基于单片机的自动幕布控制器的设计.docx

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基于单片机的自动幕布控制器的设计

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）

论文题目：

基于单片机的自动幕布控制器的设计

所属系部：

电子工程系

指导老师：

职称：

助教

学生姓名：

学号:

10202202

专业：

电子信息工程技术

西安航空职业技术学院制

2012年12月15日

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

题目：

基于单片机的自动幕布控制器的设计

任务与要求：

步进电机模拟控制幕布左右移动；

自动幕布在向左和向右过程中可以随时开始，随时暂停；

当其移动到最右端时再按“向左按钮”失效；

当其移动到最左端时再按“向右按钮”失效”。

时间：

2012年10月15日至2012年12月15日共8周

所属系部：

电子工程系

学生姓名：

刘剑学号：

10202202

专业：

电子信息工程技术

指导单位或教研室：

应用电子技术教研室

指导教师：

杨思俊职称：

助教

西安航空职业技术学院制

2012年12月15日

毕业设计（论文）进度计划表

日期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

2012.10.15-

2012.10.22

讨论题目的真正含义以及

设计方案

2012.10.23-

2012.10.27

研究幕布控制的基本功能及其幕布在生活中的作用

2012.10.28-

2012.11.08

讨论自动幕布的基本原理

以及他的设计思路

2012.11.09-

2012.11.24

讨论硬件电路的设计方法

以及它的功能

2012.11.25

2012.12.05

讨论软件电路的设计方法

以及它的功能

2012.12.06-

2012.12.10

讨论程序的应用以及

原理图的作用

2012.12.11

2012.12.15

撰写论文

教师对进度计划实施情况总评

　　　　　　　　　　　　　　　　　签名

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一

基于单片机的自动幕布控制器的设计

【摘要】

随着科学技术的快速发展，自动控制在现代生活中有着较好的发展前景。

目前，生活环境中的采光及避光问题主要采用的是手动开闭幕布，手动开闭不仅费力而且很多方面不够人性化，可能对用户造成一定的困扰，幕布控制系统可以解决这些问题。

本文综述了幕布控制系统的设计与制作过程，介绍了设计制作一个完整的幕布控制系统需要做的理论分析以及其制作过程。

自动幕布控制系统核心采用的是单片机AT89C51，其次利用了键盘显示接口电路以及信号调理电路等外围电路，整个系统在各模块的配合下可实现半自动控制、自动控制等功能。

该设计在理论层面上，用C语言程序驱动各模块工作，实现系统的内在联系，在应用层面上则采用Protel软件进行原理图设计。

自动幕布控制系统的构成主要由系统主控模块电路、电源转换电路、电机控制电路、按键电路等组成，重点讨论了幕布自动控制系统的设计过程、硬件选用和软件调试等问题。

关键字：

单片机；自动控制；AT89C51；Protel

ABSTRACT:

electronicsandautomaticcontrolisanimportantbranchofinformationscience,andtheynowhaveabetterprospect.Now,Accordingtotherequirementsoflivingenvironments,thisdesignmadefulluseoftheSCMcontrollingsystemofAT89C51,followedbythesensor,keyboardanddisplayinterfacecircuitandthesignalconditioningcircuit.Basedonthedifferentcontrollingmode,werealizetocontrolthecurtainmachinebymutualtransformationofsemiautomaticandautomaticcontrollingandinfraredremoter.

Focusingonthecurtainduringautomaticcontrolsystemdesign,hardwareandsoftwaredebuggingprocessandotherissues,thesystemcanberealizedthroughtheilluminationintensityinaccordancecontrolthecurtainsdown.

KEYWORDS:

SCM;automaticcontrol;AT89C51;Protel

前言

伴随着信息化时代的到来，人们的生活速度以及对生活质量的追求也在大幅度提高。

电子产品智能化速度的加快，也使人们的工作、生活和通讯的关系日益紧密。

智能化的产品设计在改变人们工作方式与生活习惯的同时，让人们对生活工作环境质量的提升提出了更高的要求，方便、舒适成了人们所追求的主要生活方式之一，工作居住环境早已不仅仅局限在物理空间上，人们更为关注的是一个安全、方便、舒适的环境。

智能化的电子产品以及设计将以前的被动静止物体转变为人们能够方便操控的工具，这些产品具有提供全方位的信息交换的功能，不仅能够优化人们的生活方式，帮助人们合理的安排时间，增强工作生活环境的安全性，甚至还可以为各种能源费用节约资金。

在智能化产品中，单片机的应用已经越来越广泛，单片机以它体积小、质量轻、耗电省、可靠性高、价格低等优点，开始不断发展，并广泛应用于各个领域，在很多的大中型的电气设备以及小型的电子产品中也用单片机进行控制。

针对人们对智能化的需求以及对舒适生活的追求，自动幕布控制系统改变了传统幕布的劣势，它可以根据开关自动控制幕布的移动，也可以根据人们的需要随时暂停。

该系统利用单片机电机驱动模块控制步进电机的正反转实现幕布的左右移动。

本设计正是把利用AT89C51单片机的优点以及简单实用性，顺利的完成了对智能控制的要求，并且为智能化的设备提供了良好的基础。

此外，该系统以后可以进行扩展，比如可以加上语音系统、光控系统、防火，防盗，甚至室内气体浓度监测等功能，会使该系统更具有实用性，而且也完善了系统。

1绪论

1.1课题研究背景及意义

知识与科技成为时代的潮流，在它们的推动下，智能化也因此得到了很大的发展，其作用在社会生活中日益得到彰显。

智能控制系统主要利用计算机技术、网络通信技术、网络技术、智能控制技术的迅猛发展潮流下，工作生活环境实现了现代化与智能化，从而使工作生活环境变得更加方便与快捷。

当前世界正在经历一场革命性的变化。

正在全球展开的信息和信息技术革命，正以前所未有的方式对社会变革的方向起着决定作用，其结果必定导致信息社会在全球的实现。

具体表现为，首先，在生产活动的范围广泛的工作过程中，引入了信息处理技术，从而使这些部门的自动化达到一个新的水平；其次，电讯与计算机系统合而为一，可以在几秒钟内将信息传递到全世界的任何地方，从而使人类活动各方面表现出信息活动的特征；最后，信息和信息机器成了一切活动的积极参与者，甚至参与了人类的知觉活动、概念活动和原动性活动。

在此进展中，信息和知识正在以系统的方式被应用于变革物质资源，正在替代劳动成为国民生产中“附加值”的源泉。

这种革命性不仅会改变生产过程，更重要的是它将通过改变社会的通讯和传播结构而催生出一个新时代、新社会。

在这个社会中，信息/知识成了社会的主要财富，信息/知识流成了社会发展的主要动力，信息/情报源成了新的权力源。

1.2基本内容安排

该设计通过人们对自动幕布控制系统的功能的需求，从而对自动幕布控制器进行总体的设计。

系统的总体设计采用了以步进电机作为单片机控制元件，完成幕布开闭的主要任务；以89C51单片机作为主控制芯片，控制着整个系统的运行，此外，在按键模块的配合下最终实现了自动幕布控制系统的智能化要求。

自动幕布控制系统设计过程主要分为一下几个章节：

（1）绪论：

介绍目前国内外自动幕布的发展现状以及研究的目的和意义。

（2）总体设计方案：

概括自动幕布控制系统的的总体设计方案的选取以及硬件设计的总况。

（3）硬件设计：

选用89C51单片机为核心的各种电路设计，包括复位电路，电源电路，时钟电路，步进电机控制电路，键盘电路，显示电路等一系列相关电路。

（4）软件设计：

介绍各个功能模块的的设计流程以及设计思路。

（5）总结：

针对设计中的不足进行再思考以及提出自动幕布控制系统功能的扩展。

1.3设计的思想

在信息化的时代，人们对生活工作环境质量提出了更高的要求，方便、舒适成了人们的首要追求。

为了给人们生活学习带来更大舒适和方便，本设计设计了基于单片机的自动幕布。

其控制系统整体主要由硬件和软件两部分组成。

硬件部分由单片机扩展的外围电路以及各种实现单片机系统控制功能的接口电路组成；软件部分主要由单片机系统实现其特定控制功能的各种程序组成。

系统中主控器件为AT89C51单片机。

由该单片机控制着步进电动机的真反转，从而达到自由控制幕布的效果。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲，电机就运行一步。

当步进电机接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机具有转子惯量底，定位精度高，无累积误差，控制简单等特点。

实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。

步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制，步进电动机作为控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。

随着数字技术和计算机的发展，研究步进电机驱动电路，使步进电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。

在选取设计方案和采用元器件方面，该系统本着简单实用经济的思想，尽量简化电路设计，用最简单的电路布线和选用最经济实用的器件来达到设计要求。

2总体电路设计及其原理说明

2.1方案选取

单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利性得到了人们的好评，针对单片机控制的自动幕布控制系统的智能化要求，实现其自动控制的总体方案：

通过89C51单片机控制步进电机的正转、反转从而实现自动幕布控制系统的左右移动。

该方案通过两个独立的自锁开关来控制幕布的左移或右移，以及暂停功能。

总体方案流程图：

图2.1方案原理框图

该方案通过两个按键就可控制幕布的三种状态，极大的简化了该系统的操作难度。

增强了该系统的可操作性与实用性。

2.2总体方案设计

自动幕布控制系统总体方案设计是基于满足设计要求的前提再根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。

本章从人们对系统功能需求出发，在综合考虑各种因素的情况下，设计出自动控制系统的总体构架，并且在基本功能需求的基础上尽可能考虑系统的可扩展性。

2.2.1系统基本功能

随着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。

信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的幕布提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。

人们对生活舒适性的追求越来越强烈，传统的幕布绝大部分是用手去开关，每天开关不仅不省力，而且还可能错过最佳光照时间，尤其是比较重而且长得幕布，在开闭时需要费很大力气才能开关，特别不方便；针对这种现象，电动幕布便由此产生。

现有的电动幕布基本上都可以利用按键控制，自动开关闭幕布，虽然省了力气，但是有些方面的设计还是不够人性化。

对此，本控制系统提出可以根据光照以及定时等开关幕布，具体有以下几大功能：

（1）手动控制状态：

此功能使自动幕布控制系统具有手动拉开、关闭和停止功能。

（2）半自动控制状态：

此功能是在要打开或者关闭幕布的时候，通过“开”或“关”按键，幕布在电机的带动下可以自动开闭。

（3）亮度自动控制：

此功能是利用设定的光照强度自动完成幕布的打开或者关闭，真正实现黑天关闭，白天打开的功能。

（4）时间自动控制：

此功能根据用户需要，设定需要开闭幕布的时间，通过输入的开启或关闭时间，控制幕布开关。

2.2.2系统总体结构设计

基于89C51的自动幕布控制系统主要结构由89C51作为该系统的控制芯片、由两个独立的自锁开关组成的按键模块，选用型号为130HZ308-450的三相反应式步进电机，运用ULN2803作为步进电机的驱动模块。

该自动幕布控制系统通过单片机输出脉冲，来控制电机的转动，通过按键来调节脉冲，从而控制步进电机的正转和反转。

3硬件分析与设计

3.1电源电路设计

单片机正常工作电压为5V，因此设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。

图3.1是为单片机提供电压的电源电路。

在这个电路中采用了三端集成稳压器LM7805，可以输出5V的直流电压以供给单片机。

图3.1电源电路图

三端集成稳压器LM7805，总共有三条引脚，分别是输入端、接地端和输出端。

用LM78\LM79系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。

其内部结构图如图3.2所示。

图3.2LM7805内部示意图

3.289C51单片机及相关电路

3.2.189C51单片机概述

单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM或EPROM）、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器。

AT89C51单片机是低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片上带有8KFlash存储器，且允许在系统改写或用编程器编程。

其主要参数有：

（1）4K字节可编程闪烁存储器　　

（2）全静态工作：

0Hz-24MHz　

（3）128*8位内部RAM　　

（4）32可编程I/O线　　

（5）两个16位定时器/计数器　　

（6）5个中断源　　

（7）低功耗的闲置和掉电模式　　

（8）片内振荡器和时钟电路图3.3单片机引脚图

3.2.2晶振电路

电路中的晶振即石英晶体震荡器。

由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。

通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。

同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。

图3.4单片机的晶振电路。

片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。

C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。

本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。

振荡周期＝

；

机器周期

；

指令周期＝

。

XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。

在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率

的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。

一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。

但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。

这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。

石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。

通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。

电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

图3.4单片机晶振电路图

3.2.3复位电路

复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。

复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从0000H单元开始执行程序。

在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。

但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位。

图3.5示的RC复位电路可以实现上述基本功能。

图3.5复位电路图

3.2.4按键电路

按键电路主要应用两个独立的自锁开关。

这样更加简便了该系统的操作难度。

使操作更加简单。

图3.6按键电路

3.2.5步进电机驱动电路

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。

步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。

正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

下图为步进电机运行原理图。

图3.7步进电机运行原理图

在步进电机控制电路中，步进控制器的作用是把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。

在实际应用中由软件代替步进控制器，其优点是使线路简化，降低成本，可靠性提高。

在幕布控制系统中选用了型号为130HZ308-450的三相反应式步进电机，其优点是力矩大，精度高，其步进角度是1.2°。

步进电机电路与单片机的连接如图3.8

图3.8步进电机电路与单片机的连接

自动幕布控制系统的驱动器可以选用大功率复合管，也可以是专门的驱动器，比如光电隔离器，采用光电隔离器一是可以抗干扰，二是起到电隔离的作用。

这样可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰，防止强功率的干扰信号影响主控部分。

另外，一旦驱动电路出现故障，也可以隔离较大的电压，不致串入单片机而使其损坏。

步进电机的驱动电路也有很多种，最为常见的是单电压驱动，双电压驱动以及细分驱动等。

ULN2803：

采用AP=DIP18,AFW=SOL18封装方式。

八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。

所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。

ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。

ULN2803主要特点：

达林顿管驱动器

包含8个NPN达林顿管

高耐压，大电流

器件编号:

ULN2803

封装类型:

AP=DIP16,AFW=SOL16

无铅/RoHS认证

输出击穿电压:

50（V）

输出电流:

500（mA）

输入电阻:

2.7k（Ω）

推荐输入电压:

5（V）

温度范围:

-40℃～+85℃

包装规格:

AFW:

Tape&Reel图3.92803引脚图

卷带AP:

Tube管装

不要超过每个驱动器的电流的限制

4程序分析与设计

系统软件设计主要有几部分组成，其中包括：

按键子程序，定时器程序，步进电机控制程序等。

本章介绍了自动幕布控制系统的主程序以及各主要部分功能程序的设计过程，程序代码详见附录。

4.1主程序设计

主程序主要完成系统初始化操作及各个子程序之间的联系任务，主程序是无限循环，主要的功能是完成单片机初始化，开关中断，对按键进行扫描，控制步进电机工作，控制定时器等。

主程序流程图如图4.1所示。

图4.1主程序流程图

主程序流程说明：

电路主要分为以下几个部分，分别是电源部分、按键部分、步进电机控制部分、单片机主控器件部分，各部分具有不同的子程序。

4.2主要子程序设计

4.2.1键盘程序设计

图4.2键盘程序设计图

通过两个独立的自锁开关控制幕布的移动，以及暂停。

应用自锁开关的常闭常开特性来实现幕布的暂停功能。

4.2.2定时器中断程序

图4.3中断程序流程图

该系统的所有子程序都是在定时器中断里执行的。

定时器中断每隔20毫秒扫描一次按键，当按键按下是执行步进电机子程序。

4.2.3步进电机程序设计

步进电机是操控幕布开闭的主要执行器件，其设计主要是按照单片机指令以及按键指令进行正转或者反转。

图4.4是步进电机程序流程图。

图4.4步进电机程序流程图

步进电机程序设计的主要任务是：

（1）判断旋转方向；

（2）按顺序传送控制脉冲；

（3）判断所要求的控制步数是否传送完毕。

对于三相单三拍的设计，其控制方式模型如下：

步

序

控制位

工作

状态

控制

模型

P.7

P.6

P.5

P.4

P.3

P.2

C相

P.1

B相

P.0

A相

1

0

0

0

0

0

0

0

1

A

01H

2

0

0

0

0

0

0

1

0

B

02H

3

0

0

0

0

0

1

0

0

C

04H

图4.5三相单三拍模型

总之，只要按一定的顺序改变P1.0～P1.2三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。

而对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。

4.2.4电路仿真图

图4.6电路仿真图

使用说明:

1打开Proteus7.6的仿真电路，双击AT89C51，在programfile下选中所要执行的HEX文件，按ok键，点击开始按钮，仿真开始运行。

2.按下图中两个开关，控制步进电机的正反转。

4.2.5元器件清单

序号

元件名称

型号

数量

1

单片机

AT89C51

1

2

驱动芯片

ULN2803

1

3

电解电容

10uf

2

4

瓷片电容

30PF

2

5

电阻

10千欧

1

6

电阻

330欧

4

7

二极管

1N4007

4

8

三端稳压块

7805

1

结束语

本次设计系统地介绍了自动幕布控制系统的硬件电路设计以及软件设计。

在总体方案设计中用步进电机作为信号输出的执行元件，89C51单片机作为主要的控制元器件，并且应用了按键控制电路。

应用89C51单片机的优势减少了硬件的复杂性，单片机经过处理后，控制步进电机做出相应的动作，以控制幕布的移动。

在实现一般应用的基础上，又添加了暂停，使幕布的自动化性能得到进一步提升。

步进电机的结构简单，控制方便的优点使幕布的控制更加稳定。

本次毕业设计的整个研究与设计过程包括选题、设计以及完善等。

首先，在选题方面查阅了很多与题目有关的资料和课题并且制定设计方案，进行设计的总体规划，然后将这些方案落实到设计环节中。

其次，在制定的方案基础上运用所学的知识对硬件以及软件进行设计，并用相关软件进行仿真设计。

最后，对设计内容进一步修缮，以求达到最佳设计结果。

虽然设计内容完成了基本的功能