阻 图1-2参数检测示意图2311-母线槽 2-检测头 3-气缸无论母线槽是几层几排，其检测过程都是

7、一样的。在检测绝缘强度时，其中一个检测头固定于第一片导电片上，另外一个检测头从第二片导电片开始按照次序依次移动到各片导电片上。如此类推，对母线槽内部导电片之间绝缘强度进行两两检测。在移动到每一片导电片上时，绝缘强度检测仪会检测出两个检测头所检测的两片导电片之间的绝缘强度。检测导电片电阻则比检测绝缘强度简单的多，只要控制两个检测头同时移动到同一片导电片的两端，微欧计即可测出此导电片的电阻。测得的导电片电阻和绝缘强度自动传送到上位机。1.3 母线槽技术参数检测系统的组成母线槽技术参数检测系统组成如图1-3所示，它的具体工作过程是：上位机发送启动信号，运动机构控制系统（以下简称下位机）开始工作。下位

8、机利用控制气压传动系统以及步进电机驱动系统完成对母线槽的定位及测量头的移动，测出母线槽内导电片电阻以及导电片之间绝缘材料的绝缘强度，并把检测结果传送给上位机。上位机接收到检测完毕的信号后，根据检测结果判断母线槽是否合格，若是合格产品，则发送信号给打印机，然后打印出所检测的母线槽的条码。上位机接收到打印机发送来的条码打印完毕的信号后，发送信号给贴标机，控制贴标机把打印出来的条码贴到母线槽上。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线槽进行包装。打印机上位机贴标机运动机构控制系统（下位机）测试系统母线槽包装机构定位机构测试台母线槽辅助动作控制电路辅助动作执

9、行机构（气压传动）功率放大系统运动驱动机构图1-3母线槽技术参数自动检测系统图我在本次设计中所负责设计的是下位机中的控制电路部分。下位机的控制对象有：母线槽传送电机、检测台传送电机以及包装台传送电机，检测头的电机，各处的定位气缸，以及向上位机发送信号控制贴标机的贴标。检测台及包装台如图1-4所示。 图1-4检测及包装台示意图1-检测平台 2-母线槽 3-检测纵向定位缸 4-检测平台移送电机 5-包装平台6-包装台纵向定位缸 7、9-母线槽包装上升缸 8-包装台移送电机 10、27-纵向到位检测传感器 11、26-左右端侧向定位滑台 12、25-右端测量头驱动气缸 13、24-X轴及U轴滑台 1

10、4、23-X轴及U轴步进电机 15、22-左右端侧向定缸16、21-左右端垂直升降台 17、19-Y轴及V轴步进电机 18、20-左右端移动立柱下位机的主要工作过程流程如图1-5所示。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？ANYN 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

11、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1-5下位机的工作过程第二章 运动机构控制系统控制电路设计2.1 运动机构控制系统控制电路总体设计在本次设计中，我设计的是下位机的控制电路部分。运动机构控制系统（下位机）控制电路的主要组成部分有：CPU8031、片外程序存储器、片外数据存储器、LED显示电路、用于扩展I/O口的8255、控制步进电机的光电耦合电路、输入输出光电耦合电路、选择开关以及用8155扩展出的键盘组成。其组成框图如图2-1所示。8031CPUROMLED显示RAM8155键盘PA母

12、线槽种类选择开关工作方式选择开关825574LS273X、Y、U、V轴电机的光电耦合电路输入信号光电耦合电路输出信号光电耦合电路 图2-1控制系统硬件组成框图我的具体设计思路是：采用8031作为CPU，外扩8K的程序存储器和4K的数据存储器。其中8K的程序存储器用2764芯片进行扩展，4K的数据存储器用6264（空掉一条地址线）芯片进行扩展。步进电机的输出信号口用74LS273锁存器输出。I/O口用8255扩展，所有的按键皆用8155扩展成行列式键盘，它们的各种功能用软件进行定义。这些键有控制四个步进电机进给的八个手动按键以及八个控制气缸升降的手动按键，另外还有编辑键盘二十个。6位LED静态显

13、示用于显示编辑的内容。2.2 单片机的选择及存储器的扩展本节主要介绍了本次设计中所选用的CPU以及用于扩展片外程序存储器和数据存储器的芯片。本设计中，我选择8031作为本次设计中的CPU。同时，选择的程序存储器是2764A，数据存储器是6264。下面就8031、2764以及6264三种芯片的结构性能、特点以及本设计的存储器扩展电路作一些介绍。2.2.1 单片机的选择在大学期间接触最多的单片机就是8031和8051。8051有内部程序存储器，但是其存储空间比较小，不能满足本设计的要求，同时相对于8031来讲，8051的价格比较高，并且8031现在用的比较广泛，因此本设计中，我选择8031作为CP

14、U。下面就是关于8031的简单介绍。1. 管脚功能8031为40引脚芯片。其引脚如图2-2所示。它的引脚功能可以分为三部分：（1）I/O口线 P0、P1、P2、P3共四个八位口，其中P3口可作为第二功能口。（2）控制口线 PSEN（片外取指控制）、ALE（地址锁存控制）、(片外存储器选择)、RESET(复位控制)。（3）电源及时钟 Vcc、Vbb；X1、X2。 2. 8031的各个引脚介绍（1）时钟电路引脚X1 (19脚)和X2（18脚） X2接外部晶体和微调电容的一端，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，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。X1接外部晶体和微调电容的另外一端，

15、在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部 图2-28031单片机管脚图时钟电路时，该引脚必须接地。（2）ALE/（30脚） 地址锁存允许信号端。当CPU访问外部存储器的时候，ALE（允许地址锁存）的输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。（3）PSEN （29脚） 此脚输出外部程序存储器的读选通信号，在CPU访问外部存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。（4）/Vpp（31脚） 外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。8031没有内部程序存储器，所以脚必须常接地。（5）RESET/Vpd（9脚） 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期（24个

16、时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。（6）输入/输出（I/O） 引脚P0、P1、P2、P3（共是32根）1）P0口（P0.0P0.7，32脚39脚） 是一个双向8位三态I/O口。当其作为输入口使用时，应该先向口锁存器写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可以作为高阻抗输入。作为输入口使用时，要先写1，这就是准双向的含义。在CPU8031访问片外EPROM或RAM时，P0口是分时提供低8位地址和8位数据的复用总线，在此期间P0口内部上拉电阻有效。2）P1口（P1.0P1.7，1脚8脚） 是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的

17、I/O口。在P1口作为输入口使用时应先向P1口锁存器写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。3）P2口（P2.0P2.7，21脚28脚） 是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。访问外部存储器时，可以作为高八位地址总线送出高八位地址。4）P3口（P3.0P3.7，10脚17脚） 是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，在8031中，这8个脚除了用于普通的输入、输出外，还可以用于专门的功能，它是一个复用双功能口。P3口作为第一功能使用时，即作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义见表2-1。P3口的每一条引脚均可以定义为第一功能的输出输入或

18、是第二功能。表2-1P3口的第二功能表引 脚第二功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD （串行口输出端）（续）引脚第二功能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）P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（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出端，低电平有效）P3.7（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）2.2.2 片外程序存储器的选择 在本次设计中需要外扩8KB的程序存储器，我选择2764A用于扩展片外存储器。2764A是一种8K×8位的紫外线擦除电可编程只读存储器，

19、2764A为28脚双列直插式封装，其管脚图如图2-3所示。 1. 2764A的管脚介绍（1）A0A12 地址输入线。（2）D0D7 三态数据总线，读或者是编程检验时为数据输出线，维持或者是编程禁止时，呈现高阻状态，编程时为数据输入线。 （3） 片选信号输入线，“0”（低电平）有效。（4） 编程脉冲输入线。（5） 读选通信号输入线，“0”（低电平）有效。（6）Vpp 编程电源输入线，不同芯片型号 图2-32764管脚图及厂商生产的Vpp值不同。 （7）Vcc 主电源输入线，Vcc一般为+5V。 （8）GND 线路接地的管脚。（9）NC 不做任何连接。2. 2764A芯片的工作方式选择2764A的

20、工作方式选择见表2-2。 表2-22764A的工作方式选择 引脚操作方 式 （20）（22）（27）Vpp/V（1）Vcc/V（28）输出（1113，151）读VILVILVIH55DOUT维持VIH任意任意55高阻编程VILVIHVIL12.55DIN编程检查VILVILVIH12.55DOUT编程禁止VIH任意任意12.55高阻 3. 2764A芯片的特性2764A是8K×8位EPROM器件，用以存放程序或者是常数。它有十三根地址线A12A0，能区分十三位二进制地址信息。这十三根地址线分别与8031的P0口和P2.0P2.4连接，当8031发送十三位地址信息时，可以分别选中276

21、4片内8KB存储器中任何一个单元。2764的引脚为片选信号输入端，低电平有效。引脚接地表示选中该2764芯片。该片选信号决定了2764的8KB存储器在整个8031扩展程序存储器64KB空间中的位置。2764的端由8031的引脚控制。在一个机器周期内信号两次有效。当信号由高电平变成低电平时，允许2764输出，将指定的2764存储单元的内容送到P0口，在的上升沿将数据送入单片机CPU内。2.2.3 片外数据存储器芯片的选择在本次设计中只需要扩展4KB的数据存储器，我所选用的是市场上比较容易购买到的静态RAM6264。与动态RAM相比较，静态RAM的优点是：无须考虑为保持电路而设置的刷新电路，故扩展

22、电路比较简单；但是它也有缺点，就是由于静态RAM是通过有源电路来保持存储器中的数据的，因此要用后备电池保持数据不丢失。扩展数据存储器空间地址和外扩程序存储器一样，由P2口提供高四位地址，P0口提供低八位地址。片外数据存储器的读和写由8031的和信号控制。6264的管脚图如图2-4所示。1. 6264的管脚介绍 （1）A0A12 地址输入线。 （2）D0D7 双向三态数据线。（3） 片选信号输入线，低电平有效。只有当6264的26脚（CS2）为高电平时，且为低电平时才选中该片。（4） 写允许信号输入端，低电平有效。 （5）Vcc 工作电源，电压为+5V 。 图2-46264的管脚图（6）GND

23、线路地。 2. 6264芯片的操作方式 6264芯片的操作方式见表2-3。表2-36264芯片的操作方式管脚操作方式（20）（26）（22）（27）IOIO(1113) （1519）未选中（掉电）V任意任意任意高阻未选中（掉电）任意V任意任意高阻输出禁止VVVV高阻读VVVVD写VVVVD写VVVVD3. 6264芯片的特性6264芯片是8K×8位的静态随机存储器芯片， 28线双列直插式封装。数据存储器扩展电路与程序存储器扩展电路相似，所用的地址线与数据线是完全相同的。读、写控制线用、，但是它需要考虑与其它扩充的统一编址以及片选端能否直接接地等问题，若是片选端不可以直接接地，则要考虑

24、译码器的选择和统一进行片选问题。而在本次设计中，我选择74LS138译码器。另外，存储器低八位地址需要锁存器。在本次设计中，我所选用于扩展存储器的地址锁存器是74LS373。2.2.4 程序存储器及数据存储器的扩展在前面介绍各个芯片时，对各个芯片的管脚性能均作了介绍，所扩展的电路图的连线即是根据引脚特性进行的。所得扩展电路如图2-5所示。图2-5程序存储器和数据存储器的扩展电路另外由于外扩了数据存储器，为了防止发生紧急情况时的数据丢失，本电路中设计了掉电保护，电路的具体接法见图2-5。 本设计需要译码器。在这里我所选用的译码器是74LS138。74LS138的管脚图如图2-6所示。表2-4是7

25、4LS138译码器的功能表。表2-474LS138译码器的功能表输入输出选中的芯片号赋能选择Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7G C B A× H× × ×H H H H H H H H无L ××× ×H H H H H H H H无H LL L LL H H H H H H H0#H LL L HH L H H H H H H1#H LL H LH H L H H H H H2#H LL H HH H H L H H H H3#H LH L LH H H H L H H H4#H LH L HH H

26、H H H L H H5#H LH H LH H H H H H L H6#H LH H HH H H H H H H L7#备注：表格中的=G+G 由74LS138的功能表，我们可以发现只有在G高电平而低电平时，74LS138译码器才处于工作状态。而译码器究竟选择哪个端口上的芯片，则是由CPU输出给译码器的A、B、C三个管脚上的信号决定的。A、B、C这三个管脚可以接CPU的P2口上的任意三个管脚。在本次设计中，C、B、A三个管脚分别接在8031的P2口上的A14、A13、A12管脚上。由上述扩展电路，我们可以得出这次设计中所扩展的片外程序存储器和片外数据存储器的地址 图2-674LS138的

27、管脚图范围。具体确定方法如下：（1）程序存储器地址范围的确定 在这次设计中，所选用于扩展片外程序存储器的是8K×8的2764芯片。因为1KB=1024B，所以8KB=2×2B=2B，即2764需要外接13根地址线。即CPU8031的P0口的A0A7和P2口的A8A12按照次序接到2764的A0A12管脚上，因此，地址范围确定如表2-5所示。表2-5程序存储器2764的地址范围A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0地址范围0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00000H0 0 0 0

28、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10001H . 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 01FFEH0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11FFFH由表中我们可以知道在本次设计中，2764可以提供的选址范围是0000H1FFFH。（2）数据存储器地址范围的确定 由于在本次设计电路中只需要扩展4KB的片外数据存储器，所以在设计电路时，我只选用了6264芯片的A0A11地址管脚。另外，由于6264芯片的片选端接在译码器U18（如图2-5）的Y4端口上，因此对应Y4输出的译码信号A12、A13及A14为001。再有译码器U18的G端口接在CP

29、U的A15口上，根据74LS138的工作特性可知只有当CPU的A15脚送给G端口信号固定为高电平“1”时，此译码器才可以被选中工作。由上可得6264的地址范围见表2-6。表2-6数据存储器6264的地址范围A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0地址范围1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0C000H1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1C001H . 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0CFFEH1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

30、 1CFFFH由表中我们可以知道在本次设计中，6264芯片可以提供的片外数据存储器选址范围是C000HCFFFH。2.3 显示电路的设计本次设计中，我选择LED设计显示电路。且应用的LED显示方式是静态显示。静态显示需要锁存器，我所选用的锁存器是74LS273，下面做分别介绍。2.3.1 锁存器74LS27374LS273是单片集成正沿触发的触发器，它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

31、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。3）每个触发器有单独的数据输入。74LS273的管脚图如图2-7所示。其中74LS273的管脚功能是：1）D1D8 信号输入端。2）Q1Q8 信号输出端。 3）CLK 时钟信号输入端。 图2-774LS273的管脚图 4）CLR 清零端。 2.3.2 LED显示电路设计 LED显示有静态显示和动态显示两种形式。动态显示是将所有位的段选码并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极或共阳极点分别由相应的I/O口线控制。这种显示方式只需要两个8位I/O口。其中一个控制段选码，另外一个控制位选码。在这种显示方式的显

32、示过程中，所需显示的字段断续通以电流，在需要多个字符同时显示时，可以轮流给每一个字符通以电流，逐次把所需显示的字符显示出来。动态显示的基本原理是：单片机依次发出段选控制字和对应哪一位LED显示器的位选控制信号，显示器逐个循环点亮。适当选择扫描速度，利用人眼“留光”效应，使得看上去好像这几位显示器在同时显示一样，而在动态扫描显示控制中，同一个时刻，实际上只有一位LED被点亮。这种显示方式可以简化电路，降低成本。 静态显示则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8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

33、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，但是它占用的I/O口线资源比较多。本次设计所选为静态显示，共六个显示位。其中一位十六段的“米”字形的LED用于显示字母，其余的五位七段LED，其中的第一位用于显示负号，表示四个电机的负方向进给，其后三位用于显示电机位移量的整数部分以及小数点，最后一位用于显示电机位移量的小数部分。下面将对这两种LED显示器作分别的介绍。1. 十六段“米”字形LED十六段LED显示的管脚配置外形图如图2-8所示： 本设计采用共阴极

34、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。十六段发光二极管构成“米”字形的LED显示，它不仅可以显示09十个数字，也可以显示英文字母。而在本次设计中只需要显示X、Y、U、V、N、M、T共七个字母，显示字形编码见表2-7。 图2-8十六段LED管脚表2-7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上的电平共阴极段选码N M L K J I H G F E D2 D1 C B A2 A1U0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0

35、000FCHV0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01400HX1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0B400HY0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 05400HM0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 01484H （续）N1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 05400HT0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 14803H2. 七段LED显示七段LED显示器是由8个发光二极管组成的，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

36、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。共阴极七段LED显示字形编码表如表2-8所示。 图2-9七段LED显示 管脚配置外形图 表2-8共阴极七段LED显示字形编码表显示字符各段发光二极管上的电平共阴极段选码dp g f e d c b a00 0 1 1 1 1 1 1 3FH10 0 0 0 0 1 1 006H20 1 0 1 1 0 1 15BH30 0 1 0 1 1 1 14FH40 1 1 0 0 1 1 066H50 1 1 0 1 1 0 16DH60 1 1 1 1 1 0 17DH70 0 0 0 0 1 1 107H80

37、1 1 1 1 1 1 17FH90 1 1 0 1 1 1 16FH由上面讲述的两种LED特性，设计的LED显示电路块如图2-10所示。 图2-10LED显示电路3. 各个LED显示入口地址的确定在显示电路里，6位LED共用一片译码器。前面讲述的扩展电路同样也需要一个译码器。如果一个设计电路中用到多个译码器时，必须要确保这多个译码器不会同时处于工作状态。在这里我区分两片译码器是根据译码器必须在G口为高电平时方可工作的特性进行的。具体方法是：将8031的A15口同时接在两片译码器的G端，所不同的是在A15口与控制显示电路的译码器的G端之间接上了一个非门（图2-10）。也就是说将A15口的信号同

38、时送给两片译码器，由于控制显示电路的译码器的G端被接上了一个非门，所以两片译码器的G端接收到的总是相反的信号，就可以确保两片芯片不会同时被选中。8031的A15脚经过非门接至LED显示电路译码器的引脚。而由前面译码器的知识介绍我们可以知道译码器只有在为高电平时，才可能正常工作，因此当显示电路工作时，A15脚必须恒为低电平。而在本设计中，虽然只有六位LED，但由于有一位十六段的LED，所以一共需要七个锁存器，这七个所存器就需要七个位选信号，而这七个位选信号就是显示电路译码器译码输出的信号与8031的相或得到的（图2-10）。由分析过程，我们可以分别确定七片锁存器的片选信号如下：（1）锁存器U10

39、由于此芯片的片选端接在74LS138（U17）的第14号引脚Y1上，因此CBA=001,又因为A15恒为低电平，因此 可以确定此芯片的片选信号为：1000H。（2）锁存器U11由于此芯片的片选端接在74LS138（U17）的第15号引脚Y0上，因此CBA=000，又因为A15恒为低电平，因此 可以确定此芯片的片选信号为：0000H。（3）锁存器U12由于此芯片的片选端接在74LS138（U17）的第7号引脚Y7上，因此CBA=111，又因为A15恒为低电平，因此 可以确定此芯片的片选信号为：7000H。（4）锁存器U13由于此芯片的片选端接在74LS138（U17）的第9号引脚Y6，因此CBA

40、=110，又因为A15恒为低电平，因此可以确定此芯片的片选信号为：6000H。（5）锁存器U14由于此芯片的片选端接在74LS138（U17）的第10号引脚Y5，因此CBA=101，又因为A15恒为低电平，因此可以确定此芯片的片选信号为：5000H。（6）锁存器U15由于此芯片的片选端接在74LS138（U17）的第11号引脚Y4，因此CBA=100，又因为A15恒为低电平，因此可以确定此芯片的片选信号为：4000H。（7）锁存器U16由于此芯片的片选端接在74LS138（U17）的第12号引脚Y3上，因此CBA=011，又因为A15恒为低电平，因此可以确定此芯片的片选信号为：3000H。2.

41、4 键盘扩展电路及键盘扫描程序的设计由于本课题所需要的按钮比较多，而I/O口有限，因此除了CPU复位和急停是独立式按键，其他的都被扩展为行列式键盘。并且在本次设计中，我选择8155扩展这些按键。2.4.1 键盘接口芯片的选择8155芯片的管脚图如图2-11。 1. 8155芯片的管脚（1）D0AD7双向地址/数据总线。（2）LE在ALE的下降沿将AD0AD7上的低八位地址以及RAM/IO口选择信息锁存。（3）IO/RAM/IO选择：IO/=0，单片机选择8155中的RAM读写，AD0AD7上的地址为RAM单元地址； IO/=1，选择8155的寄存器或者是端口。（4）片选信号，低电平有效。 图2

42、-118155芯片的管脚图（5）读、写控制输入线，低电平有效。（6）RESET 输入一个大于600ns的正脉冲时，8155总清零，各个I/O口定义为输入方式。（7）PA0PA7 A口I/O数据传送。（8）PB0PB7 B口/O数据传送。（9）PC0PC7 C口I/O数据传送或是A、B口选通方式时传送命令状态信息。（10）T0、T1 14位计数器输入、输出。（11）Vcc、Vss +5V电源和接地。2. 8155作为扩展I/O口使用时的性质当8155作为扩展I/O口使用时，IO/须接高电平，PA、PB、PC口地址低八位地址分别为01H、02H、03H（设地址无关位为零时）。8155片内有锁存器，

43、所以P0口输出的低八位地址无需外加锁存器，而直接与CPU8031的AD0AD7相连，既作为低八位地址总线，又作为数据总线。地址直接用ALE在8155中锁存，高八位地址有和IO/地址控制线决定。8155的I/O口工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器设定命令字格式来实现的，命令寄存器低八位地址为00H。下面是对8155的I/O口的工作方式选择介绍。（1）基本I/O工作方式 当8155被编程作ALT1、ALT2时A、B、C三口均作为基本输入输出方式，用命令寄存器D0、D1选定A口和B口作为输入还是输出工作方式，由D2、D3选定C口作为输入还输出方式。（2）选通I/O方式 8155编程为ALT3

44、时，A口定义为选通I/O，B口定义为基本I/O，编程为ALT4时，A口和B口均为选通I/O方式。选通输入/输出方式下，在输入操作时，是外设送来的选通信号。当有效后（低电平），把输入的数据装入8155，然后BF信号变高，以反映8155的缓冲器已经满了。在信号恢复为高电平时，INTR信号变高，向CPU申请中断，当CPU开始读取输入数据（信号下降沿）时，INTR信号恢复低电平，读取数据完毕（信号上升沿），使BF信号恢复低电平，一次数据输入结束。而在输出操作时，是外设的应答信号，当外设接受并处理完数据后，发出负脉冲，在高电平时，使INTR有效，开始申请中断，即要求CPU发送下一个数据，CPU在中断服务

45、中把数据写到8155，并使BF变高，以通知外设可以开始接受和处理数据，外设处理完数据后，在以信号来应答。（3）BF 缓冲器状态标准输出线，缓冲器有数据时，BF为高电平。（4） 设备选通信号线，低电平有效。2.4.2 键盘接口键盘分为编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别是用专用硬件译码器实现，并产生键编号和键值的称之为编码键盘。非编码键盘则是由软件识别的键盘。键盘的扫描方式主要有三种：编程扫描方式、定时扫描方式、中断扫描方式。在本设计中，我所用的是编程扫描方式。编程扫描方式即是查询方式，就是在主程序中用一段专门的扫描和读键程序来检查有没有键按下，并确定键值。在手动按键的过程中一般会产生键抖动

46、，此抖动可用硬件和软件两种方法消除。键数比较少时，可以用硬件方法消除键抖动。键数比较多时，用软件去抖动方式。即在检测出有键闭合后，执行一个延时程序，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍然保持闭合状态的电平，则确认为真正有键按下；当检测到按键释放后，也要给5ms10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。键盘的结构分为独立连接式和行列式（矩阵式）键盘，每一种键盘的译码方式又可以分为编码方式和非编码方式两种类型。1. 行列式键盘介绍在本设计中，需要设计的按键有：09十个数字，四个步进电机的四个坐标方向代号：X、Y、U、V，另外还有输入程序时所需要的字母：M、N、T、空格键、删除键

47、、ENTER键、手动控制八个气缸的按键以及手动控制四个步进电机按键。在这个设计中，我把所有这些按键都设计在一个行列式键盘里，然后通过软件对各个键的功能进行定义。另外，由于要求设计的控制机适用于检测以下几种母线槽的：一列三排、一列四排、一列五排、两列三排、两列四排、两列五排（此处的排和列是指母线槽内导电体的排数和列数），因此在设计中对检测部分的动作程序，是采用固化方式存在片外程序存储器里的，这就需要在检测过程中人为的根据母线槽的种类选择程序进行检测。在这里我设计了拨码开关用于人工选择程序。这些按键以及选择开关设计出的行列式键盘如图2-12。2. 8155入口地址的确定8155的片选端接在译码器U

48、18（附录一）的Y7端口上，所以CBA=111,又因为8155的IO/接在8031的A8口，因此对于8155而言，A8=1，因此8155的片选入口地址为F100H，A口为F101H，B口为F102H，C口为F103H。 图2-12行列式键盘及选择开关2.5 I/O接口电路设计在本次设计中，我所负责设计的是系统的下位机的控制电路部分。下位机的主要任务就是控制检测头检测母线槽的技术参数。它的主要工作流程在第一章中已经作了详细的介绍。在检测过程中，需要用 I/O口进行信息的传递。 在本设计中，经I/O口输出信号的有：1）四个步进电机正反转脉冲信号。2）两个传送台异步电机起停信号。3）八个电磁换向阀控

49、制信号。4）绝缘强度检测仪和微欧计测量头切换信号。需要经I/O口输入信号的有：1）两个位置检测信号。2）两个压力继电器输入信号。3）4个步进电机正负超程信号。所有以上的这些I/O口，在本设计中，除了4个步进电机正反转脉冲信号用74LS273扩展外，其他的输入输出接口都用8255进行扩展。2.5.1 8255芯片8255芯片的通用性比较强，可以通过编程灵活改变它的功能，在很多设计环境中，被用于扩展并行I/O口。1. 芯片的管脚8255芯片的管脚图如图2-13。 8255芯片管脚功能如下：（1） PA0PA7，PB0PB7，PC0PC7三个均为独立并行I/O端口，用于与外设传递数据信息、地址信息、

50、或状态信息，A、B、C端口均为八位，都可以作为输入/输出端口，其中B、C两个端口都是有一个8位数据输入缓冲器，一个8位数据输出锁存器/缓冲器，而A口则是包含一个8位数据输入锁存器以及一个8位数据输出锁存器/缓冲器。但是C口可以分为两个四位端口：C口高四位端口和C口低四位端口，每个四位端口包含一个4位输入缓冲器和一个4位输出锁存器/缓冲器。 图2-13 8255芯片的管脚图（2）片选信号，低电平有效，与系统高位地址的译码输出连接，用于启动CPU与8255之间的通信。（3）读信号，低电平有效，与系统的端口读信号连接，当有效时，允许CPU从8255A的端口读取信号或状态字。（4）写信号，低电平有效，与系统的端口写信