【正文】 。 設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)要完成以下功能： （ 1）當(dāng)單片機(jī)插上電源后，位于 PCB 板上的 LED 亮，成功表示上電。當(dāng)平衡角度對(duì)應(yīng)的 AD值不在 888～ 892這一范圍時(shí)電機(jī)相應(yīng) 的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)直到平衡臂達(dá)到平衡為止。案二需要平衡臂較寬，而且馬達(dá)的動(dòng)力必須比較高，平衡臂與小車輪胎之間的摩擦力也不可忽視，因?yàn)楫?dāng)平衡臂偏 移過(guò)大小車很有可能無(wú)法向反方向運(yùn)動(dòng)而掉落，故方案二亦布恩那個(gè)采用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以將舵機(jī)安放至平衡臂中心位置，通過(guò)舵機(jī)控制臂桿左右偏向從而實(shí)現(xiàn)平衡臂的兩端平衡 [9]。其中硬件主要包括：平衡臂、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、螺桿、螺帽、變壓器。平衡重的量相當(dāng)可觀，輕型塔機(jī)一般至少要 34t，重型的要近 30t。凡是上回轉(zhuǎn)塔機(jī)均需設(shè)平衡重，其功能是支承平衡重，用以構(gòu)成設(shè)計(jì)上所要求的作用方面與起重力矩方向相反的平衡力矩。當(dāng)前的塔式起重機(jī)多由人直接操作，過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生一些不可抗因素，這存在這許多的安全隱患，若起重機(jī)能自動(dòng)操作，根據(jù)重物的重量自行搬運(yùn)，不但節(jié)省了人力，也避免了許多不可抗因素 ，確保了安全性 [7]。 electric motor。涵蓋了從需求分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，編程，原理圖， PCB 圖以及最后的試驗(yàn)板焊制等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基本過(guò)程。為使得平衡臂重新達(dá)到平衡狀態(tài)，就要在平衡臂的另一端相應(yīng)位置施以力度，即杠桿原理， 本 設(shè)計(jì) 正是用了該原理來(lái)達(dá)到平衡臂的平衡 。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 分類號(hào)： U D C： D10621408(20xx)2480–0 密 級(jí)：公 開(kāi) 編 號(hào)： 20xx071069 基于單片機(jī)的平衡臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 論文作者姓名： 申請(qǐng)學(xué)位專業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 申請(qǐng)學(xué)位類別： 工學(xué)學(xué)士 指導(dǎo)教師姓名（職稱）： 論文提交日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo) 教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使 用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 基于單片機(jī)的平衡臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 當(dāng)在平衡臂的一端放置重物時(shí)，平衡臂必然會(huì)向掛有重物的一端傾斜。 本文詳細(xì)闡述了單片機(jī)和芯片 ULN20xx 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)及調(diào)試過(guò)程，同時(shí)給出了原理圖、流程圖等。 microcontroller unit。塔式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)不斷被人們所了解，其中包括起重臂、前臂拉桿、塔帽、后壁拉桿、平衡臂、旋轉(zhuǎn)塔身、上下轉(zhuǎn)臺(tái)、頂升套架、塔身、底架、基礎(chǔ)等。自升塔頂有截錐柱式、前傾或后傾截錐柱式、人字架式 及斜撐架式。平衡重的用量與平衡臂的長(zhǎng)度成反比關(guān)系，而平衡臂長(zhǎng)度與起重臂長(zhǎng)度之間又存在一定比例關(guān)系。 根據(jù)此課題主要著手研究以下內(nèi)容： 掌握平衡系 第 2 頁(yè) 共 34 頁(yè) 統(tǒng)的基本構(gòu)架，熟悉相關(guān)的硬件和軟件知識(shí)，再結(jié)合實(shí)際需要設(shè)計(jì)出控制平衡臂達(dá)到平衡的硬件框架結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)流程。 2 總體方案設(shè)計(jì) 方案比較論證 方案一 本設(shè)計(jì)要求平衡臂自動(dòng)達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)平衡臂的平衡可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。 方案對(duì)比 方案一運(yùn)用舵機(jī)，由于舵機(jī)控制臂桿左右的偏向是非線性控制，程序?qū)崿F(xiàn)相對(duì)較為復(fù)雜，且舵機(jī)能夠承受的力矩較小，其在平衡臂的應(yīng)用的并不合適，故方案一不能采用。 本次設(shè)計(jì)選用過(guò)的 12C5A60S2芯片內(nèi)含 8路 10位 A/D轉(zhuǎn)換， AD值變換范圍是0～ 1024，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)板測(cè)得：平衡臂在平衡時(shí)相應(yīng)的 AD值為 890左右，由于 AD值有波動(dòng)范圍，故設(shè)置當(dāng) AD值在 888～ 892范圍內(nèi)時(shí)，平衡臂達(dá)到平衡，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 設(shè)定單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換口， ，所以 器分得的電壓 [3]。 （ 4）在設(shè)計(jì)中平衡臂角度對(duì)應(yīng)的 AD 值本來(lái)就設(shè)定在 888892 之間，所以電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有可能不會(huì)完全與水平面達(dá)到平衡，在誤差允許范圍內(nèi)，平衡臂與水平面的角度 =5 度。STC12C5A60S2 系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是各自獨(dú)立編址的。內(nèi)部 RAM 共 256 字節(jié)，可分為 3 個(gè)部分：低 128 字節(jié) RAM 與傳統(tǒng)8051 兼容高 128 字節(jié) RAM (Intel 在 8052 中擴(kuò)展了高 128 字節(jié) RAM )及特殊功能寄存器區(qū)。 （ 2） 工作電壓： STC12C5A60S2 系列工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)）。 （ 6）通用 I/O 口（ 36/40/44 個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O 口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強(qiáng)推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開(kāi)漏每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò) 120mA器可通過(guò)串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 5% 到 177。 （ 12） PWM(2 路） / PCA（可編 程計(jì)數(shù)器陣列， 2 路）；也可用來(lái)當(dāng) 2 路 D/A使用；也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)定時(shí)器；也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持 )。 STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央 處理器 (CPU)、程序存儲(chǔ)器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (SRAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI 接口、 PCA、看門(mén)狗及片內(nèi) R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。當(dāng) P0口作為輸入 /輸出口時(shí)， P0是一個(gè) 8位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無(wú)需外接上拉電阻。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳是 外部時(shí)鐘源的輸入端 XTAL2 18 內(nèi)部時(shí)鐘電路反相放大器的輸出端，接外部晶振 的另一端。那么， A 和 ~A 是一組 a，B 和 ~B 是一組 b。就要看 A 和 ~A 之間， B 和 B~之間有沒(méi)有公共端 抽線 。用萬(wàn)用表測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有一根線和其他幾根線的電阻是相當(dāng)?shù)模敲?，這根線就是公共 端。 AABBBCCCDDDAA 中出現(xiàn)的字母表示這根線對(duì)應(yīng)加上高電平，其余的加低電平。電機(jī)里有轉(zhuǎn)子和定子兩部分：可以是定子是線圈，轉(zhuǎn)子是永磁鐵；也可以是定子是永磁鐵，轉(zhuǎn)子是線圈。 第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 6 35BYJ46 步進(jìn)電機(jī) 35BYJ46 步進(jìn)電機(jī)工作參數(shù) 35BYJ46 步進(jìn)電機(jī)，永磁減速步進(jìn)電機(jī)，微型減速步進(jìn)電機(jī)， 4 相減速電機(jī)[7]。 (4) 步距角： 度 / 度（定子控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度稱之為步距角，通常用 s? 表示）。 (7) 溫升： 40K(120Hz)。電位器阻值 100K。 (2) ULN20xx 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。比如 1 腳輸入， 16 腳輸出，你的負(fù)載接在 VCC 與 16腳之間，不用 9 腳。 圖 8 ULN20xx 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第 13 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 9 ULN20xx 應(yīng)用電路 平衡臂 本次設(shè)計(jì)的要求只是模擬塔吊的的平衡狀況，并沒(méi)有要求做成產(chǎn)品，故大多從簡(jiǎn) ，臂桿也不是專業(yè)的平衡臂，而是電腦想內(nèi)部的一種卡槽，長(zhǎng)約 20cm，寬約 2cm，材質(zhì)為鋁合金，質(zhì)量小不到 100g 且價(jià)格便宜，很適合學(xué)生做模擬實(shí)驗(yàn)。其余則是供電模塊和為好接線而作的引腳。 （ 1）電路簡(jiǎn)單，并有大量的 I/O 端口可供用戶使用， P0、 P P P3 都可以作為 I/O 端口使用。 12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)由一個(gè)反向放大器 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時(shí)鐘。該高增益的反向放大器的輸入為芯片引腳 XTAL1，輸出為引腳 XTAL2,其中 XTAL1 是單片機(jī)的 19腳， XTAL2 是單片機(jī)的 18 腳。而外接晶體的頻率大小，主要取決于單片機(jī)的工作頻率范圍，每一種單片機(jī)都有自己的最大頻率，外接晶體振蕩器的頻率不大于單晶片的最大工作頻率即可。 本系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)是正是采用的按鍵復(fù)位的電路，如圖 13 所示，是常用的復(fù)位電路之一。 圖 13 復(fù)位電路 工作原理：通電瞬間， RC 電路充電， RST 引腳出現(xiàn)高電平，只要 RST 端出現(xiàn) 10ms 以上的高電 平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。為了減小外界 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) 信號(hào)的干擾，設(shè) ULN20xx 的 58 腳為高電平。顧名思義，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。 圖 13 穩(wěn)壓電壓原理圖 圖 16 LM7805 實(shí)物圖 變壓器 為保證供電系統(tǒng)能正常供電，我設(shè)計(jì)了一個(gè)備用電源，該電源能把 220V 的 第 18 頁(yè) 共 34 頁(yè) 交直流電壓直接轉(zhuǎn)變?yōu)?5V 的直流電壓，在 PCB 中，把所有的高電平連接在一起并引出一根線，同樣把底線也都連在一起引出一根線，在電路板上焊上探頭，系統(tǒng)需要供電時(shí)直接把變壓器插在插座上即可，使用極其方便。此時(shí)，如果需取完整數(shù) 10 位結(jié)果，按下面公式計(jì)算。 程序流程圖如下。此外，使用模擬器你可以在沒(méi)有目標(biāo)設(shè)備的情況下編寫(xiě)和測(cè)試應(yīng)用程序。需作為 A/D 使用的口需先將 P1ASF 特殊功能寄存器中的相應(yīng)位置置 1，并將相應(yīng)的口設(shè)置為模擬功能。啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換前一定要確定 A/D電源已打開(kāi)。 （ 3）輔助寄存器 AUXR1 當(dāng) PCA_P4=0， SPI_P4=0,S2_P4=0表示缺省 PCA/SPI/UART2在 P1口， GF2是通用標(biāo)志位。 當(dāng) ADRJ=1時(shí)， 10位 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果的高 2位存放在 ADC_RES的低 2位中，低8位存放在 ADC_RESL中。 圖 16 Keil 編譯 C 程序 6 系統(tǒng)調(diào)試 Protel99se 及其操作簡(jiǎn)介 Protel99SE 是 20xx 年由 Protel 公司推出的用于印刷電路板設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要是有以下幾個(gè)部分。 （ 4） PCB 封裝庫(kù)文件編輯環(huán)境：用于編輯元件的封裝模型。如下圖 17是布完線后的 PCB 圖，圖 18是 PCB 圖對(duì)應(yīng)的電路板圖，圖 19為整個(gè)設(shè)計(jì)成品圖。 （ 2）將已燒錄好的單片機(jī)插入插座。 7 結(jié)論與研究展望 主要結(jié)論 塔吊作為當(dāng)代修建各種大小型建筑物的不可或缺的機(jī)械，對(duì)其更深入的研究具有重要的意義，平衡臂作為塔吊的主要構(gòu)成成分之一歷來(lái)是研究的重點(diǎn)。介紹三個(gè)方案實(shí)施的可行性和他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終通過(guò)對(duì)比論證選用了方案三。詳細(xì)介紹了 ULN20xx 的特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路。 （ 5）選用 Keil 作為編譯軟件，介紹了 Keil 的一些優(yōu)勢(shì)。 第 25 頁(yè) 共 34 頁(yè) 展望 本次的設(shè)計(jì)僅僅是模擬了塔吊工作時(shí)的一個(gè)平衡過(guò)程，故給出了一個(gè)非常簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)。 （ 2）智能化 隨著科技的飛速發(fā)展，人們希望機(jī)器人能代替我們做更多的事，我目前的設(shè)計(jì)只能解決對(duì)那些已經(jīng)懸掛在平衡臂上的物體的平衡問(wèn)題，在需要不停運(yùn)送重物的工地上并沒(méi)有起到任何作用，可以考慮講傳感器與塔吊結(jié)合從而實(shí)現(xiàn) 智能化，至于怎樣結(jié)合，這需要我以后更深入研究。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)這次的編程較以前學(xué)習(xí)的更加龐大，模塊多樣，要考慮的因素多了 起來(lái)，正是這樣，我才明白了程序編寫(xiě)的重要性及嚴(yán)謹(jǐn)性，每一個(gè)模塊都牽一發(fā)而動(dòng)全身，要編寫(xiě)出好的程序必定要預(yù)先設(shè)計(jì)好程序框圖，這樣才會(huì)使思維清晰，不易出錯(cuò)。首先要深深地感謝王志宏老師，在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，王志宏老師在軟硬件設(shè)計(jì)方面給予了我相當(dāng)大的幫助。還有也要感謝我的公司對(duì)我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的大力支持，正是因?yàn)楣窘o了我 3 個(gè)月的時(shí)間來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)我才能順利完成。除非另有說(shuō)明，本文的工作是原始性工作。 （ 4）學(xué)校可允許學(xué)