劉艷玲，張鐵鋒

（天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300191）

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程復(fù)印、大型繪圖機(jī)等文印設(shè)備越來(lái)越普及，疊圖機(jī)越來(lái)越被業(yè)界重視，疊圖機(jī)的控制系統(tǒng)隨著科技的發(fā)展也不斷更新?lián)Q代。本疊圖機(jī)的硬件電路系統(tǒng)主要包括CPU主控電路系統(tǒng)，鍵盤顯示系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，譯碼與控制信號(hào)選通的CPLD控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

在疊圖機(jī)的硬件電路組成部分中， CPU主控電路采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的8位AT89C52單片機(jī)，通過(guò)檢測(cè)各個(gè)傳感器信號(hào)、按鍵輸入信號(hào)及不同的中斷信號(hào)，產(chǎn)生各種程序執(zhí)行過(guò)程，從而發(fā)出不同的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在主控電路系統(tǒng)中采用一片CPLD，用它與單片機(jī)和各種芯片相連，產(chǎn)生各種芯片所需的譯碼選通信號(hào)與控制選通信號(hào)。鍵盤顯示部分包括8個(gè)LED共陰極數(shù)碼管，6個(gè)普通按鍵和一片MAX7219芯片。其中按鍵用來(lái)選擇需要折疊和裝訂邊的尺寸以及急停。共陰極數(shù)碼管則用來(lái)顯示所選擇的縱向和橫向折疊尺寸和裝訂邊尺寸。MAX7219是串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，他通過(guò)串行通信方式接收來(lái)自單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)DAT，用來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示出所選擇的尺寸。傳感器系統(tǒng)包括6個(gè)端面?zhèn)鞲衅骱?個(gè)槽型傳感器，其中端面?zhèn)鞲衅饔脕?lái)檢測(cè)圖紙所處的位置，槽型傳感器起導(dǎo)向作用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的起?？刂啤⒄崔D(zhuǎn)控制及速度控制。

1.1 傳感器系統(tǒng)與鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)

CPU主控電路采用AT89C52單片機(jī)，傳感器和按鍵的信號(hào)均為TTL電平，經(jīng)兩個(gè)74LS244N與P0口連接。通過(guò)實(shí)時(shí)的采集傳感器和按鍵信號(hào)來(lái)控制疊圖機(jī)的不同程序的運(yùn)行。圖1所示為單片機(jī)與傳感器和按鍵的連接圖。其中U101到U108分別為來(lái)自8個(gè)傳感器的輸入信號(hào)，P5.0到P5.5分別為來(lái)自6個(gè)按鍵的輸入信號(hào)。其中6個(gè)按鍵A、B、C、D、E、F分別為：橫向折疊尺寸選擇鍵，縱向折疊尺寸選擇鍵，縱向198定尺寸鍵（有中間折紙），縱向210定尺寸鍵（有中間折紙），縱向210定尺寸鍵（無(wú)中間折紙），和停止鍵。按鍵操作面板如圖2所示。

圖1 單片機(jī)與傳感器和按鍵的連接圖

1.2 LED數(shù)碼管顯示電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控電路中的AT89C52單片機(jī)通過(guò)RXD，P1.6，P1.7三個(gè)端口通過(guò)鎖存器74LS240分別控制顯示芯片MAX7219的片選CS、脈沖CLK和顯示數(shù)據(jù)DIN。如圖3所示為單片機(jī)與MAX7219的控制信號(hào)接口圖。

圖2 按鍵操作面板圖

圖3 MAX7219的控制信號(hào)接口圖

顯示系統(tǒng)與主控電路系統(tǒng)不在同一個(gè)電路板上，通過(guò)接插件CON5連接。MAX7219驅(qū)動(dòng)8位LED顯示器的電路如圖4所示。

圖4 MAX7219驅(qū)動(dòng)8位LED顯示器的接口電路圖

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

疊圖機(jī)中用到兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)疊圖動(dòng)作。本系統(tǒng)采用了4出線86系列的步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制以及細(xì)分電路的實(shí)現(xiàn)。圖5為單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制電路連接圖。單片機(jī)通過(guò)P0口的DB0到DB3的4個(gè)IO口實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方向和脫機(jī)信號(hào)的控制。而驅(qū)動(dòng)控制器的公共端信號(hào)接+5V信號(hào)。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)控制，主要是先通過(guò)計(jì)算算出所需脈沖信號(hào)的頻率，然后通過(guò)把數(shù)字脈沖信號(hào)分頻成所需要的頻率。在本系統(tǒng)中，脈沖信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)8253作為單片機(jī)的外設(shè)，對(duì)74HC4060芯片輸出的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻，提供頻率可調(diào)的數(shù)字脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。如圖6為脈沖信號(hào)產(chǎn)生的原理圖。其中8253通道0和1設(shè)置成工作方式4即方波脈沖發(fā)生器，而8253的GATE0和GATE1分別由單片機(jī)的P1.2和P1.3控制，用以選通8253的通道0和通道1。OUT0和OUT1為8253提供給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖控制信號(hào)。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制電路

圖6 脈沖信號(hào)產(chǎn)生的原理圖

1.4 譯碼電路和控制信號(hào)選通電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Altera公司的MAXⅡ系統(tǒng)CPLD，利用VHDL語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)以上電路芯片的片的譯碼片選信號(hào)以及一些控制信號(hào)的選通。系統(tǒng)電路圖如圖2.7所示，其中A13、A14、A15是來(lái)自單片機(jī)P2口的輸入信號(hào)，作為譯碼輸出片選信號(hào)/8253CS、/LEDCS、/KEYCS、U14U28/G和U13CLK的狀態(tài)位。MAXRES為來(lái)自看門夠的輸入信號(hào)，控制選通輸出信號(hào)RST對(duì)單片機(jī)的復(fù)位。P4.0、P4.1是來(lái)自8253的輸入信號(hào)，控制選通輸出信號(hào)P1.0、P1.1對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入。P5.3為來(lái)自停止鍵的輸入信號(hào)，控制選通輸出信號(hào)P3.3對(duì)單片機(jī)的外部中斷1信號(hào)的輸入。U103、U104、U105、U106、U107和U108分別為來(lái)自傳感器的輸入信號(hào)，控制選通輸出信號(hào)P3.2、P3.4和P3.5對(duì)單片機(jī)的外部中斷0，定時(shí)器0和定時(shí)器1的信號(hào)輸入。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于單片機(jī)和CPLD的疊圖機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了疊圖機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路組成和設(shè)計(jì)方法。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方法，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證能夠提高疊圖機(jī)的抗干擾性以及疊圖準(zhǔn)確性，克服了傳統(tǒng)疊圖機(jī)控制系統(tǒng)的不足與缺陷。

圖7 CPLD系統(tǒng)電路圖

[1] 吳紅星.電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制專用集成電路及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[2] 李朝青,單片機(jī)原理及接口技術(shù)(第3版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[3] 王誠(chéng).Altera FPGA/CPLD 設(shè)計(jì)(高級(jí)篇)[M]北京:人民郵電出版社,2005.

[4] 高吉祥.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003,8.

[5] 宋受俊,等.兩項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].電氣傳動(dòng),2006,2.

[6] 韓廣興,等.電子元器件與實(shí)用電路基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[7] 陳學(xué)軍.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究于實(shí)現(xiàn)[J].電機(jī)于控制應(yīng)用,2006.