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基于 单片机 升降 控制系统 设计

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毕 业 设 计题 目： 基于单片机升降控制系统的设计 系： 电气与信息工程系 专业： 自动化 班级： 0302 学号：20030110223 学生姓名： 肖 卫 宇 导师姓名： 沈 学 军 完成日期： 2007 年6月17日 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 基于单片机升降控制系统的设计 姓名 肖卫宇 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0302 学号 20030110223 指导老师 沈学军 职称 研究员高工 教研室主任 赵葵银 李晓秀 一、 基本任务及要求：本课题要求完成系统总电路的设计及单片机硬件和软件的设计。系统研究基于AT89C51单片机，通过对单片机进行软硬件的设计来驱动和控制步进电机，从而达到升降的目的。其次，我们还要求该系统能进行相关运行状态的显示及将采集到的信号进行反馈，并且能通过设定的按钮来达到控制的目的。我们要求该系统有很好的可靠性和抗干扰的能力。设计包括：1、总体方案的确定；2、单片机的选择； 3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、各模块调试；6、编写设计说明书等。 二、 进度安排及完成时间：1、第一周至第二周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，查阅相关资料，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。写出开题报告 2、第三周：方案论证及总体设计方案的确定 3、第四周至第五周：主电路分析、计算、主要器件的选型 4、第六周至第七周：完成主电路设计，控制电路设计，检测与保护电路设计 5、第八周至第九周：完成软件设计与程序编写及调试 6、第十周：修改整理资料。 7、第十一周至第十二周：撰写说明书、绘制图纸，准备答辩。 8、答辩 目 录摘要：IAbstract:II第1章 绪 论11.1 单片机的概述11.2 单片机的特点与应用11.2.1 单片机的特点：11.2.2 单片机的应用21.3 AT89C51单片机的基本组成31.3.1 AT89C51单片机的特性及管脚功能31.3.2 单片机最小系统构成51.4 电力电子器件的概述81.4.1 IGBT的工作原理81.4.2 IGBT的工作特性81.5 电磁阀的应用101.6 课题的主要内容及发展前景111.6.1 课题的主要内容111.6.2 课题研究现状111.6.3 课题的发展现状与前景展望12第2章 步进电机概述132.1 步进电机及其发展132.2 步进电动机在控制上的特点132.3 步进电机的主要特性142.4 步进电机的应用152.5 步进电机的类型152.6 步进电机的控制原理162.7 环形分配器的设计18第3章系统总体设计203.1 系统设计方案203.2 系统控制原理213.3 系统各模块方案选择213.3.1单片机型号的选择213.3.2 步进电机型号的选择223.3.3 步进电机的脉冲控制方式选择223.3.4电机控制算法的选择233.3.5 步进电机转速和步数检测设计24第4章 硬件设计274.1 I/O口的扩展274.1.1 8255A的介绍274.1.2 并行口功能分配294.1.3 8255A芯片地址的确定304.1.4 存储器地址空间的分配304.2 步进电机驱动电路的设计304.3显示电路设计314.4 信号采集电路的设计344.5 单片机对电磁阀的控制设计364.6 键盘的设计374.7 硬件电路的合成38第5章 软件设计385.1 步进电机驱动程序的设计395.2键盘及显示程序设计395.3 主程序的设计：40第6章系统调试、抗干扰设计416.1 系统调试426.2 单片机应用系统中常见的干扰现象及影响426.3 系统的抗干扰设计43总 结45参考文献46致 谢47附录1 主要元件一览表48附录2 主程序设计49附录3 系统总图5556基于单片机升降控制系统的设计基于单片机升降控制系统的设计摘要：本文主要完成对某雷达升降控制系统的设计，描述在步进电机的驱动系统中用软件的方法实现环行脉冲分配器的设计，对步进电动机进行驱动。步进电机驱动电路的核心部分是环行脉冲分配器，本文以单片机作为步进电机驱动电路控制核心，并通过单片机的应用程序控制和功能扩展，实现系统相关参数的输入和输出，使步进电机得到了有效的控制。系统主要由主控制盒、电机控制盒、显示盒、步进电机、接近开关、行程开关等相关部件组成。完成防坠机构的闭锁与解锁；上升与下降电磁阀的控制；升降液压电机的自动启停控制及紧急手动控制；液压电机的启停控制；自动手动加温控制；各工况状态显示。本文还对系统的抗干扰问题进行了研究，保证了系统安全准确的运行。关键字：单片机；步进电机；环形脉冲分配器；I/O扩展The Design of Lift Control System Based on Single Chip MicrocomputerAbstract: This paper mainly to the completion of the design to take-off and landing control system to some radar.Description of the stepper motor drive system using software method Ring pulse distributor design, stepper motor to drive. Stepper motor drive circuit is the core part of the Central Bank pulse distributor, Based on SCM as a stepper motor drive control circuit core, and through SCM application control and function expansion realize the input parameters and output, stepper motor has been brought under effective control. Mainly by the main control box, the electrical control box, show boxes, stepper motor, close to the switch, Switching itinerary, and other related component parts. Completion of the anti-dropping and unlocking atresia; and an increase in decline solenoid valve control; Hydraulic lifts the automatic start-stop motor control and emergency manual control; commitment hydraulic motor control; automatic temperature control manually; Condition of the state show. The paper also anti-jamming the system studied the problems and ensure the safety of the system and accurate operation. Keywords: Single Chip Microcomputer; Stepper motors; Ring pulse distributor; I / O expansion 第1章 绪 论1.1 单片机的概述单片机就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点，因而在工业生产、科技教育以及日常生活等诸多领域，得到了日益广泛的应用。单片机，也称单片微型计算机，是微型计算机家族中的一员，它以独特的结构和超群的优点，深得各个领域的青睐，应用十分之泛，近年来发展极其迅速。世界上的各个半导体厂商都抓住这个机会，推出自己的产品，一时间单片机如雨后春笋般蓬勃发展和流行起来。在近30年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小大体集成电路到大规模集成电路四个阶段，尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，20世纪70年代初诞生的单片机微型计算机，使得计算机应用日益广泛。而单片机的问世，更进一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度1。1.2 单片机的特点与应用1.2.1 单片机的特点：（1） 重量轻、耗电少、价格低、电源单一。（2）抗干扰能力强、可靠性高。芯片本身是按工业测控环境设计的，其抗工业噪声干扰优于一般的通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中，不易被破坏；许多信号通道均在一块芯片内。（3）集成度限制，片内存储器容量较小。一般ROM小于8KB，RAM小于256个字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64KB。（4）面向控制，控制功能强，运行速度快。其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。指令系统中均有极其丰富的条件转移指令，I/O口的逻辑操作及位处理功能。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的其它微处理器。（5）开发应用方便，研制周期短。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线以及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各规模的计算机应用系统2。1.2.2 单片机的应用单片机具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的条件下工作等特点。特别是它强大的面向控制的能力、使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到广泛应用。（1）单片机在智能仪表中的应用在各类仪器仪表中，引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化功能大大提高，例如精密数字温度计、智能电度表、微机多功能PH测试等等。（2）单片机在工业测控中的应用。用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等，例如MCS-51单片机控制电镀生产线、温度人工气候控制、报警系统控制、IBM-PC/XT和单片机组成的二级计算机控制系统等。（3）单片机在计算机网络与通信技术中的应用MCS-51系列单片机具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件，例如MCS-51系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、MCS-51单片机无线遥控系统等。（4）单片机在日常生活及家电中的应用单片机越来越广泛应用于日常生活的智能电器产品以及家电中。例如电子秤、银行计息电脑、电脑缝纫机、心率监护控制、彩色电视机、电冰箱控制、洗衣机控制等等。（5）单片机与Internet随着网络技术的发展，Internet已经成为信息社会的重要组成部分，Internet技术已经深入到日常生活中和工作中。Internet技术得以迅速发展，其主要推动力之一是标准成熟的PC工业。无论是PC机的硬件平台，还是软件操作系统，都要求高度标准化，上网方式也大同小异。而对于各类家用电器和智能装置，情况就不同了，它们的心脏多是单片机，但由于单片机芯片品种繁多，其结构和指令系统也各不相同，因此，它不能像PC机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接到Internet，如果能够将各类智能装置或家用电器与Internet连接起来，一方面可充分利用Internet资源，另一方面还可获得一些电子设备信息。由此可见，单片机与Internet的紧密结合将为单片机应用系统的发展开创另一片天地3。1.3 AT89C51单片机的基本组成1.3.1 AT89C51单片机的特性及管脚功能 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。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AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案4。1、主要特性：CPU与MCS-51 兼容；4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)；全静态工作：0Hz-24KHz；三级程序存储器保密锁定；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路2、AT89C51单片机的管脚功能采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装；而采用CHMOS制造工艺的80C51/80C31,除采用40脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。如图1-1所示为AT89C51单片机管脚图。 图1-1 AT89C51管脚图 各管脚功能说明如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） 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） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出5。1.3.2 单片机最小系统构成单片机最小系统是指单片机能够工作所必需的外部电路，这些电路包括晶振电路、复位电路、外部程序存储器以及数据存储器等。下面以典型MCS-51单片机为代表介绍最小系统的各个部分。1、单片机晶振电路MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，管脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式，如图1-2 a)所示；图1-2 b)所示为外部时钟方式6。VCCGNDGNDXTAL1MCS-51XTAL2MCS-51XTAL1XTAL2VCCS1 a) b)图1-2 a) 外部时钟方式 b) 内部时钟方式2、单片机复位电路（1）单片机复位后的状态无论是HMOS型还是CHMOS型单片机，振荡器处于运行状态时，如果在单片机的RST引脚保持2个机器周期（24个振荡周期）的高电平，则单片机内部执行复位操作，以后每个周期执行一次，直至RST端变低。为保证单片机可靠复位，设计复位电路时要考虑VCC的上升时间的振荡器建立时间，通常使RST端持续20ms以上的高电平。复位后单片机从程序存储器的地址0000H处开始运行，内部寄存器的状态如表1-1所示。表1-1复位后单片机寄存器状态专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100H专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态PSW00HTL100HSP07HTH200HDPTR0000HTL200HP0P3FFHRLDH00HIP0000BRLDL00HIE00000BSCON00HTMOD00HSBUFTCON00HPCON00000BT2CON00H复位后，ALE和PESE为高电平，内部RAM不受复位的影响，此时内部RAM的状态不确定7。（2）单片机复位电路如图1-3所示分别为单片机的几种复位电路。 a) b)c) 图1-3a)上电复位b)按键电平复位c) 按键脉冲复位上电复位如图1-3 a)所示，它是在VCC与VSS管脚之间接入RC电路。上电瞬间RST端电位与VCC相同，随着电容充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降。只要VCC的上升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms，按图中的时间常数（C1=22F，R1=1K），上电复位电路就能保证在上电开机时完成复位操作。上电复位所需要的最短时间是振荡器建立时间加上2个机器周期。在这段时间内，RST端的电平应维持高于施密特触发器的下阀值。图1-3 b)所示为一种上电与按键复位电路，在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连。为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在RST管脚上接一个去耦电容。在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路在接施密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端，如图1-3 c)所示。系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位8。1.4 电力电子器件的概述电力电子器件是电力电子装置的基础单元，继晶闸管(SCR)、门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOSFET)之后，进入以绝缘姗极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件的发展期。绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。众所周知，构成IGBT的MOSFET和BJT各有其优缺点。MOSFET属于单极型器件，具有开关频率高、没有二次击穿现象、元件并联运行容易、控制功率小的优点，缺点是导通电阻大，耐压水平不容易提高。BJT属于双极型器件，具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点，缺点是开关时间长，有二次击穿现象以及控制功率大。IGBT是MOSFET和BJT的复合器件，它既有MOSFET驱动功率小、开关速度快的优点，又具有BJT通态压降小、载流容量的优点，性能优越，越来越多地被应用到工作频率为几十千赫的各类大中功率电力变换装置中，成为现代电力电子技术的主导器件。并且，随着IGBT技术的发展，其性能不断得到改善和提高，使得IGBT在大功率开关电源设备中的地位越来越重要，如UPS、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都大I使用IGBT模块9。1.4.1 IGBT的工作原理IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压10。1.4.2 IGBT的工作特性IGBT的工作特性包括静态和动态两类：1、 静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似也可分为饱和区、放大区和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示： Uds(on)Uj1UdrIdRoh （1-1）式中Uj1JI结的正向电压，其值为0.71V； Udr扩展电阻Rdr上的压降； Roh沟道电阻。通态电流Ids可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos （1-2）式中Imos流过MOSFET的电流。 由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为23VIGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。2、 动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，Trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间： t(off)=td(off)+Trv十t(f) （1-3）式中，td(off)与Trv之和又称为存储时间IGBT是一种新型的功率电子器件，主要是为克服功率开关器件（功率MOS管功率场效应管和功率三极管）使用上存在的一些缺点而诞生的10。 我们知道，在中高频的电力电子应用中，常常用功率三极管或功率场效应管来开关大电流，然而，这两种功率器件在使用上都有一些缺陷。 先说功率场效应管（功率MOS管），假定开关的电流为20A，场效应管的导通电阻为0.1欧姆。那么，场效应管上将产生40瓦的功耗。这是很大的。但是场效应管有它的优点，就是控制（驱动）方便，场效应管是电压驱动型器件，驱动时，只要在栅极（类似三极管的基极）加一定的电压（不需要提供电流也即不需要什么驱动功率）就可以驱动MOS管，这是它的优点。 再说功率三极管。假定同样的开关电流20A，并且三极管的导通饱和压降为0.3伏，这时，三极管将有6瓦的功耗，功耗小了许多，这是它的优点，但是，三极管是电流驱动型器件，为了开通这20A的电流，需要在三极管的基极提供足够大的驱动电流（也即需要驱动功率），这在控制上来说显得不方便，特别是导通电流越大，需要驱动电流也越大，这是它的缺点。 现在说IGBT。它结合的功率场效应管和功率三极管的优点于一身的器件，它的控制极具有场效应管的特性，而它的功率输出又具有三极管的特性，可以把它理解为具有场效应管驱动特性的功率三极管，或具有三极管输出特性的功率场效应管。 实际上IGBT就是把功率三极管和功率MOS管的制作工艺集中于一身而产生的器件，所以具有控制简单（电压驱动，不需要驱动电流）、功耗相对较低的优点11。1.5 电磁阀的应用电磁阀是一种将电磁能转换为机械能的电磁元件，是一种受指令信号操纵使线圈电气回路通断，借电磁力完成启闭动作的自动阀门，是液体或气体流量控制阀中常用的一种。电磁阀具有体积小，动作灵敏，性能可靠等优点，被广泛应用在医疗、纺织、矿山、食品制造以及各种自动控制系统等行业，并取得了巨大成绩。近年来，电磁阀主要向微型、低功耗、高寿命、高频率方向发展，这就对材料性能，加工工艺提出更高的要求。目前电磁阀主要有以下几种:（1）普通电磁阀。包括交流电磁阀、直流电磁阀。一般在保持开阀状态时，要一直保持通电，直至关阀。其功耗较高，不具有自保持功能。（2）机械保持电磁阀。这种电磁阀开启后，断电时可以保持阀的状态，但其状态保持机构的机械结构复杂。（3）自保持电磁阀。这种电磁阀可以实现保持状态的零功耗，因而从节能的角度出发对电池供电的仪表无疑是最好的一种选择。电磁阀是利用电路开关所产生的电磁力进行开和关或者位移控制的，它的结构简单，价格低廉，电源易得，速度也较快。电磁阀按驱动方式分，可分为:直线式和旋转式。在旋转式电磁阀中，由于还需机械式转换器将旋转运动转换成直线运动，这样就增加了机械损耗，延时了动作时间。例如，在用步进电机驱动的数字流量阀中，计算机发出需要的脉冲序列，经驱动电源放大后使步进电机工作，每个脉冲使步进电机沿给定方向转动一个固定的步距角，再通过凸轮或螺纹等机构使旋转角转换成位移量，带动液压阀的阀芯移动一定的距离。阀从控制方式上又可分为伺服阀、比例阀和数字控制阀。比例阀可用作比例压力阀、比例流量阀、比例换向阀、比例复合阀、比例多路阀等,比例电磁阀就是利用电磁力实现比例阀的功能，它利用比例电磁铁输出的电磁力，使得液流压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而变化，它的控制性能优于开关式控制，能将输入的电信号(电流)按比例转换成机械量(力或位移)输出12。1.6 课题的主要内容及发展前景1.6.1 课题的主要内容1、要求本课题要求完成系统总电路的设计及单片机硬件和软件的设计。系统研究基于AT89C51单片机，通过对单片机进行软硬件的设计来驱动和控制步进电机，从而达到升降的目的。其次，我们还要求该系统能进行相关运行状态的显示及将采集到的信号进行反馈，并且能通过设定的按钮来达到控制的目的。我们要求该系统有很好的可靠性和抗干扰的能力。2、内容1) 单片机的选择；2) 总体方案的确定；3) 各模块电路的设计；4) 软件设计；5) 各模块调试；6) 撰写设计说明书。1.6.2 课题研究现状本课题主要研究单片机在步进电机驱动系统中的应用。主要完成升降系统的防坠机构的闭锁与解锁；上升与下降电磁阀的控制，升降液压电机的自动启停控制及紧急手动控制，液压电机的启停控制，自动手动加温控制，各工况状态显示等工作。众所周知，步进电机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系，随着电子技术和功率开关电子器件的出现，使步进电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大变化，特别是集成电路的推广和微机的普及应用，更使对步进电机驱动的研究上了一个新台阶。步进电动机的特点决定了对步进电动机驱动器的研究是与对步进电动机的研究同步进行的。目前，国外对步进电机的控制与驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小了驱动器的体积，明显提高了整机的性能。随着以MCS-51系列为代表的单片机的迅速普及，基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用，此类环分器仅需更换不同的软件即可适应各种电机，而无需变更硬件，具有极大的灵活性。在本系统中，采用单片机来驱动步进电机，通过对单片机的编程使其生成一环形脉冲来对步进电机进行驱动，我们要控制步进电机只需对单片机的程序进行修改，这样既能简化步进电机的驱动电路，还能对步进电机进行有效可靠的控制。1.6.3 课题的发展现状与前景展望随着电子技术的发展，我们在生活中的各方面大部分都采用了人工智能代替人，特别在一些工业应用场合。应用技术的飞速发展，使得单片机应用系统已经逐渐成熟，应用也越来越广泛，目前，单片机已经成为IP库中的重要成员。我个人认为，基于单片机的升降控制系统在当今和未来将成为各种升降装置发展的趋势。毕竟，单片机凭着优越的性价比，与以往的升降控制系统相比，其单片机控制简单，操作易于实现，而且对于一些控制要求精度高的场合非常适用。再者，用单片机来操作升降控制系统，还可减轻工作人员的压力，提高用户的工作效率。在人为控制下有时候如不小心将会为安全设施带来很大的麻烦，而且人工控制升降系统时也很难掌握其控制精度，而使用单片机设计只要在设计时考虑周到，运行起来就不会带来这种问题了，因此，基于单片机的升降控制系统将在各种升降系统中得到广泛应用。随着现代信息和电子技术应用领域的不断拓宽，越来越多的应用领域提出了各种特殊要求。例如，航空航天领域要求的小体积大系统，信息应用领域提出的个性化等要求，都使得一般固件技术难以胜任。特别是在民用领域，重视个性化的产品设计概念使应用电子产品的更新速度极快，而且小批量多品种的要求也越来越高。这就是提出了小批量产品与成本、集成化与成本、产品研制周期与成本等一系列的问题。也将是单片机在各种升降装置中展的必然趋势。第2章 步进电机概述2.1 步进电机及其发展步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外称为(Stepper motors)。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。步进电机的工作过程为，每输入一个脉冲信号，则改变一次励磁状态使转子转过一定角度，若没有脉冲信号输入，则转子保持在某一位置静止不动。因此，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电机13。步进电机工作的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛便用。20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机迅速的发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机己经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成为电动机的一种基本类型。我国步进电机的研究及制造起始与上世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反应在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究也发展到一个较高水平。自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及其驱动器作为产品广泛利用。2.2 步进电动机在控制上的特点（1）步进电动机的输出角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量;（2）步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速;（3）步进电动机有保持力矩，当停止输人脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置;（4）改变通电相序即可改变电动机转向;（5）步进电动机相邻齿间存在误差，但是不会产生累积误差;（6）步进电动机转动惯量较小，使得它能够较快速的启动和停止;（7）步进电动机的缺点是效率较低，带负载能力较差，调速范围较小。步进电动机是较早使用的典型的机电一体化元件。由于它特殊的结构以及工作原理，使得步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器成为了不可分割的整体。也可以说，步进电动机系统的性能除了与电动机本身的性能有关外，在很大程度上取决于使用的驱动器的驱动方式。步进电动机驱动控制系统框图如图2-1所示。控制信号隔离控制电路逻辑电路驱动与功率电路反馈与保护电路步进电动机图 2-1 步进电动机驱动控制系统框图由以上叙述知步进电动机在实际运行过程中还有很多的缺点，鉴于此，在实际应用过程中，产生了很多的步进电动机的控制方法，比如:恒流斩波控制、升频升压控制、细分控制、升降频控制等14。2.3 步进电机的主要特性1、步距角步距角指每给一个电脉冲信号电机转子所应转过的角度。 （2-1）式中: Zr 转子齿数;ml 运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍，即m1=k m;m 电机相数 ;步进电机的步距角是由转子齿数和电机的相数所决定。2、矩角特性矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系，即T=f()。3、响应频率在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率f作为衡量的指标。它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率或突跳频率。4、启动矩频特性在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵入特性。5、运行矩频特性在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。6、惯频特性在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性15。2.4 步进电机的应用自上世纪中叶，步进电机的应用渗透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械中广泛利用其开环控制的特点。 近几十年来，步进电机在OA机器(Office Automation). FA机器( Factory Automation )和计算机外设等领域作为控制用电机和驱动用电机而被广泛使用15。2.5 步进电机的类型步进电机的种类很多，按其工作原理可分为三大类型：（1） 反应式VR型(VariableR eluctance)，又称为磁阻式步进电机。反应式步进电动机的工作原理是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的磁阻转矩而转动的。这类电机结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小(0.09-9度)。磁阻式步进电动机及其控制驱动电路构成的开环伺服系统在技术上业己成熟，在价格上较为便宜，在使用上也易于操作者掌握。（2） 永磁式PM型(PermanentM agnet)，永磁式步进电动机的工作原理是，转子上的永磁体建立的磁场，与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转矩，这类电机控制功率小、效率高、造价低。步距角较大(7.5-18度)。在够用的前提下，永磁式步进电动机比较便宜，因而一经面世就得到广泛的应用，甚至取代了一部分混合式步进电动机，被用于打印机、复印机、传真机以及空调器等各个领域中。（3） 混合式HB型(Hybrid)，混合式步进电动机既有磁阻式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。其综合了该两类步进电动机的特点，因而既有VR步进电机步距角小、工作频率高的特点，又有PM,电机控制功率小、无励磁时具有转矩定位的优点。但是其结构复杂，成本相对也较高16。表2-1 步进电机主要结构类型旋转电机反应式步进电机（VR型）永磁式步进电机（PM型）混合式步进电机（HB型）直线电机VR型PM型HB型2.6 步进电机的控制原理旧式的步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图2-2所示。步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等。其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正反向控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转脉冲方向控制步进控制器功率放大器步进电机负载动。在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本高，限制了它的应用。图2-2 步进电机控制系统的组成随着微型计算机的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性.图2-3为微机控制步进电机的系统结构图17。微型计算机接口驱动器步进电机负载图2-3 微机控制步进电机的系统结构图使用微机对步进电机进行控制，有串行和并行两种方式。1、串行控制方向信号方式信号CP脉冲 P1.0 P1.1 P1.2单片机环形分配器功率放大器步进电动机具有串行控制功能的单片机与步进电机驱动电源之间有较少的连线。将信号送入步进电机驱动电源的为环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图见图2-4。图2-4 串行控制示意图2、并行控制用微型算机系统的数条端口线直接去控制步进电机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电机的驱动电源内，不包括环形分配器，其功能由微型计算机系统实现。并行控制方案示意图见图2-5所示： P1.0 P1.1 P1.2 P1.3单片机A相B相C相D相驱动器驱动器A相B相C相D相步进电机驱动器图2-5 并行控制示意图步进电机可以方便的进行速度的控制。控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。确定时钟脉冲的周期有两种方法:一种是软件延时，通过编程加适当的语句来控制时间的长短，调用延时的子程序实现对速度的控制;另一种方法是用定时器，可利用单片机的某个定时器，加载适当的初值，经过一段时间，定时器溢出，产生中断信号，暂停主程序的运行，转而执行定时器中断服务程序，于是产生硬件延时效果。若将步进电机换相的子程序放在定时器中断服务程序中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制18。2.7 环形分配器的设计方向控制计算机型号源脉冲分配器脉冲放大器步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置，在伺服驱动系统中，它是实现驱动的关键要素，它具有快速启停、精确步进、误差不会长期积累以及能直接接收数字信号的特点，在开环位置控制中广泛应用。目前国内的经济型数控机床，大多数用它作为伺服执行单元。步进电机是靠脉冲电源工作的，必须以一定的顺序加到电机的各相绕组上才能按规律运转，这就要靠环形脉冲分配器来控制其脉冲分配，而且也可由软件实现其功能。其控制如图2-7所示。从图可看出脉冲分配器起决定性的作用，本系统主要从软件方法人手，实现软件分配。图2-6 环形脉冲分配器控制图软件脉冲分配软件实现环形脉冲分配容易且灵活，下面首先介绍步进电机(一般按励磁组数可分为三相、四相、五相、六相或八相)电路框图，以常见的三相六拍为例，如图2-7所示。C（P1.2）B（P1.1）A（P1.0）图2-7 三相六拍脉冲时序图 PA1825 PA25APA3 光电隔离光电隔离光电隔离功放功放功放步进电机AT89C51图2-8 步进电机电路框图单片机AT89C51的P1口的3个引脚经过光电隔离功率放大后，分别与电机的A、B、c三相连接。电机采用三相六拍方式，电机正转的顺序为AABBBCCCAA，反转为AACCCBBBAA。它们的分配如表1所示，设P1的某口的电平为高电平，相应的相位绕组通电。把表中的数值按顺序存人内存的EPROM(或EPROM)中，并分别设定表头地址为TABLE，表尾的地址为TABLE 。计算机的P1口的三个引脚电平按从表头地址开始逐步加1的顺序变化，电动机正向旋转，如果按从TABLE 逐步减1的顺序变化，电机反转19。表2-2 三相六拍分配数值表导电相C相（P1.2）B相（P1.1）A相（P1.0）程序数据数值地址步序正转反转A001DB01H01HTABLE0AB011DB03H03HTABLE1B010DB02H02HTABLE2BC110DB06H06HTABLE3C100DB04H04HTABLE4CA101DB05H05HTABLE5A001DB01H01HTABLE0第3章系统总体设计3.1 系统设计方案单片机控制的某雷达升降控制系统主要由主控制盒、电机控制盒、显示盒、步进电机、接近开关、行程开关等相关等部件组成，完成防坠机构的闭锁与解锁；上升与下降电磁阀的控制，升降液压电机的自动启停控制及紧急手动控制，液压电机的启停控制，自动手动加温控制，各工况状态显示。1、 防坠机构的控制过程接通电源单片机上电，自动检测8个接近开关的输入信号。当接近开关无信号输入时，自动启动相应的步进电机，转动闭锁杆，当闭锁杆闭锁到位后，接近卡规输入信号，经单片机处理后切断步进电机，闭锁杆停止移动。按下上升按扭，显示器上的上升指示灯XD1亮，上升继电器K1动作，输入+5V信号至单片机，单片机输入信号启动KM1继电器，液压电机启动上升机构。同时K1继电器常闭点切断下降继电器K2。当上升机构每运动一节后，行程开关给单片机相应的输入信号，单片机控制其相应的指示灯亮，通过控制步进电机让闭锁杆旋转90。直至上升机构升到第四节，当单片机接到第四节行程开关信号后，切断KM1继电器，液压电机停止工作，同时切断K1上升继电器。2、 下降当按下按扭后，单片机接到信号后，驱动步进电机回转，当闭锁靠近，接近开关让有输出信号，驱动电机停止转动，防坠机构回到零位；再起动K2下降继电器，切断K1，启动KM1，液压电机启动开始下降，显示盒下降指示灯亮。3、 手动升降调节当按下紧急起动按扭后，单片机控制液压电机启动，此时上升/下降按扭可以通过单片机对K1、K2进行点动控制。4、系统保压 当压力传感信号经模/数转换后，送达单片机进行数据处理后与设定值进行比较控制，蓄压电磁阀继电器K3及液压电机的启停。5、 系统加温温度传感器开关量信号送单片机进行数据处理，当温度低于-30时，单片机输入信号，起动电加热继电器K4，系统加温；当温度高于10时，单片机便停止输出信号，K4继电器停止工作；当需要手动加温时，按下加温按扭，系统手动加热，当温度高于10时，继电器切断加温回路。3.2 系统控制原理单片机控制的某雷达升降系统由主控制盒、电机控制盒、显示盒及步进电机、行程开关及电缆组成，其控制原理大致如下：（1）准备：步进电机初始化，防坠机构动作。（2）上升：按下上升电磁按扭，显示盒上的上升指示灯亮，并输出信号到系统主控台，主控制盒内相应继电器工作，并自动切断下降回路，同时接通上升电磁阀，液压电机按程序启动，任何一节上升到位后，显示盒上相应指示灯亮，当显示盒上四个到位指示灯亮后，主控制盒认为控制系统已经完全上升到位，此时断开上升电磁阀，程序自动控制液压电机停止工作，同时步进电机动作，防坠机构动作。（3）下降：下降前步进电机工作（转90度），防坠机构回零位，然后按下下降电磁按扭，此时显示盒上下降指示灯亮，主控制盒内相应继电器工作，并自动切断上升回路，同时接通下降电磁阀，启动液压电机，系统开始下降。（4）手动升降调节：按显示盒上的紧急按扭，主控制盒控制液压电机启动，再按上升或下降按扭接通上升或下降电磁阀，手动调节即可。（5）系统保压：当系统压力底于规定值时，压力传感器工作，通过电缆传送到主控制盒，主控制盒收到信号后，经过分析处理，接通蓄压电磁阀，启动液压电机；当系统压力达到规定值后，主控制盒自动切断蓄压电磁阀，关闭液压电机。（6）加温：分为手动和自动控制两种方式。自动工况下，当系统温度底于-30摄氏度时，温度传感器触点接通，信号通过电缆传送到主控制盒，经主控制盒处理后输出220伏进行加温；温度高于10摄氏度后，系统自动切断控制电源，停止加温；当系统温度高于-30摄氏度，但需要加温时，可接通显示盒上的加温开关手动加温；但无论哪种工况，温度高于10摄氏度后，系统都会自动切断控制电源。（7）与主控制台接口：控制系统可通过电缆传送以下几路灯光信号到主控制台：上升、下降、第一至四节到位、系统加温。3.3 系统各模块方案选择3.3.1单片机型号的选择本系统选择 AT89C51单片机，它具有以下优点： （1） 内部含 Flash存储器在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，大大缩短了系统的开发周期。（2） 和80C51插座兼容该机型通用性好，能够利用现成的51系列的开发系统，不需另外重新建立新的开发系统，这样可节约开发成本。（3）静态时钟方式AT89C51单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低成品的功耗十分有用。（4）错误编程亦无废品产生一般的OTP产品一旦错误编程就成了废品，而AT89C51单片机内部采用了Flash存储器，所以错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。（5） 可进行反复系统试验用AT89C51单片机设计的系统可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优，而且随用户的需要和发展还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。由于 该 机 型具有上述优点，并且有现成的开发系统，不需购置新的开发系统，可节约开发成本，所以选择AT89C51单片机。其有关的技术数据如表3-1所示。表3-1 Agnell公司的AT89C51闪速式存储器单片机 闪速式存储器（字节）内存（字节）工作频率（MHz）输入/输出线16位定时器/计数器中断源串行口4K1282432 2 5 13.3.2 步进电机型号的选择在系统的设计中，所要求选取的步进电机要满足以下技术参数：电压为：DC60V；保持转矩为：20N.M；转速为：1500r/m根据要求，本系统选择磁阻式步进电机，型号:90BF003，下表是其技术参数20。 表3-2 90BF003技术参数表相数步距角（deg）电压(V)电流(A)保持转矩(n.m)空载启动频率(Hz)运行频率(Hz)备注336052015008000可供双轴伸3.3.3 步进电机的脉冲控制方式选择要使步进电机按要求步进，就要确定的给出脉冲分配，加到功率放大器输入端。实现脉冲环行分配的方法有三种。一种是采用计算机软件，利用查表或计算的方法来进行脉冲的环行分配。把相应的状态代码列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取数据表可控制电机进行正反转，通过控制读取一次的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软件分配法占用计算机的运行时间，易影响步进电机的运行速度。第二种是采用小规模集成电路搭接而成的环行分配器。这种方式灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环行分配器，同时在工作时不占计算机的工作时间。第三种即采用专用的环行分配器件。如市售的CH250即为一种三相步进电机专用环行分配器。它可以实现三相步进电机的各种环行分配，使用方便、接口简单21。3.3.4电机控制算法的选择电动机包括直流电动机、交流电动机及步进电动机等三种，其在工业控制中扮演极重要角色。其中，由于步进电动机的驱动方式简单、激活快速及定位准确等优点，被广泛应用于计算机外设上。步进电机控制算法的选择直接影响到系统的性能和技术指标，在本系统的设计中起着关键的作用，较为可行的方案有：方案一：采用PI控制。其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上较易实现，可以达到较小的静态误差。方案二：采用模糊控制。其优点是不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于具有较大滞后特性的被控对象。缺点是静态误差不容易控制。方案三：采用模糊控制与PI 控制结合的算法。根据系统对步进电机的要求，我们采用方案一对步进电机进行分析计算。励磁电流N（转角）（脉冲序列）脉冲分配电路功放电路步进电机在步进电机的控制系统中，如图，给一个电脉冲信号，步进电机就转动一个角度或前进一步。设输入为脉冲数N，输出为转角，则=N(，为步矩角)，这就是步进电机输入/输出的比例关系。图 3-1 步进电机与驱动电路特性框图步进电机的旋转物体动力学方程式为(3-1): (3-1)式中T为输出力矩，J为转子转动惯量，B为阻尼系数，TL为负载转矩， 为转子位置。3.3.5 步进电机转速和步数检测设计方案一：利用光电开关1、原理介绍光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如图所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。接电源（b）接收器光电三极管（a）发射器加调制信号的发射管接电源调制器整流稳压整流稳压解调器时钟逻辑负载图3-2 光电开关工作原理图2、术语解释（1）检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置(光电开关的感应表面)到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。（2）回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。（3）响应频率：在规定的1s的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。（4） 输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作， 当检测到物体时， 晶体管导通，负载得电工作。（5） 检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。（6）输出形式：分NPN 二线、NPN 三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC二线、AC 五线(自带继电器)，及直流NPNPNP常开常闭多功能等几种常用的输出形式。（7） 表面反射率：漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度，而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。（8） 环境特性：光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可靠性。当光电开关工作于最大检测距离状态时， 由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至其使用参数和可靠性降低。较简便的解决方法就是根据光电开关的最大检测距离(Sn )降额使用来确定最佳工作距离。方案二：采用光电编码器检测系统的示意图如图所示。在系统运行时，为了能够测量运行的速度和步数，采用光电编码器来进行电动机转速和步数的检测。步进电机光电编码器整形放大单片机显示图3-3 检测系统的示意图1、光电编码器的工作原理光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。作为一次光电传感检测元件的光电编码器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点，它通常用于角位移和线位移的测量系统中，如：机器人的关节，天文望远镜等机械设备的转角和倾角，自控机床的刀具，高精度闭环调速系统等诸多领域。如果加设机械变换装置，旋转式光电编码器也可以用于测量深度、行程等直线位移。它在控制系统的位置反馈测量及传动误差的比较测量方面也发挥着越来越大的作用。国内由中科院长春光机所率先进行光电轴角编码器的研制，现已有增量式和绝对式数十种型号的产品 长春光机所在80年代末就能生产23位绝对式光电轴角编码器。其中意大利伽俐略望远镜控制系统使用的就是国外Heidenhain公司特别为其设计并制作的27位增量式光电轴角编码器。光电编码器的种类有很多按机械结构形式可分为直线式和旋转式，前者如光栅尺可用在自拄机图1 光电编码器结构原理床刀具等线位移的测量系统中，后者是用于角位移测量的最有效和最直接的数字传感器，广泛用来测量转速，在多数关节式机器人中用它作为角度传感器。典型的光电编码器结构由轴系光栅付，光源及光电接收和转换元件组成。当与主轴相连的主光栅(即码盘)随主轴一起旋转时，和指示光栅相重叠形成奠尔条纹，通过光电转换后输出与转角相对应的光电位移信号经过电子学处理，并与计算机和显示装置连接后，便可实现角位置的实时控制与测量。光电编码器由光源、转盘、遮光板和光敏元件等组成，当光电编码器的转轴与电动机的转轴连接后，转盘与电机转速相同。每当转盘窄缝经过光源与光敏元件之间的空间时，光敏元件就受到照射产生光信号，将光信号转换为电信号，经整形等电路的转换后变成脉冲信号，如图3-4所示。通过计量脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速，并通过数显装置进行显示。t（a）光敏元件输出波形（b）整形后波形（c）输出脉冲信号tt图3-4 光电编码器的信号变换图在本系统中选用光电编码器ISC3004，性能如下所示：外径30，止口15，轴径4；输出脉冲：500P/R；输出两路信号A、B；电源电压：DC 12-24V；工作寿命：MTBF20000h(+25,2000rpm);工作温度：-2580；防护等级：IP54；体积小,重量轻,安装方便；消耗电流：100mA。 第4章 硬件设计4.1 I/O口的扩展4.1.1 8255A的介绍1、8255A引脚功能图4-1 8255A引脚功能图8255A采用40条引脚的双列直插式（DIP，Dual，In-line Package）封装，其引脚信号有：/CS：片选信号（输入）/RD：读信号（输入）/WR：写信号（输入）A1、A0：片内寄存器选择信号（输入）D7-D0：与CPU侧连接的数据线（双向）PA7-PA0：A口外设数据线（双向）PB7-PB0：B口外设数据线（双向）PC7-PC0：C口外设数据线（双向）PESET：复位信号（输入） 控制信号/CS、/RD、/WR以及A1、A0的组合可以实现三个数据口（PA、PB、PC）和控制口（控制寄存器）的读写操作，如表4-1所示 表4-1 控制口读写操作表A1A0/RD/WR/CS输入操作（读）001010000111000端口A 数据总线端口B 数据总线端口C 数据总线输出操作（写）00110101111100000000数据总线 端口A数据总线 端口B数据总线 端口C数据总线 控制寄存器断开功能（禁止）X1XX1XX01X11100数据总线为三态（高阻）非法状态数据总线为三态（高阻）2、8255A的工作方式8255A有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。其中PA可以工作在三种方式，P1可以工作在方式0和方式1，PC只能工作在方式0。下面对这三种工作方式进行分析8。（1）工作方式0 方式0为基本输入/输出方式。这种方式下，PA、PB各8位均定义为输入或输出，PC的低4位及高4位可独立定义为输入或输出。定义为输出口均有锁存数据的能力，而定义为输入口无锁存能力。方式0适合无条件传送方式，CPU直接执行输入输出命令。（2）工作方式1 方式1又称选通的输入/输出方式。在这种工作方式下，PA口、PB口作数据的输入或输出口，但数据的输入/输出要在选通信号的控制下来完成。这些选通信号来自PC口的某些位提供的。PA口和PB口可独立的由程序任意的设定为输入口或输出口，此时，PC口自动的作为PA口或PB口的选通控制线。（3）工作方式2 方式2有称双向传输方式，只适用于PA口。方式2中8255的PA口相当于工作在数据总线的状态，使外部设备能利用8位数据线与CPU进行双向通信，既能发送数据，也能接受数据。因此PC口的5根线用来提供双向传输所需的控制信号。3、8255A的控制字在使用8255A时，首先要由CPU对8255A写入控制命令字，有两种控制命令字：一个是方式选择控制字，另一个是C口按位置位/复位控制字，8255A的各种工作方式都要由控制命令字来设定，这个设置过程称为“初始化”。1 D6 D5 D4D3D2 D1 D000：A组方式001：A组方式11x：A组方式21：端口A输入0：端口A输出1：端口C高位输入0：端口C高位输出0：B组方式01：B组方式11：端口B输入0：端口B输出1：端口C低位输入0：端口C低位输出（1）方式选择控制字（D7=1）；（2）C口按位置/复位控制字（D7=0）。图4-2 8255A方式控制字任意0D6 D5 D4D3D2 D1 D0位控制0复位1置位位选择：000 PC0001 PC1010 PC2011 PC3100 PC4101 PC5110 PC6111 PC7下图为当控制字用作C口置位/复位控制字时，各位的功能规定。图4-3 PC口位操作控制字4.1.2 并行口功能分配1、AT89C51的并行口功能分配如下:P0口: P0.0P0.7分别接8255A的D0D7，输出控制信号给8255A，用来控制外部设备。P1口: P1.0-P1.7作为输出口，外接显示电路，输出信号给显示盒。P2口:P2.0、P2.1外接8255A的A0、A1口，用来选定8255A的PA、PB、PC及控制口。P2.2接8279的A0口，P2.6用来选通8279。P2.7用来选通8255A接口芯片。P2.4、P2.5用于组成键盘接口。2、8255A并行口功能分配如下:PA口：PA0PA2外接驱动器，作输出，用工作方式0。PB口：外接信号采集电路，作输入，用工作方式0。PC口：外接电磁阀的控制电路，作输出，用工作方式0。 因此，我们知道8255A的方式控制字为80H。4.1.3 8255A芯片地址的确定映像8255A的地址时，将8255A的A0. A1分别接到锁存后的P2.0、P2.1、P2.7接8255A的片选信号/CS，没有连接的地址线设为1，则得到8255A各个端口的地址如下表:表4-2 8255A端口地址分配表 P2.7P2.0P0.7P0.0端口地址A口0 1 1 1 1 1 0 01 1 1 1 1 1 1 17CFFHB口0 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 1 1 17DFFHC口0 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 17EFFH控制口0 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 17FFFH4.1.4 存储器地址空间的分配表4-3 存储器地址空间的分配表数据存储器地址数据存储器地址压力信号30H开关信号40H温度信号32H键盘键码值34H4.2 步进电机驱动电路的设计单片机输出端口每一位所能提供的电流太小，故需外加驱动器才足以驱动步进电动机。2M530是步进电机的一种新型驱动器。Kinco 2M530是步进科技最新研发成功的双极型恒流电机驱动器。它采用专用的控制芯片，使其具有最高可达256200的细分功能，而且还可通过DIP开关设定细分。 2M530采用24V48V直流供电，最大驱动电流可达每相35A且可调节，可以驱动电流小于35A的任何两项双极型混合式步进电机。2M530具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可大大降低电机发热，这不但能够保证电机平稳可靠的运行，而且能够给电机提供更好的动态驱动性能。对于电机的驱动输出相电流可通过DIP开关调整，以配合不同的电机。具有脱机功能，可以在必要时关闭给电机的输出电流。控制信号的输入电路采用光藕器件的隔离，可以降低外部电气躁声干扰的影响。输出通道的设计内容是确定通道结构和元件装置，合理选择驱动电路。本系统的输出通道也就是控制步进电机的通道，由于AT89C51的P1口可以作为输出使用，所以将其作为输出通道的控制端口，采用三相六拍的步进电机进行并行控制需要P1口中的三位。图4-4 步进电机驱动电路图4.3显示电路设计1、8279扩展接口芯片8279是一种通用可编程键盘、显示器接口，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分采用扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘不断扫描，自动去抖动，自动识别按下的键并给出键码，能对多个键同时按下实行保护。显示部分按扫描方式工作，它为显示器提供多路复用信号，最多能显示16个字符或数字。8279引脚图如图4-5所示；引脚定义如表4-4所示。图4-5 8279A的芯片引脚信号表4-48279引脚定义管脚符号状态功能126D0D7三态数据总线3CLK输入系统时钟9RESET输入复位信号22输入片选信号21A0输入数据选择10输入读信号11输入写信号3235SL0SL3输出扫描线4IRQ输出中断请求信号38、39、1、2、5、6、7、8RL0RL7输入回复线36SHIFT输入移位信号37CNTL/STB输入控制/择通信号2724OUTA0OUTA3输出A组显示信号3128OUTB0OUTB3输出B组显示信号23输出显示消隐2、LED显示电路设计LED显示器的显示控制方式有静态和动态两种，若选择静态显示，则LED驱动器选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流匹配即可，而且一般只需考虑段的驱动；动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。（1）LED显示器的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不相同，因此生产厂家生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED显示器。在本系统设计中选择了4位一体的LED显示器，简称“4-LED”，如图4-6所示。 图4-6 4-LED显示器管脚（2）LED的段驱动芯片选择LED的段驱动电路有很多种，本系统中可选择BCD-7段锁存/译码/驱动74LS48作为段驱动电路。图4-7所示为74LS48的管脚图。 图4-7 74LS48管脚在设计中我们需要对系统的压力进行显示，压力信号通过测量，经过A/D转换之后由I/O口送往单片机，系统可利用此信号来控制相应步进电机的运行，同时为了更好的方便操作者的控制和调试，我们可以通过数码管把系统的压力大小显示出来。管脚图中大写字母A、B、C、D为BCD码的输入端，小写字母a、b、c、d、e、f、g为字型码输出端，LT为灯测试输入端，RBI为消隐输入，RBO为消隐输出。显示电路设计如图4-8所示：P1.0-P1.7AT89C5154LS373827954LS154VLN2003VLN2003显示盒图4-8显示电路由此也可以设计出显示盒原理图，如下图4-9所示:主控盒DC5VDC5VXD13XD1主控盒压力显示主控盒+5VXD12XD21节 2节 3节 4节 防坠 回位 保压 到位 电源 上升 下降 图4-9 显示盒原理图4.4 信号采集电路的设计ADC0809是采用COMS工艺制成的单片8位8通道逐次渐近型A/D转换器，其逻辑框图如图4-10 a）所示，芯片的引脚排列如图4-10 b）所示。三态输出锁存器8位A/D转换器8路模拟开关地址锁存与译码IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7A0 A1 A2 ALEVREF（-）VREF（+）STARTCPOEEOCD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7a)b)图4-10 ADC0809的逻辑框图及芯片的引脚排列图ADC0809由8位逐次渐近型A/D转换器、地址锁存与译码电路、模拟开关和三态输出锁存器等部分组成。1、引脚功能：IN0IN7：8路模拟信号输入端A2、A1、A0：地址输入端 ALE：地址锁存允许信号，在此脚施加正脉冲（上升沿有效）时，锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，进行A/D转换。 START：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，内部寄存器清零，在下降沿到达后，开始进行A/D转换。CP：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为几百KHZ。VREF（+）、VREF（-）：正、负基准电压。一般VREF（+）接+5V电源，VREF（-）接地。EOC：转换结束输出信号（转换结束标志），高电平有效。OE：输出允许信号，高电平有效。D0D7：数字信号输出端。D0为最低位，D7为最高位。VCC：接+5V电源。GND：接地端。根据A2A1A0的地址编码选通8路模拟信号IN0IN7中的任何一路进行A/D转换，地址译码与模拟输入通道的选通关系如表4-5所示。表4-5 选通关系表模拟通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7地址A200001111A100110011A0010101012、ADC0809结构及转换原理ADC0809的结构框图如下图所示。ADC0809是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。由单一的+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需100s左右。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS51的数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对05V的模拟信号进行转换。 图4-11 ADC0809 的结构图在系统的设计中我们用到4个行程开关，系统根据他们的状态可实行对步进电机的控制。我们将采集到的开关状态经过光电隔离电路送到8255。单片机根据相应的状态产生相应的信号来控制步进电机的运行情况。温度信号压力信号行程开关1-48255AADC0809AT89C51在工程运用中，我们还将采集系统的压力以及温度信号，这部分信号经过数模转换再送往8255，设计中我们采用ADC0809芯片来进行A/D转换。流程图如下：图4-12 信号采集电路图4.5 单片机对电磁阀的控制设计单片机产生的控制信号经过光电隔离，我们通过达林顿阵列MC1413的对其进行相应处理后来控制电磁阀的开关。单片机产生的对液压电机的控制信号以及对指示灯的控制信号也可以通过此电路实现。K2K1DC24V达林顿阵列MC1413DC24VK3DC24VK4DC24VK4DC24VK5DC24VK6DC24V上升电磁阀电加热管卸荷电磁阀蓄压电磁阀下降电磁阀液压电机KM1液压电机KM2保压到位防坠AT89C518255A 图4-13 电磁阀控制图4.6 键盘的设计 本系统为了对电磁阀进行控制，设计了一个简单的键盘。在设计中我们规定各键的控制功能。1#控制，2#控制下降电磁阀，3#下降电磁阀，4#控制卸荷电磁阀。由74LS164和单片机串/并口组成矩阵式键盘接口，如下图所示。AT89C51串行口的方式0用于键盘的接口，作为键盘的列线输出。 图4-14 74LS164和单片机串/并口组成矩阵式键盘4.7 硬件电路的合成在各个电路的设计完成之后，就可以进行硬件合成，就是将各单元的电路按照总体设计的硬件结构框图组合在一起，形成一个完整的硬件系统原理图。在进硬件合成时，重点的考虑以下几点:（1）根据输入输出的信号需要，全面安排微处理器的I/O口，查看是否够用，如果不够用，应扩展I/O口。（2）检查信号逻辑电平是否兼容。电路中可能兼有TTL和MOS器件，也可能有非标准的信号电平，若电平不兼容，就要增加电平转换电路。（3）从提高可靠性出发，全面检查电路设计。（4）考虑电源系统。相互隔离的电路必须采用各自独立的电源和地线，切不可混用。同一部分电路的电源，其电压种类应尽量减少。本系统的电源选择现成的产品来提供。（5）合理安排地线系统.硬件设计除了上述的内容外，还要进行做印制电路板、操作面板的设计等工作。 系统总接线图见附录3。第5章 软件设计 5.1 步进电机驱动程序的设计在系统的设计中步进电机的驱动由单片机产生环形脉冲来实现，其中环形脉冲分配器的设计在第二章中已经完成，参照第二中的设计，我们可以设计出相应的驱动程序。我们设计与步进电机同轴的传动丝杆的牙距为4mm,当步进电机旋转一周，系统上升或下降4mm。在本系统中步进电机的驱动方式为三相六拍，因此，步进电机的步距角为1.5，电机旋转一圈需要240个脉冲。利用定时/计数定时产生周期信号，要求定时器T0定时，设T0工作在方式1，晶振频率为12MHz。我们把系统的升降速度定为4mm/s,即程序的定时时间为4.2ms。测可以计算出定时器的初值为： （5-1） 即有TH0=EFH，TL0=6AHYNYN开始数组指针正向？正向一步反向一步延时步数减一步数为0 ？保存指针返回 图5-1 步进电机驱动程序流程图5.2键盘及显示程序设计首先向74LS164输出00H，检查P2.4，P2.5的状态，判断第一排和第二排是否有键按下，然后判断是哪个键按下，根据扫描到的值取出键码。扫描完毕则送显示缓冲区进行显示输出。其程序流程图如5-2所示。开始保护现场停止倒计时，清外部中断INT1中断请求标志位禁止显示器写入扫描查询键盘 有键按下？ CA？允许显示器写入允许显示器写入启动T0允许倒计时允许中断允许中断恢复现场返回 图5-2键盘及显示程序流程图5.3 主程序的设计：根据系统的控制过程原理，可以设计出控制系统的总流程图，总流程图如图5-4所示，系统主程序的设计见附录2。YYNNYN起始上升阀输出灯亮到位起动液压电机T=5 s起动步进电机角度限制器下降阀输出灯亮到位起动液压电机T=1min起动步进电机角度限制器卸荷阀输出蓄压阀输出电加热管阀输出图5-3 主程序流程图第6章系统调试、抗干扰设计6.1 系统调试1、系统硬件的调试 （1）显示部分的调试 使步进电机运行，先用仪器测得步进电机的相关参数，查看LED显示器是否有相关数值的显示，相应的指示灯灯是否电亮。这时改变步进电机的运行环境，再检查显示器及指示灯相应的发生变化。（2）控制部分的调试 使系统运行，通过控制不同的开关，检查步进电机的运行情况，看系统是否能完成相应的功能。 （3）步进电机运行调试掌握步进电机运行步数与软件设定值的关系，与软件算法协同调试，使静态误差最小。2、系统软件的调试本系统软件采用伟福仿真器进行调试。3、软硬件联合调试当软件和硬件的基本功能分别调试后,进行软硬件联合调试及优化，许多硬件错误是在软件调试过程中被发现和纠正的。在调试过程中软件与硬件的调试相结合，提高了调试效率。6.2 单片机应用系统中常见的干扰现象及影响单片机应用系统由于体积小，抗干扰能力强，多用于生产现场。因此，容易受到现场的各种信号的干扰，直接影响单片机的可靠性。随着单片机应用产品的日益成熟，产品的可靠性和稳定性也越来越重要。对于单片机应用系统造成的干扰有电网干扰、传输线干扰、空间电磁波干扰和机内干扰。由于干扰源的不同，产生的影响也不同。单片机应用系统大多采用交流供电，来自电网干扰主要是浪涌电压和电磁干扰。因此，当电网电压长时间欠电压、过电压或电网频率不稳定时，会影响片机应用系统的性能指标。传输线干扰是在输入、输出口连线上形成的干扰，亦称为通道干扰。通道干扰又分为前向通道和后前通道干扰，前向通道的干扰会使输入的模拟信号失真、数据采集误差加大、数字信号出错；后前通道受到干扰后，干扰信号会通过输入通道反串入控制系统，使系统发生“列锁”，或控制误差加大及控制失常。电磁干扰的能量是以电磁波形式在空中传播的，电磁波不仅会严重干扰设备的正常工作，还会造成失控、控制失灵以及直接危及人体健康。系统内部受到干扰信号包括电磁继电器产生的火花放电、自激振荡、噪声电压等，单片机系统内部受到干扰后，会使总线上的数字信号发生错乱，从而引发一系列无法预料的后果，并会传递下去，形成一系列错误，导致程序失控、死循环。解决系统的干扰问题一般有两个途径，一是硬件抗干扰技术，二是软件抗干扰技术。在许多情况下，应用系统的抗干扰不可能全部依靠来解决。采用软件抗干扰设计往成本低、见效快，起到事半功倍的效果。6.3 系统的抗干扰设计可靠性是微机控制系统的重要性能指标，由多种因素决定。微机控制系统所在现场的各种干扰是影响可靠性的主要因素。干扰是指叠加在电源电压或正常工作信号上的其它电信号。干扰有多种来源:电网、空间电磁场、输入输出通道等。干扰会影响传送信息的正确性;扰乱程序的正常运行，使程序“飞走”或进入死循环，还可能损坏微机的元器件，干扰是微机控制系统必须认真对待的间题。解决干扰问题应从两方面着手，一是设法切断干扰通路，减小干扰影响；二是增强微机本身的抗干扰能力。1、光电隔离 从抗干扰以及保护的角度出发，本控制器在设计按键输入电路时使用了光藕TPL524来进行隔离。其电路如图所示。光隔TPL524图6-1 控制信号输入隔离电路2、看门狗电路当微机受到干扰时会引起程序乱飞，将有可能使程序陷入“死循环” 。所以需采用程序监视技术，又称“看门狗”技术(Watchdog)，使程序脱离“死循环”。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过己知的循环上限设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回开始入口，并在开始入口处安排一段出错处理程序，使系统快速纳入正规运行。本控制器的看门狗电路使用了MAXIM公司生产的低成本微处理器监控芯片MAX813L，其DIP引脚图如图5-1所示。其中，/MR为手动复位端,VCC为工作电源端，接+5V电源；GND为电源地端，接地;PF1为电源故障输入端，PF0为电源故障输出端，这两个引脚在本控制器中未用；WD1为看门狗信号输入端，程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器，若超过1.6s该端未收到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平;RST为复位信号输出端，上电时自动产生200ms的复位脉冲，手动复位端输入低电平时该段也产生复位信号输出;WDO为看门狗信号输出端，正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时该端由高电平变为低电平。WD1端接8051的管脚P3.5, R ST端与单片机的复位端相连，MR和W0 相连，程序正常工作时每隔一段时间便通过P3.5 给WD1端送入一个脉冲，以清除MAX813内部的看门狗计数器，若程序“跑飞”，1.6s内未向WD1输出脉冲，看门狗计数器便会溢出，WDO输出低电平，由于WDO与/MR短接，所以相当于手动复位，最终由RST端输出复位信号，使单片机复位。图6-2 MAX813管脚图3、过流故障信号反馈电路由上述可知，IR2130有过流保护功能，一旦系统过流，其Fault端便会输出低电平，同时将输出封锁，直到故障解除为止。本控制器有两片IR2130，将它们的输出的信号分别命名为Fault1和 Fault2，采用图4-14所示电路利用与非门集成芯片74LS00将它们进行逻辑综合，再将综合结果送到8051的INT1端，当系统正常时Fault1和 Fault2输出均为高电平，所以74LS00输出也为高电平，不会引起中断，当某片或全部工R2130产生故障而使相应的Fault端输出低电平时，74LS00 输出变为低电平，引起单片机中断，可以在中断服务程序中对其作相应处理。4、硬件电路抗干扰设计在控制系统中，各种电磁干扰(EMI)是相当多的，一方面，电动机本身会产生电磁干扰信号:另一方面，逆变器中的半导体元件是以开关方式工作的，会产生大量高频谐波。此外，外部其它设备也会将各种干扰信号带入系统中去，这些干扰信号通过“场”或“路”的方式传递到控制电路中，如果不采取有效措施加以避免，就可能使电路或程序工作紊乱。本系统在硬件设计中抑制干扰主要考虑了以下几方面:（1） 加去藕电路:由于系统主要由数字电路组成，而数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在公共传输导线阻抗上和供电电源内阻上产生较大的压降，使供电电压跳动，形成严重干扰。因此该系统采用在各个集成芯片的电源线端与地线端加接无极性的瓷片去祸电容(一般取0.01uF-0.luF之间，本系统均采用0.luF)。这样，一方面提供和吸收该集成电路开关瞬时的充放电能量，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。（2） 由于干扰抑制受到设备的体积成本等多种因素的影响和限制，是不可能完全抑制掉的，只能尽量减小。因此，在控制系统电路的内部设计上还需采取另外相应的措施，保证系统运行可靠性和满足抗干扰要求。采取措施有:(a)添加硬件看门狗电路;(b)尽可能使用8051的内部程序存储器而不使用外部总线；(C)对系统中集成块未用引脚都通过电阻进行拉高或拉低，并在输入端接长线时，串接保护电阻。总 结本次设计基本上完成了课题的要求，实现了单片机对升降系统的控制。本设计是以单片机为核心，通过单片机产生一环形脉冲并借助驱动器2M530来驱动步进电机。在步进电机的驱动中，用软件的方法完成环行脉冲分配器的设计，实现了升降系统的防坠、上升、下降、手动调节、系统加温等功能。本系统操作方便，性能极高，精度良好，能快速有效的达到操作者的要求。这次毕业设计我学到了很多东西，无论是硬件电路的设计，还是软件程序编写的水平都有所提高。记得刚接到课题时还是一片茫然，对课题的设计方案根本没有主见。当我查阅了很多资料后，才了解了一些关于升降系统的基本知识，根据这些资料，我选取了课题需要的一些元器件，包括单片机的型号、步进电机的型号以及相关的控制器件。接下来我把系统分成几个部分来设计，从硬件到软件，先分开来设计，综合起来后，便得到了系统的总设计图和总设计程序。在接到本次设计课题后，从硬件的设计到软件的设计我都非常细心，每一个部分追求到更加完美，虽然还有很多地方欠缺，但是以后我一定在些这方面继续努力，达到更高的水平。本次设计对系统软件设计仍然有点模糊，所以在今后的工作中，我将继续加深对这方面的理解。虚心使人进步，骄傲使人落后，不管是在学习过程中还是在工作过程中，我们都应该虚心向别人学习，最后还请各位同行在这方面给予赐教，谢谢！参考文献1 单片机原理与应用研究M王迎旭编著北京: 机械工业出版社 ，2004.72 单片机原理及应用M孙涵芳等编著 北京：北京航空航天大学出版社，19983 单片机技术实用教程M胡锦等编著北京：高等教育出版社，2003 4 MCS-51单片机原理及使用技术M张振荣主编北京：人民邮电大学出版社，20005 单芯片8051实务与应用M 杨忠煌，黄博俊，李文昌编著北京：中国水利水电出版社，2001.56 MCS-51系列单片机系统原理与设计M苏凯，刘国庆，陈国平编著北京：治金工业出版社，20037 单片微型计算机技术M刘国荣主编北京：机械工业出版社，19968 80C51单片机原理与应用M吴炳胜，王桂梅等编著冶金工业出版社，2001.109 Digital Signal ProcessingMPaulo SRDiniz电子工业出版社，200210 IGBT特性的中子辐照效应M袁寿财编著电力电子技术.199711 IGBT的优化设计问题综述M欧榕津，汪朝英编著半导体杂志.199412 高速开关电磁阀的现状及应用，液压与气动M