【正文】 （ 3）學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的復(fù)制、贈(zèng)送和交換學(xué)位論文。 關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)和研究成果知識(shí)產(chǎn)權(quán)的說(shuō)明： 本人完全了解成都信息工程學(xué)院有關(guān) 保管使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包括： （ 1）學(xué)校有權(quán)保管并向有關(guān)部門遞交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件。文中除了特別加以標(biāo)注地方外，不包含他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得成都信息工程學(xué)院或其他教學(xué)機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。最后還要感謝花了 3 個(gè)月時(shí)間認(rèn)真專研學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的自己，感謝自己堅(jiān)持了下來(lái)并成功完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，謝謝。同時(shí)我還要感謝我的同學(xué)，周圍很多同學(xué)的設(shè)計(jì)原理是想通的，同學(xué)不經(jīng)意的一句話總會(huì)把我點(diǎn)醒，正是由于大家的相互鼓勵(lì)和相互幫組才有了今天。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)這時(shí)段時(shí)間中，王志宏老師時(shí)時(shí)牽掛著我設(shè)計(jì)的進(jìn)度情況，讓我的設(shè)計(jì)能夠有序地進(jìn)行。 第 26 頁(yè) 共 34 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1] 鄭郁正 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M].四川：四川大學(xué)出版社， 20xx [2] 吳飛青 ,丁曉 ,李林功 .單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)踐指導(dǎo) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx [3] 張迎新 .單片機(jī)基礎(chǔ)教程 [M].北京 ：北京航空航天大學(xué)出版社， 20xx [4] 沙占有 .單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) [M].電子工業(yè)出版社， [5] 陳章龍 .使用單片機(jī)大全 [M].哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社， 1989 [6] 坂本正文 .步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù) [M].北京：科學(xué)出版社， 20xx [7] 李建勇 .機(jī)電控制工程基礎(chǔ) [M].北京：中央電大出版社， 20xx [8] 全國(guó)計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)資格考試辦公室 .步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù) [M].北京：清華大學(xué)出版社，20xx [9] 姚福來(lái) .電氣自動(dòng)化工程師速成教程 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx [10] 白玉岷 .電氣工程及自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)試、送點(diǎn)及試運(yùn) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx [11] 中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)微電機(jī)分會(huì) .微特電機(jī)應(yīng)用手冊(cè) [M].福建：福建科技出版社， 20xx [12] 來(lái)清明 .傳感器與單片機(jī)接口及實(shí)例 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 20xx [13] 徐科軍 .傳感器與檢測(cè)技術(shù)（第 2 版） [M]..北京：電子工業(yè)出版社， 20xx [14] 譚浩強(qiáng) .C 程序設(shè)計(jì)（第三版） [M].北京：清華大學(xué)出版社， 20xx [15] 齊從謙 .C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx 第 27 頁(yè) 共 34 頁(yè) 致 謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)做完了，想起我剛拿到這個(gè)題目的時(shí)候心里是多么的忐忑不安，一直擔(dān)心自己無(wú)法按時(shí)完成，在這段時(shí)間里，我努力學(xué)習(xí)以前沒(méi)有掌握扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，翻閱各種相關(guān)書(shū)籍，在這個(gè)過(guò)程中我學(xué)到了很多的東西。這樣才能編寫(xiě)出一個(gè)合格的程序。通過(guò)各個(gè)元器件的應(yīng)用加深了我對(duì)其作用的了解，更明確了怎么在一個(gè)設(shè)計(jì)中選擇一個(gè)合適參數(shù)的元件，讓整個(gè)設(shè)計(jì)更加協(xié)調(diào)有序工作。 到此整個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，我相信有一天無(wú)人操作的塔吊一定會(huì)被研制出來(lái)，并會(huì)得到廣泛運(yùn)用。此外電機(jī)轉(zhuǎn)速還有提高的空間，因?yàn)橹皼](méi)有考慮電機(jī)端子的摩擦力，電機(jī)的平衡不是很理想。還可以更加完善這個(gè)設(shè)計(jì)并最終作出大型的仿真 塔吊工作過(guò)程。程序編譯完后被燒盡單片機(jī)并開(kāi)始調(diào)試，驗(yàn)證是否達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求，最后得出除了平衡角度未能達(dá)標(biāo)外其余都達(dá)標(biāo)。為整個(gè)系統(tǒng)畫(huà)出了系統(tǒng)流程圖，詳細(xì)介紹了編譯時(shí)需要用到的單片機(jī)的一些寄存器和它們每個(gè)位的具體值，編譯成功沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，警告也是 0，在每行程序的右邊詳細(xì)地做了注釋，并且截取了一張通過(guò) Keil編寫(xiě)的程序的圖片。 （ 4）給出了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，整畫(huà)出了個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)圖包含了以下模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，包括時(shí)鐘電路模塊和復(fù)位電路模塊；以 ULN20xx為主的驅(qū)動(dòng)電路；為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓的穩(wěn)壓電源電路。注釋了電位器的阻值為 100k。介紹了步進(jìn)電機(jī)名稱的由來(lái)和內(nèi)部構(gòu)造，通過(guò)列表給出了該電機(jī)的相序以及驅(qū)動(dòng)方法。 （ 3）介紹了完成此次設(shè)計(jì)需要用到的各種硬件，分別是： 12C5A60S2 單片機(jī)、 35BYJ46 型四相五線步進(jìn)電機(jī)、 ULN20xx 驅(qū)動(dòng)芯片、電位器和平衡臂。 （ 2）對(duì)于課題給出了三個(gè)研究方向分別是： ； 改變力矩來(lái)控制平衡； 。單片機(jī)因?yàn)槠潆娐泛?jiǎn)單易于調(diào)試而而被廣泛運(yùn)用，本文著力于用單片機(jī)來(lái)來(lái)控制模擬塔吊平衡臂的平衡，并詳細(xì)解釋了其工作原理和實(shí)現(xiàn)方法并作出以下結(jié)論： （ 1）詳細(xì) 闡述了塔吊在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，說(shuō)明了研究平衡臂的重要性和通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制平衡臂的可行性。 設(shè)計(jì)結(jié)果 因?yàn)樵谫?gòu)買元件過(guò)程中找不到更長(zhǎng)的螺桿，步進(jìn)電機(jī)不能固定在平衡臂的正中間，導(dǎo)致我的設(shè)計(jì)結(jié)果在一端放置重物時(shí)要考慮到另一端的步進(jìn)電機(jī)的重量，當(dāng)重物放置離平衡臂中間太近，平衡臂不能達(dá)到平衡，同樣，放置得太遠(yuǎn)也不能 第 24 頁(yè) 共 34 頁(yè) 達(dá)到平衡，但是在適當(dāng)?shù)木嚯x時(shí)，設(shè)計(jì)能達(dá)到除要求（ 5）以外的其他要求：通電后 LED 燈有變亮， 平衡臂掛有重物時(shí)，電機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母位置使之平衡，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也控制在了 1r/s 左 右，但是由于電機(jī)的端子長(zhǎng)期暴露在空氣中，端子上已經(jīng)開(kāi)始生銹，電機(jī)在快達(dá)到平衡時(shí)的微調(diào)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)不連貫，導(dǎo)致了電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)之后平衡臂與水平面的角度大概在 5 度左右，未能完全達(dá)到 =5 度的要求。 （ 3）插上電源，一定要注意電源的正負(fù)，不要接反。 調(diào)試過(guò)程 （ 1）仔細(xì)觀察整板，并著重觀察各元件管腳是否存在虛焊、錯(cuò)焊、漏焊，一定要注意焊點(diǎn)之間不能有連接的情況，如發(fā)現(xiàn)，用小刀將之割斷。 圖 19 控制系統(tǒng) PCB 圖 第 23 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 20 電路板 圖 21 系統(tǒng)效果圖 硬件調(diào)試 硬件調(diào)試的準(zhǔn)備工作 （ 1）掌握相關(guān)器件的工作原理。自動(dòng)布線是軟件根據(jù)當(dāng)前元件布局進(jìn)行的智能布線操作，但是對(duì)于較復(fù)雜的設(shè)計(jì) ，會(huì)出現(xiàn)較多飛線的情況，因此采用手動(dòng)布線。 第 22 頁(yè) 共 34 頁(yè) 原理及 PCB 設(shè)計(jì) 現(xiàn)在可著手硬件制作，此時(shí)運(yùn)用 Protel99SE 進(jìn)行原理設(shè)計(jì)，填好每個(gè)元件封裝，此時(shí)有些元件在庫(kù)中是沒(méi)有原理圖及封裝的，此時(shí)就要求設(shè)計(jì)者自行根據(jù)所用硬件參數(shù)畫(huà)原理圖及封裝。 （ 3）印刷電路盤設(shè)計(jì)環(huán)境：用于設(shè)計(jì)印刷電路板文件。 （ 1）原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境：主要用來(lái)設(shè)計(jì) 原理圖文件。 Protel99SE 主要是由 PCB 印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)和 FPGA 設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩部分組成，在這次的設(shè)計(jì)中，使用了引用最廣泛的 PCB 設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從 1991 年至今，它經(jīng)歷了 Advanced PCB， Protel98， Protel99， Protel99SE 幾個(gè)版本的發(fā)展。編譯成功。 用 Keil 對(duì) C 語(yǔ)言進(jìn)行編譯如下圖 16。 第 21 頁(yè) 共 34 頁(yè) （ 4） A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 ADC_RES、 ADC_RESL AUXR1寄存器的 ADRJ位是 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ ADC_RES、 ADC_RESL）的數(shù)據(jù)格式調(diào)整控制位。 ADRJ=1表示 10位 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高 2位放在 ADC_RES寄存器的低 2位，低 8位存放在 ADC_RESL寄存器。 ADC_START為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制位，設(shè)置 1時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后置 0。 SPEED SPEED0為模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度控制位，當(dāng)二者皆為一時(shí)表示 90個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次， CPU工作頻率 21MHz時(shí)， A/D轉(zhuǎn)換速度約 250KHz。 0：關(guān)閉 A/D轉(zhuǎn)換器電源； 1：開(kāi)啟 A/D轉(zhuǎn)換器電源。 =1 表示 口作為模擬功能 A/D 使用。 表 3 單片機(jī)寄存器表 符號(hào) 地址 位地址及其符號(hào) P1ASF 9DH P17ASF P16ASF P15ASF P14ASF P13ASF P12ASF P11ASF P10ASF ADC_CONTR BCH ADC_PWOER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG ADC_START CHS2 CHS1 CHS0 ADC_RES BDH ADC_RESL BEH AUXR1 A2H PCA_P4 SPI_P4 S2_P4 GF2 ADRJ DPS IE A8H EA ELVD EADC ES ET1 EX1 ET0 EX0 IP B8H PPCA PLVD PADC PS PT1 PX1 PT0 PX0 IPH B7H PPCAH PLVDH PADCH PSH PT1H PX1H PT0H PX0H （ 1） P1 口模擬功能控制寄存器 P1ASF A/D 轉(zhuǎn)換通道與 P1 口復(fù)用，上電復(fù)位后 P1 口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置 8 路中的任何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D 使用的 P1 口可以繼續(xù)作為 I/O 口使用。當(dāng)你準(zhǔn)備在目標(biāo)硬件上測(cè)試軟件應(yīng)用時(shí)，可以使用 MON5 MON390、 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(cè)試程序代碼。模擬幫助你了解硬件配置，避免在安裝問(wèn)題上浪費(fèi)時(shí)間。 第 19 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 17 程序流程圖 編譯軟件 Keil C51 簡(jiǎn)介 Keil C51 是德國(guó)知名軟件公司 Keil（現(xiàn)已并入 ARM 公司）開(kāi)發(fā)的基于 8051內(nèi)核的微控制器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是目前最流行開(kāi)發(fā) MCS51 系列單片機(jī)的軟件，它提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起，它支持 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程。電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度不能太快也不能太慢，設(shè)計(jì)中令電機(jī)內(nèi)部的小電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為 每一個(gè) A/D 采樣執(zhí)行周期轉(zhuǎn)動(dòng) 10 圈，該轉(zhuǎn)速是經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試得出的，設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部小電機(jī)的轉(zhuǎn)速如果太小，則電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的太少，宏觀表現(xiàn)為電機(jī)抖動(dòng)，反之電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的太多，宏觀表現(xiàn)為超調(diào)。 V c cV in*1 0 2 4R e s u lt C o n v e r s io nDAb it10 ? (式 51) 式中， Vin 為模擬輸入通道輸入電壓， Vcc 為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，本設(shè)計(jì)中為 5V。 A/D 轉(zhuǎn)換程序把模擬信號(hào)改變成數(shù)據(jù)信號(hào)，由于 12C5A60S2 單片機(jī)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(shí)， 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。 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括，驅(qū)動(dòng)程序、平衡判斷比較子程序、 A/D 轉(zhuǎn)換子程序等。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，Lm7805 應(yīng)配上散熱板。 下圖是 Lm78 系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路圖，是一個(gè)輸出正 5V直流電Lm7805 穩(wěn)壓電路壓的穩(wěn)壓電源電路。電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 Lm78 系列和負(fù)電壓輸出的 Lm79 系列。下表為 35BYJ46 相序表。 圖 14 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 P2 口的電平高低就影響了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，由于電機(jī)是四相八拍，不同的相序輸出的狀態(tài)字就有八個(gè)，因?yàn)?ULN20xx 的每個(gè)管腳都與一個(gè)非門相連，要讓某一個(gè)管腳通電則芯片的輸出端就應(yīng)該為低電平（電機(jī)的電源線接的是高電平），所以單片機(jī)與 ULN20xx 對(duì)應(yīng)管腳為高點(diǎn)平時(shí)電機(jī)通電成功。 驅(qū)動(dòng)電路模塊 驅(qū)動(dòng)電路模塊如下圖 12 所示。按下按鈕，則直接把 +5V 直接加到 RET/VPD 端 第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè) 從而復(fù)位稱為手動(dòng)復(fù)位 [2]。單片機(jī)復(fù)位通過(guò)按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱為手動(dòng)復(fù)位。 在眾多復(fù)位電路設(shè)計(jì)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。本設(shè)計(jì)晶振采用 12MHz，則計(jì)數(shù)周期為 [1]。 圖 12 時(shí)鐘振蕩電路 電路中的 C3 和 C7 都為 33Pf，對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會(huì)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。這兩個(gè)引腳跨 接石英晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器。常用的時(shí)鐘電路方式有兩種，一種是內(nèi)部時(shí)鐘，另一種是外部時(shí)鐘。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 2）芯片內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器較少，一般只有幾 KB 容量；由于沒(méi)有外部程序存儲(chǔ)器， EA管