貼標機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計,機械手,運動,控制系統(tǒng),設(shè)計 南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 自動化 系 自動化（數(shù)控技術(shù)應(yīng)用） 專業(yè) 設(shè) 計 題 目 貼標機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 蔡 衛(wèi) 廷 班 級 數(shù)控033 起 止 日 期 3月1日至6月15日 指 導(dǎo) 教 師 華 茂 發(fā) 教研室主任 葛 紅 宇 發(fā)任務(wù)書日期 2007年3月 1日 1.畢業(yè)設(shè)計的原始數(shù)據(jù)： 控制對象：母導(dǎo)線貼標機運動機構(gòu) 控制軸：X軸（橫向運動），Y軸（垂直運動），Z軸（縱向運動） 顯示：單排LED 驅(qū)動電路：四相八拍 2.畢業(yè)設(shè)計(論文)的內(nèi)容和要求(包括技術(shù)要求、圖表要求以及工作要求等)： 采用8031作為CPU，外擴8K程序存儲器，8K數(shù)據(jù)存儲器；鍵盤用8255 擴展，行線用PC口高4位，列線用PC口低4位，I/O口用8255的PB和 PA口擴展，手動鍵盤接8031的P1口，步進電機脈沖信號經(jīng)鎖存器輸出。 4位LED顯示，一位顯示字母，其它三位顯示數(shù)據(jù)。LED段選信號經(jīng)鎖存 器輸出，位選信號用8031的P2口高地址譯碼輸出。并設(shè)計一步進電機驅(qū) 動電路，控制貼標機械手步進電機。編寫步進電機驅(qū)動電路相序分配程序。 3.畢業(yè)設(shè)計應(yīng)完成的技術(shù)文件： （1）畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） （2）控制系統(tǒng)原理圖 （3）印制電路板圖 （4）主要程序流程圖和程序 （5）英文資料譯文 4.主要參考文獻： 1.何立民. MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計. 北京：北京航空航天大學(xué)出版 社，1990年 2.李朝青. 單片機原理及接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999 3.趙德安等. 單片機原理與應(yīng)用. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 5.畢業(yè)設(shè)計(論文)進度計劃(以周為單位)： 起 止 日 期 工 作 內(nèi) 容 備 注 第一周 第二周 第三周 第四周 第五周 第六周 第七周 第八周 第十周 第十一周 第十二周 第十三周 第十四周 第十五周 第十六周 熟悉課題 收集資料 擬定方案 CPU擴展電路設(shè)計 顯示電路設(shè)計 手動鍵盤和編輯鍵盤電路設(shè)計 I/O擴展電路設(shè)計 印制電路板圖繪制 步進驅(qū)動電路設(shè)計 設(shè)計主要程序流程圖 編寫相序分配程序 英文資料翻譯 寫論文 修改論文 答辯 教研室審查意見： 室主任 年 月 日 系部審查意見： 系主任 年 月 日 南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目： 貼標機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 自動化（數(shù)控技術(shù)應(yīng)用） 班 級： 數(shù)控033 學(xué) 號： 203030908 學(xué)生姓名： 蔡 衛(wèi) 廷 指導(dǎo)教師： 華茂發(fā) 副教授 2007年3月 本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué)生姓名 蔡衛(wèi)廷 學(xué)號 203030908 專 業(yè) 自動化（數(shù)控技術(shù)應(yīng)用） 指導(dǎo)教師 華茂發(fā) 職稱 副教授 所在院系 自動化學(xué)院 課題來源 自擬課題 課題性質(zhì) 工程設(shè)計 課題名稱 貼標機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容和意義 畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容： 本課題介紹了母導(dǎo)線貼標機運動機構(gòu)的總體設(shè)計，實現(xiàn)運動機構(gòu)橫向運動（X軸）、縱向運動（Y軸）、垂直運動（Z軸）三維空間的運動設(shè)計。要求母導(dǎo)線貼標機運動機構(gòu)的機械手能夠自動完成標簽的抓取和粘貼。機械手對標簽的“吸附”和“粘貼”，由簡易的氣壓裝置完成。 選用單片機8031作為CPU，其內(nèi)部沒有ROM（程序存儲器），需要外部擴展，因此外部擴展8K程序存儲器和4K數(shù)據(jù)存儲器；用8255作為鍵盤的接口，無需再專門增加芯片，所以鍵盤和I/O口用單片機8255A芯片擴展；手動按鈕接8031的P1口；LED顯示電路顯示機械手的運動坐標；段選信號經(jīng)鎖存器輸出，位選信號用8031的P2口高位地址譯碼輸出；8031輸出的步進電機脈沖信號經(jīng)光電耦合器分別控制X軸、Y軸和Z軸，采用89C2051單片機對各軸正反轉(zhuǎn)脈沖進行相序分配，利用恒流斬波電路對環(huán)型分配后信號進行放大，形成控制步進電機的四相驅(qū)動信號，最終實現(xiàn)對各軸步進電機的控制；編寫主要程序流程圖、鍵盤掃描程序流程圖及步進驅(qū)動程序。 其研究意義如下： 1、本課題對貼標機械手的應(yīng)用進行了研究，其中用到了8031單片機，步進電機等基礎(chǔ)專業(yè)課程中的知識。因此這個課題和我的專業(yè)有著很緊密的聯(lián)系。我相信通過這次畢業(yè)設(shè)計會對以后的工作和學(xué)習(xí)起一定的鋪墊作用。 2、實現(xiàn)母導(dǎo)線貼表機構(gòu)運動的自動化，能夠簡化生產(chǎn)流程，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的簡單化、快速化和自動化，降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。 3、這個課題來源于工程實際，具有很強的實用性。在設(shè)計過程中要用到模擬電子技術(shù)、Protel 99SE、單片機等學(xué)科的知識。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我對四年來大學(xué)所學(xué)知識有一個更加深刻的認識，并通過實踐來證明理論的正確與否。 4、單片機技術(shù)是工業(yè)控制的三大支柱之一。它應(yīng)用于很多場合，如電子、冶金、石油、紡織、輕工、醫(yī)藥、食品、建材等行業(yè)。此課題《貼標機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計》緊密結(jié)合市場實際，因此該技術(shù)的研究具有一定的市場價值。 5、單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性，芯片本身具有高可靠性，與應(yīng)用系統(tǒng)有最少的連接。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 文 獻 綜 述 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展,傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革,普通手工貼標技術(shù)已經(jīng)無法滿足社會發(fā)展的需要。本課題的設(shè)計,最主要的是對單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計。文獻[1][2][3][4][5][6][7]等都是關(guān)于單片機方面的內(nèi)容，主要介紹單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基本概念；單片機的系統(tǒng)擴展；單片機的系統(tǒng)配置；應(yīng)用程序設(shè)計基礎(chǔ)；系統(tǒng)的干擾與抗干擾設(shè)計。[3][5]以單片機MCS-51系列為背景機，系統(tǒng)地介紹單片機的發(fā)展概況和基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、并行擴展和串行擴展方法、人機接口，以及單片機的開發(fā)應(yīng)用等方面的內(nèi)容。[1][4]MCＳ51系列單片機組成原理；應(yīng)用系統(tǒng)擴展、開發(fā)與調(diào)試；鍵盤輸入接口的設(shè)計及調(diào)試；特別是8031芯片、8255芯片的應(yīng)用和擴展。其中[3]和[4]介紹了MCS-51系列單片機的基礎(chǔ)知識，如單片機的總體結(jié)構(gòu)，引腳的描述，以及外部擴展問題等；文獻[5]以89C51單片機為典型機，詳細介紹片內(nèi)結(jié)構(gòu)、工作原理、接口技術(shù)和單片機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用；文獻[1][4][7]介紹了如何設(shè)計單片機系統(tǒng)，提供了大量實用電路和程序并舉例了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試，注重理論聯(lián)系實際，著重實際應(yīng)用。畫電路原理圖和電路板圖需用到軟件PROTEL99SE，文獻[8]詳細介紹了如何設(shè)計電路原理圖、畫元件圖、設(shè)計電路板圖、畫元件封裝圖和電路仿真等。 參考文獻： 1、何立民．MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990年 2、 李朝青. 單片機原理及接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999年 3、趙德安等．單片機原理與應(yīng)用．北京：機械工業(yè)出版社，2004 4、 王樹勛. MCS-51單片機開發(fā)系統(tǒng)與監(jiān)控分析.北京：機械工業(yè)出版社，1992年 5、李學(xué)海．標準80C51單片機基礎(chǔ)教程．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006 6、 何立民. 單片機應(yīng)用技術(shù)選編（4）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997年 7、 余永權(quán)等. 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992 8、 夏路易 石宗義.電路原理圖與電路板設(shè)計教程Protel 99SE. 北京：北京希望電子希望出版社，2002年 研 究 內(nèi) 容 設(shè)計CPU擴展電路 設(shè)計鍵盤及I/O接口電路 設(shè)計LED顯示電路 設(shè)計步進驅(qū)動電路程序流程圖，編寫步進驅(qū)動相序分配中斷程序 設(shè)計步進驅(qū)動電路 繪制控制系統(tǒng)電路圖和PCB圖 研 究 計 劃 第一周 熟悉課題 第二周 查看資料，研究課題 第三周 擬訂、修改設(shè)計方案 第四周 設(shè)計CPU擴展電路部分； 第五周 設(shè)計LED顯示電路部分； 第六周 設(shè)計鍵盤電路部分； 第七周 設(shè)計I/O擴展電路部分； 第八周 繪制貼標機控制系統(tǒng)印制電路板圖； 第九周 設(shè)計步進驅(qū)動相序分配電路部分； 第十周 畢業(yè)設(shè)計期中檢查和總結(jié)； 第十二周 設(shè)計步進驅(qū)動橫流斬波電路； 第十三周 設(shè)計主程序、鍵盤掃描程序、相序分配流程圖； 第十四周 編寫相序分配程序； 第十五周 總結(jié)畢業(yè)設(shè)計，起草畢業(yè)設(shè)計論文； 第十六周 修改論文，準備畢業(yè)設(shè)計答辯. 特 色 與 創(chuàng) 新 利用單片機MCS-51系列實現(xiàn)母導(dǎo)線貼標機運動控制機構(gòu)的設(shè)計，利用簡易的機械手，實現(xiàn)標簽粘貼的自動化。 指導(dǎo)教師 意 見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教研室意見 主任簽名： 年 月 日 系部意見 教學(xué)主任簽名： 年 月 日 南 京 工 程 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）選題、審題表 教研室 數(shù)控技術(shù)應(yīng)用 指導(dǎo)教師 華茂發(fā) 職稱 副教授 申報課題名稱 貼標機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計 課題性質(zhì) 工程設(shè)計 課題來源 自擬課題 課 題 簡 介 本課題設(shè)計一三坐標機械手運動控制系統(tǒng)，用于粘貼母導(dǎo)線性能參數(shù)標簽?？刂葡到y(tǒng)以單片機8031為CPU，外擴數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、LED顯示器、鍵盤及I/O接口等；另設(shè)計一四相八拍驅(qū)動電路，配合步進電機驅(qū)動機械手運動。用Protel軟件設(shè)計硬件電路原理圖。 所需經(jīng)費 200元 上機時數(shù) 300小時/人 課題要求 （包括所具備的條件） 計算機、Protel軟件。 課題工作量 要求 硬件電路及部分軟件設(shè)計，1人。 教研室 審定意見 室主任簽字： 系領(lǐng)導(dǎo)小組審定意見 系主任簽字： 說明： 1、該表為畢業(yè)設(shè)計（論文）課題申報時專用，由選題教師填寫，經(jīng)教 研室討論、室主任簽字，報系領(lǐng)導(dǎo)小組審定，系主任簽字后生效。 2、上機時數(shù)可填：xx時數(shù)/人或者該課題所需總時數(shù)。 3、選題結(jié)束后，該表要求統(tǒng)一存放在系辦公室備查。 南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 ： 貼標機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 自動化（數(shù)控技術(shù)應(yīng)用） 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起迄日期： 設(shè)計地點： 實 驗 樓 _ 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 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 本文概述了母導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)型式，使用范圍以及選型，及其自動檢測系統(tǒng)的 組成和控制流程，著重介紹了貼標機運動控制系統(tǒng)的設(shè)計和功能實現(xiàn)。貼標機 運動控制系統(tǒng)選用MCS-51 系列單片機8031作為CPU，外部擴展了程序存儲器和 數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲控制系統(tǒng)監(jiān)控程序和數(shù)據(jù)，并設(shè)計了LED顯示電路、手 動鍵盤和編輯鍵盤。控制步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖信號，采用光電隔離輸出，提高 了系統(tǒng)的可靠性。另外還設(shè)計了與本控制系統(tǒng)相配套的步進驅(qū)動電路。在該驅(qū) 動電路中，選用89C2051作環(huán)行分配器件，電路簡單易于進行相序分配。本驅(qū)動 電路為恒流斬波電路，能將電機繞組電流恒定，電路簡單,工作可靠。文中繪出 了驅(qū)動的電路原理圖，給出了四相步進電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的程序設(shè)計流程圖和主 要的控制程序，最后介紹了Protel 99 SE 在電路設(shè)計中的應(yīng)用，指出了設(shè)計中出 現(xiàn)的問題，并提出了具體的解決方法。 關(guān) 鍵 詞 ： 母 導(dǎo) 線 貼 標 機 ； 單 片 機 控 制 ； 步 進 驅(qū) 動 電 路 ； 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 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 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） III 目 錄 第一章 緒 論 ………………………………………………………………1 1.1 引言……………………………………………………………………....1 1.2 選題背景與意義………………………………………………………....2 1.3 研究現(xiàn)狀………………………………………………………………....2 1.4 本文的結(jié)構(gòu)………………………………………………………………3 第二章 母導(dǎo)線參數(shù)檢測系統(tǒng)簡介……………………………………… 4 2.1 母導(dǎo)線簡介……………………………………………………………....4 2.2 母導(dǎo)線分類……………………………………………………………....4 2.3 母導(dǎo)線基本結(jié)構(gòu)…………………………………………………………4 2.4 自動檢測系統(tǒng)組成………………………………………………………6 2.5 自動檢測系統(tǒng)控制流程…………………………………………………7 第三章 貼標機運動控制系統(tǒng)電路設(shè)計………………………………10 3.1 貼標機運動機構(gòu)概述…………………………………………………...10 3.2 貼標機運動控制方案擬定……………………………………………...11 3.2.1 總體方案設(shè)計……………………………………………………..11 3.2.2 貼標機控制系統(tǒng)設(shè)計……………………………………………..11 3.3 CPU 選擇及其外圍電路設(shè)計…………………………………………...12 3.3.1 單片機 8031 簡介………………………………………………....12 3.3.2 單片機 8031 的時鐘及復(fù)位電路………………………………....13 3.4 存儲器擴展電路設(shè)計…………………………………………………...13 3.4.1 程序存儲器的擴展………………………………………………..13 3.4.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展………………………………………………..14 3.5 顯示電路設(shè)計…………………………………………………………...17 3.5.1 LED 顯示器簡介 …………………………………………………...17 3.5.2 LED 顯示電路 ……………………………………………………...17 3.6 鍵盤擴展電路設(shè)計……………………………………………………....18 3.6.1 編輯鍵盤接口芯片選擇…………………………………………...18 3.6.2 編輯鍵盤電路……………………………………………………...20 3.6.3 手動鍵盤電路……………………………………………………...20 3.6.4 編輯鍵盤流程圖…………………………………………………...21 3.7 輸入/輸出信號接口擴展電路設(shè)計……………………………………...21 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 3.7.1 步進電機控制信號接口電路………………………………………21 3.7.2 開關(guān)量輸入/輸出信號接口電路…………………………………...21 3.8 地址譯碼電路設(shè)計……………………………………………………….22 3.8.1 譯碼電路……………………………………………………………22 3.8.2 譯碼地址……………………………………………………………24 第四章 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計 …………………………………………25 4.1 步進電機簡述…………………………………………………………….25 4.2 步進電機的控制原理…………………………………………………….25 4.3 相序分配電路設(shè)計……………………………………………………….26 4.3.1 相序分配電路………………………………………………………26 4.3.2 相序分配軟件………………………………………………………27 4.4 功率放大電路設(shè)計……………………………………………………….29 第五章 貼標機械手運動控制系統(tǒng)的原理圖及 PCB 圖繪制………32 5.1 用 Protel 99 SE 進行電路設(shè)計的基本步驟……………………………..32 5.1.1 電路原理圖設(shè)計的步驟……………………………………………32 5.1.2 印刷電路板設(shè)計的步驟…………………………………………….32 5.2 電路原理圖設(shè)計…………………………………………………………..33 5.3 印刷電路板的設(shè)計………………………………………………………..33 5.4 設(shè)計中的問題及解決方法………………………………………………………35 第六章 總 結(jié) ………………………………………………………………36 1、論文總結(jié)…………………………………………………………………36 2、感謝………………………………………………………………………36 致 謝…………………………………………………………………………38 參考文獻 ………………………………………………………………………39 附錄 A：英文資料………………………………………………………………..40 附錄 B：英文資料翻譯…………………………………………………………..45 附錄 C：硬件設(shè)計原理圖與 PCB 圖…………………………………………….49 附件： 畢業(yè)論文光盤資料 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 0 第一章 緒 論 1.1 引言 人類已經(jīng)進入電氣化時代，人們借助電氣技術(shù)實現(xiàn)了自動控制機械、自動 生產(chǎn)線甚至自動工廠，并大大地發(fā)展了自動控制理論。在單片機出現(xiàn)后，計算 機成為廣大工程技術(shù)人員現(xiàn)代化技術(shù)革新、技術(shù)革命的武器。目前，計算機在 工業(yè)控制領(lǐng)域中得到最廣泛的應(yīng)用，各種機電設(shè)備都競相引入單片機構(gòu)成各種 控制器、控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的多機系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而本課題母導(dǎo)線貼標機控 制系統(tǒng)，就是通過外擴鍵盤、顯示和輸入/輸出接口等單元，滿足母導(dǎo)線自動貼 標功能的單片機系統(tǒng)。作為一名將成為電子、電氣工程技術(shù)人員的自動化專業(yè) 畢業(yè)生，了解和掌握單片機及其控制系統(tǒng)是非常必要的。 目前，主要的自動貼標技術(shù)有三種: 1“吸貼法”(或“氣吸法”) 這是最普通的貼標技術(shù).當標簽紙離開傳送帶后，分布到真空墊上，真空墊 連接到一個機械裝置的末端。當這個機械裝置伸展到標簽與包裝件相接觸后， 就收縮回去，此時就將標簽貼附到包裝件上。這種技術(shù)可靠地實現(xiàn)正確地貼標， 且精度高，這種方法對于產(chǎn)品包裝件的高度有一定變化的頂部貼標，或?qū)τ陔y 于搬動的包裝件側(cè)面貼標是非常適用的，但是它的貼標速度較慢。 2“吹貼法” （或“射流法”) 這種技術(shù)的某些運作方式是與上述吸貼法相似的，就是將標簽放置到真空 表面墊上固定，直到貼附動作開始為止。但在本方法中真空表面是保持不動的， 標簽固定和定位在一個“真空柵 ”上， “真空柵”為一個上面具有幾百個小孔的 平面，這些小孔是用來維持形成“空氣射流”的。由這些“空氣射流”吹出一 股壓縮空氣，壓力很強，使真空柵上標簽移動，讓它貼附到被包裝物品上.這是 一項稍具復(fù)雜性的技術(shù)，它具有較高的精度和可靠性。 3“擦貼法”(或“刷貼法”) 第三種貼標方法稱為同步貼標法，也可稱作“擦貼法” 、 “刷貼法”或“接 觸粘貼法” 。在貼標時，當標簽的前緣部分粘附到包裝上后，產(chǎn)品就馬上帶走標 簽。在這一種貼標機中，只有當包裝件通過速度與標簽分配速度一致時，這種 方法才能成功。這是一項需要維持連續(xù)作業(yè)的技術(shù)。此外，為使標簽的貼附滿 足完整恰當?shù)囊?，像刷子或滾筒那樣的第二套裝置也是不可缺少的。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1.2 選題背景與意義 近年來，隨著市場競爭的日益激烈，人們對產(chǎn)品外包裝的要求越來越高。 在包裝件或產(chǎn)品上加上適當?shù)臉撕?，不僅可以清晰地表示出產(chǎn)品的商標、主要 參數(shù)、使用說明等信息，而且美觀的產(chǎn)品標簽還有助于提升公司形象，促進產(chǎn) 品的銷售。自動貼標機是在包裝件或產(chǎn)品上加上標簽的一種自動化設(shè)備。目前 所使用的貼標機中，多采用步進電機或伺服電機，結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，制造成 本較高。采用氣動技術(shù)，不僅可以做到機械結(jié)構(gòu)簡單，而且具有綠色環(huán)保、防 火、防爆、耐高溫等特點，同時輸出力及輸出速度易于調(diào)節(jié)，可以最大限度地 保護包裝物品。因此，研究和開發(fā)基于氣動技術(shù)的自動貼標機，具有實用價值。 自動貼標機具有以下特點: 1) 一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動速度快，動作精度高。為滿足性能要求，對零件的 剛度要求和表面質(zhì)量等都有較高的要求。 2) 用于食品和藥品的包裝機要便于清洗，與食品和藥品接觸的部位要用不 銹鋼或經(jīng)化學(xué)處理的無毒材料制成。 3) 進行包裝作業(yè)時的工藝力一般都較小。 4) 一般都采用無級變速裝置，以便靈活調(diào)整速度、調(diào)節(jié)生產(chǎn)能力。 5)特殊類型的專業(yè)機械，種類多，生產(chǎn)數(shù)量有限。 隨著各種貼標技術(shù)的深入發(fā)展，貼標機正向著以下幾個發(fā)展方向: 1)高生產(chǎn)率、高可靠性、高精度、好的柔性和靈活性，注重成套性和配套 性; 2)自動化程度不斷提高，過去的手工半手工的復(fù)雜作業(yè)，己被半自動或自 動的貼標機所取代，且逐漸向控制智能化的方向發(fā)展; 3)先進的機電技術(shù)和新元件被綜合應(yīng)用于貼標機中，并通過采用先進的設(shè) 計方法提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，縮短制造周期。 貼標機作為包裝生產(chǎn)線的一個重要組成部分，直接影響到包裝質(zhì)量，因此 要努力提高貼標質(zhì)量，根據(jù)貼標要求從設(shè)計、制造、裝配、調(diào)試等方面綜合考 慮，以較低的成本滿足貼標機的功能要求。 1.3 研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)母導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)的測定還是由人工完成，其自動檢測技術(shù)在國內(nèi) 還是個空白。隨著社會的發(fā)展，人工檢測技術(shù)遠遠不能滿足社會對生產(chǎn)率的要 求，采用自動檢測技術(shù)并配備自動化檢測裝置將大大提高企業(yè)生產(chǎn)的效率，減 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 少人員的投入，將會給企業(yè)帶來廣闊的市場前景和顯著的社會效益。 1.4 本文的結(jié)構(gòu) 本文以貼標機械手的研發(fā)工程項目作為應(yīng)用背景，對 8031 單片機的擴展技 術(shù)、步進電機的恒流斬波技術(shù)進行了研究。全文共分為六章，各章的主要內(nèi)容 如下： 第一章扼要地介紹了母導(dǎo)線、自動貼標機的概念、特點與相關(guān)研究背景； 第二章研究了母導(dǎo)線參數(shù)檢測系統(tǒng)； 第三章對貼標機進行了研究，給出了外部擴展電路的控制方案，并討論了 單片機的擴展相關(guān)外部電路的設(shè)計方法； 第四章對步進電機進行了研究，給出了四相八拍步進電機的控制方案，并 討論了步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計方法； 第五章介紹了用 Protel 99SE 繪制原理圖的過程其中遇到的問題及解決方法。 第六章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第二章 母導(dǎo)線參數(shù)檢測系統(tǒng)簡介 2.1 母導(dǎo)線簡介 母 線 是 一 種 可 與 幾 條 電 路 分 別 連 接 的 低 阻 抗 導(dǎo) 體 ； 母 導(dǎo) 線 由 絕 緣 材 料 包 裹 的 幾 條 并 排 母 線 加 上 金 屬 外 殼 封 裝 而 成 。 母 導(dǎo) 線 是 低 壓 供 電 系 統(tǒng) 中 負 責 傳 輸 電 能 、 分 配 電 能 的 一 種 新 型 的 配 電 設(shè) 備 ， 由 于 母 導(dǎo) 線 具 有 載 流 能 力 大 、 防 護 等 級 高 、 分 配 電 能 方 便 、 安 全 可 靠 等 優(yōu) 點 是 替 代 傳 統(tǒng) 的 電 纜 和 電 纜 橋 架 輸 配 電 系 統(tǒng) 的 更 新 換 代 產(chǎn) 品 ,尤 其 在 大 電 流 輸 送 電 方 面 母 導(dǎo) 線 居 于 主 導(dǎo) 地 位 ， 其 輸 電 能 力 在 200A～ 5000A, 母 導(dǎo) 線 由 許 多 個 直 線 單 元 和 若 干 個 彎 曲 單 元 連 接 組 成 。 與 傳 統(tǒng) 的 電 纜 配 電 方 式 比 較 ， 母 導(dǎo) 線 具 有 體 積 小 、 輸 送 電 流 大 、 安 全 可 靠 、 拆 裝 方 便 、 基 建 與 配 電 施 工 互 不 相 擾 ， 一 次 投 資 可 反 復(fù) 使 用 等 優(yōu) 點 ， 是 一 種 理 想 的 配 電 產(chǎn) 品 。 母 導(dǎo) 線 的 安 裝 可 直 接 從 變 壓 器 接 到 低 壓 配 電 柜 ， 也 可 以 從 低 壓 柜 直 接 接 到 配 電 系 統(tǒng) 作 為 配 電 干 線 線 路 。 2.2 母導(dǎo)線分類 母 導(dǎo) 線 主 要 有 三 相 三 線 制 、 三 相 四 線 制 和 三 相 五 線 制 ， 其 中 又 有 單 通 道 和 雙 通 道 之 分 ， 截 面 如 圖 2.1 所 示 。 按 制 造 工 藝 和 用 途 ， 又 可 以 分 為 ： 密 集 型 母 導(dǎo) 線 、 空 氣 型 母 導(dǎo) 線 、 高 性 能 型 母 導(dǎo) 線 、 耐 火 型 母 導(dǎo) 線 、 防 水 型 母 導(dǎo) 線 、 絕 緣 型 母 導(dǎo) 線 ； 按 其 外 殼 材 料 分 為 鋼 外 殼 、 鋁 合 金 外 殼 和 鋼 鋁 混 合 外 殼 母 導(dǎo) 線 ； 按 其 導(dǎo) 體 材 料 分 有 銅 導(dǎo) 體 和 鋁 導(dǎo) 體 母 導(dǎo) 線 等 。 2.3 母 導(dǎo) 線 基 本 結(jié) 構(gòu) （1）外 殼 母 導(dǎo) 線 外 殼 由 優(yōu) 質(zhì) 鋼 和 鋁 組 成 ， 以 減 少 磁 滯 渦 流 損 耗 ， 完 成 面 噴 涂 灰 色 環(huán) 氧 樹 脂 ， 對 外 表 加 以 保 護 。 母 導(dǎo) 線 外 殼 完 全 封 閉 以 免 機 械 損 傷 和 灰 塵 積 聚 ， 而 且 采 用 50%容 量 的 整 個 外 殼 鋁 質(zhì) 接 地 導(dǎo) 體 ， 由 于 這 導(dǎo) 體 是 母 導(dǎo) 線 外 殼 的 一 部 分 ， 當 發(fā) 生 高 容 量 的 接 地 故 障 時 ， 可 有 效 接 地 和 保 護 整 個 系 統(tǒng) 。 （2）連 接 裝 置 母 導(dǎo) 線 的 連 接 裝 置 是 使 用 螺 栓 ， 其 材 料 為 高 強 度 鋼 、 彈 簧 墊 片 為 寬 沿 以 確 保 壓 力 在 整 個 受 壓 面 上 的 均 勻 分 布 ， 螺 栓 為 雙 頭 設(shè) 計 ， 有 力 矩 指 示 （ 81—108N·m） ， 處 于 地 電 位 ， 在 母 線 全 部 檢 測 后 扭 斷 力 矩 螺 栓 ， 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 以 達 到 壓 緊 力 矩 。 800A 及 以 上 的 母 導(dǎo) 線 可 以 在 不 影 響 鄰 母 導(dǎo) 線 段 的 情 況 下 ， 拆 除 一 段 ， 也 可 以 在 要 求 電 氣 隔 離 的 情 況 下 ， 拆 除 連 接 裝 置 。 （3）母 線 母 線 采 用 表 面 度 銀 的 銅 排 作 為 導(dǎo) 電 材 料 。 導(dǎo) 電 排 的 外 表 面 均 采 用 B 級 130°聚 脂 膠 片 以 達 到 長 期 絕 緣 效 果 。 在 額 定 負 載 電 流 下 ， 母 線 槽 內(nèi) 任 何 一 點 的 溫 升 不 應(yīng) 高 出 周 圍 環(huán) 境 55°C。 800A 及 意 識 的 直 線 饋 線 和 插 入 式 母 導(dǎo) 線 為 三 明 治 結(jié) 構(gòu) ， 除 開 口 處 ， 其 余 部 分 母 線 各 層 無 空 間 存 在 ， 防 止 煙 囪 效 應(yīng) 。 （4）插 接 口 每 條 標 準 插 接 母 導(dǎo) 線 為 3.05m 長 ， 在 每 條 母 導(dǎo) 線 兩 個 側(cè) 面 均 有 插 接 口 ， 插 接 口 上 有 活 頁 門 作 保 護 ， 插 接 口 間 距 為 610mm。 在 插 接 箱 安 全 插 入 之 前 應(yīng) 使 檢 查 開 口 方 便 可 行 ， 明 確 標 注 插 接 口 母 線 的 相 序 。 1 2 3 4 5 6 7 a) b) c） d） 圖 2.1 母 導(dǎo) 線 截 面 圖 1—絕 緣 墊 塊 2—固 定 螺 栓 3—導(dǎo) 電 排 4—絕 緣 層 5—側(cè) 板 6—蓋 板 7—外 殼 螺 栓 母 導(dǎo) 線 結(jié) 構(gòu) （ 圖 2.2） ： 由 絕 緣 墊 塊 （ 酚 醛 塑 料 ） 、 固 定 螺 栓 、 導(dǎo) 電 排 、 絕 緣 層 （ 聚 四 氟 乙 烯 ） 、 側(cè) 板 、 蓋 板 和 外 殼 螺 栓 等 部 件 組 成 。 母 導(dǎo) 線 應(yīng) 用 范 圍 廣 ， 適 用 于 高 層 建 筑 、 多 層 工 業(yè) 工 房 、 機 床 密 集 的 車 間 、 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 產(chǎn) 品 工 藝 多 變 的 車 間 、 老 車 間 和 廠 房 的 改 造 ， 以 及 各 種 實 驗 室 、 展 覽 館 、 體 育 館 、 賓 館 等 場 所 作 電 力 饋 電 和 配 電 使 用 。 可 以 應(yīng) 用 于 多 個 行 業(yè) 的 許 多 場 合 ； 防 護 等 級 高 ， 可 廣 泛 應(yīng) 用 于 室 內(nèi) 、 戶 外 、 地 下 、 水 中 和 含 有 腐 蝕 性 氣 體 等 特 殊 環(huán) 境 中 。 圖 2.2 母 導(dǎo) 線 結(jié) 構(gòu) 母 導(dǎo) 線 的 相 關(guān) 技 術(shù) 參 數(shù) 執(zhí) 行 GB7251.2 的 相 關(guān) 規(guī) 定 。 其 主 要 參 數(shù) 有 ： 額 定 電 流 及 電 壓 ， 介 電 性 能 ， 絕 緣 電 阻 ， 結(jié) 構(gòu) 強 度 和 防 護 等 級 等 ， 產(chǎn) 品 型 號 標 識 如 圖 2.3 所 示 。 母 導(dǎo) 線 的 參 數(shù) 性 能 要 求 達 到 ： 1） 母 導(dǎo) 線 保 證 在 額 定 工 作 電 流 及 110%的 額 定 電 壓 下 長 期 正 常 作 。 2） 母 導(dǎo) 線 單 元 應(yīng) 承 受 交 流 2500V（ 有 效 值 ） 的 工 頻 耐 壓 ， 歷 時 1min 無 擊 穿 或 閃 絡(luò) 現(xiàn) 象 。 3） 母 導(dǎo) 線 單 元 相 與 相 之 間 及 外 殼 之 間 的 絕 緣 電 阻 均 不 低 于 20 歐 姆 。 4） 母 導(dǎo) 線 2m 長 度 中 間 能 承 受 2m 母 導(dǎo) 線 本 身 重 量 加 90kg 的 靜 負 荷 ， 不 影 響 其 性 能 ， 母 導(dǎo) 線 連 接 處 能 承 受 1.5m 母 導(dǎo) 線 重 量 加 90kg 的 靜 負 荷 ， 不 影 響 其 性 能 。 5） 防 護 等 級 為 IP40。 圖 2.3 母 導(dǎo) 線 產(chǎn) 品 型 號 2.4 自動檢測系統(tǒng)組成 母 導(dǎo) 線 自 動 檢 測 系 統(tǒng) 主 要 由 一 個 上 位 機 （ PC） 、 運 動 控 制 系 統(tǒng) （ 或 稱 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 下 位 機 ） 、 母 導(dǎo) 線 參 數(shù) 檢 測 系 統(tǒng) 、 貼 標 機 、 氣 壓 系 統(tǒng) 、 輔 助 動 作 執(zhí) 行 結(jié) 構(gòu) 、 包 裝 機 構(gòu) 、 定 位 機 構(gòu) 、 步 進 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 等 組 成 ， 并 配 備 了 相 關(guān) 的 傳 輸 機 構(gòu) 、 打 印 機 等 ， 如 圖 2.4 所 示 。 圖 2.4 自 動 檢 測 系 統(tǒng) 的 組 成 上 位 機 （ PC） 主 要 負 責 母 導(dǎo) 線 自 動 檢 測 系 統(tǒng) 的 總 體 控 制 ， 控 制 下 位 機 、 接 收 檢 測 系 統(tǒng) 檢 測 數(shù) 據(jù) 、 打 印 檢 測 結(jié) 果 及 控 制 貼 標 機 貼 標 。 下 位 機 由 8031 單 片 機 構(gòu) 成 ， 主 要 控 制 氣 缸 傳 動 系 統(tǒng) 和 步 進 驅(qū) 動 系 統(tǒng) ， 相 應(yīng) 執(zhí) 行 機 構(gòu) 單 元 根 據(jù) 控 制 系 統(tǒng) 發(fā) 出 的 控 制 信 號 動 作 。 貼 標 機 系 統(tǒng) 由 8031 及 外 圍 電 路 組 成 ， 接 收 上 位 機 控 制 信 號 ， 控 制 貼 標 機 械 手 ， 抓 取 打 印 機 打 印 的 標 簽 并 粘 貼 到 母 導(dǎo) 線 外 殼 上 。 定 位 機 構(gòu) 是 由 氣 缸 驅(qū) 動 的 。 2.5 自動檢測系統(tǒng)控制流程 上位機 打印機 下位機 檢測系統(tǒng) 氣壓傳動 系統(tǒng) 功率放大系統(tǒng) 步進驅(qū)動系統(tǒng) 測試臺 母導(dǎo)線 執(zhí)行機構(gòu) （氣缸） 貼標機 母導(dǎo)線 包裝機構(gòu) 定位機構(gòu) 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 檢測平臺傳送電機啟動 檢測臺母線槽縱向定位缸升起 母線槽傳送電機停止 左端側(cè)向定位缸啟動 右端側(cè)向定位缸啟動 連接絕緣強度檢測儀 兩檢測頭移動檢測并將檢測結(jié)果發(fā)送給上位機 檢測完后回起點 連接檢測電阻的微歐計 兩檢測頭移動檢測并將檢測結(jié)果發(fā)送給上位機 開始 Y 左、右端側(cè)向定位缸到 位？ 母線槽縱向到位？ A N Y N 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 兩個檢測頭回原點 前后檢測頭側(cè)向定位缸退回 檢測臺縱向定位缸退回 檢測臺傳送電機啟動 包裝臺傳送電機啟動 包裝臺縱向定位缸升起 母線槽離開檢測臺后檢測臺電機停轉(zhuǎn) 母線槽到達包裝臺后包裝臺電機停轉(zhuǎn) 發(fā)信給上位機啟動貼標機貼標 貼標結(jié)束后，包裝氣缸升起 延時，包裝 定位缸退回 包裝缸退回 結(jié) 束 A 圖 2.5 自動檢測系統(tǒng)控制流程圖 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第三章 貼標機運動控制系統(tǒng)電路設(shè)計 3.1 貼標機運動機構(gòu)概述 貼 標 機 是 一 個 三 坐 標 機 構(gòu) ， 由 X 軸 （ 橫 向 運 動 ） 、 Y 軸 （ 垂 直 運 動 ） 、 Z 軸 （ 縱 向 運 動 ） 組 成 ， 三 個 軸 分 別 由 三 個 步 進 電 機 驅(qū) 動 ， 通 過 機 械 傳 動 裝 置 ， 控 制 母 導(dǎo) 線 貼 標 機 貼 標 機 械 手 的 運 動 ， 實 現(xiàn) 粘 貼 標 簽 的 具 體 動 作 ， 貼 標 機 運 動 機 構(gòu) 如 圖 3.1 所 示 。 其 中 貼 標 機 械 手 由 一 個 兩 位 三 通 電 磁 閥 （ 圖 中 未 畫 出 ） 控 制 的 薄 膜 氣 缸 、 抽 風 扇 和 壓 標 頭 等 機 械 部 件 組 成 。 通 過 抽 風 扇 抽 風 ， 形 成 負 壓 吸 附 標 簽 。 貼 標 機 械 手 在 三 坐 標 方 向 移 至 母 導(dǎo) 線 外 殼 表 面 ， 薄 膜 氣 缸 上 腔 進 氣 ， 壓 標 頭 伸 出 將 標 簽 壓 貼 在 母 導(dǎo) 線 外 殼 表 面 上 。 Y2 1 X Z 6 3 4 5 7 圖 3.1 貼 標 機 運 動 機 構(gòu) 示 意 圖 1—X 向 步 進 電 機 2—Y 向 步 進 電 機 3—薄 膜 氣 缸 4—吸 標 風 扇 5—貼 標 機 械 手 6—壓 標 頭 7—Z 向 步 進 電 機 3.2 貼標機運動控制方案擬定 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 3.2.1 總體方案設(shè)計 如 圖 3.2 所 示 ， 選 用 8031 單 片 機 作 為 CPU， 擴 展 控 制 系 統(tǒng) ， 輸 出 分 別 控 制 X 軸 、 Y 軸 和 Z 軸 方 向 步 進 電 機 脈 沖 信 號 ， 經(jīng) 光 電 耦 合 器 輸 出 ， 由 89C2051 單 片 機 對 各 軸 正 反 轉(zhuǎn) 脈 沖 進 行 相 序 分 配 ， 利 用 恒 流 斬 波 電 路 對 環(huán) 型 分 配 后 的 信 號 進 行 放 大 ， 形 成 控 制 步 進 電 機 的 四 相 驅(qū) 動 信 號 ， 最 終 實 現(xiàn) 對 各 軸 步 進 電 機 的 控 制 。 貼標機控 制系統(tǒng) 光 耦 光 耦 光 耦 貼標頭開關(guān)量 輸出接口 X 軸相序分配 X 軸驅(qū)動器 X 軸步進電機 Y 軸相序分配 Y 軸驅(qū)動器 Y 軸步進電機 Z 軸相序分配 Z 軸驅(qū)動器 Z 軸步進電機 圖 3.2 總 體 控 制 方 案 框 圖 3.2.2 貼標機控制系統(tǒng)設(shè)計 如 圖 3.3 所 示 ， 貼 標 機 控 制 系 統(tǒng) 采 用 8031 單 片 機 作 為 CPU。 8031 單 片 機 是 控 制 系 統(tǒng) 的 核 心 ， 控 制 貼 標 機 的 運 動 。 手 動 按 鈕 接 8031 的 P1 口 ， 對 貼 標 機 運 動 進 行 手 動 控 制 ， 手 動 操 作 X 軸 、 Y 軸 和 Z 軸 的 移 動 。 用 2764 芯 片 外 擴 8KB 程 序 存 儲 器 （ ROM） ， 存 儲 貼 標 機 運 動 的 控 制 程 序 。 用 6264 芯片外擴 4KB 數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，存 儲 貼 標 機 運 動 的 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 。 四 位 LED 顯 示 ， 一 位 用 “米 ”字 型 16 段 管 ， 用 來 顯 示 字 母 X、 Y 和 Z， 其 它 三 位 用 7 段 管 ， 分 別 顯 示 百 、 十 、 個 位 數(shù) 值 。 LED 顯 示 的 段 選 信 號 經(jīng) 74LS273 鎖 存 器 輸 出 ， 位 選 信 號 用 8031 的 P2 口 高 位 地 址 經(jīng) 74LS138 譯 碼 輸 出 。 鍵 盤 用 8255A 的 PC 口 擴 展 ， 行 線 接 PC 口 高 四 位 ， 列 線 接 PC 口 低 四 位 ， 實 現(xiàn) 4×4 小 鍵 盤 ， 分 別 設(shè) 置 0～ 9 數(shù) 字 鍵 ， X、 Y 和 Z 三 個 字 母 鍵 等 鍵 盤 按 鈕 。 輸 入 /輸 出 （ I/O） 接 口 也 由 8255A 擴 展 ， 控 制 貼 標 機 的 操 作 方 式 （ 手 動 、 自 動 和 鍵 盤 掃 描 ） 和 三 軸 的 正 負 行 程 限 位 等 信 號 。 步 進 電 機 的 脈 沖 信 號 經(jīng) 74LS273 鎖 存 輸 出 ， 經(jīng) 光 耦 電 路 隔 離 ， 接 貼 標 機 各 軸 步 進 電 機 的 脈 沖 分 配 器 。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 8031 單片機 ROM RAM 8255A74LS273 步進電機驅(qū)動電路 鍵盤 I/O 接 口 手 動 按 鈕 4 位 LED 顯示 圖 3.3 控 制 系 統(tǒng) 組 成 框 圖 3.3 CPU 選擇及其外圍電路設(shè)計 MCS-51 系 列 中 ， 常 用 的 有 8031 和 8051 等 。 其 中 ,8031 內(nèi) 部 沒 有 ROM， 需 外 擴 一 程 序 存 儲 器 。 根 據(jù) 母 導(dǎo) 線 控 制 系 統(tǒng) 的 要 求 ， 要 求 具 有 8KB 程 序 存 儲 器 ， 8051 內(nèi) 部 只 有 4KB 程 序 存 儲 器 ， 存 儲 空 間 仍 需 外 擴 ， 所 以 選 用 8031 單 片 機 。 8031 具 有 價 格 低 、 功 能 強 、 使 用 靈 活 、 開 發(fā) 方 便 等 特 點 ， 適 合 貼 標 機 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 。 3.3.1 單片機 8031 簡介 制 造 工 藝 為 HMOS 的 MCS-51 單 片 機 都 采 用 40 只 引 腳 的 雙 列 直 插 封 裝 （ DIP） 方 式 ， 8031 引 腳 如 圖 3.4 所 示 。 I/O 口 線 ： P0、 P1、 P2、 P3 共 四 個 8 位 口 ； 控 制 口 線 ： （ 片 外 取 指 控 制 ） 、 ALE（ 地 址 鎖 存 控 制 ） 、PEN （ 片 外 存 儲 器 選 擇 ） 、 RESET（ 復(fù) 位 控 制 ） ； 電 源 及 時 鐘 ： Vcc（ 接 +5VEA 電 源 ） 、 Vss（ 接 地 ） ； XTAL1 和 XTAL2 接 外 部 晶 體 振 蕩 器 。 當 8031 單 片 機 外 擴 程 序 存 儲 器 、 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 或 輸 入 輸 出 端 口 時 ， 外 部 芯 片 需 要 8031 為 其 提 供 地 址 總 線 、 數(shù) 據(jù) 總 線 和 控 制 總 線 ， 如 圖 3.5 所 示 。 地 址 總 線 （ AB） 寬 度 為 16 位 ， 可 訪 問 64KB 的 外 部 程 序 存 儲 器 和 64KB 的 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 。 低 8 位 地 址 總 線 （ A0～ A7） 由 P0 口 經(jīng) 地 址 鎖 存 器 提 供 ， 高 8 位 地 址 總 線 （ A8～ A15） 直 接 由 P2 口 提 供 。 數(shù) 據(jù) 總 線 寬 度 為 8 位 ,由 P0 口 提 供 。 控 制 總 線 （ CB） 由 P3 口 的 第 二 功 能 狀 態(tài) 和 4 根 獨 立 的 控 制 線 RESET、 、 ALE 和 組 成 。 SN 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 3.4 8031 引 腳 圖 圖 3.5 8031 片 外 總 線 結(jié) 構(gòu) 3.3.2 單片機 8031 的時鐘及復(fù)位電路 1. 時 鐘 電 路 單 片 機 8031 雖 然 有 內(nèi) 部 振 蕩 電 路 ， 但 要 形 成 時 鐘 ， 必 須 外 部 附 加 電 路 。 母 導(dǎo) 線 貼 標 機 控 制 系 統(tǒng) 用 內(nèi) 部 時 鐘 方 式 ， 在 XTAL1、 XTAL2 引 腳 上 外 接 晶 體 以 及 電 容 C1 和 C2 構(gòu) 成 并 聯(lián) 諧 振 電 路 ， 使 內(nèi) 部 振 蕩 器 產(chǎn) 生 自 激 振 蕩 ， 如 圖 3.6 所 示 。 2. 復(fù) 位 電 路 貼 標 機 系 統(tǒng) 采 用 按 鈕 復(fù) 位 和 內(nèi) 部 中 斷 復(fù) 位 相 結(jié) 合 。 在 8031 復(fù) 位 端 RESET 上 接 如 圖 3.6 所 示 電 路 ， 當 上 電 或 按 動 按 鈕 S00 或 急 停 按 紐 S100 后 ， 復(fù) 位 端 RESET 上 出 現(xiàn) 高 電 平 ， 便 能 可 靠 地 實 現(xiàn) 復(fù) 位 。 圖 3.6 時鐘及復(fù)位電路 3.4 存儲器擴展電路設(shè)計 3.4.1 程序存儲器的擴展 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 1. 程序存儲器芯片選擇 EPROM 是可擦除、可編程只讀存儲器，母導(dǎo)線貼標機控制系統(tǒng)中，只需 擴展 8KB 空間的程序存儲器，用一片 2764（8K×8）芯片就可滿足要求。圖 3.7 所示為 2764 芯片引腳。圖中，A0～A12 為地址線，D0～D7 為數(shù)據(jù)輸出線， 為片選端， 為輸出允許端， 為編程脈沖端，NC 為未連接端，VppCEOEPGM 為編程 電 壓 端 ， Vcc 為 +5V， GND 為 地 。 圖 3.7 2764 引腳圖 圖 3.8 6264 引腳圖 2. 程 序 存 儲 器 擴 展 電 路 圖 程 序 存 儲 器 擴 展 時 ， 一 般 擴 展 容 量 大 于 256 字 節(jié) ， 因 此 ， EPROM 片 內(nèi) 地 址 線 除 了 由 P0 口 經(jīng) 鎖 存 器 提 供 8 位 地 址 線 外 ， 還 需 由 P2 口 提 供 若 干 地 址 線 。 EPROM 所 需 地 址 線 數(shù) 決 定 于 EPROM 的 容 量 ， 當 EPROM 為 2KB 時 地 址 線 為 11 根 ， 4KB 時 地 址 線 為 12 根 ， 8KB 時 地 址 線 為 13 根 ， 以 此 類 推 。 所 需 的 高 位 地 址 線 由 P2 口 提 供 。 如 圖 3.9 所 示 ， 貼 標 機 系 統(tǒng) 外 擴 8KB 程 序 存 儲 器 ， 8031 的 P0 口 經(jīng) 74LS373 鎖 存 器 接 2764 的 8 根 地 址 線 A0～ A7， 8031 的 P2.0～ P2.4 接 2764 的 另 5 根 地 址 線 A8～ A12。 8031 單 片 機 P0 口 接 2764 的 數(shù) 據(jù) 線 D0～ D7,ALE（ 允 許 地 址 鎖 存 ） 接 鎖 存 器 CLK 端 （ 11 腳 ） ， 由 于 是 分 時 使 用 ， 先 輸 出 外 部 存 儲 器 的 低 8 位 地 址 ， 故 應(yīng) 在 外 部 加 鎖 存 器 將 地 址 數(shù) 據(jù) 鎖 存 ， 地 址 鎖 存 信 號 用 ALE。 然 后 ， P0 口 才 作 為 數(shù) 據(jù) 口 使 用 。 根 據(jù) 程 序 存 儲 器 電 路 的 連 線 ， 確 定 2764 的 尋 址 范 圍 ， 如 表 3.1 所 示 。 3.4.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 1. 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 芯 片 選 擇 表 3.1 程 序 存 儲 器 地 址 表 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 地 址 線 A15 A14 A13 A12 A11 … A1 A0 地 址 0 0 0 0 0 … 0 0 0000H 0 0 0 0 0 … 0 1 0001H 0 0 0 0 0 … 1 0 0002H ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ 0 0 0 1 1 … 1 0 1FFEH 0 0 0 1 1 … 1 1 1FFFH 8031 單 片 機 內(nèi) 部 有 128 個 字 節(jié) 的 RAM， 在 母 導(dǎo) 線 貼 標 機 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 僅 靠 片 內(nèi) RAM 是 不 夠 的 ， 必 須 外 擴 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 。 常 用 的 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 有 靜 態(tài) RAM（ SRAM） 和 動 態(tài) RAM（ DRAM） 兩 類 。 DRAM 一 般 用 于 存 儲 容 量 較 大 的 系 統(tǒng) 中 ， 而 且 DRAM 需 要 刷 新 邏 輯 電 路 以 保 持 數(shù) 據(jù) 信 息 的 不 丟 失 ， 電 路 設(shè) 計 較 復(fù) 雜 。 雖 然 DRAM 芯 片 具 有 容 量 大 、 功 率 低 、 價 格 便 宜 等 優(yōu) 點 ， 但 它 極 易 受 干 擾 ， 對 外 界 環(huán) 境 、 工 藝 結(jié) 構(gòu) 、 控 制 邏 輯 和 電 源 質(zhì) 量 等 的 要 求 都 很 高 。 因 此 ， 母 導(dǎo) 線 貼 標 機 控 制 系 統(tǒng) 選 用 SRAM。 與 DRAM 相 比 ， SRAM 無 須 考 慮 保 持 數(shù) 據(jù) 而 設(shè) 置 的 刷 新 電 路 ， 故 擴 展 電 路 較 簡 單 。 在 8031 單 片 機 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 中 ， 當 數(shù) 據(jù) 存 儲 量 較 小 時 ， 最 常 用 的 靜 態(tài) 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 RAM 芯 片 有 6116（ 2K×8） 和 6264（ 8K×8） 兩 種 。 貼 標 機 控 制 系 統(tǒng) 要 求 外 擴 不 大 于 4K 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 ， 故 6264 芯 片 能 滿 足 要 求 。 6264 是 8K×8 位 靜 態(tài) 隨 機 存 儲 器 芯 片 ， 采 用 CMOS 工 藝 制 作 ， 28 線 雙 直 插 式 封 裝 ， 其 引 腳 如 圖 3.8 所 示 。 A0～ A12 為 片 內(nèi) 13 位 地 址 線 ； D0～ D7 位 8 位 數(shù) 據(jù) 線 ； 和 CS2 為 片 選 端 。 、 為 讀 、 寫 信 號 線 。 1EWR 2. 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 擴 展 電 路 如圖 3.9 所示，6264 芯片低 8 位地址線 A0～ A7 與 8031 單片機 P0 口經(jīng)地 址鎖存器 74LS373 鎖存輸出相連接；高 4 位地址線 A8～A11 與 8031 單片機 P2.0～P2.3 直接相連（A12 接地當 4K 存儲器使用） ；數(shù)據(jù)線 D0～D7 直接與 8031P0 口相連；片選 由 8031 高位地址 P2.4～P2.7 經(jīng) 74LS138 地址譯碼控1CS 制；片選 CS2 保持高電平。 6264 芯片的寫信號接掉電保護電路。掉電保護電路 帶有后備電池，在系統(tǒng)掉電瞬間，自動保護 RAM 中有用的信息和系統(tǒng)的運行 狀態(tài)。當電源恢復(fù)時，能自動恢復(fù)掉電前的工作狀態(tài)。 根據(jù)數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路，確定 6264 芯片的尋址范圍，見表 3.2。 表 3.2 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 地 址 表 地 址 線 地 址 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 A15 A14 A13 A12 … A1 A0 1 1 1 0 … 0 0 EOOOH 1 1 1 0 … 0 1 E001H ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ 1 1 1 0 … 1 0 EFFEH 1 1 1 0 … 1 1 EFFFH 圖 3.9 存 儲 器 擴 展 電 路 圖 3.5 顯示電路設(shè)計 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 單片機的顯示器主要有 LED（Light-emitting Diode,發(fā)光二極管顯示器）和 LCD（Liquid Crystal Display,液晶顯示器）兩種。其中 LED 的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計 更為簡單，價格也更低廉，所以貼標機系統(tǒng)選用 LED 顯示。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。所謂靜態(tài)顯示就是需要顯示 的字符在各字段連續(xù)通電，所顯示的字段連續(xù)發(fā)光。所謂動態(tài)顯示，就是用掃 描的方法一位一位輪流點亮顯示器的各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔 一段時間點亮一次，利用人眼視覺的暫留效應(yīng)，使得看上去好像幾位顯示器同 時在顯示，因此動態(tài)顯示必須設(shè)計動態(tài)掃描電路，以保證顯示的連續(xù)性。 雖然靜態(tài)顯示占用 硬件資源較多，但因為貼標機系統(tǒng)只用 4 位 LED 顯示， 位數(shù)較少，增加硬件不多，同時考慮到動態(tài)顯示占用 CPU 時間較多，所以貼標 機系統(tǒng)選用靜態(tài)顯示。 3.5.1 LED 顯示器簡介 LED 顯 示 器 由 發(fā) 光 二 極 管 構(gòu) 成 的 字 段 組 成 的 ， 有 7 段 （ 不 含 小 數(shù) 點 段 ） 和 16 段 （ “米 ”字 ） 管 兩 類 ， 如 圖 3.10 所 示 ， 這 種 顯 示 器 又 有 共 陰 極 和 共 陽 極 之 分 。 當 一 個 或 幾 個 發(fā) 光 二 極 管 的 陽 極 為 高 電 平 時 ， 相 應(yīng) 的 段 被 點 亮 即 顯 示 。 如 果 加 到 各 段 陽 極 上 的 代 碼 不 同 ， 則 控 制 顯 示 不 同 的 字 符 或 數(shù) 字 。 這 個 代 碼 稱 為 段 選 碼 ， 也 叫 字 形 碼 。 表 3.3 列 出 了 7 段 LED 顯 示 數(shù) 字 0～ 9 的 a) b) 對 應(yīng) 段 選 碼 。 7 段 LED 顯 圖 3.10 LED 顯 示 器 示 器 一 般 都 有 dp 顯 示 段 a)七 段 顯 示 器 b)十 六 段 顯 示 器 用 于 顯 示 小 數(shù) 點 實 際 上 為 8 段 ， 所 以 它 的 段 選 碼 為 一 個 字 節(jié) 。 段 選 碼 的 編 碼 順 序 從 最 高 位 到 最 低 位 分 別 對 應(yīng) dp、 g、 f、 e、 d、 c、 b、 a 段 。 3.5.2 LED 顯示電路 根 據(jù) 對 貼 標 頭 運 動 范 圍 的 估 計 ， 三 個 軸 各 自 的 行 程 不 超 過 一 米 ， 所 以 用 三 位 LED 顯 示 數(shù) 值 ， 最 大 顯 示 值 為 999mm， 即 可 滿 足 顯 示 要 求 。 “米 ”字 型 LED 顯 示 X、 Y、 Z 三 軸 坐 標 字 母 。 貼 標 機 系 統(tǒng) 的 LED 顯 示 ， 段 選 信 號 由 8031 單 片 機 P0 口 輸 出 ， 經(jīng) 74LS273 鎖 存 器 接 各 位 LED 段 選 信 號 端 ； 位 選 信 號 用 8031 的 P2 口 高 位 （ P2.7、 P2.6、 P2.5） 經(jīng) 74LS138 譯 碼 器 地 址 譯 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 碼 ， 形 成 5 個 不 同 的 入 口 地 址 ， 接 各 位 74LS273 的 片 選 端 ， 控 制 各 位 LED 選 通 顯 示 ， 接 口 電 路 如 圖 3.12 所 示 ， 圖 中 LED1 用 于 顯 示 字 母 X、 Y、 Z， LED2 用 于 顯 示 百 位 數(shù) 值 ， LED3 用 于 顯 示 十 位 數(shù) 值 ， LED4 用 于 顯 示 個 位 數(shù) 值 。 表 3.3 七 段 LED 顯 示 器 段 選 碼 顯 示 字 符 共 陰 極 型 共 陽 極 型 顯 示 字 符 共 陰 極 型 共 陽 極 型 0 3FH C0H 5 6DH 92H 1 06H F9H 6 7DH 82H 2 5BH A4H 7 07H F8H 3 4FH B0H 8 7FH 80H 4 66H 99H 9 6FH 90H 3.6 鍵盤擴展電路設(shè)計 貼 標 機 系 統(tǒng) 用 到 兩 個 鍵 盤 。 一 個 為 編 輯 鍵 盤 ， 用 8255A 擴 展 ， 鍵 盤 由 數(shù) 字 鍵 0～ 9， 字 母 鍵 X、 Y、 Z 等 組 成 。 當 貼 標 機 位 于 編 輯 狀 態(tài) 時 ， 通 過 該 鍵 盤 輸 入 X 軸 、 Y 軸 和 Z 軸 坐 標 的 位 移 量 。 另 一 個 為 手 動 鍵 盤 ， 用 8031 單 片 機 P0 口 控 制 。 貼 標 機 在 手 動 方 式 時 ， 按 下 手 動 鍵 盤 ， 可 以 實 現(xiàn) 貼 標 機 X 軸 、 Y 軸 和 Z 軸 正 、 負 方 向 的 手 動 操 作 。 3.6.1 編輯鍵盤接口芯片選擇 8255A 作 為 單 片 機 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 常 用 的 可 編 程 I/O 接 口 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 ， 對 于 單 片 機 系 統(tǒng) 來 說 ， 若 系 統(tǒng) 已 用 到 8255A， 在 8255A 資 源 足 夠 時 ， 作 為 鍵 盤 的 接 口 無 需 再 專 門 增 加 芯 片 ， 所 以 用 8255A 擴 展 編 輯 鍵 盤 ， 不 僅 使 系 統(tǒng) 資 源 得 到 充 分 利 用 ， 而 其 使 電 路 設(shè) 計 更 為 簡 單 。 8255A 是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接 口芯片，它具有 3 個 8 位的并行 I/O 口，具有三 種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用 靈活方便，通用性強，可 作 單 片 機 與 多 種 外 圍 設(shè) 備 連 接 時 的 中 間 接 口 電 路 。 8255A 的 引 腳 介 紹 如 圖 3.11 所 示 ， 圖 3.11 8255A 引 腳 圖 D7~D0 為 三 態(tài) 雙 向 數(shù) 據(jù) 線 ， 與 單 片 機 數(shù) 據(jù) 總 線 連 接 ， 用 來 傳 送 數(shù) 據(jù) 信 息 ； 為 片 選 信 號 端 ， 低 電 平 有 效 ， 表 示 芯 片 被 選 中 ； 為 讀 出 信 號 端 ， 低CE RD 電 平 有 效 ， 控 制 數(shù) 據(jù) 的 讀 出 ； WR 為 寫 入 信 號 端 ， 低 電 平 有 效 ， 控 制 數(shù) 據(jù) 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 的 寫 入 ； PA7~PA0 為 A 口 輸 入 /輸 出 線 ； PB7~PB0 為 B 口 輸 入 /輸 出 線 ； PC7~PC0 為 C 口 輸 入 /輸 出 線 ； A0～ A1 為 地 址 線 ， 用 來 選 擇 8255A 內(nèi) 部 端 口 。 RESET 接 復(fù) 位 信 號 ； VCC 接 +5V 電 源 。 圖 3.12 LED 接 口 電 路 3.6.2 編輯鍵盤電路 南京工程學(xué)