《车载DVD位控系统的设计》7600字（论文）

PAGE17车载DVD位控系统的设计目录前言 11总体方案设计 21.1总体架构 21.2功能要求 22硬件设计 32.1I/O分配 32.2主控模块 32.3步进电机控制模块 52.4步进电机驱动器 62.5下载接口 72.6电源接口 82.7复位电路 92.8晶振电路 93软件设计 103.1主程序设计 113.2步进电机驱动编码 123.3步进电机子程序 124功能测试 14结束语 17参考文献 17PAGE1

[摘要]随着现代汽车工业和电子技术的发展，市场对导航、通信等多媒体信息系统的需求日益增加。目前的汽车品牌中车载DVD的安装方式大多采用大屏幕方式，大大占用了使用空间。本设计中采用的是一种成本低廉而且能减小对车内空间占用的车载DVD安装方式，采用单片机和步进电机进行控制系统设计。本文根据控制要求，选用STC89C52单片机为主控核心，建立I/O表，画出原理图，编写程序；然后根据原理图构建实物，并将程序下载至实物进行测试，最终可以实现DVD的位移控制，即出仓和翻转控制。[关键词]车载DVD；单片机；控制前言现如今汽车的发展日新月异，更新迭代速度快，加上生活节奏加快，通勤时间增加，人们待在车上的时间也越来越多，为了增加驾驶的趣味性，各种各样的娱乐性产品横空出世，但娱乐性产品的增加势必会减少车内的使用空间，然而近年来人们选择紧凑型车型是大势所趋。虽然紧凑型的车型在空间上给人的感觉没有那么疏远，反而更能拉近人与人之间的距离，但随着娱乐性产品在汽车上使用率的增加，势必会减少车内的使用空间，然而人们对车内空间的要求也越来越大，这与前者背道而驰，这也是目前流行的车型所存在的弊端。如何扩大车内的使用空间、提高空间利用率也成为了近年来的热门话题，这也是本次课题研究的主要内容。本次设计的主控单元为STC89C52微型控制器，其中包含有步进电机模块、步进电机驱动模块等，通过C语言编程来与两个步进电机配合完成车载显示屏的水平与翻转的动作，拟采用嵌入式的安装方式，形成一体化安装，在外观上更加美观，既减小的空间占有率也提高了空间使用率。

1总体方案设计1.1总体架构本论文的总体设计方案主要是对车载DVD位控系统进行设计，其控制系统是利用STC89C52单片机为主控单元，制作出一款最终实现车载DVD出仓、闭仓控制的系统。该系统包含晶振模块、复位电路、电源模块、下载模块、按键模块、步进电机和步进电机驱动器等模块。主要是利用步进电机实现车载DVD的水平移动和翻转操作，即从仓内移动到用户面前的动作，但步进电机不能直接在直流电路中使用，需要增加步进电机驱动器辅助完成。整体架构如图1所示。图1整体架构图1.2功能要求本系统主要是实现车载DVD出仓、闭仓状态控制，并用两个步进电机配合实施。当步进电机向前动作到尾端，表示车载DVD屏幕从仓内移动出来；步进电机动作使车载DVD翻转，表示车载DVD展示到用户面前；步进电机动作使车载DVD翻转归正并回到初始位置，表示车载DVD完成闭仓。

2硬件设计2.1I/O分配本设计选用STC89C52为主控单元，主要的输入输出模块包含有按键模块、复位模块、步进电机、步进电机驱动模块；按键模块通过按键切换实物的动作状态令其停止启动；复位模块具有开机复位功能；步进电机驱动模块用于驱动电机，当驱动模块接收到信号时，发出指令驱动电机动作，在本设计中驱动模块采用ULN2003芯片；步进电机用于执行程序的指令，使车载DVD进行动作，完成出仓和翻转的动作指令。I/O分配如表1所示。表1I/O分配表输入端口输出端口引脚名称引脚名称P2.0按键切换P3.3~P3.6ULN2003①RST复位按钮P1.0~P1.3ULN2003②P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）2.2主控模块本设计选用的单片机是微电子发展的先驱者，它被广泛应用于许多领域，特别是工业控制领域。在1980年微控制器起步阶段，只有4位的微控制器，后来逐渐发展到8位，以及现在常见的32位。目前针对低成本的应用8位单片机仍然具有较大优势。单片机正常工作的条件是需要具有复位电路和时钟电路，其中时钟电路可以为单片机提供基础的时钟从而可以产生系统脉冲频率,复位电路可以使单片机开机复位从而执行内部的程序。所以可以看出对于51系列的单片机，想要使得单片机正常运行，在设计它的系统时是非常至关重要的。STC89C52单片机的第9个引脚是具有复位功能的引脚，该引脚常态保持低电平，如果检测到高电平则会复位，当单片机软件跑飞或死机时，便可通过该引脚电平拉高使之复位，或接一个按键，从而可以达到人为的手动复位单片机。时钟电路则是为单片机系统提供稳定的心跳。在51系列的单片机中绝大多数都是通过采用12MHz、11.0592MHz等大小的晶振，产生晶振频率，通过这里用到的串行口来看，最终选用12MHz的晶振。即可做到让单片机运行时可以得到较快的频率，同时在计算定时器和串口波特率时也比较方便。单片机实物如图2所示。引脚图如图3所示。图2STC89C52实物图图3STC89C52引脚图2.3步进电机控制模块现如今电机在工业发展中是一个极为重要的组成部分，具有举足轻重的地位。电机随着运用的范围越来越广，从一开始的动力应用方面逐渐涉猎到控制领域。这方面的转变，才会使得控制电机在工业中的使用量越来越广泛。步进电机是一种在控制电机中不用通过反馈电路，便能做到在定位、速度控制两者间相互进行转换的器件。其中常见运用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等方面。步进电机还具有一个优点就是在不是超载的情形中，步进电机的转动速度和停止位置只受到电信号的频率和脉冲数的影响，并不会因为负载本身的变化而变化，简单来说就是给电机一个脉冲信号，电机就会按照之前设定好的角度转动。正是因为这一线性变化关系的存在，且没有累计性误差，仅存在因为频率的变化所带来的周期性误差，在当需要对位置、速度等进行控制时，就可以更好的发挥这一优势，使控制更为方便简单，所以在位置、速度等控制领域，步进电机的受众会更广泛。对于车载DVD的可移动和翻转控制，本设计采用步进电机实现，车载DVD的移动和翻转均是由两个步进电机进行横向和纵向的动作来实现完成。因为其本身结构简单、成本低且过载性好，但控制方便又可以做到控制的精度高等特点被广泛应用。其驱动方式则是采用脉冲激励的方式进行，通过一定规律的脉冲组合就可以实现步进电机的正转、反转等一些控制功能。由于本设计使用的51单片机其I/O引脚的驱动能力有限，无法对步进电机进行直接控制，因此需要在中间加上一级电流放大器，用以增强单片机的输出能力。步进电机实物图如图4所示。图4步进电机实物图2.4步进电机驱动器由于步进电动机不能直接连接在直流或者交流电路中,因此需要选择一套特殊的驱动电源，即步进电动机的驱动器。步进电机驱动器是指将高低电平变换成一定角度移动的距离，其工作原理是在电路中，接收一个脉冲信号，收到脉冲信号后，将驱动信号传给步进电机，让步进电机按照之前设定好的运动方向进行动作，实际上就是步进电机内部进行旋转，并且旋转是按照特定的角度进行的。步进电机驱动器本身是运用直流电源进行供电的，步进电机接受到来自步进电机驱动器驱动信号，并对步进电机各相绕组进行通电后。当步进电机收到驱动信号后，便会按照之前预设好的角度，精准的开始动作。为了达到准确的定位目的，可以采取改变脉冲信号的频率来改变步进电机的转动速度和加速度。本次设计所使用的步进电机驱动器型号是ULN2003A，电路示意图如图5所示。本次主要运用的是通过ULN2003A驱动器进行伺服电机和步进的驱动。它的主要动作原理是，ULN2003A驱动器本身是一个具有7路反向器电路的集成芯片，当输入端为高电平时ULN2003A的输出端口会自动变成低电平，反之就会变成高电平。为了形成续流回路，让二极管起到续流的作用，所以需要将COM引脚接在负载的供电电源上，使得ULN2003A是集电极开路输出，如此形成续流回路之后，可以当作器件使用，例如步进电机的驱动电路。图5步进电机驱动引脚图2.5下载接口想要使单片机进行程序的烧录，就是通过单片机的下载接口进行的，下载接口示意图如图6所示。当单片机需要运行时，会进行程序下载端口的检测，检测当前单片机是否需要下载程序，当无需进行程序的重新烧录时，就会继续使用原程序，而当需要重新下载时，就会进行程序的重新烧录。如今的社会对于任何产品都追求于方便快捷、智能化，因为社会的需求增加，让更多器件得到较高的发展与改善。随着时代的发展和科技的高速发展，涌现出了许许多多新型的且价格低廉的输入输出设备，即日常生活中常见的带着USB接口的存储设备，得到了人们的认可和喜爱，慢慢地取代了以往落后的输入输出设备。此新型的设备不仅仅是存储空间大，且它的体积也随着技术的更新越做越小，各个方面都体现了其强有力的碾压性的优势，还有一点饱受人们喜爱的是它的便捷性，可以直接与计算机相连接，不用加上辅助的设备就可以进行数据的读写。这项优势使它的运用范围加深。它其实根本上是通过SL8HHS芯片与USB协议，两个相互合作配合，完成芯片读取信息，进而写入U盘。由此可见，SL8HHS芯片完全可以做到单片机与USB之间的数据连接与传输。有了这项技术，在加上其他相应的配件，单片机就可以实现了对各种各样信息的读取与写入等功能。图6下载接口示意图2.6电源接口在一个设计中除了核心器件至关重要以外，还有一个致命的要素同时也容易被忽视的环节就是电源，相当于在一个电路中，供电系统的好与坏，直接影响到整个电路的性能和完成度。特别是微控制单元电路中，电源电路一旦存在缺陷，直接导致整个程序的跑飞，或使得微控制单元造成损坏。微控制单元电路供电一般需要考虑两个方面，第一个方面是输入电源的参数，简单来讲就是考虑周全，即整个微控制单元电路中所有的电路使用输入电源电压的最大值，已满足我们所选用的电源电压可以满足所有电路的需求。第二个方面就是考虑微控制单元电源电路中的负载，毕竟微控制单元电源电路中往往不止给一个器件进行供电，所以要考虑整个电源电路负载的范围。在进行以上两个方面的考虑后，本次设计采用的单片机为STC89C52，是通过5V电源供电，所以一般在运行时采用外接5V电源供电。具体是在管脚3、VCC处外接电源。从管脚3到管脚1形成回路，最终使得给单片机供电运行使用。电源接口电路示意图如图7所示。图7电源接口电路示意图2.7复位电路复位电路是由电阻和电容组成的，两个间相互作用形成复位。具体是在电路中，电阻的作用是给电容进行充电，让电容中的电压上升至VCC，这时会出现两种情况，一种是未到VCC时，此时VCC两端处于低电平状态，芯片就会复位；另一种是接近VCC时，此时VCC两端处于高电平，芯片就会停止复位。在本次设计中，复位电路主要是当程序出现卡死或遇到了非正常运行状态，触发复位电路使其重新装载程序，恢复正常状态。复位电路示意图如图8所示。图8复位电路示意图2.8晶振电路以往只要是单片机的电路最不可或缺的就是晶振，几乎在以往的任何一块电路板上都可以看到晶振，晶振是石英晶体通过加工后使其镀上电极而成的，主要是为了使它能够在通电后，产生一种周期性且稳定的机械震荡，通过这种震荡给单片机的其他器件提供稳定的时钟源。所以在以往的电路中都会普遍看到晶振电路，但是早期单片机技术还未成熟时，都是在单片机的外部外接晶振。之所以要外接晶振，是因为单片机的运行依赖于稳定且具有周期性的时钟脉冲。目前科学技术得到发展，使得单片机的技术也已经成熟，目前市场上的单片机都已经做到了集成内部时钟，在单片机的外部外接晶振的现象也越来越少，但也仅仅只是适用于要求不高的应用场景中。在要求相对严格的场景中，还是需要晶振电路的帮助，因为单片机自己本身的内部时钟技术还不是很完善，还是很容易受到外界的干扰，从而体现了晶振电路在单片机中的重要地位。晶振电路的组合方式有很多，但其实晶振电路主要都是由晶振和电容构成的。最经典的一种组合方式是由一个晶振和两个电容组成。电容在晶振电路中的作用是为了使谐振满足电路的需求，主要就是使晶振两端的电容满足单片机上的负载电容。晶振电路中，晶振两端的电容满足电路上的负载电容时，将同时满足晶振的起振要求，晶振便开始工作给单片机提供时钟脉冲，是稳定具有周期性的时钟脉冲。晶振两端的电容因为这一功用，被称之为“负载电容”或“谐振电容”。晶振电路就相当于单片机的心脏，振动的频率就相当于脉搏，为单片机提供核心动力。本设计中的晶振电路采用的正是最常见的经典的晶振电路的组合方式，如图9所示。图9晶振电路示意图3软件设计车载DVD系统的设计，主要使用KeiluVision5软件进行编写，KeiluVision5是运用C语言进行编程的软件，其做到了将51系列单片机和C语言两者合并进行开发运用，使两者做到兼容，是一款专业又实用的软件。而C语言在与其他汇编语言相比较，其的语言程序逻辑无论是在功能上、结构上、可读性上都比其他汇编语言具有优势，对于知识能力和语言程序逻辑相对薄弱的人其较为容易上手。系统只用1个按键来控制，当第一次按下按键之后，电机1沿水平方向移动，电机转动约20圈，电机1到位之后触发电机2执行翻转操作，电机2转动约0.4圈，此时DVD处于出仓到位状态；第二次按下按键之后，整个流程逆转，先由电机2往反方向转动约0.4圈，电机2反转到位之后，触发电机1反转，电机1反转约20圈，电机1反转到位之后即完成入仓流程。整体流程如图10所示。图10整体流程图3.1主程序设计车载DVD系统的主程序主要通过程序扫描按键是否按下，判断按键状态是否为1，来进行调用电动机的前进、后退子程序，使电动力带动车载DVD动作。主程序一开始定义了电动机的状态为后退置1，而后通过按键状态扫描：为1时主程序调用步进电机前进函数（出仓和翻转）；不为1时主程序调用步进电机后退函数（返回仓内和逆时针翻转）。主程序流程图如图11所示。图11主程序流程图3.2步进电机驱动编码步进电机转动主要是运用了二进制编码方式，因为单片机无法提供足够的驱动电流来驱动步进电机，因此需要步进电机驱动模块来放大信号。电机选用28BYJ-48型号的步进电机，此种型号电机有4相输出加上1根电源线，4相线分别接到单片机的P1.0~P1.3与P3.3~P3.6端口，电源线接到5V电源处，且电源线为红色，四根相线的颜色分别是橙、黄、粉和蓝色。由于步进电机的输出特性，在输出时四个相线轮流置位，即0001、0010、0100、1000，将二进制编码转换成十六进制编码，且用两位十六进制数代表两个步进电机，写入单片机中即可驱动步进电机，转换成十六进制编码如图12所示。图12十六进制编码3.3步进电机子程序步进电机部分包含有水平移动的步进电机与执行翻转操作的步进电机。步进电机共有4相，步进电机在转动时，每经过1相都会对应电机转动1.8度，即1步。在程序里利用for循环设定了水平方向电机走了4000步，根据公式：步数*1.8/360=圈数，可换算出水平方向的电机共走了20圈；执行翻转操作的电机设定了走80步，根据公式也可以换算出执行翻转操作的电机走了0.4圈。相与相之间利用delay函数进行延时，delay的数值越小，相与相之间的时间间隔就越短，换言之就是电机的转动速度越快。电机子程序如图13所示。图13电机子程序

4功能测试当所有连接完成之后，紧接着就需要对实物进行上电测试。首先将电源线连接到电源模块，电源线采用的是圆形接口，将圆形接口的一头连接至电源模块，另一端的USB接口连接到电脑USB接口或者手机充电器上，如此一来即可为单片机提供5V的电压。在烧录程序之前需要把keil5中的C语言文件编译成以hex为文件名后缀的文件，还需要安装一个CH340的驱动，以便单片机通过USB连接电脑时电脑能够识别出单片机并与之建立通信。接着将程序烧录到单片机核心中，打开STC-ISP软件后，在单片机型号处选择相应的单片机型号，也就是STC89C52型号，接着在“串口号”处选择相对应的通信串口号，最高波特率选择9600波特率，接着点击打开程序文件按钮，选择已经编译好的相对应的hex文件，最后点击下载/编程按钮，等待软件将程序烧录到单片机中。整体的接线实物图如图14所示。图14整体实物接线程序烧录到单片机之后，接着需要对实物进行验证，让实物与理论对比看是否符合预期效果。第一次按下按键，控制水平方向的电机开始转动，水平方向的电机上连接有一根丝杆，电机的转动也带动了丝杆一起转动，丝杆上还连接着控制翻转方向的电机。当丝杆推进到位时，控制水平方向的电机停止转动，控制翻转方向的电机开始起动，执行翻转动作，翻转到位时即是完成了出仓动作，测试过程中运动器件能符合程序逻辑进行控制，能够完成出仓动作，表明测试成功。出仓完成图如图15所示。图15出仓测试图出仓完成表明整个控制流程完成了一半，接下来是测试回程控制，也就是回仓测试。第二次按下按键，控制翻转方向的电机再次起动，将显示屏翻转至水平方向，控制翻转方向的电机停止后，控制水平方向的电机起动，并且是反转方向，将丝杆往回拉，丝杆的反转带动着丝杆上控制翻转方向的电机往回收，当丝杆回收到位时控制水平方向的电机停止转动，完成回仓流程。回仓完成图如图16所示。图16回仓测试图至此，一个完整的控制流程已经测试完毕，运动部件都能按照预想的控制逻辑运动，表明测试成功。结束语经过几个月的理论研究与实物调试，终于完成了车载DVD位控系统的研究开发工作，并且学到了如何将理论知识转换为实际应用，通过理论与实际相结合的方式，提高了动手能力与知识水平，锻炼了思维逻辑。设计开始之初在寻找相关文献资料时，所找到的文献资料较少，造成了一开始并没有完全理解课题的控制逻辑；在硬件选型阶段也遇到了不少困难，单片机的种类与型号琳琅满目，需要将单片机进行比对与测试；实物测试阶段也会遇到各种各样的问题，深刻的认知到了从理论设想到实际开发之间不会是一帆风顺的道路，途中总会遇到这样那样的问题，有时候虽然知道问题现象存在却很难找到问题根源所在，也感悟到了