单片机原理及接口技术课程设计报告DOC

《单片机原理及接口技术》课程设计报告题目：双轨移动平台专业：电子信息工程班级：09电子信息工程二班姓名：指导教师：成绩：电气工程系2011年12月20日课程设计任务书一．设计目的在加工制造业，工业机器人被广泛应用于生产流水线作业，实现各种零部件加工、装配过程。本设计以一个简单的机器人作业过程综合考察参赛选手对制造工艺流程管理及自动配给、装配技术的理解，并着重考察运动控制方面的能力。二、设计任务设计一小车，使小车能将车上的乒乓球精准的放到导轨的孔洞里。轨道的结构：中间有六个孔洞（右侧第一个洞口为出发校准口，比赛开始前参赛队员需将小车上的放置孔与之对齐），洞之间的中心距为20cm，洞的直径最大为6cm；小车模型横跨在导轨上，并且小车上部是一个放小球的漏斗，如下图。（导轨自己制作）三、具体要求每个洞口接相对应的指示灯，保证在led灯亮的时候乒乓球掉入洞内，其它视为无效。（按照功能板上LED输出的标志，把六个指示灯接好，每个洞口放置一个LED等，如上图所示）

洞孔上方红色指示灯依次亮起熄灭，同一时间只有一盏灯亮，并且从右第一个至左，且灯保持开的状态是2S，2S之后灯熄灭，等待5S之后下一盏灯亮起，且保持2S。小车初始位置在移动平台最右端。（1）小车在洞孔上方，开始信号后，孔洞上的灯点亮；小车在2秒内将乒乓球放入孔洞；（2）小车运行到下一位置并将球放入第二个洞里；不能连续向同一孔洞放入2个球；（3）小车能从右侧第2个孔洞运行到最左侧，并能将其余4个球全部放到相应孔洞；洞孔上方红色指示灯依次亮起熄灭，同一时间只有一盏灯亮，并且从左第一个至右，且灯保持开的状态是1S，1S之后灯熄灭，等待2S之后下一盏灯亮起，且保持1S。小车初始位置放置在移动平台最右端。（1）小车从右侧启动3秒后，最左侧的指示灯亮；小车能在4秒内从最右侧运行到最左侧，并将球准确放到最左侧的孔洞里；（20分）（2）小车运行到左侧第二个洞上方并将球放入；不能连续向同一孔洞放入2个球；（5分）(3)然后小车能依次从左侧运行到右侧，将其余4个球放到相应孔洞；（20分）摘要本设计采用两块单片机STC89S52作为智能小车上的检测、控制核心和轨道上的6只红色led灯控制实现小车能在规定时候释放乒乓球，以备生产流水线作业，实现各种零部件加工、装配。采用红外前沿技术进行洞口探测并另增光线探测LED模块，更能有效校准小车停驶位置和时间点。本设计所用元器件基本为耗能小、性价比高的普通分立元件，所用耗材均为人们日常生活中废置不用的材料，更节能。小车采用履带传送式车，驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向PWM控制，性能稳定，易控制，并用单片机编程，运用精确的模数转换技术加上控制系统与电路用光电耦合器完全隔离以避免干扰，让小车有效而方便地完成任务！关键词：智能小车PWM洞口探测光线探测性价比节能目录系统硬件的基本组成部分一主要单元电路的设计2红外探测洞孔模块3光敏探测LED模块4小车上89C52②控制模块5数码管②计时模块6电机驱动：PWM脉宽调制方式控制7舵机释放乒乓球模块二.软件设计三参考文献四附录五评语表1系统硬件的基本组成部分这是一个光、机、电一体的综合设计,在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可分为传感器检测部分和智能控制部分。传感部分包括红外探测洞孔模块、光敏探测LED亮灯模块，智能控制部分包括系统中控制器件根据由传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制小车的电机、显示数码管、以及发光二极管，完成了小车的直线行驶，探测洞孔，探测光源，显示时间，舵机释放乒乓球等各项任务。控制部分包括四个主要单元电路：单片机控制电路、前后轮电机驱动电路、乒乓球释放电路、数码管动态显示电路。2.2主要单元电路的设计一主要单元电路的设计轨道上89C52①控制模块采用单片机程序控制。图2.2.1.1轨道上89C52①控制模块sch电路图2红外探测洞孔模块：反射式红外光电传感器此模块电路原理检测系统主要实现光电检测，洞口探测采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏二极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏二极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。该电路采用反射式红外线光电传感器用于检测轨道洞口，此套红外光电传感器固定在小车底盘前沿，贴近地面，以适应探测洞口、停车和释放小球的需要。如图：小车未到洞口反射红外接收传感器接收到经木板反射回来的红外线输出高电平，绿灯亮；小车至洞口，由于反射距离增大接收信号变弱甚至没有输出低电平，绿灯灭。红灯亮指示传感器已通电正常运行。图2.2.2.3光敏探测LED模块：光电传感器小车要投球，就要准确地判断释放乒乓球的位置。由于光源在导轨一侧，用粘胶将光敏二极管固定在车的前侧沿部分，并使光敏二极管尽量与光源保持对准。图2.2.3.1光敏探测LED模块4小车上89C52②控制模块图2.2.4.1小车上89C52②控制模块小车加电系统开始工作，计时模块运行。根据光源传感器探测结果，舵机开始工作，控制第一个小球进洞。小车行驶时，利用反射式红外光电传感器判断是否到洞口，控制小车停驶。同时数码管显示当前计时。再判断对应的灯是否点亮，如亮则释放小球。基于89C52芯片完全能实现题目要求且稳定性强，性价比高，所以用它作为主控制芯片。89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。5数码管②计时模块图2.2.5、图2.2.5

6电机驱动：PWM脉宽调制方式控制L298N的原理L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可驱动2个电机，OUT1、0UT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA,ENB接控制使能端，控制电机的停转。单片机STC89C52输出二组PWM波，每一组PWM波用来控制一个电机的速度，另外二个I\O口可以控制电机的正反转。控制方法与控制电路都比较简单。即P10、P11控制第一个电机的方向，输入的:PWM1控制第一个电机的速度：P12、P13控制第二个电机的方向，输入的PWM2控制第二个电机的速度。图2.2.6.1电机驱动图2.2.6.2电机驱动SCH电路图7舵机释放乒乓球模块a.舵机：一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。图2.2.7.2舵机转动角度b.用单片机来控制：正是舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比方PLC、单片机。因为在脉冲信号的输出是靠定时器的溢出中断函数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。因此如果忽略中断时间，从另一个角度来讲就是主程序和脉冲输出是并行的，因此，只需要在主程序中按你的要求改变计数器计数初始值a，例如让a从500变化到2500，就可以让舵机从0度变化到180度。另外要记住一点，舵机的转动需要时间的，因此，程序中a值的变化不能太快，不然舵机跟不上程序。根据需要，选择合适的延时，用一个a递增循环，可以让舵机很流畅的转动，而不会产生像步进电机一样的脉动。这些还需要实践中具体体会。舵机的速度决定于你给它的信号脉宽的变化速度。二.软件设计系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。程序是在WindowsXP环境下采用KeiluVision4软件编写的，可以实现小车对光电传感器的查询、输出脉冲占空比的设定、电机方向的确定等功能。主程序主要起到一个导向和决策功能，决定什么时候小车该做什么。小车各种功能的实现主要通过调用具体的子程序。1主程序流程图图3.1.1主程序流程图2.传感器流程图图3.2.1传感器流程图3洞孔探测：图3.3.1洞孔探测流程图4光源探测：检测光电传感器子程序主要用于保证判断的准确性，采样时序图如图所示。单片机根据需要直接从端口读取，为了防止出现干扰和错误信号，采用延时读取的方法，即在第一次读取后延时一段时间再读取，如果第二次读取的信号和第一次的不一样，则说明信号是干扰信号，就重新读取并比较，直到两次读取的信号一致，才判断灯亮。图3.4.1采样时序图参考文献梅遂生、杨家德.光电子技术—信息装备的新秀[M].北京：国防工业出版社.2004年.张友德、赵志英、涂时亮.单片机微型机原理应用与实验（第三版）[M].上海：复旦大学出版社.2006年何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M]、系统配置与接口技术.北京：北京航空航天大学出版社.2007年.149-156陆坤、奚大顺、李之权等.电子设计技术[M].四川：电子科技大学出版社.2005年.P682-688、838-941附录:主要元器件清单心得体会此次课程设计软件与硬件相结合,考察了我们的焊接水平与编程能力.因为以前做过关于焊接的电工实习，所以对于我们机械设计专业的学生而言焊接是不成问题,也很顺利;可到了编程时就出现了很大的障碍,先开始的显示时钟还算顺利,本来还以为编程会很简单的,等到实际操作起来才知道它的复杂性,没有想像中的那么得心应手,理解流程是有思维的前提.其实本身程序的思维是正确的,只是步骤中有点小错