【正文】 除非另有說明，本文的工作是原始性工作。首先要深深地感謝王志宏老師，在做畢業(yè)設計的過程中，王志宏老師在軟硬件設計方面給予了我相當大的幫助。 （ 2）智能化 隨著科技的飛速發(fā)展，人們希望機器人能代替我們做更多的事，我目前的設計只能解決對那些已經懸掛在平衡臂上的物體的平衡問題，在需要不停運送重物的工地上并沒有起到任何作用，可以考慮講傳感器與塔吊結合從而實現(xiàn) 智能化，至于怎樣結合，這需要我以后更深入研究。 （ 5）選用 Keil 作為編譯軟件，介紹了 Keil 的一些優(yōu)勢。介紹三個方案實施的可行性和他們各自的優(yōu)缺點，最終通過對比論證選用了方案三。 （ 2）將已燒錄好的單片機插入插座。 （ 4） PCB 封裝庫文件編輯環(huán)境：用于編輯元件的封裝模型。 圖 16 Keil 編譯 C 程序 6 系統(tǒng)調試 Protel99se 及其操作簡介 Protel99SE 是 20xx 年由 Protel 公司推出的用于印刷電路板設計的軟件系統(tǒng)。 （ 3）輔助寄存器 AUXR1 當 PCA_P4=0， SPI_P4=0,S2_P4=0表示缺省 PCA/SPI/UART2在 P1口， GF2是通用標志位。需作為 A/D 使用的口需先將 P1ASF 特殊功能寄存器中的相應位置置 1，并將相應的口設置為模擬功能。 程序流程圖如下。 圖 13 穩(wěn)壓電壓原理圖 圖 16 LM7805 實物圖 變壓器 為保證供電系統(tǒng)能正常供電，我設計了一個備用電源，該電源能把 220V 的 第 18 頁 共 34 頁 交直流電壓直接轉變?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)需要供電時直接把變壓器插在插座上即可，使用極其方便。為了減小外界 第 17 頁 共 34 頁 信號的干擾，設 ULN20xx 的 58 腳為高電平。 本系統(tǒng)的復位電路設計是正是采用的按鍵復位的電路，如圖 13 所示，是常用的復位電路之一。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 是單片機的 19腳， XTAL2 是單片機的 18 腳。 （ 1）電路簡單，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。 圖 8 ULN20xx 內部結構 第 13 頁 共 34 頁 圖 9 ULN20xx 應用電路 平衡臂 本次設計的要求只是模擬塔吊的的平衡狀況，并沒有要求做成產品，故大多從簡 ，臂桿也不是專業(yè)的平衡臂，而是電腦想內部的一種卡槽，長約 20cm，寬約 2cm，材質為鋁合金，質量小不到 100g 且價格便宜，很適合學生做模擬實驗。用戶輸出口的外接負載可根據以上參數(shù)估算。電位器阻值 100K。 (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，每一拍轉子轉過的機械角度稱之為步距角，通常用 s? 表示）。電機里有轉子和定子兩部分：可以是定子是線圈，轉子是永磁鐵；也可以是定子是永磁鐵，轉子是線圈。用萬用表測，當發(fā)現(xiàn)有一根線和其他幾根線的電阻是相當?shù)?，那么，這根線就是公共 端。那么， A 和 ~A 是一組 a，B 和 ~B 是一組 b。當 P0口作為輸入 /輸出口時， P0是一個 8位準雙向口，內部有弱上拉電阻，無需外接上拉電阻。 （ 12） PWM(2 路） / PCA（可編 程計數(shù)器陣列， 2 路）；也可用來當 2 路 D/A使用；也可用來再實現(xiàn) 2 個定時器；也可用來再實現(xiàn) 2 個外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時支持 )。 （ 6）通用 I/O 口（ 36/40/44 個），復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，強推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過 120mA器可通過串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。內部 RAM 共 256 字節(jié)，可分為 3 個部分：低 128 字節(jié) RAM 與傳統(tǒng)8051 兼容高 128 字節(jié) RAM (Intel 在 8052 中擴展了高 128 字節(jié) RAM )及特殊功能寄存器區(qū)。 （ 4）在設計中平衡臂角度對應的 AD 值本來就設定在 888892 之間，所以電機停止轉動時有可能不會完全與水平面達到平衡，在誤差允許范圍內，平衡臂與水平面的角度 =5 度。 本次設計選用過的 12C5A60S2芯片內含 8路 10位 A/D轉換， AD值變換范圍是0～ 1024，通過實驗室的開發(fā)板測得：平衡臂在平衡時相應的 AD值為 890左右，由于 AD值有波動范圍，故設置當 AD值在 888～ 892范圍內時，平衡臂達到平衡，電機停止轉動。 2 總體方案設計 方案比較論證 方案一 本設計要求平衡臂自動達到平衡，實現(xiàn)平衡臂的平衡可通過多種方式實現(xiàn)。平衡重的用量與平衡臂的長度成反比關系，而平衡臂長度與起重臂長度之間又存在一定比例關系。塔式起重機的金屬結構不斷被人們所了解，其中包括起重臂、前臂拉桿、塔帽、后壁拉桿、平衡臂、旋轉塔身、上下轉臺、頂升套架、塔身、底架、基礎等。 本文詳細闡述了單片機和芯片 ULN20xx 的內部結構，系統(tǒng)硬件電路和軟件程序的設計及調試過程，同時給出了原理圖、流程圖等。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 分類號： U D C： D10621408(20xx)2480–0 密 級：公 開 編 號： 20xx071069 基于單片機的平衡臂控制系統(tǒng)設計 論文作者姓名： 申請學位專業(yè)： 測控技術與儀器 申請學位類別： 工學學士 指導教師姓名（職稱）： 論文提交日期： 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導 教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。涵蓋了從需求分析，系統(tǒng)設計，編程，原理圖， PCB 圖以及最后的試驗板焊制等產品開發(fā)的基本過程。當前的塔式起重機多由人直接操作，過程中難免會發(fā)生一些不可抗因素，這存在這許多的安全隱患，若起重機能自動操作，根據重物的重量自行搬運，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]。平衡重的量相當可觀，輕型塔機一般至少要 34t，重型的要近 30t。根據設計要求，可以將舵機安放至平衡臂中心位置，通過舵機控制臂桿左右偏向從而實現(xiàn)平衡臂的兩端平衡 [9]。當平衡角度對應的 AD值不在 888～ 892這一范圍時電機相應 的正轉或反轉直到平衡臂達到平衡為止。 單 片 機 控 制 器 電位分壓器 穩(wěn)壓電路 驅動電路 第 4 頁 共 34 頁 （ 5）無論重物放置在平衡臂的什么地方都能通過電機的旋轉使平衡臂重新達到平衡。低 128 字節(jié)的數(shù)據存儲器既可直接尋址也可間接尋址。 （ 7）內部集成 MAX810 專用復位電路（外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K 電阻到地）。 （ 13） A/D 轉換， 10 位精度 ADC，共 8 路，轉換速度可達 250K/S(每秒鐘25 萬次 )。當 P0作為地址 /數(shù)據復用總線使用時，是低 8位地址 [A0~A7]， 數(shù)據線 的[D0~D7]。 不管是兩相四相，四相五線，四相六線步進電機。 驅動方法 驅動步進電機有好幾種方法，個人覺得比較簡單也比較常用的還是下面這兩種， 有四相四拍運行方式即 ABBCCDDAAB ，四相八拍運行方式即 AABBBCCCDDDAA，設計中選用的是四相八拍的電機，電機四相八拍的工作原理如下圖。應用領域：永磁式步進電機主 要應用于計算機外部設備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置、閥門控制、核反應堆、銀行終端、數(shù)控機床、自動繞線機、電子鐘表及醫(yī)療設備等領域中。 (5) 驅動方式： 4 相 8 拍。 驅動芯片 ULN20xx ULN20xx、 ULN2800 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統(tǒng)。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。 4 系統(tǒng)硬件電路設計 該系統(tǒng)主要包括：單片機最小系統(tǒng)、驅動電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊。 （ 2）芯片內部的程序存儲器較少，一般只有幾 KB 容量；由于沒有外部程序存儲器， EA管腳應 接高電平，使其無效。這兩個引腳跨 接石英晶體振蕩器和電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機復位通過按動按鈕產生高電平復位稱為手動復位。下表為 35BYJ46 相序表。 5 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)軟件設計主要包括，驅動程序、平衡判斷比較子程序、 A/D 轉換子程序等。 第 19 頁 共 34 頁 圖 17 程序流程圖 編譯軟件 Keil C51 簡介 Keil C51 是德國知名軟件公司 Keil（現(xiàn)已并入 ARM 公司）開發(fā)的基于 8051內核的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前最流行開發(fā) MCS51 系列單片機的軟件，它提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起，它支持 C 語言和匯編語言編程。 =1 表示 口作為模擬功能 A/D 使用。 ADRJ=1表示 10位 A/D轉換結果的高 2位放在 ADC_RES寄存器的低 2位，低 8位存放在 ADC_RESL寄存器。從 1991 年至今，它經歷了 Advanced PCB， Protel98， Protel99， Protel99SE 幾個版本的發(fā)展。 第 22 頁 共 34 頁 原理及 PCB 設計 現(xiàn)在可著手硬件制作，此時運用 Protel99SE 進行原理設計，填好每個元件封裝，此時有些元件在庫中是沒有原理圖及封裝的，此時就要求設計者自行根據所用硬件參數(shù)畫原理圖及封裝。 （ 3）插上電源，一定要注意電源的正負，不要接反。 （ 3）介紹了完成此次設計需要用到的各種硬件，分別是： 12C5A60S2 單片機、 35BYJ46 型四相五線步進電機、 ULN20xx 驅動芯片、電位器和平衡臂。為整個系統(tǒng)畫出了系統(tǒng)流程圖，詳細介紹了編譯時需要用到的單片機的一些寄存器和它們每個位的具體值，編譯成功沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，警告也是 0，在每行程序的右邊詳細地做了注釋，并且截取了一張通過 Keil編寫的程序的圖片。 到此整個設計已經結束，我相信有一天無人操作的塔吊一定會被研制出來，并會得到廣泛運用。在做畢業(yè)設計這時段時間中，王志宏老師時時牽掛著我設計的進度情況，讓我的設計能夠有序地進行。 關于學位論文使用權和研究成果知識產權的說明： 本人完全了解成都信息工程學院有關 保管使用學位論文的規(guī)定，其中包括： （ 1）學校有權保管并向有關部門遞交學位論文的原件與復印件。文中除了特別加以標注地方外，不包含他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得成都信息工程學院或其他教學機構的學位或證書而使用過的材料。 第 26 頁 共 34 頁 參考文獻 [1] 鄭郁正 .單片機原理及應用 [M].四川：四川大學出版社， 20xx [2] 吳飛青 ,丁曉 ,李林功 .單片機原理與應用實踐指導 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 20xx [3] 張迎新 .單片機基礎教程 [M].北京 ：北京航空航天大學出版社， 20xx [4] 沙占有 .單片機外圍電路設計 [M].電子工業(yè)出版社， [5] 陳章龍 .使用單片機大全 [M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社， 1989 [6] 坂本正文 .步進電機應用技術 [M].北京：科學出版社， 20xx [7] 李建勇 .機電控制工程基礎 [M].北京：中央電大出版社， 20xx [8] 全國計算機專業(yè)技術資格考試辦公室 .步進電機應用技術 [M].北京：清華大學出版社，20xx [9] 姚福來 .電氣自動化工程師速成教程 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 20xx [10] 白玉岷 .電氣工程及自動化系統(tǒng)調試、送點及試運 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 20xx [11] 中國電器工業(yè)協(xié)會微電機分會 .