基于MCS單片機車庫卷簾門自動控制的設(shè)計與實現(xiàn)修改版

1、基于MCS-51單片機車庫卷簾門自動控制的設(shè)計與實現(xiàn)基于MCS-51單片機車庫卷簾門自動控制的設(shè)計與實現(xiàn)作者 翟娜娜 指導(dǎo)教師 吳小香【摘要】 本次設(shè)計方案以控制芯片AT89S51作為整個系統(tǒng)的控制中心，步進電機驅(qū)動芯片ULN2003A為驅(qū)動器，結(jié)合兩個按鈕來控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動，從而實現(xiàn)車庫卷簾門的上升、下降及停止功能；同時，采用三種顏色的LED來分別顯示車庫卷簾門自動控制的三種狀態(tài)。系統(tǒng)硬件設(shè)計利用Protel99 SE工具來實現(xiàn)；軟件設(shè)計基于Keil C51+Proteus開發(fā)環(huán)境，對指令代碼進行編譯檢查和調(diào)試并生成（.HEX）文件載入單片機中進行仿真模擬，保障系統(tǒng)功能的正確實

2、施。除此之外，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、計數(shù)準確的設(shè)計系統(tǒng)具備功能擴展的優(yōu)越性，與此同時，為后續(xù)的二次研發(fā)奠定了基礎(chǔ)?！娟P(guān)鍵詞】 AT89S51；ULN2003A；步進電機；C51語言51 MICROCONTROLLER INFRARED AUTOMATICSENSOR SHUTTER DOORS【Abstract】The design scheme based on MCU AT89S51 as the control chip， the motor drive chip ULN2003A， forward， and reversal by two buttons to control the s

3、tepper motor to stop， so as to realize the rise， garage door down and stop function; in addition， using three color LED to respectively display three kinds of state automatic garage rolling shutter door. Procedures for the use of C51 language， Protel99 SE circuit design， Keil C software compiler gen

4、eration (.HEX) file and simulation by Proteus. In addition， this system also has the characteristics of simple structure， low cost， accurate counting， but also has the function of the expansion of the function， provides the basis for the later twoProvides basic research【Keywords: hotel】AT89S51；ULN20

5、03A；Stepping motor; C51 language 目 錄第一章 緒 論31.1設(shè)計背景31.2 設(shè)計內(nèi)容41.3 設(shè)計意義5第二章 方案設(shè)計及技術(shù)基礎(chǔ)62.1 設(shè)計方案62.2 MCS-51單片機及開發(fā)環(huán)境介紹72.2.2 開發(fā)環(huán)境介紹142.3主要芯片元器件及功能介紹152.3.1 電機驅(qū)動芯片152.3.2 步進電機結(jié)構(gòu)及工作原理17第三章 硬體設(shè)計193.1電源設(shè)計193.2單片機復(fù)位電路203.3單片機時鐘系統(tǒng)223.4 電機驅(qū)動電路233.5 按鍵控制電路253.6 狀態(tài)顯示電路26第四章 單片機軟體設(shè)計284.1 系統(tǒng)程序框圖284.2 電機控制程序304.3 顯示

6、程序設(shè)計324.4 延時子程序32第六章 系統(tǒng)安裝與仿真調(diào)試335.1 系統(tǒng)安裝335.2 系統(tǒng)仿真調(diào)試335.2.1軟件仿真調(diào)試335.2.2硬件調(diào)試34第六章 結(jié)束語35參考文獻36致 謝37附 錄A 元件清單38附 錄B 設(shè)計原理圖39附 錄C 源程序40 第一章 緒 論1.1設(shè)計背景步入21世紀，門的安全理念顯得更加重要，主要體現(xiàn)在實施的有效性（防范、通行、疏散的有效性），此外還特別加強了建筑美感，使得門與建筑、環(huán)境達到前所未有的協(xié)調(diào)、和諧。門被大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn)可追溯到150年前，隨著生產(chǎn)技術(shù)的自我發(fā)展與完善，一些規(guī)模大、專業(yè)性強的制造商脫穎而出，推動自身行業(yè)的快速發(fā)展。值得一提的是，

7、自從自動卷簾門進入人們的日常生活時，以其驚人的發(fā)展速度，形成種類齊全、功能多元化、造工精細的自動卷簾門生產(chǎn)體系。依據(jù)場合和所需功能的不同，自動控制門可分為平移自動門、平開自動門、旋轉(zhuǎn)自動門、折疊自動門、自動卷簾門等，本設(shè)計主要針對車庫自動卷簾門的智能化控制進行分析與模擬制作。在如今生活和工作節(jié)奏都比較快的時代，為了使自己的生活更加簡捷化，各種各樣的智能控制器逐步進入人們的工作與生活當(dāng)中并充當(dāng)著重要角色。其中，關(guān)于自動卷簾門的智能控制器這一塊的選取，常見的有微機控制器和PLC。前者具有體積小、方便安裝和低成本等優(yōu)點。在一些小型商場、地下車庫和個體經(jīng)營戶等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。而對于高穩(wěn)定性、方便維護

8、的PLC控制主要在一些大型商場運用比較廣泛。其中基于MCS-51單片機為CPU的自動卷簾門系統(tǒng)是占了絕大部分。尤其是近幾年步進電機、脈沖分配器和功率放大器的快速發(fā)展和功能的不斷提升，使得自動卷簾門的動力源有了充分保障。由于智能控制器具有先天性優(yōu)勢，即高穩(wěn)定性，高安全性等，引發(fā)了許多工廠從事這一生產(chǎn)領(lǐng)域，當(dāng)然競爭的激烈性可想而知。雖然，目前市場上還有通過繼電器控制的卷簾門，但由于其結(jié)構(gòu)和連接線路比較復(fù)雜，二次開發(fā)性低等缺點，因此越來越不被人親睞。伴隨著我國經(jīng)濟的騰飛，自動卷簾門廣泛地運用于各個領(lǐng)域，同時又促進經(jīng)濟的發(fā)展。但由于國內(nèi)自主研發(fā)自動卷簾門的技術(shù)尚不成熟，所以基于此作為當(dāng)代大學(xué)生的我們有

9、必要針對這一項技術(shù)的理解與開發(fā)進行研究。1.2 設(shè)計內(nèi)容 此次設(shè)計本著簡單易行和可操作性強的目標(biāo)為出發(fā)點，主要學(xué)習(xí)和研究車庫卷簾門的結(jié)構(gòu)和自動控制的工作原理。本方案通過AT89S51單片機作為車庫卷簾門的主控制器，芯片ULN2003A驅(qū)動電機作為系統(tǒng)的動力部分，另外加上三個功能按鍵（S1S2&S3）來實現(xiàn)對四相六線制步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的控制，進而實現(xiàn)車庫卷簾門自動上升、下降和停止三種功能，以便車輛的安全出入。 另外，此次設(shè)計方案主要是為了學(xué)習(xí)和理解當(dāng)代車庫卷簾門的工作原理，不方便制作實物，故會通過三種顏色的LED燈相應(yīng)的表示車庫卷簾門的三種工作狀態(tài)，即紅色代表停止；綠色代表上升；黃色代表

10、下降。自動卷簾門結(jié)構(gòu)如圖所示:1.3 設(shè)計意義 在科學(xué)技術(shù)不斷進步以及人們生活質(zhì)量不斷提高的社會，私家車越來越多，他們不再愿意讓自己的愛車風(fēng)餐露宿，想擁有一個智能化的私家車庫成為所有有車一族的夢想。智能化車庫的自動卷簾門以其美觀、智能易控制而且可實現(xiàn)無人管理等特點，備受私家車主的青睞。 此外，進行“基于MCS-51單片機車庫卷簾門自動控制與設(shè)計”控制系統(tǒng)的設(shè)計，對自動門行業(yè)的發(fā)展具有積極意義，增強了智能控制器在自動門領(lǐng)域乃至整個自動化行業(yè)的作用，有利于經(jīng)濟和理論的研究。本設(shè)計在自動卷簾門應(yīng)用這一大背景下，充分利用單片機技術(shù)來完成車庫卷簾門的自動控制并通過Proteus仿真來制作模型，制作過程中

11、涉及單片機、電路設(shè)計與仿真、測試與焊接等多項知識和技能，為以后走向工作崗位培養(yǎng)實用技能打下堅定基礎(chǔ)，與此同時方案本身與功率放大器和按鍵相結(jié)合，使其更具現(xiàn)實意義。通過對基于51單片機控制的車庫卷簾門的研究，將理論應(yīng)用于實際，對加強所學(xué)知識的理解和運用有著積極作用。由于電路設(shè)計簡單、軟件可反復(fù)編寫、性價比高等特點，使用價值和參考價值比較高。從最初方案的評估、方案的擬定、線路設(shè)計、仿真調(diào)試到元件采購與實物焊接，充分體現(xiàn)了統(tǒng)籌兼顧的思想，這也為以后的工作能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。 第二章 方案設(shè)計及技術(shù)基礎(chǔ)2.1 設(shè)計方案 硬件方案 本次設(shè)計的硬件方案主要包括：電源設(shè)計、按鍵輸入設(shè)計、單片機最小系統(tǒng)設(shè)計、L

12、ED狀態(tài)顯示設(shè)計以及電機驅(qū)動的設(shè)計 各部分功能實現(xiàn)如下： 電源電路：為整個系統(tǒng)提供+5V電壓，保證系統(tǒng)正常工作 按鍵輸入設(shè)計：控制步進電機運行狀態(tài) 單片機最小系統(tǒng)：保證單片機系統(tǒng)的正常工作 LED狀態(tài)顯示電：用于顯示電機轉(zhuǎn)動信息和車庫卷簾門的工作狀態(tài) 電機驅(qū)動電路：驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動 軟件方案 本系統(tǒng)設(shè)計的軟件部分主要完成功能：步進電機的啟動、停止、和正反轉(zhuǎn)、鍵盤掃描和LED顯示。 其中各個模塊的具體任務(wù)如下： 鍵盤掃描模塊：實現(xiàn)對電機的控制，進而控制自動卷簾門 LED顯示模塊：實時顯示步進電機的運行狀況和卷簾門的工作狀態(tài) 正反轉(zhuǎn)控制模塊：通過調(diào)用相序的不同來控制電機正反轉(zhuǎn) 2.2 MCS-51單片

13、機及開發(fā)環(huán)境介紹單片微型計算機（Single-Chip Microcomputer）簡稱單片機。它在一塊芯片上集成了中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）、隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）、定時器/計數(shù)器以及I/O（Input/Output）接口等部件，這些部件構(gòu)成了一個完整的微型計算機。單片機是現(xiàn)代電子設(shè)計中使用最廣泛的電子元件。它的價格低廉，功能強大，體積小，性能穩(wěn)定，深受廣大電子設(shè)計愛好者的喜愛。目前各類產(chǎn)品中都能看到單片機的身影，如門鈴、報警器、玩具、自動卷簾門，以及

14、各類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等等。 我們一般所說的51系列單片機，是MCS-51系列及其兼容的單片機。Atmel公司的AT89C系列、AT89S系列這些兼容的單片機仍然采用MCS-51的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，只是功能和內(nèi)部資源等方面有所擴展。本次設(shè)計采用AT89S51單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心。圖2-1 AT89S512.2.1 AT89S51單片機簡介 AT89S51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 中央處理器（CPU） 中央處理器（CPU）是整個單片機的核心部件。MCS-51系列單片機是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，它能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼。CPU主要由算術(shù)邏輯部件、控制器和專用寄存器三部分電路組成。它負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整

15、個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 程序存儲器（ROM） Atmel公司的AT89S系列單片機采用4KB FLASH存儲器，用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。 數(shù)據(jù)存儲器（RAM） AT89S51的內(nèi)部有128個RAM數(shù)據(jù)存儲單元，這些單元可以存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 定時/計數(shù)器 AT89S51有兩個可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。它也可以產(chǎn)生中斷，從而控制程序轉(zhuǎn)向。 并行輸入輸出（I/O）口 單片機需要和外部設(shè)備進行通信，以便處理外部的輸入和將運算結(jié)果反饋到外部設(shè)備。AT89S51共4組8位I/O口（P0、P1、P2、P3），用于對

16、數(shù)據(jù)的讀入和輸出。 全雙工串行口 AT89S51內(nèi)置一個全雙工串行通信口，由于與其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 中斷系統(tǒng) AT89S51具有完善中斷功能，有兩個外部中斷、兩個定時/計數(shù)中斷和一個串行中斷，這些功能可滿足不同的控制要求，并具有4級的優(yōu)先級別選擇。 時鐘電路 AT89S51內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，可以外置振蕩晶振和電容便可以產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序。設(shè)計人員也可以采用外部的時鐘源作為工作時鐘。圖2-2AT89S51單片機片內(nèi)總體結(jié)構(gòu)圖 AT89S51單片機引腳說明 AT89S51系列單片機采用了CMOS制造工藝

17、，它具有集成度高、速度快、功耗低等特點。它有三種封裝形式:40引腳雙列直插（DIP）、44引腳（PLCC）、44引腳（TQFP）。本次設(shè)計主要選擇用40引腳雙列直插（DIP）封裝形式進行制作，此形式方便焊接。具體引腳功能如圖2-3所示。圖2-340引腳雙列直插（DIP）封裝 電源引腳 VCC（Pin40):電源端。正電源接4.05.0V電壓，系統(tǒng)的正常工作電壓為+5V GND（Pin20):接地 外接晶振或外部振蕩器引腳 XTAL1(Pin19):時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL1(Pin18):時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端 AT89S51的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)

18、時鐘振蕩方式，在18和9腳外接石英晶體（033MHz）和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10pF30pF；另外一種是外部時鐘方式，將XTAL2懸空，外部時鐘信號（033MHz）從XTAL1輸入。 輸入輸出（I/O）端口引腳 P0口：即P0.0P0.7(Pin39Pin32)，輸入輸出腳，可用于8位并行I/O口或分時復(fù)用地址和數(shù)據(jù)總線。P0口作為輸出口時，每個引腳負載8個TTL；在外擴存儲器時，可定義為低8位地址/數(shù)據(jù)線；定義為I/O口時，需外接上拉電阻，為準雙向I/O口，在程序中向該端口寫入“1”后，成為高阻抗輸入口；在對片內(nèi)Flash編程時，P0口可以接收字節(jié)代碼，在程序校驗時輸出字節(jié)代碼，程序

19、校驗期間應(yīng)外接上拉電阻。 P1口：即P1.0P1.7(Pin1Pin8)，輸入輸出腳，8位準雙向并行I/O口。P1口內(nèi)部已經(jīng)具有上拉電阻的8位準雙向I/O口，能負載4個TTL；在Flash編程和校驗時，定義為低8位地址線。和基本的8051不同的是，其部分引腳具有第二功能。引腳P1.0是定時/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入，引腳P1.1表示定時/計數(shù)器T2捕獲/再裝入觸發(fā)及方向控制，引腳P1.5(MOSI)、P1.6(MISO)和P1.7(SCK)用于系統(tǒng)內(nèi)部編程。 P2口：即P2.0P2.7(Pin21Pin28)，輸入輸出腳，8位準雙向并行I/O口。P2口內(nèi)部已經(jīng)具有上拉電阻的8位準雙向I/O口，

20、能負載4個TTL；當(dāng)訪問外部存儲器時，定義為高8位地址線。如果只需要8位地址線，它將輸出特殊功能寄存器（鎖存器）中的內(nèi)容。 P3口：即P3.0P3.7(Pin10Pin17)，輸入輸出腳，8位準雙向并行I/O口。P3口內(nèi)部已經(jīng)具有上拉電阻的8位準雙向I/O口，能負載4個TTL；當(dāng)P3口寫入“1”后，內(nèi)部端口上拉為高電平，并用作輸入口。當(dāng)作為輸出口，P3口將輸出電流（ILL），這是因為外部下拉為低電平的緣故。和普通的8051一樣，每個引腳都具有第二功能。表3.1 P3口的第二功能 第二功能標(biāo)志第二功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2外部中斷0輸入P3.3外部中斷1輸入P3

21、.4T0定時/計數(shù)器0外部輸入P3.5T1定時/計數(shù)器1外部輸入P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 控制、復(fù)位和選通引腳 RST(Pin9):單片機內(nèi)部CPU的復(fù)位信號輸入端 在單片機的振蕩器啟動后，該引腳保持2個機器周期以上高電平，便可實現(xiàn)復(fù)位。另外，對于AT89S51，其內(nèi)部包含定時監(jiān)視器（看門狗）電路。在定時監(jiān)視器（看門狗）定時輸出后，該引腳置高電平，并持續(xù)96個振蕩周期，也可以實現(xiàn)復(fù)位。特殊功能寄存器AUXR中的DISRT0位可以使復(fù)位無效。在默認的DISRT0位狀態(tài)下，RST引腳上高電平有效。 ALE/(Pin30):ALE位地址鎖存使能端和編程脈沖輸入端 當(dāng)訪

22、問外部程序存儲器時，ALE（地址鎖存器）的負跳變將低8位地址打入鎖存；而非訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6振蕩頻率的正脈沖信號，該脈沖信號可以用于外部計數(shù)或時鐘信號。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE會跳過一個脈沖；在Flash編程時，該引腳用于輸入編程脈沖（）。 (Pin29):訪問外部程序存儲器的讀選通信號 當(dāng)單片機訪問外部程序存儲器，讀取指令碼時，每個機器周期產(chǎn)生2次有效信號，即此腳輸出2個負脈沖選通信號；在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器讀取指令碼時，不產(chǎn)生此脈沖；在讀寫外部數(shù)據(jù)時，也不產(chǎn)生脈沖信號。 /VPP(Pin31):為訪問內(nèi)部或外部程序存儲器選擇信號，在Flash編程時，提供Fla

23、sh編程電壓VPP。當(dāng)訪問訪問外部程序存儲器（0000HFFFFH單元）時，則必須保持低電平（即接GND）;當(dāng)保持高電平是，則CPU先從片內(nèi)0000H單元開始，執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器程序；如果外部還有擴展程序存儲器，則CPU在執(zhí)行完內(nèi)部程序存儲器程序后，自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器程序；對片內(nèi)Flash編程時，此引腳用于輸入編程允許電壓。另外，如果單片機的保密位被編程，則復(fù)位時內(nèi)部會鎖存端的狀態(tài)。2.2.2 開發(fā)環(huán)境介紹眾所周知，軟硬件開發(fā)環(huán)境建立的好壞對單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計和硬件設(shè)計工作順利高效完成的發(fā)揮重要作用。本次系統(tǒng)軟件設(shè)計采用Keil C51軟件開發(fā)系統(tǒng)，它是美國Keil Software公

24、司出品的51系列單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil C51軟件具有庫函數(shù)豐富和強大功能的集成開發(fā)調(diào)試工具等的特點，有利于全Windows人機界面的交流。硬件開發(fā)環(huán)境主要是指針對硬件開發(fā)時用到的的軟件工具、儀器等。此次設(shè)計開發(fā)工具主要選擇具有在線可編程功能的AT89S51單片機；利用Protel 99SE繪圖軟件制作電路；另外，硬件設(shè)計過程中需要用到的儀器和工具主要有直流穩(wěn)壓電源、電烙鐵、尖嘴鉗、鑷子等。另外，此次設(shè)計還綜合利用Keil C51+Proteus對的實物進行仿真與模擬，從而實現(xiàn)反復(fù)在線測試與修正。2.3主要芯片元器件及功能介紹2.3.1 電機驅(qū)動芯片本次設(shè)計直接使用ULN2003A

25、電機驅(qū)動芯片，因為它連接簡單，而且能夠通過改變驅(qū)動電壓來控制力矩的大小，從而控制電機的轉(zhuǎn)動。ULN是集成達林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝，NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動電壓=50V，電流=500mA，輸入電壓=5V，適用于TTL COMS，由達林頓管組成驅(qū)動電路。ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，但獨每個單元驅(qū)動電流最大可達350mA.資料的最后有引用電路，9腳可以懸空。 比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在VCC與16腳之間，不用9腳。ULN2003A電路具有以下特點:電流增益高（大于1000）;帶負載能力強（輸出電流大于50

26、0mA）;溫度范圍寬（-4085）;工作電壓高（大于50V）。適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)，通常作為顯示驅(qū)動繼電器驅(qū)動照明燈驅(qū)動伺服電機、步進電機驅(qū)動等使用引腳定義與功能引出端序號符號功能引出端序號符號同意功能11B輸入9COM公共端22B輸入107C輸出33B輸入116C輸出44B輸入125C輸出55B輸入134C輸出66B輸入143C輸出77B輸入152C輸出8E發(fā)射極161C輸出 2.3.2 步進電機結(jié)構(gòu)及工作原理 目前自動卷簾門中的動力部分主要有無刷直流電機、交流變頻電機及步進電機的使用?，F(xiàn)以四相六線制步進電機作為自動卷簾門的動力部分。結(jié)構(gòu)步進電機主要有纏繞線圈的定子和轉(zhuǎn)子組成，

27、如下所示是定子和轉(zhuǎn)子的展開圖:工作原理步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)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(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步

28、進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和六相:兩相步進角一般為1.8度而六相步進角一般為 0.72度。 第三章 硬體設(shè)計 本次方案的硬件設(shè)計主要包括電源設(shè)計、單片機最小系統(tǒng)設(shè)計、電機驅(qū)動設(shè)計、功能按鍵設(shè)計以及狀態(tài)顯示設(shè)計。電源電路的設(shè)計為整個系統(tǒng)提供+5V的工作電壓；最小系統(tǒng)保證單片機的正常工作；電機驅(qū)動設(shè)計主要通過功率放大芯片ULN3002A對電機實現(xiàn)驅(qū)動，并達到對卷簾門的自動控制；控制電路有三個按鍵組成，控制著電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，從而實現(xiàn)車庫

29、卷簾門的升降和停止，由操作者根據(jù)實際需求進行操作；狀態(tài)顯示電路主要顯示車庫卷簾門三種工作狀態(tài)。3.1電源設(shè)計首先，我們要明白-對于任何一個基于51單片機設(shè)計的系統(tǒng)電源的供應(yīng)是必不可少的，由于單片機屬于微型控制計算機，所以承受不了過大的電壓，一般的情況下，只需對其外供+5V電壓即可保證單片機正常工作。一般的設(shè)計方案由USB直接供電和采用三端穩(wěn)壓芯片7508+整流橋來實現(xiàn)對單片機的供電。 此次方案的電源設(shè)計部分，由于外供+9+36V電壓，故直接通過三端穩(wěn)壓芯片7805和若干電容、電阻對外供電壓進行降壓并穩(wěn)壓處理，省去了整流橋，從而達到為單片機AT89S51提供+5V工作電壓的目的。電路原理圖如圖所

30、示:3.2單片機復(fù)位電路復(fù)位是單片機的初始化工作，其作用是使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。一般在系統(tǒng)上電，或者程序死機的時候需要進行單片機的復(fù)位動作MCS-51的RST引腳是復(fù)位信號輸入端，高電平有效，持續(xù)時間要在24個時鐘周期以上，方可達到復(fù)位效果。單片機復(fù)位后，CPU和整個硬件資源，特別是特殊功能寄存器都處于初始化狀態(tài)，詳細如表3.5所示：特殊功能寄存器復(fù)位狀態(tài)特殊功能寄存器復(fù)位狀態(tài)ACC00HTH000HB00HTL000HDPTR0000HTH100HPC0000HTL100HPSW00HTMOD00HP0P3FFHTCON00HSP07HSC

31、ON00HIE0XX0 0000BPCON0XXX 0000BIPXXX0 0000BSBUFXXXX XXXXBT2MODXXXX XX00BTH200HT2CON00HTL200HRCAP2L00HAUXRXXX0 0XX0BRCAP2H00HAUXR1XXXX XXX0BWDTRSTXXXX XXXXB(1) 復(fù)位要求 單片機復(fù)位的原理是，在時鐘電路開始工作后，在單片機的RST施加兩個機器周期以上的高電平，單片機即可實現(xiàn)復(fù)位。在復(fù)位期間單片機的ALE引腳和引腳均輸出高電平。當(dāng)RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶螅瑔纹瑱C便從0000單元執(zhí)行程序。在實際應(yīng)用中，采用外部復(fù)位電路來進行單片機復(fù)位一

32、般在RST引腳保持10ms以上的高電平，保證單片機能夠可靠的復(fù)位。(2) 復(fù)位操作方式復(fù)位操作根據(jù)實際需求分為上電自動復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和外部脈沖復(fù)位。圖3-4AT89S51復(fù)位電路在本系統(tǒng)中采用的是既可以手動復(fù)位，又可以上電復(fù)位的電路，這樣可以實現(xiàn)人工復(fù)位單片機系統(tǒng)。這種電路設(shè)計如圖所示。上電復(fù)位部分的原理也是RC電路的充放電效應(yīng)。除了系統(tǒng)上電的時候可以給RST引腳一個短暫的高電平信號外，當(dāng)按下開關(guān)的時候，VCC通過通過一個電阻接到RST引腳，給RST一個高電平；按鍵松開的時候，RST引腳恢復(fù)為低電平，此時復(fù)位完成。3.3單片機時鐘系統(tǒng)振蕩器和時鐘電路用于產(chǎn)生單片機正常工作時所需要的時鐘信號

33、。AT89S51單片機采用CMOS工藝，內(nèi)部包含一個振蕩器，可以用于CPU的時鐘源；也允許采用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號來供內(nèi)部CPU運行使用。此次設(shè)計采用內(nèi)部時鐘模式作CPU的時鐘源。AT89S51單片機內(nèi)部包含一個高增益的單級反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為片內(nèi)反相放大器的輸入端口和輸出端口，其工作頻率為033MHz。當(dāng)單片機工作于內(nèi)部時鐘模式時，只需在XTAL1和XTAL2引腳連接一個晶體振蕩器或者陶瓷振蕩器，并接兩個電容后接地即可，如圖所示。圖3-6在使用是，對于電容的選擇有一定要求，即：當(dāng)外接晶體振蕩器時，電容值一般選擇C1=C2=3010pF當(dāng)外接陶瓷振蕩器

34、時，電容值一般選擇C1=C2=4010pF在實際電路設(shè)計時，應(yīng)該注意盡量保證外接的振蕩器和電容盡可能地靠近單片機的XTAL1和XTAL2引腳，這樣可以減少寄生電容的影響，使振蕩器能夠穩(wěn)定可靠地為單片機CPU提供時鐘信號3.4 電機驅(qū)動電路對于常見的微型步進電機的驅(qū)動，由于其驅(qū)動電壓和電流不是很大，所以時常為了快速檢驗步進電機的能否使用而直接采用如圖所示的驅(qū)動電路。圖3 一般驅(qū)動電路實際生活當(dāng)中并非如此，生活中使用的步進電機驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流很大，所以有必要增加一個脈沖放大器進行對其驅(qū)動，否則電機根本轉(zhuǎn)動不起來。常見的步進電機驅(qū)動IC有ULN2003A或ULN2803。本次采用ULN2003A驅(qū)

35、動芯片，其功率增益比較大、負載能力比較強。ULN2003A驅(qū)動電機原理如圖所示，由于本方案采用六線制四相的步進電機，故ULN2003A信號輸入端為1B4B端口，輸出端口為1C4C，進而連接負載步進電機。 根據(jù)圖面可知，M1.1和M1.2與電機的公共端相連；M1.3對應(yīng)步進電機的A;M1.4對應(yīng)步進電機的B;M1.5對應(yīng)步進電機的C; M1.6對應(yīng)步進電機的D。單片機端口P2.0P2.3輸出脈沖到ULN2003A的1B4B口，經(jīng)處理后分別從1C4C端口輸出高低電脈沖到步進電機的A、B、C、D相，從而驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動。3.5 按鍵控制電路 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了車庫卷簾門的自動上升下

36、降和停止三個控制按鈕，分別為S1S2和S3；從而根據(jù)實際需求通過控制按鈕的狀態(tài)來實現(xiàn)相應(yīng)功能，控制電路如圖所示: 當(dāng)按鍵S1S2和S3觸發(fā)狀態(tài)改變時，會改變單片機P1.2P1.4端口的高低電平，繼而通過指令和代碼實現(xiàn)系統(tǒng)電機的正反轉(zhuǎn)和停止功能，從而實現(xiàn)車庫卷簾門的升降和停止功能。即當(dāng)按下S1時電機正轉(zhuǎn)，車庫卷簾門上升；當(dāng)按下S2時電機反轉(zhuǎn)，車庫卷簾門下降；當(dāng)當(dāng)按下S3時，電機停止轉(zhuǎn)動，卷簾門停止。3.6 狀態(tài)顯示電路 本設(shè)計方案通過步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)，從而實現(xiàn)車庫門的自動升降和停止功能。為了方便清楚知道電機和卷簾門的具體工作狀態(tài)，在此設(shè)計一個具有三種顏色（紅色、綠色、黃色）的L

37、ED顯示電路，分別代表車庫卷簾門（或步進電機）的停止、上升（正轉(zhuǎn)）和下降（反轉(zhuǎn)）。 工作原理為：當(dāng)控制按鍵觸發(fā)時，單片機內(nèi)部會掃描P1.2P1.4高低電平，進而對P1.5P1.7賦相應(yīng)高低電平，從而使之對應(yīng)的發(fā)光二極管點亮?？傇韴D 第四章 單片機軟體設(shè)計4.1 系統(tǒng)程序框圖 此次設(shè)計采用多個模塊的方式來實現(xiàn)對步進電機的控制，進而實現(xiàn)對車庫卷簾門的自動控制。單片機AT89S51為整個系統(tǒng)的MCU；信號放大芯片ULN2003A驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動；三個LED燈顯示卷簾門的工作狀況。整個系統(tǒng)程序首先對于P1口進行初始化，車庫卷簾門處于關(guān)閉狀態(tài)；另外，使得S1S2和S3處于待輸入狀態(tài)并使紅色LED保持常

38、亮狀態(tài)；然后，針對P1.2P1.4掃描高低電平，從而判斷哪個按鍵觸發(fā)；其次，對于P2.0P2.3進行環(huán)形脈沖分配，外加延時子程序，進而驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)；最后，通過給予P15P1.7高低電平來控制LED的亮滅來顯示電機的工作狀態(tài)（即車庫卷簾門的工作狀態(tài)）。 4.2 電機控制程序 此模塊的程序設(shè)計比較靈活。本次設(shè)計主要通過判斷S2和S3是否被觸發(fā)（即掃描P1.3和P1.4高低電平），進一步讓P2.4P2.7發(fā)出環(huán)形脈波并對其進行分配，并加上延時程序，從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)和停止。 由于此次采用四相六線制步進電機，采用雙四拍方法控制電機轉(zhuǎn)動，故電機正轉(zhuǎn)次序:AB-BC-CD-DA (即一個脈沖

39、，正轉(zhuǎn) 7.5 度)；電機反轉(zhuǎn)次序:AB-DA-CD-BC；電機停止對P2.4P2.7賦值0X00即可實現(xiàn)。電機正反轉(zhuǎn)相序編碼表如下:表1:正轉(zhuǎn)相序編碼表步數(shù)P2.4P2.52.6P2.7控制字ABCD111000X0C201100X06300110X03410010X09表2:反轉(zhuǎn)相序編碼表步數(shù)P2.4P2.52.6P2.7控制字ABCD111000X0C210010X09300110X03401100X06具體程序如下: if(s2=0)/S2按下，電機正轉(zhuǎn) P11=1; P10=0; P2=0x0C;/1100 delay(); P2=0x06;/0110 delay(); P2=0x0

40、3;/0011 delay(); P2=0x09;/1001 delay(); else Stop(); delay(); else if(s3=0)/S3按下，電機反轉(zhuǎn) P12=1; P10=0; P0=0x0C;/1100 delay(); P0=0x09;/1001 delay(); P0=0x03;/0011 delay(); P0=0x06;/0110 delay(); else Stop(); delay(); 4.3 顯示程序設(shè)計 本方案采用三種顏色的LED燈來清楚表示步進電機的正反轉(zhuǎn)及停止三種狀態(tài)（即車庫卷簾門的上升和停止三種狀態(tài)）。通過對P1.0P1.2高低電平的掃描去控制L

41、ED燈的亮滅，此種方法簡單又容易實現(xiàn)，故此次采用這種顯示原理，從而清楚知道卷簾門的工作狀況。 具體程序編寫如下: P1.0=1; /紅燈亮 P1.0=0;/紅燈滅 P1.1=1; /綠燈亮P1.1=0; /綠燈滅P1.2=1; /黃燈亮P1.2=0; /黃燈滅4.4 延時子程序 本次設(shè)計中的步進電機只要依次給其一定時間的脈沖，步進電機即可連續(xù)轉(zhuǎn)動起來。在設(shè)計步進電機驅(qū)動程序的時，會對每一STEP加一個延時，避免了電機急速啟動所造成的步進電機就有失步現(xiàn)象，從而造成不能正常啟動；同樣，假如車庫卷簾門到達預(yù)設(shè)位置猛然停下來，在慣性作用 下，步進電機會發(fā)生“剎不住車”的現(xiàn)象，從而會導(dǎo)致降低自動卷簾門位

42、置的精確度。所以，延時程序有必要貫穿整個系統(tǒng)程序。 void delay(void) int k; for(k=0;k2000;k+); 第六章 系統(tǒng)安裝與仿真調(diào)試5.1 系統(tǒng)安裝因為本次設(shè)計主要是體驗整個單片機開發(fā)的流程，所以硬件電路的搭建主要采用插件的方式在MCS-51單片機實驗開發(fā)板上進行實現(xiàn)，省去了制作PCB板的時間，讓我們有更多的時間去領(lǐng)悟MCS-51單片機整體的一個開發(fā)流程。由于單片機開發(fā)板上自帶最小系統(tǒng)，所以直接通過杜邦線再把按鍵模塊、顯示模塊和電機驅(qū)動模塊與AT89S51單片機端口連接好就可以了。具體連接方式請參考電路原理圖。5.2 系統(tǒng)仿真調(diào)試 硬件搭建和軟件設(shè)計設(shè)計完成之后

43、，下面便對系統(tǒng)進行仿真調(diào)試。本系統(tǒng)采用軟件調(diào)試、硬件調(diào)試和軟硬件聯(lián)合調(diào)試三種方式對系統(tǒng)進行測試 5.2.1軟件仿真調(diào)試 一般軟件的仿真與調(diào)試主要有兩種常見的方式，即模塊程序設(shè)計和實時多任務(wù)操作設(shè)計。由于此次硬件設(shè)計分模塊化設(shè)計，所以程序設(shè)計采用的是模塊程序設(shè)計技術(shù)。本次程序的編譯與調(diào)試主要通過KeilC51+Proteus來實現(xiàn)。首先，分別對一個個子程序進行編譯和測試。測試的具體操作方式主要有：單步運行方式和斷點運行方式。測試的內(nèi)容主要包括系統(tǒng)CPU的現(xiàn)場、RAM的內(nèi)容和I/O口的狀態(tài)。通過檢測，可以發(fā)現(xiàn)一些常見的錯誤，例如死循環(huán)錯誤、機器碼錯誤及轉(zhuǎn)移地址的錯誤。此外系統(tǒng)中的硬件故障、軟件算法

44、錯誤及硬件設(shè)計錯誤也會被檢測出。在調(diào)試過程中不斷調(diào)整用戶系統(tǒng)的硬件和軟件，逐步通過一個個程序模塊；然后進行整體程序的綜合調(diào)試，假如在此過程發(fā)生問題，我們可以從各個子程序在運行時是否破壞現(xiàn)場、緩沖單元是否發(fā)生沖突、堆棧區(qū)域是否有溢出等常見不良現(xiàn)象入手進行檢查；最后，待全部調(diào)試完成后，應(yīng)反復(fù)運行多次，是系統(tǒng)整體達到最佳化。 5.2.2硬件調(diào)試 硬件測試和軟件測試是密不可分的，許多硬件方面的問題會在調(diào)試軟件的時候才被發(fā)現(xiàn)的。但是，一般來說先是排除系統(tǒng)中明顯的硬件問題之后才會與軟件結(jié)合起來進行聯(lián)合調(diào)試的。目前來講，常見的硬件問題主要包括邏輯錯誤、元器件失效、 可靠性差以及電源故障。具體檢查方法:首先要

45、檢查加工質(zhì)量，并確保沒有任何方面的錯誤，如短路和斷路，尤其要避免電源短路；對于使用的電子元件要進行實際測量其一些電性參數(shù)之后，才可以確認是否符合電路設(shè)計的要求；硬件搭建完之后，應(yīng)先空載上電（芯片座上不插芯片），并檢查各引腳的電位是否正確。若確認沒問題之后，才可在斷電的情況下插入IC，然后再次檢查各引腳的電位及其邏輯關(guān)系，確保萬無一失。 第六章 結(jié)束語目前為止，此次設(shè)計目的已經(jīng)基本達到。本次對 “基于MCS-51車庫卷簾門自動控制的設(shè)計與實現(xiàn)”課題的研究是一次非常難得的理論應(yīng)用于實際的機會。深深地明白了理論聯(lián)系實際的科學(xué)性以及重要性。從最初方案的構(gòu)想與評估到整體系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，主要經(jīng)歷了主控制器的選擇、步進電機驅(qū)動IC的選擇和模塊設(shè)計、狀態(tài)顯示模塊設(shè)計、功能按鍵模塊設(shè)計和最終的仿真調(diào)試到整體功能的成功實現(xiàn)，在此學(xué)習(xí)過程中感慨良多。雖然僅僅幾個月的時間，但付出的時間和精力一點都不少，更重要的是學(xué)到了許多書本上沒有的知識，與此同