【文章內(nèi)容簡介】 于計算機外部設(shè)備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置、閥門控制、核反應(yīng)堆、銀行終端、數(shù)控機床、自動繞線機、電子鐘表及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中。本次設(shè)計中選用的35BYJ46型永磁式步進電機（四相五線），該電機質(zhì)量小，用5V電壓就能驅(qū)動，一般的設(shè)計中運用該電機很合適。其外觀如下圖。圖6 35BYJ46步進電機 35BYJ46步進電機工作參數(shù)35BYJ46步進電機，永磁減速步進電機，微型減速步進電機，4相減速電機[7]。(1) 額定電壓：12V DC。(2) 相數(shù)：4。(3) 減速比：1/。(4) 步距角：（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)過的機械角度稱之為步距角，通常用表示）。(5) 驅(qū)動方式：4相8拍。(6) 直流電阻：130Ω177。7%(25℃)。(7) 溫升：40K(120Hz)。(8) 噪音：40dB(A)。(9) 重量：約100g。 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。電位器阻值100K。 驅(qū)動芯片ULN2003ULN2000、ULN2800是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)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(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。本次設(shè)計選用的是ULN2003。 ULN2003芯片特點(1) ULN2003 的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與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)。(2) ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路ULN2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝，NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動電壓=50V，電流=500mA，輸入電壓=5V，適用于TTL COMS，由達林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN是集成達林頓管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。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003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350mA，9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在VCC與16腳之間，不用9腳。輸出端的二極管學(xué)名續(xù)流二極管，英文freewheel diode。 如果ULN2003的達林頓管輸入端輸入低電平使其截止，其驅(qū)動的元件是感性元件，則電流不能突變，此時會產(chǎn)生一個高壓；如果沒有二極管，達林頓管會被擊穿，所以這個二極管主要起保護作用。由于ULN2003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）接在負載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路[13]。圖8 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖9 ULN2003應(yīng)用電路 平衡臂本次設(shè)計的要求只是模擬塔吊的的平衡狀況，并沒有要求做成產(chǎn)品，故大多從簡，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，長約20cm，寬約2cm，材質(zhì)為鋁合金，質(zhì)量小不到100g且價格便宜，很適合學(xué)生做模擬實驗。4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計該系統(tǒng)主要包括：單片機最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊。為得到穩(wěn)定的5V電源，途中設(shè)置穩(wěn)壓電源，開關(guān)S2閉合后能把大于5V的電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V的電源。單片機的P2口接ULN2003芯片，芯片另一端接步進電機，上電后步進電機就在芯片驅(qū)動后開始正反轉(zhuǎn)。其余則是供電模塊和為好接線而作的引腳。LED燈指示單片機是否成功上電。原理圖如下。圖10 系統(tǒng)硬件原理圖 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(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。（1）電路簡單，并有大量的I/O端口可供用戶使用，P0、PPP3都可以作為I/O端口使用。（2）芯片內(nèi)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，管腳應(yīng)接高電平，使其無效。圖11 單片機最小系統(tǒng) 時鐘電路設(shè)計時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊的一拍一拍的工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。12C5A60S2單片機內(nèi)由一個反向放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時鐘。常用的時鐘電路方式有兩種，一種是內(nèi)部時鐘，另一種是外部時鐘。本設(shè)計選擇前者。單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器。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。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩電路如下。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。而外接晶體的頻率大小，主要取決于單片機的工作頻率范圍，每一種單片機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。本設(shè)計晶振采用12MHz，則計數(shù)周期為[1]。 (式41) 復(fù)位電路設(shè)計STC12C5A60S2系列單片機有5種復(fù)位方式：外部RST引腳復(fù)位，外部低壓檢測復(fù)位(新增第二復(fù)位功能腳RST2復(fù)位，實現(xiàn)外部可調(diào)復(fù)位門檻電壓復(fù)位)，軟件復(fù)位，掉電復(fù)位/上電復(fù)位(并可選擇增加額外的復(fù)位延時200mS，也叫MAX810專用復(fù)位電路，其實就是在上電復(fù)位后增加一個200mS復(fù)位延時)，看門狗復(fù)位。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。本系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計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。單片機復(fù)位通過按動按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱為手動復(fù)位。上電時，剛接通電源，電容C2相當(dāng)于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使12C5A60S2全機自動復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運行過程中需要程序從頭運行，只需按動按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V直接加到RET/VPD端從而復(fù)位稱為手動復(fù)位[2]。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，就能使單片機有效地復(fù)位。 驅(qū)動電路模塊驅(qū)動電路模塊如下圖12所示。芯片1至4腳接單片機的23至20腳，芯片16至13腳接步進電機1到4腳，步進電機5腳接電源VCC。圖14 驅(qū)動電路原理圖P2口的電平高低就影響了電機的轉(zhuǎn)動方向，由于電機是四相八拍，不同的相序輸出的狀態(tài)字就有八個，因為ULN2003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（電機的電源線接的是高電平），所以單片機與ULN2003對應(yīng)管腳為高點平時電機通電成功。為了減小外界信號的干擾，設(shè)ULN2003的58腳為高電平。下表為35BYJ46相序表。表2 35BYJ46四相八拍相序表(公共端為高)步序相序通電相P2口輸出（狀態(tài)）值P23P22P21P2010001AF1H20011ABF3H30010BF2H40110BCF6H50100CF4H61100CDFCH71000DF8H81001DAF9H 穩(wěn)壓電源模塊三端穩(wěn)壓集成電路Lm7805。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系列和負電壓輸出的Lm79系列。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。下圖是Lm78系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路圖，是一個輸出正5V直流電Lm7805穩(wěn)壓電路壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采集成穩(wěn)壓器Lm7805，CC9分別濾掉幅度較大的干擾電壓；CC6分別濾掉尖脈沖干擾。當(dāng)輸出電流較大時，Lm7805應(yīng)配上散熱板。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(shè)計了一個備用電源，該電源能把220V的交直流電壓直接轉(zhuǎn)變?yōu)?V 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。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括，驅(qū)動程序、平衡判斷比較子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序等。驅(qū)動程序的主要功能是驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)。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。此時，如果需取完整數(shù)10位結(jié)果，按下面公式計算。 (式51)式中，Vin為模擬輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機實際工作電壓，本設(shè)計中為5V。平衡判段程序則是首先系統(tǒng)讀取當(dāng)前反饋的AD值，程序把得到的AD值與上下限比較，若AD值大于設(shè)定好的上限，則電機逆時針旋轉(zhuǎn)，（設(shè)螺母遠離自己一端為參照方向），加大螺帽離平衡臂中心的距離，反之則順時針旋轉(zhuǎn)，減小螺帽與平衡臂中心的距離來達到平衡。電機旋轉(zhuǎn)速度不能太快也不能太慢，設(shè)計中令電機內(nèi)部的小電機的最大轉(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)部小電機的轉(zhuǎn)速如果太小，則電機每次轉(zhuǎn)動的太少，宏觀表現(xiàn)為電機抖動，反之電機每次轉(zhuǎn)動的太多，宏觀表現(xiàn)為超調(diào)。程序流程圖如下。開始讀取當(dāng)前AD值A(chǔ)D值是否在設(shè)定范圍內(nèi)大于上限小于下限電機右旋，減小螺母與中央距離電機左旋，加大螺母與中央距離電機停止轉(zhuǎn)動NY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(nèi)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(diào)試器等在內(nèi)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。Keil μVision調(diào)試器能準(zhǔn)確地模擬8051設(shè)備的片上外圍設(shè)備（IC、CAN、UART、SPI、中斷、I/O端口、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和PWM模塊）。模擬幫助你了解硬件配置，避免在安裝問題上浪費時間。此外，使用模擬器你可以在沒有目標(biāo)設(shè)備的情況下編寫和測試應(yīng)用程序。當(dāng)你準(zhǔn)備在目標(biāo)硬件上測試軟件應(yīng)用時，可以使用MON5MON390、NONADI、或者FlashMON51目標(biāo)監(jiān)視器、ISD51 InSystem調(diào)試器、ULINK USBJTAG適配器在目標(biāo)系統(tǒng)上下載并測試程序代碼。 軟件編譯 與STC12C5A60S2系列單片機A