單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)報告DOC

《單片機(jī)原理及接口技術(shù)》課程設(shè)計(jì)報告題目：雙軌移動平臺專業(yè)：電子信息工程班級：09電子信息工程二班姓名：指導(dǎo)教師：成績：電氣工程系2011年12月20日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一．設(shè)計(jì)目的在加工制造業(yè)，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)流水線作業(yè)，實(shí)現(xiàn)各種零部件加工、裝配過程。本設(shè)計(jì)以一個簡單的機(jī)器人作業(yè)過程綜合考察參賽選手對制造工藝流程管理及自動配給、裝配技術(shù)的理解，并著重考察運(yùn)動控制方面的能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一小車，使小車能將車上的乒乓球精準(zhǔn)的放到導(dǎo)軌的孔洞里。軌道的結(jié)構(gòu)：中間有六個孔洞（右側(cè)第一個洞口為出發(fā)校準(zhǔn)口，比賽開始前參賽隊(duì)員需將小車上的放置孔與之對齊），洞之間的中心距為20cm，洞的直徑最大為6cm；小車模型橫跨在導(dǎo)軌上，并且小車上部是一個放小球的漏斗，如下圖。（導(dǎo)軌自己制作）三、具體要求每個洞口接相對應(yīng)的指示燈，保證在led燈亮的時候乒乓球掉入洞內(nèi)，其它視為無效。（按照功能板上LED輸出的標(biāo)志，把六個指示燈接好，每個洞口放置一個LED等，如上圖所示）

洞孔上方紅色指示燈依次亮起熄滅，同一時間只有一盞燈亮，并且從右第一個至左，且燈保持開的狀態(tài)是2S，2S之后燈熄滅，等待5S之后下一盞燈亮起，且保持2S。小車初始位置在移動平臺最右端。（1）小車在洞孔上方，開始信號后，孔洞上的燈點(diǎn)亮；小車在2秒內(nèi)將乒乓球放入孔洞；（2）小車運(yùn)行到下一位置并將球放入第二個洞里；不能連續(xù)向同一孔洞放入2個球；（3）小車能從右側(cè)第2個孔洞運(yùn)行到最左側(cè)，并能將其余4個球全部放到相應(yīng)孔洞；洞孔上方紅色指示燈依次亮起熄滅，同一時間只有一盞燈亮，并且從左第一個至右，且燈保持開的狀態(tài)是1S，1S之后燈熄滅，等待2S之后下一盞燈亮起，且保持1S。小車初始位置放置在移動平臺最右端。（1）小車從右側(cè)啟動3秒后，最左側(cè)的指示燈亮；小車能在4秒內(nèi)從最右側(cè)運(yùn)行到最左側(cè)，并將球準(zhǔn)確放到最左側(cè)的孔洞里；（20分）（2）小車運(yùn)行到左側(cè)第二個洞上方并將球放入；不能連續(xù)向同一孔洞放入2個球；（5分）(3)然后小車能依次從左側(cè)運(yùn)行到右側(cè)，將其余4個球放到相應(yīng)孔洞；（20分）摘要本設(shè)計(jì)采用兩塊單片機(jī)STC89S52作為智能小車上的檢測、控制核心和軌道上的6只紅色led燈控制實(shí)現(xiàn)小車能在規(guī)定時候釋放乒乓球，以備生產(chǎn)流水線作業(yè)，實(shí)現(xiàn)各種零部件加工、裝配。采用紅外前沿技術(shù)進(jìn)行洞口探測并另增光線探測LED模塊，更能有效校準(zhǔn)小車停駛位置和時間點(diǎn)。本設(shè)計(jì)所用元器件基本為耗能小、性價比高的普通分立元件，所用耗材均為人們?nèi)粘Ｉ钪袕U置不用的材料，更節(jié)能。小車采用履帶傳送式車，驅(qū)動電機(jī)采用直流電機(jī)，電機(jī)控制方式為單向PWM控制，性能穩(wěn)定，易控制，并用單片機(jī)編程，運(yùn)用精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)加上控制系統(tǒng)與電路用光電耦合器完全隔離以避免干擾，讓小車有效而方便地完成任務(wù)！關(guān)鍵詞：智能小車PWM洞口探測光線探測性價比節(jié)能目錄系統(tǒng)硬件的基本組成部分一主要單元電路的設(shè)計(jì)2紅外探測洞孔模塊3光敏探測LED模塊4小車上89C52②控制模塊5數(shù)碼管②計(jì)時模塊6電機(jī)驅(qū)動：PWM脈寬調(diào)制方式控制7舵機(jī)釋放乒乓球模塊二.軟件設(shè)計(jì)三參考文獻(xiàn)四附錄五評語表1系統(tǒng)硬件的基本組成部分這是一個光、機(jī)、電一體的綜合設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)可分為傳感器檢測部分和智能控制部分。傳感部分包括紅外探測洞孔模塊、光敏探測LED亮燈模塊，智能控制部分包括系統(tǒng)中控制器件根據(jù)由傳感器變換輸出的電信號進(jìn)行邏輯判斷，控制小車的電機(jī)、顯示數(shù)碼管、以及發(fā)光二極管，完成了小車的直線行駛，探測洞孔，探測光源，顯示時間，舵機(jī)釋放乒乓球等各項(xiàng)任務(wù)?？刂撇糠职ㄋ膫€主要單元電路：單片機(jī)控制電路、前后輪電機(jī)驅(qū)動電路、乒乓球釋放電路、數(shù)碼管動態(tài)顯示電路。2.2主要單元電路的設(shè)計(jì)一主要單元電路的設(shè)計(jì)軌道上89C52①控制模塊采用單片機(jī)程序控制。圖2.2.1.1軌道上89C52①控制模塊sch電路圖2紅外探測洞孔模塊：反射式紅外光電傳感器此模塊電路原理檢測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測，洞口探測采用反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、一個紅外光敏二極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏二極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個電平跳變信號。該電路采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測軌道洞口，此套紅外光電傳感器固定在小車底盤前沿，貼近地面，以適應(yīng)探測洞口、停車和釋放小球的需要。如圖：小車未到洞口反射紅外接收傳感器接收到經(jīng)木板反射回來的紅外線輸出高電平，綠燈亮；小車至洞口，由于反射距離增大接收信號變?nèi)跎踔翛]有輸出低電平，綠燈滅。紅燈亮指示傳感器已通電正常運(yùn)行。圖2.2.2.3光敏探測LED模塊：光電傳感器小車要投球，就要準(zhǔn)確地判斷釋放乒乓球的位置。由于光源在導(dǎo)軌一側(cè)，用粘膠將光敏二極管固定在車的前側(cè)沿部分，并使光敏二極管盡量與光源保持對準(zhǔn)。圖2.2.3.1光敏探測LED模塊4小車上89C52②控制模塊圖2.2.4.1小車上89C52②控制模塊小車加電系統(tǒng)開始工作，計(jì)時模塊運(yùn)行。根據(jù)光源傳感器探測結(jié)果，舵機(jī)開始工作，控制第一個小球進(jìn)洞。小車行駛時，利用反射式紅外光電傳感器判斷是否到洞口，控制小車停駛。同時數(shù)碼管顯示當(dāng)前計(jì)時。再判斷對應(yīng)的燈是否點(diǎn)亮，如亮則釋放小球?；?9C52芯片完全能實(shí)現(xiàn)題目要求且穩(wěn)定性強(qiáng)，性價比高，所以用它作為主控制芯片。89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于80C51增強(qiáng)型單片機(jī)版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計(jì)數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達(dá)控制等應(yīng)用場合。89C52內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、8k片內(nèi)程序存儲器（ROM）32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計(jì)數(shù)器和5個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外，89C52還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其它功能。5數(shù)碼管②計(jì)時模塊圖2.2.5、圖2.2.5

6電機(jī)驅(qū)動：PWM脈寬調(diào)制方式控制L298N的原理L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N可驅(qū)動2個電機(jī)，OUT1、0UT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機(jī)，5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA,ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。單片機(jī)STC89C52輸出二組PWM波，每一組PWM波用來控制一個電機(jī)的速度，另外二個I\O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。控制方法與控制電路都比較簡單。即P10、P11控制第一個電機(jī)的方向，輸入的:PWM1控制第一個電機(jī)的速度：P12、P13控制第二個電機(jī)的方向，輸入的PWM2控制第二個電機(jī)的速度。圖2.2.6.1電機(jī)驅(qū)動圖2.2.6.2電機(jī)驅(qū)動SCH電路圖7舵機(jī)釋放乒乓球模塊a.舵機(jī)：一般來講，舵機(jī)主要由以下幾個部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k、直流電機(jī)、控制電路板等。工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。舵機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是這樣，但實(shí)現(xiàn)起來有很多種。例如電機(jī)就有有刷和無刷之分，齒輪有塑料和金屬之分，輸出軸有滑動和滾動之分，殼體有塑料和鋁合金之分，速度有快速和慢速之分，體積有大中小三種之分等等，組合不同，價格也千差萬別。例如，其中小舵機(jī)一般稱作微舵，同種材料的條件下是中型的一倍多，金屬齒輪是塑料齒輪的一倍多。需要根據(jù)需要選用不同類型。舵機(jī)的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這輛根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)，即輸出力矩不同，6.0V對應(yīng)的要大一些，具體看應(yīng)用條件；另外一根線是控制信號線，F(xiàn)utaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點(diǎn)，SANWA的某些型號的舵機(jī)引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認(rèn)。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。舵機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號，有一個比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動當(dāng)中。比方說機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。圖2.2.7.2舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度b.用單片機(jī)來控制：正是舵機(jī)的控制信號是一個脈寬調(diào)制信號，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號的數(shù)字設(shè)備都可以用來控制舵機(jī)，比方PLC、單片機(jī)。因?yàn)樵诿}沖信號的輸出是靠定時器的溢出中斷函數(shù)來處理，時間很短，因此在精度要求不高的場合可以忽略。因此如果忽略中斷時間，從另一個角度來講就是主程序和脈沖輸出是并行的，因此，只需要在主程序中按你的要求改變計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初始值a，例如讓a從500變化到2500，就可以讓舵機(jī)從0度變化到180度。另外要記住一點(diǎn)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動需要時間的，因此，程序中a值的變化不能太快，不然舵機(jī)跟不上程序。根據(jù)需要，選擇合適的延時，用一個a遞增循環(huán)，可以讓舵機(jī)很流暢的轉(zhuǎn)動，而不會產(chǎn)生像步進(jìn)電機(jī)一樣的脈動。這些還需要實(shí)踐中具體體會。舵機(jī)的速度決定于你給它的信號脈寬的變化速度。二.軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言，對單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。程序是在WindowsXP環(huán)境下采用KeiluVision4軟件編寫的，可以實(shí)現(xiàn)小車對光電傳感器的查詢、輸出脈沖占空比的設(shè)定、電機(jī)方向的確定等功能。主程序主要起到一個導(dǎo)向和決策功能，決定什么時候小車該做什么。小車各種功能的實(shí)現(xiàn)主要通過調(diào)用具體的子程序。1主程序流程圖圖3.1.1主程序流程圖2.傳感器流程圖圖3.2.1傳感器流程圖3洞孔探測：圖3.3.1洞孔探測流程圖4光源探測：檢測光電傳感器子程序主要用于保證判斷的準(zhǔn)確性，采樣時序圖如圖所示。單片機(jī)根據(jù)需要直接從端口讀取，為了防止出現(xiàn)干擾和錯誤信號，采用延時讀取的方法，即在第一次讀取后延時一段時間再讀取，如果第二次讀取的信號和第一次的不一樣，則說明信號是干擾信號，就重新讀取并比較，直到兩次讀取的信號一致，才判斷燈亮。圖3.4.1采樣時序圖參考文獻(xiàn)梅遂生、楊家德.光電子技術(shù)—信息裝備的新秀[M].北京：國防工業(yè)出版社.2004年.張友德、趙志英、涂時亮.單片機(jī)微型機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)（第三版）[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社.2006年何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]、系統(tǒng)配置與接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2007年.149-156陸坤、奚大順、李之權(quán)等.電子設(shè)計(jì)技術(shù)[M].四川：電子科技大學(xué)出版社.2005年.P682-688、838-941附錄:主要元器件清單心得體會此次課程設(shè)計(jì)軟件與硬件相結(jié)合,考察了我們的焊接水平與編程能力.因?yàn)橐郧白鲞^關(guān)于焊接的電工實(shí)習(xí)，所以對于我們機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生而言焊接是不成問題,也很順利;可到了編程時就出現(xiàn)了很大的障礙,先開始的顯示時鐘還算順利,本來還以為編程會很簡單的,等到實(shí)際操作起來才知道它的復(fù)雜性,沒有想像中的那么得心應(yīng)手,理解流程是有思維的前提.其實(shí)本身程序的思維是正確的,只是步驟中有點(diǎn)小錯