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[導(dǎo)讀]操作簡(jiǎn)單,界面友好的控制面板,使人們操作設(shè)備的工作變得容易、方便。應(yīng)用單片機(jī)技術(shù),結(jié)合優(yōu)化編程技術(shù)知識(shí),分析討論ATmega32單片機(jī)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(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié),完成控制面板設(shè)計(jì)與制作。測(cè)試證明,該控制面板在樣機(jī)使用中運(yùn)行良好已取得了明顯的應(yīng)用成效,可應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備操作平臺(tái)、工業(yè)顯示系統(tǒng)和數(shù)字式儀表等領(lǐng)域。

自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)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(pán)、ATmega32單片機(jī)、SSC2AC40液晶屏等組成??刂泼姘鍖?shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備相關(guān)規(guī)格數(shù)據(jù)設(shè)定,使設(shè)備按照人工干預(yù)信息完成工作任務(wù),顯示模塊顯示相關(guān)信息,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。單片機(jī)以其低成本、使用靈活、高性能的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備,而液晶顯示屏更以其顯示直觀、便于操作的特點(diǎn)被應(yīng)用于顯示前端。

1 控制面板硬件電路設(shè)計(jì)
    圖1為控制面板硬件電路圖。單片機(jī)ATmega32識(shí)別每個(gè)鍵動(dòng)作,將矩陣按鍵的每個(gè)鍵動(dòng)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(shí)別的電平信號(hào)為0 V,24 V,所以用OC門(mén)7407芯片將編碼信息(0 V,5 V)轉(zhuǎn)換為PLC能識(shí)別的信號(hào)(0 V,24 V),PLC讀取編碼信息,執(zhí)行剝皮、扭線、裁線等相關(guān)動(dòng)作,并將自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)工作狀態(tài)信息(0000~1111,每個(gè)編碼對(duì)應(yīng)一種工作狀態(tài)信息)上傳到ATmega32。根據(jù)PLC輸出口內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如圖2所示,PLC輸出口是集電極開(kāi)路電路,必須外接上拉電阻才能有高電平輸出,否則ATmega32無(wú)法檢測(cè)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(yù)信息、錯(cuò)誤提示信息、自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)工作狀態(tài)信息等,完成人機(jī)交互工作。
1.1 ATmega32單片機(jī)
    ATmega32是基于增強(qiáng)型AVR RISC結(jié)構(gòu)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(chǔ)器技術(shù)生成,支持片內(nèi)調(diào)試與編程,內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有寄存器都直接與運(yùn)算邏輯單元(ALU)相連接,1條指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)2個(gè)獨(dú)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(nèi)可編程的FLASH集成在1個(gè)芯片內(nèi),使得ATmega32成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī),為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案.

    作為通用數(shù)字I/O使用時(shí),所有AVR I/o端口都具有真正的讀一修改一寫(xiě)功能。每個(gè)端口都有3個(gè)I/0存儲(chǔ)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)。PA口定義為輸出,DDRA=0xff,將指令信息、錯(cuò)誤提示信息、自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)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(pán)動(dòng)態(tài)信息。PC口高3位設(shè)為輸出,分別接SSC2AC40液晶顯示屏的RS,R/W,E,輸出正確的時(shí)序,使液晶屏有效顯示相關(guān)信息。
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    PD口的PDO~PD2設(shè)為輸入,DDRD=DDRD&0x07,接收PLC上傳的自動(dòng)裁線剝皮扭線機(jī)工作狀態(tài)信息等。PD El的PD3~PI)6設(shè)為輸出,DDRD=DDRD&0x78,將矩陣鍵盤(pán)編碼信息發(fā)送給PLC。
    掉電后有關(guān)數(shù)據(jù)信息保存在ATmega 32內(nèi)部的1024 B E2PROM,下次再工作時(shí),無(wú)需再另行輸入,直接調(diào)出原來(lái)的數(shù)據(jù)即可,大大節(jié)省調(diào)機(jī)時(shí)間。ATmega 32內(nèi)部的1 024 B E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間,可以按字節(jié)讀寫(xiě),訪問(wèn)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。
    avr-libc對(duì)E2PROM存儲(chǔ)器讀寫(xiě)API定義在eeprom.h中,包含形式如下:


    這樣就可以實(shí)現(xiàn)掉電后設(shè)定好的相關(guān)參數(shù)得以保存,開(kāi)機(jī)后顯示關(guān)機(jī)前設(shè)定的參數(shù)。
1.2 SSC2AC40液晶顯示器
    SSC2AC40是40×2字符點(diǎn)陣式液晶顯示器,邏輯工作電壓4.5~5.5 V,驅(qū)動(dòng)電壓3.O~5.0 V,工作電流(背光除外)2.5 mA,常溫下工作溫度O~50℃/寬溫下工作溫度一20~+70℃,典型的16腳接El、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El方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)?,F(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制面板顯示和數(shù)字式儀表等領(lǐng)域,成為測(cè)試結(jié)果顯示和人機(jī)交互的重要工具。
    SSC2AC40數(shù)據(jù)El DB0~DB7接ATmega32的PA口,并行接收ATmega32發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,RS,R/W,E分別接ATmega32的PC5~PC7,得到正確的時(shí)序,實(shí)時(shí)顯示有效信息,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。


2 軟件設(shè)計(jì)
   
圖3為控制面板程序流程圖。開(kāi)機(jī)后顯示上一次關(guān)機(jī)前的信息,ATmega32讀取矩陣鍵盤(pán),判斷鍵動(dòng)作信息,執(zhí)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定;設(shè)定無(wú)誤,按開(kāi)始鍵,剝線機(jī)執(zhí)行進(jìn)行剝皮、扭線、裁線等工作;工作過(guò)程中PLC將信息上傳給ATmega32,通過(guò)SSC2AC40顯示。

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    編程語(yǔ)言以C為主,利用系統(tǒng)體積小,簡(jiǎn)單易學(xué),語(yǔ)法著色,多文檔,錯(cuò)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(kāi)發(fā)工具,進(jìn)行代碼生成、軟件測(cè)試和維護(hù),開(kāi)發(fā)一個(gè)操作方便、簡(jiǎn)單易用、穩(wěn)定可靠且易于修改擴(kuò)充的軟件系統(tǒng)。經(jīng)反復(fù)調(diào)試優(yōu)化,程序在樣機(jī)的使用中運(yùn)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(lèi)型的單片機(jī),有利于產(chǎn)品硬件更換,縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

3 調(diào) 試
    (1)ATmega32 JTAG接口的TMS,TCK,TDO。TDl分別對(duì)應(yīng)PC口的PC3~PC5;而在該設(shè)計(jì)中沒(méi)有用到JTAG接口,所以配置熔絲時(shí)要禁止使用JTAG接口功能,以免JTAG接口的TMS,TCK,TD0,TDI與PC3~PC5沖突。
    (2)由于使用機(jī)械開(kāi)關(guān)按鍵,在觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)的瞬間會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)。為保證對(duì)鍵動(dòng)作的準(zhǔn)確識(shí)別,采用軟件延時(shí)緩沖按鍵動(dòng)作時(shí)的抖動(dòng),待信號(hào)穩(wěn)定后再進(jìn)行鍵掃描,延遲時(shí)間大于10~20 ms即可。
    (3)液晶顯示屏置于控制面板上,工作環(huán)境的電磁干擾對(duì)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(shè)計(jì)LCD模塊的接口時(shí),在VSS和VDD之間接入0.1μF的去耦電容,并接入10 μF或20μF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(yuǎn)大于其工作電流,因此需將工作電源和背光電源分別布線。為避免其他可能的干擾源對(duì)液晶顯示過(guò)程的影響,采用軟件定時(shí)復(fù)位液晶屏,屏蔽異常顯示。
    (4)在編碼信息與PLC之間的電平轉(zhuǎn)換電路中,PLC的電源與7407輸出端的上拉電源一定要共負(fù)極。否則由于參考電壓不同,PLC輸入端獲取的電平不正常,無(wú)法有效識(shí)別編碼信息。

4 結(jié) 語(yǔ)
    該文研制的控制面板電路簡(jiǎn)潔實(shí)用,編程靈活,成本低,抗干擾能力強(qiáng),性能可靠,在反復(fù)測(cè)試中矩陣鍵盤(pán)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(jī)交互工作,適合用戶(hù)需求,具有廣泛的應(yīng)用前景,對(duì)其他工業(yè)設(shè)備操作面板的研制有一定的參考價(jià)值。

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