運動控制的智能模擬負載畢業(yè)論文

1、<p>　　運動控制的智能模擬負載</p><p><b>　　——硬件部分</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　運動控制的智能模擬負載，是針對自動化專業(yè)運動控制系統實驗中，對負載對象及其變化規(guī)律的要求而設計的。本智能負載，是為滿足現代工業(yè)調試、科研測試中對不同負載對象及其

2、變化規(guī)律的需求，涉及到計算機控制、專業(yè)電工、電子、電力電子應用等技術、掌握單片機工作原理及應用技術的模擬負載及其智能化技術。硬件設計主要解決的是設計一個典型的單片機系統，它主要包含：無極性輸入，兩種模式下的三鍵輸入(復用)，RS—485標準通訊口，典型MCS—51系列單片機系統等。</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The in

3、telligence simulation load of movement controlled is aimed at experiment of movement controlled system in automation specialized subject, which is designed to record to load action and the need of change rules. The intel

4、ligence load is order to satisfy many kinds of loads action and the need of change rules which is in industry test today and scientific research test, which is used in inferring to computer’s control and professional ele

5、ctrician and electron and electric power and so on, it</p><p>　　關鍵詞：模擬負載，單片機系統，RS-485串行通信，光電耦合器，驅動電路， E2PROM存儲器，</p><p>　　Key Words:Simulation Load，Micro Computer System，RS—485 Series Communicat

6、ion， Photoelectrical Coupling， Drive Circuit，E2PROM Memory Cell.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　緒 論 ………………………………………………………………………………… 3</p><p>　　課題的名稱和課題背景 ……………………………………

7、………………… 3</p><p>　　國內外相關研究狀況 ………………………………………………………… 4</p><p>　　主要工作 ………………………………………………………………………… 5</p><p>　　論文的結構安排………………………………………………………………… 5</p><p>　　2 單片機的工作原理及應用 ……

8、………………………………………………… 7</p><p>　　2.1單片機的應用……………………………………………………………………… 7</p><p>　　2.2 AT89C51單片機的結構………………………………………………………… 7</p><p>　　2.3本模擬負載對單片機型號的選取…………………………………………… 9</p><

9、;p>　　3 單片機系統的硬件設計………………………………………………………… 11</p><p>　　3.1 系統在兩種模式下的三鍵輸入（復用）……………………………… 11</p><p>　　3.2 X5045芯片在系統中的應用 ……………………………………………… 11</p><p>　　3.2.1 X5045芯片的引腳及特點…………………

10、……………………………… 11</p><p>　　3.2.2 X5045芯片在控制系統中與單片機的接口……………………………… 12</p><p>　　3.3 RS—485標準通訊口 ………………………………………………………… 13</p><p>　　3.3.1 串行通信接口標準………………………………………………………… 14</p>&

11、lt;p>　　3.3.2 75176芯片的隔離 ………………………………………………………… 14</p><p>　　4 顯示部分系統的硬件設計…………………………………………………… 17</p><p>　　4.1 LED顯示器……………………………………………………………………… 17</p><p>　　4.1.1 LED的選擇………………………

12、…………………………………………… 17</p><p>　　4.1.2 LED的驅動和顯示…………………………………………………………… 18</p><p>　　4.2 顯示器的驅動 ………………………………………………………………… 19</p><p>　　5 負載部分 …………………………………………………………………………… 22</p>

13、<p>　　6 原理圖的設計……………………………………………………………………… 24</p><p>　　7 電路板的印制……………………………………………………………………… 26</p><p><b>　　8附 錄:</b></p><p>　　8.1 開題報告 ………………………………………………………………

14、… 27</p><p>　　8.2 中期報告 ………………………………………………………………… 31</p><p>　　8.3 相應外文資料翻譯……………………………………………………… 32</p><p><b>　　系統SCH圖</b></p><p><b>　　致 謝</b>

15、;</p><p><b>　　設計總結</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1課題的名稱、課題背景</p><p>　　本課題名稱為“運動控制的智能模擬負載”。

16、</p><p>　　為了滿足現代工業(yè)生產調試、科研測試中對不同負載對象及其變化規(guī)律的需求，涉及計算機控制、電力電子應用等技術的模擬負載及其智能化技術近年來得以迅猛發(fā)展。本智能模擬負載，是針對自動化專業(yè)運動控制系統實驗中對負載對象及其變化規(guī)律要求而設計的。</p><p>　　在運動控制系統中，不同負載對象都有其特點及變化規(guī)律（線性、非線性），通過自主設計的單片機系統，可實現自動調節(jié)其電流

17、值，進行輸出脈寬的調節(jié)，從而模擬不同負載的特性。</p><p>　　本設計的中心即設計一個含有特定功能的典型單片機系統。</p><p>　　*采用無極性輸入，模塊可以接收任意極性直流供電。它允許將主回路中的2根發(fā)電機電樞直流輸出電源線在傳輸途中任意極性連接，容忍了的反接差錯，使電路中的接線在使用時大為方便并具有安全保證。</p><p>　　*利用全控器件斬波主

18、回路。</p><p>　　*本系統在工作、參數設定的兩種模式下實現三鍵輸入（復用）。利用軟件編程實現此功能。</p><p>　　*典型的MCS-51系列單片機系統。我打算采用ATMEL公司的AT89C51。AT89C51是一種帶有4KB Flash可編程、電可擦除只讀存儲器（E2PROM）的低壓、高性能8位CMOS微型計算機。它為許多嵌入式控制應用提供了高度靈活和成本低的解決辦法?；?/p>

19、以上特點，在需要I/O線不多的控制場合，選用它作為核心控制芯片，可使電路極大的簡化，而且程序的編寫及固化也相當方便、靈活。</p><p>　　*RS-485標準通訊口。RS-485接口芯片已廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網絡、機電一體化產品等眾多領域。RS-485接口在不同的使用場合，對芯片的要求也不同。在這里，我將采用型號為SN75LBC176，它的標準驅動節(jié)點數為32，采用半雙工通訊。</p&

20、gt;<p>　　*本設計中用到芯片X5045，它是帶有硬件寫保護功能的串行E2PROM，主要起到電路中的參數存儲作用（例如最大最小電流采集值），其接口兼容SPI總線規(guī)范，通過一對串行時鐘、數據線對片內存儲單元進行讀寫。X5045的片內存儲器容量為4K bit（或512字節(jié)）。</p><p>　　2國內外相關研究狀況 </p><p>　　近年來，直流電動機的結構和控制方

21、式都發(fā)生了很大的變化。隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，使采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制（Pulse width modulation,簡稱PWM）控制方式已成為絕對主流。這種控制方式很容易在單片機控制中實現，從而為直流電動機控制數字化提供契機。</p><p>　　以下簡單介紹利用單片機和脈寬調制控制技術對電動機進行調速控制的實例。</p><p>　

22、　此系統是工業(yè)控制計算機發(fā)出控制命令，通過與單片機的通信，按命令單片機產生控制步進電機運轉的脈沖信號。按照發(fā)出不同的控制命令，使二維步進電機分別作正轉，反轉，快轉，慢轉和停止等動作，還可自成系統自動運行。它的控制系統工作原理圖：</p><p>　　工業(yè)控制計算機是二維步進電機的控制系統的主機，負責從鍵盤接收外部命令由串行口輸出后，再經接口電路發(fā)送單片機，然后接收單片機回送的命令數據并進行比較。</p>

23、;<p>　　接口電路實現上位機串行口信號與單片機信號之間的轉換，以實現工業(yè)控制計算機與單片機的正常通信。</p><p>　　單片機負責從工業(yè)控制計算機上接收命令，并將其轉換成控制脈沖信號，從并行口發(fā)出到步進電機驅動電路。在脫離工業(yè)控制計算機的控制時，還要保證系統能按一定程序自動運行。</p><p><b>　　3主要工作</b></p>

24、<p>　　本智能負載論文所闡述的單片機系統采用ATMEL公司的AT89C51芯片為核心，組成典型的單片機系統，并和PC機通信（采用RS—485標準通訊口）。該系統對以單片機AT89C51為主的控制系統進行了硬件設計，并在此設計的基礎上給出相應的原理圖和硬件開發(fā)板。涉及到計算機控制、專業(yè)電工、電子、電力電子應用等技術、掌握單片機工作原理及應用技術的模擬負載及其智能化技術。硬件設計主要解決的是設計一個典型的單片機系統，它主要

25、包含：主回路，負載回路，無極性輸入等。</p><p>　　1. 4 論文的結構安排</p><p>　　緒論。在本章中將介紹與本論題相關的發(fā)展狀況和國內外研究現狀，提出本課題所研究的主要工作，并簡單介紹了論文的安排。</p><p>　　單片機工作原理及應用基礎。本章將針對ATMEL公司的AT89C51單片機的結構進行原理和應用的介紹。</p>&l

26、t;p>　　單片機系統的硬件設計。在本章中，將系統的介紹系統工作模式、參數設定三鍵輸入（復用），SPI串行總線的E2PROM系統參數存儲（采用X5045），RS—485標準通訊口（采用SN75LBC176），常規(guī)可靠性接地技術（硬件狗）的主要功能和特點。</p><p>　　顯示部分系統的硬件設計。此章節(jié)對電路的顯示部分作了介紹，包括顯示驅動芯片的選擇，典型參數的計算（電阻、開關頻率、速率、 耐壓等）。&l

27、t;/p><p>　　輸出負載部分。本章節(jié)根據運動控制系統中不同負載對象的特點及變化規(guī)律，設定具體參數并計算確定電路負載元件的大小和型號。</p><p><b>　　原理圖的設計</b></p><p><b>　　電路板的印刷</b></p><p><b>　　開題報告</b>

28、;</p><p><b>　　中期報告</b></p><p><b>　　相應外文資料翻譯</b></p><p><b>　　系統SCH圖</b></p><p><b>　　致 謝</b></p><p><b&

29、gt;　　設計總結</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　2 單片機工作原理及應用基礎</p><p>　　2.1 單片機的應用</p><p>　　在生活和生產的各個領域中，凡是有自動控制要求的地方都會有單片機的身影出現；從簡單到復雜，從空中、地面到地下，凡是能想象的地

30、方幾乎都有使用單片機的需求。單片機的應用有利于產品的小型化、多功能化和智能化，有利于提高勞動效率等。</p><p>　　2.2 AT89C51單片機</p><p>　　AT89C51單片機是一種帶有4KBFlash可編程、可擦除只讀存儲器（E2PROM）的低壓、高性能8位CMOS微型計算機。通過在單塊芯片上組合通用的CPU和Flash存儲器，使AT89C51成為一種功能很強的微型計算

31、機。它為許多嵌入式控制應用提供了高度靈活和成本低的解決辦法?；谝陨咸攸c，在需要I/O線不多的控制場合，選用它作為核心控制芯片，可使電路極大的簡化，而且程序的編寫及固化也相當方便、靈活。</p><p>　　·具有四種工作模式的全雙工串行口</p><p>　　·片內帶一個4KB的Flash的程序存儲器</p><p>　　·全靜態(tài)工作

32、：0Hz～24Hz，33Hz</p><p>　　·128×8的內部數據存儲器</p><p>　　·32條可編程I/O線</p><p>　　·兩個16位定時器/計數器</p><p>　　·5個中斷源/2個中斷優(yōu)先級</p><p>　　·可編程I/O串行

33、通道（32條）</p><p><b>　　·片內時鐘振蕩器</b></p><p><b>　　·3個程序保密位</b></p><p>　　·供電電壓（4.0～6.0 V）</p><p>　　·封裝形式:P40(40腳PDIP封裝)； J44(44腳PL

34、CC封裝)； A44(44腳TQFP封裝)</p><p><b>　　輸入/輸出引腳：</b></p><p>　　P0（P00～P07）：是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。作為輸出口用時，每位驅動八個TTL輸入（吸收電流方式）。對端口寫1時，又可作高阻抗輸入端用。在訪問外部RAM和ROM時，是分時多路轉換的地址（低8位）/數據總線。在訪問期間激活了內部上拉電阻R

35、。在Flash編程時，P0口接受指令字節(jié)；在校驗程序時，輸出指令字節(jié)。驗證時要加上拉電阻。</p><p>　　P1（P10～P17）：是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動四個TTL的輸入（吸收/輸出電流方式）。對端口寫1時，通過內部上拉電阻把其拉到高電位，可作輸入口。在Flash編程時，P1接受低8位地址。</p><p>　　P2（P10～P27）：是一個帶內

36、部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動四個TTL的輸入（吸收/輸出電流方式）。對端口寫1時，通過內部上拉電阻把其拉到高電位，可作輸入口。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數據存儲器時，P2送出高 8位地址。在訪問8為地址的外部數據存儲器時，P2口引腳上的內容（即SFR區(qū)中 的內容）在整個訪問期間不變。在對Flash編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。</p><p>　　P3（

37、P30～P37）：是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動四個TTL的輸入（吸收/輸出電流方式）。對端口寫1時，通過內部上拉電阻把其拉到高電位，可作輸入口。P3口還用于一些復用功能。在對Flash編程和程序校驗時，還接收一些控制信號。</p><p>　?。寒斣L問外部存儲器時，ALE（地址存儲允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率（振蕩器頻率的1/6

38、）周期性出現正脈沖信號。因此，它可作為對外輸出的時鐘，用于定時目的。注意：每訪問外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。</p><p>　　對Flash存儲器編程時，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。</p><p>　　：程序存儲允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。當此芯片由外部程序存儲器取指令（常數）時，每個機器周期兩次有效（即輸出兩個脈沖）。但在此期間內，每訪問外部程序存儲器時，

39、這兩次有效的信號將不出現。</p><p>　?。和獠吭L問允許端。要使CPU只訪問外部程序存儲器（0000H～FFFFH），則端必須保持低電平（接GND）。當接Vcc時，CPU則執(zhí)行內部程序存儲器的程序。</p><p>　　2.3 本模擬負載對單片機型號的選取</p><p>　　本系統要實現以下功能：</p><p>　　*本系統在工作

40、、參數設定的兩種模式下實現三鍵輸入（復用）。利用軟件編程實現此功能。在這里，需從單片機引出三個I/O口。</p><p>　　*RS-485標準通訊口。RS-485接口在不同的使用場合，對芯片的要求也不同。在這里，我將采用型號為SN75LBC176，它的標準驅動節(jié)點數為32，采用半雙工通訊。這一部分，將使用單片機的TXD、RXD和一個I/O口。</p><p>　　*采用無極性輸入，它允許

41、將回路中發(fā)電機電樞的2根直流輸出線在傳輸途中任意極性連接，容忍了電路接線的反接差錯，使電路使用使用起來更為方便且具有安全保證。這部分占用一個I/O口。</p><p>　　*本設計使用到芯片X5045，它是帶有硬件寫保護功能的串行E2PROM，其接口兼容SPI總線規(guī)范，通過一對串行時鐘、數據線對片內存儲單元進行讀寫。由于采用的是SPI總線類型，故至少有SI、SCK、SO三根線與單片機的I/O口相連，還有寫保護和位

42、選端的連接。</p><p>　　*此外，與三鍵式鍵盤（復用）相配合的顯示電路部分，并行驅動的結構較為簡單，我將采用四位數碼管共陰極的并行輸出接法。這種方案將用到單片機的12位I/O口（8個段選、4個位選）。 </p><p>　　3 單片機系統的硬件設計</p><p>　　3.1 系統在兩種模式下的三鍵輸入（復用）</p><p>　

43、　此系統利用三鍵式輸入，即在工作模式、參數設定兩種狀態(tài)下有不同的作用。</p><p>　　在工作模式下，三個鍵起開關、顯示轉換、照明等功用；</p><p>　　在參數設定模式下，利用按鍵設定電流值的大小，調節(jié)轉速。可描述出從空載到滿載的變化周期的負載曲線。 具體實現要靠軟件編程。</p><p>　　3.2 X5045在系統中的應用</p>&

44、lt;p>　　3.2.1 X5045的引腳及特點</p><p>　　芯片選擇輸入，看門狗復位輸入；</p><p>　　SI 串行輸入；</p><p><b>　　SO 串行輸出；</b></p><p>　　SCK 串行時鐘輸入； </p><p><b>　　寫

45、保護輸入；</b></p><p><b>　　Vss 地；</b></p><p>　　Vcc 電源電壓；</p><p>　　RESET 復位輸出。</p><p>　　·512字節(jié)串行E2PROM；</p><p>　　·可編程看門狗定時器（可設定看門

46、狗定時器，典型時間為200ms、600ms、1.4s或禁止）；</p><p>　　·上電復位及低電壓檢測，即在上電和Vcc低于檢測門限時，RESET輸出高電平；如允許看門狗定時器工作且保持高電平時間長于看門狗超時周期，RESET輸出高電平復位信號；</p><p>　　·SPI接口方式，最高可達1MHz串行時鐘頻率；</p><p>　　

47、83;E2PROM存儲器可分塊或全部鎖定保護；</p><p>　　·防止偶然性寫保護（包括上電掉電保護電路、寫使能鎖存器、寫保護引腳）；</p><p>　　·每字節(jié)擦寫次數可達10萬次、數據可保存100年；</p><p>　　·所有引腳ESD防靜電保護可達200V；</p><p>　　·低功耗C

48、MOS電路（備用電流10uA、工作電流3mA）。</p><p>　　3.2.2 X5045在系統控制中與單片機的接口</p><p>　　系統控制器中X5045與單片機AT89C51硬件接口如圖所示：</p><p>　　X5045與AT89C51硬件接口</p><p>　　X5045有512×8串行E2PROM，通過X504

49、5的、SCK、SI、SO等引腳控制對X5045的讀寫。進入設置參數首先顯示第一項原設置參數（如量程下限），同時顯示一位標記位（標記參數性質既現場設置修改狀態(tài)）。設置修改確認的參數，先放在AT89C51的RAM中，一項一項設置后，單片機將引腳P1.0（X5045的）置低、P1.4()電平置高并向X5045發(fā)出WERN指令,置位寫使能鎖存器,然后將存放在AT89C51的RAM中設置修改確認的幾項參數寫入X5045的3個區(qū)域。數據寫至E2PR

50、OM時，先發(fā)出WRITE命令，然后寫地址和寫入鎖所需的數據。之后單片機向X5045發(fā)出WRDI指令以禁止寫操作，并使P1.4為低(從硬件上禁止寫操作)。工作狀態(tài)期間,在單片機的RAM區(qū)內放置從X5045的3個區(qū)域取出的、經表決處理的用戶設置參數數據，供計算使用，并不斷刷新（在主程序的每個循環(huán)中讀取一次E2PROM）以保證其正確性。在8位數據被發(fā)送之后，必須為高電平。</p><p>　　由于電網干擾嚴重，故采取措

51、施防止數據丟失是十分重要和必要的。X5045提供了多種數據保護功能，初在軟件中設置寫保護外（單片機向X5045發(fā)出WRDI指令），接口電路中還將下拉（置低），僅在寫操作前將引腳電平置高。正常工作狀態(tài)時為低電平，X5045的寫操作被禁止，以防止干擾信號發(fā)生作用。</p><p>　　X5045集E2PROM、可編程看門狗定時器、低Vcc復位加上電復位3項功能為一體。采用該器件簡化了電路設計。</p>

52、<p>　　3.3 RS—485標準通訊口</p><p>　　3.3.1 串行通信接口標準</p><p>　　串行通信接口是指設備之間的接口。我們最熟悉的關于串行通信接口的名詞可能就是COM與USB了，因為它們都是當代PC機必備的串行通信接口。</p><p>　　串行擴展接口是設備內部器件之間的互接接口。常用的串行擴展接口規(guī)范有SPI（Seria

53、l Peripheral Interface，串行外圍接口，美國Motorola公司的注冊商標），I2C（Inter IC，集成內部電路，荷蘭Philip公司的注冊商標）等。</p><p><b>　　·RS—485標準</b></p><p>　　RS—232是異步串行通信中應用最早，也是目前應用最為廣泛的標準串行總線接口技術之一。但是RS—232的關鍵

54、之處是一種基于單端非對稱電路的接口，即一根信號線與一根地線，這種結構對共模信號沒有抑制能力，它與差模信號疊加在一起，在傳輸電纜上產生較大的壓降損耗，壓縮了有用信號的動態(tài)范圍。因而，不可能實現遠距離與高速傳輸。為了避免這些缺陷，有推出了技術性能更加先進的RS—485標準。</p><p>　　RS—485不僅傳輸距離遠，通信可靠，而且使用單一+5V或+3V電源，邏輯電平與傳輸數字電平邏輯TTL兼容，此外對傳輸介質物

55、理層沒有任何嚴格要求，只需普通雙絞線即可簡便地組成網絡。RS—485標準器件的數據傳輸速率目前有32Mb/s，20Mb/s，12 Mb/s，10 Mb/s，2.5 Mb/s和數百Kb/s等規(guī)格。</p><p>　　隔離問題：由于光電耦合器件是高阻抗輸出，因此應盡量靠近接口芯片，即盡量縮短光電耦合器輸出腳與接口芯片之間的連線，使得分布電容盡量減小，而有利于提高傳輸速率。</p><p>　

56、　光電耦合器是限制接口通信速率的主要因素。</p><p>　　為發(fā)光二極管與光電晶體管(附基極端子)封裝的光電耦合器,結構為雙列直插6引腳塑封,內部電路見上。</p><p>　　3.3.2 SN75LBC176芯片的隔離</p><p><b>　　1 問題的提出</b></p><p>　　在使用RS—485

57、總線時，如果簡單地按常規(guī)方式設計電路，在實際工程中可能有通信數據收發(fā)的可靠性問題。如果設備之間距離較遠，現場的干擾也較大，所以往往通信的可靠性質量不高。針對此種問題，我對485總線的硬件采取了具體的改進措施。</p><p>　　2 硬件電路的設計</p><p>　　本方案以AT89C51單片機自帶異步通信口，外接SN75LBC176芯片轉換成485總線為例。其中為了實現與單片機系統

58、的隔離，在AT89C51的異步通信口與SN75LBC176之間采用光電耦合器隔離。電路原理如圖所示：</p><p>　　由于要對系統進行及時監(jiān)控和響應，通信數據的波特率應做的較高。限制通信波特率提高的“瓶頸”，并不是現場的導線，而是在與單片機系統進行信號隔離的光電耦合電路上。此處采用TIL117?？梢詢?yōu)化普通光電耦合電路參數的設計，使之能工作在最佳狀態(tài)。例如：電阻R2、R3如果選取的較大，將會將會使光電耦合的發(fā)

59、光二極管由截止進入飽和變得較慢；如果選取的過小，退出飽和也會很慢，所以，這兩只電阻的數值要精心選取不同型號的光耦和驅動電路使得這兩個電路的數值略有差異，可以由實驗來定。 </p><p>　　常用光電耦合器主要參數 </p><p>　　在這里，我采用的是TIL117，根據電流傳輸比CTR=I2/I1，估算出光電耦合器的上拉電阻R的值。</p><p>　　光電

60、耦合器的電流傳輸比CRT的定義是CRT＝i2／i1×100%。</p><p>　　在本設計中，使用的是TIL117光電耦合器，它的最小電流傳輸比為50%。又發(fā)光二極管的壓降為1.7～1.8V，導通電流為4mA～10mA,晶體管的最小Uce為0.7V。</p><p>　　假設光電耦合器導通電流i1=5mA，那么</p><p>　　R3=(+5V- 1.

61、8)/i1=（5-1.8）/0.005≈600Ω</p><p>　　∵CTR=50%=i2/i1</p><p><b>　　∴i2=2.5mA</b></p><p>　　R4=（+5V-0.7）/i2≈(5-0.7)/0.0025≈1.5K。</p><p><b>　　其他類似情況同上。</b&g

62、t;</p><p>　　4 顯示部分系統的硬件設計</p><p><b>　　LED顯示器</b></p><p>　　LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫。LED顯示器價格低廉、配置靈活、功耗低、與單片機接口方便，在單片機中的應用非常普遍。</p><p>　　4.1.1 LED的

63、選擇</p><p><b>　　器件分類</b></p><p>　　7段LED顯示器由7條發(fā)光二極管組成顯示字段，這7段發(fā)光管分別稱為a、b、c、d、e、f、g、，還有一個圓形發(fā)光二極管dp，用以顯示小數點。通過七個發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數字、字母、以及其他符號。</p><p>　　LED顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方

64、法：</p><p><b>　　? 共陽極接法</b></p><p>　　把發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極。使用時公共陽極接+5V。這樣陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入高電平的則不點亮。</p><p><b>　　? 共陰極接法</b></p><p>　　把發(fā)光二極管的

65、陰極連在一起構成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入低電平的則不點亮。</p><p>　　七段發(fā)光二極管，再加上一個小數點位，共計八段。因此提供給LED顯示器的字型代碼正好一個字節(jié)。各代碼位的對應關系如下：</p><p>　　本方案采用共陰極接法。</p><p>　　2、LED顯示的基本原理</p>

66、<p>　　用單片機驅動LED數碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，按譯碼方式可分為硬件譯碼和軟件譯碼。</p><p>　　LED靜態(tài)顯示方式。就是將N位共陰極LED顯示器的陰極連在一起接地，每一位LED的8位段選線與一個8位并行口相連。當顯示一個字符時，相應的發(fā)光二極管就恒定的導通或截止。靜態(tài)顯示是顯示驅動電路具有輸出鎖存功能，單片機將要顯示的數據送出后不再控制LED，直到下次顯示再

67、送一次新的顯示數據。</p><p>　　動態(tài)顯示要CPU時刻對顯示器件進行數據刷新，顯示數據有閃爍感，占CPU時間多,編程較為復雜。</p><p>　　這兩種顯示方式各有利弊：靜態(tài)顯示雖然數據顯示穩(wěn)定、所需驅動電流較小，占用CPU時間少，。但N位LED要求有N×8位I/O口線，占用I/O口線太多，使用的電路硬件卻比較多；動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用CPU的時間多，但使用的硬件少

68、，能節(jié)省線路板的空間。</p><p>　　動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最廣泛的一種顯示方式。其接口電路是將多個7段LED顯示器同各個端的段選線重復接在一起，只用一個8位I/O口輸出控制段選線，段選碼同時加到各個LED顯示器上。所謂動態(tài)顯示就是掃描方式一位一位地輪流點亮LED顯示器的各個位。因此，在每個瞬間，N位LED只可能顯示相同的字符，要想每一個LED顯示不同的字符，必須用另外一個I/O口控制各個LED顯示

69、器公共陰極輪流接地的方法，逐一掃描點亮，使每個LED顯示該位應該顯示的字符。只要恰當地選擇LED刷新時間（≤20ms），會給人一種視覺暫停效應，似乎N位LED都在同時顯示，就不會有閃爍感了。</p><p>　　從上述的論述中，可以看出動態(tài)顯示方案具備一定的實用性，也是目前單片機數碼管顯示中較為常用的一種顯示方法。所以，本設計采用動態(tài)顯示方案。</p><p>　　4.1.2 LED的驅

70、動和顯示——主要是設計LED數碼管和單片機的接口電路，以及利用單片機對LED數碼管進行驅動和顯示操作。</p><p><b>　　作用</b></p><p>　　在單片機系統中，LED數碼管顯示是反映系統輸出和操縱輸入的有效器件。數碼管具備數字接口，可以很方便地和單片機系統進行連接，數碼管體積小、重量輕，并且功耗低，是一種理想的顯示單片機數據輸出的器件。</

71、p><p><b>　　技術方案</b></p><p>　　單片機對LED數碼管的驅動方法可以分為串行和并行兩種，分別適用于不同的使用場合，兩者硬件電路的差別也很大。</p><p><b>　?。?）串行驅動</b></p><p>　　在某些情況下，可供使用的單片機并行I/O口不足8根，數據的并行

72、輸出已不可能，此時可考慮串行輸出方法。</p><p><b>　?。?）并行驅動</b></p><p>　　在一般情況下，單片機使用并行驅動的方式進行LED的顯示。并行驅動的結構較為簡單，并且在單片機的選擇上，采用了AT89C51，它有32條I/O口線，采用并行驅動方式，接口完全夠用。</p><p>　　LED并行驅動的電路原理圖如下所示

73、： </p><p>　　（3）驅動電路的選擇</p><p>　　以上分別介紹了串行和并行的LED驅動電路。在本設計中，使用的是并行的LED驅動電路。</p><p><b>　　顯示器的驅動</b></p><p>　　硬件譯碼就是顯示的段碼完全由硬件完成，CPU只要送出標準的BCD碼即可，硬件接線有一定標準。軟件譯

74、碼是用軟件來完成硬件的功能，硬件簡單，接線靈活，顯示段碼完全由軟件來處理，是目前常用的顯示驅動方式。</p><p>　　4.2.1 器件選擇和功能</p><p>　　在這里，我選用74HC07芯片作為段驅動，75452作為位驅動</p><p>　　7407是6緩沖器/驅動器（OC、高壓輸出）Y=0 30V耐壓輸出</p><p>　　

75、4.2.2 7407功能圖</p><p>　　74HC系列集成電路的特點：</p><p>　　74HC系列是高速CMOS系列，兼有CMOS系列的低功耗，寬噪聲容限，寬工作電壓等特點。它的標準工作電壓2—6V。</p><p>　　采用多晶硅輸入保護電阻，限制電流過大，對電路中的過電壓來說，74HC系列具有足夠的保護能力。</p><p>

76、　　74HC的輸入為CMOS電平。輸入電壓在高電平時間以保證達到0.7×Vcc,在低電平時間以保證達到0.2×Vcc,即當Vcc=5V時,3.5V以上為VIH,1.0V以下為VIL 。它的靜態(tài)功耗極小。</p><p>　　最高時鐘頻率在負載為150pF時能保證達到300MHz。74HC系列在高低邏輯電平下的輸出電流都可達到4mA。</p><p>　　4.3 LED

77、數碼管顯示器的上拉電阻值的確定:</p><p>　　由于數碼管的每個引腳通過的平均電流達到4mA時，此引腳控制的一段晶體管才能夠點亮。我用的是四位八段式數碼管，所以每個數碼顯示器被點亮時每個引腳所需的最大電流為4mA×4=16mA。采用的是動態(tài)掃描接法，在每個瞬間，四位LED只可能顯示相同的字符，要想每一個LED顯示不同的字符，必須用另外一個I/O口控制各個LED顯示器公共陰極輪流接地的方法，逐一掃描

78、點亮，使每個LED顯示該位應該顯示的字符即位選端，此時，每個位選的最達電流為16mA×8=128mA。</p><p>　　那么，上拉電阻的阻值為：</p><p>　　(5-1.8)/16=200Ω 這是用LED導通后的平均電流計算得到的電阻值，而導通的瞬間電流會更大一些。在這里,我將采用150Ω的上拉電阻。</p><p><b>　　5

79、 負載部分</b></p><p><b>　　1、系統組成</b></p><p>　　負載回路主要由隔離電路，驅動電路，無極性輸入，變壓器、晶閘管整流裝置和電動機—發(fā)電機組組成。在工作模式下，由單片機系統進行脈寬調制，實現電動機從空載到滿載的變化，測定出負載曲線。</p><p><b>　　2、原理 </b

80、></p><p>　　電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U0為 </p><p><b>　　α—占空比，α=。</b></p><p>　　占空比表示了在一個周期T里，開關管導通的時間與周期的比值。α的變化范圍為0≤α≤1。由上式可知，當電源電壓Us不變的情況下，電樞的端電壓的平均值Uo取決于占空比α的大小，改變α值就可以改變端電壓的平

81、均值，從而達到調速的目的，這就是PWN調速原理。</p><p>　　在PWM調速時，占空比α是一個重要參數。以下三種方法都可改變占空比的值。</p><p><b>　　定寬調頻法</b></p><p>　　這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。</p><p><b>　　

82、調寬調頻法</b></p><p>　　這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。</p><p><b>　　定頻調寬法</b></p><p>　　這種方法是使周期T（或頻率）保持不變，同時只改變t1和t2。</p><p>　　前兩種方法由于調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率

83、），當控制脈沖的頻率與系統的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此，這兩種方法用得很少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。本系統采用的就是定頻調寬法。</p><p>　　在此系統中，欲調節(jié)占空比α的范圍（0～50%）。電動機的額定功率200W，額定電流為1A。</p><p>　　功率場效應管（metal oxide semiconductor field effect tra

84、nsistor，MOSFET）是一種載流子導電的單極型器件，它要求的柵極驅動電流很小，因此可看成是電壓控制型元件是電壓型驅動器件。由于這個特點，使得功率場效應管具有開關速度快，損耗低，驅動功率小，無二次擊穿的優(yōu)點，目前已得到越來越廣泛的應用。</p><p>　　MOSFET是電壓型驅動器件，因此小功率的TTL電路可以驅動一般的MOSFET。但是，普通的TTL集成電路的高電平輸出最低是3.5V,而功率場效應管的開

85、啟電壓是2～4V;用普通的TTL直接驅動功率場效應管,驅動電壓還顯得低一些。所以采用集電極開路的OC門TTL集成電路來驅動。 </p><p>　　為了提高TTL驅動的輸出電平,可以通過一個上拉電阻接到+5V電源上。 </p><p>　　此外，在驅動電路和單片機系統電路之間加了一個光電耦合器作為隔離元件,其上拉電阻值的確定同前。</p><p><b>

86、;　　6 原理圖的設計</b></p><p>　　6.1 Protel99原理圖的設計（schematic）</p><p>　　原理圖編輯器實際上就是原理圖的設計系統，用戶可以在該平臺下對電路圖進行編輯與設計各修改。進入原理圖設計窗口的步驟如下：</p><p>　　1、首先進入Protel99系統，執(zhí)行File(文件)/New(新建)命令建立一

87、個新的原理圖設計數據庫，或者打開一個已經存在的數據庫。如圖1-1所示。</p><p>　　2、建立或者打開一個文件后，執(zhí)行File(文件)/New(新建)命令</p><p>　　3、新建文件將會打包在當前所創(chuàng)建的文件（原理圖設計數據庫文件）中，系統把系統默認文件名改為你所想生成文件名后，點擊圖標即可進入原理圖設計平臺，進行原理圖的設計與編輯。</p><p>　

88、　4、進入設計窗口后，可以在首先執(zhí)行design(設計)/Options(選項)菜單下設置圖紙的風格和大小尺寸等，具體參數設置如下：</p><p>　　(1)、圖紙方向的設置。在執(zhí)行design/options后彈出的對話框中，選擇sheet options 選擇進行設置。其中l(wèi)andscape是橫向，而portait則是縱向圖紙設置。 </p><p>　　(2)、設置圖紙

89、顏色（圖紙邊框底色）。Border選擇項用來設置邊框顏色，在選擇了此項時，系統會彈出顏色對話框，你只需選擇所需顏色后點擊OK鍵后即可。Scheet是設置圖紙底紋顏色。在選擇該選擇頁后同樣會彈出顏色對話框，設置方法同上。</p><p>　　(3)、系統字體的設置。在點擊Design/options后，選擇change system font 按鈕，則可彈出字體對話框，您可以進行字體設置了。</p>

90、<p>　　(4)、電氣節(jié)點的設置。在document options 對話框中，Electrical grid 單選項是對電氣節(jié)點的設置，如果選擇此項，則系統就會將光標自動移動到它的搜索半徑內，并且在該點上顯示一個圓點。</p><p>　　(5)、在document options 對話框中，選擇organization 則是進行文檔屬性，名稱，設計單位等進行設置。</p><p

91、>　　5、在設置好以上基本的內容后，則對原理圖編輯平臺半截元件庫。（有些不同的元件可能半截不同的元件庫，要根據自己所設計的原理圖選擇所要加載的元件庫，具體參照本網站上有關具體說明。這里以基本元件庫加以說明）執(zhí)行Design/Add/remove library菜單，來打開對話框，在彈出的對話框中，選擇Design Explorer 99\Library\sch文件夾下的文件類型為*.ddb的庫元件文件，這里選擇 Miscellan

92、eous Devices。加入元件庫后即可在編輯區(qū)內進行元件放置與元件屬性的修改了。</p><p>　　6、對元件庫進行裝載以后，可通過place(放置)/part（元件）命令直接進行元件的放置，也可以用工具條上的按鈕，打開所對應的對話框進行元件的放置。如果要修改元件的屬性，可以直接雙擊所要修改的元件，在彈出的對話框中對所要修改的項進行修改。</p><p>　　7、元件放置完以后，下一

93、步工作即是對元件的位置進行調整，元件的調整非常簡單，只需要點擊所需移動的元件，按住不放，然后拖到所想要放置的位置放開即可。</p><p>　　8、對元件位置調整好以后，即可以對元件進行連線，放線可以直接點擊所想連接元件的管腳，然后按住不放，拖動到另下個元件的所需連接的管腳上，線自然就連接上了。</p><p>　　9、作完以上步驟以后，下一步則要對所設計的電路圖進行檢查。若要進行電路圖錯

94、誤檢查，可以使用命令Tools/ERC打開對話框，進行錯誤檢查設置。 </p><p>　　(1)、setup選項的設置。a、ERC Options操作框的設置。multiple net names on net 是檢查同一個網絡上是否擁有多個不同名稱的網絡標識。Unconnected net labels 檢查繪圖頁面中是否有不連接到其它電氣對象的網絡標識。Duplicate component design

95、ators 檢查圖紙中是否有元件編號重號的錯誤。（若有重號，可以通過Tools/Annotate對元件進行重新編號）。b、Options 選項框 create report file 設置列出全部ERC 信息并產生一個文本報告。Add error markers 設置圖紙上有錯誤或獲情況的位置上放置錯誤標記。</p><p>　　(2)、rule matrix 選項 setup electrical rule c

96、heck 對話框是用來定義各種引腳、輸入與輸出及各端口間的連接情況是否構成錯誤或者警告。</p><p>　　10、如果通過以上的檢查，則可以生成網絡表。執(zhí)行design/create net list命令，生成網絡報表。</p><p><b>　　7 電路板的印制</b></p><p>　　隨著電子技術的飛速發(fā)展和新型電子元器件的不斷涌

97、現，現代電子電路已經變得愈來愈復雜。而另一方面，微型計算機技術的迅猛發(fā)展，為我們提供了一個進行電路輔助設計的完美平臺。</p><p>　　設計中使用的protel99軟件是一個功能強大的電路CAD軟件。Protel99被設計成為一個客戶/服務器應用程序，它包含有數目眾多的服務器程序，原理圖設計服務器、網絡生成服務器、電路仿真服務器、PCB設計服務器和自動布線服務器等等。設計者可以運行各種服務器程序組件。而且，p

98、rotel99有很強的兼容性，不論是protel99本身的組件，還是來自第三方的設計組件，都可以很容易地嵌入到protel99中，以增強其功能。Protel99的客戶程序還提供給設計者一些基本的使用資源，如菜單、快捷鍵、工具欄、狀態(tài)欄、工具管理等，設計者對這些資源可以自由定義，建立便于自己使用的菜單、快捷鍵、工具欄等。Protel99強大的功能，可以使設計者隨心所欲的設計各種電子電路，是一個非常實用的CAD軟件。</p>

99、<p>　　印刷電路板是整個通訊協議卡系統中器件、信號線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設計的好壞與否對抗干擾能力有很大影響，所以印刷電路板設計決不單是器件、線路的簡單布局安排，同時還必須符合抗干擾的設計原則。</p><p><b>　　7.1 布局</b></p><p>　　本文中的電路設計采用手工布局。手工布局的優(yōu)點是：設計者可以完全按照電路工作的

100、實際要求來進行元件的布局，所生成的元件布局可以符合實際要求，也利于后面的布線操作。同時，對于一個有著特殊要求的電路來講，手工布局將極大地體現出設計者的構思和靈感。</p><p>　　元件的布局首先要考慮PCB尺寸的大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗干擾能力下降，成本也相應的增加；PCB尺寸過小則不利于散熱，而且鄰近的線條也容易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置。最后，根據電路的功能單

101、元對電路的全部元件進行布局。</p><p>　　在確定特殊元件的位置時要遵循以下的原則：</p><p>　　1 盡可能的縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和互相間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨的太緊，輸入和輸出元件盡量遠離。 </p><p>　　2 一些元件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引起

102、短路。</p><p>　　根據電路功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：</p><p>　　(1) 按電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持方向一致。</p><p>　　(2) 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上。盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接

103、。布局過程中，應盡量將相關的元器件就近放置，以減少走線的長度；時鐘電路、晶振、電容應緊貼相接的芯片，這樣有利于抗干擾，提高電路工作的可靠性。</p><p>　　(3) 位于電路板邊緣的元器件，與電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。</p><p><b>　　7.2 布線</b></p><p>　　布線是重要的抗干擾措施，

104、本設計中首先對電源線進行手工布線，緊接著對電路板的其他部分進行自動布線，最后再對整個電路的布線進行手工修改。在整個布線過程中，應遵循以下原則：</p><p>　　1 輸入和輸出端的導線應盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。</p><p>　　2 印制板導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。對于集成電路，尤其是數字電路，通常選0.02～0.

105、3mm導線寬度。尤其是電源線和地線。電源線和地線應接成樹狀，盡量加粗，是它能通過三倍于印制板上的電流。如有可能，接地線應在2～3mm以上。導線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，其間距最小可到0.5mm。</p><p>　　3 印制導線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積的銅箔，否則，長時間受熱時，容易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現象。必須

106、使用大面積銅箔時，最好用柵格狀。這樣有利于排除銅箔與基板粘合劑受熱產生的揮發(fā)性氣體。</p><p>　　4 數字的地和模擬的分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應使它們盡量分開。低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時，可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而粗。 8 附 錄</p><p>　　8．1

107、 開題報告 </p><p><b>　　課題背景及內容:</b></p><p>　　為了滿足現代工業(yè)生產調試、科研測試中對不同負載對象及其變化規(guī)律的需求，涉及計算機控制、電力電子應用等技術的模擬負載及其智能化技術近年來得以迅猛發(fā)展。本智能模擬負載，是針對自動化專業(yè)運動控制系統實驗中對負載對象及其變化規(guī)律要求而設計的。</p><p&

108、gt;　　在運動控制系統中，不同負載對象都有其特點及變化規(guī)律（線性、非線性），通過自主設計的單片機系統，可實現自動調節(jié)其阻值，進行輸出脈寬的調節(jié)，從而模擬不同負載的特性。</p><p>　　本設計的中心即設計一個含有特定功能的典型單片機系統。</p><p>　　*采用無極性輸入，模塊可以接收任意極性直流供電和總線信號。它允許將2根信號線或直流電源線在傳輸途中任意極性續(xù)接，容忍了布線施工

109、的反接差錯，使工程施工大為方便。</p><p>　　*利用全控器件斬波主回路。</p><p>　　*本系統在工作、參數設定的兩種模式下實現三鍵輸入（復用）。利用軟件編程實現此功能。</p><p>　　*典型的MCS-51系列單片機系統。我打算采用ATMEL公司的AT89C51。ATMEL公司把自身的先進Flash存儲器技術和80C31核相結合，生產出Flash

110、單片機AT89C51系列。AT89C51是一種帶有4KBFlash可編程、可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低壓、高性能8位CMOS微型計算機。通過在單塊芯片上組合通用的CPU和Flash存儲器，使AT89C51成為一強勁的微型計算機。它為許多嵌入式控制應用提供了高度靈活和成本低的解決辦法?；谝陨咸攸c，在需要I/O線不多的控制場合，選用它作為核心控制芯片，可使電路極大的簡化，而且程序的編寫及固化也相當方便、靈活。</p>

111、<p>　　*RS-485標準通訊口。RS-485接口芯片已廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網絡、機電一體化產品等眾多領域。RS-485接口在不同的使用場合，對芯片的要求也不同。在這里，我將采用型號為SN75LBC176，它的標準驅動節(jié)點數為32，采用半雙工通訊。</p><p>　　*本設計中所使用的是存儲器是X5045，它是帶有硬件寫保護功能的串行EEPROM，其接口兼容SPI總線規(guī)范，通過

112、一對串行時鐘、數據線對片內存儲單元進行讀寫。X5045的片內存儲器容量為4K（或512字節(jié)）。</p><p>　　以下簡單介紹利用單片機和脈寬調制控制技術對電動機進行調速控制的實例。</p><p>　　此系統是工業(yè)控制計算機發(fā)出控制命令，通過與單片機的通信，按命令單片機產生控制步進電機運轉的脈沖信號。按照發(fā)出不同的控制命令，使二維步進電機分別作正轉，反轉，快轉，慢轉和停止等動作，還可自