畢業論文-基于at89c2051單片機滾動式廣告窗系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是他的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很濟南大學 泉城學院 畢業設計 7 多，不過價錢也是低的，一般不超過 10 即 可。用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現在用的全自動滾筒洗衣機、排煙機、 VCD 等等的家電里面都可以看到它的身影。它主要是作為控制部分的核心部件。它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的主要區別。 單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，尤其是也輸得獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也難做到的。一個不是很復雜的功能是要用美國 50 年代開發的 74 系列，或者60 年代 的 CD4000 系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大 PCB 板。但是如果要使用美國 70 年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別。只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現高智能，高效率，以及高可能性。 由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統治地位的軟件還是最低級的匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級語言已經達到了可視化的編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的 CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設備。一個可視化高級語言編寫的小程 序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十 K 的尺寸。對于家用 PC 的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編語言原始月還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統和應用軟件拿到家用 PC 的也是承受不了的?？梢哉f，二十世紀跨越了三個“ 電 ” 的時代，即電氣時代、電子時代和現已經入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱 PC 機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控 制器）、顧名思義，這種計算機的最小系統只用了一片集成電路 ，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。現在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等。各種產品一旦用上了單片機，就能起到使產品升級還貸的功效，常在產品名稱前冠以形容詞 — “智能型”，如智能型洗衣機等?，F在有些工廠的技術人員或其他也要電子開發者搞出來的某些產品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其 原因，可能就卡在產品未使用 單片機其他可編程邏輯器件上 。 單片機編程語言的介紹 欲使單片機工作，必須給他“下命令”，這里的“命令”稱作指令，單片機執行不同的指令就可以完成不同的操作。對于一些簡單的任務，單片機執行一兩條指令就可以完成，但是一些復雜的任務就需要執行很多條指令才可以完成。我們把單片機執行特定任務的指令的綜合叫做叫做程序。我們編寫這些指令綜合的過程叫做程序設濟南大學 泉城學院 畢業設計 8 計。 我們要單片機執行我需要的什么任務時，我們就對其寫出任務命令，然后傳達（編入）給單片機。要設計單片機程序，除了要了解單片機指令的含義 和用法外，還要掌握指令組合成程序的規則。就跟我們學習英語一樣，我們要學習英語的語法和用法規則，才能說好用好流利的英語。 單片機常用的編程語言有：機器語言、匯編語言和高級語言（主要是 C 語言） 單片機是一種大規模的數字集成電路，它只能識別 0 和 1 這樣的二進制代碼。以前在單片機開發過程中，人們用二進制代碼編寫程序，然后再把所編寫的二進制代碼程序寫入單片機，單片機執行這些代碼程序就可以完成相應的程序任務。 用二進制代碼編寫的程序稱為機器語言程序。在用機器語言編程時，不同的指令用不同的二進制代碼代表，這種 二進制代碼構成的指令就是機器指令。在用機器語言編寫程序的時候，由于需要記住大量的二進制代碼指令及這些代碼代表的功能，很不方便且容易出錯，現在基本上很少有人用機器語言對單片機進行編程了。 2．匯編語言 由于機器語言編程很不方便，人們使用一些有意義并且容易記憶的符號來表示不同的二進制代碼指令，這些符號稱為助記符。用助記符表示的指令稱為匯編語言指令，用助記符編寫出來的程序稱為匯編語言程序。 01110100 00000010（機器語言） MOV A, 02H（匯編語言） 這兩行程序的功能是一樣的，都是將二進制數 據 00000010 送到累加器 A 中。可以看出，機器語言程序要比匯編語言難寫，并且很容易出錯。 單片機 只能識別機器語言，所以匯編語言程序要匯編（翻譯）成機器語言程序，再寫入單片機中。一般都是用軟件匯編自動將匯編語言翻譯成機器指令。 高級語言是依賴數學語言設計的，在用高級語言編程時不用過多的考慮單片機的內部機構。與匯編語言相比，高級語言易學易懂，而且通用性很強。高級語言的種類很多，如： B 語言 Pascal 語言 C 語言和 JAVA 語言等。單片機常用 C 語言作為高級編程語言。 [14] 單片機不能識別高級語言 的程序，因此也需要用編譯器對高級語言程序翻譯成機器語言程序后再寫入單片機。 在以上三種編程語言中，高級，高級語言編程較為方便，但實現相同的功能，匯編語言代碼少，運行效率高，另外對于初學單片機的朋友，學習匯編語言編程有利于更好的理解單片機的結構與原理，也能為以后學醫高級語言編程打下扎實的基礎。 AT89C2051 引腳功能介紹 濟南大學 泉城學院 畢業設計 9 圖 2 AT89C2051 引腳配置 AT89C2051 單片機是 51 系列單片機的一個成員，是 8051 單片機的簡化版。內部自帶 2K 字節可編程 FLASH 存儲器的低電壓、高性能 COMS 八位微處理器，與 Intel MCS51 系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位 CPU 和閃速存儲器結合在單個芯片中，因此， AT89C2051 構成的單片機系統是具有結構最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統，省去了外部的 RAM、 ROM 和接口器件，減少了硬件開銷，節省了成本 ，提高了系統的性價比。 AT89C2051 是一個有 20 個引腳的芯片，引腳配置如圖 2 所示。與 8051 相比，AT89C2051 減少了兩個對外端口（即 P0、 P2 口），使它最大可能地減少了對外引腳下，因而芯片尺寸有所減小。 AT89C2051 芯片的 20 個引腳功能為： VCC 電源電壓。 GND 接地。 RST 復位輸入。當 RST 變為高電平并保持 2 個機器周期時，所有 I/O 引腳復位至 “ 1” 。 XTAL1 反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2 來自反向振蕩放大器的輸出。 P1 口 8 位雙向 I/O 口。引腳 ～ 提供內部上拉，當作為輸入并被外部下拉為低電平時，它們將輸出電流，這是因內部上拉的緣故。 和 需要外部上拉，可用作片內精確模擬比較器的正向輸入（ AIN0）和反向輸入（ AIN1）， P1 口輸出緩沖器能接收 20mA 電流，并能直接驅動 LED 顯示器； P1 口引腳寫入 “ 1” 后，可用作輸入。在閃速編程與編程校驗期間， P1 口也可接收編碼數據。 濟南大學 泉城學院 畢業設計 10 P3 口 引腳 ～ 與 為 7 個帶內部上拉的雙向 I/0 引腳。 在內部已與片內比較器輸出相連，不能作為通用 I/O 引腳訪問。 P3 口的輸出緩沖器能接收 20mA的灌電流； P3 口寫入 “ 1” 后，內部上拉，可用輸入。 P3 口也可用作特殊功能口。P3 口同時也可為閃速存儲器編程和編程校驗接收控制信號。 [34 5] 濟南大學 泉城學院 畢業設計 11 4 系統的硬件設計 步進電機及驅動電路的設計 步進電機的特性 1 步進電機必須加驅動才可以運轉， 驅動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止 ， 如果加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比。 2 騰龍版步進電機的步進角度為 度 ，一圈 360 度 ， 需要 48 個脈沖完成。 3 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性。 4 改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動的方向。 因此，目前打印機， 繪圖儀 ， 機器人 等等設備都以步進電機為動力核心 。 步進電機的原理和分類 工作 原理： 步進電機是一種 感應電機 ，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機， 交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、 功率 驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進 電機 卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。 步進電機作為 執行元件 ，是機電一體化的關鍵產品之一 , 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。 分類： 現在比較常用的步進電機包括 反應式步進電機 （ VR）、 永磁式步進電機 （ PM）、混合式步進電機 （ HB）和單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 度或 15 度； 反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相 勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉 矩 ； 混合式步進電機是指綜合了永磁式和反應式的優點而設計的步進電機。它又分為兩相、三相和五相：兩相步進角一般為 度，三相步進角一般為 度，而五相步進角一般為 度。 步進電動機的 控制 原理 及驅動原理 濟南大學 泉城學院 畢業設計 12 圖 3 步進電機控制系統 滾動式廣告窗是由步進電機帶動廣告畫面滾動顯示的 。 在系統中 ， 單片機發 射 控制信號給步進電機驅動電路 ， 再由步進電機驅動電路來驅動步進電 動 機 。 步進電 動 機控制原理如圖 3 所示 。 單片機的 P3. 2 用于發送步進脈沖信號 ， 故和步進電 動 機的步進端相接 ； P3. 3 用于 控制步進電 動 機的轉動方向 ， 所以和驅動電路的方向端相連 ；P3. 4 用于控制步進電 動 機脫機 ， 故和脫機端相連 。 另外 ， 單片機的電源和驅動電路的 4 端相連 。 實際上 ， 步進電 動 機驅動電路 SH 20806C 的輸入端 1 都是和光電耦合器的輸入發光二極管的負端相連 ， 從而有 3 路光電隔離控制信號控制步進電 動 機 ；而輸入端 4 則和 3 路光電耦合器的輸入發光二極管的正極相連 ， 為發光二極管提供 + 5 V 電源 。 步進電機驅動電路 SH 20806C 是一個內部可以自動產生對步進電 動 機控制信號的電路 。 它只要求外部向其提供 3 種控制信 號 ： 步進脈沖信號、向控制信號 以及 脫機控制信號 。 [2] 3. 1 步進脈沖信號 STEP 步進脈沖信號最高頻率為 50 KHZ， 這個信號為低電平時 ， 使驅動電路內部光電耦合器的發光二極管導通 。 驅動電路在步進脈沖信號的下降沿時響應工作 ， 脈沖低電平的有效寬度不能小于 10μs。 3. 2 方向控制信號 DIR 這個信號用于控制步進電 動 機的旋轉方向 ： 當這個信號為高電平時為一種轉動方向 ； 當信號 為低電平時為反方向 。 為了保證可靠控制方向 ， 要求方向控制信號比步進脈沖信號至少提早 20μs 建立 。 步進電機的初始運行方向和電機接線 有關 ， 把電 動 機的兩相互換 ， 則可改變電 動 機的初始運行方向 。 3. 3 脫機控制信號 FREE 這個信號用于控制步進電 動 機電源的開關 ， 當 其 為低電平時 ， 驅動電路切斷步進電機繞組電流 ， 使電機處于自由狀態 ， 此時步進脈沖信號不能被響應 。 自由狀態可顯著降低驅動電路和步進電機的功耗和溫升 ， 當不用此功能時 ， 這個信號可以懸空 。 步進電 動 機采用型號為 86BYG250B BAFRBC 0302 的兩相混合式步進電 動 機 ， 其相數為 2， 步距角為 1. 8176。， 靜態相電流 3 A ， 相電阻 1. 2Ω， 相電感為 7. 2 mH， 轉動 增量為 3 000gcm2。 濟南大學 泉城學院 畢業設計 13 步進脈沖信號、方向信號以及脫機信號的時序波形圖如圖 5 所示 ： 圖 5 步進、方向、脫機信號波形時序 步進電機驅動器系統電路原理 ： 圖 6 步進電機驅動器系統電路原理圖 AT89C2051 將控制脈沖從 P1 口的 ～ 輸出，經 74LS14 反相后進入 9014，經 9014 放大后控制光電開關，光電隔離后，由功率管 TIP122 將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和停止等動作。圖中 L1 為步進電機的一相繞組。 AT89C2051 選用頻率 22MHZ 的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式 2 下盡量減小 AT89C2051濟南大學 泉城學院 畢業設計 14 對上位機脈沖信號周期的影響。 [89] 圖 6 中的 RL1～ RL4 為繞組內阻 ， 50Ω 電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數的元件。 D1～ D4 為續流二極管，使電機繞組產生的反電動勢通過續流二極管（ D1～ D4）而衰減掉，從而保護了功率管 TIP122 不受損壞。 在 50Ω 外接電阻上并聯一個 200μF 電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續流二極管串聯的 200Ω 電阻可減小回路的放電 時間常數，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。 [15] 超聲波檢測部分設計 近距離探測電路 近距離探測電路 由發射電路和接收電路兩部分組成，如圖 7 圖 7 超聲波發射和接收電路 所使用的傳感器誰一對經過優化的壓電陶瓷片，其中的一個具有 40KHZ 的發射功能，另外一個具有 40KHZ 的接收功能。根據雷達的探測原理，所有進入該探測電路的探測范圍的物體都可以將 HD1壓電陶瓷片發射的 40KHZ超聲波反射到接收端的HD2 壓電陶瓷片上。由 AT89C2051 單片機 端口控制的 NE555 輸出信號驅動 BG1功率管 ，再由升壓變壓器 T1 升壓后驅動 HD1 壓電陶瓷片向廣告窗前發射出 40KHZ的超聲波信號。接收電路主要