【導(dǎo)讀】題目按摩機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。指導(dǎo)教師高浪琴職稱副教授。專業(yè)電子信息工程。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)技術(shù)和直流電機(jī)PWM調(diào)速技術(shù)為基。礎(chǔ)提出了控制系統(tǒng)框架和具體設(shè)計(jì)技術(shù)方案，從硬件電路方面闡述了控制系統(tǒng)的總體。外圍設(shè)備為用戶提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和按摩功能，并利用氖燈顯示當(dāng)前的工作狀。態(tài)；利用LED數(shù)碼管顯示電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的PWM傳動(dòng)控制。電路，利用MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)，綜合運(yùn)用了直流電機(jī)。18檔速度進(jìn)行按摩，可提供4種獨(dú)特的按摩方式，用戶可根據(jù)喜好利用按鍵調(diào)節(jié)速。度檔次、按摩方式等要求。

　　

【正文】 8 位實(shí)時(shí)定時(shí) /計(jì)數(shù)器（ TCC），其信號(hào)源、觸發(fā)沿可編程選擇，溢出產(chǎn)生中斷 掉電模式（ SLEEP 模式） 3 個(gè)中斷源 ? TCC 溢出中斷 ? 輸入引腳狀態(tài)變化中斷（從休眠模式中喚醒） ? 外部中斷 可編程自由運(yùn)行看門狗定時(shí)器（ WDT） 有 8 個(gè)I/O 引腳可編程設(shè)置為上拉 有 7 個(gè) I/O 引腳可編程設(shè)置為下拉 有 8 個(gè) I/O 引腳可編程設(shè)置為漏極開(kāi)路 有 2 個(gè) ROPTION 引腳 每個(gè)指令周期為兩 個(gè)時(shí)鐘周期 %的指令為單周期指令 封裝形式： SOP、 SOIC 和 DIP 具有電壓檢測(cè)器，檢測(cè)范圍177。 如圖 6 所示， EM78P156E 單片機(jī)有 18 個(gè)管腳，其中可用作 I/O 功能的管腳只有東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì) 18 12 個(gè)，即 P5x 和 P6x。需要注意的是，該單片機(jī)的 I/O 具有推挽結(jié)構(gòu)，能夠直接驅(qū)動(dòng)LED 等外部弱電設(shè)備，因此大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電路元器組成。 P5017P5118P521P532TCC3RESET4VSS5P606P617P628P639P6410P6511P6612P6713VDD14OSCO15OSCI16U2EM78P156E 圖 32 EM78P156E 單片機(jī) 系統(tǒng)單片機(jī)外部擴(kuò)展 確定了單片機(jī)后，需要對(duì)單片機(jī)相應(yīng)管腳的功能進(jìn)行定義并設(shè)計(jì)其外部電路的功能。 首先我們要 預(yù)先分析，用戶使用按摩機(jī)所關(guān)心的是按鍵功能是否正確、發(fā)光二極管指示的工作狀態(tài)是否無(wú)誤以及數(shù)碼管顯示的按摩振動(dòng)速度是否準(zhǔn)確，也就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖中“按鍵輸入與 LED 指示部分”需要完成的工作。完成這些功能需要利用單片機(jī) I/O，在不浪費(fèi)系統(tǒng)資源的前提下分配單片機(jī) I/O 口。可以知道，“按鍵輸入與 LED 指示部分”需要 6（用戶按鍵） +4（數(shù)碼管） +4（發(fā)光二極管） =14 個(gè) I/O 管腳。除了涉及用戶使用的 I/O 外，設(shè)計(jì)者還必須考慮分配 I/O 管腳的包括：交流檢測(cè)輸入、氖燈、電機(jī)和蜂鳴器的控制。這 4 個(gè)部分各自獨(dú)立控制，需要 4 個(gè) 單獨(dú)的單片機(jī) I/O 管腳。 根據(jù)上面的分析，完成按摩機(jī)需要 14+4=18 個(gè)單片機(jī) I/O 管腳，而 EM78P156E只提供了 12 個(gè)可用的 I/O 管腳。 解決這一問(wèn)題的方法可采用 I/O 復(fù)用技術(shù)：交流檢測(cè)輸入、氖燈、電機(jī)和蜂鳴器的控制使用了 4 個(gè)管腳，各自獨(dú)立，可用于復(fù)用的管腳為 8 個(gè)。數(shù)碼管的顯示可以通東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì) 19 過(guò)串行驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣只需要兩個(gè) I/O 口便可完成 4 個(gè) I/O 口的功能； 6 個(gè)按鍵和4 個(gè) LED（按摩機(jī)工作模式指示燈）可采用 I/O 口復(fù)用方式利用剩余的 6 個(gè)管腳完成。這樣單片機(jī)即可完成預(yù)先設(shè)定的控制功能。 然后我們對(duì)單片機(jī) I/O 管 腳進(jìn)行分配，其外部電路連接如圖 33 所示。 P5017P5118P521P532TCC3RESET4VSS5P606P617P628P639P6410P6511P6612P6713VDD14OSCO15OSCI16U2EM78P156E12Y1XTALC5C5 圖 33 單片機(jī)電路連接 管腳 18 連接 4 數(shù)碼管串行驅(qū)動(dòng)芯片 74LS164，將按摩機(jī)的振動(dòng)速度值以串行方式發(fā)送至該芯片，經(jīng)并行輸出處理后顯示。 管腳 2： P53，連接定義為 ANJ1/LED4，外部電路完成按鍵 1（數(shù)碼管顯示開(kāi)關(guān)）和發(fā)光二極管 4（隨機(jī)方式按摩指示燈）的功能。 管腳 6： P60/INT，連接定義為 ANJ2/LED3，外部電路完成按鍵 2（氖燈開(kāi)關(guān)）和發(fā)光二極管 3（波浪感方式按摩指示燈）的功能。 管腳 7： P61，連接定義為 ANJ3/LED2，外部電路完成 按鍵 3（按摩振動(dòng)降速按鍵）和發(fā)光二極管 2（快慢方式按摩指示燈）的功能。 管腳 8： P62，連接定義為 ANJ4/LED1，外部電路完成按鍵 4（按摩機(jī)電源開(kāi)關(guān)）和發(fā)光二極管 1（定速方式按摩指示燈）的功能。 管腳 9： P63，連接定義為 ANJ5，連接按鍵 5（按摩方式切換按鍵）。 管腳 10： P64，連接定義為 ANJ6，連接按鍵 6（按摩振動(dòng)和加速按鍵）。 管腳 11： P65，連接定義為 BEEP，連接電路為蜂鳴器發(fā)聲電路。 管腳 12： P66，連接定義為 MOTOR，外部電路完成電機(jī)調(diào)速控制功能。 管腳 13： P67，連接定義為 HLIGHT，外部電路完成氖燈控制，系統(tǒng)上電點(diǎn)亮氖燈，故障及斷電狀態(tài)熄滅氖燈。 管腳 1 16 連接晶振，產(chǎn)生 4MHz 的頻率。該頻率為系統(tǒng)的時(shí)鐘周期。 管腳 17： P50，連接定義為 AC JC，外部電路完成交流檢測(cè)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì) 20 交流檢測(cè)電路 在本設(shè)計(jì)應(yīng)用中不需要嚴(yán)格的過(guò)零檢測(cè)，所以此處用最簡(jiǎn)單的方法檢測(cè)交流過(guò)零，如圖 34 所示。將交流電引入單片機(jī)過(guò)程中，單片機(jī) I/O 口連接一個(gè) 2M? 的電阻，再直接同 220V 的市電電源線相連。由于單片機(jī) I/O 口內(nèi)部已存在有二極管鉗位電路，因此 不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。 I/O 口的電平狀態(tài)與交流點(diǎn)正弦波形關(guān)系如圖 35 所示。正弦曲線為交流電曲線，矩形方波為脈沖檢測(cè)波形。從電路技術(shù)來(lái)說(shuō)，利用弱電系統(tǒng)檢測(cè)交流強(qiáng)電的原理是利用晶振脈沖的上升沿和下降沿檢測(cè)此刻交流電狀態(tài)。如果兩次采樣的交流電狀態(tài)沒(méi)有變化（要么都為正，要么都為負(fù)），那么此時(shí)沒(méi)有發(fā)生交流過(guò)零；如果兩次采樣的交流電狀態(tài)發(fā)生變化（一次為正 ,一次為負(fù)），那么一定發(fā)生交流過(guò)零。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先保存 I/O 口的初始狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)利用時(shí)鐘脈沖間隔中不斷檢測(cè) I/O 口的狀態(tài)，如果狀態(tài)發(fā)生改變，則發(fā)生了交流過(guò)零。P5017P5118P521P532TCC3RESET4VSS5P606P617P628P639P6410P6511P6612P6713VDD14OSCO15OSCI16U2EM78P156E220V2M 圖 34 交流檢測(cè)電路 圖 35 I/O 口的電平狀態(tài)與交流電正弦波形關(guān)系 電機(jī)控制方案 電機(jī)控制的主要目的是調(diào)速，此處利用過(guò)零檢測(cè)后控制電機(jī)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)速。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì) 21 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖在直流電機(jī) PWM 調(diào)速原理與控制技術(shù) 節(jié)中圖 35 所示， 4 個(gè)二極管起整流作用，將交流電流變成單向脈動(dòng)的電流；電感 L 防止了電路中過(guò)于大的電流變化（ di/dt）；并聯(lián)在可控硅上的電阻和電容作用是可以防止可控硅兩端過(guò)于大的電壓變化（ du/dt ），這些都是用來(lái)防止可控硅誤觸發(fā)的。由于前面 章節(jié)已有詳細(xì)介紹，在此就不在贅述了。 LED 的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng) 1. LED 的驅(qū)動(dòng)原理。 LED 發(fā)光二極管的工作電壓為 ~3V，工作電流為幾毫安到十幾毫安，壽命很長(zhǎng)。單片機(jī)外圍接口電路中，常用發(fā)光二極管作顯示器件。 發(fā)光二極管顯示方法有兩種。一種是直流靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法，即一個(gè)輸出口驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管，其優(yōu)點(diǎn)是軟件簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是端口的利用率低，因此只在發(fā)光二極管少的電路中采用。另一種是分時(shí)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法，周期性地給發(fā)光二極管通電，周期較短（例如不長(zhǎng)于 20ms），人眼觀察無(wú)閃爍之感。利用此法驅(qū)動(dòng) 2 位 8 段數(shù)碼管 ，用單片機(jī) 2 個(gè)口作位線驅(qū)動(dòng)， 8 個(gè)口作段線驅(qū)動(dòng)即可。一般來(lái)說(shuō)分時(shí)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法 n 個(gè)端口能驅(qū)動(dòng) m（ nm）個(gè)發(fā)光二極管，其中 m 是從 n 中分出的列（位）線，而余下的（ nm）個(gè)則作為行（段）線。當(dāng) n4，并且 m=n/2 時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 [18]。 CLR9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VDD14GND7U1MC74HC164Na1b2c3d4e5f6g7dp819210311412U2SM210284510R4510R5510R6510R7510R8510R9510R18VCC 圖 36 實(shí)際應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)方式 2. 驅(qū)動(dòng)方式。 在本設(shè)計(jì)際應(yīng)用中，為了提高 I/O 口的利用率，在此采用串行驅(qū)動(dòng)，即使用兩個(gè)I/O 口驅(qū)動(dòng)串轉(zhuǎn)并芯片 74LS164,常用串轉(zhuǎn)并芯片 74LS164 在 clk 的上升沿將串行的數(shù)據(jù)送到并行口。實(shí)際應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)方式電路圖見(jiàn)圖 36。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)整機(jī)電路設(shè)計(jì) 22 4 按摩機(jī)控制系統(tǒng) 整機(jī)電路 設(shè)計(jì) 本章節(jié)其實(shí)是上一章節(jié)技術(shù)方案的延續(xù)，是對(duì)系統(tǒng)硬件原理圖的總體設(shè)計(jì)。電路原理設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是為實(shí)際的制版電路提供理論上的基礎(chǔ)。因此我們要借助假想電路環(huán)境，降電路設(shè)計(jì)得盡可能地簡(jiǎn)單高效。 本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)在 PROTEL 軟件中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)，同時(shí)可加深對(duì) PROTLE 軟件的使用，反過(guò)來(lái)在操作 PROTEL 軟件的過(guò)程中積累設(shè)計(jì)心得和體會(huì)以及經(jīng)驗(yàn)，為以后的工作打下基礎(chǔ)。兩者相結(jié)合，互相促進(jìn)，互相補(bǔ)足，才能取得想要的結(jié)果。 本按摩機(jī)的 PROTEL 布線電路采用的是簡(jiǎn)單的順 序布線形式 ,并不需要使用多層布線。設(shè)計(jì)中盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配，以及可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)，還要考慮其芯片驅(qū)動(dòng)能力。本章所有小節(jié)電路見(jiàn)系統(tǒng)原理圖 36。 電源電路 將交流市電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當(dāng)受體積和成本等因素的限制時(shí)，最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。具體的電路部分見(jiàn)圖 11 中位于單片機(jī)上面的部分 [19]： 電源電路的組成包括： C1 為降壓 電容器 ,選用容值為 1 F? 的電容。 VD VD2 為半波整流二極管。 R1 為泄放電阻，需用阻值為 100 ?K 的電阻。 整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓一般會(huì)高于 30V，并且會(huì)隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng)，這是因?yàn)榇祟愲娫磧?nèi)阻很大，不適合大電流供電的應(yīng)用場(chǎng)合。為保證 C1 可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓。泄放電阻 R1 的選擇必須保證在要求的時(shí)間內(nèi)泄放掉 C1 上的電荷。具體電路 節(jié)有詳細(xì)介紹，具體實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)原理圖 11上部分 [20]。 復(fù)位電路 基本的復(fù)位電路為 C2 電容（容值為 1 F? ）和 R1 電阻（阻值為 100 ?K ）。 R1東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)整機(jī)電路設(shè)計(jì) 23 并聯(lián)了一個(gè)二極管，它的作用是放電，保證在電源插拔時(shí)可靠復(fù)位。若沒(méi)有二極管D1，當(dāng)電源因某種干擾瞬間斷電時(shí)，由于 C2 電容不能迅速放電，待電源恢復(fù)時(shí)，單片機(jī)便 不能上電自動(dòng)復(fù)位，導(dǎo)致運(yùn)行失控，程序不正常運(yùn)行。 具體電路穿插在電源電路中，見(jiàn)系統(tǒng)原理圖 11 上部分電源電路中。 電機(jī)和氖燈控制電路 圖 36 系統(tǒng)原理圖的右下部分， A+、 A接氖燈； B+、 B接電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的兩端 4 個(gè)二極管起整流作用，將市電整流成單向脈動(dòng)的直流供給電機(jī) [20]： 1. 氖燈控制電路部分的組成包括： (1)R10，阻值為 10 ?K ，提升端口的驅(qū)動(dòng)電壓。 (2)C6，容值為 1 F? ，濾波電容。 (3)C7，容值為 47nF，防止 A+、 A間的高頻串?dāng)_。 (4)Q1 為一個(gè)雙向可控硅。 2. 電機(jī)控制電路部分的組成包括： (1)R11，阻值為 10 ?K ，提升 端口的驅(qū)動(dòng)電壓。 (2)C8，容值為 1 F? ，濾波電容。 (3)Q2 為一個(gè)雙向可控硅。 (4)C9，容值為 1 F? 。 (5)R22，阻值為 ?K ，與 C9 形成一個(gè)濾波回路。 (6)D8~D11，這是二極管整流橋電路，該整流電路為氖燈提供可靠的直流電源。 (7)R13，阻值為 ?K ，用于保護(hù)電機(jī)。 (8)C10，容值為 47 F? ，穩(wěn)定電機(jī)的工作電壓波形。 R13 起保護(hù)作用，防止外面短接的時(shí)候短路。 C10 改變載波的波形，減緩陡峭程度，減小噪聲。在可控硅兩端并聯(lián)了 RC 緩沖電路，控制電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流滯后于電源電壓。因此電流過(guò)零時(shí)，雙向可控硅可能突然承受較高的電壓，過(guò)高的 du/dt 可