基于单片机的太阳能采光系统控制器设计.doc

I 编号编号 XXXXXXXXXXXXXX 毕业论文毕业论文 20122012 届本科 届本科 题题 目 目 基于单片机的太阳能基于单片机的太阳能 采光系统控制器设计采光系统控制器设计 学学 院 院 XXXXXXXXXXXXXX 学院学院 专专 业 业 XXXXXXXXXXXXXXXXXX 作者姓名 作者姓名 XXXX 指导教师 指导教师 XXXX 职称 职称 XXXX 完成日期 完成日期 20122012 年年 6 6 月月 7 7 日日 二 一二 年 六 月 II 本本科科生生毕毕业业论论文文 设设计计 开开题题报报告告 论论文文题题目目基于单片机的太阳能采光系统控制器设计 选题的根据 1 本选题的理论 实际意义 太阳能采光系统控制器的硬件系统以微处理器为核心 以它来控制微电机的转 动 驱动机械装置实现采光 为了精确定位太阳方位 每隔 10 分钟以角度传感器测 出转动误差 经 A D 转换后送微处理器以实现闭环 反馈控制 微处理器通过 PC 获得设置参数及上传信息 实时时钟提供控制器所需的时间信息 并利用定时中断 定时唤醒处于掉电状态的微处理器 微处理器采用 ATMEL 公司的高性能 低电压的 8 位 CMOS 处理器 AT89C51 为核心 片内有 4k 的 Flash 128 字节的 RAM 32 个可编程的 I O 口 具 2 种省电的休眠模式 特别是在掉电模式下 芯片功耗很小 符合本系统低功耗的要求 采用 RS 232 接口与上位 PC 机进行串行通信 从而实现对相关数据的存储 分析 和处理 用 MAX232S 实现 RS 232 的电平转换 电动机驱动部分由驱动器和电动机两部分组成 用AT89C51来控制步进电动机的 转动 驱动机械装置实现采光 系统的实时时钟采用了PHILIPS公司的低功耗实时时钟芯片PCF8563 该芯片采 用IIC通信协议 特别是其具有定时中断功能 将芯片的中断输出脚与AT89C51的外 部中断引脚相连 可用来将微处理器从掉电模式下唤醒 这对整个系统实现低功耗是 必不可少的 反馈控制模块此模块由微型电动机 角度传感器 A D转换器组成 微型电动机 转动带动采光装置 以跟踪太阳方位为精确控制电动机的转动角度 用角度传感器采 样 经A D 转换后组成反馈回路 以调节电动机转动位置 A D转换器拟采用低通滤波 器逐次逼近ADC0809 角度传感器拟采用四块光电池组成测试系统 太阳能采光系统 III 控制器部分 阳光透过外罩射到反射镜上 镜面将阳光反射到室内 控制器根据太阳的 移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动 以最大限度的反射阳光到室内 不仅在晴朗 多云的时候正常工作 而且在阴天 自然光照不理想的情况也能实现最 大限度的采光 太阳能利用技术在研究开发 商业化生产 市场开拓方面都获得了长足发展 成为世界快速 稳定发展的新兴产业之一 美国的 光伏建筑计划 欧洲的 百万 屋顶光伏计划 以及我国已开展的 光明工程 将在建筑领域掀起节能环保生态建 材开发的应用热潮 论文的主要内容 基本要求及其主要的研究方法 1 主要内容 自然光照明相对人工照明有很大的优势 因而太阳能采光系统控制器的研究具有 一定的现实意义 本设计及太阳能采光系统控制器的设计 太阳能采光系统控制器的 主要功能是 阳光透过外罩射到反射镜上 镜面将阳光反射到室内 控制器中的微 处理器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动 以最大限 度的反射阳光到室内 不仅在晴朗 多云的时候正常工作 而且在阴天 自然光照 不理想的情况也能实现最大程度的采光 反射镜上附有角度传感器 为了精确定位 太阳方位 以角度传感器测出转动误差 经 A D 转换后送微处理器以控制电机驱动 使反射镜转动 该系统主要由微处理器 反馈控制模块 电机驱动 角度传感器 A D 转换器 电源模块和实时时钟组成 2 基本要求 该系统控制器的硬件系统以微处理器为核心 以它来控制微电机的转动 驱动 机械装置实现采光 为了精确定位太阳方位 每隔 10 分钟 以角度传感器测出转动 误差 经 A D 转换后送微处理器以实现闭环 反馈控制 微处理器通过 PC 获得设 置参数及上传信息 实时时钟提供控制器所需的时间信息 并利用定时中断定时唤 醒处于掉电状态的微处理 IV 3 主要研究方法 采用 RS 232 接口与上位 PC 机进行串行通信 从而实现对相关数据的存储 分析 和处理 用 MAX232S 实现 RS 232 的电平转换 电动机驱动部分由驱动器和电动机两部分组成 用 AT89C51 来控制步进电动机的转 动 驱动机械装置实现采光 论文进度安排和采取的主要措施 1 2011 年 10 月 26 日 2011 年 11 月 20 日 收集查阅资料 了解设计内容 要求 熟悉设计题目 准备报告 2 2011 年 11 月 21 日 2011 年 12 月 20 日 根据设计要求与资料的归纳整理 撰写 开题报告 3 2011 年 12 月 21 日 2012 年 3 月 10 日 设计出主电路与控制电路 完成初稿 5 2012 年 3 月 11 日 2012 年 4 月 30 日 修改初稿 完成仿真与分析 6 2012 年 5 月 1 日 2012 年年 5 月 15 日 完成毕业设计 对细节进行修改 7 2012 年 5 月 16 日 2012 年 5 月 25 日 最后修改定稿 8 2012 年 5 月 26 日 2012 年 6 月 5 日 准备答辩 主要措施 通过自己多方面的查阅资料和同学老师分析讨论 在老师的指导下完成 V 主要参考资料和文献 1 郑守深 于洁 太阳能电源 河南人民出版社 2004 2 沙占友 集成化智能传感器原理与应用 M 北京 电子工业出版社 2004 3 沙占友 智能传感器系统设计与应用 M 北京 电子工业出版社 2005 4 单成祥 传感器的理论与设计基础及其应用 M 北京 国防工业出版社 1999 5 冯英 传感器电路原理与应用 M 成都 电子科技大学出版社 第一版 1997 6 黄继昌 传感器工作原理及应用实例 M 北京 人民邮电出版社 第一版 1998 7 白英彩 微型计算机常用芯片手册 M 上海 上海科技出版社 2000 8 陈进 李俊 太阳能光伏发电系统 2006 02 9 彭为 单片机典型系统设计实例精讲 北京 电子工业出版社 2006 5 10 三恒星科技 MCS 51单片机原理与应用实例 北京 电子工业出版社 2008 1 11 谢宜仁 单片机实用技术问答 M 北京 人民邮电出版社 2005 12 刘必虎 中小规模集成电路的原理与应用 M 上海 上海科技出版社 2000 13 张萌 单片机应用系统开发综合实例 M 北京 清华大学出版社 2007 7 指导教师意见 签 名 年 月 日 教研室 意见 负责人签名 年 月 日 学 院 意 见 负责人签名 年 月 日 VI 目 录 摘要 ABSTRACT 第一章绪论 1 1 1 前言 1 1 2 设计任务 1 1 3 设计要求 1 1 4 设计参数 2 1 5 理论依据 2 1 6 方案设计 2 第二章 硬件设计 4 2 1 AT89C51 4 2 1 1 AT89C51 的主要性能 4 2 1 2 AT89C51 引脚介绍 4 2 1 3 AT89C51 的极限参数 6 2 1 4 时钟电路 6 2 2 A D 转换电路 7 2 2 1 A D 转换电路器件选型 7 2 2 2 A D 转换电路图 11 2 3 实时时钟电路 12 2 3 1 实时时钟器件选型 12 2 3 2 PCF8563 与单片机的连接 13 2 4 串行输出 RS 232 电路 14 2 4 1 通信速度和通信距离 14 2 4 2 抗干扰能力 14 2 4 3 器件选型 15 2 4 4 采用 MAX232 接口的串行通信电路 16 2 5 步进电动机驱动电路 17 2 5 1 步进电动机的工作原理 17 2 5 2 步进电动机选型 19 VII 2 5 3 步进电动机驱动器的选型 21 2 5 4 步进电动机驱动电路 23 2 6 位移传感器电路 23 2 6 1 光电池的选型 23 2 6 2 放大器选型 24 2 6 3 传感器电路图 26 2 7 电源电路 26 2 7 1 电源电路元器件及设备的选型 26 2 7 2 电源电路图 28 第三章 软件设计 29 3 1 软件设计分析及软件结构 29 3 2 程序流程图 29 3 2 1 主程序流程图 29 3 2 2 A D 转换子程序 30 3 2 3 串行通信子程序流程图 31 3 2 4 步进电动机驱动子程序流程图 32 3 2 5 实时时钟子程序流程图 32 第四章 设计总结 34 参考文献 35 致谢 36 附录 37 程序清单 37 外文原文 42 中文译文 49 VIII 摘要摘要 本设计分八部分 以 AT89C51 为核心 以及 A D 转换电路 实时时钟电路 串 行输出 RS 232 电路 步进电动机驱动电路 位移传感器电路 电源电路 软件及程 序设计 太阳能采光系统控制器部分 阳光透过外罩射到反射镜上 镜面将阳光反射到 室内 控制器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动 以最大 限度的反射阳光到室内 不仅在晴朗 多云的时候正常工作 而且在阴天 自然光照 不理想的情况也能实现最大限度的采光 关键词 AT89C51 时钟电路 芯片擦除 A D 转换电路 步进电动机 IX AbstractAbstract This design points eight part USES AT89C51 as the core and A D conversion circuit real time clock circuit serial output RS 232 circuit stepping motor drive circuit displacement sensor circuit the power supply circuit software and program design Solar lighting system controller part sunlight through the cover shot the reflector mirror reflect the sun to indoor according to the sun moves controller sends a signal to drive the motor of the mechanical transmission device that mirror turning to the maximum reflected sunlight to the interior Not only in sunny cloudy when the normal work and in the cloudy day natural light and not the ideal situation also can realize the maximum daylighting Keywords AT89C51 clock circuit chip erased A D conversion circuit stepping motor 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1前言前言 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源 生物质能 风能 太阳能 海洋能 水能等都来自太阳能 广义地说 太阳能包含以上各种可再生能源 太阳能作为可再生 能源的一种 则是指太阳能的直接转化和利用 通过转换装置把太阳辐射能转换成热能 利用的属于太阳能热利用技术 再利用热能进行发电的称为太阳能热发电 也属于这一 技术领域 通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术 光电 转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的 因此又称太阳能光伏 技术 太阳能既是一次能源 又是可再生能源 它资源丰富 既可免费使用 又无需运 输 对环境无任何污染 20 世纪 50 年代 太阳能利用领域出现了两项重大技术突破 一是 1954 年美国贝尔 实验室研制出 6 的实用型单晶硅电池 二是 1955 年以色列 Tabor 提出选择性吸收表面 概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层 这两项技术的突破 为太阳能利用进入现 代发展时期奠定了技术基础 90 年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议 讨论和制定世界太 阳能战略规划 国际太阳能公约 设立国际太阳能基金等 推动全球太阳能和可再生能 源的开发利用 开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动 成 为各国制订可持续发展战略的重要内容 自 六五 计划以来 我国政府一直把研究开 发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划 大大推动了我国太阳能和可再生能 源技术和产业的发展 20 多年来 太阳能利用技术在研究开发 商业化生产 市场开 拓方面都获得了长足发展 成为世界快速 稳定发展的新兴产业之一 1 21 2 设计任务设计任务 本设计为太阳能采光系统控制器部分 阳光透过外罩射到反射镜上 镜面将阳光反射到 室内 控制器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动 以最大限度 的反射阳光到室内 不仅在晴朗 多云的时候正常工作 而且在阴天 自然光照不理想的 情况也能实现最大限度的采光 1 31 3 设计要求设计要求 1 控制器的硬件系统以微处理器为核心 以它来控制微电动机的转动 驱动机械装置 实现采光 2 为了精确定位太阳方位 以角度传感器测出转动误差 经 A D 转换后送微处理器以 实现闭环 反馈控制 2 3 微处理器通过 PC 获得设置参数及上传信息 4 实时时钟提供控制器所需的时间信息 1 41 4 设计参数设计参数 1 各参数要求为 转动角度 0 120 误差不大于 0 2 电动机扭矩 4Nm 电动机功率 200W 2 上传信息发送周期 1 次 1 小时 1 51 5 理论依据理论依据 太阳能采光系统控制器的硬件系统以微处理器为核心 以它来控制微电动机的转动 驱动机械装置实现采光 为了精确定位太阳方位 每隔10分钟以角度传感器测出转动误 差 经A D 转换后送微处理器以实现闭环 反馈控制 微处理器通过PC获得设置参数及 上传信息 实时时钟提供控制器所需的时间信息 并利用定时中断定时唤醒处于掉电状 态的微处理器 AT89C51 PC 实时时钟 电源 A D转 换 位移传感器 电动机驱 动 图图 1 11 1 太阳能采光系统控制器组成框图太阳能采光系统控制器组成框图 该系统主要由微处理器 反馈控制模块 电动机驱动 角度传感器 A D 转换器 电源和实时时钟组成 如上图 1 1 所示 1 6 方案设计 微处理器采用 ATMEL 公司的高性能 低电压的 8 位 CMOS 处理器 AT89C51 为核心 片内 有 4k 的 Flash 128 字节的 RAM 32 个可编程的 I O 口 具 2 种省电的休眠模式 特别是 在掉电模式下 芯片功耗很小 符合本系统低功耗的要求 采用 RS 232 接口与上位 PC 机进行串行通信 从而实现对相关数据的存储 分析和处 理 用 MAX232S 实现 RS 232 的电平转换 电动机驱动部分由驱动器和电动机两部分组成 用AT89C51来控制步进电动机的转动 驱动机械装置实现采光 3 驱动器 MS 2H090H 步进电动机 34HS300C 图图 1 21 2 电动机驱动模块电动机驱动模块 微处理器的主要功能 1 计算功能 计算每天日出与日落的时间 每十分钟计算太阳所在的角度 计算电 动机转动的角度 2 通信功能 通过串口 RS232 与PC进行通信 3 控制功能 读取及写入实时时钟的时间 读取各个通道的A D转换值 控制电动机 转动 进行相关功能处理 系统的实时时钟采用了PHILIPS公司的低功耗实时时钟芯片PCF8563 该芯片采用IIC 通信协议 特别是其具有定时中断功能 将芯片的中断输出脚与AT89C51的外部中断引脚 相连 可用来将微处理器从掉电模式下唤醒 这对整个系统实现低功耗是必不可少的 反馈控制模块此模块由微型电动机 角度传感器 A D转换器组成 微型电动机转动 带动采光装置 以跟踪太阳方位为精确控制电动机的转动角度 用角度传感器采样 经A D 转换后组成反馈回路 以调节电动机转动位置 A D转换器拟采用低通滤波器逐次逼近 ADC0809 角度传感器拟采用四块光电池组成测试系统 4 第二章第二章 硬件设计硬件设计 本设计分七部分 以 AT89C51 为核心 以及 A D 转换电路 实时时钟电路 串行输 出 RS 232 电路 步进电动机驱动电路 位移传感器电路 电源电路 2 12 1 AT89C51AT89C51 AT89C51 是一种低功耗 高性能含有 4K 字节快闪可编程 擦除只读存贮器的 8 位微控制 器 使用高密度非易失性的存贮技术制造 并且与 80C51 指令完全兼容 芯片上的 E2PROM 允许在线或采用非易失性存贮编程器对程序存贮器重复编程 2 1 1 AT89C51 的主要性能 1 片内有 4K 字节可重复编程快闪擦写存贮器 FLASHROM 从而能缩短擦除或写 入数据吞吐的时间 能满足需要高速数据吞吐的场合 编程所需要的所有时序及电压场 均无需外部电路提供 2 存贮器可以重复写入 1000 次 3 宽工作电压范围 电压可以由 2 7V 6V 提供 4 全静态工作 可由 0HZ 16HZ 5 程序存贮器具有三级锁存保护 6 128 8B 位内部 ROM 7 32 条可编程 I O 口线 8 两个 16 位定时器 计数器 9 中断结构具有 5 个中断源和 2 个优先级 10 可编程全双工串行通道 2 1 2 AT89C51 引脚介绍 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一组 8 位漏级开路双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为输 出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 可作为高阻 抗输入端用 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 FLASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FLASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须外接上拉电阻 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 4 个 TTL 逻辑门电路 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高电平 可用作输入口 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 5 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 逻辑门电路 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻把端口拉到高电平 且作为输入口 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 图图 2 12 1 AT89C51AT89C51 引脚图引脚图 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 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下所示 端口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 外部中断 0 0INT P3 3 外部中断 1 1INT P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器读选通 RD P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 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 6 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 次有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的信号将不出现 PSENPSEN EA VPP 当保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管EA 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 I O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚 读端口时实际上并 不从外部读入数据 而是把端口锁存器的内容读入到内部总线 经过某种运算或变换后 再写回到端口锁存器 只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线 2 1 3 AT89C51 的极限参数 1 工作温度 55 125 2 储藏温度 65 15 3 任一引脚对地电压 1 0V 7 0V 4 最高工作电压 6 6V 5 直流输出电流 15 0mA 2 1 4 时钟电路 AT89C51 片内设有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体 或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器 如图 2 2 所示 C2 C1 XTAL1 XTAL2 GND 7 图图 2 22 2 内部振荡器内部振荡器 XTAL1 XTAL2 GND 外部振荡信 号输入 NC 图图 2 32 3 外部振荡器外部振荡器 外接石英晶体 或陶瓷谐振器 及电容 C1 C2 接放大器的反馈回路中构成并联振荡 电路 对外接电容 C1 C2 虽然没有十分严格的要求 但电容容量的大小会轻微影响振荡 频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的难易程序及温度稳定性 如果使用石英晶体 推荐电容使用 30pF 10pF 而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pF 10pF 当然也可以采用外部时钟 采用外部时钟的电路如图 2 3 所示 这种情况下 外部 时钟脉冲接到 XTAL1 端 即内部时钟发生器的输入端 XTAL2 则悬空 2 22 2 A DA D 转换电路转换电路 2 2 1 A D 转换电路器件选型 A D 转换器是将模拟量转换成数字量的器件 根据起转换原理 常用的 A D 器件有 逐次逼近式 A D 和双积分 A D 两类 逐次逼近式 A D 器件速度快 使用方便 但价格高 抗干扰性差 双积分 A D 精度高 抗干扰性好 价格低 但速度慢 介于对快速响应的 要求这里选择逐次逼近式转换器 ADC0809 则相对于其匹配性选择外围芯片触发器 74LS74 锁存器 74LS373 1 ADC0809 主要性能指标及技术指标 ADC0809 芯片是 CMOS 8 位 8 通道 逐次比较型 A D 转换器 1 为逐次比较型 2 为单电源供电 3 无需外部进行 0 点和满度调整 4 可锁存 3 态输出 输出与 TTL 兼容 5 具有锁存控制的 8 路模拟开关 6 分辨率 8 位 7 功耗 15mW 8 转换时间 fCLK 500kHz 128 s 9 转换精度 0 4 2 ADC0809 引脚分布 8 ADC0809 芯片为 28 引脚为双列直插式封装 对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下 1 IN7 IN0 8 路输入通道的模拟量输入端口 2 ALE 地址锁存允许信号 对应 ALE 上跳沿 A B C 地址状态送入地址锁存器 中 3 START 转换启动信号 START 上升沿时 复位 ADC0809 START 下降沿时启动 芯片 开始进行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持 低电平 本信号有时简写为 ST 4 CLK 时钟信号 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号由外界提供 因 此有时钟信号引脚 通常使用频率为 500KHz 的时钟信号 IN3 4 IN 5 IN 6 IN 7 IN 0 IN 1 IN 2 IN1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 START EOC 1 D 3 D 0 D 2 D 4 D 5 D OE CLOCK CC V GND ADDA ADDB ADDC ALE 7 D 6 D HEF V HEF V ADC 0809 图图 2 42 4 ADC0809ADC0809 引脚图引脚图 5 EOC 转换结束信号 EOC 0 正在进行转换 EOC 1 转换结束 使用中该状态信 号即可作为查询的状态标志 又可作为中断请求信号使用 6 D7 D0 数据输出线 为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数据线直接相连 D0 为最低位 D7 为最高 7 OE 输出允许信号 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻 OE 1 输出转换得到的数据 8 Vref 参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较 作为逐次逼近的基 准 其典型值为 5V Vref 5V Vref 5V 9 VCC GND Vcc 5V 电源 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 3 ADC0809 的内部逻辑 9 8位 模拟 开关 地址 锁存 与译 码 8位 A D 转 换 器 三态 输出 锁存 缓冲器 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 ADC0809 EOC Msb D7 D0 VCC GND IN0 IN7 ADDA ADDB ADDC ALE Vret Vret STARTCLKOE 图图 2 52 5 ADC0809ADC0809 的内部逻辑结构图的内部逻辑结构图 图 2 5 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用一个 A D 转 换器进行转换 这是一种经济的多路数据采集方法 地址锁存与译码电路完成对 A B C 3 个地址位进行锁存和译码 其译码输出用于通道选择 其转换结果通过三态 输出锁存器存放 输出 因此可以直接与系统数据总线相连 ADD A ADD B ADD C 8 路 模拟开关的 3 位地址选通输入端 以选择对应的输入通道 其对应关系如下 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 4 74 LS74 74LS74 为带预置和清除端的两组 D 型触发器 fmax 33MHz P 20Mw CLK1 CLK2 为时 钟输入端 D1 D2 为数据输入端 Q1 Q2 为输出端 CLR1 CLR2 为直接复位端1Q2Q 低电平有效 PR1 PR2 为直接致位端 低电平有效 工作电压为 5V 10 CLR1 1 D1 2 CLK1 3 PR1 4 Q1 5 Q1 6 GND 7 VCC 14 CLR2 13 D2 12 CLK2 11 PR2 10 Q2 9 Q2 8 74LS74 图图 2 62 6 74LS7474LS74 引脚图引脚图 5 74 LS373 74LS373功能 E G D Q L H H H L H L L L L X Q L 低电平 H 高电平 X 不定态 Q0 建立稳态前 Q 的电平 G 输入端 与8031ALE 连高电平 畅通无阻低电平 关门锁存 图中 OE 使能端 接地 当 G 1 时 74LS373输出端1Q 8Q 与输入端1D 8D 相同 当 G 为下降沿时 将输入数据锁存 74LS373是常用的地址锁存器芯片 它实质是一个是带三态缓冲输出的8D 触发器 在单片机系统中为了扩展外部存储器 TPd 17ns PD 120Mw b 74LS373电路连续图 Q1 Q8 G 数据打入端输出允许端 E Q1 Q8 a 74LS373 结构原理图 D1 D8 Q1 Q8 G 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 E Q1 D1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 GND CC V Q8 D8 D7 Q7 Q6 D6 D5 Q5 G c 74LS373 引脚图 Q1 Q8 D1 D8 GE P0 0 P0 7 ALE A0 A7 11 图图 2 72 7 74LS37374LS373 外部引脚图外部引脚图 74LS373 的输出端 Q0 Q7 可直接与总线相连 当三态允许控制端 OE 为低电平时 Q0 Q7 为正常逻辑状态 可用来驱动负载或总 线 当 OE 为高电平时 Q0 Q7 呈高阻态 即不驱动总线 也不为总线的负载 但锁存 器内部的逻辑操作不受影响 当锁存器允许端 LE 为高电平时 Q 随数据 D 而变 当 LE 为低电平时 Q 被锁存在已 建立的数据电平 当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用 使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV 引出端符号 D0 D7 数据输入端 OE 三态允许控制端 低电平有效 LE 锁存器允许端 Q0 Q7 输出端 VCC 接 5V 电源 2 2 2 A D 转换电路图 此模块采用中断方式查询 模拟量经 IN0 IN3 端口进入 A D 转换器 经 A D 转换器进行 模 数转换 转换后数字量进行分类 溢出量进行另行处理 非溢出量存入单片机 RAM 中 再经单片机计算 转为控制步进电动机所需脉冲 如图 2 8 A D 转换电路模 12 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 OE GND VCC Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 G U2 3 5 7 9 13 15 17 19 1 10 20 2 4 6 8 12 14 16 18 11 ADDA ADDB ADDC ALE VCC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 74LS373 ADDA D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 OE EOC CLK IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0 VCC Vref Vref GND ADDA ADDB ADDC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 1 1 7 9 22 6 21 20 19 18 8 15 14 17 23 24 25 P3 3 10 5 4 3 2 1 28 27IN1 26IN0 VC C 11 12 16 13 C14 IN1 R13 R18 100 D1 2CW54 12 10K P3 6 P2 3 P3 7 ADDB START ALE IN2 IN3 ADC0809 ICLR ID ICLK PR IQ IQ GND VCC U4 1 2 3 4 5 6 7 14 VCC 74LS74 图图 2 82 8 A DA D 转换电路模块转换电路模块 2 32 3 实时时钟电路实时时钟电路 2 3 1 实时时钟器件选型 本设计中 实时时钟起到记录时间的作用 根据性价比及通用性等指标 选择低功 耗的实时时钟芯片 PCF8563 PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗 的多功能时钟 日历芯片 PCF8563 的多种报警功能定时器功能时钟输出功能以及中断输 出功能 能完成各种复杂的定时服务 甚至可为单片机提供看门狗功能内部时钟电路内 部振荡电路 内部低电压检测电路 1 0V 以及两线制I2C总线通讯方式 不但使外围 电及其简洁而且也增加了芯片的可靠性同时每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动 生增量 1 特性 宽电压范围 1 0 5 5V 复位电压标准值 Vlow 0 9V 超低功耗典型值为 0 25 A VDD 3 0V Tamb 25 可编程时钟输出频率为 32 768KHz 1024Hz 32Hz 1Hz 四种报警功能和定时器功能 内含复位电路振荡器电容和掉电检测电路 13 开漏中断输出 400kHz I2C 总线 VDD 1 8 5 5V 其从地址读 0A3H 写 0A2H 2 PCF8563 的基本原理 PCF8563 有 16 个位寄存器 一个可自动增量的地址寄存器 一个内置 32 768KHz 的振荡器 带有一个内部集成的电容 一个分频器用于给实时时钟 RTC 提供源时钟 一 个可编程时钟输出一个定时器 一个报警器 一个掉电检测器和一个 400KHz I2C 总线 接口 本设计主要用到PCF8563的定时器功能 8位的倒计数器由定时器控制寄存器控制 定时器控制寄存器用于设定定时器的频率 以及设定定时器有效或无效 定时器从软件 设置的8位二进制数倒计数 每次到计数结束 定时器设置标志位TF 定时器标志位TF只 可以用软件清除 TF用于产生一个中断 每个到计数周期产生一个脉冲作为中断信号 T1 TP控制中断产生的条件 当读定时器时 返回当前到计数的数值 同时PCF8563包含一个片内复位电路 当震荡器停止工作时 复位电路开始工作 在 复位状态下 I2C总线初始化 寄存器TF VL TD1 TD0 TESTC AE被置逻辑1 其它的 寄存器和地址指针被请0 PCF8563还内嵌一个掉电检测器 当VDD低于VLOW时 位VL被置1 用于指明可能产生 不准确的时钟 日历信息 VC标志位只可以用软件清楚 当VDD慢速降低达到VLOW时 标 志位VL被设置 这时可能会产生中断 2 3 2 PCF8563与单片机的连接 按 I2C 总线协议规约 PCF8563 有唯一的器件地址 0A2H 如图 2 9 所示为 PCF8563 和单片机的连接图 初始化完成后此芯片开始工作 计数器开始计时 当一个小时到时 启动报警功能 将这段时间内信息写入输出缓存器中 外部中断打开 将信息经端口 SAD 上传到单0INT 片机中 该电路有一个备用电源 它的作用是在系统掉电的情况下 它仍能继续保持时钟的 工作 等电来之后不用再调节时钟 这样保持了时间的连续性 而两个电容的作用则是 为了滤波和退藕 由于芯片内部有一个电容需要接一个外部电容 14 OSC1 OSCO INT Vss Vdd CLK SCL SDA U20 C17 15pF 1 2 3 4 PCF8563 5 6 7 8 0 01uF C21 VCC D3 IN4001 P1 6 P2 0 R15 5 1K R16 5 1K C18 C22 0 01uF 10uF D4 IN4001 3 6V 图图 2 92 9 PCF6563PCF6563 与单片机的连接图与单片机的连接图 2 42 4 串行输出串行输出 RS 232RS 232 电路电路 在单片机应用系统中 数据通信主要采用异步串行通信方式 在设计通信接口时 必须根据需要选择标准接口 并考虑传输介质 电平转换等问题 采用标准接口后 能 够方便地把单片机 外设 测量仪器等有机的连接起来 从而构成一个测控系统 异步串行通信常用的标准借口有三类 RS 232C RS 232A RS232B RS 422 和 RS 485 2 4 1 通信速度和通信距离 通常的标准串行接口的电气特性 都有满足可靠传输时的最大通信速度和传输距离 指标 但这两个指标之间具有相关性 适当地降低通信速度 可以提高通信距离 反之 亦然 例如 采用 RS 232C 标准进行单向数据传输时 最高数据传输速率为 19 2kb s 最大传送距离为 15m 改用 RS 422 标准时 最大传输速率可达 10Mb s 最大传送距离为 300m 适当降低数据传输速率 传送距离可达到 1200m 2 4 2 抗干扰能力 通常选择的标准接口 在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力 以保证 可靠的信号传输 但在一些工业测控系统中 通信环境往往十分恶劣 因此在通信介质 选择 接口标准选择时要充分注意其抗干扰能力 并采取必要的抗干扰措施 例如在长 距离传输时 使用 RS 422 标准 能有效地抑制共模信号干扰 在高噪声污染环境中 通过使用光纤介质减少噪声干扰 通过光电隔离提高通信系 统的安全性都是一些行之有效的办法 RS 232C 是目前最常用的串行接口标准 用来实现计算机与计算机 计算机与外设 之间的数据通信 RS 232C 串行接口总线适用于设备之间的通信距离不大于 15m 传输速 率最高为 19 2kb s 的场合 RS 232C 属单端信号传送 存在共地噪声和不能抑制的共模 15 干扰等问题 因此一般用于短距离通信 本系统是 PC 机与外设的连接 需要其与单片机之间通信 在 PC 机系统内部都装有异步通信适配器 利用它可以实现异步串行通信 该适配器 的核心元件是可编程的 Intel250 芯片 它使 PC 机有能力与其他具有标准的 RS 232C 接 口的计算机或设备进行通信 而 AT89C51 本身具有一个全双工的串行接口 因此只要配 以电平转换的驱动电路 隔离电路就可以组成一个简单可行的通信接口 PC 机与单片机最简单的连接是零调制三线经济型 这是进行全双工通信所必须的最 少线路 由于 AT89C51 单片机的输入 输出电平为 TTL 电平 而 PC 机配置的是 RS 232C 标准串行接口 二者电气规范不一致 因此要完成 PC 机与单片机的数据通信 必须进行 电平转换 2 4 3 器件选型 根据通信速度和通信距离及抗干扰能力本设计选用串行接口芯片 MAX232 实现 AT89C51 单片机和 PC 机的 RS 232C 接口通信电路 MAX232 是一种双组驱动器 接受器 片内含有一个电容性电压发生器以便在单 5V 电 源供电时提供 EIA TIA 232 E 电平 每个接受器将 EIA TIA 232 E 电平输入转换为 5V TTL CMOS 电平 这些接受器具有 1 3V 的典型门限值及 0 5V 的典型迟滞 而且可以接受 30V 的输入 每个驱动器将 TTL CMOS 输入电平转换为 EIA TIA 232 E 电平 MAC232 的 工作温度范围为 0 至 70 MAX232 工作范围为 40 至 85 特点 单 5V 电源工作 LinBiCMOSTM 工艺技术 两个驱动器及两个接受器 30V 输入电平 低电源电流 典型值是 8mA 符合甚至优于 ANSI 标准 EIA TIA 232 E 及 ITU 推荐标准 V2 8 可与 MAXim 公司的 MAX232 交换 ESD 保护大于 MIL STD 883 标准的 2000V 2 4 4 采用 MAX232 接口的串行通信电路 16 VCC Vs Vs GND T1OUT T2OUT R1IN R2IN C1 C2 C1 C2 T1IN T2IN R1OUT R2OUT C9 VCC C10 VCC C13 U3 MAX232 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 11 12 13 14 15 16 1uF1uF 1uF 1uF 1uF C11 C12 P3 0 P3 1 图图 2 102 10 MAX232MAX232 串行通信电路串行通信电路 此通信中单片机通过中断方式接受 PC 机 发送的数据 并将所需信息发送到 PC 机 单片机串行接口工作在方式 1 定时器 1 按方式 2 工作 定时器预置初值为 0FDH SMOD 1 波特率为 9600b s 单片机 P3 0 口即串行输入口通过 T2IN 口接受数据 当检测到输入口引脚由 1 到 0 的跳变时开始接受过程 并复位内部 16 分频计数器 以实 现同步 单片机 P3 1 口即串行输出口通过 R2OUT 口发送数据 CPU 执行任何一条以 SBUF 为目标寄存器的指令就启动发送 先把起始位输出到 TXD 然后把移位寄存器的输出位 送到 TXD 接着发出第一个移位脉冲 使数据右移一位 并从左端补入 0 此后数据将逐 位由 TXD 端发送 而其左面不断补入 0 当发送完数据位时 置位中断标志位 TI 2 52 5 步进电动机驱动电路步进电动机驱动电路 步进电动机驱动器与步进电动机的选型主要依据设计任务中对参数的要求 转动角度 0 120 误差不大于 0 2 电动机扭矩 4Nm 电动机功率 200W 2 5 1 步进电动机的工作原理 步进电动机是纯粹的数字控制电动机 它将电脉冲信号转变成角位移 即给一个脉 冲 步进电动机就转一个角度 因此非常适合单片机控制 在非超载的情况下 电动机 的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化的影响 电动 机则转过一个步距角 同时步进电动机只有周期性的误差而无累积误差 精度高 步进 电动机具有控制和机械结构简单的优点 1 步进电动机特点 17 1 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比 因此 当它转一圈后 没有累计 误差 具有良好的跟随性 2 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统 既简单 廉价 叉非常可靠 同 时 它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统 3 步进电动机的动态响应快 易于启停 正反转及变速 4 速度可在相当宽的范围内平稳调整 低速下仍能获得较大转矩 因此一般可以不 用减速器而直接驱动负载 5 步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行 不能直接使用交流电源和直流电源 6 步进电动机存在振荡和失步现象 必须对控制系统和机械负载采取相应措施 2 步进电动机的工作方式 步进电动机有两种工作方式 整步方式和半步方式 以步进角 1 8 四相混合式步 进电动机为例 在整步方式下 步进电动机每接收一个脉冲 旋转 1 8 旋转一周 则需要 2OO 个脉冲 在半步方式下 步进电动机每接收一个脉冲 旋转 0 9 旋转一 周 则需要 4OO 个脉冲 控制步进电动机旋转必须按一定时序对步进电动机引线输入脉 冲 3 步进电动机动态指标 1 步距角精度 步