（通信与信息系统专业论文）GHltZgt横电磁波室内测试转台自动控制系统的设计.pdf

郊州大学硕士研究生论文 摘要 本课题来自河南省科技攻关项目一“利用横电磁波室代替开阔测试场地进行辐射干 扰测量”。本课题是为横电磁波室设计一个自动测试转台，将待测设备放到该转台上， 通过人为控制该转台进行一系列的自动动作，使待测设备的位置变换到i e c6 1 0 0 0 4 2 0 要求的所有测试位置。 通过对自动测试转台技术要求的分析和论证，并对市场上所能购买到的器件的调 研，最后确定，转台机械部分采用全工程塑料材料制造；动力部分采用3 个三相同步 齿轮减速电动机和1 个单相电动机来实现：控制部分采用淝u 、i o 扩展、液晶显示器 和控制电路等几大部分组成。本课题的主要内容就是控制部分的设计。 通过仔细的分析和调研，最后确定控制部分采用以a t 8 9 c 5 1 为m c u ，以8 1 5 5 h 为i o 扩展，以s m g l 2 8 6 4 a 液晶显示器为人机界面所组成的系统。a t 8 9 c 5 1 作为m c s5 l 系列 的产品之一具有实用和价廉的特点；采用8 1 5 5 h 不但可以扩展系统的1 0 资源，还能提 供额外的r a f 和定时器，非常适合系统将来升级之用；s m g l 2 8 6 4 a 能一次显示1 6 x 1 6 点 阵的汉字共3 2 个，很好地满足了人机对话中对各种提示说明的需要。 本课题针对控制系统进行了硬件和软件的设计，硬件部分主要是a t 8 9 c 5 l 和8 1 5 5 h 的接口，8 1 5 5 h 和s m g l 2 8 6 4 a 的接口，控制电动机的继电器和a t 8 9 c 5 1 的连接，以及控 制键盘电路的设计。软件部分主要包括了液晶显示器的驱动程序，电动机控制程序等。 以上设计均通过了调试，可以理想地实现期望的功能。 关键词：g h z 横电磁波室，测试转台，单片机，自动控制系统 塑型查兰塑型塞圭鲨苎一 a b s t r a c t t h i st h e s i si so n eo ft h es u b j e c t so f ， w h i c hi st h es c i e n t i f i ck e yi s s u eo fh e n a np r o v i n c e t h ep u r p o s eo ft h et h e s i s i st od e s i g na na u t o m a t i cm e a s u r i n gr o t a t i o np l a t f o r m ， w h i c ha l l o w st h ee u t ( e q u i p m e n tu n d e rt e s t ) t ob ep l a c e do ni t t h ep o s i t i o no fe u tc a nb ea l t e r e d a u t o m a t i c a l l yt oas e r i e so fp l a c e ss p e c i f i e db yi e c6 1 0 0 0 一4 2 0t h r o u g ha c o n t r o l l i n gd e v i c eo ft h ep l a t f o r m b ya n a l y s i sa n dc o n f i r m a t i o no ft h et e c h n i c a lr e q u i r e i e n t so ft h ea u t o m a t i c m e a s u r i n gp l a t f o r m ，a t1 a s t ， i ti sd e c i d e dt h a tt h ei f l e c h a n i c a lm a t e r i a lo ft h e p l a t f o r ma d o p t se n g i n e e r i n gp l a s t i cm a t e r i a l ， t h ed r i v i n ge q u i p m e n t sa d o p t3 t h r e e p h a s es y n c h r o n o u sg e a r g r a d u a t i o nm o t o r sa n dls i n g l e p h a s em o t o r ， t h e c o n t r 0 1 l i n gu n i ta d o p t sm c u ， i oe x t e n s i o n ，l c da n dc o n t r 0 1c i r c u it t h em a i n c o n t e n to ft h et h e s i si sa b o u tt h ed e s i g no ft h ec o n t r o lli n gu n i t b yc a r e f u la n a l y s i sa n dr e s e a r c h ， i t i sd e c i d e dt ou s ea t 8 9 c 5 1a st h e f c u ， u s e8 1 5 5 ha si oe x t e n g i o n ，u s es m g l 2 8 6 4 al c da st h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e a t 8 9 c 5 lh a st h ea d v a n t a g e so f1 0 wp r i c ea n dh i g hp e r f o r m a n c e ，8 1 5 5 hc a np r o v i d e n o to n l ye x t e n d e di or e s o u r c e ，b u ta l s oe x t r af t a ma n dt i m e r ，w h i c hi sv e r y s u i t a b l ef o rf u t u r eu p g r a d eo ft h es y s t e m ，s m g l 2 8 6 4 ac a nd i s p l a y3 2c h i n e s e c h a r a c t e r sw i t h1 6 x 1 6p i x e lm o d u l ei no n es c r e e n ，w h i c hp e r f e c t l ym e e t st h e d e m a n d so fo p e r a t i o n a lh i n t t h et h e s isisa b o u tt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h eh a r d w a r e d e s i g nm a i n l yi n c l u d e st h ei n t e r f a c ed e s i g no fa t 8 9 c 5 la n d8 1 5 5 h ，i n t e r f a c e d e s i g no f8 1 5 5 ha n ds m g l 2 8 6 4 a ，t h ec o n n e c t i o no fa t 8 9 c 5 la n dr e l a y sc o n t r 0 1 1 i n g m o t o r sa n dt h ec o n t r o l l i n gk e y b o a r dd e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e s t h ed r i v e ro fl c d ，c o n t r 0 1 1 i n gs o f t w a r eo fm o t o r s ，e t c t h ea 1 1a b o v em e n t i o n e d d e s i g n sh a v ea l lp a s s e dt h ec o m m i s s i o n i n ga n dc a nf u l f i l lt h ee x p e c t e df u n c t i o n s i d e a l1 v i i 郑州大学硕士研究生论文 k e yw o r d ：g t e mc e l l ，m e a s u r i n gp l a t f o r m ，m c u ，a u t o m a t i cc o n t r o l l e ds y s t e m i i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意承担由此产生 的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：三名弋 y 叩年j 月) ，s 日 郑州大学硕士研究生论文 第一章前言 1 1 课题的背景和意义 随着现代科学技术的发展，电气及电子设备的数量、种类不断增加，空间电磁环 境变得f i 益复杂。在这种复杂的电磁环境下，一方面如何减少设备闻相互的电磁干扰， 使各种设备能正常工作，另一方面，如何减少复杂的电磁环境对人类及生态产生的不 良影响等等，都是迫切需要研究的课题。因此，进行电磁兼容的测量和实验就成了一 项非常重要和有意义的科研工作。 进行电磁兼容测试，最基本的条件之一就是要有一个符合标准的测试场地。目前 电磁兼容测量主要在以下几种测试场地上进行；1 、室外开阔测试场地；2 、电磁兼容 暗室。其中室外开阔测试场地受环境的影响很大，如有风、雨、雪、雾时，会影响测 量结果甚至不能进行测量：而电磁兼容暗室的造价太高，目前在河南还没有这样的测 试场地。 i e c 标准6 1 0 0 0 一4 2 0 中推荐使用g t e mc e l l ( g h z 横电磁波室) 测量辐射干扰“1 。 g t e mc e l l 具有造价低、占用空间小、受环境影响小、测量截止频率高( 可以达到3 g h z 以上) 、测量区域被屏蔽在g t e mc e l l 内，不受外界的干扰，也不会对周围的环境造 成干扰、测量中不使用天线，也就不需要在测量不同频段的电磁辐射时更换天线等优 点。利用横电磁波室进行电磁兼容测量如图1 1 所示。 g t e m e u t 黼 图1 1 利用横电磁波室进行电磁兼容测量示意图 参耄舞 郑州大学硕士研究生论文 在横电磁波室( g t e mc e l l ) 内测量辐射干扰，i e c 标准6 1 0 0 0 一4 2 0 中要求e u t ( 待 测设备) 翻转到不同的方位，测量中e u t 可能的方位如图1 2 所示，可以分为四组( 每 列是一组) ，每组测量3 个方位，称为3 方位法。i e c6 1 0 0 0 4 2 0 中规定需要作两 组测量( 共2 3 = 6 个方位) ，例如图1 2 中的第l 组和第3 组，或第2 组和第4 组。 测量中对于每一个频率，记录两组中相应方位( 例如a l 和a 3 ，b 1 和b 3 ，c l 和c 3 ) 测得的最大电压。分臼国曰 姑蚺一 y z 列州吨聊x ) 甜 移v 圃圄 蜉y 州t l 辫c 3 州，扭) 冲x + )c x y ，x7 z 归 图1 2 被测设备位置变更示意图 在横电磁波室( g t e m c e l l ) 内测量辐射干扰通常都要借助一个测试转台，将被测 设备放在这个转台上，通过转台的机械运动使被测设备的位置发生变化，达到i e c 6 1 0 0 0 4 2 0 规定的测量位置。目前国内外针对测试转台的设计有很多，如固定式转 台，提拉式转台等。这些装置控制精度不高，使用效果也不太理想。 为此，作为河南省科技攻关项目一利用横电磁波室代替开阔测试场地进行辐射 干扰测量的课题之一就是设计出一个能够实现自动控制且控制精度高、使用便捷的 测试转台，该转台的投入使用能够减少电磁兼容测量的工作量，提高工作效率。 1 2 “自动控制测试转台”的设计概要 本课题主要包括以下几方面的工作： 2 一回 回 一句 酋 邓 国 郑州大学硕十研究生论文 ( 1 ) 熟悉测试转台的机械构造 了解转台转动的机械过程，咀便结合其运转特点进行控制部分的设计 ( 2 ) 驱动转台的电动机的选型 不同的电机的驱动能力和驱动方式都不相同，只有当电动机的型号确定后，才能 进步确定控制部分的设计思路。 ( 3 ) 控制部分硬件的设计、研制 ( 4 ) 控制部分软件的设计、研制 ( 5 ) 控制部分的调试 1 2 1 硬件设计 根据测试转台的动作要求( 转台转动的角度，速度和承载能力等) 、驱动电机的型 号及转台的操作特点，最后确定系统硬件由m c u 、i 0 扩展、液晶显示和驱动电路等 几部分组成。 在系统设计定型后，继续对核心器件的选型进行分析和论证。由于本控制装置中 未涉及到对模拟量的控制( 都是针对电动机启动闭台继电器的控制) ，以及系统工作 时控制电路不需要工作于很高的频率和进行复杂的运算，最后确定m c u 采用价廉性能 高的a t 8 9 c 5 1 单片机。作为一个控制系统，良好的人机界面是操作人员正确操纵转台 进行工作的不可或缺的工具，本系统采用s m g l 2 8 6 4 a 液晶显示器作为人机界面，该显 示器能够一次显示3 2 个汉字，足够满足在转台运行过程中提供各种运行状态的提示 和说明的要求。鉴于系统控制电机数量较多，液晶显示器占用i 0 接口数量大和 a t 8 9 c 5 1 本身i o 接口数量有限等情况，必须采用一个i o 扩展电路对系统有限的i o 资源进行扩展。经过分析和选择，最后决定采用可编程i o 扩展芯片8 1 5 5 ，该芯片不 仅能够扩展i 0 端口，而且具有内部自带的r a m 和可编程定时计数器，可作为系统 将来升级的额外资源。由于该芯片内置了地址锁存器，可直接与a t 8 9 c 5 1 的p o 口相 连，简化了电路结构。 本课题对8 1 5 5 与液晶显示模块接口、a t 8 9 c 5 l 与8 1 5 5 接口、电机控制电路、电 郯州人学硕士研究生论文 源电路、键盘电路及功率放大电路等进行了设计，同时在印刷电路板和系统抗干扰上 也做了精心设计。 1 2 2 软件设计 在硬件结构确定后，下一步就要进行软件模块的设计。 软件部分的设计包括键盘扫描模块，液晶显示驱动模块、i 0 芯片驱动模块以及 电机控制模块部分等，主要通过程序流程图的方式来介绍，同时对软件开发的环境和 仿真装置也做了简要的介绍。 软件和硬件共同组成了一个具有反馈、显示等功能的自动控制系统，能够实现转 台动作所要求的各种功能。 1 3 本文的主要内容及结构 本文分6 个章节对课题进行论述。 第一章前言：本章介绍了该课题的背景和工作范围。 第二章总体设计思路和主要器件的选择：该章内容介绍了系统的工作原理和所 选用器件的概况及选用原因。 第三章系统硬件电路设计：对整个控制系统的硬件设计进行了详细说明。 第四章系统软件设计：对系统中各个部分的软件设计和流程进行了详细说明。 第五章系统调试：介绍了系统调试的过程和调试中注意的问题。 第六章设计中出现的问题：对设计中发现的问题进行了说明，并探讨了解决这些 问题的途径。 4 塑型查兰婴主婴塞兰堡整 第二章总体设计思路和主要器件的选择 2 1 转台工作原理 首先介绍一下转台的工作原理，如图2 1 所示。 ， ；2 卜。li j ， “ i ，只。；强j ：f i 诅鲁，3 t 一 ，7 。“。“。1 “1 。“1 1 1 1 。1 。一 1 假设被测设备开始处于上图中位置 2 下一步板2 绕o a 轴向上旋转9 0 度 3 然后板1 和2 同时绕0 a 轴旋转 9 0 度至下图所示位置； 。 ， c 鬻了7 鬈，- _ 彳 一一一 2 ，一7 4 最后板1 回复原位，完成测试 设备的位置变动。 图2 1 被测设备位置变更示意图( 列变换) 转台全部由工程塑料材料制成，不采用金属材料的目的是为了防止在电磁兼容测 量中金属材料对空间磁场分布的影响会引起测量误差，同时3 个电动机的位置靠近 g t e mc e l l 的底板，减小了对测量的影响。 整个转台面由4 块小平板组成，转台中心0 处布置了1 个中心轴电机，当中心轴 电机启动时，则整个转台面在水平面内转动。假设e u t 开始处于图1 2 中的位置a 1 ， 那么当整个转台面在水平面内沿逆时针方向( 俯视) 旋转9 0 度后，待测设备的位置 就改变为图1 2 中a 2 ，把这种位置变换称为行变换( 因为被测设备的位置变换发生在 图1 2 中的同一行内) 。再来看一下图2 1 ，在板l 和板2 下也分别布置了1 个电动机， 这里把这两台电动机称为翻转电动机，因为当它们启动后，板1 和板2 就会向上翻起 或向下回落到水平面内，所以这两个电动机都是可以正向和反向旋转的。同样假设被 h ， 一 ， ： 0 一， 、一 ， 备 4 醺， 、id 彳 n ， 了， 一 ，僵 一 ， 一 郑卅i 大学硕十研究生论文 测设备开始处于图1 2 中的位置a l ( 如图2 1 中1 所示) ，当图2 1 中步骤2 、3 、4 按顺序完成后，则实现了被测设备由位置a 1 变换到了图1 2 中的位置c 2 ( 由于被测 设备的位置变更发生在图1 2 中的不同行内，这里把这种变换称为列变换) 。通过执 行不同的行变换和列变换的组合，就可以实现把被测设备变换到图1 _ 2 中所示的所有 方位。 上述提到的3 个电机的位置都是固定的，所以如果图2 1 中整个转台平面绕0 点 在水平面内沿逆时针( 俯视) 方向转动9 0 度后，则两个翻转电动机就会分别在板4 和板l 的下面。 这里需要提到的一个细节是，在图2 1 中当转台从步骤2 到步骤3 变化时，可能 会因为被测设备的自重过大，而在翻转过程中使整个转台平面发生绕中心轴o 的转动， 如果发生转台平面转动的情况，则图2 1 中步骤4 所示被测设备的位置就不是图1 2 中c 2 的严格位置( 因为出现了角度的偏转) ，就会影响测量结果的准确性，又因为转 台是由塑料材料制成的，所以当转动程度严重时可能会损坏转台。 要防止这一情况出现，就必须使转台平面在列变换的整个过程中不发生转动。这 里采用了凸轮定位装置来解决这一问题，如图2 2 所示。 图2 2 凸轮定位示意图 每当进行列变换之前，凸轮定位机构首先定位在图2 2 所示状态，将整个转台平 面卡死，确保转台面不会发生转动，然后再进行图2 1 所示的变换。列变换完成后， 凸轮绕凸轮中心轴从图2 2 所示位置旋转1 8 0 度，使定位卡块回收，这样转台可以继 6 郑州大学硕士研究生论文 续在水平面内转动，就可以进行行变换。 2 2 设计思路 从上一节工作原理可以看出，整个系统是由4 个电动机的协同工作来实现转台的 各种功能的，所以如何理想地控制这四个电机是设计的核心所在。 首先需要一个m c u ，它必须具有i o 控制口，能通过指令改变i o 口状态来启动、 停止电机；然后是功放电路，因为c p u 的i 0 口的驱动能力不可能直接去驱动大功率 电动机；接着需要一个键盘来实现控制指令的输入；最后是人机界面，必须有一个这 样的界面来使操作人员随时了解整个系统的工作状态以及各种操作提示。 至于四个电机的控制，考虑到翻转电动机对位置的精确要求，其开启和停止可用 限位装置来实现：在行变换过程中，由于中心轴转动的机械部分采用了“马尔它”机 构，所以对中心轴电机的控制可以利用定时器来实现；而凸轮定位机构的驱动电机同 样因为对控制精度的要求不高，也可以采用定时启动、停止的办法。 有了思路后，接下来就要进行器件选择。 2 3 器件选择 2 3 1 四个电动机的选择 最初设计时，因为对这几个电机都要进行转动角度的控制，所以曾考虑过采用步 进电动机。1 和伺服电动机，但最终因为没有合适的型号( 包括转速、功率等方面) ，所 以只能从同步电动机中寻找。而同步电动机又可以采用变频和齿轮变速来实现低转速 控制，经过再一次的分析比较，由于同步变频电动机。1 在较低转速( 每分钟8 转以下) 时所能提供的力矩有限，所以也不能采用。 对于中心轴电动机，由于它是承载整个转台平面进行转动的，所以对它的要求是： l 、功率必须足够大；2 、转速不能太高。因为如果电机功率小的话，当重量较大的被 测设备置于转台面之上时，有可能难以驱动转台转动；而转速过高的话，如果被测设 备的几何形状不是很规则，在转台转动时，有可能被测设备会从转台平面上跌落下来。 郑州人学硕士研究生论文 鉴于以上原因，在该课题中采用了转速较低的三相同步齿轮减速电动机，其功率为 5 0 0 w 。 对于翻转电动机，与中心轴电动机相比，它要求的功率可以小一些，转速相对也 可以高一些，但要求这两个电动机的型号必须一致或各项参数必须相近，而且都可以 沿正向和反向两个方向旋转，因为三相电动机的正向和反向转动通过改变它任意两个 相序的接线就可以实现，所以这里采用了功率为3 7 0 w 的三相同步齿轮减速电动机。 最后一个电动机是用来驱动凸轮定位机构的，这里把它称之为凸轮电动机。由于 这个电动机只是用来驱动凸轮定位装置，托起卡块，功率需求很小，所以这里采用了 功率为2 0 w 的单相交流小电机。 2 3 2m c u 的选择 可供作为微控制器的芯片有很多，如p l c 、d s p 、f p g a 等，但从2 2 设计思路部分 的内容可以看出，该系统在控制上不需要进行复杂和实时的数据处理，不需要较高的 运算精确度和速度，而更应注重于性能的稳定和造价的合理性，所以这里决定采用价 格低廉而各方面性能都能满足要求的8 位5 l 系列单片机来设计。 2 3 2 18 位单片机的发展历史 所谓单片机是将输入输出( i o ) 接口电路、时钟电路、一定容量的存储器和中 央处理器等部件集成在一个芯片上，简称为微控制器一m c u ( m i c r oc o n t r 0 1 l e ru n i t ) 。 单片机作为控制系统的核心部件，必须具有灵活、可靠的控制功能，可以实时地 监测系统输入、输出。与通用微机相比，单片机主要具有如下特点“1 ： ( 1 ) 抗干扰性较强，工作温度和电压范围宽； ( 2 ) 对数据的处理能力较差： ( 3 ) 控制功能和灵活性较高： ( 4 ) 指令系统相对较简单； ( 5 ) 稳定性和可靠性较高； 塑型叁堂堕生竺窒兰丝苎 一 ( 6 ) 其更新换代的速度较慢； 自m c s 一5 1 单片机诞生至今已有近3 0 年的历史了，但8 位单片机现今仍在许多场 合发挥着主要作用，由此可见其生命力之强大”1 。目前单片机芯片系列、品种、规格 繁多，从4 位机到8 位、1 6 位、3 2 位等一应俱全。以前在家用电器领域，如空调、 洗衣机、电视机、电冰箱等多采用4 位机，如今随着8 位单片机价格的不断下降和其 控制功能的不断强化，它们已被大量采用在家电和工业控制等领域中 8 位单片机的发展先后经历了3 个阶段”1 ： 第一代8 位单片机的功能比较落后，如在1 9 8 0 年以前i n t e l 公司出品的m c s 一4 8 系列单片机产品，只有中央处理器、小容量存储器、基本i o 接口和简单的中断控制 等部分电路，没有a d 和d a 转换以及串口通讯等功能。由于其功能十分有限，其应 用范围也十分狭窄。 第二代8 位单片机在第一代的基础上增加了通用串行通信控制和管理接口部件 ( u a r t ) ，并强化了中断控制和管理功能，同时增加了定时计数器的个数，还更新了 存储器的种类以及扩展了存储器的容量。部分单片机甚至还在芯片内集成了a d 和 d a 转换接口电路。这一代单片机的典型代表产品有：i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列、 m o t o r 0 1 a 公司的6 8 0 l 系列、z “o g 公司的z 8 系列，以及n e c 公司的u p d 7 8 0 0 等。由 于第二代8 位单片机的功能较第一代有大幅度的提高，所以当它们投入市场后，就迅 速取代了第一代单片机，成为主流产品，并保持了l o 年的长盛不衰的记录。虽然第 二代8 位单片机有着如此众多的优点，但由于其个性不突出，过于注重通用性，仍然 不能满足不同应用领域的不同需求，于是在2 0 世纪9 0 年代中后期，人们研制出了第 三代8 位单片机。 第三代8 位单片机较第二代单片机，除了进一步加强了原有的各种功能外，又针 对不同的应用领域、不同的需求，将不同功能、用途的外部接口电路嵌入到第二代单 片机内核之中，于是形成了规格、品种繁多的第三代8 位单片机。这一代单片机的典 型代表产品包括：i n t e l 、p h “i p s 公司的8 x c 5 x 系列，m o t o r o l a 公司的6 8 h c 0 5 、6 8 h c l l 系列，m i c r oc h i p 公司的p 1 c 1 6 c 系列等。其中阻增强型m c s 一5 l 为内核的8 x c 5 x 系列、 以6 8 0 l 为内核的6 8 h c 0 5 和6 8 h c l l 系列以及m i c r o s o f t 公司的p i c l 6 x x 、p i c l 7 x x 系 列产品最为畅销。 2 3 2 28 x c 5 x 系列芯片的特点 新一代8 位嵌入式单片机8 x c 5 x 的主要特点如下”1 ： ( 1 )多样化的程序存储器类型，大容量，规格多，f l a s hr 正逐渐成为主流 程序存储器。 第一、二代单片机由于其存储器种类单一、容量有限，造成了使用上不方便，而 且还要进行存储器扩充电路的设计，往往使得电路规模不能最小化，失去了使用单芯 片系统的意义。 8 x c 5 x 系列不同型号单片机的程序存储器从4 k b 扩展到8 k b 、1 6 k b 、3 2 k b 甚至6 4 k b ； 片内r a m 存储器容量从1 2 8 b 扩展到5 1 2 b 、1 k b 、2 k b 直至8 k b ，为单芯片系统的设计 提供了充分的支持。片内r o m 种类除了有掩模r o m 、e p r o m 和e e p r o m 外，还出现了o t p r 铷和f l a s hr o m ”1 ，并且后二者以逐渐成为主流产品。可以预见，随着半导体存储 工艺的不断完善和提高，最终f l a s hr o m 将成为存储器的首选类别，使芯片具有i s p ( 在系统编程) 和i a p ( 在应用编程) 功能，系统的设计和维护将更加简单、便捷。 ( 2 ) 指令执行速度大大提高。 指令执行速度取决于两个方面，一个是系统时钟频率，另一个是每个机器周期时 钟数。而8 x c 5 x 系列单片机的时钟频率从1 2 z 提高到了1 6m h z 、2 4 删z 、3 3m h z 甚至4 0m h z ；同时每个机器周期时钟数也减少到了6 个时钟，4 个时钟甚至2 个时钟。 综合这两方面因素，所以系统的指令执行速度得到了极大的提高。一方面可以提高系 统的实时处理能力，另一方面也降低了系统的电磁辐射指标。 ( 3 ) 扩展了接口电路功能。 如增加了高速i 0 接口、扩展了r o 口数量( 最高多达5 6 个i 0 口) 、扩展了中 断源数量( 最高多达1 0 个外部中断源) 、集成了a d c 转换器、p 哪输出接口、可编程 1 0 郑州大学硕士研究生论文 计数阵列p c a 、比较捕获单元c c u 等。将这些具有不同功能的接口电路与基本型单片 机芯片集成到一起后，可以为用户提供不同用途的专用单片机芯片。这样不仅减少了 产品印刷电路板的面积，更提高了系统的可靠性，同时也降低了成本。 ( 4 ) 内置了前向、后向通道模拟电路( 如a d 及d a 转换电路) 。 ( 5 ) 内置了r c 振荡电路、复位电路。 ( 6 ) 可选i 0 引脚输出方式，简化了外部接口电路的设计。 ( 7 ) 可动态调整c p u 工作频率，提高了系统反应速度并降低了系统功耗。 ( 8 ) 改善了电源管理功能，提供了节电( c p u 内核处于暂停状态，功耗为正常 运行时的2 0 ) 和掉电( c p u 内核处于停止运行状态，功耗为正常运行时的o 1 ) 运 行方式，降低了系统功耗。在节电模式下，c p u 停止工作，但r a m ，定时计数器，串 口电路和中断系统继续工作；在掉电模式下，r a m 中的内容仍然保存，但所有其他电 路和晶振都停止工作，直到系统硬件复位。 ( 9 ) 强化了系统电磁兼容性能的设计，提高了系统抗干扰能力。 ( 1 0 ) 内部集成了看门狗电路，提高了系统的可靠性。 ( 1 1 ) 封装形式多样化。 2 3 2 3a t 8 9 c 5 1 芯片简介 a t 8 9 c 5 1 是a t m e l 公司出品的8 位单片机产品，图2 3 是其内部结构图： 它主要有下列特征。1 ： ( 1 ) 与标准m c s 一5 1 完全兼容； ( 2 ) 具有4 kb y t e s 的i s pf l a s hr o m ，可以反复擦写达1 0 0 0 次之多； ( 3 ) 工作频率范围从o m h z 至2 4 m h z 可选： ( 4 ) 三层程序存储器锁； ( 5 ) 1 2 8 个8 位内部r a m ； ( 6 ) 3 2 个可编程i 0 口： ( 7 ) 2 个1 6 位计时计数器； 塑塑奎兰堡圭型塞兰堕生一 ( 8 ) 6 个中断源； ( 9 ) 可编程全双工通道； ( 1 0 ) 支持节电和掉电模式。 图2 3a t 8 9 c 5 1 内部结构图 a t 8 9 c 5 1 是一个高性能的c m o s 工艺8 位微处理器，该芯片采用了a t m e l 的高密度 非易失存储技术，是一个灵活性高和价格低廉、非常适合与工业控制使用的微处理器。 而且这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机的程序还 可以加密，能很好地保护所有者的劳动成果。 郑州人学硕士研究生论义 2 3 _ 3 】0 扩展芯片的选掸 因为本控制系统所需的i o 端口较多，而a t 8 9 c 5 1 自身的i 0 口资源又有限，所 以必须进行i o 端口的扩展，而且扩展后的系统为将来的升级也提供了很好的硬件条 件。 可供m c s 一5 l 系列单片机进行i o 口扩展的芯片有很多，如8 1 5 5 ，8 2 5 5 等a 经过 对比，本系统决定采用8 1 5 5 作为i 0 扩展芯片，8 1 5 5 h 的内部结构如图2 4 所示“。 图2 ，48 1 5 5 h 的内部结构图 8 1 5 5 采用4 0 引脚d i p 封装形式，单一+ 5 v 电源，非常适合应用于单片机系统中。 8 1 5 5 具有三个可编程的i o 端口a 、b 、c ，其中a 、b 为8 位i 0 口，c 为6 位i o 口；另外还有2 5 6 字节的s r a m 存储单元和一个1 4 位可编程定时计数器；并内置了 地址锁存器，地址线可以直接与a t 8 9 c 5 l 的p o 口相连，无须使用7 4 l s 3 7 3 作为地址 锁存器。当系统所需r a m 大于单片机自身所带的数量时，就可以用8 1 5 5 进行扩展了。 2 3 4 液晶显示器件的选择 因为本控制系统的控制步骤比较复杂，为了避免控制箱体积过大，也为了操作截 面简洁，所以只设置了很少的控制按键，而且这些按键是多功能按键( 即不同情况下， 郑州大学硕士研究生论文 按下按键起不同的作用) ，这就需要一个能显示较多汉字的显示器来对操作过程进行 详细的说明和提示。考虑到上述原因，本系统采用了s m g l 2 8 6 4a 图形点阵液晶显示 器作为人机界面。该显示器能一次显示1 6 x 1 6 字模的3 2 个汉字，足以向操作人员提 供各种详细说明。 2 4 小结 本章根据该控制系统控制对象和控制要求的特点，以及控制过程的特点，对系统 采用的器件进行了介绍，并对选用的原因进行了一定的说明。 通过对系统性能和造价的分析，最后确定了采用3 个三相电机和一个单相交流电 机作为系统的动力源，微控制器采用a t m e l 公司生产a t 8 9 c 5 1 作为主要控制核心，采 用8 1 5 5 h 作为i 0 扩展芯片，采用s m l 2 8 6 4a 作为显示界面。 1 4 郑州人学硕上研究生论文 第三章系统硬件电路设计 硬件电路设计就是根据系统的要求，在选定的m c u 类型的基础上，确定系统中需 要用到的所有元件的型号以及和系统是如何连接的。包括电路原理图和印制板的设 计，以及这些设计的正确性的验证等。 系统硬件构成方式有3 种，分别是专用系统构成方式；模块化构成方式和单片单 板构成方式，本系统采用的是第一种方式。该方式具有能够充分利用系统资源，节省 开发投资，使系统配置达到最优化：但也具有适用范围窄的缺点。 本自动控制系统的硬件电路主要包括了以下几个部分： ( 1 ) 时钟电路，( 2 ) 复位电路，( 3 ) 键盘电路，( 4 ) 限位电路，( 5 ) 控制电路， ( 6 ) i 0 扩展电路，( 7 ) 显示电路，( 8 ) 功率放大电路，( 9 ) 直流电源电路等。 3 1 时钟电路 控制系统可以采用片内振荡电路或片外时钟电路。如图3 1 所示。 厂一一一一一 图3 1a t 8 9 c 5 l 时钟电路 当采用片内振荡电路时，x t a l l 、x t a l 2 与晶体振荡器及电容c l 、c 2 按图3 1 所 示连接a 振荡信号频率与晶振频率及电容c l 、c 2 的容量有关，但主要由晶振频率决 定。为减小寄生电容对振荡频率的影响，在设计印制板时，本系统已使c l 、c 2 离m c u 邦州大学硕上研究生论文 的x t a l l 、x t a l 2 引脚达到最近距离。如果系统对振荡频率的精度要求不是很高时， 可以用陶瓷振荡器替换图中的晶体振荡器。另外在满足系统需求的前提下，为了减少 高频脉冲对电路的干扰，同时也为了软件设计时对计数器计算的方便，本系统采用了 1 2 m h z ，而非最高2 4 m h z 的晶振。 采用外部时钟信号时，外部时钟信号要接到x t a l l ，x t a l 2 悬空。本系统应用片内 振荡电路已足够。 另外要提到的一点是，m c s 一5 1 的时钟信号还可以通过软件进行控制，当电源控制 波特率倍增寄存器p c o n 中的b l 位( 即p d ) 为高电平时，图3 1 中的与非门输出高 电平，振荡器停止振荡，进入掉电状态。 3 2 复位电路 本控制系统的复位电路如图3 2 所示。 v 图3 2 复位电路 p 1 3 p 1 4 p 1 与 p 1 6 p 1 7a t 8 9 c 51 r s t v p d p 3 0 r x d 飓l t x d p 3 2 m o p 3 3 i n t l p 3 4 t 0 p 3 5 t f a t 8 9 c 5 1 的第9 个引脚为复位( r s t ) 引脚，当r s t 引脚维持高电平超过2 个机器 周期( 既2 4 个振荡周期，这里因为采用了1 2 m i z 的晶振，所以这个时间是2 微秒) ， 则芯片就进入复位状态“。当r s t 由高电平变为低电平后，芯片脱离复位状态，进入 取指令周期( 程序指针从p c = 0 0 0 0 h 开始) 。 图3 2 中的r l = 5 1 0 欧姆，r 2 = 9 l o o 欧姆，c = 2 2 微法，当系统加电开始时刻，由于 c 处于充电状态，可以近似认为r l 、r 2 、c 交接点的电压v = v c c = 5 伏，则系统进入复 郑州人学硕士研究生论文 位状态；当电容充电至一定程度时，该交接点的电压下降至低电平最高值时，系统脱 离复位。该交接点电压v = v c c ( 卜e ) ，t = r c 。设v = 1 5 伏为芯片的低电平最高电 压值，则r s t 引脚保持高电平时间为t = 一r c l n ( 卜v v c c ) ，将上面的数据代入后，可 得t 约为7 1 毫秒，已足够保证系统可靠复位。 从图3 2 中看到，本人在r l 和电源之间加了一个按键作为复位键，其中r l r 2 。 当该按键按下后，电源电压主要分担在电阻r 2 上，所以在系统出现不正常状态时， 通过按下该键可以强迫系统复位，以防止系统的不正常状态继续而导致系统的损坏 ( 尤其是在调试阶段，系统状态非常不稳定，需要经常使用该按键中断不正常操作) 。 3 3 键盘电路 键盘电路可以采用直接编码键盘或矩阵式键盘，考虑到本系统用到的控制功能无 需太多按键，而且按键少也可使整个操作界面显得简洁明快，所以这里采用了直接编 码式键盘电路。 直接编码式键盘是指将每个按键按一对一的方式直接接到m c u 的i 0 输入引脚所 构成的键盘，如图3 3 所示。当一个按键按下后，通过软件可以使a t 8 9 c 5 1 立刻检测 到和该按键相连接的i o 口的电平状态由高电平变为低电平，从而启动相应的软件完 成相关操作。 上 r o 0 i 上 卜- oo l 上 卜oo l 图3 3 直接编码键盘电路 本系统共需4 个按键，包括一个复位键( 如3 2 节所述) 和3 个操作键，它们分 别是电机校正键( p 1 _ o ) 、行变换操作键( p 1 1 ) 和列变换操作键( p l 2 ) 。这种结构 的键盘中各个按键分别独立占据不同的i o 口，因此工作时不会相互影响。 1 7 邦州大学硕l 研究生论史 3 4 限位电路 本系统中对两个翻转电动机所驱动的翻板的动作有严格的位置要求，一旦翻板动 作出现位置偏差，可能会损坏相连的机械装置，所以这里采用限位装置对其进行控制， 如图3 4 所示。 参看图2 1 ，图3 4 中只画出了翻板1 的限位图。限位装置就安装在翻板1 的转 轴处。假设翻板1 初始处于水平位置，如图2 1 中的步骤2 所示，当进行到步骤3 时， 翻板1 处于竖直位置。在图3 4 中对转轴进行了放大。可以看到，对应于翻板1 的水 平和垂直位置分别有两个限位点，这两个限位点均连接到地线，且转轴中心安装了一 个金属指针，该指针通过导线连接到a t 8 9 c 5 1 的p 2 0 口，它会随着翻板1 一起转动， 所以当且仅当翻板1 达到限位位置时，p 2 o 口才被置为低电平，而当m c u 检测到p 2 o 变换后位置 几 初始位置 图3 4 限位电路 口处于低电平时，就会发出指令停止驱动翻板1 的电动机。同样在翻板2 的转轴处也 有一套同样原理的限位电路，p 2 1 是该限位的检测i o 口，用来停止该限位点控制的 驱动电机。 3 5 控制电路 本系统控制的对象为3 个三相同步减速电动机和一个单相交流电机，它们分别是 一个中心轴电动机，一个凸轮定位电动机和两个翻转电动机。对前两个电动机只要求 能够朝着一个方向转动即可，对于后两个翻转电动机则要求能够朝正反两个方向转 动。对于三相电动机来说，只要任意调整其中两相的接线，就可以使该电极朝相反的 方向进行转动，图3 5 给出了翻板l 下的电动机控制电路图。通过a t 8 9 c 5 1 的p 1 4 和p l _ 5 口，可以分别闭合两个不同回路的继电器，使电动机能够朝两个方向转动。 当然这两个继电器不能同时闭合，不然会导致相间短路。 图3 5 翻板电机控制图 同理，翻板2 下面的电动机由p 1 6 和p 1 7 分别控制，中心轴电机由p 1 3 控制， 凸轮定位电机由p 2 4 控制。 3 6i 0 扩展电路 为了扩展系统i o 资源，以便为以后系统的升级提供方便，这里采用了8 1 5 5 芯片 进行i o 扩展。如图3 6 所示。 8 1 5 5 芯片非常适合与单片机芯片连接使用，二者的a l e ，w r 和r d 引脚可以直接 相连，这里将二者的r e s e t 引脚也连接在了一起以便于系统软件设计。这里将a t 8 9 c 5 1 的p 2 7 引脚和8 1 5 5 的片选引脚c e 相连，将m c u 的p 2 6 脚和8 1 5 5 的i o m 引脚相连。 所以当p 2 7 引脚为低电平时，8 1 5 5 被选中。因为本系统中m c u 自带的1 2 8 字节r a m 己够用，所以可以将8 1 5 5 的i o m 引脚直接接到高电平( 即8 1 5 5 始终工作于1 0 方式) ， 1 9 郑州大学硕十研究生论义 但考虑到今后系统的升级，还是将该引脚和m c u 的p 2 6 脚连接，以便需要时可以随 嘶h 图3 6i o 扩展示意图 时使用8 1 5 5 片内的2 5 6 字节r a m 。由于8 1 5 5 己内置了地址锁存器，所以这里将m c u 的p o 口直接和8 1 5 5 的a d 口连接在了一起。该次扩展共占用a t 8 9 c 5 1 的i 0 口1 0 个， 但扩展出i o 口2 2 个，已能够满足系统现在和将来使用的需要。 3 7 显示电路 显示电路是必须的人机界面。它能够给操作人员及时提供必要的操作信息，使操 作过程简单明了，还可以防止误动作引起系统损坏等。 可供选择的显示方式有以下几种：发光二极管指示灯；七段或十六段l e d 或l c d ； 点阵式l e d 或l c d 等。由于本系统要说明的内容较复杂，普通l 朗或l c d 不能满足需 要。而点阵式l c d 以其功耗低、驱动电压低、结构空间小、有效面积大、构造简单、 成本低等优点“，经比较非常适合应用于本系统。 本设计采用了长沙太阳人电子公司生产的s m g l 2 8 6 4 a 的图形点阵式液晶显示屏 “。如果采用1 6 x 1 6 的点阵汉字，那么该显示器一次最多可以显示3