旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀硬件和軟件設(shè)計(jì)及外文翻譯本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文1_第1頁(yè)
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1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目:旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀的硬件設(shè)計(jì)院 (系): 電子信息工程學(xué)院專 業(yè): 生物醫(yī)學(xué)工程 班 級(jí): 學(xué) 生: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 2013年06月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目:旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀的硬件設(shè)計(jì)院 (系): 電子信息工程學(xué)院專 業(yè): 生物醫(yī)學(xué)工程 班 級(jí): 學(xué) 生: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 2013年06月旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀的硬件設(shè)計(jì)摘要所有生物體都具有磁場(chǎng),在生物體周圍的環(huán)境中也常常存在著很多形式的磁場(chǎng),這些磁場(chǎng)對(duì)生物體的組織結(jié)構(gòu)和生理活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生一定影響。磁場(chǎng)對(duì)生物體的影響效應(yīng)一方面和磁場(chǎng)本身的特征相關(guān),別一方面也和生物的種類和磁場(chǎng)的作用部位有關(guān)。為了更方便、準(zhǔn)確地研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的生物效應(yīng),本課題根

2、據(jù)已學(xué)過(guò)的電子電路知識(shí)、單片機(jī)控制技術(shù)等知識(shí),研究設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心的高精度旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀。本設(shè)計(jì)以at89c51單片機(jī)為核心,利用單片機(jī)自身帶的定時(shí)中斷,i/o輸出以及將一些外圍器件等有機(jī)結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)用按鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)調(diào)速,實(shí)時(shí)控制與顯示步進(jìn)電機(jī)的工作方式。另外,采用優(yōu)化合理的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,用軟件編程等精確控制技術(shù),使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),硬件部分主要包括基于proteus的系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)、仿真和pcb電路板的制作。軟件設(shè)計(jì)主要包括c語(yǔ)言在程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,用鍵盤輸入控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式以及將運(yùn)行狀態(tài)顯示于液晶屏。關(guān)鍵詞:?jiǎn)纹瑱C(jī);步進(jìn)

3、電機(jī);旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);磁場(chǎng)生物效應(yīng)the hardware design of rotating magnetic fieldabstractall life forms have magnetism.all kinds of magnetic field would have some effects on the configuration and activities of life forms that whichever environmental magnetic,additional magnetic or inside magnetic of organism.the biologi

4、c effects are related to the characteristics and the intension of the magnetic field,as well as the species and the tissues of the life forms.in order to study on biological effects of rotary magnetic field conveniently and precisely,in this subject, according to the knowledge has been learned of th

5、e electronic circuits,mcu control technology,and research and design a instrument for generating rotary magnetic field,which is based on a single-chip microcomputer.the design for the at89c51 microcomputer as the core,the microcomputer itself with the timer interrupt,i/o output and peripheral device

6、s combine to achieve a continuous speed control with buttons on the stepper motor,stepper motor real-time control and display of ways of working.in addition,the optimization of stepper motor drive circuit,software programming and precise control of the whole system is stable.the design of the system

7、 is the design and implementation of hardware and software,the hardware part includes the system schematic diagram based on the proteus design,simulation and pcb circuit board production. the software design includes c language programming,with the keyboard input to control the stepper motor works,a

8、nd will run the state displayed on the lcd screen to good effect in the actual production application.key words: single chip microcomputer;step motor;rotary magnetic field;biological effects of magnetic fields目錄中文摘要i英文摘要ii1 緒論11.1 課題背景、意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況11.1.1 課題背景11.1.2 課題研究意義21.1.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況21.2 課題的主要研究

9、內(nèi)容31.3 論文的結(jié)構(gòu)安排41.4 本章小結(jié)42 系統(tǒng)控制及所用軟件概述52.1 步進(jìn)電機(jī)概述52.1.1 步進(jìn)電機(jī)的定義52.1.2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行原理概述52.1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的常用方式52.2 proteus軟件簡(jiǎn)介62.3 keilc51軟件簡(jiǎn)介62.4 本章小結(jié)73 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案規(guī)劃83.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容概述83.2 系統(tǒng)功能概述83.3 系統(tǒng)原理概述93.4 系統(tǒng)總體硬件框圖93.5 本章小結(jié)104 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)114.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明114.2 系統(tǒng)主要器件選擇114.2.1 單片機(jī)的選擇114.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇144.2.3 功率驅(qū)動(dòng)芯片的選擇154.2.4 外擴(kuò)

10、程序存儲(chǔ)芯片154.2.5 74ls373芯片154.2.6 7404芯片154.2.7 cd4068芯片154.2.8 液晶顯示器的選擇164.3 系統(tǒng)模塊電路164.3.1 晶振電路模塊164.3.2 復(fù)位電路模塊164.3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊174.3.4 串口通訊電路模塊174.3.5 按鍵電路模塊184.3.6 液晶顯示電路模塊184.3.7 外擴(kuò)程序存儲(chǔ)模塊184.4 本章小結(jié)195 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)205.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明205.2 單片機(jī)主程序流程和初始化模塊205.3 lcd初始化及顯示判斷模塊215.4 按鍵掃描定時(shí)中斷控制模塊215.5 步進(jìn)電機(jī)脈沖產(chǎn)生模塊235.

11、6 lcd字符提取模塊235.7 本章小結(jié)236 系統(tǒng)仿真、pcb設(shè)計(jì)及實(shí)物展示246.1 系統(tǒng)硬件仿真測(cè)試246.1.1 系統(tǒng)仿真說(shuō)明246.1.2 開(kāi)機(jī)界面顯示246.1.3 控制界面顯示246.1.4 系統(tǒng)仿真波形266.2 pcb電路板繪制286.3 系統(tǒng)實(shí)物展示296.4 本章小結(jié)297 結(jié)論307.1 設(shè)計(jì)總結(jié)307.2 設(shè)計(jì)收獲307.3 設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及解決方法30參考文獻(xiàn)32致謝34畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明35畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)獨(dú)創(chuàng)性聲明36附錄系統(tǒng)總體原理圖37附錄系統(tǒng)pcb效果圖38附錄系統(tǒng)源程序代碼39附錄英文文獻(xiàn)及翻譯481 緒論1.1 課題背景、意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)

12、研究情況1.1.1 課題背景磁場(chǎng)對(duì)生物的影響及生物磁性的發(fā)現(xiàn)和研究有著悠久的歷史,但生物磁學(xué)作為磁學(xué)和生物學(xué)之間的一門邊緣學(xué)科而獲得迅速發(fā)展的廣泛應(yīng)用以及受到普遍的重視,卻還是比較近期的事。我國(guó)是最早發(fā)現(xiàn)和利用磁性的國(guó)家,而且也是最早利用磁石治病,首先開(kāi)創(chuàng)生物磁學(xué)的國(guó)家。遠(yuǎn)在兩千多年前的西漢初期,就有了磁石治病的記載。此后歷代的醫(yī)藥典籍上都有這方面的豐富資料。在國(guó)外,磁石在古代醫(yī)藥上的應(yīng)用也可追溯到古希臘時(shí)期。到目前為止,在利用磁場(chǎng)治?。ù暖煟┖痛艌?chǎng)麻醉(磁麻)方面,我國(guó)還是處于世界的領(lǐng)先地位。磁場(chǎng)生物效應(yīng)是生物磁學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。地球上的生物是在地球磁場(chǎng)( 很弱,約0.5g)的作用下生存

13、和發(fā)展的,且已適應(yīng)地磁并把它作為正常生活條件的一部份,如同地球上的溫度、氣壓等。當(dāng)人為地改變生物體周圍的磁場(chǎng)時(shí), 破壞了生物體原來(lái)的磁平衡狀態(tài),由此產(chǎn)生的一系列生物體生理或心理變化, 稱為磁場(chǎng)的生物效應(yīng)。磁場(chǎng)的生物效應(yīng)是近二、三十年才逐漸受到人們的重視。并且首先是從研究電磁場(chǎng)對(duì)人體造成的危害開(kāi)始,像x射線、射線具有電離作用的輻射對(duì)人體的傷害作用及在醫(yī)學(xué)上的診斷治療作用均被廣泛認(rèn)識(shí)和接受1。長(zhǎng)期以來(lái),由于低頻率的電磁場(chǎng)(50hz60hz)對(duì)組織不產(chǎn)生熱效應(yīng)和可感知的物理或化學(xué)反應(yīng),因此人們一直認(rèn)為這種電磁場(chǎng)對(duì)生物體沒(méi)有任何生物學(xué)效應(yīng)2。直到1967年蘇聯(lián)人vyalov3調(diào)查了1068名接觸磁場(chǎng)強(qiáng)

14、度為0.001t0.1t(1t=104g)的職業(yè)人員,發(fā)現(xiàn)有的人產(chǎn)生不明原因的植物神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào),如疲乏、頭痛、失眠、消化不良等。這些效應(yīng)大多是暫時(shí)性功能性變化,但經(jīng)過(guò)3年5年也有產(chǎn)生不可逆的器質(zhì)變化。1979年,wetherimer和jeeper4首次報(bào)道兒童白血病發(fā)病率明顯升高與居住的地方過(guò)于靠近高壓線有關(guān)。盡管這一重要的流行病學(xué)研究在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為缺乏精確的電磁場(chǎng)強(qiáng)度和病例收集,但仍然引起了強(qiáng)烈反響。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),凡是接近強(qiáng)磁場(chǎng)的均增加患白血病和腦瘤的機(jī)會(huì)。這些情況使有關(guān)學(xué)者開(kāi)始關(guān)注磁場(chǎng)的生物效應(yīng)。隨著核磁共振和磁療器械的應(yīng)用,人們接觸強(qiáng)磁場(chǎng)的機(jī)會(huì)越來(lái)越多,更加重視磁場(chǎng)生物效應(yīng)的研究,并從動(dòng)

15、物實(shí)驗(yàn)和臨床觀察應(yīng)用兩方面取得了相當(dāng)?shù)某晒?。外加磁?chǎng)對(duì)生物的影響,屬于磁場(chǎng)生物效用,而生物自身的磁場(chǎng)屬于生物此現(xiàn)象,兩者雖都是生物磁學(xué)研究的內(nèi)容,但它們屬于兩個(gè)不同的領(lǐng)域。一般說(shuō)來(lái),磁場(chǎng)生物效用是多種多樣的,不但不同類型的磁場(chǎng),如恒定磁場(chǎng)、交變磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、弱磁場(chǎng)所產(chǎn)生的生物效應(yīng)很不相同,即使同樣類型的磁場(chǎng),對(duì)于不同的生物層次,如生物分子、細(xì)胞、組織、器官和生物活體的影響也不相同,而且對(duì)于不同的生物,如微生物、植物、動(dòng)物和人類的作用也有差異。1.1.2 課題研究意義生物的磁效應(yīng),已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。生物磁學(xué)的研究雖然有著悠久的歷史,但較為系統(tǒng)的研究是十九世紀(jì)末期特別是二十世紀(jì)

16、中期的事。由于過(guò)去積累了不少資料,現(xiàn)代物理學(xué)、磁學(xué)和生物學(xué)的迅速發(fā)展,使生物磁學(xué)的研究范圍不斷擴(kuò)大,加以當(dāng)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、宇宙航行等的現(xiàn)實(shí)需求,要求研究和應(yīng)用磁場(chǎng)對(duì)生物和人體的影響,生物磁性與生物結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系。此外,現(xiàn)代磁技術(shù)的迅速發(fā)展,提供了生物磁學(xué)的宏觀和微觀研究的物理基礎(chǔ)。既有現(xiàn)實(shí)的需要,又有各方面的可能,以至推動(dòng)了近幾十年來(lái)生物磁學(xué)這門邊緣學(xué)科不斷地又簡(jiǎn)單到復(fù)雜,由現(xiàn)象到本質(zhì),由宏觀到微觀的深入發(fā)展。目前除恒定磁場(chǎng)外,還對(duì)不同頻率不同強(qiáng)度的交變磁場(chǎng)和不同寬度不同重復(fù)頻率的脈沖磁場(chǎng)對(duì)生物及人體的影響進(jìn)行研究;根據(jù)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的效應(yīng),生物體內(nèi)的電流會(huì)在其周圍產(chǎn)生微

17、弱磁場(chǎng)。對(duì)于這些生物磁場(chǎng)的研究,將有助于闡明生物活動(dòng)中的一些生理和病理現(xiàn)象;生物的不同組織器官具有不同的磁性,這一方面與組織器官的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān),另一方面也與其生理和病理狀態(tài)有關(guān)。因此,生物材料磁性的研究也可以提供有關(guān)生物材料的結(jié)構(gòu)和活動(dòng)情況的信息。磁在醫(yī)療上的應(yīng)用已經(jīng)有不少,在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也有所聞,一些成功單位事例,顯示出生物磁效應(yīng)的美好應(yīng)用前景,當(dāng)然,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的生物效應(yīng)也包括在內(nèi),并且也取得了一定的成就。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用于生物體后,在生物體內(nèi)引起一系列的生物學(xué)效應(yīng),為臨床磁療提供了理論基礎(chǔ)3。要研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的生物效應(yīng),就必須有能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的儀器,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法多種多樣。常用直流電機(jī)帶動(dòng)永

18、久磁塊旋轉(zhuǎn)的方法來(lái)產(chǎn)生,對(duì)于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定程度受控制電壓和本身外界阻力等因素的影響,故其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率精度會(huì)受到較大的影響。為了克服其轉(zhuǎn)速不穩(wěn)等,本課題利用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精確穩(wěn)定性和單片機(jī)的強(qiáng)大控制及邏輯運(yùn)算能力,研制具有高精確穩(wěn)定性旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。1.1.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況關(guān)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)生物效應(yīng)的研究,近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外都取得了許多新的進(jìn)展。目前已有實(shí)驗(yàn)研究了其對(duì)于血細(xì)胞5和血液流變學(xué)、組織愈合、酶和自由基、血糖及組織細(xì)胞6、膽汁、損傷康復(fù)、骨7、桿菌生長(zhǎng)8等方面的影響。例如:1.低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)人體表面熱分布和血壓及心率的影響9:研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),0.4t低頻(7hz)旋轉(zhuǎn)永磁場(chǎng)可以改善人體表面熱

19、分布,影響人體的收縮壓、舒張壓、以及收縮與舒張壓力差,降低患者的心率。該結(jié)果表示0.4t低頻(7hz)旋轉(zhuǎn)永磁場(chǎng)具有一定生理活性,有助于提高人體健康水平。2.磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)分裂的影響10:磁場(chǎng)的生物效應(yīng)因施用方式不同而異,脈沖磁場(chǎng)能使細(xì)胞破碎,弱恒滋場(chǎng)能促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)而強(qiáng)恒場(chǎng)則抑制細(xì)胞分裂,旋轉(zhuǎn)和平移磁場(chǎng)下,細(xì)胞的生物效應(yīng)大于恒場(chǎng)并隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生和脈沖場(chǎng)相同的結(jié)果,生物效應(yīng)的強(qiáng)弱和細(xì)胞種類大小、運(yùn)動(dòng)速度11以及細(xì)胞所處的不同時(shí)期均有關(guān)系。3.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)血細(xì)胞和血液流變學(xué)的影響12:對(duì)血細(xì)胞的影響:于玲娜等應(yīng)用磁感應(yīng)強(qiáng)度0.080.09t 的旋磁作用于試管內(nèi)的離體血液實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),白細(xì)胞在旋轉(zhuǎn)

20、磁場(chǎng)作用下,產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),使細(xì)胞代謝加強(qiáng),部分細(xì)胞發(fā)生超微結(jié)構(gòu)的改變,也可能是引起白細(xì)胞減少的原因之一。磁場(chǎng)使紅細(xì)胞體積增大,攜氧能力增加,有利于改善組織的供血供氧狀態(tài),促進(jìn)代謝;對(duì)血液流變學(xué)的影響:梁路光等報(bào)告,應(yīng)用磁感強(qiáng)度為0.09t的旋磁場(chǎng)作用于大鼠腹部,又以表面磁感強(qiáng)度為0.25t的磁片貼敷于大鼠腹部,各為每天30分鐘共1周,然后測(cè)定血液流變學(xué)的全血比粘度、血漿比粘度和紅細(xì)胞壓積等指標(biāo)13,結(jié)果在上述磁場(chǎng)作用下,實(shí)驗(yàn)組大鼠的血液粘度和血漿粘度明顯降低,全血粘度降低非常明顯。趙立等報(bào)告,應(yīng)用磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.05t的磁片貼敷于內(nèi)關(guān)、外關(guān)、少商、合谷、曲池、足三里等穴位,治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎6

21、1例14,發(fā)現(xiàn)全血粘度、全血還原粘度、血細(xì)胞壓積等血液流變學(xué)指標(biāo)均有下降。上述作者的研究表明,磁場(chǎng)有改善血液流變學(xué)的作用。4.磁場(chǎng)對(duì)組織愈合的影響:經(jīng)梁應(yīng)權(quán)15、常漢英16、續(xù)力民17、王萬(wàn)春18等研究表明,磁場(chǎng)不僅對(duì)軟組織的損傷可以加快其愈合,而且對(duì)硬質(zhì)組織的骨折也可以促進(jìn)其愈合。5.磁場(chǎng)對(duì)瘢痕組織的影響2:于玲娜等進(jìn)行了磁場(chǎng)對(duì)瘢痕組織影響的觀察研究,以磁感應(yīng)強(qiáng)度0.080.09t的旋磁場(chǎng)作用于大鼠的人工瘢痕處,觀察對(duì)瘢痕組織的影響,結(jié)果通過(guò)光鏡可見(jiàn)表皮增厚,瘢痕及橫紋肌退變等異常改變,這些變化以磁療組最輕,而對(duì)照組改變明顯,認(rèn)為磁療有防治瘢痕形成及促進(jìn)瘢痕軟化的作用。6.對(duì)某些酶和自由基的

22、影響19:對(duì)酶的影響:夏緒剛等應(yīng)用旋轉(zhuǎn)時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.08t的旋磁場(chǎng)作用于大鼠頸總動(dòng)脈區(qū)20分鐘,觀察大鼠缺血再灌注大鼠磷脂酶a2(pla2)和內(nèi)皮素( et)含量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,旋磁場(chǎng)有抑制磷脂酶a2的活性與減低內(nèi)皮素含量的作用,對(duì)于腦缺血再灌注損傷有防治功效;對(duì)自由基的影響20:關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)自由基的影響,國(guó)內(nèi)的研究結(jié)果表明,磁場(chǎng)具有清除自由基的作用11。1.2 課題的主要研究?jī)?nèi)容該課題主要通過(guò)以單片機(jī)為核心控制,步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)高精確穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其整體設(shè)計(jì)思路是:將磁場(chǎng)強(qiáng)度不同的永久磁條,通過(guò)固定架固定在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)也跟著旋轉(zhuǎn),從而

23、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。因而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)決定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率,永久磁場(chǎng)的強(qiáng)弱決定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)度21。具體一點(diǎn)說(shuō)就是,利用at89s51單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能,產(chǎn)生一定頻率的脈沖序列精確控制功率uln2003a驅(qū)動(dòng)芯片,從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速22,以控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率;鍵盤可控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)/停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速。液晶顯示器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài);并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信。其硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊(at89s51單片機(jī))、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(uln2003a功率驅(qū)動(dòng)芯片)、串口通信模塊(max232芯片)、液晶顯示模塊(ampire12864液晶顯示器)、晶振模塊、鍵盤模塊,

24、外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊(27512eprom芯片)等部分構(gòu)成。具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括一下幾個(gè)方面:(1)明確系統(tǒng)功能要求,完成系統(tǒng)功能模塊的劃分;(2)在系統(tǒng)需求及設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求下,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提出具體的設(shè)計(jì)方案;(3)完成系統(tǒng)的硬件原理設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及pcb設(shè)計(jì);(4)基于proteus及keilc51軟件完成系統(tǒng)仿真。1.3 論文的結(jié)構(gòu)安排論文由7章節(jié)構(gòu)成,具體如下:第1章:緒論 介紹課題的背景及意義、主要研究?jī)?nèi)容,并對(duì)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀做簡(jiǎn)要分析;第2章:系統(tǒng)控制及所用軟件概述 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的概念、控制方式及proteus、keilc51概述;第3章:系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案規(guī)劃 介紹了本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方

25、案系統(tǒng)應(yīng)具備的功能,并對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行了介紹;第4章:系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 硬件原理、系統(tǒng)涉及元件介紹及各模塊設(shè)計(jì);第5章:系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì) 程序總體流程圖及各模塊流程圖;第6章:系統(tǒng)仿真、pcb設(shè)計(jì)及實(shí)物展示 運(yùn)用proteus完成pcb設(shè)計(jì),基于keil及proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真,并完成了實(shí)物制作;第7章:總結(jié) 總結(jié)設(shè)計(jì),得出結(jié)論,總結(jié)設(shè)計(jì)收獲和體會(huì),同時(shí)指出整個(gè)設(shè)計(jì)工作的不足之處和需要改進(jìn)的地方。1.4 本章小結(jié)對(duì)本課題有了初步的了解,明白其要實(shí)現(xiàn)的功能。并且對(duì)該系統(tǒng)所涉及的元器件進(jìn)行查找,查閱相關(guān)資料,大體確定本系統(tǒng)的工作原理及主要內(nèi)容,確定所需要的模塊,為后續(xù)工作做好了充分的準(zhǔn)備。2 系

26、統(tǒng)控制及所用軟件概述2.1 步進(jìn)電機(jī)概述2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的定義步進(jìn)電機(jī)指的是以數(shù)字脈沖信號(hào)作為電機(jī)線或教位移的控制信號(hào),并以數(shù)字脈沖頻率對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的動(dòng)力控制系統(tǒng)。在負(fù)載正常范圍的情況下,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只和數(shù)字脈沖發(fā)生器提供的信號(hào)的頻率和脈沖占空比有關(guān),一般情況下,電機(jī)的狀態(tài)不受負(fù)載的影響。電機(jī)的運(yùn)行角度只和每次所給予的脈沖信號(hào)強(qiáng)度有關(guān),而電機(jī)的運(yùn)行速度也只和脈沖信號(hào)的頻率有直接關(guān)系。這種采用弱點(diǎn)控制強(qiáng)電的控制方式使得步進(jìn)電機(jī)在速度、位移等控制領(lǐng)域有著普通電機(jī)不能比擬的優(yōu)勢(shì)18。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行原理概述慢速同步電動(dòng)機(jī)是感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的別稱。原因是:相序?yàn)樗牡碾姍C(jī)以四相

27、運(yùn)行可以,同時(shí)以二相運(yùn)行也能達(dá)到效果。打個(gè)比方:以相序四,節(jié)拍為八來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)(a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a)也能夠使用兩相八拍的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。很容易總結(jié)出這樣運(yùn)轉(zhuǎn)的條件是 ,。一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組和四相的全部一樣,在實(shí)際使用中,相序?yàn)槎嗟幕緸楣β瘦^小的電機(jī),而功率大一點(diǎn)的電機(jī),為了充分應(yīng)用其靈活的動(dòng)態(tài)特性,通常用八根接線對(duì)其進(jìn)行連接通電,這樣應(yīng)用的好處是:電機(jī)不但能以四相應(yīng)用,也能二相應(yīng)用,大大提高了其利用率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的條件是:按照一定順序?qū)ζ鋭?lì)磁繞阻進(jìn)行通電即可實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)動(dòng),通電的相序不同,其轉(zhuǎn)動(dòng)的方向也會(huì)不一樣。因此在理論上我們可以制造出任何相序的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),但是由于制造工

28、藝、制造價(jià)格等多方面因素限制,市場(chǎng)上一般售賣的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相序以二至五相的居多。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)一般可以按照機(jī)座號(hào)和相許數(shù)量進(jìn)行細(xì)致分類。按照機(jī)座號(hào)可分為:42byg、57byg、86byg、110byg (國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))。按照相序數(shù)量可分為:五相、四相、三相、二相電機(jī)等。2.1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的常用方式1.變頻器控制方式使用變頻器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制時(shí),可以很好的解決步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)容易失步的問(wèn)題,提高了系統(tǒng)的控制精度。但是變頻器的應(yīng)用成本較高,結(jié)構(gòu)和操作也比較復(fù)雜,無(wú)形中提高步進(jìn)電機(jī)的控制難度。2. plc控制方式使用abb、西門子、歐姆龍等國(guó)際知名plc生產(chǎn)制造商研發(fā)的系列plc產(chǎn)品

29、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的理想化控制,但是基于plc核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)成本高昂,且難以實(shí)現(xiàn)精確控制,在本系統(tǒng)中不太適合。3.單片機(jī)控制方式23隨著嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,以單片機(jī)特別是8051系列單片機(jī)作為控制核心的步進(jìn)電機(jī)控制電路在生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了普及,單片機(jī)有著大規(guī)模數(shù)字集成電路和高成本控制芯片難以比擬的控制優(yōu)勢(shì):體積小、價(jià)格便宜、通用性的接口以及編程簡(jiǎn)易。這些優(yōu)勢(shì)使得單片機(jī)在各行各業(yè)的應(yīng)用都達(dá)到了一個(gè)新的高度。由于步進(jìn)電機(jī)是典型的脈沖控制運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備,而8051系列單片機(jī)以其i/o口多,體積小,成本低廉,外圍電路連接方便,可編程控制等綜合優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多的被引入到步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中

30、使用,逐漸成為國(guó)內(nèi)外控制步進(jìn)電機(jī)的主流方式。2.2 proteus軟件簡(jiǎn)介英國(guó)lab center electronics公司研發(fā)的proteus isis24軟件一款用于電子分析和系統(tǒng)仿真的軟件。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能,還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步,但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。它可以對(duì)數(shù)字、模擬電路和嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件仿真且基于windows平臺(tái),其特性包括以下幾方面25:1.實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的仿真功能。在其7.1版本中提供了眾多單片機(jī)模型,包括:80

31、51系列、avr系列、z80系列、pic系列、hc11系列以及各種接口電路。2.實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的交互仿真功能。具有數(shù)字電路和模擬電路、單片機(jī)及接口電路系統(tǒng)simulation、kc和spi調(diào)試器、rs232動(dòng)態(tài)仿真、鍵盤和顯示系統(tǒng)仿真的功能;軟件內(nèi)部還集成了電路監(jiān)測(cè)儀器,如示波器、動(dòng)態(tài)指針、信號(hào)發(fā)生器等。3.集原理圖和pcb繪制功能于一身,對(duì)電路系統(tǒng)完成原理圖設(shè)計(jì)后可直接進(jìn)行印刷電路板的繪制。4.硬件仿真和軟件仿真的結(jié)合調(diào)試功能。支持編譯和調(diào)試環(huán)境軟件keilc51與其的完美結(jié)合。在嵌入式系統(tǒng)的仿真分析中,可將控制系統(tǒng)工作的高級(jí)語(yǔ)言(c語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等)與proteus中相對(duì)應(yīng)的電路系統(tǒng)完美

32、結(jié)合,實(shí)現(xiàn)同步連調(diào)。2.3 keilc51軟件簡(jiǎn)介keilc51是美國(guó)keil software公司出品的51系列兼容單片機(jī)c語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng),與匯編相比,c語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì),因而易學(xué)易用。keilc51軟件基于windows平臺(tái),提供豐富的編程語(yǔ)言選擇和強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境。且使用keilc51進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)時(shí),生成語(yǔ)句快,代碼緊湊,簡(jiǎn)單易懂。在實(shí)際中可方便的應(yīng)用于大型軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中,是電子信息、計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)時(shí)很好的工具26。keilc51提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案,通過(guò)一個(gè)

33、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。如果你使用c語(yǔ)言編程,那么keilc51幾乎就是你的不二之選,即使不使用c語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程,其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。2.4 本章小結(jié)通過(guò)查閱步進(jìn)電機(jī)相關(guān)資料,了解了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理及控制方式,并確定了本課題的控制方式。本文所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是以at89c51單片機(jī)為核心的嵌入式開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)。并查閱軟件資料,學(xué)習(xí)了相關(guān)軟件,為后續(xù)設(shè)計(jì)的開(kāi)展打下了基礎(chǔ)。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案規(guī)劃3.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容概述根據(jù)前文所述,本系統(tǒng)在研究中釆用硬件設(shè)計(jì)和軟件編程相結(jié)合的手段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)上釆用at89c51單片機(jī)

34、為控制核心,結(jié)合外圍電路的擴(kuò)展和通訊實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的搭建,在軟件設(shè)計(jì)上采用c語(yǔ)言進(jìn)行程序模塊的編制24,根據(jù)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能按照模塊程序流程的編制思想,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程,整個(gè)系統(tǒng)以軟件結(jié)合硬件的設(shè)計(jì)思路組建,通過(guò)電路原理圖的繪制、pcb電路板的搭建和系統(tǒng)仿真等一系列步驟,完成對(duì)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用設(shè)計(jì),該系統(tǒng)的硬件和軟件仿真可在windows環(huán)境下進(jìn)行,在實(shí)際調(diào)試的過(guò)程中,可以根據(jù)程序模塊的實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展和修改,并實(shí)現(xiàn)即時(shí)的更新功能。綜上所述,本文需要對(duì)以下幾個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行研究:1.系統(tǒng)硬件的選擇??紤]到本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于畢業(yè)設(shè)計(jì)的,因此在設(shè)計(jì)中以畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求為準(zhǔn)。同時(shí),在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的前

35、提下要盡量考慮設(shè)計(jì)成本的縮減。2.系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)和繪制。在系統(tǒng)硬件芯片選擇完成后,需要根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)和繪制。具體來(lái)說(shuō),應(yīng)該盡量采用典型的電路模塊,以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)研發(fā)的要求,同時(shí),本系統(tǒng)需要在proteus仿真平臺(tái)下進(jìn)行預(yù)測(cè)試,因此,在電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到仿真元件的可移植性,以便于進(jìn)行系統(tǒng)硬件仿真。3.系統(tǒng)軟件編程。軟件程序的編制要根據(jù)硬件電路的功能來(lái)進(jìn)行,盡量采用模塊化程序編制的方式進(jìn)行,層次結(jié)構(gòu)需要清晰可調(diào),同時(shí)需要具備與上位機(jī)的通訊功能,程序也要具備良好的可移植性,保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)能浖_(kāi)發(fā)框架。4.采用proteus軟件完成系統(tǒng)pcb電路板的繪制和制作??紤]到系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成之

36、后需要出實(shí)物,因此需要完成對(duì)系統(tǒng)pcb電路板的繪制。5.系統(tǒng)硬件和軟件仿真。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后,需要對(duì)其進(jìn)行仿真,以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)在軟件中采用keil軟件仿真平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,同時(shí)根據(jù)keil生成的hex文件,結(jié)合proteus單片機(jī)系統(tǒng)仿真軟件,完成對(duì)系統(tǒng)硬件的仿真運(yùn)行。3.2 系統(tǒng)功能概述本系統(tǒng)基于畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求,需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),將磁場(chǎng)強(qiáng)度不同的永久磁條,通過(guò)固定架固定在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)也跟著旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。因而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)決定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率,永久磁場(chǎng)的強(qiáng)弱決定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)度。具體一點(diǎn)說(shuō)就是,本系統(tǒng)利用at8

37、9s51單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能,產(chǎn)生一定頻率的脈沖序列精確控制功率uln2003a驅(qū)動(dòng)芯片,從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率;鍵盤可控制步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速。液晶顯示器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài);并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信。在綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)等各方面因素后明確系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能:硬件部分:(1)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需的平穩(wěn)電壓;(2)液晶顯示模塊;(3)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的鍵盤;(4)時(shí)鐘電路與復(fù)位電路;(5)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)和功率放大電路設(shè)計(jì);(6)串口通訊模塊;(7)外擴(kuò)程序存儲(chǔ)模塊;(8)用proteus對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、仿真和對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行

38、測(cè)試。軟件部分:(1)系統(tǒng)復(fù)位初始化;(2)鍵盤掃描與處理;(3)液品顯示器初始化掃描程序;(4)定時(shí)器中斷服務(wù)程序;(5)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)控制程序;(6)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)控制程序;(7)步進(jìn)電機(jī)加速控制程序;(8)步進(jìn)電機(jī)減速控制程序;(9)步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)控制程序;(10)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行節(jié)拍控制程序。3.3 系統(tǒng)原理概述本系統(tǒng)以at89c51單片機(jī)作為核心,通過(guò)外部擴(kuò)展其他硬件完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的顯示。(參見(jiàn)附錄電路原理圖)at89c51單片機(jī)有40個(gè)引腳,我們用p1口的p1.0-p1.4引腳擴(kuò)展步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制鍵盤,設(shè)計(jì)完成后,包括停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速一共五個(gè)按鍵。p1.5,p1.6,

39、p1.7,p3.6四個(gè)引腳分別和與非門芯片7404的輸入端相連用于擴(kuò)展步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)控制芯片uln2003a。p2口所有引腳和p3口的部分引腳用于外接ampire128*64液晶顯示模塊。p2口連接ampire128*64液晶顯示模塊的db0-db7,用于單片機(jī)和液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)傳輸,p3.2,p3.4,p3.5分別與ampire128*64液晶顯示模塊的rs,r/w,e相連完成數(shù)據(jù)的顯示,具體來(lái)說(shuō):r/w為讀寫信號(hào)線,rs為數(shù)據(jù)指令選擇端,e端為使能端子。在實(shí)際工作時(shí),當(dāng)r/w為低電平,e為信號(hào)下降沿時(shí)鎖存db0-db7的數(shù)據(jù);r/w為高電平,e為信號(hào)上升沿時(shí),ddram的數(shù)據(jù)讀到db

40、0-db7中。p3.0,p3.1分別與液晶顯示模塊的cs1 (左半屏片選端)和cs2 (右半屏片選端)相連用于對(duì)液品模塊的顯示進(jìn)行編程設(shè)置。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分采用專用芯片uln2003a進(jìn)行控制,其輸出管腳1c-4c連接四相六線步進(jìn)電機(jī)的相序控制端。com端連接+12v電源用于對(duì)其工作進(jìn)行供電。當(dāng)然uln2003a在接入單片機(jī)控制脈沖時(shí)必須連接限流電阻,這已經(jīng)在原理圖上反映出來(lái)了。3.4 系統(tǒng)總體硬件框圖本設(shè)計(jì)以at89c51單片機(jī)芯片作為核心,利用at89s51單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能,產(chǎn)生一定頻率的脈沖序列精確控制功率uln2003a驅(qū)動(dòng)芯片,從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率;鍵

41、盤可控制步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速。液晶顯示器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài);并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信。因此可總結(jié)系統(tǒng)框圖如下所示:鍵盤模塊步進(jìn)電機(jī) a t89s51單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 液晶顯示模塊 串口模塊晶振模塊pc外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊圖3.1 系統(tǒng)總體硬件框圖3.5 本章小結(jié)根據(jù)任務(wù)書要求,通過(guò)了解確定該課題所要研究的內(nèi)容、系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能,以及明白本系統(tǒng)的原理。并且制定了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,接下來(lái)才可以選出合適的器件以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。4 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明首先,在系統(tǒng)核心控制芯片的選擇上,我們釆用at89c51單片機(jī)。atmel公司生產(chǎn)的at89c5

42、1單片機(jī)是一種低功耗/電壓、高性能的8位單片機(jī),它采用cmos和高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù),而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都可以和mcs-51系統(tǒng)兼容,片內(nèi)的flash rom允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或者用其他編程器件進(jìn)行編程。內(nèi)部包含256字節(jié)ram,4個(gè)8位并行i/o口,多個(gè)中斷源,2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí),2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器,因此,89c51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)大,速度快速,靈活性高而且價(jià)格便宜的控制芯片27。其次,由于單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)非常微弱,不能直接用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行,因此需要采用功率驅(qū)動(dòng)芯片。根據(jù)上文所述的硬件典型電路模塊的設(shè)計(jì)方案,我們?cè)诒鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用集成達(dá)林頓管iculn2003a作為系統(tǒng)的功率

43、驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片是目前步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行最常見(jiàn)的芯片,符合我們典型電路模塊設(shè)計(jì)的要求。再次,考慮到要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確控制,因此需要采用人機(jī)對(duì)話的方式進(jìn)行,具體來(lái)來(lái)說(shuō),需要采用按鍵控制實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中采用5個(gè)獨(dú)立按鍵完成對(duì)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的控制。獨(dú)立按鍵的設(shè)計(jì)可以很好的節(jié)約系統(tǒng)i/o端子,同時(shí)在軟件編程中也更易操作,達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。在實(shí)際編程時(shí),我們采用按鍵掃描的方式進(jìn)行按鍵程序的編寫。最后,通過(guò)液晶顯示模塊顯示參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決實(shí)時(shí)監(jiān)控的問(wèn)題,同時(shí)需要建立可操作的人機(jī)通訊液晶顯示界面,本系統(tǒng)的液晶顯示模塊采用了能夠顯示中文字庫(kù)的液晶顯示器件ampire128*64。4.2 系統(tǒng)主

44、要器件選擇4.2.1 單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)采用at89c51單片機(jī),at89c51單片機(jī)由美國(guó)atmel公司生產(chǎn),具有低電壓和高性能等特點(diǎn),并且屬于cm0s8位單片機(jī)系列。其內(nèi)部含有容量為4k的perom和存儲(chǔ)空間為128比特的ram,并且還有通用的8位中央處理器(cpu)以及flash存儲(chǔ)單元。該器件的生產(chǎn)技術(shù)具有集成度高、程序不容流失且保持時(shí)間長(zhǎng)等存儲(chǔ)有點(diǎn),對(duì)mcs-51指令系統(tǒng)也完全兼容26。由此可見(jiàn),at89c51單片機(jī)的功能比其他同類別的單片機(jī)強(qiáng),可應(yīng)用場(chǎng)合多,性價(jià)比高,可靈活應(yīng)用于生活生產(chǎn)等各種控制領(lǐng)域28。引腳排列如圖4.1所示:圖4.1 at89c51引腳結(jié)構(gòu)圖1.主要性能參數(shù):

45、兼容mcs-51系列單片機(jī);4k重復(fù)利用閃存;指令擦寫周期數(shù)可達(dá)到一千次;全靜態(tài)操作;0赫茲24兆赫茲;3級(jí)的rom加密級(jí)別,良好的程序保密性;內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器達(dá)128*8k;i/0數(shù)據(jù)口達(dá)32個(gè),且都可獨(dú)立編程;兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器,位數(shù)為16位;六個(gè)中斷源;可編程串行uart通道。2.at89c51的控制功能主要有29:4k大小的flash高速存儲(chǔ)器,128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,32個(gè)i/o數(shù)據(jù)口,2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,一個(gè)中斷構(gòu)造,一個(gè)全雙工串行通信口,內(nèi)部集成振蕩器和時(shí)鐘電路。在使用時(shí),該款單片機(jī)邏輯操作頻率可達(dá)o赫茲,且省電模式達(dá)到兩種。在停止cpu工作的狀態(tài)下可選擇空閑模式,然而ram,

46、定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行通信口和中斷系統(tǒng)的工作不受空閑模式的影響、ram中的數(shù)據(jù)不會(huì)因掉電方式而丟失,直到下一個(gè)硬件復(fù)位時(shí)振蕩器才繼續(xù)開(kāi)始工作。3.at89c51管腳說(shuō)明30:vcc:供電電壓;gnd:接地;p0口:p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向i/o口,每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p0口的管腳第一次寫1時(shí),被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在fiash編程時(shí),p0口作為原碼輸入口,當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),p0輸出原碼,此時(shí)p0外部必須接上拉電阻22。p1口:p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口,p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管

47、腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,p1口被外部下拉為低電平時(shí),將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí),p1口作為低八位地址接收。p2口:p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口,p2口緩沖器可接收,輸出4個(gè)ttl門電流,當(dāng)p2口被寫“1”時(shí),其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時(shí),p2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí),p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí),它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì),當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí),p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在fl

48、ash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。p3口:p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口,可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,p3口將輸出電流(ill)這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口,如表4.1所示:表4.1 p3口的特殊功能管腳特殊功能p3.0rxd(串行輸入口)p3.1txd(串行輸出口)p3.2(外部中斷0)p3.3(外部中斷1)p3.4t0(計(jì)時(shí)器0外部輸入)p3.5t1(計(jì)時(shí)器1外部輸入)p3.6(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)p3.7(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)p3口

49、同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。rst:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí),要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ale/:當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí),地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在flash編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí),ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào),此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是:每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),將跳過(guò)一個(gè)ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時(shí),ale只有在執(zhí)行movx,movc指令是ale才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止,置

50、位無(wú)效。:外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間,每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。/vpp:當(dāng)保持低電平時(shí),則在此期間外部程序存儲(chǔ)器(0000h-ffffh),不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí),將內(nèi)部鎖定為reset;當(dāng)端保持高電平時(shí),此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程期間,此引腳也用于施加12v編程電源(vpp)。xtal1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。xtal2:來(lái)自反向振蕩器的輸出。4.振蕩器特性:xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石英振蕩和陶瓷振蕩均

51、可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件,xtal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器,因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。5.at89c51單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn):at89c51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)大,速度快速,靈活性高而且價(jià)格便宜的控制芯片;內(nèi)部包含256字節(jié)ram,4個(gè)8位并行i/o口,多個(gè)中斷源,2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí),2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器;具有低電壓和高性能特點(diǎn),并且屬于cmos8位單片機(jī)系列,它采用cmos和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù),與mcs-51系統(tǒng)兼容,片內(nèi)的flash rom允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或者用其他編程器件進(jìn)行編程。6.at89c51的缺點(diǎn):該單片機(jī)內(nèi)

52、部沒(méi)有存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)用戶程序,因此需要增加外擴(kuò)器,本設(shè)計(jì)采用27512eprom。4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)采用四相六線式步進(jìn)電機(jī),具體型號(hào)選用蘇州長(zhǎng)泰電機(jī)有限責(zé)任公司出產(chǎn)的57byg601四相六線式步進(jìn)電機(jī)18。圖4.2是步進(jìn)電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)圖,圖4.3為步進(jìn)電機(jī)接線圖。以下是該步進(jìn)電機(jī)的主要性能和參數(shù)特性:步距角精度:5%溫度限制:最高:80穩(wěn)定運(yùn)行溫度:-20+50圖4.2 步進(jìn)電機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖4.3 步進(jìn)電機(jī)端子連線圖4.2.3 功率驅(qū)動(dòng)芯片的選擇本設(shè)計(jì)采用uln2003a功率驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片是由美國(guó)texas instruments公司和sprague公司聯(lián)合幵發(fā)的大電流高壓達(dá)林頓管

53、陣列功率驅(qū)動(dòng)電路,擁有高電流增益、搞工作電壓、寬泛的溫度范圍同時(shí)負(fù)載帶動(dòng)能力很強(qiáng)等特性。適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。其主要特征有:溫度范圍寬(-4085);工作電壓高(大于50v)電流增益高(大于1000);采用dip-16或者sop-16塑料封裝;灌電流可達(dá)500ma,并且能在關(guān)態(tài)時(shí)承受50v的電壓,輸出能在高負(fù)載電流并行運(yùn)行;每一對(duì)達(dá)林頓管都串聯(lián)一個(gè)2.7k的基極電阻,在5v的電壓下能與ttl和cmos電路直接相連;可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)。4.2.4 外擴(kuò)程序存儲(chǔ)芯片本設(shè)計(jì)采用eprom27512芯片,eprom芯片可重復(fù)擦除和寫入,解決了prom芯片只能

54、寫入一次的弊端。eprom芯片有一個(gè)很明顯的特征,在其正面的陶瓷封裝上,開(kāi)有一個(gè)玻璃窗口,透過(guò)該窗口,可以看到其內(nèi)部的集成電路,紫外線透過(guò)該孔照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù),完成芯片擦除的操作要用到eprom擦除器。eprom內(nèi)資料的寫入要用專用的編程器,并且往芯片中寫內(nèi)容時(shí)必須要加一定的編程電壓(vpp=12-24v,隨不同的芯片型號(hào)而定)。該芯片內(nèi)部容量為512k。4.2.5 74ls373芯片373為三態(tài)輸出的八口透明鎖存器,共有54s373和74ls373兩種線路結(jié)構(gòu)型式。373 的輸出端q0q7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端oe為低電平時(shí),q0q7為正常邏輯狀態(tài),可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載

55、或總線。當(dāng)oe為高電平時(shí),q0q7呈高阻態(tài),即不驅(qū)動(dòng)總線,也不為總線的負(fù)載,但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端le為高電平時(shí),q隨數(shù)據(jù)d而變。當(dāng)le為低電平時(shí),d被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)le端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用,使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mv。本設(shè)計(jì)選用74ls373芯片4.2.6 7404芯片7404芯片是非門芯片,內(nèi)部含有六個(gè)非門,其中1a-6a為輸入端,1y-6y為輸出端。本設(shè)計(jì)中選用它來(lái)作為單片機(jī)脈沖信號(hào)輸出和uln2003a功率驅(qū)動(dòng)芯片之間的連接芯片。其主要參數(shù)為:極限電源電壓:7v;一般輸入電壓:5.5;工作環(huán)境溫度:070;存儲(chǔ)溫度:-65150。4.2.7 cd4068芯片cd4068為與非/與門芯片,其主要性能和參數(shù)為:有2個(gè)輸出端口,1腳為與門信號(hào)輸出端,13腳為與非信號(hào)輸出端。本設(shè)計(jì)采用cd4068芯片中的與門電路功能作為控制按鍵與單片機(jī)中斷口之間的橋梁,根據(jù)本設(shè)計(jì)要求,當(dāng)按鍵按下產(chǎn)生低電平信號(hào)時(shí),系統(tǒng)低電平中斷信號(hào)產(chǎn)生促使單片機(jī)改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式脈沖,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,且選用1腳作為輸出端。主要參數(shù)有:電壓參數(shù):電源電壓范圍為3v5v;電流參數(shù):輸入電流為10ma;存儲(chǔ)溫度:-65150。4.2.8 液晶顯示器的選擇液晶顯示器件(lcd)獨(dú)具的低壓、微功耗特

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