基于单片机的太阳能采光系统控制器设计

精心整理编号 XXXXXXX 毕业论文 2012 届本科题 目： 基于单片机的太阳能 采光系统限制器设计 学 院： XXXXXXX学院 专 业： XXXXXXXXX 作者姓名： XX 指导教师： XX 职称： XX 完成日期： 2012 年 6 月 7 日二 一二 年 六 月本科生毕业论文设计开题报告论文题目基于单片机的太阳能采光系统限制器设计选题的依据： 1本选题的理论、实际意义太阳能采光系统限制器的硬件系统以微处理器为核心, 以它来限制微电机的转动, 驱动机械装置实现采光；为了准确定位太阳方位，每隔10分钟以角度传感器测出转动误差,经A/D 转换后送微处理器以实现闭环、反响限制； 微处理器通过PC获得设置参数及上传信息；实时时钟供应限制器所需的时间信息, 并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理器。微处理器采纳ATMEL公司的高性能,低电压的8位CMOS处理器AT89C51为核心,片内有4k的Flash,128字节的RAM；32个可编程的I/O口；具2种省电的休眠模式,特殊是在掉电模式下,芯片功耗很小,符合本系统低功耗的要求。采纳RS-232接口与上位PC机进展串行通信,从而实现对相关数据的存储、分析和处理，用MAX232S实现RS-232的电平转换。电动机驱动局部由驱动器和电动机两局部组成，用AT89C51来限制步进电动机的转动, 驱动机械装置实现采光。系统的实时时钟采纳了PHILIPS公司的低功耗实时时钟芯片PCF8563。该芯片采纳IIC通信协议，特殊是其具有定时中断功能, 将芯片的中断输出脚与AT89C51的外部中断引脚相连,可用来将微处理器从掉电模式下唤醒, 这对整个系统实现低功耗是必不行少的。反响限制模块此模块由微型电动机、角度传感器、A/D转换器组成。微型电动机转动带动采光装置,以跟踪太阳方位为准确限制电动机的转动角度；用角度传感器采样,经A/D 转换后组成反响回路,以调整电动机转动位置。A/D转换器拟采纳低通滤波器逐次靠近ADC0809，角度传感器拟采纳四块光电池组成测试系统。太阳能采光系统限制器局部,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,限制器依据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作,而且在阴天、自然光照不志向的状况也能实现最大限度的采光。太阳能利用技术在探究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足开展，成为世界快速、稳定开展的新兴产业之一。美国的“光伏建筑打算”、欧洲的“百万屋顶光伏打算”、以及我国已开展的“光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材开发的应用热潮。论文的主要内容、根本要求及其主要的探究方法：1） 主要内容： 自然光照明相对人工照明有很大的优势,因而太阳能采光系统限制器的探究具有必须的现实意义。本设计及太阳能采光系统限制器的设计,太阳能采光系统限制器的主要功能是，阳光透过外罩射到反射镜上，镜面将阳光反射到室内，限制器中的微处理器依据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动，以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作，而且在阴天、自然光照不志向的状况也能实现最大程度的采光。反射镜上附有角度传感器，为了准确定位太阳方位，以角度传感器测出转动误差，经A/D转换后送微处理器以限制电机驱动使反射镜转动。该系统主要由微处理器、反响限制模块电机驱动，角度传感器，A/D转换器、电源模块和实时时钟组成。2） 根本要求: 该系统限制器的硬件系统以微处理器为核心, 以它来限制微电机的转动, 驱动机械装置实现采光；为了准确定位太阳方位,每隔10分钟，以角度传感器测出转动误差,经A/D 转换后送微处理器以实现闭环、反响限制； 微处理器通过PC获得设置参数及上传信息; 实时时钟供应限制器所需的时间信息, 并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理。 3主要探究方法:采纳RS-232接口与上位PC机进展串行通信,从而实现对相关数据的存储、分析和处理，用MAX232S实现RS-232的电平转换。电动机驱动局部由驱动器和电动机两局部组成，用AT89C51来限制步进电动机的转动, 驱动机械装置实现采光。论文进度支配和采纳的主要措施：1、2011年10月26日-2011年11月20日：收集查阅资料，了解设计内容、要求、熟识设计题目，打算报告。2、2011年11月21日-2011年12月20日：依据设计要求与资料的归纳整理，撰写开题报告。3、2011年12月21日-2012年3月10日：设计出主电路与限制电路，完成初稿。5、2012年3月11日-2012年4月30日：修改初稿，完成仿真与分析。6、2012年5月1日-2012年年5月15日：完成毕业设计，对细微环节进展修改。7、2012年5月16日-2012年5月25日：最终修改定稿。8、2012年5月26日-2012年6月5日：打算辩论。主要措施：通过自己多方面的查阅资料和同学教师分析探讨，在教师的指导下完成主要参考资料和文献：1 郑守深.于洁 太阳能电源. 河南人民出版社，20042 沙占友. 集成化智能传感器原理与应用M. 北京：电子工业出版社，20043 沙占友. 智能传感器系统设计与应用M. 北京：电子工业出版社，20054 单成祥.传感器的理论与设计根底及其应用M. 北京：国防工业出版社， 19995 冯英. 传感器电路原理与应用M. 成都：电子科技大学出版社，第一版，19976 黄继昌.传感器工作原理及应用实例M. 北京：人民邮电出版社，第一版，19987 白英彩. 微型计算机常用芯片手册M. 上海：上海科技出版社，20008 陈进,李俊,太阳能光伏发电系统. 2006.029 彭为. 单片机典型系统设计实例精讲. 北京：电子工业出版社，2006.510 三恒星科技. MCS-51单片机原理与应用实例. 北京:电子工业出版社，2008.111 谢宜仁. 单片机管用技术问答M. 北京：人民邮电出版社，200512 刘必虎. 中小规模集成电路的原理与应用M. 上海：上海科技出版社，200013 张萌. 单片机应用系统开发综合实例M. 北京：清华大学出版社，2007.7指导教师看法：签 名： 年 月 日教研室看法负责人签名：年 月 日学 院 意 见负责人签名：年 月 日目 录摘要ABSTRACT第一章绪论11.1前言11.2设计任务11.3设计要求11.4设计参数21.5理论依据21.6方案设计2其次章 硬件设计42.1. AT89C5142.1.1 AT89C51的主要性能42.1.2 AT89C51引脚介绍42.1.3 AT89C51的极限参数6时钟电路62.2 A/D转换电路72.2.1 A/D转换电路器件选型72.2.2 A/D转换电路图112.3 实时时钟电路122.3.1 实时时钟器件选型122.3.2 PCF8563与单片机的连接132.4串行输出RS-232电路142.4.1 通信速度和通信距离142.4.2 抗干扰实力142.4.3 器件选型152.4.4 采纳MAX232接口的串行通信电路162.5步进电动机驱动电路172.5.1 步进电动机的工作原理172.5.2 步进电动机选型192.5.3 步进电动机驱动器的选型212.5.4 步进电动机驱动电路232.6位移传感器电路232.6.1 光电池的选型23放大器选型24传感器电路图262.7电源电路262.7.1 电源电路元器件及设备的选型262.7.2 电源电路图28第三章 软件设计293.1 软件设计分析及软件构造293.2程序流程图293.2.1 主程序流程图293.2.2 A/D转换子程序303.2.3 串行通信子程序流程图313.2.4 步进电动机驱动子程序流程图323.2.5 实时时钟子程序流程图32第四章 设计总结34参考文献35致谢36附录37程序清单37外文原文42中文译文49摘要本设计分八局部，以AT89C51为核心，以及 A/D转换电路、实时时钟电路、串行输出RS-232电路、步进电动机驱动电路、位移传感器电路、电源电路、软件及程序设计。太阳能采光系统限制器局部,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,限制器依据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作,而且在阴天、自然光照不志向的状况也能实现最大限度的采光。关键词：AT89C51，时钟电路，芯片擦除，A/D转换电路，步进电动机。 Abstract This design points eight part, USES AT89C51 as the core, and A/D conversion circuit, real time clock circuit, serial output RS-232 circuit, stepping motor drive circuit, displacement sensor circuit, the power supply circuit, software and program design. Solar lighting system controller part, sunlight through the cover shot the reflector, mirror reflect the sun to indoor, according to the sun moves controller sends a signal to drive the motor of the mechanical transmission device that mirror turning to the maximum reflected sunlight to the interior. Not only in sunny, cloudy when the normal work, and in the cloudy day, natural light and not the ideal situation also can realize the maximum daylighting.Keywords: AT89C51;clock circuit;chip erased; A/D conversion circuit; stepping motor.精心整理第一章 绪论1.1前言太阳能是各种可再生能源中最重要的根本能源，生物质能、风能、太阳能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，那么是指太阳能的干脆转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进展发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进展光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费运用，又无需运输，对环境无任何污染。20世纪50年头，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔试验室研制出6的管用型单晶硅电池；二是1955年以色列Tabor提出选择性汲取外表概念和理论并研制胜利选择性太阳汲取涂层。这两项技术的突破，为太阳能利用进入现代开展时期奠定了技术根底。90年头以来联合国召开了一系列有各国领导人参与的顶峰会议，探讨和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制订可持续开展战略的重要内容。自“六五”打算以来，我国政府始终把探究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关打算，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的开展。 20多年来，太阳能利用技术在探究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足开展，成为世界快速、稳定开展的新兴产业之一。 1.2设计任务本设计为太阳能采光系统限制器局部,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,限制器依据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作,而且在阴天、自然光照不志向的状况也能实现最大限度的采光。1.3设计要求1限制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来限制微电动机的转动,驱动机械装置实现采光；2为了准确定位太阳方位,以角度传感器测出转动误差,经A/D转换后送微处理器以实现闭环、反响限制；3微处理器通过PC获得设置参数及上传信息；4实时时钟供应限制器所需的时间信息；1.4设计参数1各参数要求为: 转动角度：0+120； 误差不大于0.2； 电动机扭矩：4Nm； 电动机功率：200W；2上传信息发送周期=1次/1小时；1.5理论依据太阳能采光系统限制器的硬件系统以微处理器为核心, 以它来限制微电动机的转动, 驱动机械装置实现采光；为了准确定位太阳方位，每隔10分钟以角度传感器测出转动误差,经A/D 转换后送微处理器以实现闭环、反响限制； 微处理器通过PC获得设置参数及上传信息；实时时钟供应限制器所需的时间信息, 并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理器。 图1.1 太阳能采光系统限制器组成框图该系统主要由微处理器、反响限制模块电动机驱动，角度传感器，A/D转换器、电源和实时时钟组成。如上图1.1所示。1.6方案设计微处理器采纳ATMEL公司的高性能,低电压的8位CMOS处理器AT89C51为核心,片内有4k的Flash,128字节的RAM；32个可编程的I/O口；具2种省电的休眠模式,特殊是在掉电模式下,芯片功耗很小,符合本系统低功耗的要求。采纳RS-232接口与上位PC机进展串行通信,从而实现对相关数据的存储、分析和处理，用MAX232S实现RS-232的电平转换。电动机驱动局部由驱动器和电动机两局部组成，用AT89C51来限制步进电动机的转动, 驱动机械装置实现采光。图1.2 电动机驱动模块微处理器的主要功能1计算功能：计算每天日出与日落的时间,每特别钟计算太阳所在的角度，计算电动机转动的角度；2通信功能：通过串口(RS232)与PC进展通信；3限制功能：读取及写入实时时钟的时间,读取各个通道的A/D转换值,限制电动机转动,进展相关功能处理。系统的实时时钟采纳了PHILIPS公司的低功耗实时时钟芯片PCF8563。该芯片采纳IIC通信协议，特殊是其具有定时中断功能, 将芯片的中断输出脚与AT89C51的外部中断引脚相连,可用来将微处理器从掉电模式下唤醒, 这对整个系统实现低功耗是必不行少的。反响限制模块此模块由微型电动机、角度传感器、A/D转换器组成。微型电动机转动带动采光装置,以跟踪太阳方位为准确限制电动机的转动角度；用角度传感器采样,经A/D 转换后组成反响回路,以调整电动机转动位置。A/D转换器拟采纳低通滤波器逐次靠近ADC0809，角度传感器拟采纳四块光电池组成测试系统。其次章 硬件设计本设计分七局部，以AT89C51为核心，以及 A/D转换电路、实时时钟电路、串行输出RS-232电路、步进电动机驱动电路、位移传感器电路、电源电路。2.1 AT89C51AT89C51是一种低功耗，高性能含有4K字节快闪可编程/擦除只读存贮器的8位微限制器，运用高密度非易失性的存贮技术制造，并且与80C51指令完全兼容，芯片上的E2PROM允许在线或采纳非易失性存贮编程器对程序存贮器重复编程。2.1.1 AT89C51的主要性能1) 片内有4K字节可重复编程快闪擦写存贮器FLASHROM。从而能缩短擦除或写入数据吞吐的时间，能满意须要高速数据吞吐的场合。编程所须要的全部时序及电压场均无需外部电路供应。2) 存贮器可以重复写入1000次。3) 宽工作电压范围，电压可以由2.7V6V供应。4) 全静态工作，可由0HZ16HZ。5) 程序存贮器具有三级锁存爱护。6) 1288B位内部ROM。7) 32条可编程I/O口线。8) 两个16位定时器/计数器。9) 中断构造具有5个中断源和2个优先级。10) 可编程全双工串行通道。2.1.2 AT89C51引脚介绍VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一组8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能汲取电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路。对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必需外接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部供应上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL逻辑门电路。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入口，P1口被外部下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的原因。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL逻辑门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻把端口拉到高电平，且作为输入口。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的原因。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和限制信号。 图2.1 AT89C51 引脚图P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的原因。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 端口管脚 备选功能 P3.0 RXD串行输入口 P3.1 TXD串行输出口 P3.2 外部中断0 P3.3 外部中断1 P3.4 T0记时器0外部输入 P3.5 T1记时器1外部输入 P3.6 外部数据存储器写选通 P3.7 外部数据存储器读选通 P3口同时为闪耀编程和编程校验接收一些限制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平常间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平常，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要留意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想制止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处理器在外部执行状态ALE制止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 EA/VPP：当保持低电平常，那么在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。留意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平常，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚，读端口时事实上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。2.1.3 AT89C51的极限参数 1工作温度：-55+125 2贮存温度：-65+15 3任一引脚对地电压：-1.0V+7.0V 4最高工作电压：6.6V 5直流输出电流：15.0mA2.1.4时钟电路AT89C51片内设有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器引脚，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器与作为反响元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，如图2.2所示.。图2.2 内部振荡器 图2.3 外部振荡器外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1、C2接放大器的反响回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有特别严格的要求，但电容容量的大小会稍微影响振荡频率的凹凸、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，假如运用石英晶体，引荐电容运用30pF10pF，而如运用陶瓷谐振器建议选择40pF+10pF。当然也可以采纳外部时钟。采纳外部时钟的电路如图2.3所示。这种状况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2那么悬空。2.2 A/D转换电路2.2.1 A/D转换电路器件选型A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件，依据起转换原理，常用的A/D器件有逐次靠近式A/D和双积分A/D两类。逐次靠近式A/D器件速度快，运用便利，但价格高，抗干扰性差。双积分A/D精度高，抗干扰性好，价格低，但速度慢。介于对快速响应的要求这里选择逐次靠近式转换器ADC0809，那么相对于其匹配性选择外围芯片触发器74LS74、锁存器74LS373。1ADC0809主要性能指标及技术指标ADC0809芯片是CMOS、8位、8通道、逐次比拟型A/D转换器. 1为逐次比拟型; 2为单电源供电; 3无需外部进展0点和满度调整; 4可锁存3态输出,输出与TTL兼容; 5具有锁存限制的8路模拟开关; 6辨别率:8位; 7功耗:15mW; 8转换时间(fCLK=500kHz):128s; 9转换精度:0.4.2)ADC0809引脚分布 ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：1)IN7IN08路输入通道的模拟量输入端口。2)ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。3)START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，起先进展A/D转换；在A/D转换期间,START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.4)CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界供应，因此有时钟信号引脚。通常运用频率为500KHz的时钟信号。图2.4 ADC0809引脚图5)EOC转换完毕信号。EOC=0,正在进展转换；EOC=1,转换完毕。运用中该状态信号即可作为查询的状态标记，又可作为中断恳求信号运用。6)D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线干脆相连。D0为最低位，D7为最高。7)OE输出允许信号。用于限制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。8)Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进展比拟，作为逐次靠近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。9)VCC,GND: Vcc +5V电源,VCC为主电源输入端,GND为接地端.一般REF(+)与VCC连接在一起,REF(-)与GND连接在一起。3)ADC0809的内部逻辑图2.5 ADC0809的内部逻辑构造图图2.5多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进展转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进展锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以干脆与系统数据总线相连，ADD A,ADD B,ADD C:8路模拟开关的3位地址选通输入端,以选择对应的输入通道.其对应关系如下:C B A 选择的通道。0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7474 LS7474LS74为带预置和去除端的两组D型触发器，fmax=33MHz,P=20Mw.CLK1、CLK2为时钟输入端:D1、D2为数据输入端,Q1、Q2、为输出端,CLR1、CLR2为干脆复位端低电平有效,PR1、PR2为干脆致位端低电平有效,工作电压为+5V。 图2.6 74LS74引脚图 574 LS37374LS373功能E G D Q L H H H L H L L L L X Q L低电平； H高电平； X不定态； Q0建立稳态前Q的电平； G输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE使能端，接地。 当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q与输入端1D8D一样； 当G为下降沿时，将输入数据锁存。74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器。TPd=17ns,PD=120Mw。 图2.7 74LS373外部引脚图74LS373的输出端Q0Q7可干脆与总线相连。当三态允许限制端OE为低电平常，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平常，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存器允许端LE为高电平常,Q随数据D而变。当LE为低电平常，Q被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使沟通和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号： D0D7 数据输入端 OE 三态允许限制端低电平有效 LE 锁存器允许端 Q0Q7 输出端 VCC接+5V电源2.2.2 A/D转换电路图此模块采纳中断方式查询，模拟量经IN0IN3端口进入A/D转换器，经A/D转换器进展模/数转换，转换后数字量进展分类，溢出量进展另行处理，非溢出量存入单片机RAM中，再经单片机计算，转为限制步进电动机所需脉冲。如图2.8 A/D转换电路模。图2.8 A/D转换电路模块2.3 实时时钟电路 实时时钟器件选型本设计中，实时时钟起到记录时间的作用，依据性价比及通用性等指标，选择低功耗的实时时钟芯片PCF8563。PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，PCF8563 的多种报警功能定时器功能时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种困难的定时效劳，甚至可为单片机供应看门狗功能内部时钟电路内部振荡电路，内部低电压检测电路1.0V 以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电及其简洁而且也增加了芯片的牢靠性同时每次读写数据后内嵌的字地址存放器会自动生增量。1特性宽电压范围1.05.5V ,复位电压标准值Vlow=0.9V超低功耗典型值为0.25 A, VDD=3.0V,Tamb=25可编程时钟输出频率为32.768KHz, 1024Hz ,32Hz, 1Hz四种报警功能和定时器功能内含复位电路振荡器电容和掉电检测电路开漏中断输出400kHz I2C 总线(VDD=1.85.5V) 其从地址读0A3H;写0A2H2PCF8563 的根本原理PCF8563 有16 个位存放器：一个可自动增量的地址存放器，一个内置32.768KHz 的振荡器，带有一个内部集成的电容，一个分频器用于给实时时钟RTC 供应源时钟，一个可编程时钟输出一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHz I2C 总线接口。本设计主要用到PCF8563的定时器功能，8位的倒计数器由定时器限制存放器限制，定时器限制存放器用于设定定时器的频率，以及设定定时器有效或无效，定时器从软件设置的8位二进制数倒计数，每次到计数完毕，定时器设置标记位TF，定时器标记位TF只可以用软件去除，TF用于产生一个中断，每个到计数周期产生一个脉冲作为中断信号。T1/TP限制中断产生的条件，当读定时器时，返回当前到计数的数值。同时PCF8563包含一个片内复位电路，当震荡器停顿工作时，复位电路起先工作，在复位状态下，I2C总线初始化，存放器TF、VL、TD1、TD0、TESTC、AE被置逻辑1，其它的存放器和地址指针被请0。PCF8563还内嵌一个掉电检测器，当VDD低于VLOW时，位VL被置1，用于指明可能产生不准确的时钟/日历信息，VC标记位只可以用软件清晰，当VDD慢速降低到达VLOW时，标记位VL被设置，这时可能会产生中断。2.3.2 PCF8563与单片机的连接按I2C 总线协议规约PCF8563有唯一的器件地址0A2H ，如图2.9所示为PCF8563 和单片机的连接图。初始化完成后此芯片起先工作，计数器起先计时，当一个小时到时，启动报警功能，将这段时间内信息写入输出缓存器中，外部中断翻开，将信息经端口SAD上传到单片机中。该电路有一个备用电源，它的作用是在系统掉电的状况下，它仍能接着保持时钟的工作，等电来之后不用再调整时钟，这样保持了时间的连续性。而两个电容的作用那么是为了滤波和退藕。由于芯片内部有一个电容须要接一个外部电容。 图2.9 PCF6563与单片机的连接图2.4串行输出RS-232电路在单片机应用系统中，数据通信主要采纳异步串行通信方式。在设计通信接口时，必需依据须要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采纳标准接口后，能够便利地把单片机、外设、测量仪器等有机的连接起来，从而构成一个测控系统。异步串行通信常用的标准借口有三类：RS-232CRS-232A，RS232B、RS-422和RS-485。 通信速度和通信距离通常的标准串行接口的电气特性，都有满意牢靠传输时的最大通信速度和传输距离指标。但这两个指标之间具有相关性，适当地降低通信速度，可以提高通信距离，反之亦然。例如：采纳RS-232C标准进展单向数据传输时，最高数据传输速率为19.2kb/s,最大传送距离为15m。改用RS-422标准时，最大传输速率可达10Mb/s,最大传送距离为300m，适当降低数据传输速率，传送距离可到达1200m 抗干扰实力通常选择的标准接口，在保证不超过其运用范围时都有必须的抗干扰实力，以保证牢靠的信号传输。但在一些工业测控系统中，通信环境往往特别恶劣，因此在通信介质选择、接口标准选择时要充分留意其抗干扰实力，并采纳必要的抗干扰措施。例如在长距离传输时，运用RS-422标准，能有效地抑制共模信号干扰。在高噪声污染环境中，通过运用光纤介质削减噪声干扰，通过光电隔离提高通信系统的平安性都是一些行之有效的方法。RS-232C是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机、计算机与外设之间的数据通信。RS-232C串行接口总线适用于设备之间的通信距离不大于15m，传输速率最高为19.2kb/s的场合。RS-232C属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制的共模干扰等问题，因此一般用于短距离通信。本系统是PC机与外设的连接，须要其与单片机之间通信。在PC机系统内部都装有异步通信适配器，利用它可以实现异步串行通信。该适配器的核心元件是可编程的Intel250芯片，它使PC机有实力与其他具有标准的RS-232C接口的计算机或设备进展通信。而AT89C51本身具有一个全双工的串行接口，因此只要配以电平转换的驱动电路、隔离电路就可以组成一个简洁可行的通信接口。PC机与单片机最简洁的连接是零调制三线经济型，这是进展全双工通信所必需的最少线路。由于AT89C51单片机的输入、输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS-232C标准串行接口，二者电气标准不一样，因此要完成PC机与单片机的数据通信，必需进展电平转换。 器件选型依据通信速度和通信距离及抗干扰实力本设计选用串行接口芯片MAX232实现AT89C51单片机和PC机的RS-232C接口通信电路。MAX232是一种双组驱动器/承受器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时供应EIA/TIA-232-E电平。每个承受器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。这些承受器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以承受30V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。MAC232的工作温度范围为0至70，MAX232工作范围为-40至85。 特点： 单5V电源工作 LinBiCMOSTM工艺技术 两个驱动器及两个承受器 30V输入电平 低电源电流：典型值是8mA 符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU引荐标准V2.8 可与MAXim公司的MAX232交换 ESD爱护大于MIL-STD-883标准的2000V 采纳MAX232接口的串行通信电路 图2.10 MAX232串行通信电路此通信中单片机通过中断方式承受PC机 发送的数据，并将所需信息发送到PC机。单片机串行接口工作在方式1，定时器1按方式2工作，定时器预置初值为0FDH，SMOD=1波特率为9600b/s。单片机P3.0口即串行输入口通过T2IN口承受数据，当检测到输入口引脚由1到0的跳变时起先承受过程，并复位内部16分频计数器，以实现同步。单片机P3.1口即串行输出口通过R2OUT口发送数据，CPU执行任何一条以SBUF为目标存放器的指令就启动发送。先把起始位输出到TXD，然后把移位存放器的输出位送到TXD。接着发出第一个移位脉冲，使数据右移一位，并从左端补入0。此后数据将逐位由TXD端发送，而其左面不断补入0。当发送完数据位时，置位中断标记位TI。2.5步进电动机驱动电路步进电动机驱动器与步进电动机的选型主要依据设计任务中对参数的要求: 转动角度：0+120；误差不大于0.2； 电动机扭矩：4Nm； 电动机功率：200W； 步进电动机的工作原理步进电动机是纯粹的数字限制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲，步进电动机就转一个角度，因此特别适合单片机限制。在非超载的状况下，电动机的转速、停顿的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变更的影响，电动机那么转过一个步距角，同时步进电动机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电动机具有限制和机械构造简洁的优点。1步进电动机特点：1)步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。2)由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简洁、廉价，叉特别牢靠。同时，它也可以与角度反响环节组成高性能的闭环数控系统。3)步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。4)速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转矩，因此一般可以不用减速器而干脆驱动负载。5)步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能干脆运用沟通电源和直流电源。6)步进电动机存在振荡和失步现象，必需对限制系统和机械负载采纳相应措施。2步进电动机的工作方式：步进电动机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1.8四相混合式步进电动机为例，在整步方式下，步进电动机每接收一个脉冲，旋转1.8，旋转一周，那么须要2OO个脉冲。在半步方式下，步进电动机每接收一个脉冲，旋转0.9，旋转一周，那么须要4OO个脉冲。限制步进电动机旋转必需按必须时序对步进电动机引线输入脉冲。 3步进电动机动态指标：1)步距角精度：步进电动机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2)失步：电动机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3)失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电动机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采纳细分驱动是不能解决的。4)最大空载起动频率：电动机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的状况下，能够干脆起动的最大频率。5)最大空载的运行频率：电动机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电动机不带负载的最高转速频率。6)运行矩频特性：电动机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电动机诸多动态曲线中最重要的，也是电动机选择的根本依据。其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电动机一旦选定，电动机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电动机的动态力矩取决于电动机运行时的平均电流而非静态电流，平均电流越大，电动机输出力矩越大，即电动机的频率特性越硬。7)电动机的共振点：步进电动机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电动机的共振区一般在180-250pps之间步距角1.8度或在400pps左右步距角为0.9度，电动机驱动电压越高，电动机电流越大，负载越轻，电动机体积越小，那么共振区向上偏移，反之亦然，为使电动机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8)电动机正反转限制：当电动机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。 步进电动机选型步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。即当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度及步进角。可以通过限制脉冲个数来限制角位移量，从而到达准确定位的目的； 同时也可以通过限制脉冲频率来限制电动机转动的速度和加速度，从而到达调速的目的。 选择步进电动机时，首先要保证步进电动机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电动机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电动机的矩频特性能满意机械负载并有必须的余量保证其运行牢靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必需在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电动机，负载力矩大。 选择步进电动机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以变更丝杆的导程，二是可以通过步进电动机的细分驱动来完成。但细分只能变更其辨别率，不变更其精度。精度是由电动机的固有特性所确定。 选择功率步进电动机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电动机的惯性频率特性相匹配还有必须的余量，使之最高速连续工作频率能满意机床快速移动的须要。 步进电动机分三种：永磁式PM、反响式VR和混合式HB。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或1.5度；反响式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，在欧美等兴旺国家80年头已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反响式的优点，它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度，山洋步进电动机均为这种步进电动机。 步进电动机精度为步进角的3-5%,只有周期性的误差，且不累积。 步进电动机的外表温度:步进电动机温度过高首先会使电动机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步，因此电动机外表允许的最高温度应取决于不同电动机磁性材料的退磁点。 步进电动机的力矩会随转速的提升而下降:当步进电动机转动时,电动机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电动机随频率或速度的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 步进电动机低速时可以正常运转,但假设高于必须速度就无法启动,并伴有啸叫声。 本设计系统所需步进电动机参数为 电动机扭矩：4Nm，电动机功率：200W，所以只要计算出其转速就可选择符合其指标的电动机型号。步进电动机扭矩与功率的换算公式为： P=M=2n/60M =2nM/60其中P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米。所以： n=20060/24273转/分【10】故我们选相近电动机其型号为34HS300C。34HS300C工作环境：-25C - +55C温度 10 -85%不结露湿度 无腐蚀性、易燃易爆、导电性气 体或液体、无金属粉尘绝缘电阻：500V DC 100MW Min轴向间隙：0.1 - 0.3mm径向跳动：0.02mm Max温 升：85C Max绝缘强度：B电动机尺寸数据图2.11 电动机尺寸34HS300C为两相混合式步进电动机，步距角为1.8，相电流是5.0A，驱动电压为AC40V，最大静转矩为4.0Nm,相电阻为0.75,相电感是7.0Mh,转动惯量是3.0cm2,重量为2.3,空载启动转速为252转/分。 步进电动机驱动器的选型步进电动机型号确定了相关配套驱动器型号也就确定了,这里选择MS-2H090M为其驱动器。驱动器是把计算机限制系统供应的弱电信号放大为步进电动机能够承受的强电流信号，限制系统供应应驱动器的信号主要有以下三路：步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电动机驱动器的原理就是要把限制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移，或者说,驱动器每承受一个脉冲信号CP，就驱动步进电动机旋转一步距角，CP的频率和步进电动机的转速成正比， CP的脉冲个数确定了步进电动机旋转的角度。这样限制系统通过脉冲信号CP就可以到达电动机调速和定位的目的。方向电平信号DIR：此信号确定电动机的旋转方向。比方说，此信号为高电平常电动机为顺时针旋转，此信号为低电平常电动机那么为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器承受两路脉冲信号标注为CW和CCW，当其中一路如CW有脉冲信号时，电动机正向运行，当另一路如CCW有脉冲信号时，电动机反向运行。由拨位开关的第5位确定运用何种方式。使能信号EN：此信号在不连接时默认为有效状态，这时驱动器正常工作。当此信号回路导通时，驱动器停顿工作，这时电动机处于无力矩状态,此信号为选用信号。为了使限制系统和驱动器能够正常的通信，幸免相互干扰，我们在驱动器内部采纳光耦器件对输入信号进展隔离，三路信号的内部接口电路一样，常用的连接方式为共阳方式：把CP+、DIR+和EN+接在一起作为共阳端接外部系统的+5V，脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端，使能信号接入EN-端；输入信号为开集门电路时须采纳此方式。共阴方式：把CP-、DIR-和EN-接在一起作为共阴端接外部系统的GND，脉冲信号接入CP+端，方向信号接入DIR+端，使能信号接入EN+端；差动方式：干脆连接。假如驱动器输入信号为电压信号，要求：3.6V高电平5.5V； -5.5V低电平0.3V，最常用的为TTL电平;假如驱动器输入信号为电流信号，要求：7mA高电流18mA； -18mA低电流0.2mA.不管是电压信号还是电流信号，最终转化为光耦器件的输入电流以到达信号传输的目的，假如电压信号的幅值超出以上要求的范围须在外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦供应7-18mA的驱动电流。这里我们选用电压信号为其输入信号。步进电动机的运行是由脉冲信号限制的，步进电动机在脉冲信号的有效沿到来的时刻移动一个步距角，此驱动器的有效沿是指：脉冲信号电流“由小到大”的时刻，或者说脉冲电平“由低到高”的时刻脉