疊圖機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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，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)備越來越普及，疊圖機(jī)越來越被業(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)動系統(tǒng)，譯碼與控制信號選通的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ATMEL公司生產(chǎn)的8位AT89C52單片機(jī)，通過檢測各個(gè)傳感器信號、按鍵輸入信號及不同的中斷信號，產(chǎn)生各種程序執(zhí)行過程，從而發(fā)出不同的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動信號。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與控制選通信號。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)動器，他通過串行通信方式接收來自單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)DAT，用來驅(qū)動數(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)鞲衅饔脕頇z測圖紙所處的位置，槽型傳感器起導(dǎo)向作用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?、正反轉(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均為TTL電平，經(jīng)兩個(gè)74LS244N與P0口連接。通過實(shí)時(shí)的采集傳感器和按鍵信號來控制疊圖機(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分別為來自8個(gè)傳感器的輸入信號，P5.0到P5.5分別為來自6個(gè)按鍵的輸入信號。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RXD，P1.6，P1.7三個(gè)端口通過鎖存器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的控制信號接口圖。

圖2 按鍵操作面板圖

圖3 MAX7219的控制信號接口圖

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

圖4 MAX7219驅(qū)動8位LED顯示器的接口電路圖

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(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)疊圖動作。本系統(tǒng)采用了4出線86系列的步進(jìn)電機(jī)，通過配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對步進(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)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制電路連接圖。單片機(jī)通過P0口的DB0到DB3的4個(gè)IO口實(shí)現(xiàn)對2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的方向和脫機(jī)信號的控制。而驅(qū)動控制器的公共端信號接+5V信號。對于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號控制，主要是先通過計(jì)算算出所需脈沖信號的頻率，然后通過把數(shù)字脈沖信號分頻成所需要的頻率。在本系統(tǒng)中，脈沖信號的產(chǎn)生是通過8253作為單片機(jī)的外設(shè)，對74HC4060芯片輸出的數(shù)字脈沖信號進(jìn)行分頻，提供頻率可調(diào)的數(shù)字脈沖信號，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)動器的脈沖控制信號。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制電路

圖6 脈沖信號產(chǎn)生的原理圖

1.4 譯碼電路和控制信號選通電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

2 結(jié)束語

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。對于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動采用現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方法，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)經(jīng)過實(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

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