【文章內(nèi)容簡介】 態(tài)有效 。 四、顯示器電路 (1)LED顯示器工作原理。顯示器為七段數(shù)碼管，需由驅(qū)動電路 7407(反向器 )驅(qū)動，并采用共陰極接法。共陰極 LED顯示器的陰極共地，當某二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。十進制數(shù)對應(yīng)的段碼見表。 表 七段 LED顯示器段碼表 (共陰極 ) 顯示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 . 段碼 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 07H 7DH 7EH 6FH 80H (2) 顯示掃描電路。 LED 的每一種顯示字符對應(yīng)一個 段碼， CPU 送出這個段碼， LED 便顯示這個段碼所對應(yīng)的字符。在本系統(tǒng)中由移位寄存器74LS164 提供需要顯示的段碼。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 當我們需要同時顯示多個字符時，可逐次把需要的字符顯示在規(guī)定的位置上。本系統(tǒng)通過 ～ ，用于控制各個顯示器的接地端。在每點亮一個顯示器之后，必須稍停一段時間，使之發(fā)光穩(wěn)定，然后輪流點亮其他的顯示器。這樣巡回掃描速度較快，每秒可重復(fù)多次。雖然在同一時刻只有一個顯示器在工作，但利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄滅時的余輝效應(yīng)，我們看到的都是穩(wěn)定的多個字符同時顯示。 這種顯示為動態(tài)顯示，此時，段選碼和位選碼均由軟件控制。 167。 A\D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 167。 傳感器及 A\D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇 本系統(tǒng)中我們使用德國 HBM 公司的 HBM26F 稱重傳感器。 在自動化控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換輸出過程中， A/D轉(zhuǎn)換往往是必不可少的，因此在很多場合要使用到 A/D轉(zhuǎn)換芯片。選擇一款合適的 A/D轉(zhuǎn)換芯片顯得由為重要。傳統(tǒng)的并行 A/D轉(zhuǎn)換需占用較多的 I/O 口，串行的 A/D轉(zhuǎn)換周期長，讀寫復(fù)雜，可擴展性較差。 I2C 總線 A/D轉(zhuǎn)換具有接口線少，控制方式簡單，通信速率較高，擴展性方便等優(yōu) 點，得到了廣泛應(yīng)用。 PCF8591是一種具有 I2C總線接口的 8 位 A/D轉(zhuǎn)換芯片，在與 CPU的信息傳輸過程中僅靠時鐘線 SCL 和數(shù)據(jù)線 SDA 就可以實現(xiàn)。 I2C總線是 Philips（飛利浦）公司推出的串行總線，它與傳統(tǒng)的通信方式相比具有讀寫方便、結(jié)構(gòu)簡單、可維護性好、易實現(xiàn)系統(tǒng)擴展、易實現(xiàn)模塊化標準化設(shè)計、可靠。 167。 A\D 轉(zhuǎn)換工作原理 PCF8591 的 A/D 轉(zhuǎn)換為逐次比較型，在 A/D 轉(zhuǎn)換周期中借用 DAC 及高增益比較器。對 PCF8591 進行寫讀操作后便立即啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，并讀出 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。在每個應(yīng)答信號的后沿觸發(fā) A/D 轉(zhuǎn)換周期，采樣模擬電壓并讀出前一次轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。 A/D 轉(zhuǎn)換中，一旦 A/D 采樣周期被觸發(fā)，所選擇通道的采樣電壓便保存在采樣、保持電路中，并轉(zhuǎn)換成 8 位二進制碼（單端輸入） 或二進制補碼（差分輸入） 存放在 ADC 數(shù)據(jù)寄存器中等待器件讀出。如果 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 控制字節(jié)中自動增量選擇位置 1，則一次 A/D 轉(zhuǎn)換完畢后自動選擇下一通道。讀周期中讀出的第一個字節(jié)為前一個周期的轉(zhuǎn)換結(jié)果。上電復(fù)位后讀出的第一字節(jié)為 80H。 PCF8591 的 A/D 轉(zhuǎn)換亦使用的是 I2C 總線的讀方式操作完成的。 其中 data 0～ data n 為 A/D 的轉(zhuǎn)換結(jié)果，分別對應(yīng)于前一個數(shù)據(jù)讀取期間所采樣的模擬電壓。 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，先發(fā)送一個非應(yīng)答信號位 A 再發(fā)送結(jié)束信號位 P。灰底位由主機發(fā)出，白底位是由 PCF8591 產(chǎn)生。上電復(fù)位后控制字節(jié)狀態(tài)為 00H，在 A/D 轉(zhuǎn)換時須設(shè)置控制字，即須在讀操作之前進行控制字節(jié)的寫入操作。 圖 PCF8591 為單一電源供電（ ～ 6 V） 典型值為 5 V， CMOS 工藝。PCF8591 有 4 路 8 位 A/D 輸入，屬逐次比較型，內(nèi)含采樣保持電路； 1 路 8 位D/A 輸出，內(nèi)含有 DAC的數(shù)據(jù)寄存器。 A/D、 D/A 的最大轉(zhuǎn)換速率約為 11 kHz，但是轉(zhuǎn)換的基準電源需由外部提供。 圖 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 167。 電機電路的設(shè)計 167。 步進電機的原理 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備 步進電機控制驅(qū)動器 ，控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機的目的，步進電機的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個方面。 從結(jié)構(gòu)上看，步進電機分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍 3 種。 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的。 步進電機分三種：永磁式（ PM），反應(yīng)式（ VR）和混合式 (HB)，步進電機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了 廣泛應(yīng)用。步進電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進電機為數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器。 （ 1）四相步進電機的工作原理 該設(shè)計采用了 20BY0 型步進電機，該電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機轉(zhuǎn)動。當某一相繞組通電時，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉(zhuǎn)的原因。 （ 2）步 進電機的靜態(tài)指標及術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊 N、 S 磁場的激磁線圈對數(shù)，常用 m 表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用 n 表示，以四相電機為例，有 四 相 四 拍 運 行 方 式 即 AB→BC→CD→DA→AB, 四 相 八 拍 運 行 方 式A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 。 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。 Θ=360度（轉(zhuǎn)子齒角運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為 50 齒角電機為例。四相運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*4） = 度，八拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度。 定位轉(zhuǎn)矩： 電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。 （ 3）四相步進電機的脈沖分配規(guī)律 目前，對步進電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。四相步進電機的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序 與波形分別如圖 1 a、 b、 c 所示。本設(shè)計的電機工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進電機的工作的時序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍 時的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機 出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內(nèi)。 步進電機的電路原理圖如下圖所示： 圖 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 167。 步進電機的設(shè)計 本系統(tǒng)選用四相六線的 24BYJ48型永磁感應(yīng)式步進電機，步進電機主要參數(shù)： 圖 其外形尺寸如下圖所示： 圖 167。2. 6 報警電路的設(shè)計 本設(shè)計當液體原料的實際值與設(shè)定值相等或者大 于 實際值大于實際值的時候，報警電路工作。報警電路分為兩部分，聲報警和光報警。光報警用 LED 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 燈工作，聲報警用蜂鳴器。 當實際值達到或者大于設(shè)定值的時候， LED 燈發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出聲音報警。 167。 LED 燈的工作原理 圖 29A 點就相當于單片機的 I/O 口， A 點相當于單刀雙擲開關(guān)，可以接到 +5V，也可以接到電源地。接到 +5V 或者懸空，整個電路中沒有電流流過， LED 的狀態(tài)是熄滅。如果 A 接到電源地， 2 端壓差 5V，假設(shè) LED 正常工作壓降 ，正常工作電流 10mA。在數(shù)字電路中，接 +5V 為電平 “1”，接地為 “0”。所以在單片機中，按照上圖連接 LED 到 口，我們只需要控制 口的電平是 “0”或 “1”就可以控制 LED 的亮滅。 O3 \, f 圖 燈的電路原理圖 167。 蜂鳴器的工作原理 蜂鳴器發(fā)生原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動它，單片機的引腳輸出的電流較小，因此需要增加一個電流放大的電路。如圖所示，蜂鳴器的正極接到電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射機 E,三極管的基極 B 經(jīng)過限流電阻 R 后由單 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 片機的某個引腳控制，當引腳輸入高電平時候，三極管 T1 截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當引腳輸出低電平時候，三極管導(dǎo)通 ，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們通過程序控制引腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。 圖 167。2. 7 本章小結(jié) 本章根據(jù)系統(tǒng)功能需求對配料控制系統(tǒng)的各個硬件模塊進行了介紹。使讀者對本設(shè)計的各個功能模塊有一個清晰的認識。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 第 3 章 PROTEL 軟件的介紹 167。 protel 簡介 早期的 PROTEL 主要作為印制板自動布線 工具使用 ，運行在 DOS 環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬盤 286 機的 1M 內(nèi)存下就能運行，但它的功能也較少，只有電路原理圖繪制與印制板設(shè)計功能，其印制板自動布線的布通率也低，而現(xiàn)今的 PROTEL 已發(fā)展到 DXP 2020，是個龐大的 EDA 軟件 ，完全安裝有 200 多 M，它工作在 WINDOWS95 環(huán)境下，是個完整的板級全方位電子設(shè)計系統(tǒng)，它包含了電路原理圖繪制、 模擬電路與數(shù)字電路 混合信號仿真、多層 印制電路板 設(shè)計（包含印制電路板自動布線）、 可編程邏輯器件 設(shè)計、圖表生成、 電子表格 生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server（客戶 /服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的 文件格式 ，如 ORCAD，PSPICE， EXCEL 等，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度 PCB 的100%布通率。在國內(nèi) PROTEL 軟件較易買到，有關(guān) PROTEL 軟件和使用說明的書也有很多，這為它的普及提供了基礎(chǔ)。 2020年年底， Protel 軟件的原廠商 Altium 公司推出了 Protel 系列的最新高端版本 Altium Designer 。 Altium Designer ，它是完全一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng) 的一個新版本，也是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級設(shè)計解決方案。 Altium Designer 是業(yè)界首例將設(shè)計流程、集成化 PCB 設(shè)計、可編程器件（如 FPGA）設(shè)計和基于處理器設(shè)計的 嵌入式軟件開發(fā) 功能整合在一起的產(chǎn)品，一種同時進行 PCB 和 FPGA 設(shè)計以及嵌入式設(shè)計的解決方案，具有將設(shè)計方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。 這款最新高端版本 Altium Designer 6除了全面繼承包括 99SE， Protel2020在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點以外，還增加了許多改進和很多高端功 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 能。 Altium Designer ，全面集成了 FPGA 設(shè)計功能和 SOPC 設(shè)計實現(xiàn)功能，從而允許工程師能將系統(tǒng)設(shè)計中的 FPGA 與 PCB設(shè)計以及嵌入式設(shè)計集成在一起。 在本次設(shè)計中我們使 用 protel 99SE。 167。 protel 99SE 繪制電氣原理圖 167。 概述 進入 Design Protel 99se 后在 Documents 中通過右鍵 “New” 建立 “Schematic Document”文件，打開后即可進行電路原理圖的編輯。先按照已畫好的電路草圖將所有元件找到拖放到編輯框里。將編輯框縮小，將元件照電路的樣子搭好，整體上排列勻稱。接下來就可以進行局部的連線了。 或者可以先將電路的各個模塊搭好，再通過框定各模塊平移組合成完整的電路，取消框定要通過 Edit－》 DeSelect－》 Inside Area－》再用鼠標框定以前選中的