母线槽技术参数自动检测线运动机构控制系统设计.docx

1、母线槽技术参数自动检测线运动机构控制系统设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)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

2、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

3、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

4、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，

5、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、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

6、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。无论母线槽是几层几排，其检测过程都是一样的。在检测绝缘强度时，其中一个检测

7、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。下位机利用控制气压传动系统以及步进电机驱动

8、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。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

9、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 14、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。 图1-

10、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。 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

11、）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

12、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CPU。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

13、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，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

14、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

15、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

16、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

17、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8K8位的紫外线擦除电可编程只读存储器， 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”

18、（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

19、. 2764A芯片的特性2764A是8K8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2764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，

20、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）

21、D0D7 双向三态数据线。此处删减NNNNNNNNNNNNNNNN字 需要整套设计请联系q： 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

22、。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、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

23、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，与系统的端口写信号相连，当有效时，允许CPU向8255A的端口写入数据或控制字。（5）A1、A0端口选择信号，当A1、A0取0

24、0、01、10、11时，对应选择控制口、A口、B口和C口。（6）RESET复位信号高电平有效常与系统的复位信号连接在一起。当RESET有效时，A口、B口、C口均置成输入方式。2. 8255的控制字及其工作方式8255A有三种工作方式：方式0，基本输入输出方式；方式1，选通输入输出方式；方式2，双向输入输出方式。8255A有两种控制字：工作方式控制字和端口C置位/复位控制字。在本设计中我选用工作方式控制字。工作方式控制字格式如下：（1）D0、D1、D2此三位控制字决定B组的工作方式和控制字格式。B组包含端口C的低四位和端口B，当D0=0时，端口C低四位为输出方式，当D0=1时，端口C低四位为输入

25、方式；当D1=0时，端口B为输出方式，当D1=1时，端口B为输入方式； D2上电平的高低则决定B组的工作方式，当D2=0时，工作方式为方式0，当D2=1时，工作方式为方式1。（2）D3、D4、D5、D6此四位控制字决定A组的工作方式和控制字格式。A组包含端口C的高四位和端口A。当D3=0时，端口C高四位为输出方式，当D3=1时，端口C高四位为输入方式；当D4=0时，端口A为输出方式，当D4=1时，端口A为输入方式； D5、D6上电平的高低则决定A组的工作方式，当D5D6=00时，工作方式为方式0，当D5D6=01时，工作方式为方式1。当D5D6=1时，工作方式为方式2。（3）D7D7为工作方式

26、控制字标志，当D7=1时，表示写入8255的是工作方式控制字。3. 本设计中8255所扩展的I/O口的定义由于本次设计中需要用到十九个并行I/O口脚，其中有十一输出端口，八个输入端口脚，所以在这里根据8255A的性质对扩展出来的8255A的I/O口作如下的定义：B组定义为输出并工作于方式0，所以D0D1D2=000；A组定义为输入也工作于方式O，所以D3D4D5D6=1100；采用工作方式控制字，所以D7=1。4. 8255入口地址的确定由于8255A的片选端接在译码器U18（附录一）的Y1端口上，所以CBA=001，因此8255A的片选入口地址为9000H，A口为9001H，B口为9002H

27、，C口为9003H。2.5.2 输入输出接口电路的设计为了解决书/如输出电平信号转换及抗干扰问题，所有的输入/输出口都采用光电耦合电路。1. 四个步进电机正反转脉冲信号输出接口电路在本设计中，我选用74LS273扩展四个步进电机的正反转脉冲信号。设计出的具体电路图如图2-14所示。 图2-14 4个步进电机正反转脉冲信号电路图电路中的锁存器74LS273的片选信号引脚接在译码器U18（附录一）的Y2脚上，所以74LS273的入口地址为：A000H。2. 开关量输出接口电路开关量输出接口电路如图2-15所示这些接口包括：四个步进电机正反转脉冲信号，两个传送台异步电机起停信号，八个电磁换向阀控制信

28、号，绝缘强度检测仪和微欧计测量头切换信号。 图2-15开关量输出接口电路图3. 开关量输入接口电路开关量输入接口电路如图2-16所示。这些接口包括：两个位置检测信号，两个压力继电器输入信号，4个步进电机正负超程信号。 图2-16 开关量输入接口电路图以上各节较详细地介绍了母线槽技术参数自动检测线运动机构控制系统各个组成部分电路的设计过程。控制系统完整的电路图请见附录一。第三章 下位机控制程序设计在第二章，我详细介绍了设计下位机硬件部分的过程，在这一章则是根据前面设计出的硬件电路图以及该电路的功能进行主程序流程图的设计和键盘扫描程序流程图的设计。3.1 主程序流程图的设计本设计的程序设计是应用汇

29、编语言。程序内容应包含的内容是：各芯片的初始化，如定义8155和8255的输入输出以及清除显示器等，然后读工作方式开关状态并接受上位机的启动指令，再读母线槽种类选择开关状态。主程序流程图如图3-1所示。 图3-1主程序流程图3.2 键盘扫描程序流程图在本次毕业设计中，编辑键盘和手动按键都是用8155芯片进行扩展的，并且扩展在同一个行列式键盘内，然后通过软件对各个键的功能进行定义。在进行键盘扫描时，扫描键盘的结果要根据工作方式选择开关S19（见附录一）决定此按键是否有效。工作方式选择开关S19将行列式键盘分为两部分：手动按键部分和编辑按键部分。当S19处于手动按钮部分时，若是编码键盘部分有键按下

30、，则为无效的操作，且检测程序无法自动执行。同样若是处于编码键盘，则手动按钮部分的操作无效，系统定义为自动检测。各个键的编码如表3-1所示。本次设计中的编码值得出方式是：PA口、PB口均当作初值为1，然后令对应按键的A口值和B口值都为0，则A口和C口均得到一个十六位的编码值，然后按照A口在前B口在后的方式得出该键的编码。如键值为零的按键有效时，PA0=0且PC0=0，则可得到A口的编码为3EH，C口也为3EH，则此键对应的键值为3E3EH。 表3-1行列式键盘各键的编码编号编码键值编号编码键值PA0PC03E3EH0PA0PC13E3DH1PA0PC23E3BH2PA0PC33E37H3PA0PC43E2FH4PA0PC53E1FH5PA1PC03D3EH6PA1PC13D3DH7PA1PC23D3BH8PA1PC33D37H9PA1PC43D2FHXPA1PC53D1FHYPA2PC03B3EHUPA2PC13B3DHVPA2PC23B3BHMPA2PC33B37HNPA2PPC43B2FHTPA2PC53B1FH空格PA3PC0373EHENTERPA3PC1373DHDELETEPA3PC2373BHS1PA3PC33737HS2PA3PC4372FHS3PA3PC5371FHS4PA