【文章內(nèi)容簡介】 ， ，所以 器分得的電壓 [3]。 設(shè)計要求 本設(shè)計要完成以下功能： （ 1）當(dāng)單片機插上電源后，位于 PCB 板上的 LED 亮，成功表示上電。 （ 2）當(dāng)平衡臂掛有重物時，電機能自動旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母位置使之平衡。 （ 3） 35BYJ46 電機額定轉(zhuǎn)速是可控的，為了提高效率要求轉(zhuǎn)速應(yīng)在 1r/s 左右。 （ 4）在設(shè)計中平衡臂角度對應(yīng)的 AD 值本來就設(shè)定在 888892 之間，所以電機停止轉(zhuǎn)動時有可能不會完全與水平面達(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。 單 片 機 控 制 器 電位分壓器 穩(wěn)壓電路 驅(qū)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(zhuǎn)使平衡臂重新達(dá)到平衡。 3 硬件選型 單片機選型 12C5A60S2 簡介 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期(1T)的單片機，是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍。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 )，針對電機控制，強干擾場合。STC12C5A60S2 系列單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是各自獨立編址的。STC12C5A60S2 系列單片機的所有程序存儲器都是片上 Flash 存儲器，不能訪問外部程序存儲器，因為沒有外部訪問使能信號 — EA 和程序存儲 啟用信號— PSEN。 STC12C5A60S2 系列單片機內(nèi)部有 1280 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，其在物理和邏輯上都分為兩個地址空間 :內(nèi)部 RAM(256 字節(jié) )和內(nèi)部擴展 RAM(1024 字節(jié) )。另外， STC12C5A60S2 系列單片機還可以訪問在片外擴展的 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器。內(nèi)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)。低 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器既可直接尋址也可間接尋址。高 128 字節(jié)RAM 與特殊功 能寄存器區(qū)貌似共用相同的地址范圍，都使用 80HFFH，地址空間雖然貌似重疊，但物理上是獨立的，使用時通過不同的尋址方式加以區(qū)分。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） 增強型 8051CPU， 1T，單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 （ 2） 工作電壓： STC12C5A60S2 系列工作電壓： ～ （ 5V 單片機）。 （ 3）工作頻率范圍： 0 ～ 35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0 ～ 420MHz。 （ 4）片上集成 1280 字節(jié) RAM。 （ 5）有 EPROM 功能。 （ 6）通用 I/O 口（ 36/40/44 個），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，強推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏每個 I/O 口驅(qū)動能力均可達(dá)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。 （ 7）內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時，復(fù)位腳可直接 1K 電阻到地）。 （ 8）共 4 個 16 位定時器兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器， 16 位定時 第 5 頁 共 34 頁 器 T0 和 T1，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上 2 路 PCA 模塊可再實現(xiàn) 2 個 16 位。 （ 9）外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為 177。 5% 到 177。 10% 以內(nèi) )用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 / 時鐘常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 單片機為： 11MHz ～ 17MHz； 單片機為： 8MHz ～ 12MHz。 （ 10） 3 個時鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 ，獨立波特率發(fā)生器可 以在 口輸出時鐘。 （ 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 )。 （ 12） PWM(2 路） / PCA（可編 程計數(shù)器陣列， 2 路）；也可用來當(dāng) 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 )。 （ 13） A/D 轉(zhuǎn)換， 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘25 萬次 )。 （ 14）通用全雙工異步串行口 (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定時器或 PCA 軟件實現(xiàn)多串口 [12]。 12C5A60S2 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) STC12C5A60S2 系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖 2 所示。 STC12C5A60S2單片機中包含中央 處理器 (CPU)、程序存儲器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)、定時/計數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI 接口、 PCA、看門狗及片內(nèi) R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。 STC12C5A60S2 系列單片機幾乎包 含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)[12]。 第 6 頁 共 34 頁 圖 2 12C560S2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 12C5A60S2 單片機封裝尺寸圖 單片機 12C5A60S2 擁有不同形式的封裝，本設(shè)計選用的是 PDIP40 型封裝[10]，如下圖 3。 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 單片機管腳介紹 表 1 單片機管腳介紹 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) P0口作為輸入 /輸出口時， P0是一個 8位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無需外接上拉電阻。當(dāng) P0作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時，是低 8位地址 [A0~A7]， 數(shù)據(jù)線 的[D0~D7]。 標(biāo)準(zhǔn) I/O 口 PORT1[0] ADC0 ADC 輸入通道 0 CLKOUT2 獨立波特率發(fā)生器的時鐘輸出可通過設(shè)置 WAKE_CLKO[2]位/BRTCLKO將該管腳配置為CLKOUT2 2128 Port2: P2口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入 /輸出口，也可作為高 8位地址總線使用 (A8 ~ A15)。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。當(dāng)直接使用外部時鐘源時，此引腳是 外部時鐘源的輸入端 XTAL2 18 內(nèi)部時鐘電路反相放大器的輸出端，接外部晶振 的另一端。當(dāng)直接使用外部時鐘源時，此引腳可 浮空，此時 XTAL2實際將 XTAL1輸入的時鐘進(jìn)行輸 出。 VCC 40 電源正極 Gnd 20 電源負(fù)極，接地 步進(jìn)電機 很顯然，本次設(shè)計中最為重要也是核心的原件非步進(jìn)電機莫屬，市場上的步進(jìn)電機按力矩產(chǎn)生原理分類有永磁式、反應(yīng)式、混合式步進(jìn)電機；按定子數(shù)分類有單定子式、雙定子式、多定子式步進(jìn)電機；按定子勵磁相數(shù)分類有三相、四相、五相、六相步進(jìn)電機，本設(shè)計選的是四相五線步進(jìn)電機 [6]。 第 9 頁 共 34 頁 四相五線步進(jìn)電機 步進(jìn)電機內(nèi)部構(gòu)造如下圖 圖 4 步進(jìn)電機內(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。那么， A 和 ~A 是一組 a，B 和 ~B 是一組 b。 不管是兩相四相，四相五線，四相六線步進(jìn)電機。內(nèi)部構(gòu)造都 是如此。至于究竟是四線，五線，還是六線。就要看 A 和 ~A 之間， B 和 B~之間有沒有公共端 抽線 。 如果 a 組和 b 組各自有一個 端，則該步進(jìn)電機六線，如果 a 和 b 組的公共端連在一起，則是 5 線的。 本次設(shè)計用到的是四相五線步進(jìn)電機，谷 a 和 b 的公共端是連在一起的。 由于五線中， a 和 b 組的公共端是連接在一起的。用萬用表測，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。 驅(qū)動方法 驅(qū)動步進(jìn)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(shè)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。 第 10 頁 共 34 頁 圖 5 步進(jìn)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 上圖是表示剛剛步進(jìn)電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，沒有畫中線抽頭。中間那個表示電機轉(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。 AABBBCCCDDDAA 中出現(xiàn)的字母表示這根線對應(yīng)加上高電平，其余的加低電平。具體就是 A 處于高電平，其余處于低電平，延時一小段， AB 處于高電平，其余處于低電平，依次類推 [8]。 具體選用步進(jìn)電機 永磁式步進(jìn)電機（ PM），是由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。永磁式步進(jìn)電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度或 15 度。電機里有轉(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。應(yīng)用領(lǐng)域：永磁式步進(jìn)電機主 要應(yīng)用于計算機外部設(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(jìn)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。 第 11 頁 共 34 頁 圖 6 35BYJ46 步進(jìn)電機 35BYJ46 步進(jìn)電機工作參數(shù) 35BYJ46 步進(jìn)電機，永磁減速步進(jìn)電機，微型減速步進(jìn)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： 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)過的機械角度稱之為步距角，通常用 s? 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 ULN20xx ULN20xx、 ULN2800 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，