基于单片机电动推拉柜设计报告.docx

目录 学号：1203636044河南大学民生学院毕 业 设计（ 2016 届）年 级 2012专 业 班 级 电子信息科学与技术学 生 姓 名贺晨阳指导教师姓名黄宗胤指导教师职称讲师论文完成时间2016年5月4号河南大学民生学院教务部二一六年印制目录摘要10前言11相关理论21.1H桥原理简述21.2 H桥的简单分析31.3 H桥的主要性能52单片机的介绍及选取62.1单片机介绍62.2单片机AT89S52的特点63所用程序以及电路93.1硬件连接与介绍103.2控制程序104模块设计与连接示意图125结论14参考文献14河南大学民生学院本科毕业设计基于单片机电动推拉柜设计报告贺晨阳（河南大学民生学院，河南 开封，475004）摘要本文主要介绍一种以AT89S52单片机为控制核心和以H桥为理论基础的推拉柜自动控制系统，给出了自动控制的结构图，描述实现了柜子自动控制的具体方法，以及所涉及的程序；柜子采用最原始的拉伸方法，通过电机的转动，实现动力的传输，靠单片机的程序来实现其正反转，加减速以及急停。简单地实现了柜子的自动化控制。关键词：单片机 ；H桥原理；自动推拉柜窗体顶端您是不是要翻译： Based on single chip microcomputer electric push-pull cabinet He Chen-yang(School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)Abstract:This paper mainly introduces a AT89S52 SCM as control core and to the H bridge for the theoretical basis of push and pull cabinet automatic control system, gives the automatic control structure diagram to describe the specific methods of the automatic control cabinet, and involved in the program; cabinet with the most primitive stretching method, through the rotation of the motor, realize the power transmission, by the MCU program to achieve its positive inversion, acceleration and deceleration and emergency stop. Simply realized automatic control cabinet.Keywords: SCM H bridge; principle automatic; push-pull cabinet0前言我国的改革开放，经济的飞速发展，使得人民物质生活水平不断提高，人们对其生活的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有方便的生活，而且对其安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。现在的自动控制系统已经为我们的生活提供了太多的便利，融合了计算机、信息与通信、消费类电子三大领域的信息产品开始广泛地深入家庭生活，它给人们带来了方便、快捷的生活体验。传统的推拉柜在我们的生活中可以说是无处不在，它已经给我们的生活带来了很大的便利，但是我们还可以让它更进一步的改变我们的生活，传统的衣柜多采用人工关闭的方式，在忙碌一天的快节奏生活状态下，疲惫的人们总是懒于整理自己的家居，本着方便、安全、节能、人性化的设计理念，自动推拉柜可以方便人们，使现代生活得到显著提高。随着电子通讯技术的飞速发展，单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点已在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭生活的低价位、运行可靠、具有自动关开功能的系统，可有效方便人们的生活，对这个快节奏的生活提供很大的便利，当然此系统不只可运用在柜子上，对于需要推拉实现的门、窗同样适用。在此基础上还可以加入传感器，防盗器以实现不同的功能。本文只简单介绍推拉功能的实现。1相关理论1.1H桥原理简述典型电路：所谓 H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如图1所示。图1：H桥典型电路从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“ H 桥驱动”1。4个开关所在位置就称为“桥臂”2。假设开关 A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。电机的另外的2 个工作状态：A） 刹车 将B 、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。B） 惰行 4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成回路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。典型电路构成：以上只是从原理上描述了H 桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。双极性晶体管构成的 H 桥如图2所示。图2：双极性晶体管构成的H桥MOS管构成的 H 桥如图3所示。图3：MOS管构成的H桥1.2 H桥的简单分析由两个三极管，一个可以对正极导通实现上拉，另一个可以对负极导通实现下拉。由两套这样的电路，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来。H 桥的电路原理图如图4所示。图4:H桥电路原理图图5:IR4227模块连接示意图图6:死区时间示意图电机驱动方案-IR4227 由单片机PWM模块输出的两路PWM信号与INA及INB相连接如图5所示。IR4227是MOS管驱动芯片，用于电平转换。四只大功率MOS管构成H桥， PWM占空比大，则转速高；PWM占空比小，则转速低。电路中MOS驱动芯片和MOS管都工作在开关状态，开关损耗小3。当INA为高电平、INB为低电平时，Q1导通、Q2截止、Q3截止、Q4导通，电机正转 ；当INA为低电平、INB为高电平时，Q1截止、Q2导通、Q3导通、Q4截止，电机反转。当PWM0和PWM1同时为高电平或低电平时无电流，电机不转。上图使用了PMOS和 NMOS 管子，实际上改变电路也可以使用同类的管子。死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题或电机运行时DIR信号突然反向而发生同时导通而设置的一个保护时段如图6所示。通常也指PWM响应时间4如图7所示。图7:H桥驱动脉冲波形1.3 H桥的主要性能A） 效率：所谓驱动效率高，既要将输入能量尽多输出给负载，驱动电路少耗能，具体点，既4个桥臂导通时最好没有压降。B） 安全性：不能同侧桥臂同时导通；C） 电压：能够承受的驱动电压；D） 电流：能够通过的驱动电流。E） 温度：直流电机H桥驱动时，测三极管或场效应管的工作温度长时间满负荷工作，不应该烫手5.2单片机的介绍及选取2.1单片机介绍单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个既小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务6。其诞生于20世纪70年代末，主要经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。 SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。 MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此,专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。2.2单片机AT89S52的特点AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案7。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结,单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止8。8 位微控制器8K字节在系统可编程 Flash AT89S52。 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口9。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻10。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 端口引脚第二功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器的指令。 FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP11。AT89S52的引脚图如图8所示。图8：AT89S52的引脚图AT89S52实物图如图9所示。图9：AT89S52实物图3所用程序以及电路3.1硬件连接与介绍 硬件连接是AT89S52的仿真图，以及在示波器上测试的连线，控制板是简单的示意，在控制板图片上，有功能的介绍。硬件连接示意图如图10所示。图10：硬件连接示意图按键未按下时为1，按下键时为0；按键按下时电机动作，释放停止本次I/O连接：/1.0为PWM输出/1.1为正反转输出/1.4为加速控制/1.5为减速控制/1.6为正反转控制/1.7为急停控制3.2控制程序控制程序主要是利用定时器控制产生占空比可变的 PWM 波按K1，PWM值增加，则占空比减小,加速。按K2，PWM值减小，则占空比增加,减速。 当PWM值增加到最大值或减小到最小值时，蜂鸣器将报警。 PWM EQU 30H OUT EQU P0 ;接口INCKEY BIT P1.4 ;K1,PWM值增加键。 DECKEY BIT P1.5 ;K2,PWM值减小键。 BEEP BIT P3.7 ORG 0000H LJMP START ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0050H下面是控制电机的主程序，先进行初始赋值，当脉宽增加到最大值时，会自动检测，蜂鸣器会发出声音提醒，在减小的情况小，达到最小值，蜂鸣器同样也会发出声音，自动增加脉宽。START: MOV SP,#60H MOV PWM,#7FH ;赋初始值 MOV TMOD,#21H MOV TH1,PWM ;脉宽调节 MOV TL1,#00H MOV TH0,#0FCH ;1ms延时常数 MOV TL0,#066H ;频率调节 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 SETB TR0LOOP: MOV A,PWM ; JB INCKEY,LOOP1 ;增加键是否按下？ ACALL DELAY ;延时去抖动 JB INCKEY,LOOP1 CJNE A,#0FFH,PWMINC ;是否到最大值？ ACALL BEEP_BL ;是，蜂鸣器报警。 AJMP LOOPPWMINC: INC PWM ;调节脉宽（脉宽减小） AJMP LOOPLOOP1: JB DECKEY,LOOP2 ;减小键是否按下？ ACALL DELAY ;延时去抖动 JB DECKEY,LOOP2 CJNE A,#02H,PWMDEC ;是否到最小值？ ACALL BEEP_BL ;是，蜂鸣器报警。 AJMP LOOPPWMDEC: DEC PWM ;调节脉宽（脉宽增加）LOOP2: AJMP LOOP下面是T0中断服务子程序，主要是控制电机中断，通过频率的调节，实现急停的功能，以及从新启动。INTT0: CLR TR1 MOV TH0,#0FCH ;1ms延时常数 MOV TL0,#066H ;频率调节 MOV TH1,PWM SETB TR1 MOV OUT,#00H ;启动输出 RETI 4模块设计与连接示意图模块设计主要是以AT89S52单片机为控制核心和以H桥为理论基础，单片机AT89S52与H桥（IR4227）的连接以及自动控制开关所连接，柜子采用最原始的拉伸方法，通过电机的转动，实现动力的传输，靠单片机的程序来实现其正反转，加减速以及急停。模块设计与连接示意图如图11所示。简单给出了画出了主要部件以及连线，具体连线可参考作品照片展示。作品的下部分是2个板子的实物连接，以及接线。其中万用板是控制开关，上面有明显的标注，可以给使用者提供帮助。设计是简单的模型，在图的上方是简单的柜子门的模型，在柜子下方有凹槽，可以方便柜子门在下面滑动，动力传输是一个简单拉伸装置，达到力的传输，从而拉动柜子门的运动。作品照片展示如图12所示。图11：模块设计与连接示意图在照片展示图1中，从正前方拍照，