【導(dǎo)讀】本文針對乒乓球發(fā)球的特點，模擬設(shè)計了一種乒乓球發(fā)球機控制器。控制器由8位單片機STC89C51為核心的硬件電路和相關(guān)軟件編程組合而成。置了隨機發(fā)球模式，實現(xiàn)落球點的隨機變化。液晶顯示、驅(qū)動電機調(diào)速的功能。電路的設(shè)計，其中包括電動機驅(qū)動模塊、鍵盤模塊及液晶顯示模塊。軟硬件檢測，有效地將兩者結(jié)合起來，完成了系統(tǒng)的整體控制。

　　

【正文】 術(shù)條件的變化，提出比原計劃更多的要求，因而需要對原系統(tǒng)軟件進行改進和擴充，然后再重新固化，以適應(yīng)情況變化的要求。 編譯軟件介紹 隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件是目前最流行 開發(fā) MCS51系列單片機的軟件。 Keil 提供了包括編譯器、宏匯編、 鏈接定位 、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）將這些部份組合在一起。 Keil Software 公司推出的 uVision3 是一款可用于多種 8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)。除增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進的搜索功能外， uVision3 24 還提供了一個配置向?qū)Чδ?，加速了啟動代碼和配置文件的生成。此外其內(nèi)置的仿真器可模擬目標(biāo) MCU，包括指令集、片上外圍設(shè)備及外部信號等。 uVision3 提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于 MCUI/O 引腳和外設(shè)狀態(tài)變化下的程序變量。 使用獨立的 Keil 仿真器時， 要注意以下的問題： (1)仿真器標(biāo)配 的晶振，但用戶可以在仿真器上的晶振插孔中插其他頻率的晶振。 (2)仿真器上的復(fù)位按鈕只復(fù)位仿真芯片，不復(fù)位目標(biāo)系統(tǒng)。 (3)仿真芯片的 31 腳（ /EA）已接至高電平，所以仿真時只能使用片內(nèi) ROM，不能使用片外 ROM；但仿真器外引插針中的 31 腳并不與仿真芯片的 31 腳相連，故該仿真器仍可插入到擴展有外部 ROM（其 CPU的 /EA 引腳接至 低電平）的目標(biāo)系統(tǒng)中使用。 使用 Keil 編譯軟件進行程序的編譯與調(diào)試的步驟為：建立工程文件、選擇單片機、建立源文件、保存為 .C 文件、加載 C 文件、編譯、運行，最后生成 HEX 文件。 系統(tǒng)各部分流程圖 主程序流程 本設(shè)計利用 STC89C51 單片機作為控制機，采用單片機 C語言進行程序的編寫，將各部分模塊化，使用主函數(shù)調(diào)用子函數(shù)的方法，遵循自頂向下、逐步細化的原則，實現(xiàn)了按鍵掃描、單片機 P0 口發(fā)出 數(shù)據(jù)、控制 L298 驅(qū)動電路 、 LCD12864 液晶顯示的功能。 乒乓球發(fā)球機控制器的主程序流程圖如 圖 所示。 單片機上電復(fù)位后，首先進行各端口和個芯片的初始化， LCD 液晶顯示器顯示 畢設(shè)題目和制作者信息 ；其次利用 ifelse 語句進行按鍵掃描，對按鍵判斷并依次對每種按鍵模式作出相應(yīng)的程序控制。當(dāng)按鍵 1 作用后， 液晶顯示器顯示要選擇的發(fā)球模式，此時若按鍵 2 作用，液晶顯示器顯示進入隨機模式，按鍵 4 作用，隨機模式發(fā)球；若按鍵 2 不作用，按鍵 3 作用，進入定向模式，按鍵 1 作用，左旋，按鍵 4 作用，右旋。具體流程如圖 所示： 25 開 始初 始 化鍵 盤 掃 描按 鍵 1 作 用 ？界 面 1按 鍵 2 作 用 ？界 面 2按 鍵 5 作 用 ？直 流 電 機 賦 參 數(shù)定 時 器 初 始 化開 中 斷結(jié) 束YYYN按 鍵 3 作 用 ？界 面 3按 鍵 1 作 用 ？5 號 電 機 左 旋NYYN按 鍵 4 作 用 ？5 號 電 機 右 旋YN按 鍵 5 作 用 ？界 面 4按 鍵 1 作 用 ？上 旋 球按 鍵 4 作 用 ？下 旋 球YNNYNYN 圖 主程序流程圖 當(dāng)系統(tǒng)開始工作后，液晶顯示制作者信息 和畢設(shè)題目 ， 然 后根據(jù)選擇按 鍵的不同，進入不同的工作模式，液晶顯示當(dāng)前工作模式。 LCD12864 流程 26 LCD12864 液晶顯示器的工作流 程包括：初始化、寫命令、寫數(shù)據(jù)、顯示。LCD12864 的控制指令如表 所示，讀寫控制信號如表 所示： 表 LCD12864控制指令表 指令 功能說明 清屏 將 DDRAM填滿“ 20H” ， AC設(shè)為“ 00H” 地址歸位 AC=0，游標(biāo)移到原點 進入點設(shè)定 設(shè)定游標(biāo)、指定顯示的移位 顯示開關(guān)狀態(tài) 設(shè)置顯示、游標(biāo)及位置 游標(biāo)、顯示 移位控制 設(shè)置游標(biāo)、顯示的移位控 制單元，不影響 DDRAM 功能設(shè)置 工作方式設(shè)置（初始化指令） CGRAM地址設(shè)置 設(shè)置 CGRAM地址 到 AC DDRAM地址設(shè)置 設(shè)置 DDRAM地址到 AC 讀 BF及 AC值 讀忙標(biāo)志 BF值和地址計數(shù)器 AC值 寫數(shù)據(jù)到 RAM 將 D7～ D0寫入內(nèi)部 RAM 讀出 RAM的值 從內(nèi)部 RAM讀取數(shù)據(jù)到 D7～ D0 表 讀寫控制時序表 RS R/W E 功能 0 0 下降沿 寫指令 0 1 高電平 讀忙標(biāo)志或地址 AC 1 0 下降沿 寫數(shù)據(jù) 1 1 高電平 讀數(shù)據(jù) LCD12864 上電后，首 先要進行忙碌的檢測， 執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的 忙碌標(biāo)志 lcd_busy 為 低 電平， 表示不忙， 可寫指令與數(shù)據(jù) 。其次是 初始化，初始化包括基本 指令、擴充指令的操作、顯示開、關(guān)坐標(biāo)以及清除 LCD 的顯示內(nèi)容 。初始化完成之后，要 設(shè)定顯示 位置， 即輸入顯示地址 （ 此處要注意顯示第二行內(nèi)容 27 時，因為寫入顯示地址時要求最高位 D7 恒定為高電平 1，因此地址要加上 0x80），LCD12864 指定顯示位置是通過 LCD 寫命令子程序來實現(xiàn)的，由表 可知，此時設(shè)置 RS、 R/W 為低電平并且 E 為下降沿。在位置確定后，在該位置寫入數(shù)據(jù)，通過寫 數(shù)據(jù)子程序來實現(xiàn) ， 此時 應(yīng)該 設(shè)置 RS 為高電平、 RW 為低電平并且 E 為下降沿。在數(shù)據(jù)寫完之后， LCD12864 寫入的數(shù)據(jù)便會顯示在液晶屏上。 而且 液晶顯示模塊對時間的要求很嚴(yán)格，延時時間的準(zhǔn)確把握對液晶顯示的精確工作有至關(guān)重要的作用，因此軟件設(shè)計中需要延時程序。 LCD12864 流程圖如圖 所示： 開 始液 晶 顯 示 初 始 化設(shè) 定 顯 示 位 置寫 入 顯 示 數(shù) 據(jù)結(jié) 束 圖 LCD12864程序流程圖 按鍵流程 28 在本設(shè)計中，鍵盤是操作人員與儀表進行交流的輸入設(shè)備，借助鍵盤可實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。 本設(shè)計 單片機控制系統(tǒng)中， 需要功能鍵較少 ， 因此 ， 可以 采用 非編碼 鍵盤的 獨立式按鍵結(jié)構(gòu)。獨立式按鍵是直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根 I/O， 每個按鍵的工作不會影響其它I/O 口線的狀態(tài) ， 軟件結(jié)構(gòu)簡單。 本設(shè)計中單片機的 P1 口與鍵盤相連。 由于按鍵不具備自鎖的功能，按鍵的動作是瞬間引起的，因此要考慮外界震動引起的誤差，在程序中應(yīng)用到消抖的方法，可以采用微小的延時。按鍵控制的五種模式是相互獨立的，可通過 5個嵌套的 if 語 句來任意選擇哪個按鍵作用。按鍵的流程圖如圖 所示： 29 開 始=0？Temp1=1=0？Temp2=2=0？Temp3=3=0？Temp4=4=0？Temp5=5結(jié) 束NNNNNYYYYY 圖 按鍵掃描流程圖 電機驅(qū)動流程 30 直流電機驅(qū)動流程 直流電動機采用 PWM 的調(diào)速方法，利用定時器中斷的方法產(chǎn)生 PWM 信號，改變其占空比可以實現(xiàn)電動機的調(diào)速。本設(shè)計中只需對直流電機進行調(diào)速，不需要改變轉(zhuǎn)向。 本設(shè)計中采用 L298 驅(qū)動直流電機，晶振采用 12MHz， 1 個 PWM 信號由 100次中斷產(chǎn)生。 上電后，定時器初始化，定時時間到，允許開中斷，開始計數(shù)，將數(shù)值與預(yù)設(shè)數(shù)值加以比較，根據(jù)所計數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)數(shù)值的關(guān)系確定輸出電平的高低。若所計數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)數(shù)值，則輸出高電平；反之 ，輸出低電平，從而實現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)。直流電機驅(qū)動流程圖如圖 所示： 開 始開 定 時 器開 始 計 數(shù)比 預(yù) 設(shè) 數(shù) 值 大 ？輸 出 高 電 平輸 出 低 電 平結(jié) 束NY 圖 直流電機驅(qū)動 流程圖 31 步進電機驅(qū)動流程 步進電機的轉(zhuǎn)速是由脈沖頻率控制的，兩個脈沖之間時間間隔越短，電機轉(zhuǎn)的越快，一般通過 51 單片機定時器進行控制。 本設(shè)計中的步進電機的速度是固定不變的，只需要實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制。同樣采用 L298 驅(qū)動，驅(qū)動電壓為 12V。步進電機采用的型號是 25BY48L058F，額定電壓為 12V，額定電阻為 40?，采用 4 相八拍工 作方式。 系統(tǒng)上電后，定時器初始化，當(dāng)定時時間達到預(yù)設(shè)時間時，依次輸出預(yù)設(shè)脈沖，脈沖在軟件中是由數(shù)組生成的，從而使步進電機按照預(yù)設(shè)效果依次運行。 步進電機驅(qū)動流程圖如圖 所示： 開 始開 定 時 器定 時 時 間 到 ？依 次 輸 出 預(yù) 設(shè) 脈 沖結(jié) 束YN 圖 步進電機驅(qū)動 流程圖 32 第 5 章 系統(tǒng) 調(diào)試 所謂調(diào)試，是將編 寫 的程序投入實際 的硬件電路中 ， 檢驗硬件電路的輸出正誤，用手工或編譯程序等方法進行測試，修正語法錯誤和邏輯錯誤的過程 ，從而使得硬件與軟件有機的結(jié)合起來 。 整個調(diào)試過程分為三個部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，系統(tǒng)聯(lián) 機調(diào)試 。 硬件調(diào)試 單片機系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào) 試是不能分開的 。 通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進一步排除故障?？梢娪布{(diào)試是基礎(chǔ)，如果硬件調(diào)試不通過，軟件 調(diào)試 則是無從做起。 當(dāng)硬件設(shè)計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件調(diào)試階段，調(diào)試分為以下 兩 步 ：靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試。 硬件靜態(tài)調(diào)試 硬件靜態(tài)調(diào)試，主要針對以下幾點： (1) 排除邏輯故障 ： 這類故障主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先認真對照原理圖，看 接線是否有錯誤 。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路 或與其它信號線短路 ， 必要時利用數(shù)字萬用表的短路測試功能 。 (2) 排除元器件失效 ： 造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞。 首先 可以采取檢查元器件與設(shè)計要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致 ， 在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤。 (3) 排除電源故障：電源的故障包括電壓值不符合設(shè)計要求、電源引出線和插座不對應(yīng)、電源功率不足、負載能力差等。在通電前，要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。其次，加電后檢查各插件上引腳的電位（單片機IO 口的引腳電壓在 ~） 。 (4) 解決 可靠性差 ： 引起系統(tǒng)不可靠的因素很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；內(nèi)部和外部的干擾、電源紋波系數(shù)過大、器件 33 負載系數(shù)過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定；另外，走線和布局的不合理等也會引起系統(tǒng)可靠性差。 針對以上各種情況，分別提供了解決方案。 硬件動態(tài)調(diào)試 動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障，器件間連接錯誤的一種硬件檢查。動態(tài)調(diào)試借用開發(fā)系統(tǒng)資源來調(diào)試用戶系統(tǒng)中單片機的外圍電路，使系統(tǒng)在運行中暴露問題， 從而發(fā)現(xiàn)故障，排除故障 。其方法是由近及遠，由分到合的順序。 由分到合是指，按照邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，如顯示部分，DA 部分 ，比較電路部分 等，先分塊調(diào)試。當(dāng)調(diào)試某塊電路時，與該電路無關(guān)的器件全部從用戶系統(tǒng)中去掉，這樣，就可以將故障范圍限定在局部電路上。當(dāng)各塊電路調(diào)試無故障后，將各塊電路逐步加入系統(tǒng)之中，再對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進行試驗 ， 直到所有電路加入系統(tǒng)后各部分電路仍能正確工作為止，由分到合的調(diào)試就完成了 。 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試方法與所選用的軟件結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計技術(shù)有關(guān) 。如果采用模塊程序設(shè)計技術(shù)，則逐個模塊調(diào)試好后，再進行系統(tǒng)程序總調(diào)試；如果采用實時多任務(wù)結(jié)構(gòu)程序，一般逐個任務(wù)進行調(diào)試。本次設(shè)計，我們的軟件采用的是模塊化結(jié)構(gòu)。 軟件調(diào)試過程如下： (1) 模塊結(jié)構(gòu)程序調(diào)試時要一個個子程序分別調(diào)試。調(diào)試的手段可采用單步運行的方式和斷點運行的方式，通過檢查用戶系統(tǒng) CPU的現(xiàn)場、 RAM 的內(nèi)容和 I/O口的狀態(tài)，檢測程序執(zhí)行結(jié)果是否符合設(shè)計要求。 (2) 各程序模塊 調(diào)試 通過以后，可以把有關(guān)的功能模塊聯(lián)合起來一起進行整體程序綜合調(diào)試。在這個階段發(fā)生故障的原因可能是各子程序運行時破壞現(xiàn) 場、緩沖單元發(fā)生沖突、標(biāo)志位的建立和清除在設(shè)計上失誤、堆棧區(qū)域溢出等。 (3) 在上述兩步調(diào)試完成后，除了單步和斷點調(diào)試，還應(yīng)進行連續(xù)調(diào)試。因為這樣可以能確定 CPU的實時響應(yīng)問題。 34 (4) 當(dāng)全部調(diào)試完成后，反復(fù)運行了多次，觀察穩(wěn)定性，必要時要對延時子程序作適當(dāng)?shù)男薷摹? 軟件調(diào)試的界面圖如下圖 所示： 圖 軟件調(diào)試界面圖 聯(lián)機調(diào)試 軟件調(diào)試通過之后就是進行軟硬件聯(lián)機調(diào)試，在聯(lián)機調(diào)試中出現(xiàn)了以下問題： (l)步進電機不能正常運行，通電后不斷抖動。檢查后發(fā)現(xiàn)驅(qū)動電