單片機課程設計-基于單片機活動門控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、科信學院課程設計說明書（2010/2011學年第 二 學期）課程名稱 ： 單片機課程設計 題 目 ： 基于單片機的活動門設計 專業(yè)班級 ： 學生姓名 ： 學 號： 指導教師 ： 設計周數(shù) ： 2周 設計成績 ： 年 月 日 目錄1課設主要任務與技術要求3 1.1主要任務3 1.2技術要求32系統(tǒng)分析與設計32.1系統(tǒng)分析3 2.2活動門總體設計方案43. 單片機簡介5 3.1 80C51單片機功能與引腳介紹64主要硬件電路6 4.1電機驅(qū)動電路6 4.2門限電路8 4.3按鍵去抖電路84.3.1作用84.3.2技術方案85. 單片機與PC機串口通訊96. 程序設計9 6.1 單片機程序設計96

2、.1.1程序流程圖106.1.2源程序的代碼13 6.2 上位機程序設計156.2.1控制界面166.2.2程序代碼：167. 總結(jié)208. 參考文獻20附錄一 電路圖21附錄二 PCB版圖22附錄三 實物圖231.課設主要任務與技術要求1.1主要任務系統(tǒng)分析與設計：對系統(tǒng)進行調(diào)研，詳細分析系統(tǒng)，設計出基于單片機的活動門控制系統(tǒng)的技術方案；設計實現(xiàn)系統(tǒng)的關系技術：電機驅(qū)動、門限電路、軟件控制；系統(tǒng)電路的設計與實現(xiàn)：器件選擇、地址分配和硬件連接；系統(tǒng)軟件的設計與實現(xiàn)：單片機代碼的實現(xiàn)，計算機控制代碼的實現(xiàn)；系統(tǒng)調(diào)試：調(diào)試串口、調(diào)試按鍵、調(diào)試驅(qū)動；系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。1.2技術要求實現(xiàn)活動門的開關動作：在單

3、片機的作用下，通過活動門上安裝的控制按鈕，控制外部電機實現(xiàn)活動門的開關動作（即用單片機控制電機的正反轉(zhuǎn)）；實現(xiàn)上位機軟件控制活動門：利用計算機的軟件實現(xiàn)對活動門的開關動作（即單片機與上位機的通信，完成對活動門的正確控制）；使用單一供電電源，控制電機使用直流電機，活動門必須安裝限位開關，實現(xiàn)門的自動控制。2系統(tǒng)分析與設計2.1系統(tǒng)分析要想實現(xiàn)活動門的開關動作,從理論上分析,最簡單的方法就是用開關控制電機的通斷,帶動開關門機構(gòu)作相應的動作。也就是說，只要安裝一個電機就可以了?；窘Y(jié)構(gòu)如下：圖2.1 活動門結(jié)構(gòu)圖但是采用圖2.1所示的控制方案，只能實現(xiàn)最為簡單的開關工作。然而實際的工作情況要復雜得多

4、，這樣的工作方式還存在著如下的問題。如何控制電機的正反轉(zhuǎn)由于電機的動作十分簡單，只能是正轉(zhuǎn)或者是反轉(zhuǎn)。對與圖2.1所示的方案，需要采用觸點開關才能實現(xiàn)每一個活動門的開關動作。并且需要判斷當前活動門的開關狀態(tài)。這就的需要在活動門的操作機構(gòu)之上加入邏輯控制模塊。是否能用單一電源方案圖2.1所示的方案中，為了控制電機的正反轉(zhuǎn)，采用了正、負雙電源的供電方式。一般說來，這樣的面板機構(gòu)中，最好采用單電源供電的方式。采用單電源的方式控制電機的正反轉(zhuǎn)就牽涉到電機的驅(qū)動電路的設計問題。能否利用軟件控制活動門的開關活動門操作結(jié)構(gòu)中的電機一般都是小型的直流電機，通過按鈕改變電機的正反轉(zhuǎn)動作用。但是，對于某些特殊的要

5、求或者是在某些程序中需要涉及到利用軟件實現(xiàn)活動門的開關動作，這對于如圖2.1所示的電路方案而言，是無法做到的，所以還需要對電路作進一步的改進，并在PC機軟件中加入活動門的開關控制功能。2.2活動門總體設計方案機箱活動門控制原理框圖如圖2.2所示：PC機單片機驅(qū)動電路小電機發(fā)光二極管接近傳感器觸點開關圖2.2 活動門控制原理框圖各部分功能：PC機：使用C#.NET提供用戶微機程序界面，并將用戶對發(fā)光二極管的操作轉(zhuǎn)化為控制指令發(fā)送到下位機上。單片機：監(jiān)測和接收外部狀態(tài)信號，控制發(fā)光二極管的亮和滅，并發(fā)送控制指令給驅(qū)動電路，控制小電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路：驅(qū)動電機的動作，實現(xiàn)二極管的亮和滅。接近傳感

6、器：將當前二極管的狀態(tài)信息反饋給單片機。觸點開關：反映發(fā)光二極管的狀態(tài)變化，并告知單片機發(fā)光二極管的狀態(tài)。PC機與單片機通信：用串口通信。3. 單片機簡介單片機是一種集成電路芯片。它采用超大規(guī)模技術將具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器(CPU)、存儲器（含程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM）、輸入、輸出接口電路(I/O接口)集成在同一塊芯片上，構(gòu)成一個即小巧又很完善的計算機硬件系統(tǒng)，在單片機程序的控制下能準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。所以說，一片單片機芯片就具有了組成計算機的全部功能，從某種意義上來說，一塊單片機就是一臺微型計算機。由此來看，單片機有著一般微處理器（CPU）芯片所不具

7、備的功能，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。然而單片機又不同于單板機（一種將微處理器芯片、存儲器芯片、輸入輸出接口芯片安裝在同一塊印制電路板上的微型計算機），單片機芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路，如果對它進行應用開發(fā)，它便是一個小型的微型計算機控制系統(tǒng)，但它與單板機或個人電腦(PC機)有著本質(zhì)的區(qū)別，與微型計算機相比單片機具有一下特點：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高 單片機把各功能不僅集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡

8、劣環(huán)境下工作?？刂乒δ軓?單片機雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是它“五臟俱全”，已經(jīng)具備了足夠的控制功能。單片機具有較多的I/O口，CPU可以直接對I/O進行I/O操作、算術操作、邏輯操作和位操作，指令簡單而豐富。所以單片機也是“面向控制”的計算機。低電壓、低功耗 單片機已可在2.2V的電壓下運行，有的已能在1.2V或0.9V下工作；功能降至為uA級，一顆紐扣電池供電就可以長期工作。優(yōu)異的性能、價格比 由于單片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)期短、控制功能強、可靠性能高，因此，在達到同樣功能的條件下，用單片機來發(fā)的控制系統(tǒng)比其他類型的微型計算機開發(fā)的控制系統(tǒng)價格更便宜。3.1 80C51單片機功能與引腳介

9、紹本設計采用的單片機型號為80C51，80C51單片機系列源于MCS-51系列。把所有廠家以8051為基核推出的各種型號80C51兼容型單片機統(tǒng)稱為80C51系列。8051是MCS-51系列中最基礎的單片機型號，其供應狀態(tài)有8051(MaskROM)、8751(EPROM)、8031(ROMless)。 51系列單片機的主要功能特點： 一個8位微處理器CPU；片內(nèi)振蕩器，振蕩頻率范圍為1.212MHZ；4KB/8KB的片內(nèi)ROM（8031、8032、80C31無）；128/256字節(jié)的片內(nèi)RAM；片外ROM的尋址范圍為64KB;片外RAM的尋址范圍為64KB;21個特殊功能寄存器(SFR)；四

10、個8位并行I/O接口(P0P3)，32根I/O口線； 1個全雙工UART串行口，可多級通信；2/3個16位定時/計數(shù)器；具有5/6個中斷源，可編程為兩個優(yōu)先級；有位尋址功能，適于布爾處理的位處理機；111條指令；片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)；用單一+5V電源。4主要硬件電路 4.1電機驅(qū)動電路由于采用分立元件構(gòu)成的直流電機的驅(qū)動電路原理上較為簡單，但要考慮到器件的應用條件等一些因素，本次設計采用了專用的小功率直流電機驅(qū)動芯片。設計中采用的是東芝公司的TA7267BP，改芯片在相應的邏輯電平的控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止，和剎車4種動作。其邏輯電平的工作電壓為6V18V，驅(qū)動電機的工作電壓為0V

11、18V，是一款單電源供電的芯片。其封裝如圖4.1所示，各引腳功能定義如表4.1所示。圖4.1 TA7267BP封裝圖表4.1 TA7267BP引腳功能定義引腳號名稱作用1IN1控制指令輸入12IN2控制指令輸入23OUT1電機驅(qū)動輸出14GND地信號5OUT2電機驅(qū)動輸出26VS驅(qū)動級電源7VCC邏輯電路電源根據(jù)TA7267BP引腳功能定義，只要將單片機的控制信號接到TA7267BP的1、2兩個引腳上，并把其驅(qū)動輸出連接到被控制電機的輸入端，就可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制了。表4.2給出了TA7267BP的輸入控制信號與驅(qū)動輸出和電機的狀態(tài)變化情況。表4.2 TA7267BP輸入控制信號與輸出和電

12、機的狀態(tài)IN1IN2OUT1OUT2電機狀態(tài)11LL剎車01LH正傳10HL反轉(zhuǎn)00高阻抗高阻抗停止4.2門限電路一般情況下，活動門的啟停位置上都會安裝限位開關。當活動門到達開或關的停止位置上時，限位開關被合上，從而發(fā)出一個電平變化的信號，提供給單片機，從而實現(xiàn)門的自動控制功能。本設計使用觸點開關代替常用的限位開關，當活動門合上時，觸點開關被閉合；當活動門打開時，觸點開關打開，從而反映活動門開關狀態(tài)變化所造成的電平變化。因而門限電路所起的作用就是告知單片機活動門狀態(tài)的電路。當需要對活動門操作時，首先應根據(jù)門限電路的電平狀態(tài)判斷出活動門所處的狀態(tài)，然后根據(jù)門的狀態(tài)決定電機的正反轉(zhuǎn)；最后，用單片機

13、發(fā)出相應的開門、關門的指令電平，控制電機實現(xiàn)開門和關門的指令電平，表4.3顯示了門限和活動門的對應關系。表4.3 門限電路和活動門開關的對應關系門限電平門開關電機狀態(tài)低按下開門高按下關門4.3按鍵去抖電路4.3.1作用當活動門的按鍵被按下時，首先應當進行去抖動處理。這是因為按鍵本身是一個機械開關，由于機械觸點的彈性以及電壓突跳等原因，在觸點閉合或者是斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動的情況。在發(fā)生抖動時，單片機很難判別此時鍵是否按下，為此就要進行按鍵去抖處理。4.3.2技術方案按鍵去抖動處理的方法一般有兩種，一種是采用硬件電路去抖，例如，加入R-S觸發(fā)器；另一種方法是采用軟件去抖，利用軟件的時間延遲程序

14、以躲過抖動時間，待信號穩(wěn)定后再進行按鍵掃描。本實驗主要利用了軟件去抖動的方法。軟件去抖動的程序：DL:MOV R0,#0AH DL2:MOV R1,#250 DL1:NOP NOP DJNZ R1,DL1 DJNZ R0,DL2 RET5單片機與PC機串口通訊51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換，我們采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳

15、的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的連接方法，但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖所示，MAX232的第10腳和單片機的11腳連接，第9腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。全雙工的串行通訊口原理圖如圖5.1所示：圖5.1全雙工的串行通訊口原理圖6. 程序設計與實驗活動門控制的程序包括兩方面的內(nèi)容；一個是單片機方面的編程，包括對活動門狀態(tài)的監(jiān)測和控制，以及微機指令的接收；另一方面是計算機軟件編程，包括人機控制界面的編寫和控制指令的發(fā)送。計算機軟件編程方面的內(nèi)容已在上一章作了詳細介紹。下面主要介紹單片機的程序設計。6.1 單片機程序設計單片機的程序完成兩個功能，首先是監(jiān)測活

16、動門開關狀態(tài)，并以此為依據(jù)輸出活動門的控制指令。6.1.1程序流程圖主程序MAIN的流程圖： 外部中斷零程序INT的流程圖：設置串口工作方式設置定時器T1工作方式并賦值開串口中斷并設置串口中斷觸發(fā)方式開CPU中斷和外部中斷零等待中斷中斷返回開始保護現(xiàn)場是否有鍵按下NYP2.0=1?Y電機正轉(zhuǎn)D1亮D2滅N調(diào)用延時4秒程序電機停止D1和D2滅恢復現(xiàn)場中斷返回中斷入口電機反轉(zhuǎn)D1滅D2亮圖6.1主程序的流程圖 圖6.2外部中斷程序流程圖串口中斷程序TC流程圖：中斷入口保護現(xiàn)場和清RI從SBUF中讀數(shù)送累加器AA=10H？YN把01寫SBUF送到上位機NY電機反轉(zhuǎn)D2亮P2.0=0?NY電機正轉(zhuǎn)D1

17、亮調(diào)用4秒的延時程序調(diào)用4秒的延時程序P2.0=0?把10寫入SBUF送到上位機電機停轉(zhuǎn)燈滅清RI恢復現(xiàn)場中斷返回圖6.3 串口中斷程序流程圖6.1.2源程序的代碼 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT ORG 0023H LJMP TC ORG 0030HMAIN: MOV SP,#60H MOV SCON,#50H;串口工作方式1 MOV TMOD,#20H;T1為定時方式2MOV PC0N,#80H MOV TH1,#0F3H MOV TL1,#0F3H;置初值 SETB EX0 ;開外部中斷零 CLR IT0 ;電平觸發(fā)方式 SETB ES ;開

18、串口中斷 SETB EA ;開CPU中斷 SETB TR1;啟動定時器T1 LJMP $ ;等待中斷/*串口中斷程序*/ TC: CLR EA CLR RI PUSH PSW PUSH ACC/*讀上位機發(fā)送的控制指令*/ MOV A,SBUF CJNE A,#01H,B1;不等于01轉(zhuǎn)去執(zhí)行開門動作 JB P2.0,CLOSE ;p2.0=1，轉(zhuǎn)CLOSE SJMP B5 CLOSE:MOV P1,#0F9H;執(zhí)行關門動作 ACALL DLL;調(diào)用延時程序 MOV P1,#0FFH;電機停轉(zhuǎn)，燈滅 AJMP B5 B1: JB P2.0 ,B6;p2.0=1,轉(zhuǎn)B6（門已開，告知上位機） M

19、OV P1,#0F6H;執(zhí)行開門動作 ACALL DLL;調(diào)用延時程序 MOV P1,#0FFH;電機停轉(zhuǎn)，燈滅 B6:;ClR P3.1 MOV A,#10H;向上位機發(fā)10H,門已開 MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI AJMP B3 B5:;ClR P3.1 MOV A,#01H;向上位機發(fā)01H，門已關 MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI /*恢復現(xiàn)場*/ B3:CLR RI POP ACC POP PSW SETB EA RETI /*外部中斷零程序 */ INT:CLR EA PUSH PSW PUSH ACC;判斷是否有按鍵按下，并進行按鍵去抖

20、 A2 BIT 21H A3 BIT 23H MOV C,P3.2;暫存按鍵現(xiàn)狀 MOV A2,C ACALL DL MOV C,P3.2 ;再取按鍵狀態(tài) ORL C,A2 ;C=0有按鍵 MOV A3,C JB A3,Q ;為1跳出 ;有鍵按下是判斷接近觸發(fā)器的狀態(tài)，給驅(qū)動電路相應的控制信號，控制相應的燈亮和滅 T2:JNB P2.0,T5;p2.0=0,轉(zhuǎn)T5(門已關閉，執(zhí)行開門) CLR P1.1 SETB P1.0;執(zhí)行關門動作（反轉(zhuǎn)） CLR P1.2 SETB P1.3 SJMP T4 T5:CLR P1.0 SETB P1.1;執(zhí)行開門動作（正傳） CLR P1.3 SETB P

21、1.2 T4:ACALL DLL;調(diào)用延時程序 SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 SETB P1.3;電機剎車，燈滅 T6:POP ACC POP PSW SETB EA ;恢復現(xiàn)場 Q:RETI ;用于按鍵去抖的延時程序 DL:MOV R0,#0AH DL2:MOV R1,#250 DL1:NOP NOP DJNZ R1,DL1 DJNZ R0,DL2 RET;用于控制電機正反轉(zhuǎn)時間的程序 DLL:MOV R2,#20DDL3:MOV R0,#200DLL2:MOV R1,#250DLL1:NOP NOP DJNZ R1,DLL1 DJNZ R0,DLL2 DJNZ

22、 R2,DDL3 RETEND6.2 上位機程序設計軟件控制活動門需要實現(xiàn)兩個功能：一是人機控制界面的編寫，二是活動門控制信號的傳送和執(zhí)行。第一個功能的主要內(nèi)容是Windows環(huán)境下可視化程序的開發(fā)；第二個功能主要是微機與單片機之間的通信。6.2.1控制界面圖6.4上位機控制界面6.2.2程序代碼：using System;using System.Collections.Generic;using System.ComponentModel;using System.Data;using System.Drawing;using System.Text;using System.Window

23、s.Forms;using System.IO.Ports;namespace HDMKZ public partial class Form1 : Form public Form1() InitializeComponent(); private void Form1_Load(object sender, EventArgs e) comboBox1.SelectedIndex = 0; byte Dout = new byte1; byte Din = new byte1; private void button1_Click(object sender, EventArgs e) i

24、f (serialPort1.IsOpen) serialPort1.Close(); button1.Text = 關閉串口; textBox1.Text = 串口未打開,不可以進行串口通信！; listBox1.Items.Add(初始化失敗,禁止可以進行通信！); else try textBox3.Text = 4800bps; textBox4.Text = 8; textBox6.Text = 1; serialPort1.PortName = (String)comboBox1.SelectedItem; serialPort1.BaudRate = 4800; serialPo

25、rt1.DataBits = 8; serialPort1.StopBits = StopBits.One; serialPort1.Parity = Parity.None; serialPort1.RtsEnable = true; serialPort1.Open(); button1.Text = 打開串口; textBox1.Text = 串口已打開,可以進行串口通信！; catch MessageBox.Show(串口未打開！, 出錯啦！, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error); private void button2_Click(object sender, EventArgs e) try if ( serialPort1.IsOpen) Dout0 = 10; this.serialPort1.Write(Dout, 0, Dout.Length); catch MessageBox.Show(發(fā)送命令失??！, 出錯啦！, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error); private void button3_Click(object sender, Even