课程设计论文全自动捆钞机设计说明书

西华大学毕业设计说明书 目 录摘 要前 言II1 绪论11.1 本设计的任务与内容11.2 全自动捆钞机的概述12 捆钞机的机械原理方案设计32.1 机械总体方案设计32.2 压币机构方案设计62.3 送、收带机构方案设计72.3.1 纵向送、收带机构方案设计72.3.2 横带送、收带机构方案设计92.4 凸轮机构方案设计102.4.1 纵向凸轮机构方案设计102.4.2 横向凸轮机构方案设计112.4.3 对应凸轮结构设计112.5 控制面板设计153 捆钞机的控制电路原理方案设计173.1 总体原理方案173.2 信号分析213.3 开关信号处理电路223.4 温度传感信号处理电路233.5 LED显示电路273.6 热合片温度控制电路303.7 测速电路313.8 电机控制电路363.9 键盘设计电路383.10 电源设计384 软件设计404.1 控制流程设计40结论41总结与体会42致谢词43参考文献4444摘 要本设计是在结合现有的捆钞机的基础上，进行设计基于单片机控制的简单可行全自动控制系统。捆钞机经自己分析和查阅相关资料及指导老师的意见采取三带3点式捆扎纸币。在本设计中对捆钞机的机械原理部分设计分为三部分考虑:捆钞机压币机构的设计，纵向和横向送带收带机构的设计，纵向横向凸轮机构的设计。进而进行控制面板的设计。在控制电路设计方面主要为信号采集处理，电机控制显示及键盘控制等。并在设计中介绍了此次设计时所使用的各类芯片，对相应芯片的引脚和功能也做了说明。在完成主要功能设计后进行了软件方面的分析，分析了控制流程。最后对本设计的可行性进行了优缺点分析。【关键词】捆钞机、自动控制、单片机AbstractThis design is combined with the existing Money packer , make a simple and feasible design based on single chip microcomputercontrol automatic control system. Money packer with my own analysis and access to relevant information and advice the instructor to take the three tied with 3-point to pack the money. In the design part of the Money packer Design Machine Theory is divided into three parts to consider: Money packer currency mechanism design pressure, vertical and horizontal delivery with collection agencies with the design of horizontal and vertical cam design. In the control circuit design primarily for signal acquisition and processing, motor control, display and keyboard control. And introduced in the design used in the design of various types of chips, chip pin and the corresponding functionality illustrated. After completing the design of the main functions carried out the analysis about software. Analysis of control flow and control panel design. Finally, analysis advantages and disadvantages of the feasibility of the design.【Key words】Money packer；Automatic Control；Single chip microcomputer前 言伴随着我国经济的快速发展，自加入世界贸易组织以来，金融行业的发展也渐渐达到了高峰。当前国内的货币交易主体依旧是纸币，因而就需要对纸币进行清点、储存和运输。首先金融机构就需要对纸币进行捆扎处理，从而相应的纸币捆扎设备应运而生。本设计就是设计一款基于单片机控制的全自动的捆钞机，设计出系统的总体原理方案。进而完善机械原理部分，控制面板和控制电路部分的设计。设计中参照了现今一些捆钞机产品的优点和金融行业对捆钞机的要求，机械设计中分析几种方案的优缺点进行选择，在控制电路设计时对于芯片和方案的选择也做了分析比较，并对输入信号和输出信号做系统分析从而最终完成其控制电路的设计。在最后整理出控制流程的相关设计。1 绪论1.1 本设计的任务与内容1.完成全自动捆钞机控制系统的总体原理方案的设计；2.在总体原理方案设计的基础上完成驱动元件的选择，并保证方案的可行性；3.完成机械系统所需的控制信号和反馈信号的分析；4.完成相关的驱动电路设计；5.完成基于单片机的主控电路的电路原理图设计；6.完成控制流程及控制界面的设计。1.2 全自动捆钞机的概述捆钞机是一款为了解决金融系统纸币捆扎而研制的捆钞设备。在今后一段时间内，我国货币流通领域的主体仍是现钞。为了便于清点、运输和保存，金融部门需要将现钞打把(每百张纸币为一把)、打捆(每十把为一捆)。捆钞机的大致工作过程为压币-送带-压带头-收带-热合-剪断-松币-取币过程。国内的捆钞机主要分为3类。第一类是机械式的，即通过杠杆、螺旋或液压机械按压后由手工捆扎，其工作人员劳动强度较大，且操作不规范。第二类是半自动的，即用电脑控制实现其中连续的1个或2个动作，然后在工作人员配合下完成捆钞。第三类是全自动的，由工作人员把捆扎的现金放在工作台上，按下自动捆扎键后，自动捆钞机将完成全部动作。采用全自动方式可以真正地把操作人员从重复劳动中解放出来，同时大大提高效率。目前金融部门用的捆钞机大部分是三点式半自动捆钞机。国内金融部门急需一种新型自动化程度高的国产捆扎设备, 以满足其纸币打捆的需要。为实现全自动捆钞机的时序控制，目前国内全自动大把捆钞机电控系统大多用PLC控制，由于PLC成本高，保密性差，若控制点数多，则价格高，并且对捆钞机某些控制单元的特殊要求，PLC难以实现，因此用单片机控制方式，自行开发软硬件，使成本降低，且保密性好、性能稳定、控制点数多、便于修改。全自动捆钞机和半自动捆钞机，区别在于全自动捆钞机是纸币一次置入定位，按动工作键后，不需要转向和反复施压，即可完成捆扎，而且速度较快，一般每捆低于20秒，部分厂家的机型可以达到13-14秒完成捆扎。而半自动捆钞机是纸币置入定位，按动工作键后，需要两次手动转向，才可完成捆扎，而且速度较慢，一般每捆需要35秒，部分可以达到28秒以下。 目前国内专业的捆钞机品牌，主要有：“聚龙牌”“飞越牌”“汇金牌”“凯丰牌” “集能牌”“腾飞牌”等。 最新型捆钞机采用微电脑控制、使用了最先进的非接触烫合方式，一次压紧，完成三道捆扎,成型更平整,避免了多次压钞，真正保护钱币不受损伤。该机具有智能人机对话功能，工作状态清晰显示，故障屏幕自动提示。封闭捆扎，操作简单，安全可靠。由于工作时三道同时捆扎、无需转位，所以速度更快。独有外置带盒装置，更换捆扎带更为简单，从而减轻了操作人员工作强度，提高了工作效率，是一款理想的金融办公自动化设备。2 捆钞机的机械原理方案设计2.1 机械总体方案设计首先捆钞机的工作为对各类版本及面额的纸币进行捆扎，也达到便于储存、运输和管理的设备。捆钞机主要包括部分如2-1图所示。 图2-1 捆钞机主要组成部分1.捆钞机压紧机构：捆钞机的压紧机构是捆钞机机械设备中比较重要的一个机构，该机构主要完成对送入的大捆纸币进行压币以方便后续的捆扎工作。2.捆钞机工作区：该部分为捆钞机工作时的纸币存放地，纸币放在密闭的设备中，被设备进行压紧，送带收带捆扎等一系列工作。3.捆钞机送收带、凸轮机构： 这两个机构是该设备最主要的机构，捆钞机的主要动作都要靠这两个机构来实现。送、收带机构为一个机构完成，分纵向和横向送收带机构：凸轮机构主要完成捆扎带收紧后对捆扎带的热合剪断处理，当然收带前对捆扎带的带头压紧工作也由凸轮机构来完成。 对捆钞机的组成部分了解了后总体大致分析出其机构布局的简单框图，进而便于也后的各部分机械原理的设计。机构布局框图如图2-2所示。 图2-2 机构布局简图压紧机构设定为采取上压式布局，方便对纸币的压币和松币。送、收带机构由于分纵向和横向，机构布局为纸币侧向设置。对于凸轮机构的布局，分析到压紧机构也为上压式，避免机构的复杂位置设计和考虑到整体设备的尺寸大小尽量小型化，故而安排到整体机构下方，采取顶杆上升动作式。依据初步的机构划分和布局设定开始拟定捆钞机的总体方案，经设计分析出两种机械原理方案。方案一如图2-3所示，方案二如图2-4所示 图2-3 机械方案一 图2-4 机械方案二 对分析出的两种方案进行比较，两种方案中主要区别在于压紧机构和凸轮机构的设计上。指导老师给予分析意见，方案一中压紧机构的布局有利于设备整体体积的减小，但是对于反向同轴丝杆转动时可能发生使两移动快的水平移动不一致，从而导致连杆的上升不一致，致使压板不能良好的压币，并且在检测压币压紧采用特殊材料的压缩通过限位信号来检测，此方案中材料不易选取并且材料受温度影响后压缩量会变化而影响压紧，致使纸币的捆扎效果变差或失败。检测凸轮机构方案一中采用带轮作为一级传动，在凸轮动作中如果出现打滑现象会造成纸币捆扎时出现一些故障，导致捆币失败。在方案二中由于其压紧传动机构的设计增加了整体结构的体积，在压紧检测时可能通过限位开关，延时压紧、测被动轮测速方案，方案有待确定。凸轮传动机构采用齿轮作为一级传动，避免了方案一中带轮打滑的现象，但是由于齿轮的齿隙的存在可能会产生定位误差导致凸轮动作不到位而影响捆钞。所以方案二中可能需要较好的定位方案从而减小这样误差。 最终分析比较确定方案二作为捆钞机整体的初步设计方案，在后续各部分的机械部分详细设计中解决方案二中所出现的一系列问题。2.2 压币机构方案设计首先明白压币机构的目的为对纸币压紧。在压币过程中可能出现的问题，及如何解决这些问题。由于纸币分不同版本，不同面额，而且还有新旧只分，因而不可能出现压板下压到同一位置时达到纸币压紧。进而排除了运用限位开关来检测纸币压紧与否的方案。进一步分析到当纸币压紧后由于都会出现下压板不在下移，丝杆也会不在转动，即带轮的从动轮出现打滑。此时从动轮的转速理想情况下应为零，但由于实际的各种原因只能在一很小速度附近震动。分析后可采用编码盘测带轮从动轮转速来检测纸币的压紧与否。在压币过程中会出现人为的误操作如在无纸币放入时启动了捆钞机时，压板下压由于无纸币的原因，不能使带轮被动轮转速变小，只有在压到工作区纸币底板时才会检测到信号，这样会可能会造成整体设备损坏。并且在纸币捆扎完毕后压板上升高度也需要限位，就需要在丝杆道中加入上限位和下限位开关来解决这一问题。详细分析压紧机构的设计及各种问题解决办法后，得出其比较系统的机械和各种检测设计。其方案如图2-5所示。 图2-5 下压机构上图2-5中丝杆导轨中加入2个限位开关，用以对压板的上下位置进行限位控制。用关电编码盘对带轮从动轮进行测速给出压紧信号。对于带轮的预紧力可也通过张紧轮进行调整。2.3 送、收带机构方案设计2.3.1纵向送、收带机构方案设计由于本设计的捆钞机采取三带三点式捆扎，所以在纵向上只捆扎一次，送出的捆扎带也只有一道。因而机构相对也简单些，其纸币采用三点式捆扎后的效果如图2-6所示。图2-6 三点式捆扎效果分析送带机构的任务和目的为当纸币压紧后由该机构将捆扎带送入带道中，将捆扎带送到位后，等凸轮压带压紧信号反馈后在进行收带动作，将纸币捆紧。在送收带中可能出现的问题有：堵带、送带不到位，带头未压紧而收带，捆扎带完等系列问题。对于堵带现象可通过带道的设计来减小这一现象出现的几率；带到位和捆扎带收紧检测科由测压紧轮转速来监测，在测速这一方案中和指导老师进行了分析和讨论；捆扎带带完检测可由关电开关来检测，但对于其安装位置的的选择要进行分析。经过考虑和研究确定纵向送、收带机构如图2-7所示。 图2-7 纵向送、收带机构上图中带轮为捆扎带存放带轮，捆扎带经压紧轮和带轮从动轮间进入带道。调整压紧轮和带轮从动轮使之能带动捆扎带送收。捆扎带的送入和收回长度和压紧轮的正反转的周长应该是一致的，当堵带或捆扎带送到位时，捆扎带不能再前进，压紧轮由于相对移动而也近似停转，捆扎带收紧后的情况也和这一样，因而可测压紧轮的转速来检测，但绝对不能测从动轮或电机的转速。带完检测开关位置安排在带轮和压紧轮之间，因为如果安排在压紧轮之后即使检测到带完信号，但是捆扎带的断代取出比较麻烦，在带轮之前检测到带完信号，由于带尾还在外面很容易取出并更换新的捆扎带。2.3.2 横带送、收带机构方案设计由于为三带三点式捆扎，横向方向就要送两条捆扎带，但是原理和纵带原理是一致的。都是完成对捆扎带的送带和收带动作并且所需注意的问题也和纵向一致。由于是两条捆扎带，要求应具有同步性。电机采取两个电机分别驱动还是一个电机通过机械传递来实现，测带完是两条捆扎带上都进行检测还是只检测一条捆扎带，测压紧轮转速是两个压紧轮都检测还是只测一个，这些都要进行分析考虑。通过对以上问题的研究和指导老师讨论后，得出了比较可行的横向送、收带机构的方案，如图2-8所示。 图2-8 横向送、收带机构采取上图所示的机构方案后，可也看横向的捆扎带1和捆扎带2达到了同步，并且其驱动电机也简化为一个电机驱动。由于捆扎带在送出和收回达到一致故对于压紧轮的测速可也只测一条带上的压紧轮来完成横向的测试目的。在对于测带完的问题上，按理也能通过只检测一条带上的带完来达到整个横向的带完检测目的，但不排除人为更换带轮及产品带长尺寸的不一致造成带1和带2带完不一致。故还是采取两带各自进行带完检测，其带完检测和纵向带完检测原理一样。2.4 凸轮机构方案设计 凸轮机构为捆钞机的重要机构，完成动作最多，要求也多因而传动机构会比较复杂，考虑的问题也相对会多点。凸轮机构同样分为纵向和横向机构的设计。由于纵向和横向所完成的动作是一致的，所以凸轮的结构是一样的，只是纵向为一条带的系列动作，横向为两条带的一系列同步动作，故而在传动机构上会有所区别。分析凸轮所完成的动作有压带头，热合片的伸入和收回，热合，剪断四个过程。因而凸轮轴上应有4个凸轮。2.4.1 纵向凸轮机构方案设计纵向的凸轮机构主要用于完成纸币纵向的捆扎带的相关处理，如在捆扎带送到位后对捆扎带带头压紧，捆扎带收紧后完成捆扎带热合，压紧，剪断等一系列的动作。对于凸轮的具体结构后面会给出方案，现在设计其机械传动机构的方案。纵向凸轮机械机构如图2-9所示。 图2-9 纵向凸轮机构对于分解动作完成主要的凸轮安排在图中凸轮轴上，一级传动采取齿轮传动，放弃带传动的设计方案，带传动可能出现带轮打滑现象从而致使凸轮定位不准确造成凸轮动作不到位，影响捆扎质量。用齿轮传动前面也分析到由于齿轮间隙的问题出现定位误差，但是可也通过在齿轮从动轮上安装关电编码盘来对凸轮轴进行定位检测，来减小或避免定位误差。2.4.2 横向凸轮机构方案设计由于横向凸轮和纵向凸轮完成的动作一样，只是纵向为一条捆扎带，只有一个对应的凸轮机构；而横向上有两个条捆扎带，故需要与之对应的两个凸轮机构来完成每一条捆扎带的一系列相关动作。在各自捆扎带上的动作要求一致，所以需要凸轮的转位也要达到一致才能保证这一要求，就需要机械传动机构的设计，驱动电机也最好使用一个电机来驱动2个凸轮轴的转动。最后得出横向的凸轮传动机构如图2-10所示。 图2-10 横向凸轮机构在横向凸轮机构中同样要解决纵向凸轮机构的相关问题，由于两个凸轮采用上图所示的传动方案，故在凸轮动作的一致性上能保持一致。在凸轮定位检测上无需分别对两个凸轮进行检测，只需对其中一个凸轮轴上的同轴齿轮采用编码盘进行转位检测即可。2.4.3 对应凸轮结构设计在前面已经分析到凸轮轴上主都有4个动作的完成，因而对应一般需要4个凸轮的相关设计。第一步为压带凸轮到位对到位的捆扎带压紧，便于收带的进行将捆扎带收紧；第二步为当捆扎带收紧后送加热片凸轮到位，将加热片伸入两带间对捆扎带进行加热；第三步为当加热完毕够加热片收回后热合压紧凸轮到位对捆扎带进行热合；第四步热合完毕，剪带凸轮到位，剪断捆扎带。纸币捆扎完毕。对于具体的各凸轮布局经分析得出两种方案。方案一如图2-11所示。 图2-11 凸轮布局方案一方案二如图2-12所示 图2-12 凸轮布局方案二在给出的两种方案中都有各自的优缺点。方案一中只有三个凸轮就能完成捆扎带的压带头，送热合片、热合压带、剪断四个主要动作，简化了凸轮的结构。将剪断和热合压带用一个凸轮来实现，该凸轮的设计和结构要复杂一点，同时对于刀口的位置也要确定好。不然会出现还没热合好就将捆扎带剪断的现象，那么捆扎带会因为纸币的张力而使捆扎带松散开，导致故障。方案二中按照分工就设置出4个凸轮的布局，虽然在凸轮机构上复杂了一点点，但是凸轮独立完成各自的动作，单轮处理对应动作的性能得到加强，热合和剪断分开，先热合后进而剪断捆扎带，减少了方案一中可能出现问题的几率。最后选定方案二，捆扎带由送带机构经过带头压带顶块的带道，在经过剪断顶块的带道，到热合片和热合压头之间，在由引导块带道进入绕币道。带头到位后凸轮转动首先压带头凸轮到位使压带头快上移压紧带头，收带收紧后热合片凸轮到位热合片到位加热捆扎带，延时后热合片收回热合压带凸轮到位，带动压块上移热合捆扎带。延时后剪断凸轮到位，剪断块上移剪断捆扎带捆带完毕。对于凸轮设计采用常用的滚子推杆，因为推杆和凸轮接触为滚动摩擦，不易磨损，传递较大的动力。带头压紧凸轮设计如图2-13所示图2-13为压紧凸轮机构的设计方案。凸轮转动使滚子推杆在竖直方向上升和下降，推杆和压块刚性连接从而使压块发生一致的动作。捆扎带送带到位后，带头位于压带块的上方，凸轮转动到最大离心距时即压块上升到最高点致使压紧带头。当然至于其具体准确的尺寸应考虑实际的机构布局。压块中开有捆扎带通道，捆扎带入带可穿过压块。在推杆下方附加弹簧后可使推杆和凸轮随时紧密接触保证定位准确也确保压币动作的完成。 图2-13 压紧凸轮机构 剪断凸轮机构如图2-14所示 左边图示为剪断凸轮机构的设计方案。此机构的任务是当捆扎带经热合压紧后对捆扎带进行剪断，便于将捆扎完毕的纸币取出，从而进行下一个工作的循环。其设计的主体部分和前面的带头压紧凸轮差不多，只是在捆扎带通道上有差别。由于要考虑到捆扎带通过且又要对捆扎带进行剪断，故在通道口上加了楔形开口放置切断刀片。当剪断凸轮到位，剪断块整体上移由于相对运动而将捆扎带切断。图2-14 剪断凸轮机构由于热合片的伸入和收回和其他凸轮的运动方向并非在同一个平面上，因而其凸轮机构方案要加入变向的相应机构来处理这一问题。经分析后得到热合片凸轮机构如图2-15所示热合片凸轮机构主要任务为当捆扎带完成收带收紧步骤后，通过凸轮的转动带动水平滑块在另一个平面上移动，从而使热合片伸入到热合的捆扎带间，完成对捆扎带的加热工作。当延时时间 图 2-15 热合片凸轮机构 到即加热程度也足够时凸轮机构再次转动将热合片从捆扎带间收回以便于后面的热合压紧动作的完成，避免将热合片也压在捆扎带之间，造成对纸币的过加热而引起的损坏。热合压紧机构比较简单，其凸轮机构如图2-16所示热合压紧凸轮主要任务在热合片完成对捆扎带的热化达到粘合的温度后，在热合片收回后马上凸轮转到位是热合压头压紧捆扎带使捆扎带的粘合面紧密的接触在一起而热合。此凸轮机构处不能设置捆扎带的带道。因为此机构的布局在剪断凸轮机构的后面，如果设置带道，当纸币完成收带收紧工序，热合片进入后 由于热合片和下面捆扎带间有阻隔无法对下面的捆扎带加热，而使热合无法达到理想效果，或无法完成对捆扎带的热合处理。图2-16 热合压紧凸轮机构2.5 控制面板设计完成了捆钞机的凸轮机构及各自细分部分的设计后，捆钞机的机械设计也基本完毕。并且在捆扎过程中也处理了必要的信号检测问题。对于捆钞机工作时需分自动和手动模式，在自动模式下要求能在按下自动按键后捆钞机能够自动完成捆扎纸币的全过程动作，而且在动作过程中能进行状态显示，故障检测显示，热合片温度监控显示；手动模式下能确定各机构能否正常的运行，并且直观的表示出来，以便于人为监视和操作，因而需要设计较为实用的控制面板。分析后主控按键有电源开关，停止按键，自动、手动四个按键，并且同时要指示灯加以指示。在自动控制时需显示的状态应对应捆钞机的工作流程，这样能直观的观察捆钞机的工作情况。细分下来显示为压币-送纵带-压纵带带头-收纵带-纵带热合剪断-送横带-压横带带头-收横带-横带热合剪断-松币-请取币。对于手动状态下，主要要控制动作为压币，松币、送纵带、收纵带、送横带、收横带、纵向热合剪断、横向热合剪断八个按键和对应的指示灯。还有加热片的温度显示。在捆钞过程中难免出现故障，故障为无纸币，送带故障、带完，因而故障也要指示出来。分析设计出控制面板如图2-17所示。 图2-17 控制面板 上图所示的控制面板分四个区，主控区四个按键和对应的指示。电源按键控制捆钞机的整体通断电，自动为正常工作下，按下后捆钞机自动完成纸币的捆扎工作。手动按键用来观察捆钞机各机构是否能正常工作，一般作为调试使用。自动区主要为当捆钞机处于自动工作模式下的实时状态指示，指示出当前捆钞机正在进行的步骤，设计中也按照捆钞机工作的步骤安排了指示，使观察一目了然。手动控制区是在手动模式下按下对应的按键检测对应的机构的运行情况。温度显示区实时的显示热合片的温度，用来监测。故障区是当捆钞机出现故障时会对相应的故障明确的指示出来，便于排除故障。3捆钞机的控制电路原理方案设计3.1 总体原理方案在完成了捆钞机的机械机构的设计后结合控制面板可简单的预计出基于单片机控制的一些控制信号和需要处理的输入信号。捆钞机主要的信号有对压紧机构电机，纵带送带电机，横带送带电机，纵向凸轮电机和横向凸轮电机5个电机的控制；对压紧机构的限位信号温度传感信号，纵向横向带完检测信号，凸轮到位信号处理；对压紧机构的带轮被动轮和送带机构压紧轮的转速检测；按键、LED温度显示，指示灯等信号的输入输出。对于也上的控制分析分为几大块。开关信号块，温度检测模拟信号块，编码盘测速块，温度显示块，键盘控制，电机控制，指示灯等几个部分。综合分析出总体电路控制简单框图如图3-1所示 图3-1 控制总体框图 控制芯片使用常用的AT89C51芯片。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读寄存器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-2所示。图3-2 AT89C51引脚排列主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3-1所示： 表3-1 P3口管脚备选功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4T0记时器0外部输入P3.5T1记时器1外部输入P3.6外部数据存储器写选通P3.7外部数据存储器读选通 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 ：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 信号分析 要对捆钞机进行自动控制，在设计电路时就需要对其CPU所输入输出的信号进行分析，并明白各自信号的性质和作用。 1.输入： 对于检测的开关信号有纸币到位检测开关信号，压紧机构处控制压板的上限位信号和下限位信号，纵带带完检测信号，横向2调捆扎带的带完检测信号，纵向凸轮到位压紧带头信号及横向的凸轮到位压紧带头信号。加热片的温度如果过高会损坏捆扎带过低无法将捆扎带热合，因而需要对热合片的温度进行检测并加以控制。温度传感器信号属于模拟信号需要对信号进行处理。由于捆扎过程中的要求需要对三处的轮系进行正向和反向测速。压紧机构的带轮被动轮测速以检测纸币压紧与否；纵向送带机构处的压紧轮测速以检测捆扎带是否送带到位和收紧捆扎带；横向送带机构处的压紧轮的测试以检测横向送带到位和带的收紧。分析控制面板得知，有12个按键信号需要CPU的处理，由于有12个按键如果采用独立式键盘则会占用过多的I/O口，故应采取阵列式键盘的方式或其他方法来节省CPU的I/O口。2.输出：CPU所需要输出的控制信号经分析包含电机控制，加热片加热控制，LED显示控制，指示灯控制。捆钞机中的驱动电机有五个电机都需要进行控制，每个电机用两个信号来控制其正反转的话，就需要10个控制信号。加热片的温度高过上限温度时就需要通过CPU控制其断电停止加热，反之当温度低于下限值时则需要对其通电加热。指示灯的亮灭也需要控制，显然控制口有很多，就需要对CPU的口进行扩展才能达到目的。3.3 开关信号处理电路对于开关信号在信号输入时够需要进行信号处理，包括去杂，放大、隔离等。首先纸币到位信号，压紧机构的上限位和下限位信号为限位开关；三条捆扎带带完检测信号和横向凸轮到位信号为光电开关信号。对这八路开关信号处理用同样的电路，如图3-3所示。图3-3 开关信号处理由于开关的机械式设计，触点闭合或断开时伴有机械抖动，会使输出信号波形出现振荡。若将该信号输入到微控制器的计数器中，会造成错误的计数而导致系统控制混乱。开关量的输入干扰是系统设计中客观存在的问题。因此在获得开关信号后，我们必须对开关信号进行处理，使其成为单片机可以识别的数字信号后才能做出相应的反应。在开关信号输入CPU之前，首先用电容对其进行滤波，抑制信号中的高频分量。TPL光耦隔离实现了光电开关、限位开关信号和控制器之间的电平转换，并实现了两个不同回路间的隔离，保证了控制器电路不受来自开关信号电路的干扰。由于在本设计中存在八路开关信号的处理，所以需要对输入接口进行扩展。在本设计中此处用74LS245芯片进行输入接口扩展。接入74LS245后的电路图如图3-4所示。图3-4 接入74LS245后的电路 图3-4中74LS245的Q端为八路处理后开关信号的输入，D端同CPU的P0口相接作为数据通信。74LS245作为常用的I/O扩展芯片，可用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。当片选端低电平有效时，DIR=“0”，接收信号； DIR=“1”，发送信号。当为高电平时，A、Q均为高阻态。3.4 温度传感信号处理电路在捆钞机的机构中为了保证热合时的效果就涉及到加热片的温度控制，首先要使用温度传感器对捆钞机中的三个加热片的温度进行检测。温度传感器类型很多，目前出现的石英体温度传感器如AD590具有很高的稳定性、准确度和良好的线性，抗干扰能力强。单总线数字型的温度传感器DS18B20直接产生温度数字信号，不需要AD转换，准确度、稳定性都相当高，但这些传感器的适用范围不广，不利于以后其他功能的扩展。所以本次采用TREND公司的铂热电阻温度传感器TPIHT，传感器的工作电压为24 V，输出电流为420 mA。该信号为模拟信号在输入CPU钱要进过必须的信号处理。在三个加热片的主电路中科设计为三个片同时断电和得电，并且使用同一型号的加热片，则只需要对一个加热片进行检测和一个控制信号来对加热片通断电控制。加热片的信号处理如图3-5所示。图 3-5 温度传感器信号处理电路温度信息由温度传感器测量并转换成毫伏级的电压信号，再经过LM324运算放大电路将弱电压信号放大到单片机可以处理的范围内，输入到 A/D转换器ADC0809转换成数字信号输入单片机AT89C51进行处理。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809的内部逻辑结构如图3-6所示。由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图 3-6 ADC0809 内部逻辑结构ADC0809芯片的一种引脚结构图如图3-7所示，其芯片对应的实物图如图3-8所示。图 3-7 ADC0809引脚图 图 3-8 ADC0809 实物图ADC0809各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）.EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线。 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表3-2所示。表 3-2 通道选通A、B、C对应表在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。；否ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机D7D0为数字量输出线，CLK为时钟输入信号线。ADC0809应用说明（1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。（2） 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3） 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4） 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5） 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6） 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.5 LED显示电路对于热合片温度检测，由于温度要求控制在100-110，故采用四位LED显示。在这里使用了一种通用的可编程键盘、显示器接口芯片8279。其控制电路图如图3-8所示。图3-8 四位LED显示电路 8279芯片和CPU进行通信并经过3-8线译码器/多路转换器74LS138控制四位LED显示，LED采用共阳极接法。8279的OUTA0-3和OUTB0-3控制7段LED的数字显示，SL0-SL2对四位LED进行片选。在此电路中使用的8279芯片引脚图如图3-9所示。 图 3-9 8279引脚Intel 8279 芯片是一种可编程键盘、显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制功能。键盘部分提供一种扫描工作方式，可与64个按键的键盘连接，能对键盘扫描，能消抖，能自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或N键同时按下进行保护。显示可也为发光二极管，荧光管及其他显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路可用信号，可显示最多16位的字符或数字。 8279对应管脚功能说明：8279采用单5V电源供电，40脚封装。 DB0DB7： 双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。 CLK： 时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。 RESET： 为复位输入线，当8279复位后，字符显示被置为左端输入，编码扫描键盘，双键锁定的触点回弹型式，程序时钟编程为为31，RESET信号为高电平有效。 ：片选输入线，低电平有效，单片机在端为低时可以对8279读/写操作。A0： 缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态， 当为低电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。 ： 读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。：写信号输入线，低电平有效，将缓立器读出，将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。 IRQ：中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM中有数据时，此中断线变为高电平，在FIFO/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM中还有信息，则此线重又变为高电平。在传感器工作方式中， 每当探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。 SL0SL3：扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字， 这些可被编程或被译码。 RL0RL7：回送线，经过按键或传感器开关与扫描线联接， 这些回送线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。 SHIFT：换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平，没有按下SHIFT开关时，SHIFT输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置和换位输入状态一起被存贮起来。 CNTL/STB：当CNTL/STB开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平， 对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存贮起来，在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFO RAM中。 OUTA3OUTA0：A组显示信号、输出线。OUTB3OUTB0：B组显示信号、输出线。 ：空格显示，此输出端信号用于在数字转换时将显示空格或者用显示空格命令控制其显示空格字符。 VCC：5V电源输入线。3.6 热合片温度控制电路捆钞机热合片电路的通断控制采用一个控制信号控制，三个加热片采用并联的电路方式采用固体继电器SSR进行隔离。电路图如图3-10所示。图3-10 热合片控制电路由CPU的P3.2控制Q11的导通继而使SSR工作对三个热合片的通断电控制来控制其温度在指定的范围内。“SSR”是表示固态继电器字母符号，它是一种无机械触点的电子开关器件。(1)固态继电器的特点 固态继电器因为没有机械触点以及其他机械部件，因此它的可靠性非常高，寿命长，在通与断的瞬间不会产生电火花、更没有噪声，其开关速度相当快、工作频率也相当高。又因该种继电器的输入与输出间采用光电合器，因此又具有良好的抗干扰性能。固态继电器另一个特点是驱动电压、电流很小，也就是给输入端一个很小的信号，就能完成对系统的控制。因此可由TTL、COMS等数字电路直接驱动。所以被广泛应用于数字程控装置、数据处理系统的终端装置，以及其他各种自动控制系统。(2)固态继电器的类型 按其所控制的负载电源进行区分有交流固态继电器 (AC-SSR)和直流固态继电器 (DC-SSR)。交流固态继电器能够控制交流负载电源的接通与断开，其输出开关器件多为双向晶闸管。直流固态继电器能够控制直流负载电源的接通与断开，其输出开关器件多为大功率晶闸管。 (3)固态继电器的结构 内部结构原理如图3-11所示。由输人电路与输出电路两大部分组成。输人电路为一个光隅合器，它能起到隔离与控制作用。输出电路由触发电路与开关电路组成，当光稠合器的发光二极管没有通电时，开关输出电路为断开状态，当发光二极管通电发光时，光稠合电路输出信号，经触发电路的放大后，使输出电路的开关元件达到饱和导通状态，从而完成了对负载电路的接通与断开。图 3-11 固态继电器结构原理3.7 测速电路本设计中对压紧机构进行压紧检测和纵向横向的送带收带检测，采用对有效轮的测速来进行对应的检测。机构中需要测速的有三处，并需要正向反向的测速，采用编码盘方式。从结构上讲，编码盘有接触式、电磁式和光电式等类型。接触式编码盘的优点是简单，体积小，输出信号强，不需放大；缺点是存在电刷的磨损问题，故寿命短，转速不能太高(几十转/分)，而且精度受到最高位(最内圈上)分段宽度的限制。目前，电刷最小宽度可做到0.1mm左右。最高位每段宽度可达0.25mm，最多可做到11-12位二进制(一般9位)。如果要求位数更多的话，可用两个编码盘构成组合码盘。例如，用两个6位编码盘组合起来，其中一个作精测，一个作粗测，精盘转一圈，粗盘最低位刚好移过一格。这样就可得到和11位或12位相当的编码盘。既达到了扩大位数、提高精度的目的，又避免了分段宽度小所造成的困难。光电编码盘是目前用得较多的一种。该编码盘由透明与不透明区域构成。转动时，由光电元件接收相应的编码信号。其优点是没有接触磨损，编码盘寿命长，允许转速高，而且最内层每片宽度可做得更小，因而精度较高。单个编码盘可做到18位二进制数，组合编码盘可达22位。缺点是结构复杂，价格高，光源寿命短。电磁式编码盘是在导磁性较好的软铁或坡莫合金圆盘上，用腐蚀的方法做成相应码制的凹凸图形。当有磁通穿过编码盘时，由于圆盘凹下去的地方磁导小，凸起的地方磁导大，其在磁感应线圈上产生的感应电势因此而不同，因而可区分“0”和“1”，达到测量转角的目的。电磁式编码盘也是一种无接触式的编码盘，具有寿命长、转速高等优点。其精度可达到很高(达20位左右的二进制数)，是一种有发展前途的直接编码式测量元件。本设计选用EPC-755A光电编码器，EPC755A是美国ENCODERPRODUCTS公司生产的微型光电编码器，具有重量轻、体积小、耐碰撞、易安装等优点，其直径和长度均为1.5英寸，采用能保证多年可靠工作的金属结构，具有多种灵活的安装方式，能大大降低安装成本。该光电编码器输出为双通道正交信号，具有校正基准信号，可方便地实现双向计数。EPC755A光电编码器的主要性能参数：输入电压：528VDC（最小4.75V，最大28.0V）；输出电流：最大100mA；输出信号：2路计数脉冲，1路基准脉冲；基准信号：每圈输出1个脉冲，中心与通道A波形重合；测量范围：最大可测旋转速率为7500转/分；工作温度：最高可达100；频率响应：100kHz,最高200kHz；分辨率：最低1个脉冲/圈，最高6000个脉冲/圈，中间有55种分辨率可供选择；安装方式：柔性方式，伺服方式，法兰盘方式；使用寿命：平均10万小时；重量：柔性100克，伺服90克；转轴方向：双向；工作精度：两圈间误差0.01。EPC755A光电编码器系列有各种不同类型的输出电路可供选择，其输出电路类型有：带上拉电阻的NPN型，集电极开路NPN型，推挽输出型，差分输出型，带上拉电阻和集电极开路型的最大灌电流输入为100mA；推挽输出型的最大输出电流为50mA；差分输出型，当输入电压为5VDC时，其输出满足RS422要求。图2给出了光电编码器的输出信号，对于差分输出型有六个通道输出信号A、A、B、B、Z、Z，其它类型有三个通道输出信号A、B、Z。顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B波形90；逆时针旋转时，通道A输出波形迟通道B波形90；光电编码器每旋转一圈，输出一个基准脉冲，基准脉冲的波形中心对准通道A输出的波形中心。由于测速电路原理一样在此给出一处的测速电路图如图3-12所示。图 3-12 测速电路电路图中使用一个D触发器和两个非门来进行鉴相处理再通过LM324运算放大器进行信号放大。由于有三个电机共6个脉冲信号在这里扩展两个8253编程计数器/定时器对脉冲进行计数。8253芯片如图3-13所示。 图 3-13 8253芯片 intel8253是NMOS工艺制成的可编程计数器/定时器，有几种芯片型号，外形引脚及功能都是兼容的，只是工作的最高计数速率有所差异，例如8253（2.6MHz）,8253-5(5MHz) 8253内部有三个计数器，分别成为计数器0、计数器1和计数器2，他们的机构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器通过三个引脚和外部联系，一个为时钟输入端CLK，一个为门控信号输入端GATE，另一个为输出端OUT。每个计数器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件CE和一个输出锁存器OL。 执行部件实际上是一个16位的减法计数器，