基于單片機(jī)的平衡臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、分類號(hào)：TP301.6 U D C：D10621-408-(2012)24800密 級(jí)：公 開(kāi) 編 號(hào)：2008071069基于單片機(jī)的平衡臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文作者姓名：張均申請(qǐng)學(xué)位專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器申請(qǐng)學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士指導(dǎo)教師姓名（職稱）：王志宏(助教)論文提交日期：2012年 06月10日分類號(hào)：TP301.6 U D C：D10621-408-(2012)2480-0密 級(jí)：公 開(kāi) 編 號(hào)：2008071069成都信息工程學(xué)院學(xué)位論文基于單片機(jī)的平衡臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文作者姓名：張均申請(qǐng)學(xué)位專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器申請(qǐng)學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士指導(dǎo)教師姓名（職稱）：王志宏（助教）論文提交日期：201

2、2年06月11日基于單片機(jī)的平衡臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要當(dāng)在平衡臂的一端放置重物時(shí)，平衡臂必然會(huì)向掛有重物的一端傾斜。為使得平衡臂重新達(dá)到平衡狀態(tài)，就要在平衡臂的另一端相應(yīng)位置施以力度，即杠桿原理，本設(shè)計(jì)正是用了該原理來(lái)達(dá)到平衡臂的平衡。該設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)是12C5A60S2，單片機(jī)內(nèi)含8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，另外電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選擇的是ULN2003。電機(jī)的端子嵌在螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺桿會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)，若固定電機(jī)，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺母就會(huì)相應(yīng)的前后移動(dòng)，當(dāng)螺母與重物產(chǎn)生的力矩相同時(shí)，平衡臂即可達(dá)到平衡。本文詳細(xì)闡述了單片機(jī)和芯片ULN2003的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)及調(diào)試過(guò)程，同

3、時(shí)給出了原理圖、流程圖等。涵蓋了從需求分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，編程，原理圖，PCB圖以及最后的試驗(yàn)板焊制等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基本過(guò)程。本設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)人操作吊塔式起重機(jī)具有一定研究意義。 關(guān)鍵詞：平衡臂；單片機(jī)；電機(jī)；螺旋傳動(dòng)Design on Control System of the Balance Arm Based on MicrocontrollerAbstractWhen the weights placed in one end of the balance arm, the balance arm is bound to hang heavy objects on the one end of th

4、e tilt. Makes the balance arm to reach equilibrium, it is necessary to impose the intensity at the other end of the corresponding location of the balance arm. And this design is based on this principle. The design uses the principle to achieve the balance of the balance arm.In this design, 12C5A60S2

5、 microcontroller and the ULN2003 chip drive motor rotation. Motor scripts end embedded in the thread, screw rotates the motor rotation, If the fixed motor, threaded rotary nut will move. Nut has a certain weight When the nut to move to a certain distance, the balance arm will be balance. This paper

6、describes the internal structure of the single-chip and chip ULN2003, and hardware circuit and software design and debugging process, and it gives the schematics, flowcharts, etc. It covers from requirements analysis, system design, programming, schematic diagram PCB diagram and the basic process of

7、 product development in the experimental plate welding system. This design has a certain significance crane tower crane unattended operation. Key Words: balance arm; microcontroller unit; electric motor; screw drive目 錄 論文總頁(yè)數(shù)：34頁(yè)1 引言11.1 選題背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外同類研究概述11.3 本文研究?jī)?nèi)容12 總體方案設(shè)計(jì)22.1 方案比較論證22.1.1 方案一2

8、2.1.2 方案二22.1.3 方案三22.1.4 方案對(duì)比22.2 系統(tǒng)框圖32.3 設(shè)計(jì)原理32.4 設(shè)計(jì)要求33 硬件選型43.1 單片機(jī)選型43.1.1 12C5A60S2簡(jiǎn)介43.1.2 12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)53.1.3 12C5A60S2單片機(jī)封裝尺寸圖63.1.4 單片機(jī)管腳介紹83.2 步進(jìn)電機(jī)83.2.1 四相五線步進(jìn)電機(jī)93.2.2 驅(qū)動(dòng)方法93.2.3 具體選用步進(jìn)電機(jī)103.2.4 35BYJ46步進(jìn)電機(jī)工作參數(shù)113.3 電位器113.4 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003113.4.1 ULN2003芯片特點(diǎn)113.4.2 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路123.5

9、 平衡臂134 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)134.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)144.1.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)144.1.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)154.2 驅(qū)動(dòng)電路模塊164.3 穩(wěn)壓電源模塊174.4 變壓器175 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)185.1 編譯軟件Keil C51簡(jiǎn)介195.2 軟件編譯206 系統(tǒng)調(diào)試216.1 Protel99se及其操作簡(jiǎn)介216.2 原理及PCB設(shè)計(jì)226.3 硬件調(diào)試236.3.1 硬件調(diào)試的準(zhǔn)備工作236.3.2 調(diào)試過(guò)程236.4 設(shè)計(jì)結(jié)果237 結(jié)論與研究展望247.1 主要結(jié)論247.2 展望25參考文獻(xiàn)26致 謝27聲 明28附 錄291 引言1.1 選題背景及意義隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，

10、人們對(duì)生活條件的不斷優(yōu)化，人們對(duì)衣食住行的要求越來(lái)越高，高樓大廈不斷平地而起。而其中在建筑高樓大廈過(guò)程中塔式起重機(jī)有著不菲的貢獻(xiàn)，可以說(shuō)塔式起重機(jī)的生產(chǎn)和發(fā)展是人們提高效率節(jié)約經(jīng)濟(jì)的有效途徑，塔式起重機(jī)越來(lái)越被人們熟知。塔式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)不斷被人們所了解，其中包括起重臂、前臂拉桿、塔帽、后壁拉桿、平衡臂、旋轉(zhuǎn)塔身、上下轉(zhuǎn)臺(tái)、頂升套架、塔身、底架、基礎(chǔ)等。當(dāng)前的塔式起重機(jī)多由人直接操作，過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生一些不可抗因素，這存在這許多的安全隱患，若起重機(jī)能自動(dòng)操作，根據(jù)重物的重量自行搬運(yùn)，不但節(jié)省了人力，也避免了許多不可抗因素，確保了安全性7。在日常的工作、學(xué)習(xí)、生活以及工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐中，單片機(jī)

11、的使用越來(lái)越廣泛，貫穿始終，單片機(jī)的電路簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，若是把單片機(jī)與吊塔結(jié)合起來(lái)對(duì)塔式起重機(jī)的發(fā)展有很大的作用，到時(shí)后工地上的吊塔都是自動(dòng)運(yùn)行，一方面提高了工作效率另一方面也降低了事故發(fā)生率雖然現(xiàn)在還不好找到適合大型塔式起重機(jī)的單片機(jī)，但假以時(shí)日，該研究方向肯定會(huì)對(duì)塔式起重機(jī)的發(fā)展有巨大的推動(dòng)作用1。1.2 國(guó)內(nèi)外同類研究概述在生活中最常見(jiàn)的平衡臂的運(yùn)用是作為運(yùn)送物體的塔吊，塔吊是承受臂架拉繩及平衡臂拉繩傳來(lái)的上部荷載，并通過(guò)回轉(zhuǎn)塔架轉(zhuǎn)臺(tái)、承座等的結(jié)構(gòu)部件式直接通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)傳遞給塔身結(jié)構(gòu)。自升塔頂有截錐柱式、前傾或后傾截錐柱式、人字架式及斜撐架式。凡是上回轉(zhuǎn)塔機(jī)均需設(shè)平衡重，其功能是支承平衡重，

12、用以構(gòu)成設(shè)計(jì)上所要求的作用方面與起重力矩方向相反的平衡力矩。除平衡重外，還常在其尾部裝設(shè)起升機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一則可發(fā)揮部分配重作用，二則增大繩卷筒與塔尖導(dǎo)輪間的距離，以利鋼絲繩的排繞并避免發(fā)生亂繩現(xiàn)象。平衡重的用量與平衡臂的長(zhǎng)度成反比關(guān)系，而平衡臂長(zhǎng)度與起重臂長(zhǎng)度之間又存在一定比例關(guān)系。平衡重的量相當(dāng)可觀，輕型塔機(jī)一般至少要3-4t，重型的要近30t。我國(guó)的塔機(jī)行業(yè)于20世紀(jì)50年代開(kāi)始起步，塔機(jī)在中國(guó)發(fā)展的比較快速，相對(duì)于中西歐國(guó)家由于建筑業(yè)疲軟造成的塔機(jī)業(yè)的不景氣，我國(guó)的塔機(jī)業(yè)正處于一個(gè)迅速的發(fā)展時(shí)期。1.3 本文研究?jī)?nèi)容本文研究的是基于單片機(jī)的平衡臂控制

13、系統(tǒng)，主要是對(duì)塔吊平衡進(jìn)行模擬，通過(guò)單片機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)其平衡。根據(jù)此課題主要著手研究以下內(nèi)容：掌握平衡系統(tǒng)的基本構(gòu)架，熟悉相關(guān)的硬件和軟件知識(shí)，再結(jié)合實(shí)際需要設(shè)計(jì)出控制平衡臂達(dá)到平衡的硬件框架結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)流程。其中硬件主要包括：平衡臂、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、螺桿、螺帽、變壓器。軟件包括：主程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、平衡判斷模塊。按照本設(shè)計(jì)思路及方法即可制成一個(gè)具有自動(dòng)實(shí)現(xiàn)平衡臂平衡的實(shí)際電路成品。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案比較論證2.1.1 方案一本設(shè)計(jì)要求平衡臂自動(dòng)達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)平衡臂的平衡可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以將舵機(jī)安放至平衡臂中心位置，通過(guò)舵機(jī)控制臂桿左右偏向從而實(shí)現(xiàn)平衡臂的

14、兩端平衡9。2.1.2 方案二通過(guò)小車來(lái)控制平衡臂平衡，在平衡臂上端放置小車，最初時(shí)小車放在平衡臂正中央，平衡臂失去平衡時(shí)，為達(dá)到平衡，小車向著向上翹起的一段移動(dòng)，小車靠電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)與角度傳感器相連，當(dāng)角度傳感器檢測(cè)出平衡臂與水平面平衡時(shí)馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)10。2.1.3 方案三方案三采用的是杠桿原理，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，若固定步進(jìn)電機(jī)，則螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在水平方向上就不會(huì)移動(dòng)，螺桿一端鑲嵌有螺母，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺母就會(huì)移動(dòng)，當(dāng)兩邊力矩相同時(shí)，平衡臂即可達(dá)到平衡5。2.1.4 方案對(duì)比方案一運(yùn)用舵機(jī)，由于舵機(jī)控制臂桿左右的偏向是非線性控制，程序?qū)崿F(xiàn)相對(duì)較為復(fù)雜，且舵機(jī)能夠承受的力矩較

15、小，其在平衡臂的應(yīng)用的并不合適，故方案一不能采用。案二需要平衡臂較寬，而且馬達(dá)的動(dòng)力必須比較高，平衡臂與小車輪胎之間的摩擦力也不可忽視，因?yàn)楫?dāng)平衡臂偏移過(guò)大小車很有可能無(wú)法向反方向運(yùn)動(dòng)而掉落，故方案二亦布恩那個(gè)采用。在方案三中即使平衡臂偏移非常大，電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)仍然可以改變螺母的位置從而使平衡臂重新達(dá)到平衡，而且方案三電路整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，軟件編寫(xiě)也更為簡(jiǎn)單，制成硬件電路后更易于調(diào)試，所以最終采用方案三。2.2 系統(tǒng)框圖單片機(jī)控制器電位分壓器穩(wěn)壓電路驅(qū)動(dòng)電路圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2.3 設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)當(dāng)中把電機(jī)固定在平衡臂上的中央，把電機(jī)的端子嵌入進(jìn)一個(gè)很長(zhǎng)的螺桿中，因?yàn)殡姍C(jī)被固定，螺桿又與端子相連，故電

16、機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺桿只會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)而不會(huì)與平衡臂有仍和的相對(duì)位移，那么此時(shí)套在螺桿上的螺母就會(huì)因?yàn)槁輻U的轉(zhuǎn)動(dòng)而或前或后的移動(dòng)，螺母的移動(dòng)改變了平衡臂的力矩，為使平衡臂平衡電機(jī)必須調(diào)整螺母的位置來(lái)使得平衡臂達(dá)到平衡，電機(jī)在桿傾斜時(shí)應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡時(shí)應(yīng)該停止是整個(gè)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的問(wèn)題。本次設(shè)計(jì)選用過(guò)的12C5A60S2芯片內(nèi)含8路10位A/D轉(zhuǎn)換，AD值變換范圍是01024，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)板測(cè)得：平衡臂在平衡時(shí)相應(yīng)的AD值為890左右，由于AD值有波動(dòng)范圍，故設(shè)置當(dāng)AD值在888892范圍內(nèi)時(shí)，平衡臂達(dá)到平衡，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)平衡角度對(duì)應(yīng)的AD值不在888892這一范圍時(shí)電機(jī)相應(yīng)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)直到平衡臂達(dá)到平衡

17、為止。由于每一個(gè)AD值都對(duì)應(yīng)P1.0口上不同的電壓，為了達(dá)到對(duì)應(yīng)的電壓值，設(shè)計(jì)當(dāng)中巧妙的運(yùn)用了一個(gè)劃動(dòng)電阻器來(lái)解決電壓的分壓。平衡臂的中端有一個(gè)軸承，該軸承與劃動(dòng)電阻器相連，當(dāng)平衡臂左右搖擺時(shí)，電阻器上的滑片也相應(yīng)的改變位置。設(shè)定單片機(jī)的P1.0口為A/D轉(zhuǎn)換口，P1.0與滑片相連，P1.0與滑動(dòng)電阻器共地，所以P1.0口對(duì)應(yīng)的電壓就是滑動(dòng)變阻器分得的電壓3。2.4 設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要完成以下功能：（1）當(dāng)單片機(jī)插上電源后，位于PCB板上的LED亮，成功表示上電。（2）當(dāng)平衡臂掛有重物時(shí)，電機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母位置使之平衡。（3）35BYJ46電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是可控的，為了提高效率要求轉(zhuǎn)速應(yīng)在1r/

18、s左右。（4）在設(shè)計(jì)中平衡臂角度對(duì)應(yīng)的AD值本來(lái)就設(shè)定在888-892之間，所以電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有可能不會(huì)完全與水平面達(dá)到平衡，在誤差允許范圍內(nèi)，平衡臂與水平面的角度<=5度。（5）無(wú)論重物放置在平衡臂的什么地方都能通過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使平衡臂重新達(dá)到平衡。3 硬件選型3.1 單片機(jī)選型 3.1.1 12C5A60S2簡(jiǎn)介STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250

19、K/S，即25萬(wàn)次/秒)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。STC12C5A60S2系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是各自獨(dú)立編址的。STC12C5A60S2系列單片機(jī)的所有程序存儲(chǔ)器都是片上Flash存儲(chǔ)器，不能訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，因?yàn)闆](méi)有外部訪問(wèn)使能信號(hào)EA和程序存儲(chǔ)啟用信號(hào)PSEN。STC12C5A60S2系列單片機(jī)內(nèi)部有1280字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其在物理和邏輯上都分為兩個(gè)地址空間:內(nèi)部RAM(256字節(jié))和內(nèi)部擴(kuò)展RAM(1024字節(jié))。另外，STC12C5A60S2系列單片機(jī)還可以訪問(wèn)在片外擴(kuò)展的64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。內(nèi)部RAM共256字節(jié)，可分為3個(gè)部分：低128字節(jié)RAM與傳統(tǒng)805

20、1兼容高128字節(jié)RAM (Intel在8052中擴(kuò)展了高128 字節(jié)RAM )及特殊功能寄存器區(qū)。低128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器既可直接尋址也可間接尋址。高128字節(jié)RAM與特殊功能寄存器區(qū)貌似共用相同的地址范圍，都使用80H-FFH，地址空間雖然貌似重疊，但物理上是獨(dú)立的，使用時(shí)通過(guò)不同的尋址方式加以區(qū)分。高128字節(jié)RAM只能間接尋址，特殊功能寄存器區(qū)只可直接尋址，其部分特點(diǎn)：（1） 增強(qiáng)型8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。（2）工作電壓：STC12C5A60S2 系列工作電壓： 5.5V 3.5V（5V單片機(jī)）。（3）工作頻率范圍：0 35MHz，相當(dāng)于普

21、通8051的 0 420MHz。（4）片上集成1280字節(jié) RAM。（5）有EPROM功能。（6）通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)120mA器可通過(guò)串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。（7）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）。（8）共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，沒(méi)有定時(shí)器2，但有獨(dú)立

22、波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位。（9）外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為±5% 到±10% 以內(nèi))用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C 振蕩器還是外部晶體/ 時(shí)鐘常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V 單片機(jī)為： 11MHz 17MHz；3.3V 單片機(jī)為： 8MHz 12MHz。（10）3個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在 P3.5/T1輸出時(shí)鐘，獨(dú)立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時(shí)鐘。（11）外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷

23、的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2)，CCP1/P1.4(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3)。（12）PWM(2路）/ PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列，2路）；也可用來(lái)當(dāng)2路D/A使用；也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器；也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)。（13）A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)。（14）通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口12

24、。3.1.2 12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)STC12C5A60S2系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央處理器(CPU)、程序存儲(chǔ)器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。STC12C5A60S2系列單片機(jī)幾乎包 含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)12。ControlUnitPort 1鎖存器Port0,2,3,4,5鎖存器LVD/LVRRESETXTAL1XTAL2Port 1驅(qū)動(dòng)器P1.0

25、-P1.7ADC8P1.0-P1.7Port 0,2,3,4,5驅(qū)動(dòng)器P0,P2,P3,P4,P5AUX-RAM1024字節(jié)RAM地址寄存器RAM256字節(jié)B寄存器ACC堆棧指針TMP2TMP1定時(shí)器 0/1串口1串口2ALULVRPSWWDT程序存儲(chǔ)器（Flash）ISP/IAP地址生成器程序計(jì)數(shù)器（PC）PCASPI圖2 12C560S2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.3 12C5A60S2單片機(jī)封裝尺寸圖單片機(jī)12C5A60S2擁有不同形式的封裝，本設(shè)計(jì)選用的是PDIP-40型封裝10，如下圖3。圖3-1 12C5A60S2PDIP-40封裝圖3-2 12C5A60S2尺寸圖3.1.4 單片機(jī)管腳介紹

26、表1 單片機(jī)管腳介紹管腳管腳編號(hào)說(shuō)明P0.0P0.73932P0 : P0口既可作為輸入/輸出口，也可作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當(dāng)P0口作為輸入/輸出口時(shí)，P0是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無(wú)需外接上拉電阻。當(dāng)P0作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時(shí)，是低8位地址A0A7，數(shù)據(jù)線的D0D7。P1.0/ADC0/CLKOUT21P1.0標(biāo)準(zhǔn)I/O口 PORT10ADC0ADC 輸入通道-0CLKOUT2獨(dú)立波特率發(fā)生器的時(shí)鐘輸出可通過(guò)設(shè)置WAKE_CLKO2位/BRTCLKO將該管腳配置為CLKOUT2P2.0-P2.721-28Port2: P2口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入/輸出口，也可作

27、為高8位地址總線使用(A8 A15)。當(dāng)P2口作為輸入/輸出口時(shí)，P2是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口P3.0/RxD10P3.0標(biāo)準(zhǔn)I/O口 PORT30RxD串口1數(shù)據(jù)接收端P3.1/TxD11P3.1標(biāo)準(zhǔn)I/O口 PORT31TxD串口1數(shù)據(jù)發(fā)送端XTAL119內(nèi)部時(shí)鐘電路反相放大器輸入端，接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳是外部時(shí)鐘源的輸入端XTAL218內(nèi)部時(shí)鐘電路反相放大器的輸出端，接外部晶振的另一端。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳可浮空，此時(shí)XTAL2實(shí)際將XTAL1輸入的時(shí)鐘進(jìn)行輸出。VCC40電源正極Gnd20電源負(fù)極，接地3.2 步進(jìn)電機(jī)很顯然，本次設(shè)計(jì)中最為重要也是核

28、心的原件非步進(jìn)電機(jī)莫屬，市場(chǎng)上的步進(jìn)電機(jī)按力矩產(chǎn)生原理分類有永磁式、反應(yīng)式、混合式步進(jìn)電機(jī)；按定子數(shù)分類有單定子式、雙定子式、多定子式步進(jìn)電機(jī)；按定子勵(lì)磁相數(shù)分類有三相、四相、五相、六相步進(jìn)電機(jī)，本設(shè)計(jì)選的是四相五線步進(jìn)電機(jī)6。3.2.1 四相五線步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造如下圖圖4 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造通過(guò)上圖可知，A，A是聯(lián)通的，B和B是聯(lián)通。那么，A和A是一組a，B和B是一組b。不管是兩相四相，四相五線，四相六線步進(jìn)電機(jī)。內(nèi)部構(gòu)造都是如此。至于究竟是四線，五線，還是六線。就要看A和A之間，B和B之間有沒(méi)有公共端com抽線。如果a組和b組各自有一個(gè)com端，則該步進(jìn)電機(jī)六線，如果a和b組的公共端

29、連在一起，則是5線的。本次設(shè)計(jì)用到的是四相五線步進(jìn)電機(jī)，谷a和b的公共端是連在一起的。由于五線中，a和b組的公共端是連接在一起的。用萬(wàn)用表測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有一根線和其他幾根線的電阻是相當(dāng)?shù)?，那么，這根線就是公共com端。3.2.2 驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)有好幾種方法，個(gè)人覺(jué)得比較簡(jiǎn)單也比較常用的還是下面這兩種，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，設(shè)計(jì)中選用的是四相八拍的電機(jī)，電機(jī)四相八拍的工作原理如下圖。圖5 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖是表示剛剛步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，沒(méi)有畫(huà)中線抽頭。中間那個(gè)表示電機(jī)轉(zhuǎn)子，左邊藍(lán)色的表示A線圈，上面紅

30、色的表示B線圈，大家看到上面標(biāo)志中還有一些是打括號(hào)的，表示什么呢？就是說(shuō)這個(gè)接線是一開(kāi)始講到的A接線，跟剛剛講到的那個(gè)C字母表示的接線其實(shí)是同一根線！那現(xiàn)在我就用圖來(lái)表示解釋下什么是四相八拍，A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A表示的是什么。A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A中出現(xiàn)的字母表示這根線對(duì)應(yīng)加上高電平，其余的加低電平。具體就是A處于高電平，其余處于低電平，延時(shí)一小段，AB處于高電平，其余處于低電平，依次類推8。3.2.3 具體選用步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM），是由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過(guò)與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)

31、角一般為7.5度或15度。電機(jī)里有轉(zhuǎn)子和定子兩部分：可以是定子是線圈，轉(zhuǎn)子是永磁鐵；也可以是定子是永磁鐵，轉(zhuǎn)子是線圈。應(yīng)用領(lǐng)域：永磁式步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置、閥門控制、核反應(yīng)堆、銀行終端、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繞線機(jī)、電子鐘表及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中。本次設(shè)計(jì)中選用的35BYJ46型永磁式步進(jìn)電機(jī)（四相五線），該電機(jī)質(zhì)量小，用5V電壓就能驅(qū)動(dòng)，一般的設(shè)計(jì)中運(yùn)用該電機(jī)很合適。其外觀如下圖。圖6 35BYJ46步進(jìn)電機(jī)3.2.4 35BYJ46步進(jìn)電機(jī)工作參數(shù)35BYJ46步進(jìn)電機(jī)，永磁減速步進(jìn)電機(jī)，微型減速步進(jìn)電機(jī)，4相減速電機(jī)7。(1) 額定電壓：12V DC。(2) 相數(shù)

32、：4。(3) 減速比：1/85.25。(4) 步距角：7.5度/85.25度（定子控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度稱之為步距角，通常用表示）。(5) 驅(qū)動(dòng)方式：4相8拍。(6) 直流電阻：130±7%(25)。(7) 溫升：<40K(120Hz)。(8) 噪音：<40dB(A)。(9) 重量：約100g。3.3 電位器鑒于制作經(jīng)費(fèi)有限，本次設(shè)計(jì)中并未采用角度傳感器，而是采用了一個(gè)丁字型的滑動(dòng)電位器來(lái)代替，滑動(dòng)電阻器與一個(gè)軸承相連，平衡臂左右搖擺時(shí)位于中央的軸承帶動(dòng)電位器上的劃片相應(yīng)的移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)了分壓。電位器阻值100K。3.4 驅(qū)動(dòng)芯片UL

33、N2003ULN2000、ULN2800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)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)選用的是ULN2003。3.4.1 ULN2003芯片特點(diǎn)(1) ULN2003 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)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。(2) ULN2003 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，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。3.4.2 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路UL

34、N2003內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝，NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V，電流=500mA，輸入電壓=5V，適用于TTL COMS，由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，它的輸出端允許通過(guò)電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003

35、是一個(gè)非門電路，包含7個(gè)單元，單獨(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，你的負(fù)載接在VCC與16腳之間，不用9腳。輸出端的二極管學(xué)名續(xù)流二極管，英文freewheel diode。 如果ULN2003的達(dá)林頓管輸入端輸入低電平使其截止，其驅(qū)動(dòng)的元件是感性元件，則電流不能突變，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高壓；如果沒(méi)有二極管，達(dá)林頓管會(huì)被擊穿，所以這個(gè)二極管主要起保護(hù)作用。由于ULN2003是集電極開(kāi)路輸出，為了讓這個(gè)二極管起到續(xù)流作用，必須將COM引腳（pin9）接在負(fù)載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路13。圖8 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖9 ULN2003應(yīng)用電

36、路3.5 平衡臂本次設(shè)計(jì)的要求只是模擬塔吊的的平衡狀況，并沒(méi)有要求做成產(chǎn)品，故大多從簡(jiǎn)，臂桿也不是專業(yè)的平衡臂，而是電腦想內(nèi)部的一種卡槽，長(zhǎng)約20cm，寬約2cm，材質(zhì)為鋁合金，質(zhì)量小不到100g且價(jià)格便宜，很適合學(xué)生做模擬實(shí)驗(yàn)。4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊。為得到穩(wěn)定的5V電源，途中設(shè)置穩(wěn)壓電源，開(kāi)關(guān)S2閉合后能把大于5V的電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V的電源。單片機(jī)的P2口接ULN2003芯片，芯片另一端接步進(jìn)電機(jī)，上電后步進(jìn)電機(jī)就在芯片驅(qū)動(dòng)后開(kāi)始正反轉(zhuǎn)。其余則是供電模塊和為好接線而作的引腳。LED燈指示單片機(jī)是否成功上電。原理圖如下。圖10 系統(tǒng)硬

37、件原理圖4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)無(wú)需配置片外存儲(chǔ)器，電路簡(jiǎn)單，工作可靠，最小系統(tǒng)除單片機(jī)芯片外，只包括復(fù)位電路和時(shí)鐘振蕩電路，如下圖9，它具有以下特點(diǎn)。（1）電路簡(jiǎn)單，并有大量的I/O端口可供用戶使用，P0、P1、P2、P3都可以作為I/O端口使用。（2）芯片內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器較少，一般只有幾KB容量；由于沒(méi)有外部程序存儲(chǔ)器，管腳應(yīng)接高電平，使其無(wú)效。圖11 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.1.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)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)，有條不紊的一拍一拍的工作。因此，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。12C5A60S2單

38、片機(jī)內(nèi)由一個(gè)反向放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時(shí)鐘。常用的時(shí)鐘電路方式有兩種，一種是內(nèi)部時(shí)鐘，另一種是外部時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)選擇前者。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器。該高增益的反向放大器的輸入為芯片引腳XTAL1，輸出為引腳XTAL2,其中XTAL1是單片機(jī)的19腳，XTAL2是單片機(jī)的18腳。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩電路如下。圖12 時(shí)鐘振蕩電路電路中的C3和C7都為33Pf，對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會(huì)影響振蕩器的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、振蕩器的快速性和溫度的穩(wěn)定性。而外接晶體的頻率大小，主要取決于單片機(jī)的工作頻率

39、范圍，每一種單片機(jī)都有自己的最大頻率，外接晶體振蕩器的頻率不大于單晶片的最大工作頻率即可。本設(shè)計(jì)晶振采用12MHz，則計(jì)數(shù)周期為1。 (式4-1)4.1.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)STC12C5A60S2系列單片機(jī)有5種復(fù)位方式：外部RST引腳復(fù)位，外部低壓檢測(cè)復(fù)位(新增第二復(fù)位功能腳RST2復(fù)位，實(shí)現(xiàn)外部可調(diào)復(fù)位門檻電壓復(fù)位)，軟件復(fù)位，掉電復(fù)位/上電復(fù)位(并可選擇增加額外的復(fù)位延時(shí)200mS，也叫MAX810專用復(fù)位電路，其實(shí)就是在上電復(fù)位后增加一個(gè)200mS復(fù)位延時(shí))，看門狗復(fù)位。在眾多復(fù)位電路設(shè)計(jì)中復(fù)位輸入引腳RST是為12C5A60S2提供初始化的手段較為方便的。本系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)是正是采用

40、的按鍵復(fù)位的電路，如圖 13 所示，是常用的復(fù)位電路之一。單片機(jī)復(fù)位通過(guò)按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱為手動(dòng)復(fù)位。上電時(shí)，剛接通電源，電容C2相當(dāng)于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使12C5A60S2全機(jī)自動(dòng)復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運(yùn)行過(guò)程中需要程序從頭運(yùn)行，只需按動(dòng)按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V直接加到RET/VPD端從而復(fù)位稱為手動(dòng)復(fù)位2。圖13 復(fù)位電路工作原理：通電瞬間，RC電路充電，RST引腳出現(xiàn)高電平，只要RST端出現(xiàn)10ms 以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。4.2 驅(qū)動(dòng)電路模塊驅(qū)動(dòng)電路模塊如下圖12所示。芯片1至4腳接單片機(jī)的23至20腳，芯片16至13腳接

41、步進(jìn)電機(jī)1到4腳，步進(jìn)電機(jī)5腳接電源VCC。圖14 驅(qū)動(dòng)電路原理圖P2口的電平高低就影響了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，由于電機(jī)是四相八拍，不同的相序輸出的狀態(tài)字就有八個(gè)，因?yàn)閁LN2003的每個(gè)管腳都與一個(gè)非門相連，要讓某一個(gè)管腳通電則芯片的輸出端就應(yīng)該為低電平（電機(jī)的電源線接的是高電平），所以單片機(jī)與ULN2003對(duì)應(yīng)管腳為高點(diǎn)平時(shí)電機(jī)通電成功。為了減小外界信號(hào)的干擾，設(shè)ULN2003的5-8腳為高電平。下表為35BYJ46相序表。表2 35BYJ46四相八拍相序表(公共端為高)步序相序通電相P2口輸出（狀態(tài)）值P23P22P21P2010001AF1H20011ABF3H30010BF2H40110B

42、CF6H50100CF4H61100CDFCH71000DF8H81001DAF9H4.3 穩(wěn)壓電源模塊三端穩(wěn)壓集成電路Lm7805。電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的Lm78系列和負(fù)電壓輸出的Lm79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。下圖是Lm78系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路圖，是一個(gè)輸出正5V直流電Lm7805穩(wěn)壓電路壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采集成穩(wěn)壓器Lm7805，C8、C9分別濾掉幅度較大的干擾電壓；C5、C6分別濾掉尖脈沖干擾。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，Lm7805應(yīng)配上散熱板。圖13 穩(wěn)壓電壓原理圖圖16 LM78

43、05實(shí)物圖4.4 變壓器為保證供電系統(tǒng)能正常供電，我設(shè)計(jì)了一個(gè)備用電源，該電源能把220V的交直流電壓直接轉(zhuǎn)變?yōu)?V 的直流電壓，在PCB中，把所有的高電平連接在一起并引出一根線，同樣把底線也都連在一起引出一根線，在電路板上焊上探頭，系統(tǒng)需要供電時(shí)直接把變壓器插在插座上即可，使用極其方便。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括，驅(qū)動(dòng)程序、平衡判斷比較子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序等。驅(qū)動(dòng)程序的主要功能是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。A/D轉(zhuǎn)換程序把模擬信號(hào)改變成數(shù)據(jù)信號(hào)，由于12C5A60S2單片機(jī)自身含有10路A/D轉(zhuǎn)換，特殊功能寄存器ADC_RES和ADC_RESL用于保存AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)ADRJ=1時(shí)，1

44、0位A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果的高2位存放在ADC_RES的低二位中，低8位存放在ADC_RESL中。此時(shí)，如果需取完整數(shù)10位結(jié)果，按下面公式計(jì)算。 (式5-1)式中，Vin為模擬輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，本設(shè)計(jì)中為5V。平衡判段程序則是首先系統(tǒng)讀取當(dāng)前反饋的AD值，程序把得到的AD值與上下限比較，若AD值大于設(shè)定好的上限，則電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，（設(shè)螺母遠(yuǎn)離自己一端為參照方向），加大螺帽離平衡臂中心的距離，反之則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，減小螺帽與平衡臂中心的距離來(lái)達(dá)到平衡。電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度不能太快也不能太慢，設(shè)計(jì)中令電機(jī)內(nèi)部的小電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為每一個(gè)A/D采樣執(zhí)行周期轉(zhuǎn)動(dòng)10圈，該轉(zhuǎn)速是經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試得

45、出的，設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部小電機(jī)的轉(zhuǎn)速如果太小，則電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的太少，宏觀表現(xiàn)為電機(jī)抖動(dòng)，反之電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的太多，宏觀表現(xiàn)為超調(diào)。程序流程圖如下。開(kāi)始讀取當(dāng)前AD值A(chǔ)D值是否在設(shè)定范圍內(nèi)大于上限小于下限電機(jī)右旋，減小螺母與中央距離電機(jī)左旋，加大螺母與中央距離電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)NY圖17 程序流程圖5.1 編譯軟件Keil C51簡(jiǎn)介Keil C51是德國(guó)知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM公司）開(kāi)發(fā)的基于8051內(nèi)核的微控制器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是目前最流行開(kāi)發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件，它提供了包括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)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVis

46、ion）將這些部分組合在一起，它支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程。Keil Vision調(diào)試器能準(zhǔn)確地模擬8051設(shè)備的片上外圍設(shè)備（IC、CAN、UART、SPI、中斷、I/O端口、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和PWM模塊）。模擬幫助你了解硬件配置，避免在安裝問(wèn)題上浪費(fèi)時(shí)間。此外，使用模擬器你可以在沒(méi)有目標(biāo)設(shè)備的情況下編寫(xiě)和測(cè)試應(yīng)用程序。當(dāng)你準(zhǔn)備在目標(biāo)硬件上測(cè)試軟件應(yīng)用時(shí)，可以使用MON51、MON390、NONADI、或者FlashMON51目標(biāo)監(jiān)視器、ISD51 In-System調(diào)試器、ULINK USB-JTAG適配器在目標(biāo)系統(tǒng)上下載并測(cè)試程序代碼。5.2 軟件編譯 與STC12C5A60S2

47、系列單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器列于下表所示。表3 單片機(jī)寄存器表符號(hào)地址位地址及其符號(hào)P1ASF9DHP17ASFP16ASFP15ASFP14ASFP13ASFP12ASFP11ASFP10ASFADC_CONTRBCHADC_PWOERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS0ADC_RESBDHADC_RESLBEHAUXR1A2H-PCA_P4SPI_P4S2_P4GF2ADRJ-DPSIEA8HEAELVDEADCESET1EX1ET0EX0IPB8HPPCAPLVDPADCPSPT1PX1PT0PX0IPHB7HPPCAHPLVDHPADC

48、HPSHPT1HPX1HPT0HPX0H（1）P1口模擬功能控制寄存器P1ASFA/D轉(zhuǎn)換通道與P1口復(fù)用，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的P1口可以繼續(xù)作為I/O口使用。需作為A/D使用的口需先將P1ASF特殊功能寄存器中的相應(yīng)位置置1，并將相應(yīng)的口設(shè)置為模擬功能。P1ASF.0=1表示P1.0口作為模擬功能A/D使用。（2）ADC控制寄存器ADC_CONTRADC_POWER為ADC電源控制位。0：關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換器電源；1：開(kāi)啟A/D轉(zhuǎn)換器電源。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換前一定要確定A/D電源已打開(kāi)。SPEED1、SPEED

49、0為模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度控制位，當(dāng)二者皆為一時(shí)表示90個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次，CPU工作頻率21MHz時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換速度約250KHz。ADC_FLAG為模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，ADC_FLAG=1，要由軟件清0。ADC_START為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制位，設(shè)置1時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后置0。（3）輔助寄存器AUXR1當(dāng)PCA_P4=0，SPI_P4=0,S2_P4=0表示缺省PCA/SPI/UART2在P1口，GF2是通用標(biāo)志位。ADRJ=1表示10位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高2位放在ADC_RES寄存器的低2位，低8位存放在ADC_RESL寄存器。DPS=0表示使用缺省數(shù)

50、據(jù)指針DPTR0。（4）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES、ADC_RESLAUXR1寄存器的ADRJ位是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ADC_RES、ADC_RESL）的數(shù)據(jù)格式調(diào)整控制位。當(dāng)ADRJ=1時(shí)，10位A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果的高2位存放在ADC_RES的低2位中，低8位存放在ADC_RESL中。用Keil對(duì)C語(yǔ)言進(jìn)行編譯如下圖16。當(dāng)打開(kāi)軟件后，輸入C語(yǔ)言代碼，當(dāng)代碼輸入完成后，進(jìn)行編譯，顯示"pingheng.c" - 0 Error(s)，0 Warning(s).即沒(méi)有錯(cuò)誤。編譯成功。圖16 Keil編譯C程序6 系統(tǒng)調(diào)試6.1 Protel99se及其操作簡(jiǎn)介Pro

51、tel99SE是2002年由Protel公司推出的用于印刷電路板設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)。從1991年至今，它經(jīng)歷了Advanced PCB，Protel98，Protel99，Protel99SE幾個(gè)版本的發(fā)展。不過(guò)在眾多的版本中，Protel99SE是EDA行業(yè)能第一個(gè)可以在單個(gè)應(yīng)用程序中完成所有電路板設(shè)計(jì)的處理工具。Protel99SE 主要是由PCB印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)和FPGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩部分組成，在這次的設(shè)計(jì)中，使用了引用最廣泛的PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要是有以下幾個(gè)部分。（1）原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境：主要用來(lái)設(shè)計(jì)原理圖文件。（2）原理圖庫(kù)文件編輯環(huán)境：用于設(shè)計(jì)元件原理圖模型。（3）印刷電路盤設(shè)計(jì)環(huán)境

52、：用于設(shè)計(jì)印刷電路板文件。（4）PCB封裝庫(kù)文件編輯環(huán)境：用于編輯元件的封裝模型。6.2 原理及PCB設(shè)計(jì)現(xiàn)在可著手硬件制作，此時(shí)運(yùn)用Protel99SE進(jìn)行原理設(shè)計(jì)，填好每個(gè)元件封裝，此時(shí)有些元件在庫(kù)中是沒(méi)有原理圖及封裝的，此時(shí)就要求設(shè)計(jì)者自行根據(jù)所用硬件參數(shù)畫(huà)原理圖及封裝。當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后便可開(kāi)始布線，布線有兩種方式：自動(dòng)布線和手動(dòng)布線。自動(dòng)布線是軟件根據(jù)當(dāng)前元件布局進(jìn)行的智能布線操作，但是對(duì)于較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，會(huì)出現(xiàn)較多飛線的情況，因此采用手動(dòng)布線。如下圖17是布完線后的PCB圖，圖18是PCB圖對(duì)應(yīng)的電路板圖，圖19為整個(gè)設(shè)計(jì)成品圖。圖19 控制系統(tǒng)PCB圖圖20 電路板圖21 系統(tǒng)效果圖

53、6.3 硬件調(diào)試6.3.1 硬件調(diào)試的準(zhǔn)備工作（1）掌握相關(guān)器件的工作原理。（2）準(zhǔn)備好單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，信號(hào)源。6.3.2 調(diào)試過(guò)程（1）仔細(xì)觀察整板，并著重觀察各元件管腳是否存在虛焊、錯(cuò)焊、漏焊，一定要注意焊點(diǎn)之間不能有連接的情況，如發(fā)現(xiàn)，用小刀將之割斷。（2）將已燒錄好的單片機(jī)插入插座。（3）插上電源，一定要注意電源的正負(fù)，不要接反。（4）把重物放置在不同位置，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀況和平衡臂平衡情況。6.4 設(shè)計(jì)結(jié)果因?yàn)樵谫?gòu)買元件過(guò)程中找不到更長(zhǎng)的螺桿，步進(jìn)電機(jī)不能固定在平衡臂的正中間，導(dǎo)致我的設(shè)計(jì)結(jié)果在一端放置重物時(shí)要考慮到另一端的步進(jìn)電機(jī)的重量，當(dāng)重物放置離平衡臂中間太近，平衡臂不能達(dá)到平衡，

54、同樣，放置得太遠(yuǎn)也不能達(dá)到平衡，但是在適當(dāng)?shù)木嚯x時(shí)，設(shè)計(jì)能達(dá)到除要求（5）以外的其他要求：通電后LED燈有變亮，平衡臂掛有重物時(shí)，電機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母位置使之平衡，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也控制在了1r/s左右，但是由于電機(jī)的端子長(zhǎng)期暴露在空氣中，端子上已經(jīng)開(kāi)始生銹，電機(jī)在快達(dá)到平衡時(shí)的微調(diào)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)不連貫，導(dǎo)致了電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)之后平衡臂與水平面的角度大概在5度左右，未能完全達(dá)到<=5度的要求。7 結(jié)論與研究展望7.1 主要結(jié)論塔吊作為當(dāng)代修建各種大小型建筑物的不可或缺的機(jī)械，對(duì)其更深入的研究具有重要的意義，平衡臂作為塔吊的主要構(gòu)成成分之一歷來(lái)是研究的重點(diǎn)。單片機(jī)因?yàn)槠潆娐泛?jiǎn)單易于調(diào)試而而被廣泛運(yùn)用，本文著力于用單片機(jī)來(lái)來(lái)控制模擬塔吊平衡臂的平衡，并詳細(xì)解釋了其工作原理和實(shí)現(xiàn)方法并作出以下結(jié)論：（1）詳細(xì)闡述了塔吊在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展