基于MCU的薄膜按键寿命测试系统毕业论文设计.docx

基于MCU的薄膜按键寿命测试系统毕业论文设计.docx

《基于MCU的薄膜按键寿命测试系统毕业论文设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MCU的薄膜按键寿命测试系统毕业论文设计.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于MCU的薄膜按键寿命测试系统毕业论文设计

吉林化工学院毕业设计说明书

基于MCU的薄膜按键寿命测试系统

ATestingSystemforThin-filmKeyLifeBasedonMCU

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

独创声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

摘要

按键的寿命测试是一项重复性、机械性的工作，然而，按键的使用寿命是一项需要测试的指标。

按键的寿命一般在几十万次到上百万次之间，由人工测试几乎是不可能的，需设计自动按键系统对其测试。

本按键寿命测试系统是一种测试按键使用寿命的设备，其基本工作原理是利用电磁铁的往复运动来模拟人手敲击键盘的动作。

本设计主要实现自动按键，将采集到的按键次数等数据进行处理并实时的显示在液晶屏上，从而能直观的读出薄膜按键被按压的次数且最终测出使用寿命。

整个系统主要由机械固定装置和P89LPC936单片机及其相关外围电路两大部分组成。

机械固定装置用来对单片机及其外围电路、电磁铁及其驱动电路分别进行固定并使之在一个工作界面上，且确保电磁铁探头的中心点与被测试按键的中心点在同一条水平线上，同时底部采用滑轨支架和可移动的滑轨来灵活调节两部分的距离，方便对系统的测试、控制和操作。

单片机结合按键扫描电路、液晶显示电路、蜂鸣报警电路、电磁铁驱动电路等子模块对采集到的按键信号进行处理、分析、显示，并用单片机内部EEPROM对数据进行保存记录，其中的错误处理方式在检测到错误次数达到一定值后会自动存储数据并断开系统来保护整个装置。

本设计是机电结合的成功应用。

关键词：

按键寿命；单片机；电磁铁

Abstract

Keylifetestingisarepetitive,mechanicalwork,However,thekeytolifeisaneedtotestindicators.Thekeylifeinhundredsofthousandsoftimesbetweenmillions,fromthemanualtestingisalmostimpossibletotakeAuto-keysystemdesignedforitstest.

Thekeylifetestsystemisakeylifetestequipment,itsbasicworkprincipleisthebackandforththatmakesuseofelectromagnettoisexercisedtoimitatetheactionthatthehandpoundsakeyboard.Thisdesignmainlycarriesoutanautomatickeyandcarryonthedataslikekeynumberoftimes,etccollectedtheprocessingcombinesolidofshowatintheLCDscreen,cankeepview'sreadingthusathinfilmkeydrivepresspressofnumberoftimesandfinallytesttofindoutservicelife.ThewholesystemismainlyfixedlyequipedbymachinewiththeP89LPC936listslicemachineanditrelatedoutercircleelectriccircuitthetwogreatestpartsconstitute.Machinefixedlyequipstousecometolistslicemachineanditoutercircleelectriccircuit,electromagnetanditdriveselectriccircuitrespectivelycarryonfixandmakeitonaworkinterface,andensurethecentralpointstretchingforwardelectromagnetandbetestedthecentralpointofkeyon-lineinthesamelevel,atthesametimebottomadoptionslipperytracksupportwithcanmoveofslipperytrackcomevividregulatetwopartsofdistances,theconvenienceistotest,controlandoperationofsystem.Microcontrollerwithkeyscancircuit,liquidcrystaldisplaycircuit,buzzeralarmcircuit,solenoiddrivercircuitsub-modulessuchasthebuttonsonthecollectedsignalprocessing,analysis,display,andusetheinternalEEPROMoftheMCUdatarecord-keeping,inwhichtheerrorhandlingthenumberoferrorsdetectedreachesacertainvaluewillautomaticallystoredataanddisconnectthesystemtoprotectthewholedevice.Thisdesignisthesuccessfulapplicationofmechanicalandelectricalintegration.

KeyWords：

KeyLife；MCU；Electromagnet

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

第2章机电结构设计方案2

2.1自动按键方式的选择2

2.2机电结构设计2

2.3机电控制系统3

第3章机械固定装置设计5

3.1装配图的作用5

3.2固定单片机系统底座5

3.3可移动加固滑块6

3.4固定电磁铁底座6

第4章硬件系统功能电路分析7

4.1P89LPC936单片机概述7

4.2电磁铁驱动模块8

4.2.1达林顿管TIP1278

4.2.2光电耦合器TLP1139

4.2.3电磁铁驱动电路9

4.3按键扫描模块10

4.3.1按键抖动的成因及消除10

4.3.2按键扫描电路11

4.4液晶显示模块11

4.4.1驱动芯片HT162111

4.4.2液晶驱动电路13

第5章系统整体工作原理15

5.1技术参数分析15

5.2系统运行原理16

第6章系统软件设计17

6.1编译语言及编译环境17

6.1.1汇编语言概述17

6.1.2C语言概述17

6.1.3编译环境概述17

6.2程序流程分析18

6.2.1系统总体流程框图18

6.2.2自适应处理流程框图19

6.3程序流程综述20

6.3.1单片机初始化部分程序20

6.3.2按键扫描及自适应处理部分程序20

6.3.3HT1621驱动部分程序22

6.3.4液晶显示部分程序24

6.3.5辅助按键部分程序24

6.3.6错误处理部分程序26

6.3.7EEPROM读写部分程序26

结论28

参考文献29

附录1系统总体电路图30

附录2系统实物图片31

致谢32

第1章绪论

按键以简单、灵活、易操作等特性被广泛应用在生活中的方方面面。

其种类繁多，具体有薄膜按键、轻触按键、贴片按键、直插按键、自锁按键、多档按键等形式的封装。

在对工业产品和日常用品的操作中，按键是进行人机接触的主要方式，是人们实现对装置控制的主要手段。

在实际应用中，按使用频率主要将按键分为高频率按压按键和低频率按压按键，如相机、液晶显示器等设备中所用按键即可归类为低频率按压按键，而焦化测温仪中所用按键即可归类为高频率按压按键。

按键在被高频率按压使用时，其使用寿命无疑成为一项必须考虑和测试的指标。

薄膜按键的寿命一般在几十万次到上百万次之间，由人工测试几乎是不可能的，这就需要设计出一个可靠的机电结合系统实现对按键的自动测试。

本设计主要实现自动按键，将采集到的按键次数等数据进行处理并实时的显示在液晶屏上，从而能直观的读出已按键的次数。

直到检测到自动按键装置运行正常但计数值不再增加且系统报错并停止工作，这时所显示的数据即为薄膜按键的使用寿命。

从总体论证和整体工程来看，本设计主要需进行以下七个方面的工作：

1．机电结合方案的论证分析。

2．机械固定装置的设计与绘制。

3．自动按键装置的驱动控制。

4．按键的采集扫描与处理。

5．实时显示按键测试的数据。

6．EEPROM对配置参数和数据的保存记录。

7．错误的判断处理与系统保护。

整个系统对采集到的按键信号进行处理，并用单片机内置的EEPROM对数据进行保存记录，其中的错误处理函数在检测到错误次数达到一定值后会自动存储测试数据并断开电磁铁，达到对整个系统的保护。

机电结合控制与各个部分的良好配合是系统可靠运行的保证。

第2章机电结构设计方案

2.1自动按键方式的选择

经过现场测试得出，机械按键需165g左右的压力被按下，薄膜按键则需380g左右的压力才能被按下。

所以要测试薄膜按键的寿命，施压荷重应至少大于380g。

1．电机自动按键

电机的精度较高，驱动方式灵活，但转速太高，不能输出较大力矩，要想实现无极调速得配变频器且需要编码控制。

因为所要测试的薄膜按键寿命在几十万次到上百万次之间，所以电机的使用寿命也是一个需重点考虑的因素。

2．电磁铁自动按键

电磁铁的磁性有无可以由通断电来控制，磁性强弱可以由电流大小来控制。

用电磁铁做动力来源有四大优势：

1）耗能小，2）储能能力强，3）控制方法容易，4）运行速度便于控制。

3．气压调节器按键

气压调节器通过电磁阀给直动气缸供应所需气压使其上下运动，从而达到自动按键的目的。

这种方式理论上可取，但成本高且装置庞大，不易进行操作控制。

4．本设计采用的按键方式

综合上述分析考虑，本系统采用电磁铁自动按键，且所选电磁铁在额定电压下工作时所提供的吸引力应在380g以上。

具体从体积大小、固定方式、使用寿命、额定电压下提供的压力等方面综合比较论证后，发现型号为MK0837HH-01的电磁铁各项指标都符合条件。

其相关参数如下：

电压：

DC12V

电流：

1.2A

力量：

通电DC12V，6mm行程时，吸引力在400g以上

除综合考虑的因素满足本设计外，其所提供的额定值也都达到所需要求，符合薄膜按键需要380g压力被按下的条件，最终选择型号为MK0837HH-01的电磁铁。

2.2机电结构设计

本设计是机电配合应用的很好实例，机械设计的固定装置用来对单片机及其外围电路、电磁铁及其驱动电路分别进行固定并使之在一个工作界面上，且确保电磁铁探头的中心点与被测试按键的中心点在同一条水平线上，同时底部采用滑轨支架和可移动的滑轨来灵活调节两部分的距离，方便对系统的测试、控制和操作。

图2-1固定装置装配图

各个功能模块在总体装配图上的位置如图2-1所示，其中图号1为固定单片机系统底座，图号2为可移动加固滑块，图号3为固定电磁铁底座，此三部件均为自己设计绘制且最后送工厂加工出的实物。

整个系统需要强电和弱电结合控制，其中电磁铁驱动电路采用12V直流电源供电，单片机系统采用3V弱电供电，为隔离输入、输出电信号和防止电磁干扰，强弱电之间用光电耦合器进行隔离。

2.3机电控制方案

本机电控制系统主要由机械固定部分和单片机处理部分组成，两部分共同配合实现对电磁铁驱动电路的控制，从而实现自动按键。

系统总体框图如图2-2所示。

图2-2机电结合系统总体框图

整个系统主要由机械固定装置和P89LPC936单片机及其相关外围电路两大部分组成。

机械固定装置用来对单片机及其外围电路、电磁铁及其驱动电路分别进行固定并使之在一个工作界面上，且确保电磁铁探头的中心点与被测试按键的中心点在同一条水平线上。

单片机结合液晶显示电路、蜂鸣报警电路、电磁铁驱动电路等子模块对扫描采集到的按键信号进行处理、记录、显示。

第3章机械固定装置设计

3.1装配图的作用

装配图是用来表达机器或部件的图样，是用于表示部件或机器的工作原理、零件之间的装配关系和各零件的主要结构形状以及装配、检验、安装时所需尺寸重要技术文件。

 在新设计测绘部件或机器时，先要画出装配图表示该部件或机器的构造和装配关系，并确定各零件的结构形状和协调尺寸等，然后再根据装配图进行零件设计，画出符合部件或机器要求的零件图。

在装配部件时，则要根据装配图及其技术要求，把零件按一定顺序进行装配。

在使用、管理、维修时，需要利用装配图了解部件或机器的结构和工作原理等。

装配图是反映设计思想、装配、使用机器和进行技术交流的重要技术文件。

图2-1即为本系统总体装配图，设计整个装置前应充分考虑方案可行性，使之装配方便合理。

3.2固定单片机系统底座

如图3-1所示，此部件用来固定单片机系统，是完全由自己设计绘制并出图。

在这个部件中应注意对埋孔及螺孔的绘制。

埋孔要结合实物绘制，充分考虑富余量。

图3-1固定单片机及其按键底座示意图

3.3可移动加固滑块

如图3-2所示，此部件主要用来加固单片机及其按键，是可移动的灵活部件。

图3-2可移动加固滑块示意图

3.4固定电磁铁底座

如图3-3所示，此部件用来固定电磁铁及其驱动电路。

其尺寸的大小是比对实物后确定下来的，此部分应注意对剖面的理解和绘制，同时在尺寸上要考虑富余量。

图3-3固定电磁铁底座示意图

第4章硬件系统功能电路分析

4.1P89LPC936单片机概述

    P89LPC936是一款单片封装的微控制器。

它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。

内部集成了许多系统级的功能，可大大减少元器件的数目和电路板面积并降低系统的成本。

其引脚封装如图4-1所示。

图4-1P89LPC936单片机引脚封装图

其主要特性如下：

1）16kB可字节擦除的Flash程序存储器，组成2kB扇区和64字节页。

单个字节擦除功能允许Flash程序存储器的任何字节可用作非易失性数据存储器。

2）256字节RAM数据存储器。

还包括一个512字节的附加片内RAM。

3）512字节片内用户数据EEPROM存储区，可用来存放器件序列码及设置参数等。

4）两个4路输入的8位A/D转换器/DAC输出。

2个模拟比较器。

5）16位定时/计数器（每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出）和1个23位的系统定时器，系统定时器可用作实时时钟。

6）增强型UART。

具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址检测功能。

7）400kHz字节宽度I2C总线通信端口和SPI通信端口。

8）捕获/比较单元（CCU）提供PWM，输入捕获和输出比较功能。

9）选择片内高精度RC振荡器时不需要外接振荡器件。

可选择RC振荡器选项并且其频率可进行很好的调节。

10）VDD操作电压范围为2.4～3.6V。

I/O口可承受5V（可上拉或驱动到5.5V）。

11）28脚TSSOP、PLCC和HVQFN封装。

最少有23个I/O口，当选择片内振荡器和片内复位时I/O口可高达26个。

12）可编程I/O口输出模式：

准双向口，开漏输出，推挽和仅为输入功能。

13）所有口线均有（20mA）LED驱动能力。

但整个芯片有一个最大值的限制。

14）4个中断优先级；8个键盘中断输入，另加2路外部中断输入。

经过认真考虑，我最终选择PHILIPS公司的P89LPC936单片机来控制本系统。

它的功能强大、速度快、片内集成高精度的晶振、片内内置512字节的EEPROM、性价比高。

此款单片机的高集成度使所需外挂器件更少，对于本系统现阶段设计的功能都能够很好的满足。

它编程方便，不需要昂贵的编程器，对于本系统来说是比较合理的选择。

4.2电磁铁驱动模块

电磁铁需在额定条件下运行以提供大于380g的压力，这就需要选择功率大且稳定的驱动管来驱动电磁铁，本系统选择TIP127达林顿管，同时用TLP113光电耦合器隔离输入、输出的电信号。

4.2.1达林顿管TIP127

三极管是一种控制元件，最基本的作用是放大作用，主要用来控制电流的大小，可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，其中集电极电流IC的变化量与基极电流IB的变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB，Δ表示变化量），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。

TIP127是中功率的PNP型达林顿管，其外观和内部电路如图4-2所示。

图4-2达林顿管TIP127

其一些技术参数的最大值如下：

电流参数：

IC=5A，ICM=8A，IB=120mA

电压参数：

UCEO=UCBO=100V，UEBO=5V

功率：

Ptot=65W

放大倍数：

IC/IB=250

测试得出，电磁铁在额定条件下吸合时的电阻为9Ω，由此计算出其所需电流为12V/9Ω=1.33A，经过选择比较，达林顿管TIP127的电压、电流等参数能完全满足本系统中对电磁铁的驱动要求且性能稳定、性价比高。

4.2.2光电耦合器TLP113

光电耦合器是一种电信号的耦合器件，对输入、输出电信号起隔离作用。

一般是将发光二极管和光敏三极管的光路耦合在一起，输入和输出之间不可共地，输入电信号加于发光二极管上，输出信号由光敏三极管取出。

光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发送端与信息输出端隔离，而且有很强的抑制电磁干扰能力，且速度高、价格低、接口简单。

TLP113是一种小外型耦合器。

它包含一个高输出功率的砷化镓铝发光二极管，该二极管光耦合到一个高增益，高速单片光探测器。

探测器的输出为肖特基钳位晶体管，集电极开路输出。

其工作原理如图4-3所示。

图4-3光电耦合器TLP113工作原理图

本设计采用TLP113光电耦合器。

其适用于贴片安装的小外型，片内集成的三极管使电路设计中少接一级放大是系统设计中考虑的两个重要因素。

4.2.3电磁铁驱动电路

如图4-4所示的驱动电路，当单片机给A0端口低信号（“0”）时电磁铁吸合，给A0端口高信号（“1”）时电磁铁吸合。

图4-4电磁铁驱动电路图

当电磁铁断开时，TIP127的ce两端电压为12V；电磁铁吸合时，TIP127的ce两端电压为0.8V，由此计算出ce两端的管压降为12V-0.8V=11.2V，则R13（510Ω）两端的电流为11.2V/510Ω=22mA。

又从恒流源读出电磁铁吸合时的电流为1.04A，则TIP127的实际放大倍数为1.04A/22mA=47（倍）。

若要调整放大倍数可以通过加大或减小R13的阻值来实现。

4.3按键扫描模块

按键在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。

按键实际上就是一个机械开关，当键被按下时，其交点的行线接通，相应行线电平发生变化。

按键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平，通过对行线电平高低状态的检测，便可确认按键是否被按下。

在键盘电路中，各按键均采用上拉电阻，主要是为了保证在按键断开时，各I/O口有确定的高电平。

4.3.1按键抖动的成因及消除

在按键的闭合和断开过程中，由于开关的机械特性，会导致按键产生抖动，如图4-5所示为按键抖动波形图。

如果不消除按键的机械抖动，按键的状态读取将有可能出现错误。

一般是采用软件去抖，在第一次检测到有键按下时，该键所对应的行线为低电平，执行一段延时10ms的子程序后，确认该行线电平是否仍然为低电平，如果仍为低电平，则确认为该按键按下。

图4-5按键抖动波形图

4.3.2按键扫描电路

如图4-6所示，本电路中KMEA为被测试按键，KENT为清除蜂鸣报警按键，KINC为清零液晶显示数据和清空EEPROM保存数据按键，KMOD为单步控制电磁铁通断按键，这些按键的组合应用便于测试驱动电路在不同状态下的相关数据。

由于所需要键数较少，采用独立式键盘接口就可以实现目标，并且软件编程较为简单、配置灵活。

图4-6按键扫描电路

4.4液晶显示模块

液晶显示器（LCD）以其功耗低、体积小、外形美观、价格低廉等多种优势在仪器仪表产品中得到广泛的应用。

与发光二极管（LED）相比，它虽然存在驱动电路逻辑比较复杂、较难与单片机连接等缺点，但随着大规模集成电路的迅速发展，这些缺点已经被克服，液晶显示器已进入成熟应用阶段。

本系统显示部分采用HT1621驱动LCD液晶。

4.4.1驱动芯片HT1621

HT1621为段式液晶驱动芯片，内部有32×4位显示RAM，直接映射到LCD显示器的每一段。

其引脚图如图4-7所示。

图4-7HT1621引脚封装图

其主要特性如下：

1）操作电压：

2.4~5.2V。

2）内嵌256kHzRC振荡器，也可使用32.768kHz晶振或256kHz外部时钟源。

3）可选1/2或1/3偏压和1/2、1/3或1/4的占空比。

4）内置3×4位显示RAM。

5）三线串行接口，数据模式和命令模式指令，三种数据访问模式。

如图4-8所示，HT1621主要由控制电路、显示RAM、LCD驱动/偏置电路、音频发生器和监视定时器等部分组成。

图4-8HT1621内部结构

本系统对HT1621采用串行外围接口方式。

与并行接口芯片相比，HT1621具有引出线少（最少的只有8个引脚），芯片体积小，接口线少（仅2-4根引线）等优点。

其中图4-9所示为HT1621的写模式操作时序图，图4-10所示为命令模式操作时序图。

图4-9写模式时序图

图