畢業(yè)設計（論文）基于AT89S52單片機的激光燈控制器控制系統(tǒng)設計

1、摘 要激光燈以它顯示的圖案鮮明光亮、變幻神奇、內容豐富等獨特的魅力特效吸引了越來越多的人的目光，成為很多聚會或場景的一道亮點。隨著usb接口的蓬勃發(fā)展并成為一種標準的pc外圍接口,本課題將usb傳輸和單片機控制相結合,設計出一種新型的基于usb接口的激光燈控制器,使usb傳輸和單片機控制的各自優(yōu)勢都得以發(fā)揮。設計主要由光學系統(tǒng)、控制器和驅動電路組成,其中控制器是核心部件；它利用單片機從u盤中讀取已有的圖形數(shù)據(jù)，作為顯示圖像的依據(jù)；再編程實現(xiàn)對電機的旋轉方向及速度的控制，改變激光反射鏡的偏轉角度，從而實現(xiàn)對激光束的調制，得到預想的各種圖案。關鍵詞：激光燈;單片機；控制器；電機控制目 錄1. 緒

2、論11.1 引言11.2 目前激光燈控制系統(tǒng)的結構特點及發(fā)展狀況11.3 本課題研究的目的與意義22. 總體結構分析及原理框圖32.1 總體結構分析33.整機硬件電路設計43.1 光學系統(tǒng)43.1.1 激光發(fā)生器43.1.2 光學控制臺43.2 控制電路53.2.1 at89s52的cpu的組成63.2.2 at89s52的總線結構73.3 驅動電路83.3.1 驅動電路方案論證83.3.2 驅動模塊電路83.3.3 電動機控制93.4 usb接口電路113.4.1 接口模塊設計113.4.2 接口芯片 ch375123.4.3 usb總線協(xié)議143.4.4 固件程序及枚舉154. 程序流程圖

3、與軟件介紹164.1 程序流程圖164.1.1 控制數(shù)據(jù)流程圖164.1.2 電機控制流程圖164.1.3 單片機讀u盤流程圖174.2 仿真軟件介紹174.2.1 keil軟件174.2.2 proteus介紹204.2.3 演示軟件說明225. 總 結25致 謝26參考文獻27附 錄28程序清單28原理圖581. 緒 論1.1 引言激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的光”。 它的亮度為太陽光的100億倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1958 年激光才被首次成功制

4、造。激光是在有理論準備和生產(chǎn)實踐迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一些新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。在科技高速發(fā)展的今天，激光顯示工業(yè)日趨成熟，激光顯示的應用逐漸廣泛。這一方面是由于激光光源所產(chǎn)生的效果能滿足人們的追求新奇的心理，并帶來一定的視覺沖擊；另一方面，由于這種光源可方便地被計算機控制，通過編程，即可產(chǎn)生豐富的變化，極具智能化特點。激光顯示光色純正，能量集中，系統(tǒng)方便地被計算機控制，能表現(xiàn)出應時應景的主體內容和艷麗奇特的效果魅力，其應用的場合非常廣泛。如主題公園、城市建設、舞臺燈光、盛大集會、迪斯科舞廳、

5、俱樂部、展示會、太空館。我們在電視屏幕上，觀看到在漢城舉行的第i4屆亞運會開幕式上，布滿了五彩的激光光束，隨音樂聲在夜空中掃描，為開幕式增添了光彩。我國慶祝建國五十周年的國慶之夜，天安門廣場上空的激光表演，把節(jié)日氣氛推向又一個歡樂的高潮。從激光特點來分析，它是點狀光束，具備了隨意性和可塑性。比如掃描成像，顯示字形，顯示動態(tài)圖像，全息成像和各種變形玻璃創(chuàng)造的畸變。再通過電子計算機的編程和程序控制，表現(xiàn)力是十分豐富。隨著計算機控制技術以及激光器技術的發(fā)展，激光顯示技術必然越來越顯示其活力。1.2 目前激光燈控制系統(tǒng)的結構特點及發(fā)展狀況目前國內外的激光掃描系統(tǒng)的系統(tǒng)結構從根本上來說都很相似，一般由激

6、光器(包括光學系統(tǒng)、激光電源、聲光電源、制冷系統(tǒng))和掃描系統(tǒng)(包括控制計算機、圖形輸入設備、數(shù)據(jù)轉換d/a卡、振鏡驅動、振鏡)組成，其變動之處也就是在于振鏡性能的提高，或者某個環(huán)節(jié)改動一下，或者加點什么附件(光學調制器、分光鏡等以實現(xiàn)不同的效果)，整個系統(tǒng)的組裝技術還是沒有什么根本的變化。其中控制計算機是系統(tǒng)中樞，用戶在上面編排制作節(jié)目，演示時計算機根據(jù)用戶編排節(jié)目內容發(fā)出控制指令信號(數(shù)字量)，經(jīng)d/a轉換成模擬信號同時控制x -y二維振鏡的偏轉，將激光束投射到指定的位置。當光點在屏幕上沿圖形輪廓快速運動達到視覺暫留，就形成穩(wěn)定的圖形。隨著高速掃描器和計算機技術的發(fā)展，利用單片機控制激光掃描

7、己經(jīng)成為現(xiàn)實，微機控制激光燈技術也越來越成熟，掃描的效果也越來越有藝術性。現(xiàn)在最新的激光顯示技術，該系統(tǒng)的結構組成也是繼承了以往的激光顯示系統(tǒng)結構，也具備以往激光顯示的效果，隨著單片機的性能越來越強大，不僅可以控制激光掃描，還可以控制激光器的功率，在激光器工作參數(shù)(電壓、電流、水溫、水流)不正常時可以自動關閉激光器。而且該系統(tǒng)表演時還可以與音樂效果相結合，更增添了藝術效果。1.3 本課題研究的目的與意義本激光燈控制器設計是針對各種場合激光燈的應用，靈活應用單片機及電機控制技術，通過單片機從u盤中讀取圖形數(shù)據(jù)，利用pwm實現(xiàn)對電機的旋轉方向及速度的控制，實現(xiàn)對激光束的調制，得到預想的圖案。以往最

8、簡單的控制方式是將表演節(jié)目固化在單片機系統(tǒng)的eprom里，由于其內存受限，這種表演方式主要是針對光束掃描，而且節(jié)目不易改動。隨著usb總線技術的發(fā)展，usb數(shù)據(jù)傳輸技術越來越完善，采用帶u盤存儲的單片機控制系統(tǒng)便可彌補上述不足，激光掃描系統(tǒng)可以直接通過單片機讀取u盤圖形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)圖案圖形顯示。且我們可以方便的利用圖象處理軟件進行圖形文字的輸入、實時掃描輸出，以實現(xiàn)不同節(jié)目的調整?，F(xiàn)在一般微機控制激光顯示系統(tǒng)的結構，利用圖形處理文件(coreldraw,photoshop等)輸入圖形到計算機，根據(jù)軟件提供的程序界面編排節(jié)目，然后把節(jié)目程序數(shù)據(jù)傳輸?shù)絬盤，通過控制電路完成激光的掃描。利用這種系統(tǒng)可

9、以掃描出各種各樣的二維甚至三維圖形和文字，以及動畫效果。相比前面的計算器軟件控制，成本大大降低，控制電路簡單，更易于推廣、應用。本設計集光學、電子、計算機等知識于一體，是多學科技術綜合的應用。2. 總體結構分析及原理框圖2.1 總體結構分析激光燈控制器主要由光學系統(tǒng)、驅動電路、接口電路、控制電路四部分組成。光學系統(tǒng)包括激光器和兩個平面反射鏡，反射鏡傾角可調，采用全反射，以保證獲得良好的激光投射光斑；驅動電路由電壓放大和功率放大兩級組成，其作用是提供電機帶動鏡面轉動所需要的功率。其中驅動電路和控制電路使用不同且不共接地的電源，用數(shù)字控制模擬開關連接，以割斷控制對象對控制電路的干擾；接口電路包括數(shù)

10、字控制模擬開關、數(shù)模轉換器和usb讀寫接口，其主要作用是將控制電路的數(shù)字量轉換為電壓模擬量送給驅動電路和對u盤數(shù)據(jù)的讀??；控制電路主要是at89s52最小系統(tǒng)完成，其作用是對電機運轉狀態(tài)編程，協(xié)調控制整個系統(tǒng)工作。2.2 整機原理框圖數(shù)字控制模擬開關控制電 路導光系統(tǒng)電機x1#d/a轉換電機y2#d/a轉換驅動電路 數(shù)據(jù)讀取 圖1.1 整機原理框圖本設計的顯圖工作原理是：分別安裝在量電動機轉軸上由之驅動不斷旋轉的有一定傾角的反射鏡，先后反射激光器發(fā)出的亮度光束，當兩反射鏡的轉速成一定比例和按一定的轉向組合時，實現(xiàn)了光束的空間動態(tài)合成，在接收屏幕上得到某一穩(wěn)定圖形。若改變兩電動機電樞上所加電壓的

11、大小及正負極性，即對電機進行可逆調速，或手工調節(jié)附設于鏡面即電機殼座上的微調旋鈕，改變兩反射鏡面傾角，則可以得到諸如三葉玫瑰線等一系列形態(tài)各異、內容豐富的幾何圖形來。3. 整機硬件電路設計3.1 光學系統(tǒng)3.1.1 激光發(fā)生器激光發(fā)生器是整個系統(tǒng)的光源，根據(jù)激光顯示的環(huán)境、幕體和要求達到的效果配置不同顏色、不同功率的激光器。一般在室內顯示、幕體與發(fā)射點距離越近，要求的功率越低，而由于人眼對紅光的敏感度較高，相同條件下選擇紅色激光發(fā)生器的功率可比其它顏色的激光發(fā)生器的功率較低。激光器用于顯示，其光亮強度8001200流明，已能滿足大多數(shù)人的要求，故顯示系統(tǒng)的激光器的功率在幾十mw20w。本激光器

12、采用波長為0.63um的半導體激光器，因其波長與0.6328um相近，故而可以取代he-ne激光器產(chǎn)生紅光，小型牢固，不易損壞，彌補了he-ne激光器的不足。3.1.2 光學控制臺光學控制臺是激光顯示系統(tǒng)中控制光路的部分，包括導光系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。導光系統(tǒng)對激光束進行光路切換、掃描，使激光束產(chǎn)生豐富多彩的效果。控制系統(tǒng)對導光系統(tǒng)的光學器件的位移、轉動進行驅動控制。光路單元在光學控制臺的前端，由驅動電機和反射鏡、單片機的控制信號控制電機的轉角，帶動反射鏡將入射激光束反射到屏幕形成圖案。光路掃描信號來自圖文文件。通過一般的圖形圖像處理軟件制作出要顯示的圖文輪廓線，在制作輪廓線時要注意輪廓線的封閉和簡

13、潔。根據(jù)顯示圖文的失真度取出輪廓線上的錨點，錨點取得越多，圖形越接近原稿，但顯示文件越大，一幅圖的掃描周期增加。錨點的坐標(x,y)經(jīng) d/a轉換輸出，通過光學控制臺驅動板分別控制反射鏡的方向，將錨點映射到幕體。由于振鏡的掃描頻率很大，可以作到 25 幀圖/秒，因此，激光掃描顯示的質量可以保障。激光動畫顯示的原理與一般動畫顯示類似，一個動畫文件由多幅動作相關的圖片組成，依次取錨點坐標進行定位掃描。光路掃描單元是整套系統(tǒng)產(chǎn)生圖文效果的直接執(zhí)行機構。3.1.3 x-y工作平臺光學控制臺的導光系統(tǒng)光路切換是由電機帶動反射鏡變化轉角完成的。根據(jù)預先編排的節(jié)目，單片機通過 d/a卡輸出切換信號至分光單元

14、的電機驅動板，經(jīng)放大后驅動電機轉動。要在投射面上得到幾何圖形 ,關鍵在于兩個電機的轉速和轉向的組合 ,實現(xiàn)對激光束的空間動態(tài)組合。由于光的連續(xù)性 ,當在反射鏡轉動時,必然在兩個點之間連成一條線 ,所以要在屏幕上投射出圖形,就可以把圖形分割為一段段直線段 ,只要控制反射鏡把激光束在每個端點之間按順序快速移動就可以了。在屏幕上作一坐標軸 ,通過反射鏡的光路分析 ,可以認為 x向電機控制的反射鏡1和 y向電機控制的反射鏡2分別控制投射圖形的x方向和 y方向。以正方形為例,如圖所示 ,取正方形的中心為坐標原點(也就是光路的起始點) ,正方形的四個頂點分別為 a、b、c、d。要在屏幕上投射出這樣的正方形

15、 ,兩個步進電機的轉動方向和順序為:先將屏幕上的投影點移到e點 ,即步進 y向電機正轉3步;然后 x向電機正向轉動3步(a點);y向電機反向轉動 6 步(b 點) ;x向電機反向轉動6步(c點) ;y向電機正向轉動6步(d點) ;x向電機正向轉動3步(e點)。由此可見,要在屏幕上得到某種圖形,只需將圖形在 xy平面上分割成一段段相互連接的直線段,再計算出各端點的位置,就可以編程控制電機了。但是,由于電機的旋轉速度的限制,要使屏幕上投射的圖形沒有閃爍,則圖形就不能太復雜。 圖2.1 動態(tài)組合坐標圖3.2 控制電路3.2.1 控制模塊 作為設計的控制核心，單片機無疑起到了舉足輕重的作用。通過它來完

16、成外部圖形數(shù)據(jù)的讀取、軟件的編程產(chǎn)生脈沖序列實現(xiàn)對電機方向與速度的控制，最終達到對激光燈光束轉向的控制而獲得圖案圖形。基于性能優(yōu)越、程序下載方便、價格低廉等優(yōu)點，我們這里選用的單片機為at89s52。 圖3.1 整體控制電路圖3.2.1 at89s52的cpu的組成 at89s52的 cpu能處理8位二進制數(shù)或代碼。cpu是單片機的主要核心部件，在 cpu里面包含了運算器、控制器以及若干寄存器等部件給成。 內部數(shù)據(jù)存儲器（ram）： at89s52 單片機芯片共有 256 個 ram 單元，其中后 128 單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前 128 單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)

17、。因此通常所說的內部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱內部ram。地址范圍為00hffh（256b）。是一個多用多功能數(shù)據(jù)存儲器，有數(shù)據(jù)存儲、通用工作寄存器、堆棧、位地址等空間。 內部程序存儲器（rom）： at89s52 內部有 4kb/8kb 字節(jié)的 rom（51 系列為 4kb，51 系列為 8kb），用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格。因此稱之為程序存儲器，簡稱內部ram。地址范圍為0000hffffh（64kb）。 定時器/計數(shù)器 at89s52共有2個 16位的定時器/計數(shù)器（52系列共有3個 16位的定時器/計數(shù)器），以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結果對計算機進行控制。定時時靠

18、內部分頻時鐘頻率計數(shù)實現(xiàn)，做計數(shù)器時，對 p3.4（t0）或p3.5（t1）端口的低電平脈沖計數(shù)。 并行i/o口 at89s52共有4個 8位的 i/o口（p0、p1、p2、p3）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。 串行口 at89s52有一個可編程的全雙工的串行口， 以實現(xiàn)單片機和其它設備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為移位器使用。rxd （ p3.0）腳為接收端口，txd（p3.1）腳為發(fā)送端口。 中斷控制系統(tǒng) ： at89s52單片機的中斷功能較強，以滿足不同控制應用的需要。51系列有5個中斷源（52系列有 6 個中斷源），即外中斷 2 個，定時中斷 2

19、 個，串行中斷 1 個，全部中斷分為高級和低級共二個優(yōu)先級別。 定時與控制部件： at89s52 單片機內部有一個高增益的反相放大器，基輸入端為 xtal1 輸出端為 xtal2。mcs-51芯片的內部有時鐘電路，但石英晶體和微調電容需外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。3.2.2 at89s52的總線結構at89s52的管腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶i/o口部分p3外，其余管腳都是為實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設置的。這些管腳構成了三總線形式，即： （1）地址總線（ab）：地址總線寬度為16位，因此，其外部存儲器直接地址外圍為64k字節(jié)。16位地址總線由p0經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址（a0a7）；

20、p2口直接提供高8位地址（a8a15）。 （2）數(shù)據(jù)總線（db）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由p0口提供。 （3）控制總線cb）：由部分p3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線reset、,ale、組成。at89s52結構框圖如圖2-2所示：時鐘電路romram定時/計數(shù)器cpu并行接口串行接口中斷系統(tǒng)p0p1p2p3txdrxd/int0/int1t0t1圖3.2 at89s52結構圖t2復位電路3.3 驅動電路3.3.1 驅動電路方案論證方案一：采用mos管放大方案,利用pwm產(chǎn)生高低電平來控制mos管的g極，從而控制d極和s極之間的通斷，當d極和s極導通時，電極正極接電源，負極接地。當d極和s極斷

21、開時，電極正極和電源相連，而負極通過二極管通向電容的正極，給電容充電，形成回路。這樣就可以達到一種平衡狀態(tài)，調節(jié)pwm方波的占空比就可以調節(jié)電極兩端的電流，從而控制電極的轉速。但二極管續(xù)流會嚴重影響電源，對電源要求比較高，不宜選取。方案二：采用集成芯片l298 ，l298是st公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46v；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3a，持續(xù)工作電流為2a；內含兩個h橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動二個直流電動機;采用標準ttl邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一

22、個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作。l298采用15腳multiwatt塑料封裝，通過散熱片可用螺釘固定在散熱器上。l298內部包含：兩個h橋的高電壓大電流全橋式驅動器a與b(每個全橋由4只npn型三極管構成)；邏輯電路供電穩(wěn)壓器；邏輯控制電路等。其內部電部如圖3.3所示。 圖3.3 l298內部原理圖3.3.2 驅動模塊電路電機驅動模塊采用電機專用驅動芯片l298,其電路如圖3.4圖3.4 直流電機驅動電路此設計電路能同時驅動兩個直流電機,既實現(xiàn)低電壓小電流信號控制較高電壓和強電流。由于電機的大功率、高電平會對單片機產(chǎn)生較嚴重的干擾,不能直接把單片機產(chǎn)生的控制信號直接連在電機

23、上,需要進行強弱電隔離。在實際運用中, 對于強弱電隔離一般采用電子開關方法或光電隔離的方法。由于電機工作需要較大的功率,所以通常需要使用功率放大器來提供電機的工作電流,將光電隔離器送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘?可以采用集成功放也可以采用分立元件。在這里,采用了成本少、電路簡單且可靠性高的光電耦合芯片4n25,通過此設計能使單片機的供電電源同電機的供電電源隔開,大大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.3.3 電動機控制（1）直流電機工作原理直流電機由定子和轉子兩大部分組成，在定子上裝有一磁極，電磁式直流電機的定子磁極上繞有勵磁繞組。其轉子由硅鋼片疊壓而成，轉子外圓有槽，槽內嵌有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷

24、引出。 圖 3.5 直流電機結構圖在勵磁式直流伺服電機中，電機轉速由電樞電壓決定，在勵磁電壓和負載轉矩恒定時，電樞電壓越高，電機轉速就越快；電樞電壓降至0v時，電機停轉；改變電樞電壓的極性，電機轉向隨之改變。因此，小功率直流電機的調速可以通過控制電樞平均電壓來實現(xiàn)。（2）電機調向調速 本設計采用的是直流電動機，功率要求不高，股選用結構簡單，成本低的gtr-m系統(tǒng)，gtr-m系統(tǒng)即晶體管放大器-直流電動機調速系統(tǒng)，它是應用線性放大原理構成的，功率晶體管處于放大工作狀態(tài)。dac0832輸出的電流經(jīng)運放后轉換成電壓輸出，為了獲得足夠的功率以驅動電機，在電壓放大后又進行了功率放大。第一級接成電壓跟隨器

25、形式，第二級是兩射極輸出器組成的乙類互補對稱式功率放大電路，分別給電機提供不同方向的電流，以實現(xiàn)電機的正反轉。 圖3.6 直流電機可逆調速電路電路中，兩個三極管是性能完全對稱的npn和pnp型功放管，并組成上下兩個完全對稱的射極輸出器，向同一感性負載輸送電壓與電流。當輸入信號為0時，兩只管子都無偏置而截止，電路中無電流，電機不轉。當電壓為正電壓時，t1導通，t2截止，電流經(jīng)t1自左到右流入電機；而當電壓為負電壓時，t2導通，t1截止，電流經(jīng)t2自右向左流入電機。兩者電機旋轉方向相反，實現(xiàn)了電機的調向。若再改變電壓的數(shù)值大小，則可以實現(xiàn)電機的調速。3.4 usb接口電路3.4.1 接口模塊設計

26、圖3.7 單片機與usb接口電路圖ch375在本地端可工作在usb主機方式下,可以采取串行接口和并行接口兩種方式。為了節(jié)約單片機的i/o 引腳,本文采用并行接口,其接口電路原理圖如圖2-11所示。模塊具有兩個外部接口：p1 是usb 插座，可以直接插入u 盤或者通過usb 延長線連接u 盤， 當進行程序升級或者重新配置時應該通過usb 對連線連接計算機的usb 端口；p2 是16 腳的雙排針或者插座，用于連接單片機系統(tǒng)。 在串口方式下，單片機與模塊的p2 端口相連接，只需要使用高8 腳（第9 腳到第16腳），其余引腳可以不連接。模塊可以通過串行輸入sin、串行輸出sout 連接到單片機的異步串

27、口，除此之外，啟動輸入sta#還應該連接到單片機的一個i/o 引腳，而中斷輸出int#可以根據(jù)需要決定是否連接到單片機的中斷引腳。 模塊的串口是1 位起始位、8 位數(shù)據(jù)位、1位停止位的異步串口，串口的通訊波特率可以在功能配置時設定，如果未設定那么默認是4800bps（與晶體x2 的頻率有關），單片機系統(tǒng)可以根據(jù)需要通過cmd_baudrate 命令設定更高的波特率。如果在功能配置時選擇檢查串口超時，那么在通過串口輸入命令包時，模塊會檢查串口數(shù)據(jù)輸入超時，如果連續(xù)兩個數(shù)據(jù)字節(jié)之間的間隔大于串口輸入超時時間，則模塊將放棄該命令包。4+1 線串口是指gnd、sin、sout、sta#和可選的int#

28、，p2 引腳定義如下：模塊還支持三線制串口，在這種方式下，單片機與模塊之間只需要連接sin 和sout 兩根信號線及公共地線，單片機通過串口發(fā)送兩個同步碼字節(jié)（57h、abh）代替原來向模塊的sta#引腳提供的啟動信號，實現(xiàn)與模塊的命令同步。在通過串口輸入兩個同步碼字節(jié)時，模塊會檢查串口數(shù)據(jù)輸入超時，如果連續(xù)兩個數(shù)據(jù)字節(jié)之間的間隔大于串口輸入超時時間，則模塊將放棄該同步碼及命令包。3.4.2 接口芯片 ch375（1）概述ch375 是一個usb總線的通用接口芯片，支持usb-host主機方式和usb-device/slave設備方式。在本地端，ch375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以

29、及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/dsp/mcu/mpu等控制器的系統(tǒng)總線上。在usb主機方式下，ch375還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機/dsp/mcu/mpu 等相連接。 ch375的usb 主機方式支持常用的usb 全速設備，外部單片機可以通過ch375 按照相應的usb 協(xié)議與usb 設備通訊。ch375 還內置了處理mass-storage 海量存儲設備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的usb 存儲設備。 ch375 芯片可以工作于usb-host 主機方式或者usb 設備方式。 ch375的usb 主機方式支持并行接

30、口和串行接口。 在usb主機方式下，ch375支持各種常用的usb全速設備，外部單片機需要編寫固件程序按照相應的usb協(xié)議與usb 設備通訊。但是對于usb 存儲設備，ch375 內置了相關協(xié)議，通常情況下，外部單片機不需要編寫固件程序，就可以直接通訊。 （2）串行接口 串行接口只能用于usb 主機方式，ch375 芯片的usb 設備方式不支持串口。 串口信號線包括：串行數(shù)據(jù)輸入引腳rxd、串行數(shù)據(jù)輸出引腳txd、中斷輸出引腳int#。通過串行接口，ch375 可以用最少的連線與單片機、dsp、mcu 進行較遠距離的點對點連接。ch375芯片的rxd 和txd可以分別連接到單片機的串行數(shù)據(jù)輸出

31、引腳和串行數(shù)據(jù)輸入引腳。int#輸出的中斷請求是低電平有效，用于通知單片機。 ch375 的串行數(shù)據(jù)格式是1個起始位、9個數(shù)據(jù)位、1個停止位，其中前8個數(shù)據(jù)位是一個字節(jié)數(shù)據(jù)，最后1個數(shù)據(jù)位是命令標志位。第9位為0時，前8位的數(shù)據(jù)被寫入ch375芯片中，第9位為1時，前8位被作為命令碼寫入ch375芯片中。ch375的串行通訊波特率默認是9600bps，單片機可以隨時通過set_baudrate 命令選擇合適的通訊波特率。 圖3.8 ch375串口連接圖中的p3 端口就是連接模塊的端口。由于是串口連接，所以連接信號線較少，只需要三個信號線：sin，sout 和sta#，模塊的中斷信號線int#是

32、可選的，如果采用中斷通知方式，那么可以連接int0 或者int1，否則不必連接模塊的int#信號線。建議參考該圖，將模塊端口的14 腳（原并口的cs#引腳）接vcc，避免并口被選中。（3） 內部結構ch375 芯片內部集成了pll 倍頻器、主從usb 接口sie、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等。pll 倍頻器用于將外部輸入的12mhz 時鐘倍頻到48mhz，作為usb 接口sie 時鐘。 主從usb 接口sie是usb主機方式和usb設備方式的一體式sie，用于完成物理的usb數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，自動處理位跟蹤和同步、nrzi編碼和解碼、

33、位填充、并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)之間的轉換、crc數(shù)據(jù)校驗、事務握手、出錯重試、usb 總線狀態(tài)檢測等。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于緩沖usb 接口sie 收發(fā)的數(shù)據(jù)。 被動并行接口用于與外部單片機/dsp/mcu 交換數(shù)據(jù)。異步串行接口用于代替被動并行接口與外部單片機/dsp/mcu 交換數(shù)據(jù)。命令解釋器用于分析并執(zhí)行外部單片機/dsp/mcu 提交的各種命令?？刂苽鬏?shù)膮f(xié)議處理器用于自動處理常用的控制傳輸?shù)亩鄠€階段，簡化外部固件編程。通用的固件程序包含兩組：一組用于usb 設備方式，自動處理usb默認端點0 的各種標準事務等；另一組用于usb 主機方式，自動處理mass-storage 海量存儲設備的專用通訊

34、協(xié)議。（4）引腳說明 表2-1 ch375 引腳說明3.4.3 usb總線協(xié)議 在單片機上實現(xiàn)usb數(shù)據(jù)移動存儲功能，具體包括usb主機接口的硬件設計和整機usb驅動固件的設計。其中驅動固件的設計具體又包含幾個協(xié)議的實現(xiàn)：usb1.1控制傳輸協(xié)議、usb bulk傳輸協(xié)議、usb海量存儲類協(xié)議、ufi磁盤操作命令和fat文件系統(tǒng)標準等。usb（通用串行總線）用于將usb接口的外圍設備（device）連接到主機（host），實現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠靠偩€結構，是一種快速、靈活的總線接口，usb的傳輸類型有控制（control）、批量（bulk）、中斷（interrupt）和同步（synchron

35、ous）傳輸4種，它最大的特點是易于使用，即插即用，主要是用在中速和低速的外設。 控制數(shù)據(jù)用于在usb接入總線時對其進行配置，其他的驅動軟件可以根據(jù)具體的應用來選擇使用控制傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸不會丟失數(shù)據(jù)。典型的批量數(shù)據(jù)包括象使用打印機或掃描儀時所出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，這種批量數(shù)據(jù)是連續(xù)的，通過在硬件中實現(xiàn)差錯檢測功能，并且有選擇地進行一定的應進重試操作，可以在硬件層次上保證數(shù)據(jù)的可靠交換。由設備自發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸是中斷數(shù)據(jù)傳輸，這類數(shù)據(jù)傳輸可以由usb設備在任意時刻發(fā)起，而且usb總線以不低于設備說明的速率進行傳輸。同步數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、傳送和處理過程中是連續(xù)的和實時的，在穩(wěn)定的同步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收速

36、率中包含了相應的時鐘信息，為了保持定時關系，同步數(shù)據(jù)必須按照接收的速率進行傳輸。 3.4.4 固件程序及枚舉 所有的傳輸都是由主機開始的,固件設計成完全的中斷驅動,當cpu處理前臺任務時,usb的傳輸可在后臺進行。這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結構。usb主機系統(tǒng)固件的編寫比較繁瑣，主要涉及到usb控制傳輸、usb批量傳輸、海量存儲類協(xié)議、ufi磁盤操作命令和fat文件系統(tǒng)的編寫，全部都是最底層的程序操作，沒有現(xiàn)成的類庫支持，故程序整體框架的搭建和具體協(xié)議的數(shù)據(jù)結構的組織是非常關鍵的。該模塊設計的主要難點在于軟件程序的編寫，由于牽涉的協(xié)議多，在編寫程序時要重視模塊化的思想，每一個具體的協(xié)

37、議盡量都編寫在一個源文件里，數(shù)據(jù)結構和常量、變量最好定義在每個模塊的頭文件中。在調試usb 底層的控制傳輸時，可以充分利用bus hound工具抓取usb移動存儲剛插入計算機時與計算機通信的數(shù)據(jù)來分析、對比和參考開發(fā)，加深對usb整個底層信息交互的理解。任何usb設備連上usb主機后，都必須經(jīng)過usb主機的枚舉配置后才能正確使用。usb總線枚舉的步驟和方法，對于所有usb設備來說都是一樣的，必須遵守標準的usb協(xié)議過程，通過控制傳輸?shù)摹耙粏栆淮稹眮韺崿F(xiàn)主機和從機必要的幾個數(shù)據(jù)交流：獲取設備描述符、分配設備地址和配置設備。形象點講usb主機枚舉的過程就是：首先獲取設備屬性，設備會返回18個數(shù)值（

38、值中對固件有用的是最大包端點長度），然后為設備分配一個操作地址，地址范圍可以根據(jù)實際情況而定，并且配置設備，最后列舉設備端點，獲取設備的每一個端點號（地址）。枚舉的實質目的就是想獲取設備的端點地址，靠它來完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)。4. 程序流程圖與軟件介紹4.1 程序流程圖4.1.1 控制數(shù)據(jù)流程圖 圖 3.1 控制數(shù)據(jù)流程圖 4.1.2 電機控制流程圖 圖3.2 電機控制流程圖4.1.3 單片機讀u盤流程圖 圖3.3 單片機讀u盤流程圖 4.2 仿真軟件介紹4.2.1 keil軟件 keil軟件是德國keil公司開發(fā)的單片機編譯器，是目前最好的51單片機開發(fā)工具之一，可以用來編譯c源代碼和匯編源程序

39、、連接和重定位目標文件和庫文件、創(chuàng)建hex文件、調試目標程序等，是一種集成化的文件管理編譯環(huán)境。在proteus中，可以直接與keil編程軟件進行聯(lián)調，進而實現(xiàn)對所設計電路的驗證。 （1） keil µvision中的源程序設計與編譯對于剛剛使用keil的用戶，一般可以按照下面的步驟來創(chuàng)建一個自己的應用程序：一個工程項目文件 選擇目標器件 設置軟硬件調試環(huán)境 創(chuàng)建源程序文件并輸入程序代碼 保存創(chuàng)建的源程序項目文件 把源程序文件添加到項目中。（2） 具體建立應用程序并進行仿真調試操作1. 建立一個項目雙擊桌面快捷圖標即可進入如圖6-7所示的集成開發(fā)環(huán)境編輯操作界面，主要包括三個窗口：工

40、程項目窗口、編輯窗口和輸出窗口。單擊 project 菜單，在彈出的下拉菜單中選中“new project”選項，新建一個項目，下圖1所示： 圖4.1然后選擇要保存的路徑，輸入工程文件的名字，然后單擊“保存”按鈕。這時會彈出一個對話框，要求選擇單片機的型號。這里可以根據(jù)所使用的單片機來選擇，keil幾乎支持所有51核的單片機，這里以atmel的89c51來說明，下圖2所示：圖4.2首先選擇atmel公司，然后單擊左邊的“+”號選擇at89c51 之后，右邊欄的“options”對話框中選擇“output”標簽欄，并按如下圖3所示設置其中各項。 圖4.32. 建立一個新的asm匯編語言程序并編譯

41、 在菜單欄中，單擊“file”菜單，再在下拉菜單中單擊“new”選項，或直接單擊工具欄的快捷圖標來建立了一個新的編輯窗口。此時光標在編輯窗口里閃爍，這時可以輸入用戶的應用程序了。建議首先保存該空白文件，單擊菜單上的“file”，在下拉菜單中選中“save as”選項，在彈出對話框的“文件名”欄右側編輯框中，輸入欲使用的文件名，同時，必須輸入正確的擴展名，如“text1.asm”，然后，單擊“保存”按鈕。 （注意：如果用語言編寫程序，則擴展名為“.c”；如果用匯編語言編寫程序，則擴展名為“.asm”，且必須添加擴展文件名。） 回到編輯界面后，單擊“target 1”前面的“”號，然后在“sour

42、ce group 1”上單擊右鍵，彈出如下圖4所示的快捷菜單。 圖4.4然后單擊“add file to groupsource group 1”，打開如下圖所示對話框，在“文件類型”處默認為“c source file(*.c)”，因為前面我們保存的是匯編語言的文件，故需要選擇“asm source file(*.s*;*.src;*.a*)”，這樣在上面就可以看到剛才保存的匯編語言文件“xianshi.asm”，雙擊該文件則自動添加至項目，單擊“close”關閉對話框。 然后就可以在右側的編輯區(qū)輸入?yún)R編源程序了。在輸入指令時，讀者可以看到事先保存待編輯文件的好處：keil會自動識別關鍵字，

43、并以不同的顏色提示用戶加以注意，這樣會使用戶少犯錯誤，有利于提高編程效率。程序輸入完畢后別忘了再次保存。 程序文件編輯完畢后，單擊“project”菜單，選中“built target”選項(或者使用快捷鍵 f7)，或者單擊工具欄的快捷圖標來進行編譯， 如果有錯誤，則在最后的輸出窗口中會出現(xiàn)所有錯誤所在的位置和錯誤的原因，并有“target not created”的提示。雙擊該處的錯誤提示，在編輯區(qū)對應錯誤指令處左面出現(xiàn)藍色箭頭提示，然后對當前的錯誤修改。 將所有提示過的錯誤進行修改，然后再次重復的操作進行編譯，直至出現(xiàn)“"shiyan1" - 0 error(s), 0

44、 warning(s)”，說明編譯完全通過。4.2.2 proteus介紹proteus isis 是英國labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于windows 操作系統(tǒng)上， 可以仿真、分析( s p ice ) 各種模擬器件和集成電路， 該軟件的特點是： 實現(xiàn)了單片機仿真和spice 電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、rs232 動態(tài)仿真、i2c 調試器、spi 調試器、鍵盤和lcd 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器， 如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。 支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有： 68000 系

45、列、8051 系列、avr 系列、pic12 系列、pic16 系列、pic18 系列、z80 系列、hc11系列以及各種外圍芯片。 提供軟件調試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)， 因此在該軟件仿真系統(tǒng)中， 也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如keil c51 uvision2 等軟件。具有強大的原理圖繪制功能?？傊?， 該軟件是一款集單片機和spice分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。本節(jié)介紹proteus isis 軟件的工作環(huán)境和一些基本操作。 圖4.5 protues操作界面（1） 建立程序文件打開

46、keil µvision3，新建keil項目，選擇at89c51單片機作為cpu；新建匯編源文件，編寫程序并將其導入到“source group 1”中；在“options for target”對話框中，選中“output”選項卡中的“create hex file”選項和“debug”選項卡中的“use：proteus vsm simulator”選項；編譯源程序，修改程序中的錯誤直至通過。 （2） 加載目標代碼文件在proteus isis中，左鍵雙擊at89c51元件打開“edit component”對話框，設置單片機的頻率為12mhz；在該窗口的“program file

47、”欄中，選擇先前在keil中編譯產(chǎn)生的“.hex”文件；在proteus isis菜單欄中選擇【file】【save design】選項，保存設計；在proteus isis菜單欄中，打開“debug”下拉菜單，在菜單中選擇“use remote debug monitor”選項，以支持與keil的聯(lián)調。（3） 進行調試與仿真在keil的菜單欄中選擇【debug】【start/stopdebug session】選項，或者在工具欄中直接單擊圖標，進入調試環(huán)境。（4） 進行調試與仿真在keil的菜單欄中選擇【debug】【start/stop debug session】選項，或者在工具欄中直接

48、單擊圖標，進入調試環(huán)境；按“f5”鍵或圖標，順序執(zhí)行程序；在proteus isis界面中，按動開關，可看到顯示結果。4.2.3 演示軟件說明由于圖形處理算法復雜,必須借助圖形處理軟件才能完成, 圖形處理部分由計算機完成, 計算機完成對所需打標的 plt, bmp 或 pcx 格式的圖形圖像文件的生成、數(shù)據(jù)處理后將生成的圖形文件通過usb標準接口傳輸給單片機。單片機將接收到的圖形文件數(shù)據(jù)存儲到外部數(shù)據(jù)存儲器,控制信號經(jīng)驅動電路放大后驅動步進電機旋轉進而控制掃描鏡頭偏轉角度從而控制光點的位置、移動速度和加速度,最后完成圖案掃描。由于激光演示的圖形是由一支或多支光筆打點形成的，所以設計激光表演的圖

49、形設計要點的是圖形的輪廓線和錨點。常用的軟件有 coreldraw、photoshop、autodesk animator pro等。下面介紹一款國內的演示軟件：大普激光演示系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)繪制的圖形圖像經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換便可生成程序代碼。軟件系統(tǒng)功能簡介一、異想天開編輯器主要通過界面強大的編輯窗口編輯制作激光演示文件，其類型為動畫節(jié)目文件(.bgd)。如上圖所示:1. 菜單欄1.1、 文件: 新建、打開、保存、另存為動畫節(jié)目文件。（注意：打開文件時，要在和軟件執(zhí)行文件同一個目錄中的bgdlib文件夾中選取）。1.2、 編輯：進入和退出編輯文件、提取和優(yōu)化輪廓、輸入位圖、進行單幀動畫編輯。1.3、

50、演示：播放和停止文件，預覽和停止預覽文件。1.4、 實時書寫：進入和退出實時書寫環(huán)境，另外可保存實時書寫數(shù)據(jù)。2工具欄從左到右按鈕有：新建、保存、播放/停止、預覽/停止、提取輪廓、單幀動畫編輯、復制單幀畫面、粘貼單幀畫面、進入/退出實時書寫、優(yōu)化圖形。這些按鈕功能和菜單欄中的菜單是相對應的，只是多了一個優(yōu)化圖形按鈕、一個復制單幀畫面按鈕、一個粘貼單幀畫面按鈕，當提取輪廓后，覺得輪廓不合自已的要求，可單擊優(yōu)化圖形按鈕對圖形的單點進行編輯。3工具箱順序從左到右，從上到下依次說明如下：31、選?。哼x取圖形。32、畫筆：提供四種不同粗細的畫筆。33、橡皮擦：提供四種不同大小的橡皮擦。34、文字：單擊后

51、在文字編輯欄中輸入文字，然后用在窗口中選取輸出位置后彈出一個字體選擇窗口，選擇好字體單擊確定即可。35、畫圓：畫一個圓。36、畫矩形：畫一個矩形。37、畫直線：畫一個直線。二、迷你播放器主要進行播放支動畫節(jié)目文件（.bgd）。5. 總 結通過這次實踐，我了解了激光燈控制器的工作原理，熟悉了單片機的設計步驟，鍛煉了工程設計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設計能力。此次畢業(yè)設計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎知識一次實際檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。 畢業(yè)設計收獲很多，比如學會了查找相關資料相關標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的繪圖能力，懂得了許多經(jīng)驗公式的獲得是前人不懈努力的結果。同時，畢業(yè)設計也暴露

52、出自己專業(yè)基礎的很多不足之處。比如缺乏綜合應用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解等等。這次實踐是對自己大學三年所學的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但懂得自己的求學之路還很長，以后更應該在工作中不斷學習，努力使自己成為一個對社會有所貢獻的人。致 謝我之所以能順利完成本次設計，是和指導我的指導老師是有關。我首先謝謝我的指導教師雷軍老師。在整個設計完成期間，從原理上的可行到實際硬件電路上出現(xiàn)的的問題，以及后期軟硬件的改進，不管是什么時候遇到困難，只要和劉老師一說他就會給我們講，從不厭其煩。這一點我深表感謝。我很想說一句“謝謝您，您辛苦了” ！再一個就是我要感謝的就是電氣與信息工

53、程學院給我們提供這么多的支持。不管是從老師還是其它的輔助設施上，我深表感謝，給我們帶來了極大的方便。第三 我也很感謝論文答辯的各位評委老師，感謝他們在百忙之中抽出時間幫我們答辯。我心里深深知道不管他們提出什么樣的問題，難也好，容易也好，其目的只有一個，那就是幫助我們提高，在這我也想說一聲謝謝您們！謝謝您們幫助我們提高，歡迎你們提出寶貴的意見。第四：我要感謝我的室友在精神上給我的支持與鼓勵。每次遇到困難時，他們都能給予我?guī)椭?，不管知道也好，還是不知道也好，總是對我充滿信心，沒有他們的精神鼓勵，設計也許是斷斷續(xù)續(xù)。參考文獻1 李朝青.單片機原理及接口技術m，北京：北京航空航天大學出版社，19982

54、 何立民.單片機應用技術選編1.北京：北京航空航天大學出版社，20013 李翰蓀.電路分析m，北京：中央廣播電視大學出版社；4 楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程m，北京：高等教育出版社，1998.10；5 全國大學生電子設計競賽作品選，1999年；6 電子系統(tǒng)設計，浙江大學出版社2000；7 謝自美.電子電路設計，華中理工出版社期20008 周立功.基于arm7設計，北京：北京航空航天大學出版社，2005.3；9 李軍.51系列單片機高級實例開發(fā)指南，北京：北京航空航天大學出版社，2004.6；10 李朝青 .pc單片機&dsp數(shù)據(jù)通信技術選編，北京：北京航空航天大學出版社，2003.

55、5；11林遠方等.一種通過對電機可逆調速獲得合成圖案的激光投射儀j，電子應用技術 ,1999 .附 錄程序清單#include<reg52.h>#include<stdio.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define nosport 0#define move_up_r 1#define move_down_r 2#define move_left_r 3#define move_right_r 4#define move_round 5#define zoom_up_r 6#define zoom_down_r 7#define zoo