【正文】 機的一些基本系統(tǒng)： 時鐘電路 在設計時鐘電路之前，讓我們先了解下 51 單片機上的時鐘管腳： XTAL1（ 19 腳） ：芯片內部振蕩電路輸入端。 XTAL2（ 18 腳） ：芯片內部振蕩電路輸出端。 XTAL1 和 XTAL2 是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內 振蕩器 ，或者是器件直接由外部時鐘驅動。圖 2 中采用的是內時鐘模式，即采用利用芯片內部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2 的 引 腳 上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內部 振蕩器 便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在 ～ 12MHz 之間任選，甚至可以達到 24MHz 或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的 的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調作用。當采用石英晶振時，電容可以在 20 ～ 40pF 之間選擇（本實驗套件使用 30pF）；當采用陶瓷諧振器件時，電容要適當?shù)卦龃笠恍?，?30 ～ 50pF 之間。通常選取 33pF 的陶瓷電容就可以了。 另外值得一提的是如果讀者自己在設計單片機系統(tǒng)的印刷電路板（ PCB） 時，晶體和電容應盡可能與單片機芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證 振蕩器 可靠工作。檢測晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀察到 XTAL2 輸出的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬用表測量（ 把擋位打到直流擋，這個時候測得的是有效值） XTAL2 和地之間的電壓時，可以看到 2V 左右一點的電壓 復位電路 在單片機系統(tǒng)中，復位電路是非常關鍵的，當程序跑飛（運行不正 常）或死機（停止運行）時，就需要進行復位。 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 9 頁 共 60 頁 MCS5l 系列單片機的復位 引腳 RST（ 第 9 管腳） 出現(xiàn) 2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。 復位操作通常有兩種基本形 式：上電自動復位和開關復位。圖 2 中所示的復位電路就包括了這兩種復位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負極和 RESET 相連，電壓全部加在了電阻上， RESET 的輸入為高，芯片被復位。隨之 +5V 電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于 0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復位按鍵，當復位按鍵沒有被按下的時候電路實現(xiàn)上電復位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使 RST管腳出現(xiàn)高電平達到手動復位的效果。一般來說，只要 RST 管腳上保持 10ms 以上的高電平，就能使單片機有效的復位。圖中所示的復位 電阻和電容為經(jīng)典值，實際制作是可以用同一數(shù)量級的電阻和電容代替，讀者也可自行計算 RC 充電時間或在工作環(huán)境實際測量，以確保單片機的復位電路可靠。 其它引腳 EA/VPP（ 31 腳）的功能和接法 52單片機的 EA/VPP（ 31 腳） 是內部和外部程序存儲器的選擇管腳。當 EA 保持高電平時，單片機訪問內部程序存儲器；當 EA 保持低電平時，則不管是否有內部程序存儲器，只訪問外部存儲器。 對于現(xiàn)今的絕大部分單片機來說，其內部的程序存儲器（一般為 flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器， 而是直接使用內部的存儲器。 在本實驗套件中， EA 管腳接到了 VCC 上，只使用內部的程序存儲器。這一點一定要注意，很多初學者常常將 EA 管腳懸空，從而導致程序執(zhí)行不正常。 P0 口外接上拉電阻 52 單片機的 P0 端口為開漏輸出，內部無上拉電阻。所以在當做普通 I/O 輸出數(shù)據(jù)時，由于 V2 截止，輸出級是漏極開路電路，要使“ 1”信號（即高電平）正常輸出，必須外接上拉電阻。 另外，避免輸入時讀取數(shù)據(jù)出錯，也需外接上拉電阻。在這里簡要的說下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從 引腳 上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當從內部總線輸出低電平后，鎖存器 Q ＝ 0， Q ＝ 1，場效應管 V1 開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時無論端口線上外接的信號是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 10 頁 共 60 頁 又如，當 從內部總線輸出高電平后，鎖存器 Q ＝ 1， Q ＝ 0，場效應管 V1 截止。如外接引腳信號為低電平， 從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。所以當 P0 口作為通用 I/O 接口輸入使用時，在輸入數(shù)據(jù)前，應先向 P0 口寫“ 1”，此時鎖存器的 Q 端為“ 0”，使輸出級的兩個場效應管 V V2 均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入。 各系統(tǒng)如下圖所示： 圖 52單片機及最小系統(tǒng)及各引腳 設計系統(tǒng) 由于直流電機需要 9V電壓而單片機需要使用 5V電壓則在電路中需要使用電壓轉換模塊，本課題擬先采 用 9V 電壓在經(jīng)過轉換模塊變換為 5V 電壓。 P10 為直流電機安在基座上負責整個機械臂的 360 度旋轉。 口負責控制 P10 電機，南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 11 頁 共 60 頁 口上電 Q6 NPN 工作 P10 正常工作。 P9 為 9V電源插口。 S4為總控開關。 P4和 P5 為機械臂上的兩個電機，分別控制機械臂的垂直運動和水平運動。 D1~D4為四個發(fā)光二極管分別對應機械臂兩個方向的四種運動。各模塊電路如下圖： 圖 基座電機 L7805 三端穩(wěn)壓集成電路（ 78 為正電壓輸出），三端 IC 是指這種穩(wěn)壓用的集成電路 ，只有三條引腳輸出，分別是輸入端，接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO 220 的標準封裝， 也有 9013 樣子的 TO92 封裝。 用 78 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓 電源 所需的外圍元件極少，電路內部還有 過流，過熱及調整管的保護電路， L7805ABV 使用起來可靠，方便，而且價格便宜。 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 12 頁 共 60 頁 圖 電壓轉換模塊 圖 L298N電路圖 對于以上電路圖有以下幾點說明： 1）電路圖中有兩個電流，一路為 L298 工作需要的 5V電源 VSS，一路為驅動電機用的電池電源 VS。 2） 1 腳和 15 腳有的電路在中間串接了大功率的電阻，可以不加 3）八個續(xù)流二極管是為了消除電機轉動時的尖峰電壓保護電機而 設計，簡化電路可以不加。 4） 6 腳和 11腳為兩路電機通道的使能開關，高電平使能所以可以直接接高電平，也可以交由單片機控制。 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 13 頁 共 60 頁 5） 由于工作時 L298 的功率較大，可以適當加裝散熱片。 L298N 是 ST公司生產(chǎn)的一種高電壓，大電流的電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達 46V，輸出電流大，瞬間峰值可達 3A，持續(xù)工作電流為 2A；額定功率為 25W。內含兩個 H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電機和步進電機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個用 控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機和四相步進電機，也可以兩臺直流電機。 圖 紅外模塊 超再生接收模塊采用 LC 振蕩電路，內含放大整形，輸出的數(shù)據(jù)信號為解碼后的高電平信號，使用極為方便，并且價格低廉，所以被廣泛使用。帶四路解碼輸出（同時也可改為六路點動或互鎖輸出），使用方便；頻點調試容易；產(chǎn)品質量一致性好，性價比高。接收模塊有較 寬的接收帶寬，一般為177。 10MHz，出廠時一般調在 315MHz 或 （如有特殊要求可調整頻率，頻率的調整范圍為266MHz ~ 433MHz。）。接收模塊一般采用 DC5V 供電，如有特殊要求可調整電壓范圍。腳位及使用說明： 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 14 頁 共 60 頁 表 腳位使用說明 VCC 電壓要與模塊工作電壓一致 ，且要做好電源濾波；天線對模塊的接收效果影響很大，最好接 1/4 波長的天線，一般采用 50 歐姆單芯導線，天線的長度315M 的約為 23cm， 433M 的約為 17cm；天線位置對模塊接收效果亦有影響，安裝時，天線盡可能伸直，遠離屏蔽體，高壓，及干擾源的地方；使用時接收頻率、解碼方式應與發(fā)射匹配。 本課題總體思路為在外接 9V 電源的供電下直接供給電機驅動模塊和通過轉換為 5V 供給單片機，從而實現(xiàn)整體電路的正常工作。再通過串口和紅外遙控控制電機的啟、轉、停，實現(xiàn)整個機械臂的旋轉、垂直及水平方向的伸縮完成整個課題的目的。通過了 解了硬件電路的結構及芯片引腳的物理定義下面開始進行本次課題軟件的設計。 腳位 名稱 功能說明 1 VT 輸出狀態(tài)指示 2 D3 數(shù)據(jù)輸出 3 D2 數(shù)據(jù)輸出 4 D1 數(shù)據(jù)輸出 5 D0 數(shù)據(jù)輸出 6 5V 電源正極 7 GND 電源負極 ANT 接天線端 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 15 頁 共 60 頁 4 軟件設計 設計思路 隨著計算機技術的迅速發(fā)展，軟件逐漸成為與硬件相互依存的一部分，目前一臺多功能的電子儀器已經(jīng)無法由硬件電路單獨構成了，硬件電路是產(chǎn)品具體功能實現(xiàn)的物理基礎，而軟件程序正是具體功能實現(xiàn)的邏輯基礎。編寫相應的軟件程序能夠使產(chǎn)品的功能更加符合人們的使用需求，協(xié)調系統(tǒng)的整體功能，因此編寫的程序應該具有嚴密性、科學性、可行性、高效性。本設計所編寫的程序屬于應用軟件系列，目的是為了實現(xiàn)電路的特定功能； 本設計編程采用的語言是 C語言，該語言是一種運用非常廣泛的計算機高級語言，該語言是在單片機、嵌入式系統(tǒng)等領域中使用的最為廣泛的一種語言，用它來開發(fā)程序，不但開發(fā)時間周期短，而且便于修改與調試，因此倍受廣大軟件開發(fā)者的青睞。 C 語言具有許多其他編程語言不具備的優(yōu)點，在此簡要說明其主要優(yōu)點： (1)該語言符合人類語言規(guī)則，編寫、使用方便，具有良好的可讀性； (2)該語言體系完整、語句精練、語句類型豐富，功能強大； (3)用該語言編寫的代碼語句結構緊湊、語法上自由度較大，計算機執(zhí)行語句速度快。 (4)C 語言每段程 序易于理解，主程序與子程序通過調用連接，條理清晰，對于以后的調試有很好的幫助。 軟件設計整體思路如下圖： 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 16 頁 共 60 頁 圖 軟件設計整體思路 電機驅動程序 本課題以 52單片機作為控制通過 L298 驅動直流電機來控制機械臂的運動，實現(xiàn)最終目的。三個電機一個要實現(xiàn) 360 度轉動，另外兩個要能實現(xiàn)正反轉。 電機的 360 度轉動可以通過給一個高電平來控制，在本課題中 口負責控制基座電機實現(xiàn)旋轉，那么當 =0 時電機轉動 =1 時電 機停止。 對于另外兩個電機由于用到了 L298， L298 芯片的內部實際上 H橋驅動電路 ,所以控制電機的正反轉實際上就是控制電流的流向。如下圖： 第一步： 計算機仿真與調試 用 protues 仿真調試程序 編寫基于 51 單片機的電機驅動程序 用 VB 編寫上位機控制界面 設置串口實現(xiàn)初步控制調試程序 第二步： 結合實物調試 將程序烤入單片機測試程序 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文） 第 17 頁 共 60 頁 圖 電機正轉 圖 電機反轉 Q1~Q4 分別對應著相應的 IN口，通過給 IN口不同的電平來控制電機的正反轉，從而實現(xiàn)機械臂的垂直、水平運動。 初步程序設計如下： void main() { while(1) { key()。 if(flag1==1) motor1()。 if(flag2==1) motor2()。 if(flag3==1) motor3()。 if(flag4==1) motor4()。 if(flag5==1) motor5()。 if(flag6==1) motor6()。 } } 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 (論文