單片機(jī)課程設(shè)計(jì)概要

1、蘇州市職業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明名稱(chēng)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師楊洪2013年6月17日至2013年6月28日共2周學(xué)院（部）機(jī)電工程學(xué)院學(xué)院（部）負(fù)責(zé)人陳潔系主任陸春元目錄課題介紹 1課題名稱(chēng) 2課題要求 3課程設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1）AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)顯示電路的設(shè)計(jì)按鍵控制電路的設(shè)計(jì) 3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1）主程序設(shè)計(jì)2）按鍵判斷3）電機(jī)驅(qū)動(dòng) 三、系統(tǒng)調(diào)試 1工具軟件簡(jiǎn)介1）Keil 開(kāi)發(fā)環(huán)境2)XLISP 2調(diào)試中的問(wèn)題 3系統(tǒng)調(diào)示結(jié)果 附錄一 課題介紹1課題名稱(chēng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制2課題要求用三個(gè)獨(dú)立按鍵，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和

2、停止。3課程設(shè)計(jì)要求根據(jù)課題要求，確定設(shè)計(jì)方案； 在 Proteus 軟件中，繪制系統(tǒng)原理圖； 在 keil 中編寫(xiě)單片機(jī)程序，結(jié)合原理圖進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試； 記錄系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，書(shū)寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)定 K1、K2 和 K3 三個(gè)按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，電動(dòng)機(jī)采用四相激磁，將通過(guò)匯編語(yǔ)言，編寫(xiě)程序以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，編程時(shí)采用制表的方法。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)頻率是相同的， 故正轉(zhuǎn)使用四相步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)序表，反轉(zhuǎn)使用四相步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)序表，從而來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)接受一定的脈沖，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的模塊大概可分為如圖 1 所示的幾部分。AT89S51p

3、o. Vpo, TLET藪碼顯p3* :-pJ.ipO. O-pO. 3圖1系統(tǒng)方框圖2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(1) AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀 存儲(chǔ)器可以擦除100次。該器件采用ATMEI高密度非易失存儲(chǔ)器制造 技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATME啲AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了 一種靈活性高且廉價(jià)的方案。 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路是用于產(chǎn)生

4、單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘信號(hào)。 時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)的，有條不紊地一拍一拍地工作。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度,時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)中采用外部時(shí)鐘方式的電路，如圖2所示:在本設(shè)計(jì)中的電容 C1、C2典型值為20 pF。外接代內(nèi)容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。同時(shí)，在系統(tǒng)中采用12MHZ勺晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。這樣可以滿(mǎn)足系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)的機(jī)器周期的需要。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要給RST引腳加上2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號(hào)，即可使單片機(jī)復(fù)位。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正

5、常初始化之外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或是操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí),為了擺脫死鎖狀態(tài)，也需要按復(fù)位鍵重新復(fù)位。在系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)上述的兩項(xiàng)功能，采用常用的按鍵電平復(fù)位電路，這樣復(fù)位鍵有復(fù)位和停止兩個(gè)功能，如圖3所示。B218KrAi21KQ1IDuFRST翌3QPSEMEA圖3復(fù)位電路從圖中可以看出,當(dāng)系統(tǒng)得到工作電壓的時(shí)候，復(fù)位電路工作在上電自動(dòng)復(fù)位狀態(tài),通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)， 只要Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位功能。 在本系統(tǒng)中，采用10uF的電容和1kQ的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位電路。當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，直接按開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)上電復(fù)位的功能， 從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重新復(fù)位啟動(dòng)。 EA

6、（31腳）的功能和接法51單片機(jī)的EANPP（31腳）是內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器的選擇管腳。當(dāng)EA保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；當(dāng) EA保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，只訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器。對(duì)于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器容量都很大,因此基本上不需要外接程序存儲(chǔ)器， 而是直接使用內(nèi)部的存儲(chǔ)器。在 本實(shí)驗(yàn)中，EA管腳接高電平VCC,只使用內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。由上述介紹的三個(gè)組成單元可畫(huà)出單片的最小系統(tǒng)圖如圖4所示:；19JCTALIR21KClIDuFRST*11KI31PSENALE 貪圖4 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)圖(2)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)介紹步

7、進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元 件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào) 的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào), 電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步進(jìn)角。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周 期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)， 使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步 進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM,反應(yīng)式（VR和混合式（HB，永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度

8、；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。jhfghhug下表列出了該電機(jī)的一些典型參數(shù):型號(hào)步距角相數(shù)電壓電流電阻最大靜轉(zhuǎn)矩定位轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量35BY48S037.54120.2647180652.5有了這些參數(shù)，不難設(shè)計(jì)出控制電路，因其工作電壓為12V，最大電流為0.26A，用一塊開(kāi)路輸出達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器（ULN2003A來(lái)作為 驅(qū)動(dòng)正好適合，通過(guò)P1.4-P1.7來(lái)控制各線(xiàn)圈

9、的接通與切斷。開(kāi)機(jī)時(shí),P1.4-P1.7均為高電平，依次將 P1.4-P1.7切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，注意在切換之前將前一個(gè)輸出引腳變?yōu)楦唠娖?。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間，而要改變電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只要改變各線(xiàn)圈接通的順序。按照一定的順序向步進(jìn)電機(jī)的各相分配驅(qū)動(dòng)脈沖。對(duì)于四相步進(jìn)電機(jī)，采用單四拍方式，其脈沖的方式和順序是A-B-C-D-A，依次循環(huán)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)。PinWIRE COLORSTEPi2341紅RED+2紅RED-I-s-+j3藍(lán)BLL- 4橙 OH(ri5黃YEL黑BLK=ULN2003A介紹單片機(jī)的輸出電流太小，不能直接連接步進(jìn)電機(jī)，需要加驅(qū)動(dòng)電

10、路。對(duì)于電流小于0.5A的步進(jìn)電機(jī)，可以采用 ULN2003A類(lèi)的驅(qū)動(dòng)IC.ULN2003A系列驅(qū)動(dòng)器引腳介紹2-37-65-4ULN2003A圖5 ULN2003A系列驅(qū)動(dòng)器引腳圖如圖5所示為ULN2003A系列驅(qū)動(dòng)器引腳圖，圖右邊1-7引腳為輸入端，接單片機(jī)輸入端，右側(cè)10-16引腳為輸入端，接步進(jìn)電機(jī),引腳9接電源+5V,該驅(qū)動(dòng)器可提供最高0.5A的電流ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)單元，但獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)350mA.，9腳可以懸空。 比如1腳輸入，16腳輸出，負(fù) 載接在VCC與 16腳之間，不用9腳。B、ULN2003A的作用ULN2003A是大電流驅(qū)動(dòng)陣列，多用于單

11、片機(jī)、智能儀表、PLG數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。 輸入5VTTL 電平，輸出可達(dá)500mA/50VULN2003A是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。該電路的特點(diǎn)如下：ULN2003A的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMO電路直接相連 , 可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。ULN2003A 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品 , 具有電流增 益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn) , 適應(yīng)于各類(lèi) 要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。ULN2003A是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯

12、片。C、ULN2003A驅(qū)區(qū)動(dòng)器的應(yīng)用經(jīng)常在以下電路中使用，作為： . 顯示驅(qū)動(dòng) . 繼電器驅(qū)動(dòng) . 照明燈驅(qū)動(dòng) . 電磁閥驅(qū)動(dòng) . 伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路中。ULN2003A勺每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOSfe路直接相連，可以直接處理原先 需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái) 處理的數(shù)據(jù)。ULN2003A工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在咼負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003A的封裝采用 DIP16 或 SO16驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由于單片機(jī)直接輸出的脈沖不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常工作所以 需要驅(qū)動(dòng)電路給步

13、進(jìn)電機(jī)提供電源，在本設(shè)計(jì)中采用型號(hào)為P1 口的ULN2003A的芯片，使步進(jìn)電機(jī)正常工作。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由P1.0P 1.3 輸出,分別與驅(qū)動(dòng)芯片的B1B4相連，電路如圖6所示:3JI6 G O G O O215IEgSIL100-06ULN2O03A圖6驅(qū)動(dòng)電路圖(3)顯示電路的設(shè)計(jì)顯示電路中采用八路指示燈，為了提高八路指示燈顯示管的顯示效果，在八路指示燈的輸入端接上拉電阻。電路如圖 7所示:(4)按鍵控制電路的設(shè)計(jì)開(kāi)始供電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止。按下 K1時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；按下K2時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，按下V6 D 12345D 5 n TD耳PK3時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖8所示:2123242g1011門(mén)亠

14、1 R3n 卜IKIK_PS1K13 .1 +145517lEH-i=i-*QAftc 痔止-=L*圖8按鍵控制圖(5)系統(tǒng)原理總圖見(jiàn)附錄3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(1)主程序設(shè)計(jì)主程序需具備的功能，要不斷掃描P3 口并判斷K1、K2和K3是否閉合，并顯示轉(zhuǎn)速及步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。開(kāi)始圖9主程序流程圖2）按鍵判斷系統(tǒng)的程序如下：K1 EQU P3.2;設(shè)定P3.2以K1表示K2 EQU P3.3；設(shè)定P3.3以K2表示K3 EQU P3.4;設(shè)定P3.4以K3表示START:MOV P0,#0FFH ;步進(jìn)電機(jī)停止LOOP:JNB K1,F_Z1;是否按 K1 ，是則正轉(zhuǎn)JNB K2,F_F2;是否按K

15、2,是則反轉(zhuǎn)JNB K3,F_T3;SJMP LOOP是否按K3,時(shí)則停止F_T3:ACALL DELAYJNB K3,$;按 K3 消除抖動(dòng)ACALL DELAYSJMP START;放開(kāi)消除抖動(dòng)F_Z1:ACALL DELAYJNB K1,$;按 K1 消除抖動(dòng)ACALL DELAYSJMP Z_Z1;放開(kāi)消除抖動(dòng)F_F2:ACALL DELAYJNB K2,$;按 K2 消除抖動(dòng)ACALL DELAYSJMP Z_F2;放開(kāi)消除抖動(dòng)（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)Z_Z1:MOV R0,#00H;正轉(zhuǎn),取 TAB 初值Z_ZX:MOV A,R0;取 TAB 值MOV DPTR,#TABMOVC A,A+D

16、PTR;存表JZ Z_Z;是否取到結(jié)束值MOV P0,A;輸出至P0,正轉(zhuǎn)JNB K3,F_T3;是否按K3，是則停止JNB K2,F_F2;是否按 K2 ,是則反轉(zhuǎn)ACALL DELAY;步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速I(mǎi)NC R0SJMP Z_ZX;取下一個(gè)值Z_F2:MOV R0,#05;反轉(zhuǎn),取 TAB 初值Z_F21:MOV A,R0;取 TAB 值MOV DPTR,#TAB;存表MOVC A,A+D PTR；是否取到結(jié)束值;輸出至P0,反轉(zhuǎn);是否按K3，是則停止;是否按K1，是則正轉(zhuǎn);步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速;取下一個(gè)值JZ Z_F2MOV P 0,AJNB K3,F_T3JNB K1,Z_Z2ACALL DEL

17、AYINC R0SJMP Z_F21RET四相步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)序表步進(jìn)電 機(jī)-PO, 3戶(hù)PQ 2P0PPQ2 j1 (A)訐0*0*If0曲1屮0屮OpOCHp3 (Op1申1-0廣o *06H存0屮1屮IpOf *表2四相步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)序表33H99H0CCH66H二、系統(tǒng)調(diào)試1.工具軟件簡(jiǎn)介(1)Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)在工業(yè)控制、消費(fèi)電子、家用電器、通信、辦公自動(dòng)化、醫(yī)療器械等方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。單片 機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心器件，其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和 軟件電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，學(xué)習(xí)和應(yīng)用過(guò)程中必須軟件、硬件結(jié)合。單 片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試通常分為軟件調(diào)試、硬件測(cè)試和

18、整機(jī)聯(lián)調(diào)三個(gè)部分。單片機(jī)自身不具備開(kāi)發(fā)功能，必須借助于開(kāi)發(fā)工具。目前，國(guó)內(nèi)硬件開(kāi)發(fā)平外推出了許多基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的單片機(jī)軟或硬開(kāi)發(fā)平臺(tái)。臺(tái)方面諸如開(kāi)發(fā)板、實(shí)驗(yàn)箱、仿真器、編程器、示波器、邏輯分析儀 等，但因其價(jià)格不菲，開(kāi)發(fā)過(guò)程繁瑣。因此在軟件支持的前提下，應(yīng) 用最普遍的是軟件仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其方便、快捷、節(jié)約。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)有兩個(gè)常用的工具軟件：Keil和Proteus ISIS。Keil主要用于單片機(jī)源程序的編輯、編譯、鏈接以及調(diào)試；P roteus ISIS 主要用于單片機(jī)硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)以 及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)合仿真調(diào)式。(2) XLISP將單片機(jī)程序?qū)懭牒蠼尤朐?/p>

19、驗(yàn)儀，使用XLISP對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，首先打開(kāi)圖，跳出如圖10所示的圖像，打開(kāi)標(biāo)題欄的選項(xiàng)，選擇串鍵，將口設(shè)置，將串口設(shè)定為 COM3，如圖11所示，再按下上一次的記錄擦除掉，然后再按下打開(kāi)鍵，找到其對(duì)應(yīng)的HEX文件,寫(xiě)入如圖12所示，最后打開(kāi)鍵,對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。石 SLI SPW gg 寫(xiě)入I校對(duì)加密I管lelcoie to m, 5 IcSl. cob癡程龍 型號(hào)：未知 產(chǎn)件：未加 軟件;未知 狀盒fEfl!惴口 TDMl芯片 SSfilRcu 捷閒 wini 型導(dǎo)価旳SS5 Sfi/siq2B + do Jn$；3丈件 程序區(qū)；C:rr9erajn FilesILJSrieieI lex玄件

20、更新 文件更新結(jié)束？ 卷?yè)Q離程黑棘作開(kāi)箱一.打F另存設(shè)置圖10 XLISP程序圖d 11nn|ni|n?lfxiM|f75|nRfnr|flFt|fi/riHrra|rrInn|ifnF| ni円4鄧7陰町mF?rrinmriipn Fr ff ffFTFP FF PF FF FFFFFF TF FF FF ArrinriFF FF FF FF FFFTFP FF PF FF FFFFFF tF FF FF耐町FF FF 7T V? FFFFFF FF PF FF FFFFFF tF FF FFrrinTT5 90 nn 12 nc12 nn iir 12 nr暫tF F5 API 1L T.

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