运动控制的智能模拟负载毕业论.doc

西安工业学院毕业论文 1 运运动动控控制制的的智智能能模模拟拟负负载载 硬硬件件部部分分 摘摘 要要 运动控制的智能模拟负载，是针对自动化专业运动控制系统实验中，对负载对象及 其变化规律的要求而设计的。本智能负载，是为满足现代工业调试、科研测试中对不同 负载对象及其变化规律的需求，涉及到计算机控制、专业电工、电子、电力电子应用等 技术、掌握单片机工作原理及应用技术的模拟负载及其智能化技术。硬件设计主要解决 的是设计一个典型的单片机系统，它主要包含：无极性输入，两种模式下的三键输入 (复用)，RS485 标准通讯口，典型 MCS51 系列单片机系统等。 ABSTRACT The intelligence simulation load of movement controlled is aimed at experiment of movement controlled system in automation specialized subject, which is designed to record to load action and the need of change rules. The intelligence load is order to satisfy many kinds of loads action and the need of change rules which is in industry test today and scientific research test, which is used in inferring to computers control and professional electrician and electron and electric power and so on, it need master microcomputers work elements and using technology of intelligence simulation and intellective apply technology. Hardware is mainly dealing with design of microcomputer system, which contains non-polarity input, three keys input in two models, RS-485 normal communication, model MCS51 series microcomputer system and so on. 关键词：模拟负载，单片机系统，RS-485 串行通信，光电耦合器，驱动电路， E2PROM 存储器， Key Words:Simulation Load，Micro Computer System，RS485 Series 西安工业学院毕业论文 2 Communication， Photoelectrical Coupling， Drive Circuit，E2PROM Memory Cell. 目目 录录 1绪 论 3 1.1课题的名称和课题背景 3 1.2国内外相关研究状况 4 1.3主要工作 5 1.4论文的结构安排 5 2 单片机的工作原理及应用 7 2.1 单片机的应用 7 2.2 AT89C51 单片机的结构 7 2.3 本模拟负载对单片机型号的选取 9 3 单片机系统的硬件设计 11 3.1 系统在两种模式下的三键输入（复用） 11 3.2 X5045 芯片在系统中的应用 11 3.2.1 X5045 芯片的引脚及特点 11 3.2.2 X5045 芯片在控制系统中与单片机的接口 12 3.3 RS485 标准通讯口 13 3.3.1 串行通信接口标准 14 3.3.2 75176 芯片的隔离 西安工业学院毕业论文 3 14 4 显示部分系统的硬件设计 17 4.1 LED 显示器 17 4.1.1 LED 的选择 17 4.1.2 LED 的驱动和显示 18 4.2 显示器的驱动 19 5 负载部分 22 6 原理图的设计 24 7 电路板的印制 26 8 附 录: 8.1 开题报告 27 8.2 中期报告 31 8.3 相应外文资料翻译 32 系统 SCH 图 致 谢 设计总结 参考文献 西安工业学院毕业论文 4 1 1 绪绪 论论 1. 1 课题的名称、课题背景 本课题名称为“运动控制的智能模拟负载” 。 为了满足现代工业生产调试、科研测试中对不同负载对象及其变化规律的需求，涉 及计算机控制、电力电子应用等技术的模拟负载及其智能化技术近年来得以迅猛发展。 本智能模拟负载，是针对自动化专业运动控制系统实验中对负载对象及其变化规律要求 而设计的。 在运动控制系统中，不同负载对象都有其特点及变化规律（线性、非线性） ，通过 自主设计的单片机系统，可实现自动调节其电流值，进行输出脉宽的调节，从而模拟不 同负载的特性。 本设计的中心即设计一个含有特定功能的典型单片机系统。 *采用无极性输入，模块可以接收任意极性直流供电。它允许将主回路中的 2 根发 电机电枢直流输出电源线在传输途中任意极性连接，容忍了的反接差错，使电路中的接 线在使用时大为方便并具有安全保证。 *利用全控器件斩波主回路。 *本系统在工作、参数设定的两种模式下实现三键输入（复用） 。利用软件编程实现 此功能。 *典型的 MCS-51 系列单片机系统。我打算采用 ATMEL 公司的 AT89C51。AT89C51 是 一种带有 4KB Flash 可编程、电可擦除只读存储器（E2PROM）的低压、高性能 8 位 CMOS 微型计算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活和成本低的解决办法。基于以上 特点，在需要 I/O 线不多的控制场合，选用它作为核心控制芯片，可使电路极大的简化， 而且程序的编写及固化也相当方便、灵活。 *RS-485 标准通讯口。RS-485 接口芯片已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒 体网络、机电一体化产品等众多领域。RS-485 接口在不同的使用场合，对芯片的要求也 不同。在这里，我将采用型号为 SN75LBC176，它的标准驱动节点数为 32，采用半双工 通讯。 *本设计中用到芯片 X5045，它是带有硬件写保护功能的串行 E2PROM，主要起到电 西安工业学院毕业论文 5 路中的参数存储作用（例如最大最小电流采集值） ，其接口兼容 SPI 总线规范，通过一 对串行时钟、数据线对片内存储单元进行读写。X5045 的片内存储器容量为 4K bit（或 512 字节） 。 1. 2 国内外相关研究状况 近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制 领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行 脉宽调制（Pulse width modulation,简称 PWM）控制方式已成为绝对主流。这种控制方 式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供契机。 以下简单介绍利用单片机和脉宽调制控制技术对电动机进行调速控制的实例。 此系统是工业控制计算机发出控制命令，通过与单片机的通信，按命令单片机产生 控制步进电机运转的脉冲信号。按照发出不同的控制命令，使二维步进电机分别作正转， 反转，快转，慢转和停止等动作，还可自成系统自动运行。它的控制系统工作原理图： 工业控制计算机是二维步进电机的控制系统的主机，负责从键盘接收外部命令由串 行口输出后，再经接口电路发送单片机，然后接收单片机回送的命令数据并进行比较。 接口电路实现上位机串行口信号与单片机信号之间的转换，以实现工业控制计算机 与单片机的正常通信。 单片机负责从工业控制计算机上接收命令，并将其转换成控制脉冲信号，从并行口 发出到步进电机驱动电路。在脱离工业控制计算机的控制时，还要保证系统能按一定程 序自动运行。 1. 3 主要工作 本智能负载论文所阐述的单片机系统采用 ATMEL 公司的 AT89C51 芯片为核心， 西安工业学院毕业论文 6 组成典型的单片机系统，并和 PC 机通信（采用 RS485 标准通讯口） 。该系统对以单 片机 AT89C51 为主的控制系统进行了硬件设计，并在此设计的基础上给出相应的原理 图和硬件开发板。涉及到计算机控制、专业电工、电子、电力电子应用等技术、掌握单 片机工作原理及应用技术的模拟负载及其智能化技术。硬件设计主要解决的是设计一个 典型的单片机系统，它主要包含：主回路，负载回路，无极性输入等。 1. 4 论文的结构安排 第一章绪论。在本章中将介绍与本论题相关的发展状况和国内外研究现状，提出 本课题所研究的主要工作，并简单介绍了论文的安排。 第二章单片机工作原理及应用基础。本章将针对 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机 的结构进行原理和应用的介绍。 第三章单片机系统的硬件设计。在本章中，将系统的介绍系统工作模式、参数设 定三键输入（复用） ，SPI 串行总线的 E2PROM 系统参数存储（采用 X5045） ，RS485 标准通讯口（采用 SN75LBC176） ，常规可靠性接地技 术（硬件狗）的主要功能和特点。 第四章显示部分系统的硬件设计。此章节对电路的显示部分作了介绍，包括显示 驱动芯片的选择，典型参数的计算（电阻、开关频率、速率、 耐压等） 。 第五章输出负载部分。本章节根据运动控制系统中不同负载对象的特点及变化规 律，设定具体参数并计算确定电路负载元件的大小和型号。 第六章原理图的设计 第七章电路板的印刷 第八章开题报告 中期报告 相应外文资料翻译 系统 SCH 图 致 谢 设计总结 参考文献 西安工业学院毕业论文 7 2 2 单片机工作原理及应用基础单片机工作原理及应用基础 2.1 单片机的应用 在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现； 从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象的地方几乎都有使用单片机的需求。 单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有利于提高劳动效率等。 2.2 AT89C51 单片机 AT89C51 单片机是一种带有 4KBFlash 可编程、可擦除只读存储器（E2PROM）的低 压、高性能 8 位 CMOS 微型计算机。通过在单块芯片上组合通用的 CPU 和 Flash 存储器， 使 AT89C51 成为一种功能很强的微型计算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活 和成本低的解决办法。基于以上特点，在需要 I/O 线不多的控制场合，选用它作为核心 控制芯片，可使电路极大的简化，而且程序的编写及固化也相当方便、灵活。 具有四种工作模式的全双工串行口 片内带一个 4KB 的 Flash 的程序存储器 全静态工作：0Hz24Hz，33Hz 1288 的内部数据存储器 32 条可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源/2 个中断优先级 可编程 I/O 串行通道（32 条） 片内时钟振荡器 3 个程序保密位 供电电压（4.06.0 V） 封装形式:P40(40 脚 PDIP 封装)； J44(44 脚 PLCC 封装)； A44(44 脚 TQFP 封装) 西安工业学院毕业论文 8 输入/输出引脚： 1.P0（P00P07）：是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口。作为输出口用时，每位驱动 八个 TTL 输入（吸收电流方式） 。对端口写 1 时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部 RAM 和 ROM 时，是分时多路转换的地址（低 8 位）/数据总线。在访问期间激活了内部 上拉电阻 R。在 Flash 编程时，P0 口接受指令字节；在校验程序时，输出指令字节。 验证时要加上拉电阻。 2.P1（P10P17）：是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动 四个 TTL 的输入（吸收/输出电流方式） 。对端口写 1 时，通过内部上拉电阻把其拉到 高电位，可作输入口。在 Flash 编程时，P1 接受低 8 位地址。 3.P2（P10P27）：是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动 四个 TTL 的输入（吸收/输出电流方式） 。对端口写 1 时，通过内部上拉电阻把其拉到 高电位，可作输入口。在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器时，P2 送 出高 8 位地址。在访问 8 为地址的外部数据存储器时，P2 口引脚上的内容（即 SFR 区 中 的内容）在整个访问期间不变。在对 Flash 编程和程序校验期间，P2 也接收高位地 址和一些控制信号。 4.P3（P30P37）：是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动 四个 TTL 的输入（吸收/输出电流方式） 。对端口写 1 时，通过内部上拉电阻把其拉到 西安工业学院毕业论文 9 高电位，可作输入口。P3 口还用于一些复用功能。在对 Flash 编程和程序校验时，还 接收一些控制信号。 P30RXD （串行输入端口） P31TXD （串行输出端口） P32 P33 P34T0 （定时器 0 外部输入） P35T1 （定时器 1 外部输入） P36 P37 ：当访问外部存储器时，ALE（地址存储允许）的输出用于锁存地址的低位字 节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率（振荡器频率的 1/6） 周期性出现正脉冲信号。因此，它可作为对外输出的时钟，用于定时目的。 注意：每访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 对 Flash 存储器编程时，该引脚还用于输入编程脉冲（） 。 ：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号。当此芯片由外部 程序存储器取指令（常数）时，每个机器周期两次有效（即输出两个脉冲） 。 但在此期间内，每访问外部程序存储器时，这两次有效的信号将不出现。 ：外部访问允许端。要使 CPU 只访问外部程序存储器（0000HFFFFH） ，则 端必须保持低电平（接 GND） 。当接 Vcc 时，CPU 则执行内部程序存储 器的程序。 2.3 本模拟负载对单片机型号的选取 本系统要实现以下功能： *本系统在工作、参数设定的两种模式下实现三键输入（复用） 。利用软件编程实现 此功能。在这里，需从单片机引出三个 I/O 口。 西安工业学院毕业论文 10 *RS-485 标准通讯口。RS-485 接口在不同的使用场合，对芯片的要求也不同。在这 里，我将采用型号为 SN75LBC176，它的标准驱动节点数为 32，采用半双工通讯。这一 部分，将使用单片机的 TXD、RXD 和一个 I/O 口。 *采用无极性输入，它允许将回路中发电机电枢的 2 根直流输出线在传输途中任意 极性连接，容忍了电路接线的反接差错，使电路使用使用起来更为方便且具有安全保证。 这部分占用一个 I/O 口。 *本设计使用到芯片 X5045，它是带有硬件写保护功能的串行 E2PROM，其接口兼容 SPI 总线规范，通过一对串行时钟、数据线对片内存储单元进行读写。由于采用的是 SPI 总线类型，故至少有 SI、SCK、SO 三根线与单片机的 I/O 口相连，还有写保护和位 选端的连接。 *此外，与三键式键盘（复用）相配合的显示电路部分，并行驱动的结构较为简单， 我将采用四位数码管共阴极的并行输出接法。这种方案将用到单片机的 12 位 I/O 口（8 个段选、4 个位选） 。 西安工业学院毕业论文 11 3 3 单片机系统的硬件设计单片机系统的硬件设计 3.1 系统在两种模式下的三键输入（复用） 此系统利用三键式输入，即在工作模式、参数设定两种状态下有不同的作用。 在工作模式下，三个键起开关、显示转换、照明等功用； 在参数设定模式下，利用按键设定电流值的大小，调节转速。可描述出从空载到满 载的变化周期的负载曲线。 具体实现要靠软件编程。 3.2 X5045 在系统中的应用 3.2.1 X5045 的引脚及特点 芯片选择输入，看门狗复位输入； SI 串行输入； SO 串行输出； SCK 串行时钟输入； 写保护输入； Vss 地； Vcc 电源电压； RESET 复位输出。 512 字节串行 E2PROM； 可编程看门狗定时器（可设定看门狗定时器，典型时间为 200ms、600ms、1.4s 或禁 止） ； 西安工业学院毕业论文 12 上电复位及低电压检测，即在上电和 Vcc 低于检测门限时，RESET 输出高电平；如 允许看门狗定时器工作且保持高电平时间长于看门狗超时周期，RESET 输出高电平 复位信号； SPI 接口方式，最高可达 1MHz 串行时钟频率； E2PROM 存储器可分块或全部锁定保护； 防止偶然性写保护（包括上电掉电保护电路、写使能锁存器、写保护引脚） ； 每字节擦写次数可达 10 万次、数据可保存 100 年； 所有引脚 ESD 防静电保护可达 200V； 低功耗 CMOS 电路（备用电流 10uA、工作电流 3mA） 。 3.2.2 X5045 在系统控制中与单片机的接口 系统控制器中 X5045 与单片机 AT89C51 硬件接口如图所示： X5045 与 AT89C51 硬件接口 X5045 有 5128 串行 E2PROM，通过 X5045 的、SCK、SI、SO 等引脚控制对 X5045 的读写。进入设置参数首先显示第一项原设置参数（如量程下限） ，同时显示一 西安工业学院毕业论文 13 位标记位（标记参数性质既现场设置修改状态） 。设置修改确认的参数，先放在 AT89C51 的 RAM 中，一项一项设置后，单片机将引脚 P1.0（X5045 的）置低、 P1.4()电平置高并向 X5045 发出 WERN 指令,置位写使能锁存器,然后将存放在 AT89C51 的 RAM 中设置修改确认的几项参数写入 X5045 的 3 个区域。数据写至 E2PROM 时，先发出 WRITE 命令，然后写地址和写入锁所需的数据。之后单片机向 X5045 发出 WRDI 指令以禁止写操作，并使 P1.4 为低(从硬件上禁止写操作)。工作状态 期间,在单片机的 RAM 区内放置从 X5045 的 3 个区域取出的、经表决处理的用户设置 参数数据，供计算使用，并不断刷新（在主程序的每个循环中读取一次 E2PROM）以保 证其正确性。在 8 位数据被发送之后，必须为高电平。 由于电网干扰严重，故采取措施防止数据丢失是十分重要和必要的。X5045 提供了 多种数据保护功能，初在软件中设置写保护外（单片机向 X5045 发出 WRDI 指令） ，接 口电路中还将下拉（置低） ，仅在写操作前将引脚电平置高。正常工作状态时为 低电平，X5045 的写操作被禁止，以防止干扰信号发生作用。 X5045 集 E2PROM、可编程看门狗定时器、低 Vcc 复位加上电复位 3 项功能为一 体。采用该器件简化了电路设计。 3.3 RS485 标准通讯口 3.3.1 串行通信接口标准 串行通信接口是指设备之间的接口。我们最熟悉的关于串行通信接口的名词可能就 是 COM 与 USB 了，因为它们都是当代 PC 机必备的串行通信接口。 串行扩展接口是设备内部器件之间的互接接口。常用的串行扩展接口规范有 SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口，美国 Motorola 公司的注册商标） ， I2C（Inter IC，集成内部电路，荷兰 Philip 公司的注册商标）等。 RS485 标准 RS232 是异步串行通信中应用最早，也是目前应用最为广泛的标准串行总线接口 技术之一。但是 RS232 的关键之处是一种基于单端非对称电路的接口，即一根信号线 与一根地线，这种结构对共模信号没有抑制能力，它与差模信号叠加在一起，在传输电 西安工业学院毕业论文 14 缆上产生较大的压降损耗，压缩了有用信号的动态范围。因而，不可能实现远距离与高 速传输。为了避免这些缺陷，有推出了技术性能更加先进的 RS485 标准。 RS485 不仅传输距离远，通信可靠，而且使用单一+5V 或+3V 电源，逻辑电平与传 输数字电平逻辑 TTL 兼容，此外对传输介质物理层没有任何严格要求，只需普通双绞线 即可简便地组成网络。RS485 标准器件的数据传输速率目前有 32Mb/s，20Mb/s，12 Mb/s，10 Mb/s，2.5 Mb/s 和数百 Kb/s 等规格。 隔离问题：由于光电耦合器件是高阻抗输出，因此应尽量靠近接口芯片，即尽量缩 短光电耦合器输出脚与接口芯片之间的连线，使得分布电容尽量减小，而有利于提高传 输速率。 光电耦合器是限制接口通信速率的主要因素。 为发光二极管与光电晶体管(附基极端子)封装的光电耦合器,结构为双列直插 6 引 脚塑封,内部电路见上。 3.3.2 SN75LBC176 芯片的隔离 1 问题的提出 在使用 RS485 总线时，如果简单地按常规方式设计电路，在实际工程中可能有通 信数据收发的可靠性问题。如果设备之间距离较远，现场的干扰也较大，所以往往通信 的可靠性质量不高。针对此种问题，我对 485 总线的硬件采取了具体的改进措施。 2 硬件电路的设计 本方案以 AT89C51 单片机自带异步通信口，外接 SN75LBC176 芯片转换成 485 总线 为例。其中为了实现与单片机系统的隔离，在 AT89C51 的异步通信口与 SN75LBC176 之 间采用光电耦合器隔离。电路原理如图所示： 西安工业学院毕业论文 15 由于要对系统进行及时监控和响应，通信数据的波特率应做的较高。限制通信波特 率提高的“瓶颈” ，并不是现场的导线，而是在与单片机系统进行信号隔离的光电耦合 电路上。此处采用 TIL117。可以优化普通光电耦合电路参数的设计，使之能工作在最佳 状态。例如：电阻 R2、R3 如果选取的较大，将会将会使光电耦合的发光二极管由截止 进入饱和变得较慢；如果选取的过小，退出饱和也会很慢，所以，这两只电阻的数值要 精心选取不同型号的光耦和驱动电路使得这两个电路的数值略有差异，可以由实验来定。 西安工业学院毕业论文 16 常用光电耦合器主要参数 电流传输比 CTR 型号 Min(%) VCE(V) IF(mA) 饱和压 降 VCE(V) 工作电 流 IF(mA) 开关时 间 （s） TIL111/114 8.0 0.4 16 0.4 16 5 TIL112/115 2.0 5.0 10 0.5 50 2 TIL116/125/154 20 10 10 0.4 10 5 TIL117/126/155 50 10 10 0.4 10 5 TIL124/153 10 10 10 0.4 10 2 在这里，我采用的是 TIL117，根据电流传输比 CTR=I2/I1，估算出光电耦合器的上 拉电阻 R 的值。 光电耦合器的电流传输比 CRT 的定义是 CRTi2i1100%。 在本设计中，使用的是 TIL117 光电耦合器，它的最小电流传输比为 50%。又发光 二极管的压降为 1.71.8V，导通电流为 4mA10mA,晶体管的最小 Uce 为 0.7V。 假设光电耦合器导通电流 i1=5mA，那么 R3=(+5V- 1.8)/i1=（5-1.8）/0.005600 CTR=50%=i2/i1 i2=2.5mA R4=（+5V-0.7）/i2(5-0.7)/0.00251.5K。 其他类似情况同上。 西安工业学院毕业论文 17 4 4 显示部分系统的硬件设计显示部分系统的硬件设计 4.1LED 显示器 LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的缩写。LED 显示器价格低廉、配置灵 活、功耗低、与单片机接口方便，在单片机中的应用非常普遍。 4.1.1 LED 的选择 1、器件分类 7 段 LED 显示器由 7 条发光二极管组成显示字段，这 7 段发光管分别称为 a、b、c、d、e、f、g、 ，还有一个圆形发光二极管 dp，用以显示小数点。通过七个发光 二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母、以及其他符号。 LED 显示器中的发光二极管共有两种连接方法： 共阳极接法 把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5V。这样阴极端 输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。 共阴极接法 把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输 入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。 七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给 LED 显示器的字 型代码正好一个字节。各代码位的对应关系如下： 代码位D7 D6D5D4D3D2D1D0 显示位Dpgfedcba 本方案采用共阴极接法。 2、LED 显示的基本原理 西安工业学院毕业论文 18 用单片机驱动 LED 数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态显示， 按译码方式可分为硬件译码和软件译码。 LED 静态显示方式。就是将 N 位共阴极 LED 显示器的阴极连在一起接地，每一位 LED 的 8 位段选线与一个 8 位并行口相连。当显示一个字符时，相应的发光二极管就恒 定的导通或截止。静态显示是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据 送出后不再控制 LED，直到下次显示再送一次新的显示数据。 动态显示要 CPU 时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占 CPU 时间 多,编程较为复杂。 这两种显示方式各有利弊：静态显示虽然数据显示稳定、所需驱动电流较小，占用 CPU 时间少， 。但 N 位 LED 要求有 N8 位 I/O 口线，占用 I/O 口线太多，使用的电路 硬件却比较多；动态显示虽然有闪烁感，占用 CPU 的时间多，但使用的硬件少，能节 省线路板的空间。 动态扫描显示接口是单片机中应用最广泛的一种显示方式。其接口电路是将多个 7 段 LED 显示器同各个端的段选线重复接在一起，只用一个 8 位 I/O 口输出控制段选线， 段选码同时加到各个 LED 显示器上。所谓动态显示就是扫描方式一位一位地轮流点亮 LED 显示器的各个位。因此，在每个瞬间，N 位 LED 只可能显示相同的字符，要想每 一个 LED 显示不同的字符，必须用另外一个 I/O 口控制各个 LED 显示器公共阴极轮流 接地的方法，逐一扫描点亮，使每个 LED 显示该位应该显示的字符。只要恰当地选择 LED 刷新时间（20ms） ，会给人一种视觉暂停效应，似乎 N 位 LED 都在同时显示， 就不会有闪烁感了。 从上述的论述中，可以看出动态显示方案具备一定的实用性，也是目前单片机数码 管显示中较为常用的一种显示方法。所以，本设计采用动态显示方案。 4.1.2 LED 的驱动和显示主要是设计 LED 数码管和单片机的接口电路，以及利 用单片机对 LED 数码管进行驱动和显示操作。 1、作用 在单片机系统中，LED 数码管显示是反映系统输出和操纵输入的有效器件。数码管 具备数字接口，可以很方便地和单片机系统进行连接，数码管体积小、重量轻，并且功 耗低，是一种理想的显示单片机数据输出的器件。 西安工业学院毕业论文 19 2、技术方案 单片机对 LED 数码管的驱动方法可以分为串行和并行两种，分别适用于不同的使 用场合，两者硬件电路的差别也很大。 （1）串行驱动 在某些情况下，可供使用的单片机并行 I/O 口不足 8 根，数据的并行输出已不可能， 此时可考虑串行输出方法。 （2）并行驱动 在一般情况下，单片机使用并行驱动的方式进行 LED 的显示。并行驱动的结构较 为简单，并且在单片机的选择上，采用了 AT89C51，它有 32 条 I/O 口线，采用并行驱 动方式，接口完全够用。 LED 并行驱动的电路原理图如下所示： （3）驱动电路的选择 以上分别介绍了串行和并行的 LED 驱动电路。在本设计中，使用的是并行的 LED 驱 动电路。 4.2显示器的驱动 硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成，CPU 只要送出标准的 BCD 码即可，硬件 西安工业学院毕业论文 20 接线有一定标准。软件译码是用软件来完成硬件的功能，硬件简单，接线灵活，显示段 码完全由软件来处理，是目前常用的显示驱动方式。 4.2.1 器件选择和功能 在这里，我选用 74HC07 芯片作为段驱动，75452 作为位驱动 7407 是 6 缓冲器/驱动器（OC、高压输出）Y=0 30V 耐压输出 4.2.2 7407 功能图 74HC 系列集成电路的特点： 74HC 系列是高速 CMOS 系列，兼有 CMOS 系列的低功耗，宽噪声容限，宽工作 电压等特点。它的标准工作电压 26V。 采用多晶硅输入保护电阻，限制电流过大，对电路中的过电压来说，74HC 系列具 有足够的保护能力。 74HC 的输入为 CMOS 电平。输入电压在高电平时间以保证达到 0.7Vcc,在低电 平时间以保证达到 0.2Vcc,即当 Vcc=5V 时,3.5V 以上为 VIH,1.0V 以下为 VIL 。它的静 态功耗极小。 最高时钟频率在负载为 150pF 时能保证达到 300MHz。74HC 系列在高低逻辑电平下 的输出电流都可达到 4mA。 4.3 LED 数码管显示器的上拉电阻值的确定: 西安工业学院毕业论文 21 由于数码管的每个引脚通过的平均电流达到 4mA 时，此引脚控制的一段晶体管才能 够点亮。我用的是四位八段式数码管，所以每个数码显示器被点亮时每个引脚所需的最 大电流为 4mA4=16mA。采用的是动态扫描接法，在每个瞬间，四位 LED 只可能显示相 同的字符，要想每一个 LED 显示不同的字符，必须用另外一个 I/O 口控制各个 LED 显 示器公共阴极轮流接地的方法，逐一扫描点亮，使每个 LED 显示该位应该显示的字符 即位选端，此时，每个位选的最达电流为 16mA8=128mA。 那么，上拉电阻的阻值为： (5-1.8)/16=200 这是用 LED 导通后的平均电流计算得到的电阻值，而导通的 瞬间电流会更大一些。在这里,我将采用 150 的上拉电阻。 西安工业学院毕业论文 22 5 5 负载部分负载部分 1、系统组成 负载回路主要由隔离电路，驱动电路，无极性输入，变压器、晶闸管整流装置和电 动机发电机组组成。在工作模式下，由单片机系统进行脉宽调制，实现电动机从空载 到满载的变化，测定出负载曲线。 2、原理 电动机的电枢绕组两端的电压平均值 U0为 SS S o UU T t tt Ut U 1 21 1 占空比，=。 T t1 占空比表示了在一个周期 T 里，开关管导通的时间与周期的比值。 的变化范围为 01。由上式可知，当电源电压 Us 不变的情况下，电枢的端电压的平均值 Uo 取决 于占空比 的大小，改变 值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这 就是 PWN 调速原理。 西安工业学院毕业论文 23 在 PWM 调速时，占空比 是一个重要参数。以下三种方法都可改变占空比的值。 （1） 定宽调频法 这种方法是保持 t1 不变，只改变 t2，这样使周期 T（或频率）也随之改变。 （2） 调宽调频法 这种方法是保持 t2 不变，只改变 t1，这样使周期 T（或频率）也随之改变。 （3） 定频调宽法 这种方法是使周期 T（或频率）保持不变，同时只改变 t1 和 t2。 前两种方法由于调速时改变了控制脉冲的周期（或频率） ，当控制脉冲的频率与系 统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此，这两种方法用得很少。目前，在直流电动 机的控制中，主要使用定频调宽法。本系统采用的就是定频调宽法。 在此系统中，欲调节占空比 的范围（050%） 。电动机的额定功率 200W，额定电 流为 1A。 功率场效应管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）是一种载流子导电的单极型器件，它要求的栅极驱动电流很小， 因此可看成是电压控制型元件是电压型驱动器件。由于这个特点，使得功率场效应管具 有开关速度快，损耗低，驱动功率小，无二次击穿的优点，目前已得到越来越广泛的应 用。 MOSFET 是电压型驱动器件，因此小功率的 TTL 电路可以驱动一般的 MOSFET。但是， 普通的 TTL 集成电路的高电平输出最低是 3.5V,而功率场效应管的开启电压是 24V;用 普通的 TTL 直接驱动功率场效应管,驱动电压还显得低一些。所以采用集电极开路的 OC 门 TTL 集成电路来驱动。 为了提高 TTL 驱动的输出电平,可以通过一个上拉电阻接到+5V 电源上。 此外，在驱动电路和单片机系统电路之间加了一个光电耦合器作为隔离元件,其上 拉电阻值的确定同前。 西安工业学院毕业论文 24 6 原理图的设计 6.1 Protel99 原理图的设计（schematic） 原理图编辑器实际上就是原理图的设计系统，用户可以在该平台下对电路图进行 编辑与设计各修改。进入原理图设计窗口的步骤如下： 1、首先进入 Protel99 系统，执行 File(文件)/New(新建)命令建立一个新的原理图 设计数据库，或者打开一个已经存在的数据库。如图 1-1 所示。 2、建立或者打开一个文件后，执行 File(文件)/New(新建)命令 3、新建文件将会打包在当前所创建的文件（原理图设计数据库文件）中，系统把 系统默认文件名改为你所想生成文件名后，点击图标即可进入原理图设计平台，进行原 理图的设计与编辑。 4、进入设计窗口后，可以在首先执行 design(设计)/Options(选项)菜单下设置图 纸的风格和大小尺寸等，具体参数设置如下： (1)、图纸方向的设置。在执行 design/options 后弹出的对话框中，选择 sheet options 选择进行设置。其中 landscape 是横向，而 portait 则是纵向图纸设置。 (2)、设置图纸颜色（图纸边框底色） 。Border 选择项用来设置边框颜色，在选择了 此项时，系统会弹出颜色对话框，你只需选择所需颜色后点击 OK 键后即可。Scheet 是 设置图纸底纹颜色。在选择该选择页后同样会弹出颜色对话框，设置方法同上。 (3)、系统字体的设置。在点击 Design/options 后，选择 change system font 按 钮，则可弹出字体对话框，您可以进行字体设置了。 (4)、电气节点的设置。在 document options 对话框中，Electrical grid 单选项 是对电气节点的设置，如果选择此项，则系统就会将光标自动移动到它的搜索半径内， 并且在该点上显示一个圆点。 (5)、在 document options 对话框中，选择 organization 则是进行文档属性，名 称，设计单位等进行设置。 5、在设置好以上基本的内容后，则对原理图编辑平台半截元件库。 （有些不同的元 件可能半截不同的元件库，要根据自己所设计的原理图选择所要加载的元件库，具体参 照本网站上有关具体说明。这里以基本元件库加以说明）执行 Design/Add/remove 西安工业学院毕业论文 25 library 菜单，来打开对话框，在弹出的对话框中，选择 Design Explorer 99Librarysch 文件夹下的文件类型为*.ddb 的库元件文件，这里选择 Miscellaneous Devices。加入元件库后即可在编辑区内进行元件放置与元件属性的修改了。 6、对元件库进行装载以后，可通过 place(放置)/part（元件）命令直接进行元件 的放置，也可以用工具条上的按钮，打开所对应的对话框进行元件的放置。如果要修改 元件的属性，可以直接双击所要修改的元件，在弹出的对话框中对所要修改的项进行修 改。 7、元件放置完以后，下一步工作即是对元件的位置进行调整，元件的调整非常简 单，只需要点击所需移动的元件，按住不放，然后拖到所想要放置的位置放开即可。 8、对元件位置调整好以后，即可以对元件进行连线，放线可以直接点击所想连接 元件的管脚，然后按住不放，拖动到另下个元件的所需连接的管脚上，线自然就连接上 了。 9、作完以上步骤以后，下一步则要对所设计的电路图进行检查。若要进行电路图 错误检查，可以使用命令 Tools/ERC 打开对话框，进行错误检查设置。 (1)、setup 选项的设置。a、ERC Options 操作框的设置。multiple net names on net 是检查同一个网络上是否拥有多个不同名称的网络标识。Unconnected net labels 检查绘图页面中是否有不连接到其它电气对象的网络标识。Duplicate component designators 检查图纸中是否有元件编号重号的错误。 （若有重号，可以通 过 Tools/Annotate 对元件进行重新编号） 。b、Options 选项框 create report file 设置列出全部 ERC 信息并产生一个文本报告。Add error markers 设置图纸上有错误或 获情况的位置上放置错误标记。 (2)、rule matrix 选项 setup electrical rule check 对话框是用来定义各种 引脚、输入与输出及各端口间的连接情况是否构成错误或者警告。 10、如果通过以上的检查，则可以生成网络表。执行 design/create net list 命 令，生成网络报表。 西安工业学院毕业论文 26 7 7 电路板的印制电路板的印制 随着电子技术的飞速发展和新型电子元器件的不断涌现，现代电子电路已经变得愈 来愈复杂。而另一方面，微型计算机技术的迅猛发展，为我们提供了一个进行电路辅助 设计的完美平台。 设计中使用的 protel99 软件是一个功能强大的电路 CAD 软件。Protel99 被设计成 为一个客户/服务器应用程序，它包含有数目众多的服务器程序，原理图设计服务器、 网络生成服务器、电路仿真服务器、PCB 设计服务器和自动布线服务器等等。设计者可 以运行各种服务器程序组件。而且，protel99 有很强的兼容性，不论是 protel99 本身 的组件，还是来自第三方的设计组件，都可以很容易地嵌入到 protel99 中，以增强其 功能。Protel99 的客户程序还提供给设计者一些基本的使用资源，如菜单、快捷键、工 具栏、状态栏、工具管理等，设计者对这些资源可以自由定义，建立便于自己使用的菜 单、快捷键、工具栏等。Protel99 强大的功能，可以使设计者随心所欲的设计各种电子 电路，是一个非常实用的 CAD 软件。 印刷电路板是整个通讯协议卡系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷 电路板设计的好坏与否对抗干扰能力有很大影响，所以印刷电路板设计决不单是器件、 线路的简单布局安排，同时还必须符合抗干扰的设计原则。 7.1 布局 本文中的电路设计采用手工布局。手工布局的优点是：设计者可以完全按照电路工 作的实际要求来进行元件的布局，所生成的元件布局可以符合实际要求，也利于后面的 布线操作。同时，对于一个有着特殊要求的电路来讲，手工布局将极大地体现出设计者 的构思和灵感。 元件的布局首先要考虑 PCB 尺寸的大小。PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加， 抗干扰能力下降，成本也相应的增加；PCB 尺寸过小则不利于散热，而且邻近的线条也 容易受干扰。在确定 PCB 尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元 对电路的全部元件进行布局。 在确定特殊元件的位置时要遵循以下的原则： 1 尽可能的缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和互相间的电磁 干扰。易受干扰的元器件不能相互挨的太紧，输入和输出元件尽量远离。 西安工业学院毕业论文 27 2 一些元件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引 起短路。 根据电路功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则： (1) 按电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号 尽可能保持方向一致。 (2) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局。元器件应均匀、整齐、 紧凑地排列在 PCB 上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。布局过程中，应尽 量将相关的元器件就近放置，以减少走线的长度；时钟电路、晶振、电容应紧贴相接的 芯片，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。 (3) 位于电路板边缘的元器件，与电路板边缘一般不小于 2mm。电路板的最佳形状 为矩形。 7.2 布线 布线是重要的抗干扰措施，本设计中首先对电源线进行手工布线，紧接着对电路 板的其他部分进行自动布线，最后再对整个电路的布线进行手工修改。在整个布线过程 中，应遵循以下原则： 1 输入和输出端的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈耦合。 2 印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值 决定。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选 0.020.3mm 导线宽度。尤其是电源线 和地线。电源线和地线应接成树状，尽量加粗，是它能通过三倍于印制板上的电流。如 有可能，接地线应在 23mm 以上。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻 和击穿电压决定。对于集成电路，其间距最小可到 0.5mm。 3 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此 外，尽量避免使用大面积的铜箔，否则，长时间