基于单片机的眼肌训练装置的设计制作毕业设计论文.doc

2014 届 届 毕业设计毕业设计 论论文 文 题 目 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 学 院 机电工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 电信 101 学 号 201033285118 姓 名 黄年韬 指导教师 袁菊明 教 务 处 制 2014 年 3 月 12 日 诚诚 信信 声声 明明 我声明 所呈交的论文是本人在老师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果 据我查证 除了文中特别加 以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 我承诺 论 文中的所有内容均真实 可信 论文作者签名 签名日期 年 月 日 I 授授 权权 声声 明明 学校有权保留送论文交的原件 允许论文被查阅和借 阅 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以影印 缩 印或其他复制手段保存论文 学校必须严格按照授权对 论文进行处理 不得超越授权对论文进行任意处置 论文作者签名 签名日期 年 月 日 II 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 摘摘 要要 近视是在青少年当中有很高的发病率的一种眼部疾病 但他并不是不可以 改善的 关于青少年的这一种近视 医学上称他为假性近视 就是可通过一定 的方法来改善 本设计装作正是通过对青少年的眼部肌肉进行运动调节 从而 到达缓解近视的目的 本设计装置根据贝茨训练法原理 通过单片机来控制步进电机带动杆子 按照程序所写的进行转动 要被训练者的眼睛跟随杆子上的 LED 灯的移动 并 在转动过程中 根据位置不同的 随时调节观察点的位置 达到训练眼肌功能 使儿童对外物的追踪 搜索 探查的灵动性有所提高 使视轴线的控制能力有 效改善 达到加强眼肌力量 改善近视的效果 关键词 眼肌训练 单片机 步进电机 III The design of eye muscle training device based on micro controller Abstract Myopia among adolescents is a high incidence of eye disease but it is not impossible to improve The myopia for teenagers called medically pseudo myopia can be improved by a certain method This design is exercising the eye muscles to adjust youngsters to reach the purpose of treatment of myopia The device is according to Bates training method based on the principle using the MCU to control a stepper motor driven target rod turning around according to certain rules asking the trainer s eyes to follow the movement of the observation point target rod and turn the process It can accord to different positions ready to adjust the vertical depth of the observation point to training ciliary function It can help children improve tracking of things searching probing Smart effectively improve the ability to control the visual axis through conscious control to improve the degree of control the unconscious state to strengthen the muscle strength improve myopia effect Keywords Eye muscle training MCU Stepper motor IV 目录 摘 要 III Abstract IV 1 绪论 1 1 1 课题的来源 1 1 2 课题的意义 1 1 3 国内外发展现状 2 1 4 课题研究的主要内容 3 2 系统的方案设计 4 2 1 系统方案 4 2 1 1 方案一 采用 AT89C52 单片机作为主芯片 4 2 1 2 方案二 采用 MSP430F14X 单片机作为主芯片 5 2 1 3 方案三 采用 SRM32F10X 单片机作为主芯片 5 2 2 方案评价 5 2 2 1 对于方案一评价 5 2 2 2 对于方案二评价 6 2 2 3 对于方案三评价 6 2 3 方案选择 6 3 系统硬件设计 7 3 1 MSP430F14X 单片机 7 3 1 1 MSP430 单片机特点 7 3 1 2 MSP430 单片机结构介绍 8 3 2 LCD12864 液晶显示屏 9 3 2 1 LCD12864 介绍 9 3 2 2 LCD12864 电路连接 9 3 3 步进电机 10 3 3 1 步进电机介绍 10 3 3 2 步进电机选择 10 3 3 3 步进电机电路连接 11 3 4 按键设计 12 3 4 1 3 3 矩阵键盘设计 12 3 4 2 独立按键设计 12 4 系统软件设计 13 4 1 主程序流程图及程序 13 V 4 2 LCD12864 液晶显示流程图及程序 16 4 3 步进电机运转流程图及程序 18 4 4 按键流程图及程序 22 结论 26 参考文献 27 致谢 28 附录 29 附录图 1 系统电路图 29 附录图 2 系统 PCB 图 30 附录图 3 系统原理图 31 嘉兴学院本科生毕业设计 0 1 绪论 1 1 课题的来源 在青少年中有一种极高患病率的眼部的疾病叫做近视 有很多的原因导致 的近视 有遗传的 有不良体质 有不良营养等原因 通过研究发现 导致近 视的最最普遍的原因就是不良用眼的习惯 不良的用眼习惯包有用眼过度 不 端正坐姿 过长时间观看电视屏幕 用眼的环境不注意等 人类的眼睛 像其 他的人体的器官一样的需要适当的来休息加锻炼 能够保持身体健康 闭眼去 休息就是让眼的肌肉去放松的一个方法 对于青少年的近视的普遍现状 除了 去培养良好用眼的习惯外 也需要去加强眼睛锻炼 要对眼部肌肉进行锻炼 来增强眼部的肌肉的力量 来加大眼睛调节的能力 使眼部的肌肉的力量能增 强 这不但能够帮助人来看恢复视力 也可以来增加眼睛明亮的程度 使精神 面貌展示良好 1 2 课题的意义 儿童的眼睛特点就是调节能力强 特别是针对近距离的工作的适应性强 而由于用眼卫生不注意 经常持续性使眼睛在高度的调节的状态 这样会必然 来导致眼内的肌处于痉挛的状态 而看远处时的眼内肌就不能的放松正常 近 视就容易形成 这是儿童近视眼发生的主要原因 1 据调节学紧张说 近视的早期调节的功能是改变主要在长久使用睫状肌后 发生的疲劳 是需要去收缩 全部力量不能使出 减退即肌力 要松弛时但又 不能松弛 然而在远视时调节张力仍有存在 紧张状态下 有人称为调节的痉 挛 让人想到就是不断的使用调节 而过强的睫状肌力 事实上 就是根据测 定 的近视调节力的不是加强或者减弱 因为调节的能力并不是仅由睫状肌过 强的肌力 是由于不足的肌肉力 所致易于疲劳 近视早期是过度的近眼去工 作 而造成疲劳的睫状肌 因此力量不足而视近 但在远视时要放松但又不能 完全去松弛 称他为调节的紧张 2 贝茨视觉训练法是由美国医生威廉 贝茨训练法是 40 年代贝茨所设计的视 觉的训练方法 可以用来减轻因为身心紧张造成眼肌的疲劳 能改善视觉的功 能和控制视觉的疾病 3 本课题提出单片机控制的睫状肌训练仪 主要是通过 单片机来控制一个目标杆 按照一定规律左右转动 要求被训练者的眼睛跟随 目标杆上的观察点移动 并在转动过程中 根据位置不同的 随时调节观察点 的垂直深度 达到训练睫状肌功能 从而人为延缓和防止近视的产生及发展进 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 1 程 在运动中来改善视力 可以通过对物体看远或看近训练 达到训练眼肌 功能 使儿童对外物的追踪 搜索 探查的灵动性有所提高 使视轴线的控制 能力有效改善 达到加强眼肌力量 改善近视的效果 1 3 国内外发展现状 许多眼科学家似乎已经相信有关屈光 光线进入眼睛时发生的偏折 不正 的定论 而且根据这一理论 他们认为 目前 几乎所有的人都承受着某种形 式的屈光不正 然而我们却被告知 对于这些给我们带来诸多不便同时有让我 们苦恼的危险病症 我们却无药可医 出来那些光学支架 也就是我们所受的 眼镜外 别无任何缓解的方法 并且现在的生活条件下 也没有任何预防措施 4 对于目前占主导地位的治疗方法 也是通过人工镜片来弥补眼睛的屈光不 正 这个发明就像用拐杖帮助残疾人走路一样 抵消不同情况下的不同效果 这些发明也是针对这些不同情况设计的 除此以外并没有得到任何褒奖 还 有人认为 这些镜片有时会阻碍这些情况的进展 但是现在每一位眼科学家都 清楚 镜片在这方面即使有效果 也是微乎其微 对于近视眼 早在 1916 年一 些科学家已经意识到我们所能掌握的一些佩戴眼睛的方法以及所以治疗眼睛的 普通法在预防屈光不正以及防治与近视眼联系在一起的某些重要方面都 微乎 其微 5 W H 贝茨通过对一些低等动物的眼睛的一系列的观察研究 发现调节眼睛 的因素不仅仅是晶状体 是由眼睛的内部结构影响不同距离的视觉做必要的调 整 如照相机 比如里面的长度改变眼器官 这种变化是由眼睛的外部肌肉运 动引起的 同样令人信服的 折射误差 包括老花眼 镜头是僵硬的 不可调 在视觉能力降低 和没有眼睛或镜头的组合机制变化的形状变化导致的 上世纪 60 年代 美国被视觉训练方法 仅仅 12 个星期让近视患者摘掉眼 镜 恢复视力 这是著名的眼科专家威廉贝茨在美国创造的第三个 眼镜 视 力训练恢复 操作 眼睫状肌松弛训练 锻炼 透镜 从而提高视力 贝茨在 37 年的临床实践 取得了显著成绩的大范围核实 复杂 很难掌握 需要专家 的指导和约束 但让贝茨的 视力训练恢复法 推广到停止 怎样让贝茨视觉锻炼恢复法得以推广 能让更多近视的孩子可以受益 这 是国内外的眼科的专家一直在攻关的难题 半个世纪以后 贝茨的方法最终被 大洋的一个中国的人成功的破解 视力的训练仪器在国内的眼科专家不懈努力 下自 2001 年开始专门立项研发 经过七年的试卷终于在 2008 年的时候问世 嘉兴学院本科生毕业设计 2 融合贝茨的训练法的 8 个方法配合集成 IC 技术和三原色的营养的光组成智能的 导航的系统 把深奥的复杂贝茨训练方法去繁就简 很大推动了贝茨训练方法 能在中国得以推广 经过了这几年发展 比贝茨训练方法进步了很许多 6 在贝茨钻研的基础上 跟随眼科医学的一日千里 贝茨的理论是有了很大 的成长 北京的健千年视光科技有限公司联袂美国出名波利亚公司 和贝茨医 生建议的正负向锻炼提升目力的理论的基础上 加入了巨资建设研制视功效优 化训练技巧 矫正近视的产品 美国将贝茨函数展开仪研制成功 美国看到贝茨函数展开法对大脑的视觉系统的视觉功能为核心 在整个视 觉系统调整光线 干预和优化 同时 重在治本 具有高控制高负荷训练模型 以增强眼睛调节集合能力为重点 为了提高眼睛聚焦在调节收集能力 对视力 损害眼睛非器质性病变 全方位的近视 远视 散光和老视验光的相关问题 以及儿童斜视 弱视 有效地调节眼睛的视觉状态 拓展训练包括规制 建立 综合的视觉功能 眼部肌肉和眼球运动 从而达到视觉功能增强和优化的目的 青少年的完美的视觉功能 6 20 年来 我国的眼科学获得了长足的进展 眼病诊治领域水平已与发达国 家接近 某些方面更具特色 另一方面应清醒地认识到我国在眼科专业人才选 拔 培养体系 训练方法 基础研究以及教学方法诸方面均有不小差距 要大 力加强中外技术经验与学术交流 不断研究 引进 吸收 消化各国新技术 新设备和新方法 更新知识 创新观念 使我国新世纪眼科在预防 医疗 教 学和科研方面都取得更辉煌的成就 21 世纪的医学生面临层出不穷的新观点 新技术 新方法 新理论 各个 领域的进展和观念日新月异 因此 我们现今生活在一个 学习的时代 唯 有不断学习 才能应付挑战 7 1 4 课题研究的主要内容 一种眼部的肌肉的锻炼装置加眼部肌肉的锻炼的方法 本发明项目属于视 力的保健的领域 发明一个由单片机来控制眼部的肌肉锻炼装置以及对应眼部 肌肉的锻炼方法 本发明的装置包括一个旋转臂 LED 发光二极管 丝杆 两 个步进电机 控制电路加上操作的面板 支撑杆能够伸缩加之高度的调节紧固 件 把单片机做为核心 控制步进电机带动臂位 做圆周的转动 并且根据现 在的位置做水平前进和后退 让使用者的焦点围绕在头部做运动 按照锻炼的 方法来控制转动的臂按照一定的轨迹来运动 让使用者的眼部的肌肉得到提升 增加晶状体调节的能力 从而达到改善使用者视力的目的 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 3 2 系统的方案设计 2 1 系统方案 本系统的设计是一个装置的微机控制眼部肌肉和眼睛的肌肉运动 通过单 片机控制两个步进电机进行同步运转 一个步进电机通过单片机中的程序带动 一个转动臂按照一定的规律进行周期性转动 另一个步进电机则是通过传感器 的反馈 带动丝杆前后走动 从而达到保障人身安全的基本要求 本系统设计 又可以用 LCD 显示界面 通过独立按键的控制系统的运转模式 运转速度 运 转方向等信息 从而达到人机交互的目的 系统的总体设计结构 图 2 1 系统总体结构图 2 1 1 方案一 采用 AT89C52 作为主芯片 AT89C52 有优点很多 包括 1 AT89S52 是一个低功耗的 高性能的 8 位微控制器 有 8K 的内存在系统的可编程的 Flash 存储器内 2 在芯 片上面 具有 8 位 CPU 和在系统的可编程 Flash 让 AT89S52 成为很多嵌入 式应用系统控制提供了高灵活性 3 有以下功能 512 字节的 RAM 32 位的 I O 口线 设置看门的狗定时 内置了 4KB EEPROM 和 MAX810 的复位 电路 4 有三个 16 位的定时器或者计数器 一个有 6 向量和 2 级中断的 结构 加之全双工的串行口 此外 AT89S52 可以降低到 0Hz 静态逻辑动作 5 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲的模式下 CPU 会停止工作 可许 RAM 定时器或者计数器 串口 中断的继续工作 6 掉电围护方法下 RAM 实质被保管 振荡器被停止 单片机全部工作中断 截至下一个的中断 或是硬件的复位为止 8 MCU 步进电机 2传感器 LCD 显示 步进电机 1电源 按键 嘉兴学院本科生毕业设计 4 2 1 2 方案二 采用 MSP430F14x 作为主芯片 MSP430F14X 单片机是一个有16位的 有精简的指令集的 有超低的功耗的 混合型的单片机 MSP430F14X 单片机的快速发展和应用的范围的不断的扩大 最主要决定于以下特点 1 处理能力强大 MSP430F14X 单片机有很多寻址 的方式 简练的27条的内核指令和模拟指令大量 2 在运算速率方面 MSP430F14X 单片机能构在8MHz 的晶体驱动下 能够实现125ns 指令的周期 3 MSP430F14X 单片机有较多的中断源 而且能够任意嵌套 灵活方便的使 用 4 超低的功耗 MSP430F14X 单片机功耗之所以超低 因为在降低其芯 片的电压和灵活而且运行时钟可控的方面都有独到之处 5 工作系统稳定 复位后 最先由 DCOCLK 来启动 CPU 保证程序开始执行是从正确位置 晶体振 荡器有充足的起稳定及振时间 6 充足的外围模块 MSP430F14X 单片机的 各模块都集成了较多片内外设 它们分别为看门狗 WDT 和模拟比较器 A 和定 时器 A 和定时器 B 和串口和硬件乘法器和液晶驱动器和12位 ADC 和 IIC 总线和 端口1 6和基本定时器等一些外围的不同组合模块 2 1 3 方案三 采用 STM32f10 x 作为主芯片 STM32F10X 大容量的 ARM 芯片的主要特点 1 ARM 最新的 Cortex M3内 核 中断控制器先发制人 为自动的支持 硬件保护和恢复 中断嵌套 只需 要保护和恢复站点 即使在恢复现场的时候再次中断也不需要再次保护现场 只需6个 Clk 的调整时间 2 外设的引脚可以重影射 3 芯片进入低功耗 模式 可以通过 事件 醒来 而不中断子程序 4 高达1M 采样率2 12位 AD 5 硬件 CRC SPI 通信速度检查了18mb s 9 2 2 方案评价 2 2 1 对于方案一评价 1 AT89C52 是目前在大学中最初接触到的一种单片机芯片 这款单片 机有很多优点 1 一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 2 丰富的 片外的外设 3 有三个 16 位的定时器或者计数器 一个有 6 向量和 2 级中断的结构 但是相比于当下应用较广泛的芯片 例如 MSP430 STC32 DSP 等等芯片 89C52 的缺陷也是很明显的 其中一 个最主要的原因就是其内存空间只有 8K 对于大多数芯片来说这个内 存空间实在是太小了 2 AT89C52 这款单片机外设硬件太少 主要应用与微型设备和初学者 学习 对于大多数复杂的设备 其功能就不能满足了 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 5 2 2 2 对于方案二评价 1 MSP430F14X 单片机应用在大学生中逐渐广泛 这款单片机的优点 也是很明显的 1 单片机有较多的中断源 而且能够任意嵌套 灵活 方便的使用 2 超低的功耗 MSP430F14X 单片机功耗之所以超低 因 为在降低其芯片的电压和灵活而且运行时钟可控的方面都有独到之处 3 充足的外围模块 MSP430F14X 单片机的各模块都集成了较多片内外 设 它们分别为看门狗 WDT 和模拟比较器 A 和定时器 A 和定时器 B 和串口和硬件乘法器和液晶驱动器和 12 位 ADC 和 IIC 总线和端口 1 6 和基本定时器等一些外围的不同组合模块 相比于 AT89C52 单片机 这款单片机已经不止提升一个档次这么简单 2 其丰富的外设 及灵活的芯片应用正是我这个项目所需要的 2 2 3 对于方案三评价 1 STM32 的 ARM 芯片是芯片当中的佼佼者 不管在实际应用当中还是 学习认知之中 他都是当之无愧的霸主 其优点很多 1 中断控制器 先发制人 为自动的支持 硬件保护和恢复 中断嵌套 只需要保护和 恢复站点 2 外设的引脚可以重影射 3 芯片进入低功耗模式 可以 通过 事件 醒来 而不中断子程序等等 2 对于这款芯片我十分推崇 但是在本项目当中用这个芯片真的是大 材小用了 他丰富的功能在这个项目上应用的不多 2 3 方案选择 综上所述 我选择用 MSP430 单片机作为本次项目的主芯片 MSP430 系列 单片机具有强大的处理功能 而且其超低功耗的特点非常适合电池供电的仪表 仪器 嘉兴学院本科生毕业设计 6 3 系统硬件设计 3 1 MSP430 单片机 MSP430F14X 是一个具备精简指令的 16 位超低功耗的混合型的单片机 具有 巨大的综合优点 3 1 1 MSP430 单片机特点 在运算本领方面 MSP430F14X 单片机是一个 16 位的单片机 采用了精简 指令的集合 具有很多的寻址方式 源操作数的寻址 7 种 操作数的寻址 4 种目 简明的 27 条内核的指令和大量模拟的指令 大量寄存器和片内的数据存储器都 是可以参加各种运算 还有查表处理指令很高效的 处理速度较高 在 8MHz 的晶体的驱动下指令的周期仅为 125ns 这一些特点足以保证了可编出有高效 率的源程序 在运算速率方面 MSP430F14X 单片机能在 8MHz 的晶体的驱动下 实现多 功能的硬件的乘法器 并且能实现乘加 相适合 能够实现数字的信号处理的某 一些算法 如 FFT 等 MSP430F14X 单片机的中断源很多 而且且可以随意嵌套 使用很灵活方便 当系统在省电的状态时 可以用中断的请求把它唤醒只需要 6 超低功耗 MSP430F14X 单片机有超低功耗 因为在降低其芯片的电压和灵活 而且运行时钟可控的方面都有独到之处 而由于系统在运行时能打开的功能模 块是不同 那么采用的工作模式不同 芯片有着显著的不同的功耗 在系统中 有一种活动的模式 AM 以及五种低功耗的模式 LPM0 LPM4 在等待的方式下 耗电仅为 0 7 A 在节电的方式下 最低可以达到 0 1 A 此外 MSP430F14X 单片机的各模块都集成了很丰富的片内的外设 MSP430F14X 单片机 的这些片内的外设为系统的编程解决方案提供了很大的方便 MSP430F149 是 MSP430X14X 中的一种 两个 16 位的定时器和一个 14 路 12 位模数的转换器和看门狗和 6 路的 P 口和两路的 USART 通信的端口和一个比较 器和一个 DCO 的内部振荡器和两个外部的时钟 支持 8M 时钟 10 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 7 3 1 2 MSP430 单片机结构介绍 图 3 1 MSP430 结构图 MSP430F14X 单片机包含有 CPU 程序的存储器 数据的存储器 RAM 运行的控制 外围的模块 振荡器和倍频器等主要的功能模块 由此可以看出 MSP430F14X 内部包含了所有计算机的部件 是一个真正的微控制器 外围模块 分之为 16 位 字模块和 8 位 字节模块两种 对于大多数 的外围模块 MAB 是 16 位 MDB 是 8 位或者 16 位 包括基本的定时器 Basic Timer 16 位的定时器 Timer A 及 Timer B ADC 的转换器 I O 的 端 口 异步和同步串行的通讯口 USART 以及液晶的显示驱动的模块等 外围模 块经过 MAB 和 MDB 与 CPU 相互连接 CPU 是由一个 16 位的 ALU 16 个寄存器以及一套指令的控制逻辑组成 在 CPU 的内部有组 16 位的数据总线已经 16 位地址总线 CPU 的运行正交的 设计 对模块的高度透明精简的指令集 PC SR 和 SP 配合精简的指令组能 实现控制 使得应用开发能实现复杂的软件算法和寻址模式 存储器 MSP430F14X 单片机采用的是 冯 纽曼结构 所以 RAM ROM 和全部的外围模块都在同一个地址的空间内 就是共用一个空间对全部的功能 模块来寻址 支持外部的扩展存储器就是性能增强的目标 而特殊功能的寄存 器和外围模块都安排在 000H 1FFH 区域 RAM 和 ROM 共享 0200H FFFFH 区域 数据的存储器 RAM 起始地址是 0200H 运行控制 MSP430F14X 单片机的运行主要被存储在特殊的寄存器 SFR 中 的信息控制 不同 SFR 中的位可以被允许中断 用来支持取决在中断标志状态 嘉兴学院本科生毕业设计 8 的软件和定义外围模块的工作模式 停止外围模块 可以有效减少电流的消耗 但保留在模块寄存器中所存储 的数据 外围的模块工作的模式可以用 SFR 特定的位置来标明 振荡器以及时钟发生器 振荡器 LFXT1 LF 是用来专门为低功耗 32768 Hz 的时钟晶振进行设计的 除了其晶体外接之外 所有模拟的元件都集成在片 内 但也可以仅用一个高速晶振工作 这时侯需要外接负载的电容 10 3 2 LCD12864 液晶显示屏 3 2 1 LCD12864 介绍 本项目所用的的带有中文字库的 12864ZW 是一块有 4 位或 8 位并行和 2 线 或 3 线的串行接口方式多种 在内部都含有国标的一级和二级简体的中文字库 点阵的图形和液晶显示的模块 他的显示分辨率是 128 64 内部有 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 利用该模块灵活的接口方式和 简单的指令 可构建成全部中文以便人机交互的图形界面 他可以显示 8 4 行 和 16 16 的点阵汉字 可完成来图形的显示 由这个模块组成的液晶显示的方 案 不论是硬件的电路结构还是显示的程序都简洁很多 而且这个模块的价格 也是低于其他点阵液晶模块 11 3 2 2 LCD12864 电路连接 图 3 2 LCD12864 电路连接 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 9 3 3 步进电机 3 3 1 步进电机介绍 步进电机称之为能够将电的脉冲信号用来转换成角的位移或是线位移的元 件 它事实上是种单相或者多相的同步的电动机 单相的步进电动机是有单路 的电脉冲来驱动 输出的功率一般都很小 他的用途是给微小功率的驱动 多 相的步进电动机有多相方波脉冲驱动 用途很广 步进电机的工作原理 步进电机能够将电的脉冲信号用来转换成为角位移 的元件 当步进的驱动器接接收到一个脉冲的信号 它就会驱动步进电机按照 设定好的方向进行转动固定角度 称之为 步距角 它旋转是按照固定的角 度进行运行的 要控制角位的移量可以用控制脉冲个数来实现 可以达到准确 的定位 同时也可以控制脉冲的频率作为控制电机的转动速度和加速度 来达 到调速目的 12 本项目所采用的是两相四线制步进电机 3 3 2 步进电机选择 1 计算惯性转矩 根据本项目的实际应用 设步进电机上的用长度为 L mm 空心 质量为 W 的材 质 根据公式计算电机惯性矩 3 1 3 2 副电机上需要用齿轮以及齿条 齿条齿间距为 D 负载质量为 M 根据公式计算电机惯性矩 3 3 2 计算负载转矩 根据计算公式 嘉兴学院本科生毕业设计 10 3 4 M 负载质量 摩擦系数 机械效率 D 直径 3 临时选择电机容量 J JD 100 在速度控制中缓慢移动 J JD 30 在位置控制中定位 T TR 0 9 0 9 安全系数 4 计算最短的加速 减速时间 转矩 3 5 3 6 N 转速 JD 额定惯性矩 TD 额定转矩 5 计算实际转矩 3 7 tr 间歇时间 tp 负载转矩运行时间 根据以上公式 测量得本项目所需要的用的机械器材的参数变量 得出 本项 目控制周期性转动的步进电机采用 42BYGH47 401A 型号 而在控制机器前后运 动的步进电机则采用 57BYGH78 401A 型号 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 11 3 3 2 步进电机电路连接 图 3 3 步进电机电路连接 电机脉冲 O1 O2 接步进电机驱动器的 PUL 上 正反转 O1 O2 接步进电机 驱动器的 DIR 上 这样通过单片机发送脉冲信号给步进电机驱动器 用步进电 机驱动器控制步进电机安装自己需设计的方式运作 3 4 按键设计 3 4 1 3 3 矩阵键盘设计 矩阵键盘可称之为行列式的键盘 它就是用几条 I O 口作为行线 几条 I O 口作为列线来组成键盘 在行和列的每个交叉的点上 放置一个按键 这 种键盘里按键个数就是 3 3 个 这样行列式的键盘的结构能够使单片机系统中 I O 口的利用率很有效地提高 图 3 4 3 3 按键电路连接 嘉兴学院本科生毕业设计 12 3 4 2 独立按键设计 图 3 5 独立按键电路连接 4 系统软件设计 4 1 主程序流程图及程序 函数名称 Main 功 能 程序允许起点 系统初始化 按键初始化 计数值判断 功能参数 计数值 T 返 回 值 计数值 T 电机状态等 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 13 启动 LCD初始化 Ini Lcd 按键初始化 Init Keypad While 1 LCD显示 LCD Show 电机运行 Run 是 判断计数 T 15 否 A A 嘉兴学院本科生毕业设计 14 While 1 返回 是 判断计数 T 30 是 计数清零 LCD显示 停止 否 否 Led灯闪烁函数 LEDFun 图 4 1 主程序流程图 主函数 void main void 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 15 WDTCTL WDTPW WDTHOLD 关闭看门狗 SYstem clock DCOCTL 0 x60 BCSCTL1 0 x86 XT20FF XTS 0 LOW FREQ RESEL 6 DCOCLK 2MHz XT2on XTS DIVA 1 DIVA 0 XT5V RSEL 2 RSEL 1 RSEL 0 1 0 0 0 0 1 1 0 BCSCTL2 0 x00 MCLK DCOCLK DIVM 0 SMCLK CCOCLK DIVS 0 Ini Lcd 初始化 LCD Init Keypad 初始化键盘端口 TimerA Init 定时器 A 初使化 TimerB Init 定时器 B 初使化 EINT while 1 keyNum2 1 LCD Show 读取键值 并在 12864 上刷新显示 if T 15 判断计数圈数 T 是否转了 15 圈 Run 电机运转函数 else if T 30 Stop 1 电机停止 Disp HZ 0 x8e TZ 2 显示 停止 LEDFun LED 灯闪烁 嘉兴学院本科生毕业设计 16 4 2 LCD12864 液晶显示流程图及程序 函数名称 LCD Show 功 能 读取键值显示在 LCD 上面 参 数 按键值 key val temp 返 回 值 1 显示 0 2 显示 1 3 显示 2 4 显示 3 5 显示 4 6 显示 5 7 显示 6 8 显示 7 9 显示 8 temp 1 显示顺 temp 2 显示逆 temp 3 显示暂停 temp 1 显示运行 LCD显示 LCD Show 开始 LCD初始化 LCD使能 调用按键函数在LCD 中显示内容 KeyFun LCD显示 LCD Show 返回 判断是否有按键 按下 是 显示键值 否 图 4 2 LCD 显示流程图 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 17 LCD12864 显示程序 函数名称 LCD Show 功 能 读取键值显示在 LCD 上面 参 数 按键值 key val temp 返回值 1 显示 0 2 显示 1 3 显示 2 4 显示 3 5 显示 4 6 显示 5 7 显示 6 8 显示 7 9 显示 8 temp 1 显示顺 temp 2 显示逆 temp 3 显示暂停 temp 1 显示运行 void LCD Show void uchar temp Key Event 读取键值函数 if key Flag 1 key Flag 0 switch key val case 0 break default break 嘉兴学院本科生毕业设计 18 4 3 步进电机运转流程图 函数名称 Run 功 能 通过按键的键值标志判断电机运转的状态 速度 方向等 功能参数 键值标志 返 回 值 电机运转标志 电机运行 Run 开始 判断 1 bMotorDown x 是否为高电平 电平翻转 42电机转 否 是 是 判断定时器计时到 否 是 判断传感器电平 bSensor ReadSensorSplitter x 清除高电平标志 bMotorDown x 0 电平翻转 57电机转 判断运行按钮是 否按下 指示灯闪烁 判断是否正转 清除定时值 判断定时器计时到 否 是 清除定时值 否 否 B B 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 19 电机运行 Run 返回 判断 1 bMotorDown x 是否为高电平 电平翻转 42电机转 否 是 判断定时器计时 到否 是 否 判断传感器电平 bSensor ReadSensorSplitter x 清除高电平标志 bMotorDown x 0 电平翻转 57电机转 判断是否反转 清除定时值 判断定时器计时到 否 是 清除定时值 图 4 3 步进电机动作流程图 电机运行函数 void Run void 嘉兴学院本科生毕业设计 20 int i 0 int t 0 int temp1 temp2 if Stop 0 判断暂停标志是否为零 if bTurnF 1 读取传感器电平跳变 temp2 P6IN 读取传感器电平跳变 if temp1 1 P2OUT 0 x80 P2 8 电机 2 控制方向 if u16TurnNum1 1 定时时间到了 57 电机 电平翻转 u16TurnNum1 0 P3OUT 0 x20 t if i 10000 bTurnNum1 0 T if temp2 1 P2OUT 0 x00 P2 8 电机 2 控制方向 if u16TurnNum2 1 u16TurnNum2 0 P3OUT 0 x20 t if i 10000 bTurnNum2 0 P3OUT 0 x00 P3 7 电机 1 控制方向 if timeNum1 1 定时时间到了 电平翻转 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 21 timeNum1 0 P3OUT 0 x10 if bTurnF 0 读取传感器电平跳变 temp2 P6IN 读取传感器电平跳变 if temp1 1 P2OUT 0 x80 P2 8 电机 2 控制方向 if u16TurnNum1 1 u16TurnNum1 0 P3OUT 0 x20 t if i 10000 bTurnNum1 0 T if temp2 1 P2OUT 0 x00 P2 8 电机 2 控制方向 if u16TurnNum2 1 u16TurnNum2 0 P3OUT 0 x20 t if i 10000 bTurnNum2 0 嘉兴学院本科生毕业设计 22 4 4 按键流程图及程序 函数名称 Check Key 功 能 通过输入按键产生键值 功能参数 键盘引脚 返 回 值 key val key Map 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 3按键函数 Check Key 开始 扫描一行 扫描一列 判断是否有按键 按下 去抖 再次扫描确认 判断是否按键放 开 获取键值 给出键值标志 是 是 3 3按键函数 Check Key 返回 否 否 图 4 4 3 3 按键流程图 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 23 函数名称 Check Key 功 能 扫描键盘的 IO 端口 获得键值 参 数 无 返回值 无 void Check Key void uchar row col tmp1 tmp2 tmp1 0 x40 for row 0 row 1 if P3IN tmp2 用于检测出那一位为 0 for col 0 col 3 col 列检测 if P5IN 获取键值 return 退出循环 tmp2 1 tmp2 右移 1 位 嘉兴学院本科生毕业设计 24 4个独立按键函数 KEY IN 开始 判断是否有按键 按下 去抖 确认是否有按键 按下 给出是哪个按键按下 temp Switch temp Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 电机反转标志电机正转标志电机停标志电机运行标志 BreakBreakBreakBreak default Break return 0 4个独立按键函数 KEY IN 返回 图 4 5 独立按键流程图 一个基于单片机的眼肌训练装置的设计制作 25 函数名称 KEY IN 功 能 按键输入 参 数 temp1 KEYIN 返 回 值 P1 0 按下 KEYIN 1 P1 1 按下 KEYIN 2 P1 2 按下 KEYIN 3 P1 3 按下 KEYIN 4 uchar KEY IN void uchar temp1 if P6IN 延时消抖 if P6IN while P6IN 电机反转标志有效 break case 0 x0d bTurnZ 1 break case 0 x0b bLEDStop 1 break case 0 x07 bLEDRun1 1 break default return 0 break 嘉兴学院本科生毕业设计 26 结论 经过五个多月的时间 本项目已经圆满完成 本设计装置主要的运动轨 迹为 使用者背靠墙站