【文章內(nèi)容簡介】 149 系列單片機是 16 位低 功耗的單片機，具有良好的性能。不僅有五種低功耗模式還有靈活的時鐘使用模式。有豐富的功能模塊其中包括多通道 1014 位 AD 轉(zhuǎn)換器、雙路 12 位 DA 轉(zhuǎn)換器、液晶驅(qū)動器、電源電壓檢測、看門狗定時器，多個 16 位、 8 位定時器 (可進行捕捉，比較， PWM 輸出 )、flash 存儲器，采用先下載程序到 flash，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行、MSP430 芯片上包括 JTAG 接口，仿真調(diào)試通過一個簡單的 JTAG 接口轉(zhuǎn)換器就可以方便的實現(xiàn)如設(shè)置斷點等?？焖凫`活的變成方式：可通過 JTAG 和 BSL 兩種方式向 CPU 內(nèi)裝在程序。功能雖多， 但是很多都用不到，其電壓范圍??；結(jié)構(gòu)太過復雜，不太適合 通過比較本系統(tǒng)選取 AT89C51 系列較合適，即選取方案一。 電動機的選擇 本系統(tǒng)選擇電機 主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向光源。有以下方案可供選擇： 方案一：步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制 領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 步進電機也叫脈沖電機，其有許多有點， 因而廣泛應用于機械、冶金、輕常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 5 工、計算機外圍設(shè)備、儀器儀表、軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域。其優(yōu)點如下： （ 1） 是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，步進電機使用時對速度和位置都有嚴格要求。 （ 2）是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。容易實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和啟、?？刂?，啟、停時間短。 （ 3）是輸出轉(zhuǎn)角的精度高，無積累誤差。步進電機實際步距角與理論步距角總有一定的誤差，且誤差可以累加， 但是當步進電機轉(zhuǎn)過一周后，總的誤差被清零了。 （ 4）是整機結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復雜，調(diào)整困難，使用步進電機后，使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。 方案二：直流減速電機。 此電機在正常通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，控制簡單方便。 由于本次跟蹤設(shè)計對電機轉(zhuǎn)動的精度有較高的要求，直流減速電機在此方面有明顯的不足速度不容易控制， 而步進電機的控制和實現(xiàn)是相對簡單一些。因而選用方案一。 步進電機的性能指標 1) 步距角精度（ Δα） 在討論步距角精度之前 ,先介紹步距角的概念。步距角就是步進電機輸 入一個脈沖所轉(zhuǎn)過的角度。步距角為 : θ=360176。 /（ m z k） 式中， m為定子繞組的相數(shù)； z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； k為通電方式系數(shù)，整部方式k=1，半步方式 k=論設(shè)計的步距角之差，以分（ ′）表示。步進電機的靜態(tài)步進誤差一般在 10′之內(nèi)。引起誤差的原因主要是定子和轉(zhuǎn)子沖片的精度，齒槽分布不均勻或氣隙不均勻等。在實際使用中，常以累計誤差表示步距角精度。注意，步進電機的步距角累計誤差在 360176。后清零。 2) 靜態(tài)距角特性 在空載狀態(tài)下，給步進電機通電，則轉(zhuǎn)子齒的中心線和 定子齒的中心線重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)子處在靜止狀態(tài)。當電動機軸上外加一個負載轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)子則要產(chǎn)生一個抗衡負載的電磁力矩，此時轉(zhuǎn)子相對于定子按一定方向轉(zhuǎn)動一個角度，該角度稱之為失調(diào)角。失調(diào)角 θ和靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩 Tj之間滿足 : Tj=Tjmaxsinθ 式中 Tjmax──最大靜轉(zhuǎn)矩， N m； θ──失調(diào)角， θ=2π /m（ m為一個通電順序內(nèi)的拍數(shù)）。 常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 6 圖 步進電機的單相距角特性 圖 。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力越大，靜態(tài)誤差越小。上失調(diào)角 θ在 π～π之間，如果去掉外載，則轉(zhuǎn)子仍然能夠回到初始穩(wěn)定平衡位置。因此，稱 π θπ的區(qū)域為步進電機的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。在圖所示的距角特性曲線族中，曲線 A和曲線 AB的交點所對應的力矩稱之為步進運行狀態(tài)的最大起動轉(zhuǎn)矩。采用不同的運行方式和增加步進電機相數(shù)可以提高最大啟動轉(zhuǎn)矩。分析可知，最大負載力矩不能超過 Tq，否則電機不能啟動。不同相數(shù)的電機，啟動轉(zhuǎn)矩不同。通過計算，可以得到下表 21。 表 21 步進電機的啟動轉(zhuǎn)矩 項目 數(shù)據(jù) 運行方式 相數(shù) 3 4 5 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 Tq/Tjmax 3） 動態(tài)轉(zhuǎn)矩和距頻特性 在不同頻率下步進電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。隨著輸入脈沖的增加，步進電機的轉(zhuǎn)矩減小。 4） 啟動頻率和慣頻特性 步進電機從靜止狀態(tài)突然啟動而不失步的頻率，稱為啟動頻率。它反映了電動機跟蹤的快速性。若控制脈沖頻率大于啟動頻率，則電機會出現(xiàn)失步，不能正常工作。目前，步進電機的啟動頻率為 1000～ 3000Hz。電動機啟動頻率與轉(zhuǎn)子和負載的慣性有關(guān)。慣性越大，則啟動頻率越小。 5） 最高運行頻率 運行頻率是指電動機在額定狀態(tài)下逐升速，達到不失步的連續(xù)工作頻率。一常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 7 般情況下，連續(xù)運行頻率遠遠大于啟動頻率。因此，步進電機在以較低的啟動頻率啟動后，應采用升速控制策略達到運行頻率。同樣，采用降速策略從運行頻率降到啟動頻率以下，在停止控制脈沖。 傳感器的選擇 當光軸對準太陽時，光斑的中心在光軸上。四個象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號。當光軸未對準太陽時即太陽光與光軸成一角度 θ時，光線經(jīng)光學系統(tǒng)照射到四象限光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移即 (x≠ 0， y≠ 0)。由于各象限的光功率 與各象限的光斑面積成正比，每個象限被光斑覆蓋的面積不同，因此各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同。根據(jù)上述將 Vx， Vy進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入單片機。單片機通過驅(qū)動設(shè)備可控制俯仰角電機和方位角電機轉(zhuǎn)動，直到 Vx=Vy=0，即 x=0， y=0，則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對準太陽，根據(jù)以上原理即可對太陽能板位置誤差進行校正。 本次設(shè)計選擇的是步進電機，步進電機驅(qū)動有三種方案可選擇： 方案一：光敏電阻。從光照特性來看，隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降，可以反映光照的變化，但該特性大多數(shù)情況為非線性，部分光照區(qū)間內(nèi)，特 性變化不靈敏。 方案二：硅光電池。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的半導體器件，根據(jù)硅光電池光照強度曲線特性可知：硅光電池的開路電壓或短路電流與光強呈很好的線性關(guān)系。 方案三：光敏二極管。光敏二極管具有單向?qū)щ娦?，無光照時，有很小的暗電流，當受到光照時，光電流隨射光強度的變化而變化。 方案四：光敏三極管。光敏三極管靈敏度遠高于光電池 ,但受外界環(huán)境影響飄動比較嚴重 ,用兩個光敏三極管采集點光源兩側(cè)的光強差 ,可以有效消除外界環(huán)境光的干擾 .光敏三極管接收面不僅小而且是一個有聚光功能的透鏡 ,更容易確定點光源的位置。 用四個光敏三極管組成四象限感光面，上下左右各一個光敏三極管。光敏三極管常用來檢測可見光或紅外光，有光照射或光強變化時，集電極產(chǎn)生的光伏感生電流直接流入基極，并被器件本身所放大，因此光敏三極管有較高的靈敏度。 在測試光敏電阻與硅光電池時，發(fā)現(xiàn)光源的距離限制了兩者的應用范圍。當距離比較大時，兩者的靈敏度大大降低。經(jīng)實踐測定，光敏二級管與光敏三極管滿足要求，但在反映速度，及變化的靈敏、快速性方面，光敏三極管更勝一籌，因此傳感器選擇方案四。本系統(tǒng)設(shè)計時采用了光敏三極管 3DU5作為光強檢測傳感器。 顯示器 的選擇 本系統(tǒng)顯示器主要顯示的是傳感器檢測到的信號，可選用以下方案： 方案一： FYD128640402B是一種具有 4位 /8位并行、 2線或 3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形 LCD液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 64, 內(nèi)置 8192個 16*16點漢字，和 128個 16*8點 ASCII字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示 8 4行 16 16點陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗又是其中的一個顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液 晶顯示與同類型的圖形點陣液晶顯示常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 8 相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。 方案二：七段數(shù)碼管顯示，顯示的范圍比較小，一般只能顯示數(shù)值和字母。數(shù)碼管多時連線也會隨之復雜。 綜上所述：方案一相對比較有優(yōu)勢，所以選 LCD液晶顯示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 9 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件方框圖 本系統(tǒng)是有控制核心的單片機對傳感器檢測的光源的信號進行分析和處理然后控制電機，使其跟隨點光源移動。達到跟蹤點光源的目的。系統(tǒng)的硬件主要有控制器單片機，電機驅(qū)動模塊，顯示模塊，鍵盤等模塊組 成的。具體方框圖如圖 。 電 池 板鍵 盤X 軸 電 機驅(qū) 動Y 軸 電 機驅(qū) 動傳 感 器顯 示單 片 機 圖 硬件方框圖 主控系統(tǒng) 本設(shè)計采用 TI公司的 AT89C51單片機 分別作為發(fā)送部分和接受部分的控制核心，完成信號發(fā)送和接收、電流檢測、控制電機、鍵盤輸入及液晶顯示等功能。AT89C51單片機電路設(shè)計和制作簡單，功耗低。 文中所述系統(tǒng)為地平坐標系的雙軸自動跟蹤控制系統(tǒng)，因此 采用雙坐標步進電機控制，雙坐標步進電機控制就是在 X軸方向控制 1臺步進電機，在 Y軸方向控制 1臺步進電機。這 2臺步進電機同時驅(qū)動同一個對象，使對象在一個平面上以任意曲線運動。 單片機主要特點 是由 ATMEL公司生產(chǎn)的一個單片機。在功能上，該系列單片機有基本型和增強型兩大類。在片內(nèi)程序存儲其的配置上，該系列的單片機有三種形式：掩膜ROM、 EPROM、 ROM Less（無片內(nèi)程序存儲器）。 AT89C5l是一種低功耗、高性能的 8位單片機，片內(nèi)帶有 4KB的 Flash可編程可擦除只讀存貯器，它采用 CMOS工 藝和高密度非易失性存貯器技術(shù)，而且引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51兼容。片常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 10 內(nèi)的 Flash存貯器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存貯器編程器來編程。 AT89C5l是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領(lǐng)域。 單片機主要組成 CPU系統(tǒng)： 8位 CPU,含布爾處理器；時鐘電路；總線控制邏輯。 存儲器系統(tǒng)： 4KB的程序存儲器（ ROM/EPROM/Flash，可外擴至 64KB）；128KB的數(shù)據(jù)存儲器（ RAM,可在外擴 64KB）；特殊功能寄存器 SFR。 I/O口和其他功能單元 ： 4個并行 I/O； 2個 16為定時 /計數(shù)器； 1個全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（ 5個中斷源、 2個優(yōu)先級）。 外接晶體引腳 XTAL1和 XTAL2： (1)XTAL1:接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當采用外部振蕩信號源時，該引腳接收外部振蕩源的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 (2)XTAL2:接外部晶體的另一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩信號源源時，此引腳應懸浮不連接。 89C51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生 ：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部始終方式。內(nèi)部時鐘方式如圖所示。在 89C51單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的 XTAL1和 XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容 C1和 C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在 5～ 30pF，典型值為 30pF。晶振 CYS的振蕩頻率范圍在 ～12MHZ間選擇，典型值為 12MHZ和 6MHZ。這也是最常用的晶振電路。如下圖： 圖 晶振電路 單片機的復位電路 RST：復位輸入端。當振蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 11 平將使單片機復位。在對 Flash存貯器編程期間，該引腳也用于施加編程語序電源。 當在 89C51單片機的 RST引腳引入高電平并保持 2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)）。 在實際應用中，復位操作有兩種形式：一種是上電復位，另一種是上電復位與按鍵均有效的復位。如下圖 。 （ a）上電復位 （ b）上電復位 與按鍵 圖 復位電路 上電復位要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復位操作。常用的上電復位電路如圖 （ a）所示。上電瞬間