仲超凡自动化工程师撰写提纲.doc

自动化系统工程师培训综合设计说明书题目名称： 自动化工程师 姓 名： 仲超凡 班 级： 电气N111 学 号： 201145679311 日 期： 2015.1.18 嘉兴学院南湖学院机建系评阅意见： 评阅教师 日期 第一部分 培训软件简介Keil Software公司推出的uVision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。uVision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括Analog Devices的ADuC83x和ADuC84x，以及Infineon的XC866等。第二部分 培训项目实例培训项目一：基于单片机的步进电动机控制器的设计项目要求：采用单片机对步进电机进行控制，包括正转、反转、加速、减速和停止，同时采用液晶显示屏显示步进电动机的运行情况。培训目的：1. 掌握步进电机的工作原理；2. 掌握控制器硬件组成及原理；3. 掌握控制器的软件组成及原理；4. 分析仿真结果。培训内容：1、步进电机的工作原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：1.控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为ABCD，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。2.控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。3.控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2、控制器硬件组成及原理步进电机控制系统共分为六个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、测速模块、步进电机驱动模块和电源模块。1.单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机各功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。2.键盘控制模块包括加速键、减速键、正传和反转、，分别与单片机的P3.2、P3.3、P3.4和P3.5相连。实现对步进电机的控制。3.数码显示模块采用共阴极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利用I/O口为数码管的com端提供低电平。二号单片机的P1口提供数码管的段选信号，P2.6和P2.7控制数码管的位选信号。4.测速模块采用开关霍尔片对安放在步进电机转盘上的小磁片的磁信号进行检测，步进电机转盘每次带动小磁片经过霍尔片时，其都将有脉冲信号从霍尔片输出。单片机外部中断口对信号进行采集。5.步进电机驱动模块选用七个NPN达林顿连接晶体管ULN2003为步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。该模块与单片机的P1.0P1.3相连。6.电源模块是通过将市电220V转变为直流12V和直流5V分别供给驱动模块和单片机模块。3、控制器的软件组成及原理3.1 程序流程图图3.1 步进电机控制系统主程序流程图系统上电复位后，先调用初始化子程序，对步进电机各端口，相关参数进行初始化，设置T0工作方式控制时间常数。初始化完成后，步进电机处于停止状态，T0定时器处于关闭状态。然后循环调用读键盘子程序和键盘处理子程序，等待中断，以便实现步进电机转动控制。3.2读键盘子程序流程图首先初始化实际键值参数为0FH，然后扫描P2口，与初始值比较，相等则说明没有键按下，不相等则软件消抖，以便确认是否真的有键按下。延时10ms后再次扫描P2口，第二次与初始值比较，若相等则表明前一次比较不相等是由抖动产生；如果相等则表明确实有键按下。执行键盘之程序里的指令，将相应的变量值改变，为键盘处理子程序做准备。如图3.2所示:图3.2 扫描键盘子程序流程图3.3键盘处理子程序流程图按键处理子程序流程图如图3.3所示：步进电机的启停控制通过启停定时器T0来实现，因为定时器T0控制着脉冲信号的输出，关闭定时器T0也就阻止了脉冲信号的输出。图3.3键盘处理子程序流程图3.4电机控制中断程序流程图定时器中断0服务程序流程图如图3.4所示:定时器中断0服务程序的中断时间由当前的转速决定。进入中断程序后，首先要保护现场，再根据当前值设置TH0和TL0的值。然后判断转动方向控制位的值，如果是0则控制脉冲信号P1.0、P1.2输出，如果是1则控制脉冲信号P1.1、P1.3输出。最后恢复现场，返回，等待下次中断。通过用当前转速控制中断时间，控制了脉冲的输出频率，也就到达了控制步进电机转动速度的目的；通过检测方向控制位的电平，选择脉冲信号P1.0、P1.2与P1.1、P1.3间的切换，控制了步进电机各引出端的接通顺序，也就到实现了步进电机转动方向的控制。图3.4 定时器中断0服务程序流程图4、分析仿真结果图4-1 总电路图培训项目二：基于单片机的数字电压表的设计项目要求：采用单片机设计数字电压表，能够用液晶屏实时的显示输入的模拟电压值。培训目的：1. 掌握电压表的硬件组成及原理；2. 掌握电压表的软件组成及原理；3. 分析仿真结果。培训内容：按照培训目的逐条撰写1、 电压表的硬件组成及原理1.1 AT89C51的复位电路和时钟电路单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。单片机AT89C51的时钟电路如图2-2所示，主要由电容C1- C3、电阻R1、晶振X1等组成。AT 89C51的18脚(XTAL2)和19脚(XTAL1)接时钟电路，其中19脚是AT89C51内部振荡器倒相放大器的输入端，用于接外部晶振和微调电容的一端；18脚是AT89C51内部振荡器倒相放大器输出端，用于接外部晶振和微调电容的另一端。图1-1 AT89C51的时钟电路图单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图2-2是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路。图1-2 AT89C51的复位电路1.2 ADC0808各引脚功能图1-3ADC0808引脚图ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图2-4所示。下面说明各个引脚功能: IN0-IN7（8条）：8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。 ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。START：START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。 EOC: EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。 D1-D8：数字量输出端，D1为高位。 OE：OE为输出允许端，高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。 REF+、REF-:参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。 Vcc、GND: Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc连接在一起，REF-与GND连接在一起. CLK:时钟输入端。2、 电压表的软件组成及原理2.1 设计流程图主程序主要完成信号存储、信号处理、A/ D转换以及调用显示等。主程序流程图：程序首先从ORG0000H开始，然后无条件件跳转至主程序的首地址开始，初始化后，先调用模数转换程序进行输入信号的数字化，然后调用显示子程序将处理后的数字输出，一次数据结束后，循环执行调用的两个子程序。 A/D转换子程序流程图：首先进行开始模数转化，执行后，如果检测到转化没有完成则继续转化，如果转化完成，执行下一条指令，将取得模数转化结果并转换为工程量，然后显示转换结果，此为一次模数转换，如此循环可转换下一组数据，全部转换完毕后，结束。图2-1 程序设计流程图3、 分析仿真结果图3-1 总电路图自行设计项目一：基于单片机的电子琴的设计项目要求：1、 由于本设计主要用于人们娱乐方面，因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。其次，在这次设计可行性上进行分析如下：2、 1、经济可行性：3、 所谓经济可行性，即在这次设计上需要投入资金的多少，由于毕业设计是没有项目资金，没有开发经费，因此在经济上必须能够承受，比较理想化的项目对于我们毕业设计来说是不可行的。通过分析后，无论是在器件价格或是常见度上均是可行的。4、 2、技术可行性：5、 技术可行性主要是分析技术条件上是否能够顺利开展并完成开发工作，硬件、软件能否满足设计者的需要等。通过分析各种软件环境，硬件仿真环境等均已经具备。6、 综上所述，本系统设计目标已经明确，在经济与技术上均可行，因此本系统的开发是完全可行的。1.1 典型电路图1放大器增益=20图2放大器增益=50图3低频提升放大器1.2 显示模块本次设计的显示电路采用LED数码管显示，LED（Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而流过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。常用的七段显示器的结构如图下图所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器(如图b所示)，阴极连在一起的称为共阴极显示器(如图c所示)。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管ag控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来。 （a）外形 （b）共阳极 (C)共阴极图4 数码管引脚1.3各功能模块电路图5主程序模块1.4键盘模块电路图6键盘扫描电路模拟图7、 电子门铃的软件组成及原理7.1程序流程图键盘扫描AT89S52数码管显示扬声器播放音乐电源部分7.2主程序框N定时器初始化数码管显示0主程序开始循环检测按键Y数码管显示扬声器出声8、 分析仿真结果图7 电子琴仿真自行设计项目二：基于单片机的红外报警器的设计项目要求：采用单片机设计红外报警器，当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态探测器工作起来。当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。项目目的：1. 掌握红外报警器的硬件组成及原理；2. 掌握红外报警器的软件组成及原理；3. 分析仿真结果。项目内容：1、 红外报警器的硬件组成及原理本电路实现的是一种基于单片机技术的红外智能防盗报警器。该防盗报警器通过以AT89C51单片机为工作处理器核心，外接热释电红外传感器，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警，同时通过显示电路显示出报警次数。1.1 信号检测与放大电路针对红外辐射信号的探测，设计了一种实用化的基于单片机AT89C51检测放大电路。当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，然后经放大电路将电信号放大传给单片机。图1-1 信号检测与放大电路1.2 报警执行电路针对声光报警实现，设计了一种实用基于单片机AT89C51报警执行电路。此电路接受单片机传送来的电平信号，驱动声光报警从而达到报警效果。图1-2 报警执行电路1.3手工暂停针对中断系统的显示，设计了一种实用化基于单片机AT89S51的手工暂停电路。通过按钮S1能够实现手工解除警报信号。图1-3 手工暂停电路1.3 单片机控制晶振与复位电路通过振荡得到一个稳定的时钟频率。利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。图1-4 晶振/复位电路2、红外报警器的软件组成及原理该程序设计主要是通过探测红外信号，经单片机AT89C51将控制电平传给声光报警系统。本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释点传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警点路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警，同时显示出报警次数以便人们查询，然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声波报警的作用。2.1 定时器中断程序设计当接收单片机传送来的脉冲信号，检测报警是否持续10S，然后显示报警次数。图2-1 10s定时器流程图2.1 解除中断程序设计通过点击外部按键，从而达到当报警时间没到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。图2-2 中断服务程序工作流程图3、分析仿真结果图3-1 仿真电路图自行设计项目二： 交通控制灯的设计项目要求： 模拟十字路口交通信号灯的工作过程，利用实验板上的两组红、黄、绿LED作为交通信号灯，设计一个交通信号灯控制器，示意图如图1-1所示。要求：（1） 交通灯从绿变红时，有4秒黄灯亮的间隔时间；（2） 交通灯红变绿是直接进行的，没有间隔时间；（3） 主干道上的绿灯时间为40秒，支干道的绿灯时间为20秒；在任意时间，显示每个状态到该状态结束所需的时间项目目的：1. 掌握交通灯的硬件组成及原理；2. 掌握交通灯的软件组成及原理；3. 分析仿真结果。项目内容：1、 交通灯的硬件组成及原理1.1 控制模块（控制的模块根据外部输入信号M2M0和计时模块JTD_TIME的输入信号，产生系统的状态机，控制其他部分协调工作。控制模块的源文件程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY JTD_CTRL ISPORT( CLK,CLR:IN STD_LOGIC; M:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -用M来表示系统的8种工作状态 AT,BT:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); S:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0) ); END JTD_CTRL; ARCHITECTURE JTD_1 OF JTD_CTRL IS SIGNAL Q:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLR,CLK,M,AT,BT) BEGIN IF CLR=1THEN Q=000; -清0处理 ELSIF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN -时钟上升沿信号一来，M控制系统的8种状态 IF M=000THEN Q=001; END IF; IF M=001THEN Q=011; END IF; IF M=010THEN Q=101; END IF; IF M=011THEN Q=100THEN IF(AT=X01)OR(BT=X01)THEN Q=Q+1; ELSE Q=Q; END IF; END IF; END IF; END PROCESS; S=Q; -M的控制端转向控制口S END JTD_1;该模块的时序仿真和功能仿真波形图如图2图2 功能仿真1.2 计时模块的计时模块用来设定A和B两个方向计时器的初值，并为显示模块JTD_DIS提供倒计时时间。当正常计时开始后，需要进行定时计数操作，由于东西和南北两个方向上的时间显示器是由两个LED七段显示数码管组成的，因此需要产生两个2位的计时信息：2个十位信号，2个个位信号，这个定时计数操作可以由一个定时计数器来完成，又因为交通灯的状态变化是在计时为0的情况下才能进行的，因此需要一个计时电路来产生使能信号，因此定时计数的功能就是用来产生2个2位计时信息和使能功能。计时模块的源文件程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY JTD_TIME ISPORT( CLK,CLR:IN STD_LOGIC; M,S:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); AT,BT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) );END JTD_TIME;ARCHITECTURE JTD_2 OF JTD_TIME IS SIGNAL AT1,BT1:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL ART,AGT,ALT,ABYT:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); SIGNAL BRT,BGT,BLT:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGIN ART=X55; -ART=“01010101”A方向红灯亮 AGT=X40; -AGT=“01000000”A方向绿灯亮 ALT=X15; -ALT=“00010101”灯间歇闪烁 ABYT=X05;-ABYT=“00000101”AB两方向黄灯亮 BRT=X65;-BRT=“01100101”B方向红灯亮 BGT=X30;-BGT=“00110000”B方向绿灯亮 BLT=X15;-BLT=“00010101”B方向灯闪烁 PROCESS(CLR,CLK,M,S) BEGIN IF CLR=1THEN AT1=X01;BT1=X01; ELSIF (CLKEVENT AND CLK=1)THEN IF M=000THEN AT1=X01;BT1=X51;-M=0时，A方向的计时器计时，B方向的红灯亮 END IF; IF M=001THEN AT1=X01;BT1=X06;-M=1时，A方向的计时器计时，B方向绿灯亮 END IF; IF M=010THEN AT1=X41;BT1=X01;-B方向的计时器计时，A方向的黄灯亮 END IF; IF M=011THEN AT1=X06;BT1=100THEN IF(AT1=X01)OR(BT1=X01)THEN CASE S IS WHEN000=AT1=ALT;BT1AT1AT1AT1AT1=ART;BT1BT1BT1BT1AT1=AT1;BT1=BT1; END CASE; END IF; IF AT1/=X01THEN IF AT1(3 DOWNTO 0)=0000THEN AT1(3 DOWNTO 0)=1001;-第四位数码管显示 AT1(7 DOWNTO 4)=AT1(7 DOWNTO 4)-1;高四位数码管减一显示 ELSE AT1(3 DOWNTO 0)=AT1(3 DOWNTO 0)-1;低四位数码管减一显示 AT1(7 DOWNTO 4)=AT1(7 DOWNTO 4);高四位数码管显示不变 END IF; END IF; IF BT1=X01THEN IF BT1(3 DOWNTO 0)=0000THEN BT1(3 DOWNTO 0)=1001;-B方向计数器低四位数码管显示9 BT1(7 DOWNTO 4)=BT1(7 DOWNTO 4)-1;-B方向计数器高四位数码管减一计数 ELSE BT1(3 DOWNTO 0)=BT1(3 DOWNTO 0)-1;-B方向计数器低四位数码管减一计数 BT1(7 DOWNTO 4)=BT1(7 DOWNTO 4); END IF; END IF; END IF; END IF;END PROCESS; AT=AT1; BT=BT1;END JTD_2； 该模块是为节省资源而设的，实验中有四个LED七段数码管显示计数，点亮一个LED需电流550mA，同时点亮4个LED，CPLD可能无法负荷这样的电流驱动，而且功率太大，散热也是问题。同时这么做也容易造成电路被烧毁，因此需要逐个循环点亮。又为使显示结果持续不致闪烁抖动，只需每个扫描频率超过人眼视觉暂留频率24Hz以上，就能达到。选择1kHz作为时钟，分到4个数码管，每个数码管50Hz（大于24Hz），故不会有闪烁。 该模块的功能仿真波形图如图3所示图3 功能仿真1.3 译码驱动模块译码驱动模块根据控制信号，驱动交通灯的显示。该模块的源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY JTD_LIGHT ISPORT( CLR:IN STD_LOGIC; M,S:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); ABL:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) );END JTD_LIGHT;ARCHITECTURE JTD_3 OF JTD_LIGHT IS SIGNAL LT:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLR,S,M)BEGIN IF CLR=1THEN LT=00000000; -清0时系统状态全部处于关闭状态 ELSE IF M=000THEN LT=10000001; END IF;IF M=001THEN LT=00100001; END IF; IF M=010THEN LT=00011000; END IF; IF M=011THEN LT=100THEN CASE S IS -八种情况下的状况显示 WHEN000=LTLTLTLTLTLTLTLTLT=LT; END CASE; END IF; END IF; END PROCESS;ABL=LT;END JTD_3;该模块的功能仿真波形图如图4图4功能仿真2、 交通灯的软件组成及原理本系统设计中均采用混合设计的方法，将整体方案划分成若干个模块进行设计。采用VHDL硬件描述语言和原理图描述相结合的方式，对多种应用电路进行设计，其中底层电路（即模块电路）采用VHDL硬件描述语言方式实现，顶层电路采用原理图描述方式实现。状态寄存器秒脉冲信号发生器计数器CLK 时间显示数据输出 次态发生器信号灯输出信号 信号灯输出 图5系统设计流程3、 分析仿真结果图6交通控制灯顶层设计原理图交通灯控制系统的时序仿真波形如图12图14所示。可见，图12中reset设置为高电平“1”时显示初始值，为低电平“0”时显示器开始倒计时。图7 交通灯控制系统的时序仿真波形1自行设计项目二：正弦波信号发生器设计项目要求：1、学习并掌握Quartus软件，掌握用自顶向下的设计方法，使用VHDL语言来实现跑马灯的设计，并在此基础上熟悉可编程逻辑器件的使用。项目目的：1.设计一正弦信号发生器，采用ROM进行一个周期数据存储，并通过地