自動剝線機控制面板設計

梁俊英　黃秉鍊　羅曉曙　陳　赤　劉　建　廖志賢　陳冬連

摘 要：操作簡單，界面友好的控制面板，使人們操作設備的工作變得容易、方便。應用單片機技術，結合優(yōu)化編程技術知識，分析討論ATmega32單片機與矩陣按鍵電路、SSC2AC40液晶屏、PLC通信的硬件接口電路和軟件編程方法以及相應的關鍵技術細節(jié)，完成控制面板設計與制作。測試證明，該控制面板在樣機使用中運行良好已取得了明顯的應用成效，可應用于工業(yè)設備操作平臺、工業(yè)顯示系統(tǒng)和數(shù)字式儀表等領域。

關鍵詞：控制面板；ATmega32；SSC2AC40；PLC

中圖分類號：TP336 文獻標識碼：B 文章編號：1004－373X(2009)04－062－03

Design of Automatic Wire－stripping Control Panel

LIANG Junying,HUANG Binglian,LUO Xiaoshu,CHEN Chi,LIU Jian,LIAO Zhixian,CHEN Donglian

(College of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)

Abstract：Simple operation and friendly interface control panel usually makes people handle the equipment work easier and more convenient.The paper uses the technology of single chip computer and optimized programming,the PLC communications hardware interface circuits and the method of interface software programming as well as the corresponding technical details of the matrix button and ATmega32 circuit are analysed and discussed,and control panel design and production are completed.Testing shows that the control panel is well－functioning in the prototype,and has made obvious effectiveness in application.It can be used in industrial equipment,operating platforms,industrial display systems and digital instrumentation,and other fields.

Keywords：control panel;ATmega32;SSC2AC40;PLC

自動裁線剝皮扭線機以可編程控制器PLC為控制系統(tǒng)，其控制面板主要由矩陣鍵盤、ATmega32單片機、SSC2AC40液晶屏等組成?？刂泼姘鍖崿F(xiàn)對設備相關規(guī)格數(shù)據(jù)設定，使設備按照人工干預信息完成工作任務，顯示模塊顯示相關信息，實現(xiàn)人機交互。單片機以其低成本、使用靈活、高性能的特點廣泛應用于工業(yè)設備，而液晶顯示屏更以其顯示直觀、便于操作的特點被應用于顯示前端。

1 控制面板硬件電路設計

圖1為控制面板硬件電路圖。單片機ATmega32識別每個鍵動作，將矩陣按鍵的每個鍵動作編成碼(0x01～0x90)，并將編碼信息輸給PLC。由于編碼信息為0 V，5 V，而PLC能識別的電平信號為0 V，24 V，所以用OC門7407芯片將編碼信息(0 V，5 V)轉換為PLC能識別的信號(0 V，24 V)，PLC讀取編碼信息，執(zhí)行剝皮、扭線、裁線等相關動作，并將自動裁線剝皮扭線機工作狀態(tài)信息(0000～1111，每個編碼對應一種工作狀態(tài)信息)上傳到ATmega32。根據(jù)PLC輸出口內部電路結構的特點如圖2所示［1］，PLC輸出口是集電極開路電路，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出，否則 ATmega32無法檢測到PLC輸出口信息(高、低電平)的變化情況。SSC2AC40液晶在ATmega32控制下顯示編碼控制電路上的人工干預信息、錯誤提示信息、自動裁線剝皮扭線機工作狀態(tài)信息等，完成人機交互工作。

1.1 ATmega32單片機

ATmega32是基于增強型AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，以Atmel公司的高密度非易失性存儲器技術生成,支持片內調試與編程,內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有寄存器都直接與運算邏輯單元(ALU)相連接，1條指令可以在1個時鐘周期內同時訪問2個獨立的寄存器，因此大大提高了指令操作碼效率，其數(shù)據(jù)吞吐率大約是普通CISC微控制器的10倍。8位RISC CPU與系統(tǒng)內可編程的FLASH集成在1個芯片內，使得ATmega32成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案［3］。

作為通用數(shù)字I/O 使用時，所有AVR I/O 端口都具有真正的讀－修改－寫功能。每個端口都有3個I/O存儲器地址(數(shù)據(jù)寄存器PORTx、 數(shù)據(jù)方向寄存器DDRx 和端口輸入引腳PINx)［4］。PA口定義為輸出，DDRA=0xff，將指令信息、錯誤提示信息、自動裁線剝皮扭線機工作狀態(tài)信息等輸送到SSC2AC40液晶顯示屏數(shù)據(jù)口DB0~DB7，PB口定義為輸入，DDRB=0x00，讀取矩陣鍵盤動態(tài)信息。 PC口高3位設為輸出，分別接SSC2AC40液晶顯示屏的RS，R/W，E，輸出正確的時序，使液晶屏有效顯示相關信息。

#define Lcdssc2a40_RS OC5

#define Lcdssc2a40_RW OC6

#define Lcdssc2a40_E OC7

#define Lcdssc2a40_RS_R RC5

#define Lcdssc2a40_RW_R RC6

#define Lcdssc2a40_E_R RC7

Lcdssc2a40_RS_R=1;/*PC5設為輸出*/

Lcdssc2a40_RW_R=1;/*PC6設為輸出*/

Lcdssc2a40_E_R=1;/*PC7設為輸出*/

PD口的PD0～PD2設為輸入，DDRD=DDRD&0x07，接收PLC上傳的自動裁線剝皮扭線機工作狀態(tài)信息等。PD口的PD3～PD6設為輸出，DDRD=DDRD&0x78，將矩陣鍵盤編碼信息發(fā)送給PLC。

掉電后有關數(shù)據(jù)信息保存在ATmega32內部的1 024 B E2PROM，下次再工作時，無需再另行輸入，直接調出原來的數(shù)據(jù)即可，大大節(jié)省調機時間。ATmega32內部的1 024 B E2PROM數(shù)據(jù)存儲器是一個獨立的數(shù)據(jù)空間，可以按字節(jié)讀寫，訪問由地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器決定，至少能擦除100 000次［4］。

avr－libc 對E2PROM 存儲器讀寫API 定義在eeprom.h中［5］，包含形式如下：

#include

例如要保存前端剝皮設定好的參數(shù)q1：

eeprom_busy_wait();/*等待E2PROM 讀寫就緒*/

eeprom_write_byte(0,q1);/*將q1寫入到E2PORM 0地址處*/

開機后，讀出關機前前端設定好的“剝皮”參數(shù)q1：

eeprom_busy_wait();

q1=eeprom_read_byte(0);/*從E2PROM 0 地址處讀取1個字節(jié)賦給RAM 變量q1*/

這樣就可以實現(xiàn)掉電后設定好的相關參數(shù)得以保存，開機后顯示關機前設定的參數(shù)。

1.2 SSC2AC40液晶顯示器

SSC2AC40是40×2字符點陣式液晶顯示器，邏輯工作電壓4.5～5.5 V，驅動電壓3.0～5.0 V，工作電流(背光除外)2.5 mA，常溫下工作溫度0～50 ℃/寬溫下工作溫度-20～+70 ℃，典型的16腳接口、帶有LED邊光/底光，溫度范圍較廣，屬寬溫型，具有工作電壓低，微功耗，顯示信息量大和接口方便應用等優(yōu)點?，F(xiàn)在已被廣泛應用于工業(yè)控制面板顯示和數(shù)字式儀表等領域，成為測試結果顯示和人機交互的重要工具［11］。

SSC2AC40數(shù)據(jù)口DB0~DB7接ATmega32的PA口，并行接收ATmega32發(fā)送的相關數(shù)據(jù)信息，RS，R/W，E分別接ATmega32的PC５～PC7，得到正確的時序，實時顯示有效信息，實現(xiàn)人機交互。

2 軟件設計

圖3為控制面板程序流程圖。開機后顯示上一次關機前的信息，ATmega32讀取矩陣鍵盤，判斷鍵動作信息，執(zhí)行相關參數(shù)設定；設定無誤，按開始鍵，剝線機執(zhí)行進行剝皮、扭線、裁線等工作；工作過程中PLC將信息上傳給ATmega32 ，通過SSC2AC40顯示。

編程語言以C為主，利用系統(tǒng)體積小，簡單易學，語法著色，多文檔，錯誤跟蹤好，界面友好的GCC的AVR C/C++編譯器和廣州天河雙龍電子有限公司的下載器SLISP作為開發(fā)工具，進行代碼生成、軟件測試和維護，開發(fā)一個操作方便、簡單易用、穩(wěn)定可靠且易于修改擴充的軟件系統(tǒng)。經反復調試優(yōu)化，程序在樣機的使用中運行良好，顯示穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)要求。程序稍作修改便可移植到其他類型的單片機，有利于產品硬件更換，縮短產品開發(fā)周期。

3 調 試

(1) ATmega32 JTAG 接口的TMS，TCK，TDO，TDI分別對應PC口的PC3～PC5；而在該

設計中沒有用到JTAG 接口，所以配置熔絲時要禁止使用JTAG 接口功能，以免JTAG 接口的TMS，TCK，TDO，TDI與PC3～PC5沖突。

(2) 由于使用機械開關按鍵，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動。為保證對鍵動作的準確識別，采用軟件延時緩沖按鍵動作時的抖動，待信號穩(wěn)定后再進行鍵掃描，延遲時間大于10～20 ms即可［6］。

(3) 液晶顯示屏置于控制面板上，工作環(huán)境的電磁干擾對顯示屏的工作有一定的影響，故該系統(tǒng)采取的主要抗干擾措施如下：設計LCD模塊的接口時，在VSS和VDD之間接入0.1 μF的去耦電容，并接入10 μF或20 μF的電源濾波電容，提高電源輸入的穩(wěn)定性。LCD模塊的工作電流僅為幾毫安，但其背光部分所需要的電流遠大于其工作電流，因此需將工作電源和背光電源分別布線［12］。 為避免其他可能的干擾源對液晶顯示過程的影響，采用軟件定時復位液晶屏，屏蔽異常顯示［12］。

(4) 在編碼信息與PLC之間的電平轉換電路中，PLC的電源與7407輸出端的上拉電源一定要共負極。否則由于參考電壓不同，PLC輸入端獲取的電平不正常，無法有效識別編碼信息。

4 結 語

該文研制的控制面板電路簡潔實用，編程靈活，成本低，抗干擾能力強，性能可靠，在反復測試中矩陣鍵盤工作正常；液晶屏有效屏蔽干擾源，顯示穩(wěn)定可靠，完成人機交互工作，適合用戶需求，具有廣泛的應用前景，對其他工業(yè)設備操作面板的研制有一定的參考價值。

參 考 文 獻

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作者簡介

梁俊英 男，1981年出生，廣西武鳴人，碩士研究生。研究方向為微機控制與檢測技術等。

黃秉鍊 男，1942年出生，廣東梅州人，教授。研究方向為微機控制與檢測技術等。

羅曉曙 男，1961年出生，湖北應城人，教授。主要研究方向為非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定控制與同步。

陳 赤 男，1957年出生，廣西陸川人，高級工程師。主要研究方向為電氣自動化控制。