自动剥线机控制面板设计

自动裁线剥皮扭线机以可编程控制器PLC为控制系统，其控制面板主要由矩阵键盘、ATmega32单片机、SSC2AC40液晶屏等组成。控制面板实现对设备相关规格数据设定，使设备按照人工干预信息完成工作任务，显示模块显示相关信息，实现人机交互。单片机以其低成本、使用灵活、高性能的特点广泛应用于工业设备，而液晶显示屏更以其显示直观、便于操作的特点被应用于显示前端。

1 控制面板硬件电路设计
    图1为控制面板硬件电路图。单片机ATmega32识别每个键动作，将矩阵按键的每个键动作编成码(0x01~0x90)，并将编码信息输给PLC。由于编码信息为0 V，5 V，而PLC能识别的电平信号为0 V，24 V，所以用OC门7407芯片将编码信息(0 V，5 V)转换为PLC能识别的信号(0 V，24 V)，PLC读取编码信息，执行剥皮、扭线、裁线等相关动作，并将自动裁线剥皮扭线机工作状态信息(0000～1111，每个编码对应一种工作状态信息)上传到ATmega32。根据PLC输出口内部电路结构的特点如图2所示，PLC输出口是集电极开路电路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出，否则ATmega32无法检测到PLC输出口信息(高、低电平)的变化情况。SSC2AC40液晶在ATmega32控制下显示编码控制电路上的人工干预信息、错误提示信息、自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等，完成人机交互工作。
1．1 ATmega32单片机
    ATmega32是基于增强型AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，以Atmel公司的高密度非易失性存储器技术生成，支持片内调试与编程，内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接，1条指令可以在1个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器，因此大大提高了指令操作码效率，其数据吞吐率大约是普通CISC微控制器的10倍。8位RISC CPU与系统内可编程的FLASH集成在1个芯片内，使得ATmega32成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案.

    作为通用数字I／O使用时，所有AVR I／o端口都具有真正的读一修改一写功能。每个端口都有3个I／0存储器地址(数据寄存器PORTx、数据方向寄存器DDRx和端口输入引脚PINx)。PA口定义为输出，DDRA=0xff，将指令信息、错误提示信息、自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等输送到SSC2AC40液晶显示屏数据口DB0～DB7，PB口定义为输入，DDRB=0x00，读取矩阵键盘动态信息。PC口高3位设为输出，分别接SSC2AC40液晶显示屏的RS，R／W，E，输出正确的时序，使液晶屏有效显示相关信息。
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    PD口的PDO～PD2设为输入，DDRD=DDRD&0x07，接收PLC上传的自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等。PD El的PD3~PI)6设为输出，DDRD=DDRD&0x78，将矩阵键盘编码信息发送给PLC。
    掉电后有关数据信息保存在ATmega 32内部的1024 B E2PROM，下次再工作时，无需再另行输入，直接调出原来的数据即可，大大节省调机时间。ATmega 32内部的1 024 B E2PROM数据存储器是一个独立的数据空间，可以按字节读写，访问由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定，至少能擦除100 000次。
    avr-libc对E2PROM存储器读写API定义在eeprom．h中，包含形式如下：

    这样就可以实现掉电后设定好的相关参数得以保存，开机后显示关机前设定的参数。
1．2 SSC2AC40液晶显示器
    SSC2AC40是40×2字符点阵式液晶显示器，逻辑工作电压4．5～5．5 V，驱动电压3．O～5．0 V，工作电流(背光除外)2．5 mA，常温下工作温度O～50℃／宽温下工作温度一20～+70℃，典型的16脚接El、带有LED边光／底光，温度范围较广，属宽温型，具有工作电压低，微功耗，显示信息量大和接El方便应用等优点。现在已被广泛应用于工业控制面板显示和数字式仪表等领域，成为测试结果显示和人机交互的重要工具。
    SSC2AC40数据El DB0～DB7接ATmega32的PA口，并行接收ATmega32发送的相关数据信息，RS，R／W，E分别接ATmega32的PC5～PC7，得到正确的时序，实时显示有效信息，实现人机交互。

2 软件设计
    图3为控制面板程序流程图。开机后显示上一次关机前的信息，ATmega32读取矩阵键盘，判断键动作信息，执行相关参数设定；设定无误，按开始键，剥线机执行进行剥皮、扭线、裁线等工作；工作过程中PLC将信息上传给ATmega32，通过SSC2AC40显示。

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    编程语言以C为主，利用系统体积小，简单易学，语法着色，多文档，错误跟踪好，界面友好的GCC的AVR c／c++编译器和广州天河双龙电子有限公司的下载器SLISP作为开发工具，进行代码生成、软件测试和维护，开发一个操作方便、简单易用、稳定可靠且易于修改扩充的软件系统。经反复调试优化，程序在样机的使用中运行良好，显示稳定可靠，满足系统要求。程序稍作修改便可移植到其他类型的单片机，有利于产品硬件更换，缩短产品开发周期。

3 调 试
    (1)ATmega32 JTAG接口的TMS，TCK，TDO。TDl分别对应PC口的PC3～PC5；而在该设计中没有用到JTAG接口，所以配置熔丝时要禁止使用JTAG接口功能，以免JTAG接口的TMS，TCK，TD0，TDI与PC3～PC5冲突。
    (2)由于使用机械开关按键，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。为保证对键动作的准确识别，采用软件延时缓冲按键动作时的抖动，待信号稳定后再进行键扫描，延迟时间大于10～20 ms即可。
    (3)液晶显示屏置于控制面板上，工作环境的电磁干扰对显示屏的工作有一定的影响，故该系统采取的主要抗干扰措施如下：设计LCD模块的接口时，在VSS和VDD之间接入0．1μF的去耦电容，并接入10 μF或20μF的电源滤波电容，提高电源输入的稳定性。LCD模块的工作电流仅为几毫安，但其背光部分所需要的电流远大于其工作电流，因此需将工作电源和背光电源分别布线。为避免其他可能的干扰源对液晶显示过程的影响，采用软件定时复位液晶屏，屏蔽异常显示。
    (4)在编码信息与PLC之间的电平转换电路中，PLC的电源与7407输出端的上拉电源一定要共负极。否则由于参考电压不同，PLC输入端获取的电平不正常，无法有效识别编码信息。

4 结 语
    该文研制的控制面板电路简洁实用，编程灵活，成本低，抗干扰能力强，性能可靠，在反复测试中矩阵键盘工作正常；液晶屏有效屏蔽干扰源，显示稳定可靠，完成人机交互工作，适合用户需求，具有广泛的应用前景，对其他工业设备操作面板的研制有一定的参考价值。