舞台背景转换控制器毕业设计.doc

信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目: 舞台背景转换控制器 专 业: 通信技术 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学生姓名学号班级专业通信技术 设计（或论文）题目舞台背景转换控制器 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 助 教 高级工程师 设计（论文）内容： （1）设计指标 设计一个舞台背景转换控制电路，可以顺反两个方向控制步进电机的旋转，以此来控制幕布 的转换； 按一次正转按钮使步进电机按顺时针步进转动 9 度； 按一次反转按钮按逆时针步进转动 9 度； 按下正转或反转按钮不放时，步进电机按每次 9 度不停的正转或反转。 （2）设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图） ； 软件编程； 电路仿真。 进度安排： 第 5 周：任务下达，理解消化任务要求；初步设计方案确定； 第 6 周-第 10 周：设计方案确定，分模块部分完成； 第 11 周：中期检查，查找问题，分析解决难点； 第 12 周-第 15 周：分模块调试，整体电路调试，论文书写等； 第 16 周：答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 李全利.单片机原理及应用技术.高等教育出版社，2006 2 何立民.单片机高等教程.航空航天大学出版社，2000 3 张毅刚.MCS51 单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，1997 4 潘新民.微型计算机控制技术.人民邮电出版社，1999 5 朱鸿彪实用电子制作智能桑拿干蒸显示控制器.人民教育出版社，2006 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 I 目 录 摘 要1 第章 绪论2 第 2 章 方案设计3 2.1 系统功能要求.3 2.2 整体方案.3 2.2.1 方案比较与论证.3 2.2.2 方案选择.4 第 3 章 硬件设计与分析5 3.1 单片机时钟电路设计.5 3.2 单片机复位电路设计.6 3.3 键盘电路设计.7 3.4 驱动步进电机部分.9 3.4.1 步进电机的介绍.9 3.4.2 驱动步进电机电路.9 3.5 稳压电源10 第 4 章 软件设计与分析.11 第 5 章 调试与运行.12 5.1 软件仿真12 5.2 硬件调试12 总 结.14 致 谢.16 参考文献.17 附录 A 总电路原理图 .18 附录 B 程序清单 .19 第 1 页 共 20 页 摘 要 本设计是采用单片机控制步进电机的自动舞台背景转换控制器，电路简单、功 能齐全、制作成本低、而且非常实有。主要硬件包括单片机、时钟电路、复位电路、 控制电路、驱动步进电机电路。本系统采用并行控制，环形分配器其功能由单片机 系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。驱动系统中采用的是 ULN2003A 步进电机驱动芯片，通过单片机输出控制信号，实现对步进电机不同的步距控制。 关键词 单片机；控制；步进电机 第 2 页 共 20 页 第章 绪论 在舞台机械设备中，吊杆起着重要的作用。在大型的影剧院，一场演出往往需 要调动大量的舞台背景，有时要控制多达 64 路的吊杆同时动作。操作人员要在现场 不断变换舞台背景，控制室人员要不断地和现场人员进行协调，这给舞台控制带来 了很大不便。对舞台背景的集中控制、位置的精确定位是设计中要解决的关键问题。 目前的舞台控制系统大都通过采用光电编码盘产生脉冲信号的方式来获取吊杆的移 动距离，并直接用单片机进行计数和控制。这种方法在响应多路请求时，往往会因 为单片机任务繁重而造成计数脉冲丢失，引起测量误差。综上所述，本系统采用并 行控制，环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分 配。 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于 步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪 表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机 的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景。 驱动系统中采用的是 ULN2003A 步进电机驱动芯片，通过单片机输出控制信号， 实现对步进电机不同的步距控制。 第 3 页 共 20 页 第 2 章 方案设计 2.1 系统功能要求 本设计方案采用内部含 Flash 存储器的单片机 AT89C51 作为核心部件，并配以 晶振电路、复位电路、通过扩展外围设备及接口电路完成整个控制系统对步进电机 的控制。通过按下正转按钮时,步进电机顺时针转动 9 度，使舞台转换一张背景图,当 按下反转按钮时,步进电机逆时针转动 9 度，从而使舞台换回上一张背景图。 2.2 整体方案 2.2.1 方案比较与论证 1基于数字电路实现的电路方案 此方案选用如下框图设图计方案，它主要是以 L297 芯片和 L298 芯片组成的控 制驱动电路，由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件， 它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备步进电机控制驱动器典型步进 电机控制系统如图 2-1 所示：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹连续 变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自 控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱 动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是 用计算机软件设计的方法实现环行分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一 类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分 配器的较小输出信号进行放大.以达到驱动步进电机目的。 图 2-1 数字电路原理框图 第 4 页 共 20 页 2基于单片机实现的电路方案 本设计方案采用内部含 Flash 存储器的单片机 AT89C51 作为核心部件，并配以 晶振电路、复位电路、通过扩展外围设备及接口电路完成整个控制系统对步进电机 的控制对步进电机的控制有串行和并行两种方式，本系统采用并行控制，环形分 配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。驱动系统中 采用的 ULN2003A 步进电机驱动芯片，通过单片机输出控制信号，实现对步进电机 不同的步距控制。基于单片机实现的电路方案方框图如图 2-2 所示： 图 2-2 单片机电路原理框图 2.2.2 方案选择 由于现代科学蓬勃发展，各行各业都趋向自动化，就连舞台也不例外，人们对 舞台效果的要求也上了一个新台阶，对舞美要求较高,需要变换多次背景,所以此设计 具有很大的现实意义。而以单片机为主体的电路具有高可靠性、功能强、高速度、 超强抗干扰、低功耗和低价位等优点，高可靠性、功能强、高速度一直是衡量单片 机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件，所以本次设计我 们选用了以单片机为中心的设计，此方案的性价比明显要比数字电路构成的系统， 即本次设计选择方案二。 第 5 页 共 20 页 第 3 章 硬件设计与分析 3.1 单片机时钟电路设计 在单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接石英 晶体（简称晶振） ，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图 3-1 中电容器 C1和 C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在 530pF，典型值为 30pF。晶振 CYS 的振荡频率范围在 1.212MHz 间选择，典型值为 12MHz 和 6MHz。 单片机时钟电路图，如图 3-1 所示: 图 3-1 单片机时钟电路图 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号 的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 晶振周期（或外部时钟信号周期）为最小的时序单位，如图 3-2 所示。 第 6 页 共 20 页 图 3-2 单片机的时钟信号 晶振信号进分频器后形成两相错开的时钟信号 P1 和 P2。时钟信号的周期也成 为 S 状态，它是晶振周期的两倍，即一个时钟周期包含 2 个晶振周期。在每个时钟 周期的前半周期，相位 1（P1）信号有效，在每个时钟周期的后半周期，相位 2（P2）信号有效。每个时钟周期有两个节拍（相）P1 和 P2，CPU 以 P1 和 P2 为基 本节拍指挥各个部件协调地工作。 当晶振信号 12 分频形成机器周期后，即一个机器周期包含 12 个晶振周期或 6 个时钟周期。因此，每个机器周期地 12 个振荡脉冲可以表示为 S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，S6P2。 3.2 单片机复位电路设计 复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作 就是从复位开始的，当在单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周期时，单 片机内部就执复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态） 。 实际应用中，复位操作有两种基本的形式：一种是上电复位，另一种是按键复 位。由于本次设计采用的是按键复位，所以这里只介绍按键复位，如图 3-3 所示。 第 7 页 共 20 页 图 3-3 按键复位电路 按键复位要求按下按键后，单片机实现复位操作。常用的按键复位如上图所示。 按下按键瞬间 RST 引脚获得高电平，随着电容 C1的充电，RST 引脚的高电平将逐 渐下降。 RST 引脚的高电平只要能保持足够的时间（2 个机器周期） ，单片机就可以进行 复位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为 12MHz 时，C1为 10uF，R1为 8.2k，晶振为 6MHz 时，C1为 22uF，R1为 1k。 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。初始化后，程序计数器 PC=0000H 所以程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机启动后，片内 RAM 为随 机值，运行中的复位操作不改变片内 RAM 的内容。 特殊功能寄存器复位后状态使确定的。P0P3 为 FFH，SP 为 07H，SBUF 不定， IP、IE 和 PCON 的有效值为 0，其余的特殊功能寄存器的状态均为 00H。相应的意 义为： （1）P0P3=FFH,相当于各口锁存器已写入 1，此时不但可以用于输出，也可 以用于输入； （2）SP=07H，堆栈指针指向片内 RAM 的 07H 单元（第一个入栈内容将写入 08H 单元） ； （3）IP、IE 和 PCON 的有效位为 0，各中断源处于的优先级且均被关断，串行 通信的波特率不加倍； （4）PSW=00H，当前工作寄存器为 0 组。 3.3 键盘电路设计 按键是单片机应用系统最常用的输入设备，操作人员可以通过键盘向系统输入 指令、数据，实现简单的人机通信。键盘分为矩阵键盘与独立式行列键盘。 第 8 页 共 20 页 方案一：矩阵式键盘 矩阵键盘与独立式按键键盘相比，硬件电路大大节省。可通过软件的方法让一 键具有多功能。它适用于按键数量较多的场合，由行列线组成，按键位于行列的交 叉点上，节省 I/O 口。但是需要大量程序设计对于我们来说有些困难，考虑到本设 计只需两个键，所以不易使用。矩阵式键盘电路如图 3-4 所示。 S1S2S3 S4S5S6 S7S8S9 1 2 3 4 5 6 JN C ON 6 图 3-4 矩阵式键盘 方案二：独立式键盘 独立式按键就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根 I/O 口线，每根 I/O 口线的按键工作状态不会影响其他 I/O 口线上的工作状态。因此，通过检测输入线 的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。它的电路配置灵活，软件结构简单。 独立式键盘电路如图 3-5 所示。 图 3-5 独立式键盘 由于本设计所用的按键很少，所以根据上述两个方案的比较采用独立式键盘。 第 9 页 共 20 页 3.4 驱动步进电机部分 3.4.1 步进电机的介绍 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动 器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及 步进角） 。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同 时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的， 步进电机分三种：永磁式（pm） ，反应式（vr）和混合式（hb） 。 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度；反应 式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很 大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的 优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。 这种步进电机的应用最为广泛。 3.4.2 驱动步进电机电路 驱动系统中采用的 ULN2003A 步进电机驱动芯片，通过单片机输出控制信号， 实现对步进电机不同的步距控制。 ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅 NPN 达林顿管组成。该电 路的特点如下： ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7k 的基极电阻,在 5V 的工作电压下它能 与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的 数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关态时 承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 ULN2003 采用 DIP16 或 SOP16 塑料封装。 每片封装了 7 个达林顿管； 每个驱动管的输出电流可达 500mA（峰值 600mA） ； 输出电压 50V； 为感性负载集成了抑流二极管(Suppression Diode)； 对于较大的电流，可以将输出并接使用； 输入 TTL/CMOS/PMOS/DTL 与兼容。 第 10 页 共 20 页 图 3-6 步进电机驱动电路 3.5 稳压电源 电路对电源的要求不高，采用 20W25W 变压器，将 220V 交流电变成 15V， 经桥式整流、电容滤波，在经过三端稳压器 W7812 稳压，输出 12V 直流电压供给 步进电机。如图 3-7 所示，W7812 最大输出电流为 2A，已经足够给步进电机供电了。 其中 D7D10选用 1N4007 型硅整流二极管。 图 3-7 电源电路 第 11 页 共 20 页 第 4 章 软件设计与分析 程序是使单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序的框架。系 统上电后，对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器的设定， 单片机工作方式及各端口的工作状态的规定。利用步进电机原理，当按下正转按钮 不放，单片机依次向 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 送高电平，通过 ULN2003 处理后对步 进电机的各相绕组按合适的时序通电，使步进电机每按一次按顺时针步进转动 9 度。 当按下反转按钮不放，单片机依次向 P1.3、P1.2、P1.1、P1.0 送高电平，通过 ULN2003 处理后对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，使步进电机按逆时针步 进转动 9 度。程序流程图如图 4-1 所示。 图 4-1 主程序流程图 第 12 页 共 20 页 第 5 章 调试与运行 5.1 软件仿真 安装 keil C51 软件，建立工程，在工程项目下编辑程序保存在工程项目中，注 意一定要设置文件后辍名，汇编语言程序为.asm，c 语言程序为.c，然后编译仿真直 到 0 错误，最好 0 警告，最后生成 hex 文件。如图 5-1 所示。 图 5-1 程序仿真 5.2 硬件调试 安装硬件调试软件 Proteus ISIS，在原理图编辑区画好硬件电路图，设置好相 应参数，导入 hex 文件。 具体功能仿真如下：初始状态时，步进电机值显示 0.00，如图 5-2 a）所示；当 按下正转按钮时，步进电机顺时针转动，步进电机值增大,如图 5-2 b）所示；当按下 反转按钮时，步进电机逆时针转动，步进电机值减小，如图 5-2 c）所示。 第 13 页 共 20 页 0.00 +12V a）初状态 +63.0 +12V -18.0 +12V b）正转c）反转 图 5-2 步进电机运转状态 第 14 页 共 20 页 总 结 时至今日，几个礼拜的毕业设计终于可以画上一个句号了，但是现在回想起来 做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过乐趣尽在其中呀！没有 接受任务以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结（这是我以前的一 种想法） ，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面、太偏激了。毕业设 计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对 整个毕业设计的过程做一下简单的总结。 第一，接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣 的题目，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第 一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯 路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。因此，选题时一定要考虑好了。 第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，好的 开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但 也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记 录下来以备后用。 第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些 了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。 第四，有了研究方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的 铺垫。编写源代码的时候最好是编写一个小模块就进行调试，这样可以避免设计的 最后出现太多的错误而乱成一团糟。一步步地做下去之后，你会发现要做出来并不 难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改调试，再修 改再调试。 我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多， 真是万事开头难，不知道如何入手。还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现 其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只 有到真正会用的时候才是真的学会了。 第 15 页 共 20 页 在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我这样的机会锻炼。在 整个毕业设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自 己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提 高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽 然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大 收获和财富，使我终身受益。 第 16 页 共 20 页 致 谢 经过近三个多月的毕业设计，在曾妍老师和谭望春老师的指导下本人顺利完成 了此次毕业设计，通过这次设计使本人受益匪浅。本设计中主要硬件包括单片机、 时钟电路、复位电路、控制电路、驱动步进电机电路。单片机技术、数字电路、电 子技术等多领域知识这次设计是对大学两年来的学习知识系统化、深层次化，得以 灵活的应用。通过这次设计学会了分析问题、处理问题的方法，可以说达到了举一 反三的目的。为以后工作、学习都打下了比较坚实的基础。 在此次设计过程中，曾妍老师和谭望春老师在百忙之中给予了我精心的辅导和 指点，帮助我解决许多难点，疑点，使我对理论知识与实践知识达到有机的结合。 在此我要向我的指导师曾妍老师和谭望春老师表示最衷心的感谢！另外，本设计也 得到了其它老师、同学的支持和帮助，谨在此一并感谢！ 第 17 页 共 20 页 参考文献 1 李全利单片机原理及应用技术高等教育出版社，2006 2 何立民单片机高等教程航空航天大学出版社，2000 3 张毅刚MCS-51 单片机应用设计哈尔滨工业大学出版社，1997 4 潘新民微型计算机控制技术人民邮电出版社，1999 5 朱鸿彪实用电子制作智能桑拿干蒸显示控制器人民教育出版社，2006 第 18 页 共 20 页 附录 A 总电路原理图 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 R1 1k C1 10uF X1 FREQ=12MHz C2 20pF C3 20pF R2 100 +5v 1B 1 1C 16 2B 2 2C 15 3B 3 3C 14 4B 4 4C 13 5B 5 5C 12 6B 6 6C 11 7B 7 7C 10 COM 9 U2 ULN2003A +88.8 +12V +5v R3 47K R4 47K 正转 反转 第 19 页 共 20 页 附录 B 程序清单 ORG00H START：MOVD