基于单片机的按摩器系统的设计与实现

郑州大学西亚斯国际学院郑州大学西亚斯国际学院 本科毕业论文 设计 题 目 基于单片机的按摩器系统的设计与实现基于单片机的按摩器系统的设计与实现 指导教师 职 称 学生姓名 学号 专 业 自动化自动化 班级 1 1 班 班 院 系 电子信息工程学院电子信息工程学院 完成时间 1 基于单片机的按摩器系统的设计与实现基于单片机的按摩器系统的设计与实现 摘 要 按摩器 massager 是根据物理学 仿生学学 生物电学 中医学以及多年 临床实践而研制开发出的新一代保健器材 电子按摩器还分为 电磁按摩 震动按 摩和红外按摩 本设计所选择的是电子按摩器中的震动按摩器 利用单片机 PWM 脉宽调制技术 控制直流电机的转速 从而控制震动的快慢和幅度 本文介 绍了基于 AT89C52 单片机的按摩器系统的硬件结构和软硬件设计方法 系统以 AT89C52 单片机为控制器 产生 PWM 脉冲宽度调制 控制波形输出 利用直流电机 芯片 L298N 驱动 12V 直流电机 实现了电机的正转 反转以及多级调速 在 LED 上现实按摩器档位和正反转情况 此按摩器具有显示直观 功能多样 电路简洁 成本低廉等诸多优点 具有广阔的市场前景 关键字 AT89C52 PWM 脉冲宽度调制 L298N 12V 直流电机 2 MicrocontrollerMicrocontroller basedbased massagemassage systemsystem designdesign andand implementationimplementation ABSTRACTABSTRACT Massager massager is based on physics bionics bio electricity medicine and clinical practice for many years and developed a new generation of health care equipment Electronic massager is also divided into electromagnetic massage vibration massage and infrared massage The design was chosen by the vibration in the electronic massage massage use of microcontroller PWM pulse width modulation control DC motor speed to control the speed and magnitude of vibration This article describes the massage based on AT89C52 microcontroller system hardware and software and hardware design methods AT89C52 microcontroller as the control system resulting in PWM pulse width modulation control waveform output the use of DC motor 12V DC Motor Driver IC L298N To achieve the motor forward reverse and multi level speed the LED on the real massage stalls and reversing the situation This massage has a visual display versatile circuit simplicity low cost and many other advantages and has broad market prospects KeywordsKeywords AT89C52 PWM pulse width modulation L298N 12V DC motor 3 目目 录录 中文摘要 1 英文摘要 2 1 概述 5 1 1 选题背景 5 1 2 设计的应用 6 2 系统总体方案及硬件设计 6 2 1 系统设计要求 6 2 2 总体设计方案 6 2 3 主要元器件介绍 7 2 3 1 主控芯片 AT89C52 简介 7 2 3 2 电机驱动芯片 l298n 功能简介 10 2 3 3 显示模块简介 10 2 4 系统硬件设计 13 3 系统软件设计 16 3 1 系统结构设计 16 3 2 系统初始化及调速过程 16 3 3 响应过程 17 4 4 PROTEUS 软件仿真 17 4 1 PROTEUS ISIS 简介 17 4 2 PROTEUS运行流程 18 4 3 PROTEUS功能仿真 18 总结 19 致谢 20 参考文献 21 附录 22 1 1 概述 1 1选题背景 按摩器 massager 是根据物理学 仿生学学 生物电学 中医学以及多年临床 实践而研制开发出的新一代保健器材 它不仅拥有八大仿真功能 让您确实体会到 针灸 推拿 按摩 锤击 火罐 刮痧 瘦身 免疫调节八种功能的美妙感觉 还 有治疗高血压的独特功效 可放松肌肉 舒缓神经 促进血液循环 加强细胞新陈 代谢 增强皮肤弹性 可缓解疲劳 明显减轻各种慢性疼痛 急性疼痛和肌肉酸痛 放松身体减轻压力 减少皮肤皱纹 电子按摩器还分为 电磁按摩 震动按摩和红 外按摩 本设计所选择的是电子按摩器中的震动按摩器 利用单片机 PWM 脉宽调 制技术 控制直流电机的转速 从而控制震动的快慢和幅度由于单片机具有体积小 集成度高 运算速度快 运行可靠 应用灵活 价格低廉以及面向控制等特点 因 此在工业控制 数据采集 智能仪器仪表 智能化设备和各种家用电器等领域得到 广泛的应用 而且发展非常迅猛 随着单片机应用技术水平不断提高 目前单片机 的应用领域已经遍及几乎所有的领域 现在国内外工业上对电机的调速基本已经不 再使用模拟调速 而采用数字调速系统 而数字调速系统大部分都是用单片机来进 行控制 数字调速系统具有控制精确度高 非常稳定 受环境影响小 效率高等优 点 所以在国内外的使用越来越广泛 与交流电动机相比 直流电机结构复杂 成 本高 运行维护困难 但是直流电机具有良好的调速性能 较大的启动转矩和过载 能力强等许多优点 因此在许多行业仍大量应用 近年来 直流电动机的机构和控 制方式都发生了很大的变化 随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元 器件的不断出现 采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 Pulse Width Modulation 简称 PWM 已成为直流电机新的调速方式 这种调速方法具有开关频 率高 低速运行稳定 动态性能良好 效率高等优点 更重要的是这种控速方式很 容易在单片机控制系统中实现 因此具有很好的发展前景 1 2 设计的应用 2 本设计中的按摩器作为一种震动按摩器 可以适用于脚底按摩 颈椎按摩 腰部 和肌肉按摩 主要可以实现震动和调速 设计中按键正转反转按钮可以调节电机的 转向 通过切换可以实现肌肉的定向推拉 通过加速和减速按钮可以调节按摩器的 震动的强弱和幅度 同时通过 pwm 的调速方法实现了直流电机转速的稳定节 另外 设计小巧 携带方便 是居家和旅游的良品 2 系统总体方案及硬件设计 2 1 系统设计要求 由于按摩器的功能要求 本设计应具有收调速系统和直观的调速和速度显示模 块 由于只有一个电机的驱动需求 所以电路的设计要尽可能的简单从而达到节 约成本的效果 2 2 系统总体设计方案 设计方案主要包括四个模块 单片机控制模块 L298 电机驱动模块 档位显示模块 运行方式设置模 块 总体设计框图如图 1 所示 总体框图 电路原理图 运行 方式 设置 模块 单 片 机 控 制 模 块 正反转及档位显示 L298 电机驱动模 块 3 2 3 主要器件介绍 2 3 12 3 1 主控芯片 AT89C52 简介 89C52 是 INTEL 公司 MCS 51 系列单片机中基本的产品 它采用INTEL 公司可靠 的 CHMOS 工艺技术制造的高性能 8 位单片机 属于标准的 MCS 51 的 HCMOS 产 品 它结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特征 它基于标准的 MCS 51 单片机体系结构和指令系统 属于80C51 增强型单片机版本 集成了时 钟输出和向上或向下计数器等更多的功能 适合于类似马达控制等应用场合 80C52 内置 8 位中央处理单元 256 字节内部数据存储器 RAM 8k 片内程序存储 器 ROM 32 个双向输入 输出 I O 口 3 个 16 位定时 计数器和 5 个两级中 断结构 一个全双工串行通信口 片内时钟振荡电路 此外 89C52 还可工作 于低功耗模式 可通过两种软件选择空闲和掉电模式 在空闲模式下冻结CPU 而 RAM 定时器 串行口和中断系统维持其功能 掉电模式下 保存RAM 数据 时钟振荡停止 同时停止芯片内其它功能 89C52 有 PDIP 40pin 和 PLCC 44pin 两种封装形式 表 1 为 52 单片机的各项参数 标准 MCS 51 内核和指令系统 片内 8kROM 可扩充 64kB 外部存储器 4 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 可扩充 64kB 外部存储器 3 个 16 位可编程定时 计数器 时钟频率 3 5 12 24 33MHz 向上或向下定时计数器 改进型快速编程脉冲算法 6 个中断源 5 0V 工作电压 全双工串行通信口 布尔处理器 帧错误侦测 4 层优先级中断结构 自动地址识别 兼容 TTL 和 CMOS 逻辑电平 空闲和掉电节省模式 PDIP 40 和 PLCC 44 封装形式 表 1 管脚说明 STC89C52 的引脚图如下图 1 所示 图 1 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 5 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 这是由于上拉的缘 故 P3 口作为 AT89C51 的一些特殊功能口 管脚 备选功能 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 6 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起用 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 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 2 3 2电机驱动芯片 l298n 功能简介 L298 是 SGS 公司的产品 比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N 内部同样包 含 4 通道逻辑驱动电路 可以方便的驱动两个直流电机 或一个两相步进电机 L298N 芯片可以驱动两个二相电机 也可以驱动一个四相电机 输出电压最高可达 50v 可以直接通过电源来调节输出电压 可以直接用单片机的 IO 口提供信号 而 且电路简单 使用比较方便 图 2 是 l298n 的实物图 7 图 2 3 1 2 图3是L298N引脚图 表2是l298n的各引脚介绍 表3是l298n的运行参数 图 3 l298n 引脚图 8 引脚引脚符号符号功能功能 1 15 SENSING A SENSING B 此两端与地连接电流检测电阻 并向驱动芯片反馈 检测到的信号 2 3 OUT 1 OUT 2 此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端 用来连接 负载 4Vs 电机驱动电源输入端 5 7 IN 1 IN2 输入标准的TTL逻辑电平信号 用来控制全桥式驱 动器A的开关 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端 输入标准TTL逻辑电平信号 低电平时 全桥式驱动器禁止工作 8GND 接地端 芯片本身的散热片与8脚相通 9Vss 逻辑控制部分的电源输人端口 10 12 IN 3 IN 4 输入标准的TTL逻辑电平信号 用来控制全桥式驱 动器B的开关 13 14 OUT 3 OUT 4 此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端 用来连接 负载 表 2 l298n 的各引脚介绍 参数符号测试环境最小值典型值最大值单位 驱动电源电压 Vs 持续工作时 2 5 46V 逻辑电源电压 Vss 4 557V 输入低电平电压 ViL 0 3 1 5V 输入高电平电压 ViH 2 3 VssV 使能端低电平电压 Ven L 0 3 1 5V 使能端高电平电压 Ven H 2 3 VssV 全桥式驱动器总的 电压降 每一路 VcE s at IL 1A IL 2A 1 8 3 2 4 9 V V 检测电压1 15脚 Vsen 1 2V 表 3 l298n 的运行参数 2 3 3 显示模块简介 本次设计的显示电路就是用 7 段 LED 数码管实现的 而当要同时使用多个 7 段 LED 数码管时 首先将每个 7 段数码管的 a b c d e f g dp 都连 9 接在一起 再使用晶体管分别驱动每个数码管的共同引脚com 事实上 常把 多个位数的数码管包在一起 做成所谓的数码管模块 其中每个位数的 a b dp 都连接到一起 而每个位数的共同引脚则是独立的 市面上常见的 7 段 LED 数码管模块有两位数 三位数 四位数 六位数等本 次设计使用的是两 位数的数码管模块 其引脚如图 4 所示 图 4 七段数码管模块 2 2 4 4 系系统统硬硬件件设设计计 电路原理图 如下图 5 所示 图 5 10 本系统包含复位电路 时钟电路 显示电路 键盘电路等几部分组成 下面一一介 绍 1 复位电路 ST 引脚是复位信号输入端 高电平有效 采用上电加按钮复位 因为系统设 计考虑到该系统比较重要 所以除了采用上电复位的方式外 应该还有按钮 复位备用复位方式以防止系统死机时能 如下图 6 所示 图 6 2 时钟电路 时钟是时序的基础 89c52 核片内由一个反相放大器构成振荡器 可以由它 产生时钟 时钟可以由两种方式产生内部方式和外部方式 本系统采用内部方式 在 XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶体作为定时元件 内部反相放大器自激振荡 产 生时钟 时钟发生器对振荡脉冲二分频 电容采用 30pF 电容 如下图 7 所示 图 7 3 键盘输入模块 键盘输入模块占用系统的 p2 口和外部中断 int0 来进行系统的输入调节 11 图 8 4 显示电路 采用 2 位 8 段共阴极 LED P0 口作为 LED 显示码输出端 如图 9 所示 P3 0 P3 1 口接线选端 P3 2 位 响应按钮 端 图 9 12 2系统软件设计 3 1 软件设计流程图 图 10 3 2 系统初始化及调速过程 进行系统初始化 LED 显示 00 等待呼叫 如下图 11 开始 程序初始化 LE D 显 示 等 待 呼 叫 开启电机 判别按 键是否 按下 加 速 减 速 正 转 反 转 停 止 Yes No No 程序初始化 13 图 11 等待呼叫图 3 3 响应过程 当有加速或者减速安钮按下之后系统查看速度状态再进行速度的调 节 4 Proteus 软件仿真 4 1 Proteus ISIS 简介 Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件 它运行 于 Windows 操作系统上 可以仿真 分析 SPICE 各种模拟器件和集成电路 该软件的特点是 1 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准 并在同类产品中具有明显的 优势 2 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 RS 232 动态仿真 I2 C 调试器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真的功能 有各 种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 3 目前支持的单片机类型有 ARM7 系列 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 PIC18 系列 Z80 系列 HC11 系列以及各种外围芯片 4 支持大量的存储器和外围芯片 总之 该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于 一身的仿真软件 功能极其强大 可仿真 ARM 51 AVR PIC 等单片机 14 4 2 Proteus 运行流程 Proteus ISIS 的工作界面是一种标准的 Windows 界面 包括 标题栏 主菜单 标准工具栏 绘图工具栏 状态栏 对象选择按钮 预览 对象方位控制按钮 仿真进程控制按钮 预览窗口 对象选择器窗口 图形编辑窗 口 运行 Proteus 程序后 进入软件的主界面 通过左侧工具栏中的 P 从库中选择元件 命令 命令 在 Pick Devices 左侧窗口中选择所需元件的关键字 然后放置元件并 调整方向和位置以及参数设置 最后进行连线 4 3 Proteus 功能仿真 Proteus 仿真效果 载入 hex 文件后可以进行模拟仿真 可以全速运行也可以单步调试运行 按键如图 12 图 12 执行按键图 系统开机初始化上电复位后和按下响应按键后 LED 显示 如图 13 15 图 13 系统仿真效果图 总结 看到那么多课题 经过慎重考虑我选择了基于单片机的按摩器系统的设计与实 现 接下来我用了两个周的时间设计一个一个基于单片机的按摩器设计系统 感触 颇多 首先选择这个课题之后 在设计中首先考虑到单片机的选择问题 由于可以选 择的单片机种类颇多 经过慎重的考虑和同学的推荐我选择了 89C52 单片机作为主 控制芯片 通过单片机的内部产生的 pwm 控制波形来实现对电机的控制 由于没有 采取可以产生波形的芯片 所以编程的难度相对的增加 在选择电机方面首先考虑 到用步进电机来作为震动源 但是由于步进电机转速相对过低 而且能够采购到的 电机功率太小而放弃 最终选取直流电机作为震动源 所以最后确定方向为基于单 片机的直流电机控制 接下来每天奔波在宿舍 餐厅三点一线的生活 虽然有点累 但很充实 在这之 中还去请教我院曾经带我课的老师和还有宿舍里的同学 他们耐心的教导让我更加 坚定了对该课题的研究 另外还有很多老师的帮助我调试 整理 由于时间的仓促 以及能力 对知识的掌握等多方面的原因 本设计还有很多不 足之处 而且由于仿真完成的时间较晚 没有完成对所有器件的采集 最终只能以 16 仿真的形式完成这次设计 Proteus 仿真知识及操作 对单片机汇编语言掌握得不 好 不过通过这次课程设计之后 也学到了很多知识 更重要的是一定把以前所 学过的知识重新温故 学好用好 学以致用 致 谢 在即将毕业真正的进入了社会奋斗 心情颇不宁静 回首想想在校园的每时每 刻让人有些不舍 首先要感谢母校是她让我在这度过了美好的四年 让我懂得做人 做事 其次在这里我要感谢教育我 传授我知识的老师们和帮助我的同学们 是你 们让我学到很多 让我知道不管生活多么的艰辛与困苦 只要不放弃希望 就会有 成功的一天 要对未来有信心 对自己有信心 在论文完成之际 我要感谢 的耐 心指导和耐心的批阅 对论文设计的不足进行修改和更正 还有在设计过程中遇到 很多问题 在 的细心指导下才得以顺利的完成 最后在百般努力下 这次课程设 计终于完成了 在设计中遇到了很多编程问题 最后在 的辛勤指导下 终于实现 了设计的要求 同时 在 的身上也让我学得到很多实用的知识 在次我表示感谢 同时 对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢 再次感谢 17 参考文献 1 余发山 单片机原理及及应用技术 中国矿业大学出版社 2003 12 2 何立民著 单片机中级教程 原理与应用 北京航空航天大学出版社 2000 3 楼然苗 李光飞 单片机课程设计指导 北京航空航天大学出版社 2007 7 4 王建校 51 系列单片机及 C51 程序设计 科学出版社 2002 4 5 杨长春 电子报 2001 年 合定本 成都 四川科学技术出版社 1997 6 李建忠主编 单片机原理及应用 西安电子科技大学出版社 2004 7 吴金戌 沈庆阳 8051 单片机实践与应用 北京 清华大学出版社 2003 12 26 38 8 何立民 单片机应用文集 北京 北京航空航天大学出版社 1991 53 72 9 公茂法 单片机人机接口实例集 北京 北京航空航天大学出版社 1998 2 32 59 10 何立明 单片机高级教程 应用与设计 北京 北京航天航空大学出版社 2000 4 149 173 11 李广弟 朱月秀 单片机基础 北京 北京航空航天大学出版社 2001 8 36 85 12 李东生 PROTEL 99SE 电路设计技术入门与应用 北京 电子工业出版社 2002 13 张有顺编著 MCS 51 96 系列单片机简明教程 北京 中国脊梁出版社 1998 14 朱宇光编著 单片机应用新技术教程 北京 电子工业出版社 2000 15 WIRELESS WORLD 1998 VOL 84 NO 1509 P69 16 Yoon D h Yu J h Choi Gm CO Gas Sensing Properties of Zn0 CuO Composite Sensors and Actuators 1998 46 15 23 18 附录 1 汇编源程序 ORG 0000H AJMP START ORG 0003H LJMP INTT0 ORG 000BH LJMP ITT0 ORG 0030H START MOV S