基于单片机的平衡臂控制系统设计毕业论文设计(编辑修改稿)

基于单片机的平衡臂控制系统设计毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

， ，所以 器分得的电压 [3]。 设计要求 本设计要完成以下功能： （ 1）当单片机插上电源后，位于 PCB 板上的 LED 亮，成功表示上电。 （ 2）当平衡臂挂有重物时，电机能自动旋转调整螺母位置使之平衡。 （ 3） 35BYJ46 电机额定转速是可控的，为了提高效率要求转速应在 1r/s 左右。 （ 4）在设计中平衡臂角度对应的 AD 值本来就设定在 888892 之间，所以电机停止转动时有可能不会完全与水平面达到平衡，在误差允许范围内，平衡臂与水平面的角度 =5 度。 单 片 机 控 制 器 电位分压器 稳压电路 驱动电路 第 4 页 共 34 页 （ 5）无论重物放置在平衡臂的什么地方都能通过电机的旋转使平衡臂重新达到平衡。 3 硬件选型 单片机选型 12C5A60S2 简介 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟 /机器周期(1T)的单片机，是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 812 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路， 2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 转换 (250K/S，即 25 万次 /秒 )，针对电机控制，强干扰场合。 STC12C5A60S2 系列单片机的程序存储器和数据存储器是各自独立编址的。 STC12C5A60S2 系列单片机的所有程序存储器都是片上 Flash 存储器，不能访问外部程序存储器，因为没有外部访问使能信号 — EA 和程序存储 启用信号— PSEN。 STC12C5A60S2 系列单片机内部有 1280 字节的数据存储器，其在物理和逻辑上都分为两个地址空间 :内部 RAM(256 字节 )和内部扩展 RAM(1024 字节 )。 另外， STC12C5A60S2 系列单片机还可以访问在片外扩展的 64KB 外部数据存储器。 内部 RAM 共 256 字节，可分为 3 个部分：低 128 字节 RAM 与传统8051 兼容高 128 字节 RAM (Intel 在 8052 中扩展了高 128 字节 RAM )及特殊功能寄存器区。 低 128 字节的数据存储器既可直接寻址也可间接寻址。 高 128 字节RAM 与特殊功 能寄存器区貌似共用相同的地址范围，都使用 80HFFH，地址空间虽然貌似重叠，但物理上是独立的，使用时通过不同的寻址方式加以区分。 高128 字节 RAM 只能间接寻址，特殊功能寄存器区只可直接寻址，其部分特点： （ 1） 增强型 8051CPU， 1T，单时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统 8051。 （ 2） 工作电压： STC12C5A60S2 系列工作电压： ～ （ 5V 单片机）。 （ 3）工作频率范围： 0 ～ 35MHz，相当于普通 8051 的 0 ～ 420MHz。 （ 4）片上集成 1280 字节 RAM。 （ 5）有 EPROM 功能。 （ 6）通用 I/O 口（ 36/40/44 个），复位后为：准双向口 /弱上拉（普通 8051传统 I/O 口）可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，强推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 120mA器可通过串口（ ）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 （ 7）内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 12M 以下时，复位脚可直接 1K 电阻到地）。 （ 8）共 4 个 16 位定时器两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数器， 16 位定时 第 5 页 共 34 页 器 T0 和 T1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位。 （ 9）外部高精度晶体 /时钟，内部 R/C 振荡器 (温漂为 177。 5% 到 177。 10% 以内 )用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体 / 时钟常温下内部 R/C 振荡器频率为： 单片机为： 11MHz ～ 17MHz； 单片机为： 8MHz ～ 12MHz。 （ 10） 3 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 ，独立波特率发生器可 以在 口输出时钟。 （ 11）外部中断 I/O 口 7 路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的 PCA 模块， Power Down 模式可由外部中断唤醒， ， T0/， T1/， RxD/， CCP0/(也可通过寄存器设置到)， CCP1/(也可通过寄存器设置到 )。 （ 12） PWM(2 路） / PCA（可编 程计数器阵列， 2 路）；也可用来当 2 路 D/A使用；也可用来再实现 2 个定时器；也可用来再实现 2 个外部中断 (上升沿中断 /下降沿中断均可分别或同时支持 )。 （ 13） A/D 转换， 10 位精度 ADC，共 8 路，转换速度可达 250K/S(每秒钟25 万次 )。 （ 14）通用全双工异步串行口 (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定时器或 PCA 软件实现多串口 [12]。 12C5A60S2 单片机内部结构 STC12C5A60S2 系列单片机的内部结构框图如下图 2 所示。 STC12C5A60S2单片机中包含中央 处理器 (CPU)、程序存储器 (Flash)、数据存储器 (SRAM)、定时/计数器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 转换、 SPI 接口、 PCA、看门狗及片内 R/C 振荡器和外部晶体振荡电路等模块。 STC12C5A60S2 系列单片机几乎包 含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统[12]。 第 6 页 共 34 页 图 2 12C560S2 内部结构图 12C5A60S2 单片机封装尺寸图 单片机 12C5A60S2 拥有不同形式的封装，本设计选用的是 PDIP40 型封装[10]，如下图 3。 Control Unit Port 1 锁存器 Port0,2,3,4,5 锁存器 LVD/ LVR RESET XTAL1 XTAL2 Port 1 驱动器 ADC 8 Port 0,2,3,4,5 驱动器 P0,P2,P3,P4,P5 AUXRAM 1024字节 RAM 地址 寄存器 RAM 256 字节 B寄存器 ACC 堆栈指针 TMP2 TMP1 定时器 0/1 串口 1 串口 2 ALULVR PSW WDT 程序存储器（ Flash） ISP/IAP 地址生成器 程序计数器（ PC） PCA SPI 第 7 页 共 34 页 图 31 12C5A60S2PDIP40 封装 图 32 12C5A60S2 尺寸图 第 8 页 共 34 页 单片机管脚介绍 表 1 单片机管脚介绍 管脚 管脚编号 说明 ～ 39～ 32 P0 : P0口既可作为输入 /输出口，也可作为地址 /数据复用总线使用。 当 P0口作为输入 /输出口时， P0是一个 8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。 当 P0作为地址 /数据复用总线使用时，是低 8位地址 [A0~A7]， 数据线 的[D0~D7]。 标准 I/O 口 PORT1[0] ADC0 ADC 输入通道 0 CLKOUT2 独立波特率发生器的时钟输出可通过设置 WAKE_CLKO[2]位/BRTCLKO将该管脚配置为CLKOUT2 2128 Port2: P2口内部有上拉电阻，既可作为输入 /输出口，也可作为高 8位地址总线使用 (A8 ~ A15)。 当 P2口作为输入 /输出口时， P2是一个 8位准双向口 标准 I/O 口 PORT3[0] RxD 串口 1 数据接收端 标准 I/O 口 PORT3[1] TxD 串口 1 数据发送端 XTAL1 19 内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的 一个引脚。 当直接使用外部时钟源时，此引脚是 外部时钟源的输入端 XTAL2 18 内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振 的另一端。 当直接使用外部时钟源时，此引脚可 浮空，此时 XTAL2实际将 XTAL1输入的时钟进行输 出。 VCC 40 电源正极 Gnd 20 电源负极，接地 步进电机 很显然，本次设计中最为重要也是核心的原件非步进电机莫属，市场上的步进电机按力矩产生原理分类有永磁式、反应式、混合式步进电机；按定子数分类有单定子式、双定子式、多定子式步进电机；按定子励磁相数分类有三相、四相、五相、六相步进电机，本设计选的是四相五线步进电机 [6]。 第 9 页 共 34 页 四相五线步进电机 步进电机内部构造如下图 图 4 步进电机内部构造 通过上图可知， A， ~A 是联通的， B 和 ~B 是联通。 那么， A 和 ~A 是一组 a，B 和 ~B 是一组 b。 不管是两相四相，四相五线，四相六线步进电机。 内部构造都 是如此。 至于究竟是四线，五线，还是六线。 就要看 A 和 ~A 之间， B 和 B~之间有没有公共端 抽线。 如果 a 组和 b 组各自有一个 端，则该步进电机六线，如果 a 和 b 组的公共端连在一起，则是 5 线的。 本次设计用到的是四相五线步进电机，谷 a 和 b 的公共端是连在一起的。 由于五线中， a 和 b 组的公共端是连接在一起的。 用万用表测，当发现有一根线和其他几根线的电阻是相当的，那么，这根线就是公共 端。 驱动方法 驱动步进电机有好几种方法，个人觉得比较简单也比较常用的还是下面这两种， 有四相四拍运行方式即 ABBCCDDAAB ，四相八拍运行方式即 AABBBCCCDDDAA，设计中选用的是四相八拍的电机，电机四相八拍的工作原理如下图。 第 10 页 共 34 页 图 5 步进电机内部结构 上图是表示刚刚步进电机的内部结构，没有画中线抽头。 中间那个表示电机转子，左边蓝色的表示 A 线圈，上面红色的表示 B 线圈，大家看到上面标志中还有一些是打括号的，表示什么呢。 就是说这个接线是一开始讲到的 A’接线，跟刚刚讲到的那个 C 字母表示的接线其实是同一根线。 那现在我就用图来表示解释下什么是四相八拍， AABBBCCCDDDAA 表示的是 什么。 AABBBCCCDDDAA 中出现的字母表示这根线对应加上高电平，其余的加低电平。 具体就是 A 处于高电平，其余处于低电平，延时一小段， AB 处于高电平，其余处于低电平，依次类推 [8]。 具体选用步进电机 永磁式步进电机（ PM），是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 度或 15 度。 电机里有转子和定子两部分：可以是定子是线圈，转子是永磁铁；也可以是定子是永磁铁，转子是线圈。 应用领域：永磁式步进电机主 要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、阀门控制、核反应堆、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。 本次设计中选用的 35BYJ46 型永磁式步进电机（四相五线），该电机质量小，用 5V电压就能驱动，一般的设计中运用该电机很合适。 其外观如下图。 第 11 页 共 34 页 图 6 35BYJ46 步进电机 35BYJ46 步进电机工作参数 35BYJ46 步进电机，永磁减速步进电机，微型减速步进电机， 4 相减速电机[7]。 (1) 额定电压： 12V DC。 (2) 相数： 4。 (3) 减速比： 1/。 (4) 步距角： 度 / 度（定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子转过的机械角度称之为步距角，通常用 s 表示）。 (5) 驱动方式： 4 相 8 拍。 (6) 直流电阻： 130Ω177。 7%(25℃ )。 (7) 温升： 40K(120Hz)。 (8) 噪音： 40dB(A)。 (9) 重量：约 100g。 电位器 鉴于制作经费有限，本次设计中并未采用角度传感器，而是采用了一个丁字型的滑动电位器来代替，滑动电阻器与一个 轴承相连，平衡臂左右摇摆时位于中央的轴承带动电位器上的划片相应的移动从而实现了分压。 电位器阻值 100K。 驱动芯片 ULN20xx ULN20xx、 ULN2800 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，。