【正文】 Design on Control System of the Balance Arm Based on Microcontroller Abstract When the weights placed in one end of the balance arm, the balance arm is bound to hang heavy objects on the one end of the tilt. Makes the balance arm to reach equilibrium, it is necessary to impose the intensity at the other end of the corresponding location of the balance arm. And this design is based on this principle. The design uses the principle to achieve the balance of the balance arm. In this design, 12C5A60S2 microcontroller and the ULN20xx chip drive motor rotation. Motor scripts end embedded in the thread, screw rotates the motor rotation, If the fixed motor, threaded rotary nut will move. Nut has a certain weight When the nut to move to a certain distance, the balance arm will be balance. This paper describes the internal structure of the singlechip and chip ULN20xx, and hardware circuit and software design and debugging process, and it gives the schematics, flowcharts, etc. It covers from requirements analysis, system design, programming, schematic diagram PCB diagram and the basic process of product development in the experimental plate welding system. This design has a certain significance crane tower crane unattended operation. Key Words: balance arm。而其中在建筑高樓大廈過程中塔式起重機(jī)有著不菲的貢獻(xiàn)， 可以說塔式起重機(jī)的生產(chǎn)和發(fā)展是人們提高效率節(jié)約經(jīng)濟(jì)的有效途徑，塔式起重機(jī)越來越被人們熟知。 國內(nèi)外同類研究概述 在生活中最常見的平衡臂的運用是作為運送物體的塔吊，塔吊是承受臂架拉繩及平衡臂拉繩傳來的上部荷載，并通過回轉(zhuǎn)塔架轉(zhuǎn)臺、承座等的結(jié)構(gòu)部件式直接通過轉(zhuǎn)臺傳遞給塔身結(jié)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一則可發(fā)揮部分配重作用，二則增大繩卷筒與塔尖導(dǎo)輪間的距離，以利鋼絲繩的排繞并避免發(fā)生亂繩現(xiàn)象。 本文研究內(nèi)容 本文研究的是基于單片機(jī)的平衡臂控制系統(tǒng)， 主要是對塔吊平衡進(jìn)行模擬，通過單片機(jī)的方式實現(xiàn)其平衡。按照本設(shè)計思路及方法即可制成一個具 有自動實現(xiàn)平衡臂平衡的實際電路成品。 方案 三 方案三采用的是杠桿原理，通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動螺旋傳動機(jī)構(gòu)，若固定步進(jìn)電機(jī)，則螺桿在轉(zhuǎn)動時在水平方向上就不會移動，螺桿一端鑲嵌有螺母，螺桿轉(zhuǎn)動時，螺母就會移動，當(dāng)兩邊力矩相同時，平衡臂即可達(dá)到平衡 [5]。 第 3 頁 共 34 頁 系統(tǒng)框圖 圖 1 系統(tǒng)設(shè)計框圖 設(shè)計原理 設(shè)計當(dāng)中把電機(jī)固定在平衡臂上的中央，把電機(jī)的端子嵌入進(jìn)一個很長的螺桿中，因為電機(jī)被固定，螺桿又與端子相連，故電機(jī)在轉(zhuǎn)動時螺桿只會轉(zhuǎn)動而不會與平衡臂有仍和的相對位移，那么此時套在 螺桿上的螺母就會因為螺桿的轉(zhuǎn)動而或前或后的移動，螺母的移動改變了平衡臂的力矩，為使平衡臂平衡電機(jī)必須調(diào)整螺母的位置來使得平衡臂達(dá)到平衡，電機(jī)在桿傾斜時應(yīng)該轉(zhuǎn)動，平衡時應(yīng)該停止是整個設(shè)計中至關(guān)重要的問題。平衡臂的中端有一個軸承，該軸承與劃動電阻器相連，當(dāng)平衡臂左右搖擺時，電阻器上的滑片也相應(yīng)的改變位置。 （ 3） 35BYJ46 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是可控的，為了提高效率要求轉(zhuǎn)速應(yīng)在 1r/s 左右。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路， 2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 (250K/S，即 25 萬次 /秒 )，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。另外， STC12C5A60S2 系列單片機(jī)還可以訪問在片外擴(kuò)展的 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器。高128 字節(jié) RAM 只能間接尋址，特殊功能寄存器區(qū)只可直接尋址，其部分特點： （ 1） 增強(qiáng)型 8051CPU， 1T，單時鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 （ 5）有 EPROM 功能。 （ 9）外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為 177。 （ 11）外部中斷 I/O 口 7 路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的 PCA 模塊， Power Down 模式可由外部中斷喚醒， ， T0/， T1/， RxD/， CCP0/(也可通過寄存器設(shè)置到)， CCP1/(也可通過寄存器設(shè)置到 )。 12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) STC12C5A60S2 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖 2 所示。 Control Unit Port 1 鎖存器 Port0,2,3,4,5 鎖存器 LVD/ LVR RESET XTAL1 XTAL2 Port 1 驅(qū)動器 ADC 8 Port 0,2,3,4,5 驅(qū)動器 P0,P2,P3,P4,P5 AUXRAM 1024字節(jié) RAM 地址 寄存器 RAM 256 字節(jié) B寄存器 ACC 堆棧指針 TMP2 TMP1 定時器 0/1 串口 1 串口 2 ALULVR PSW WDT 程序存儲器（ Flash） ISP/IAP 地址生成器 程序計數(shù)器（ PC） PCA SPI 第 7 頁 共 34 頁 圖 31 12C5A60S2PDIP40 封裝 圖 32 12C5A60S2 尺寸圖 第 8 頁 共 34 頁 單片機(jī)管腳介紹 表 1 單片機(jī)管腳介紹 管腳 管腳編號 說明 ～ 39～ 32 P0 : P0口既可作為輸入 /輸出口，也可作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當(dāng) P2口作為輸入 /輸出口時， P2是一個 8位準(zhǔn)雙向口 標(biāo)準(zhǔn) I/O 口 PORT3[0] RxD 串口 1 數(shù)據(jù)接收端 標(biāo)準(zhǔn) I/O 口 PORT3[1] TxD 串口 1 數(shù)據(jù)發(fā)送端 XTAL1 19 內(nèi)部時鐘電路反相放大器輸入端，接外部晶振的 一個引腳。 第 9 頁 共 34 頁 四相五線步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造如下圖 圖 4 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造 通過上圖可知， A， ~A 是聯(lián)通的， B 和 ~B 是聯(lián)通。至于究竟是四線，五線，還是六線。 由于五線中， a 和 b 組的公共端是連接在一起的。中間那個表示電機(jī)轉(zhuǎn)子，左邊藍(lán)色的表示 A 線圈，上面紅色的表示 B 線圈，大家看到上面標(biāo)志中還有一些是打括號的，表示什么呢？就是說這個接線是一開始講到的 A’接線，跟剛剛講到的那個 C 字母表示的接線其實是同一根線！那現(xiàn)在我就用圖來表示解釋下什么是四相八拍， AABBBCCCDDDAA 表示的是 什么。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度或 15 度。其外觀如下圖。 (3) 減速比： 1/。7%(25℃ )。 電位器 鑒于制作經(jīng)費有限，本次設(shè)計中并未采用角度傳感器，而是采用了一個丁字型的滑動電位器來代替，滑動電阻器與一個 軸承相連，平衡臂左右搖擺時位于中央的軸承帶動電位器上的劃片相應(yīng)的移動從而實現(xiàn)了分壓。 ULN20xx 芯片特點 (1) ULN20xx 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻，在 5V 的工作 第 12 頁 共 34 頁 電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原 先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN 是集成達(dá)林頓管 IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，它的輸出 端允許通過電流為 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V 左右，耐壓 BVCEO 約為 36V。 ULN20xx 是一個非門電路，包含 7 個單元，單獨每個單元驅(qū)動電流最大可達(dá) 350mA， 9 腳可以懸空。由于 ULN20xx 是集電極開路輸出，為了讓這個二極管起到續(xù)流作用，必須將 COM 引腳（ pin9）接在負(fù)載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路 [13]。單片機(jī)的 P2 口接 ULN20xx 芯片，芯片另一端接步進(jìn)電機(jī)，上電后步進(jìn)電機(jī)就在芯片驅(qū)動后開始正反轉(zhuǎn)。 第 14 頁 共 34 頁 圖 10 系統(tǒng)硬件原理圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)無需配置片外存儲器，電路簡單，工作可靠， 最小系統(tǒng)除單片機(jī)芯片外，只包括復(fù)位電路和時鐘振蕩電路，如下圖 9，它具有以下特點。因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器。 圖 12 時鐘振蕩電路 電路中的 C3 和 C7 都為 33Pf，對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會影響振蕩器的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、振蕩器的快速性和溫度的穩(wěn)定性。 在眾多復(fù)位電路設(shè)計中復(fù)位輸入引腳 RST是為 12C5A60S2 提供初始化的手段較為方便的。按下按鈕，則直接把 +5V 直接加到 RET/VPD 端 第 16 頁 共 34 頁 從而復(fù)位稱為手動復(fù)位 [2]。 圖 14 驅(qū)動電路原理圖 P2 口的電平高低就影響了電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，由于電機(jī)是四相八拍，不同的相序輸出的狀態(tài)字就有八個，因為 ULN20xx 的每個管腳都與一個非門相連，要讓某一個管腳通電則芯片的輸出端就應(yīng)該為低電平（電機(jī)的電源線接的是高電平），所以單片機(jī)與 ULN20xx 對應(yīng)管腳為高點平時電機(jī)通電成功。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 Lm78 系列和負(fù)電壓輸出的 Lm79 系列。當(dāng)輸出電流較大時，Lm7805 應(yīng)配上散熱板。 A/D 轉(zhuǎn)換程序把模擬信號改變成數(shù)據(jù)信號，由于 12C5A60S2 單片機(jī)自身含有 10 路 A/D 轉(zhuǎn)換，特殊功能寄存器ADC_RES 和 ADC_RESL 用于保存 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng) ADRJ=1 時， 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果的高 2 位存放在 ADC_RES 的低二位中，低 8 位存放在 ADC_RESL 中。電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度不能太快也不能太慢，設(shè)計中令電機(jī)內(nèi)部的小電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為 每一個 A/D 采樣執(zhí)行周期轉(zhuǎn)動 10 圈，該轉(zhuǎn)速是經(jīng)過反復(fù)調(diào)試得出的，設(shè)計中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部小電機(jī)的轉(zhuǎn)速如果太小，則電機(jī)每次轉(zhuǎn)動的太少，宏觀表現(xiàn)為電機(jī)抖動，反之電機(jī)每次轉(zhuǎn)動的太多，宏觀表現(xiàn)為超調(diào)。模擬幫助你了解硬件配置，避免在安裝問題上浪費時間。 表 3 單片機(jī)寄存器表 符號 地址 位地址及其符號 P1ASF 9DH P17ASF P16ASF P15ASF P14ASF P13ASF P12ASF P11ASF P10ASF ADC_CONTR BCH ADC_PWOER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG ADC_START CHS2 CHS1 CHS0 ADC_RES BDH ADC_RESL BEH AUXR1 A2H PCA_P4 SPI_P4 S2_P4 GF2 ADRJ DPS IE A8H EA ELVD EADC ES ET1 EX1 ET0 EX0 IP B8H PPCA PLVD PADC PS PT1 PX1 PT0 PX0 IPH B7H PPCAH PLVDH PADCH PSH PT1H PX1H PT0H PX0H （ 1） P1 口模擬功能控制寄存器 P1ASF A/D 轉(zhuǎn)換通道與 P1 口復(fù)用，上電復(fù)位后 P1 口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過軟件設(shè)置 8 路中的任何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D