基于单片机的自动伸缩门控制系统设计-职业学院毕业论文

毕业设计 论文 报告毕业设计 论文 报告 题 目基于单片机的自动伸缩门控制 系统设计 院系xxxxxxxx 专业电气自动化技术 班级xxxxxxx 姓名 xxxxxxxxxx 学号xxxxxxxxx 指导教师xxxxxxxxx 2012 年 4 月 基于单片机的自动伸缩门控制系统设计基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 摘要 摘要 随着社会的发展 科技的进步以及人们生活水平的逐步提高 各种方便 生活的自动控制系统开始进入人们的生活 以单片机为核心的自动门系统就是其 中之一 本文设计了基于单片机的自动伸缩门控制系统 该系统以单片机为主体 步进电机为控制实体 实现伸缩门的自动控制 本设计主要应用 STC89C52 作为控制核心 步进电机 点阵屏相结合的系 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 1 统 通过单片机程序对步进电机的正转 反转进行控制 从而对门进行开 关的 控制 另外 同样是借助单片机程序对点阵屏进行显示控制 该系统充分发挥了 单片机的性能 其优点是电路简单 软件功能完善 控制系统可靠 性价比较高 等 具有一定的使用和参考价值 关键词 关键词 STC89C52 步进电机 点阵屏 自动 Microcontroller based automatic retractable door control system design Abstract With the development of society advances in technology and people s living standards gradually improved the automatic control system for a variety of convenient living into people s lives the microcontroller as the core of the 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 2 automatic door system is one of them The designed microcontroller based automatic retractable door control system the system microcontroller as the main body the automatic control of the stepper motor is controlled entities to achieve the retractable door The main application of this design STC89C52 as control core stepper motor the combination of dot matrix screen system Stepper motor microcontroller program forward and reverse control thereby door open customs control In addition the same dot matrix screen display control with the microcontroller program The system has full play to the performance of the microcontroller The advantage is simple circuits software functions the control system is reliable higher cost use and reference value The Keywords STC89C52 stepper motor dot matrix screen automatically 目录 前言 3 第一章 课题方案介绍 5 1 1 课题背景 5 1 1 1 自动伸缩门的介绍 5 1 1 2 单片机的发展 5 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 3 1 1 3 电机自动控制系统的应用和发展 7 1 2 课题研究的意义和目的 9 1 3 课题研究的要求 9 第二章 自动伸缩门系统方案 10 2 1 设计思想和整体框图 10 2 2 器件的选择 10 第三章 自动伸缩门的硬件设计 13 3 1 控制器单元的硬件设计 13 3 2 电机驱动模块 16 3 3 LED 显示屏模块 18 第四章软件设计 20 4 1 整体程序流程图 20 4 2 原理图的绘制 21 4 2 1Protel99SE 软件简介 21 4 2 2 电路工程设计功能 21 4 2 3 系统原理图 21 第五章 系统仿真与调试 24 5 1 仿真软件的概述 24 5 2 系统仿真与调试 24 总结 27 参考文献 28 附录 29 前言前言 随着科技的不断发展 各种各样的自动门应运而生 但由于单片机技术的不 断发展和完善 所以单片机控制的自动伸缩门在日常生活中 得到了广泛的应用 特别是酒店 银行 机场 写字楼等公共场合中 起到方便车辆进出 车辆管理 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 4 节省人力的作用 但如果关门过程中操作不当 容易对人们造成挤伤 碰伤 所以 自动伸缩门的稳定性还需要不断的发展和突破 本设计要求制作完成一个基于单片机自动伸缩门控制系统 根据分析 基本 要求有 1 有人或者汽车靠近时门应该打开 2 自动伸缩门上的 LED 显示 屏显示相对应的汉字和数字 此外 该系统设计充分发挥了单片机的性能 具有 较好的可靠性 和实用性 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 5 第一章第一章 课题方案介绍课题方案介绍 1 1 课题背景课题背景 1 1 1 自动伸缩门的介绍自动伸缩门的介绍 电动伸缩门主要由门体 驱动器 控制系统构成 伸缩门的门体采用优质铝 合金及普通方管管材制作 采用平行四边形原理铰接 伸缩灵活行程大 伸缩门的 驱动器采用步进电机驱动 蜗杆蜗轮减速 并没有手动离合器 停电时可手动启闭 伸缩门的控制系统有控制板 按钮开关 另可根据用户需求配备无线遥控装置 不锈钢电动伸缩门主体结构特点 不锈钢采用国际标准不锈钢原材料 经过 特殊工艺制管进行折弯焊接定型制成门体 门体永不变型坚固耐用 门体用大小 连杆连接而成伸缩门 大连杆连接型式为古币梅花式 小连杆连接成菱型式道闸 美观大方 坚固耐用 不锈钢伸缩门活动部位特点 伸缩门每个活动部位环节均 采用不锈钢管 轴 轴瓦 不锈钢螺母 尼龙衬垫组装 组装时每个环节点加注 高级润滑油 无噪音伸自缩自如 铝合金电动伸缩门主体结构与不锈钢相似 也是利用平行四边形的运动原 理 采用标准的铝合金型材直接用模具压制成型 然后通过镀锌管以及交叉连杆 连接而成 铝合金的材料采用高强度铝合金 强密 密度和耐腐蚀性都明显提高 从而保证了伸缩门的使用寿命 另外 与传统的不锈钢电动门相比 材质更优 造型更美观 此外 自动伸缩门的门头上 可以选配 LED 显示屏 LED 显示屏通过单片 机来控制可以滚动显示客户所想要显示的汉字和数字 或者各类厂家需要的广告 内容 根据客户的需要 自动伸缩上还可以安装红外探头 起到随时报警的作用 1 1 2 单片机的发展单片机的发展 单片机是一种集成在电路芯片 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 多种 I O 口和 中断系统 定时器 计时器等功能 可能还包括显示驱动电路 脉宽调制电路 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 6 模拟多路转换器 A D 转换器等电路 集成到一块硅片上构成的一个小而完善的 计算机系统 早期的单片机都是 8 位或 4 位的 其中最成功的是 INTEL 的 8031 因为简 单可靠而性能不错获得了很大的好评 此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片 机系统 基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用 单片机内部也用和电脑功能类似的模块 比如 CPU 内存 并行总线 还 有和硬盘作用相同的存储器件 不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电 脑弱很多 不过价钱也是低的 一般不超过 10 元即可 用它来做一些控制电器一 类不是很复杂的工作足矣了 我们现在用的全自动滚筒洗衣机 排烟罩 VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影 它主要是作为控制部分的核心部件 它是一种在线式实时控制计算机 在线式就是现场控制 需要的是有较强的 抗干扰能力 较低的成本 这也是和离线式计算机的 比如家用 PC 的主要区 别 单片机是靠程序运行的 并且可以修改 通过不同的程序实现不同的功能 尤其是特殊的独特的一些功能 这是别的器件需要费很大力气才能做到的 有些 则是花大力气也很难做到的 由于单片机对成本是敏感的 所以目前占统治地位 的软件还是最低级汇编语言 它是除了二进制机器码以上最低级的语言了 既然 这么低级为什么还要用呢 很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什 么不用呢 原因很简单 就是单片机没有家用计算机那样的 CPU 也没有像硬 盘那样的海量存储设备 一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按 钮 也会达到几十 K 的尺寸 对于家用 PC 的硬盘来讲没什么 可是对于单片机 来讲是不能接受的 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行 所以汇编 虽然原始却还是在大量使用 单片机的硬件特性 1 单片机集成度高 单片机包括 CPU 4KB 容量的 ROM 8031 无 128 B 容量的 RAM 2 个 16 位定时 计数器 4 个 8 位并行口 全双工串口行口 2 系统结构简单 使用方便 实现模块化 3 单片机可靠性高 可工作到 10 6 10 7 小时无故障 4 处理功能强 速度快 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片机 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 7 的踪迹 导弹的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数据传 输 工业自动化过程的实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能 IC 卡 民用 豪华轿车的安全保障系统 录像机 摄像机 全自动洗衣机的控制 以及程控玩 具 电子宠物等等 这些都离不开单片机 更不用说自动控制领域的机器人 智 能仪表 医疗器械以及各种智能机械了 因此 单片机的学习 开发与应用将造 就一批计算机应用与智能化控制的科学家 工程师 单片机广泛应用于仪器仪表 家用电器 医用设备 航空航天 专用设备的 智能化管理及过程控制等领域 1 1 3 电机自动控制系统的应用和发展电机自动控制系统的应用和发展 电动机作为最主要的机电能量转换装置 其应用范围已遍及国民经济的各个 领域和人们的日常生活 无论是在工农业生产 交通运输 国防 航空航天 医 疗卫生 商务和办公设备中 还是在日常生活的家用电器和消费电子产品 如电 冰箱 空调 DVD 等 中 都大量使用着各种各样的电动机 据资料显示 在 所有动力资源中 百分之九十以上来自电动机 同样 我国生产的电能中有百分 之六十是用于电动机的 电动机与人的生活息息相关 密不可分 电气时代 电 动机的调速控制一般采用模拟法 对电动机的简单控制应用比较多 简单控制是 指对电动机进行启动 制动 正反转控制和顺序控制 这类控制可通过继电器 可编程控制器和开关元件来实现 还有一类控制叫复杂控制 是指对电动机的转 速 转角 转矩 电压 电流 功率等物理量进行控制 伺服系统是以机械运动 的驱动设备 电动机为控制对象 以控制器为核心 以电力电子功率变换装置为 执行机构 在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统 这类系统控 制电动机的转矩 转速和转角 将电能转换为机械能 实现运动机械的运动要求 具体在数控机床中 伺服系统接收数控系统发出的位移 速度指令 经变换 放 大与调整后 由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴 主轴等 带动工作台及 刀架 通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动 从而加工出用户 所要求的复杂形状的工件 作为数控机床的执行机构 伺服系统将电力电子器件 控制 驱动及保护等集为一体 并随着数字脉宽调制技术 特种电机材料技术 微电子技术及现代控制技术的进步 经历了从步进到直流 进而到交流的发展历 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 8 程 目前 伺服技术正朝着交流化 数字化的方向迅速发展 随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展 微型计算机的性能越 来越高 价格也越来越便宜 此外电力电子技术的发展 使得大功率电子器件的 性能迅速提高 因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机 完成备种新 颖的 高性能的控制策略 是电机的各种潜在能力得到充分发挥 是电机的性能 更符合使用要求 还可以制造山便于控制纳新型电机 使电机山现新的而貌 比较简单的电机微机控制 例如在适当的时候让电机启动 制动或反转之类 只要让微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了 在各种机床 设备及生广流水线中 现在已普遍采用微机的可编程控制器 按一定的规律控制 各类电机的动作 至于复杂的控制 则要用微机控制电机的电压 电流 转矩 转速 转角等 等 使电机按指定的指令准确工作 通过微机控制 电机的性能有很大的提高 例如传统的直流电集合变流电机 各有忧缺点 直流电动机的调速性能好 但带有机械按向器 有机械磨损及换向 火化等问题 交流电动机 不论是异步电动机还是同步电动机 结构都比直流电 动机简单 工作也比直流电动机可靠 但在频率恒定的电网上运行时 他们的速 度不能方便而又经济的调节 交流电动机采用正弦脉宽调制方式进行变额调速是 比较理想的 但若要用普通的模拟电路或数字电路完成这任务 电器相当复杂 用 微机控制就简单多了 若要进一步调节精度及动态性能 可采用矢量控制方案 它的调速性能将与直流电动机相当 但矢量控制比较复杂 用传统的模拟电路或 数字电路根难做到 而应用微机控制 则能方便的实现 目前 广泛应用于数控 机床等自动化设备的数控位置伺服系统 其中电动机都是由微机控制的 为了提 高性能 在先进的数控交流伺服系统中 已采用高速数字信号处理芯片 Digital Signal Processor 简称 DSP 指令执行速度达到每秒数百兆以上 且具有适合于 矩阵运算的指令 复杂的电机微机控制主要用于以下两个方而 1 发电机励磁系统的控制 用以保证正常工作时发电机电压稳定 发生故 障后尽可能保持稳定 达到优化控制的目的 2 电动机调速及其位置伺服控制 用于鼓风机或水泵的调速节能 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 9 数控机床 微型计算机磁盘驱动器 机器人等控制系统 在电机微机控制系统中 微机主要完成下列工作 1 实时控制 根据给定的要求驶控制规律 对发电机的电压 电动机的转 速等物理量实现在线实时控制 2 监控 完成事故报警 事故处理 系统诊断及管理等 3 数据处理 完成必要的数据采集 分析处理 计算 显不 记录等 1 2 课题研究的意义和目的课题研究的意义和目的 随着电子科技的不断发展 各种智能控制系统进入人们的生活 自动伸缩门 控制系统成为学校 公司等人流密集地疏导人流 控制出入的首选 另外自动伸 缩门还具有良好的机动性 为了使自动伸缩门能够更好的为人们和各种企业单位服务 需要得到一种 电路简单 软件功能完善 控制系统可靠 性价比较高的自动伸缩门系统 本课 题研究的一种基于单片机的自动伸缩门控制系统 该系统以STC89C51RC作为控 制核心 步进电机 LED 显示屏相结合的系统 充分发挥了单片机的性能 具 有一定的使用和参考价值 1 3 课题研究的要求课题研究的要求 1 了解各种元器件的原理及其在电路中的作用 绘制出电路原理图和硬 件仿真图 2 熟悉所需软件的用法 通过仿真调试使得电机能够实现正反转 电机 正转代表开门 电机反转代表关门 而且电机能够根据实际情况来进行加减速控 制 此外 自动伸缩门的门头上的点阵 LED 屏能够根据不同的 C 语言程序来显 示不同的信息 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 10 第二章第二章 自动伸缩门系统方案自动伸缩门系统方案 2 1 设计思想和整体框图设计思想和整体框图 本设计主要应用单片机程序对步进减速电机的正转 反转进行控制 从而对 门进行开 关的控制 当伸缩门的两侧有人要进出时 操控员按下启动按钮 将 脉冲信号传给主控器单片机 主控器判断后通知电机运行 同时监控电机的转数 以便通知在非紧急情况下 电机能够匀速运行 紧急情况下 电机能够加速运行 下图 2 1 是自动伸缩门系统整体框图 单 片 机 指定开关 电动机负载 信号发生器LED 显示屏 正 反转负反馈 图 2 1 自动伸缩门系统整体框图 2 2 器件的选择器件的选择 本课题设计所用到的的单片机是较为常见的 STC89C51RC 它是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 STC89C51RC 是一种带2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器单机的可擦除只读存储器可以反 复擦除 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工 业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存 储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 STC89C51RC 是一种高效微控制器 STC89C51RC 是它的一种精简版本 STC89C51RC 单片机为很多嵌入式控制系 统性高且价廉的方案 外形如图 1 所示 芯片管脚如图 2 所示 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 11 图 1 STC89C51RC图 2 STC89C51RC 的结构图 本课题所先用的是 28BYJ 48 步进电机 它是一种将电脉冲转化为角位移的 执行机构 通俗一点讲 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机 按设定的方向转动一个固定的角度 及步进角 您可以通过控制脉冲个来控制 角位移量 从而达到准确定位的目的 同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机 转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电机 28BYJ 48 型四相八拍电机 电压为 DC5V DC12V 当对步进电 机施加一系列连续不断的控制脉冲时 它可以连续不断地转动 每一个脉冲信号 对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次 也就对应转子转过一定 的角度 一个步距角 当通电状态的改变完成一个循环时 转子转过一个齿距 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行 常见的通电方式有单 单相绕组通 电 四拍 A B C D A 双 双相绕组通电 四拍 AB BC CD DA AB 八拍 A AB B BC C CD D DA A 其图片如 2 2 所示 图 2 2 28BYJ 48 步进电机 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 12 此外 本课题还选择了8 8LED 点阵屏 它共需要64 个发光二极管组成 且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上 当对应的某一列置1 电平 某一行置0电平 则相应的二极管就亮 因此要实现一根柱形的亮法 对应的一 列为一根竖柱 或者对应的一行为一根横柱 因此实现柱的亮的方法如下所述 1 一根竖柱 对应的列置 1 而行则采用扫描的方法来实现 2 一根横柱 对应的行置 0 而列则采用扫描的方法来实现 其实物图如图2 3所示 图2 3 点阵实物图 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 13 第三章第三章 自动伸缩门的硬件设计自动伸缩门的硬件设计 3 1 控制器单元的硬件设计控制器单元的硬件设计 控制器单元硬件图如图 3 1 所示 图 3 1 控制器硬件图 一片 STC89C51 单片机芯片内包含一个 8 位 CPU 振荡器和时钟电路 至 少128字节的内部数据存储器 可寻址外部程序存储器和数据存储器个64k字节 21 个特殊功能寄存器 4 个并行 I O 接口 2 个 16 位定时 计数器 至少 5 个中 断源 提供两级中断优先级 可实现两级中断服务程序嵌套 具有有位寻址功能 有较强的布尔处理能力 各功能单元 包括 IO 端口和定时器 计数器等 都由特 殊功能寄存器 SFR 集中管理 STC89C51 单片机在物理结构上有四个存储空间 1 片内程序存储器 2 片外程序存储器 3 片内数据存储器 4 片外数据存储器 程序内存 ROM 的寻址范围 0000H FFFFH 容量 64KB EA 1 寻址内 部 ROM EA 0 寻址外部 ROM 地址长度 16 位 作用 存放程序及程序 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 14 运行时所需的常数 七个具有特殊含义的单元是 0000H 系统复位 PC 指向此处 0003H 外部中断 0 入口 000BH T0 溢出中断入口 0013H 外中断 1 入口 001BH T1 溢出中断入口 0023H 串口中断入口 002BH T2 溢出中断入口 内部数据存储器RAM物理上分为两大区 00H 7FH即128B内RAM和 SFR 区 作用 作数据缓冲器用 STC89C51 片内有 4kB 的程序存储单元 其地址为 0000H 0FFFH 单片机 启动复位后 程序计数器的内容为 0000H 所以系统将从 0000H 单元开始执行程 序 但在程序存储中有些特殊的单元 这在使用中应加以注意 其中一组特殊是 0000H 0002H 单元 系统复位后 PC 为 0000H 单片机从 0000H 单元开始执行程序 如果程序不是从 0000H 单元开始 则应在这三个单 元中存放一条无条件转移指令 让 CPU 直接去执行用户指定的程序 另一组特殊单元是 0003H 002AH 这 40 个单元各有用途 它们被均匀地分 为五段 它们的定义如下 0003H 000AH 外部中断 0 中断地址区 000BH 0012H 定时 计数器 0 中断地址区 0013H 001AH 外部中断 1 中断地址区 001BH 0022H 定时 计数器 1 中断地址区 0023H 002AH 串行中断地址区 可见以上的 40 个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元 中断响应 后 按中断的类型 自动转到各自的中断区去执行程序 从上面可以看出 每个 中断服务程序只有 8 个字节单元 用 8 个字节来存放一个中断服务程序显然是不 可能的 因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容 只能存放中断服务程 序 但是通常情况下 我们是在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令 指 向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行 这样中断响应后 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 15 CPU 读到这条转移指令 便转向其他地方去继续执行中断服务程序 0000H 0002H 只有三个存储单元 3 个存储单元在我们的程序存放时是存放 不了实际意义的程序的 通常我们在实际编写程序时是在这里安排一条 ORG 指 令 通过 ORG 指令跳转到从 0033H 开始的用户 ROM 区域 再来安排我们的程 序语言 从 0033 开始的用户 ROM 区域用户可以通过 ORG 指令任意安排 但在 应用中应注意 不要超过了实际的存储空间 不然程序就会找不到 STC 51 系列单片机中有至少有 2 个定时器 计数器 T C0 和 T C1 它们既 可以编程为定时器使用 也可编程为计数器使用 若是内部晶振驱动时钟 则是 定时器 若是对外部输入的脉冲信号计数 则是计数器 当 T C 以定时器方式工作时 在每个机器周期计数加 1 计数频率 fosc 12 如晶振频率为 12MHz 时 计数频率为 1MHz 每隔 1 s 计数值加 1 当 T C 以计数器方式工作时 计数脉冲来自外部输入管脚 T0 P3 4 或 T1 P3 5 当外部脉冲信号负跳变时计数值加 1 假如外部信号是周期性连续脉冲 信号 则每过一个振荡周期 计数器进行一次加 1 计数 因计算机识别输入信号 的负跳变需两个机器周期 所以可计数外部脉冲的最高频率为 fosc 24 当晶振 为 12MHz 时 最高计数频率为 500kHz 假如外部脉冲频率高于此频率 计数将 出错 和 T C 有关的特殊功能寄存器有 TH0 TL0 TH1 TL1 TCON 和 TMOD 其中 TH0 和 TL0 为 T C0 的计数寄存器 TH1 和 TL1 为 T C1 的计数寄存器 TCON 中高 4 位用于控制定时 计数器的启停以及产生计数溢出中断标志 其各位的定义如下表 3 2 所示 表 3 2定时器 计数器控制寄存器 TCON D7D6D5D4D3D2D1D0 TF 0 TR0TF1TR1IE1IT1IE0IT 0 TR0 TR1 T C0 T C1 启动控制位 需软件控制 1 启动计数 0 停止 计数 TF0 TF1 T C0 T C1 计数溢出中断请求标志位 产生中断时 硬件置 位 CPU 响应中断时 硬件清零 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 16 TCON 上电复位时清零 TMOD 用于设置定时器 计数器的工作模式 其各 位的定义如表 3 3 所示 表 3 3定时器 计数器方式控制寄存器 TMOD D7D6D5D4D3D2D1D0 GA TE C TM1M0GATEC TM1M0 T C1T C0 其中高 4 位对应于 T C1 低 4 位对应于 T C0 C T 计数器或定时器选择位 0 定时器 1 计数器 GATE 门控信号位 0 T C 的启停仅受 TR0 或 TR1 的控制 1 T C 的启 停受到双重控制 即 TR0 和 P3 2 或 TR1 和 P3 3 同时为 1 才能启动 T C0 或 TC1 M1 M0 工作方式选择位 定时器定时时间和计数初值之间的关系 定时时间 满计数值 计数初值 机器周期 机器周期 12 fosc 满计数值 16 位计数 216 65536 8 位计数 28 256 3 2 电机驱动模块电机驱动模块 步进电机驱动模块图 3 4 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 17 图 3 4 电机驱动模块图 步进电机按绕在定子的线圈配置分类可为 2 相 4 相 5 相等 按外部引线 可分为三线式 五线式 六线式等 但其控制方法均相同 均以脉冲信号进行驱 动 本课题选得是 4 相 5 线的步进电机 如图 3 5 所示 转子A 相 D 相 B 相 C 相 图 3 5 四相步进电机 步进电机 顾名思义 就是一步步走的电机 所谓 步 指的是转动角度 一般为 1 8 若转一圈 360 需要走 200 步才能完成 有的每步为 7 5 还有的每步为 18 转一圈只需 20 步 步进电机没走一步 就要加一个脉冲信号 也称激磁信号 无脉冲信号输入 时 转子保持静止状态 若加入适当的脉冲信号时 转子则会以一定的步数转动 如果加入连续的脉 冲信号 步进电机就连续转动 转动的角度与脉冲频率成正比 正 反转可由脉 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 18 冲的顺序来控制 改变线圈激磁的顺序可以改变步进电机的转动方向 每送一次激磁信号后要 经过一小段的时间延长 这是为了让步进电机有足够的时间建立磁场及转动 当 电 机 绕 组 通 电 时 序 为 AB BC CD DA 时 为 正 转 通 电 时 序 为 DA CA BC AB 时为反转 使用和控制步进电机时 必须使用环形脉冲 功率 放大等组成的控制系统 其框图如下图 3 6 所示 信 号 分 配 步 进 电 机 功 率 放 大 负 载 脉 冲 信 号 图 3 6 系统框图 3 3 LED 显示屏模块显示屏模块 LED 显示屏是利用发光二极管 LED 作为发光体制作的平板显示器 它 具有光电转换效率高 驱动电压低 易于与计算机接口 使用寿命长的特性 屏 幕的大小可按需要无缝拼接 使 LED 成为制作平板显示器的首选器件 将 LED 模块或集束管按照实际需要大小拼装排列成矩阵 配以专用显示电 路 直流稳压电源 软件 框架及外装饰等 即构成一 LED 显示屏 LED 显示屏横向像素点数乘以纵向像素点数 即为屏体分辨率 屏幕的分 辨率是指屏幕具有的像素点的数量 目前主要比例是 4 3 和 16 9 电脑的主要工 作模式有 640X480 800X600 1024X768 三种 屏幕的分辨率越高 可以显示 的内容越多 画面越细腻 但是 分辨率越高 造价也就越昂贵 分辨率是指像素发光明暗变化的程度 每种基色具有的亮度等级称为灰度 级 灰度级越高 色彩再现越逼真 灰度的实现是通过控制 LED 管的电流的占 空比来实现的 单色是指显示屏只有一种颜色的发光材料 多为单红色 双基色屏一般由红色和黄绿色发光材料构成 三基色屏分为全彩色 full color 由红色 黄绿色 波长 570nm 蓝色构成及真彩色 nature color 由红色 纯绿色 波长 525nm 蓝色构成 此外 LED 屏还具有以下特点 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 19 1 亮度高 目前户外单灯的亮度已超过 6 000mcd 2 功耗低 具有较高的光电转换效率 3 寿命长 LED 寿命长达 200 000 小时以上 4 响应速度快 ns 级 无余灰 5 低电压低电流驱动 易于与计算机接口 7 视角大 室内屏视角大于 60 度 室外屏视角大于 80 度 8 视距可通过选择不同直径与不同点距的产品来调整 小到几十厘米 大到几百米均 可满足要求 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 20 第四章第四章软件设计软件设计 4 1 整体程序流程图整体程序流程图 初始化 调用显示程序 调整数据指针 是否显示 Y N 开始 图 4 1 LED 显示主程序 脉冲信号为正 反转正转 返回 图 4 2 电机驱动主程序 开始 初始信号 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 21 图 4 1 是 LED 显示主程序 它首先进行初始化程序 将数据清零 然后调 用显示子程序 并进行数据的调整 最后看点阵屏是否显示汉字或者图案 图 4 2 是步进电机驱动主程序 他首先发出连续的脉冲信号 电机根据脉冲 信号的顺序 来实现电机的正 反转 从而实现伸缩门的开和关 4 2 原理图的绘制原理图的绘制 4 2 1Protel99SE 软件简介软件简介 Protel99 电子线路 CAD 软件由 Australia 的 Protel Technology Corporation 开发研制 现已成为业界使用最广的电子线路 CAD 软件之一 EWB OrCAD 其版本随着操作平台的不断升级而升级 其特点是 1 集成度高 将 Schematic PCB PLD Route Simulate 等有机结合起来 是真 正意义上的 EDA 智能化 自动化程度高 2 支持自上而下或自下而上的层次图设计 能完成大型复杂的电路设计 3 可利用 Simulate 元件库直接对电原理图进行仿真测试 4 提供 ERC 和 DRC 最大限度地减少设计差错 5 遵循数据标准 兼容性好 4 2 2 电路工程设计功能电路工程设计功能 1 电路原理设计部分 电路原理图设计部分包括电路图编辑器 电路 图零件库编辑器 简称 Schlib 编辑器 和各种文本编辑器 本系统的主要 功能是 绘制 修改和编辑电路原理图 更新和修改电路图零件库 查看 和编辑有关电路图和零件库的各种报表 2 自动布线系统 Advanced Route 99 本系统包含一个基于形状 Shape based 的无栅格自动布线器 用于印刷电路板的自动布线 以实 现 PCB 设计的自动化 4 2 3 系统原理图系统原理图 1 LED 控制部分电气原理图如下图 4 3 所示 2 步进电机驱动部分电气原理图如下图 4 4 所示 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 22 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 J2 LCD1602 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 J4 CON20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 J1 LCD12864 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 J3 CON20 12 34 56 78 910 J7 ISP 10P 1 2 3 4 J5 USB 1 2 3 J6 51 AVR SW SW2 R1 1K R2 4 7K R3 10K R4 1K R5 10K R6 10K 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J8 DB9 Y1 CRYSTAL C8 10uf C9 100uf C1 CAP C2 CAP C3 CAP C4 CAP C5 CAP C6 CAP C7 CAP SW1 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 3 INT1 13 P3 2 INT0 12 P3 5 T1 15 P3 4 T0 14 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 0 RXD 10 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 P3 1 TXD 11 ALE P 30 PSEN 29 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VDD 40 U1 STC89C51 C1 1 C1 3 V 2 C2 4 C2 5 V 6 T2 OUT 7 R2 OUT 8 R2 OUT 9 T2 IN 10 T1 IN 11 R1 OUT 12 R1 IN 13 T1 OUT 14 GND 15 VCC 16 U2 MAX232CPE D1 LED 5 5 5 5 5 5 5 GND VDD VO D IP2 0 P2 1 P2 2 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P2 3 P2 4 P2 5 R W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CS1 CS2 RSTB VEE BL BL GND VDD VL RS R W EN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BL BL P2 0 P2 1 P2 2 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RESET P3 0 P3 1 P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 X2 X1 GND RESET P3 0 P3 1 VDD P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 E A VP ALE PSEN P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 图 4 3 LED 显示控制原理图 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 23 图 4 4 步进电机控制原理图 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 24 第五章第五章 系统仿真与调试系统仿真与调试 5 1 仿真软件的概述仿真软件的概述 本设计的仿真软件采用 Proteus 软件和 Keil uVision2 软件相结合的方法 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 该软件中国 总代理为广州风标电子技术有限公司 它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功 能 还能仿真单片机及外围器件 它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具 虽然目前国内推广刚起步 但已受到单片机爱好者 从事单片机教学的教师 致 力于单片机开发应用的科技工作者的青睐 Proteus是世界上著名的EDA工具 仿 真软件 从原理图布图 代码调试到单片机与外围电路协同仿真 一键切换到 PCB 设计 真正实现了从概念到产品的完整设计 是目前世界上唯一将电路仿 真软件 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台 其处理器模型 支持 8051 HC11 PIC10 12 16 18 24 30 DsPIC33 AVR ARM 8086 和 MSP430 等 2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器 并持续增加其他系列处理器模 型 在编译方面 它也支持 IAR Kiel 和 MPLAB 等多种编译器 Keil uVision2 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软 件开发系统 使用接近于传统 C 语言的语法来开发 与汇编相比 C 语言在功能 上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 而且大大的提 高了工作效率和项目开发周期 他还能嵌入汇编 您可以在关键的位置嵌入 使 程序达到接近于汇编的工作效率 KEILC51 标准 C 编译器为 8051 微控制器的软 件开发提供了 C 语言环境 同时保留了汇编代码高效 快速的特点 C51 编译器的 功能不断增强 使你可以更加贴近 CPU 本身 及其它的衍生产品 C51 已被完 全集成到 uVision2 的集成开发环境中 这个集成开发环境包含 编译器 汇编器 实时操作系统 项目管理器 调试器 uVision2 IDE 可为它们提供单一而灵活的 开发环境 5 2 系统仿真与调试系统仿真与调试 第一步调试是软件对所编程序的调试 看是否存在语法错误 一般来说这一 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 25 步很容易实现 通过 Keil uVision2 软件对 C 语言程序进行编译 并生成 hex 文 件 为以后的程序烧录做好准备 第二步调试是通过 Proteus 软件来仿真 并仿真中找出不足 为以后的实物装 配做好准备 在仿真过程中也遇到了不少麻烦 自己也犯了一些错误 如 1 点阵屏不能正常工作 后来通过电子 QQ 群的帮助 把 4 个 8 8 点阵屏进行重新接线 2 C 语言程序的烧录问题 程序烧时老是联接失败 或者找不到串口 原来自己忘插晶振了 在赵老师的帮助下 最终把程序烧到芯片中 下载成功的界面 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 26 最终的实物图如下图所示 将焊接好的实物接入5V 电源 按下启动按钮 点阵屏上将会循环出现 无 锡科技学院控制系电气0902 这几个汉字和数字 步进电机也会启动 然后根据 需要对电机进行正 反转操作 其中 机 和电机正转的图片如下图所示 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 27 总结总结 在此次有关自动伸缩门的控制系统的设计 让我感觉到了单片机的复杂深度 性 它很贴切我们的日常生活 无所不在 应用无处不有 它并不是想象中的那 么简单 也并非是无法克服的堡垒 设计硬件之前 要首先收集好有关的基础性资料 应备有良好的应用类参考 书和专业类参考书 对于有关的科技期刊和专利文献 也要经常阅读以便了解最 新的发展情况 借鉴现成的经验 避免重复劳动 在设计中 要充分了解所用芯 片的使用条件及输入输出的特性 这样才能避免因使用错误而多走弯路 电路设计部分应该有的精神就是广集资料 只凭借自己头脑中的知识是远远 不够的 哪里出现了问题 就要翻书本 或上网查资料 当然也要开动自己的脑 筋怎样使系统电路更完美 例如我的设计题目是基于单片机的自动伸缩门控制系 统设计 有自动门 自然会用到电动机 每种电机都有不同的特性和功能 你就 要进行选择了 例如对电机的选择 你就要选择你所熟悉的 所了解的 在电路设计时 应充分发挥单片机的记忆运算 判断控制能力 避免采用复 杂的 稳定性较差的模拟电路 本设计程序以汇编语言语言编写 易于读写 易于调试和修改 同时汇编语 言用来编制系统软件和过程控制软件 其目标程序占用内存空间少 运行速度快 为了使微机控制系统各种硬件设备能够正常运行 有效地实现电机各个控制 环节的实时控制和管理 除了要设计合理的硬件电路 还必须要有高质量的软件 支持 因此用汇编语言编写电机单片机实施控制的应用程序 使整个系统中十分 重要的内容 最后我非常感谢学校和老师给我们这么好的学习机会 在项目中我们也体会 到一位优秀的教师为我们这次项目的付出 在老师的精心组织下 我们顺利完成 了规定任务 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 28 参考文献 参考文献 1 单片机的 C 语言应用程序设计 马忠梅等 北京航空航天大学出版社 2 单片机原理与程序设计实验教程 王新年 余殿泓编著 西安电子科技 大学出版社 3 例说 51 单片机 C 语言第三版 张义和 王敏男 许宏昌 余春长编 著 人民邮电出版社 4 51 单片机开发入门与典型实例 第二版 王守忠 聂元铭编著 人民 邮电出版社 5 uVision2 单片机应用程序开发指南 尹勇 李宇编著 科学出版社 6 单片机技术与应用 龚运新 朱芙菁编著 南京大学出版社 无锡科技职业学院基于单片机的自动伸缩门控制系统设计 29 附录 附录 源程序 1 16 16点阵屏的显示 include include define DATAOUT P2 指定 P2口做为输出 sbit DATA DATAOUT 0 列数据输出位 sbit SCLH DATAOUT 1 列扫描时钟位 sbit SCLT DATAOUT 2 列数据锁存位 sbit AB DATAOUT 4 行数据输出位 sbit SCK DATAOUT 5 行扫描时钟位 unsigned char lhj 32 32字节 RAM 做为16 16点阵屏显示缓存 void display 做为点阵扫描函数 将显示缓存的数据输出到点阵屏 void displayS unsigned int timer 指定时间扫描显示 code unsigned char lin 32 无 0 x00 0 x20 0 x3f 0 xf0 0 x02 0 x00 0 x02 0 x00 0 x02 0 x00 0 x02 0 x08 0 x7f 0 xfc 0 x02 0 x80 0 x02 0 x80 0 x04 0 x80 0 x04 0 x80 0 x08 0 x80 0 x08 0 x82 0 x10 0 x82 0 x20 0 x7e 0 x40 0 x00 code unsigned char yang 32 锡 0 x10 0 x08 0 x11 0 xfc 0 x11 0 x08 0 x1d 0 xf8 0 x21 0 x08 0 x21 0 x08 0 x7d 0 xf8 0