畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于自由擺的平板控制系統(tǒng)

1、蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于自由擺的平板控制系統(tǒng)，控制電機(jī)能使平板可以隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)(3-5周)，擺桿擺一個(gè)周期，平板旋轉(zhuǎn)一周。在平板上擺放一枚和八枚硬幣，一枚硬幣時(shí)用手堆動(dòng)擺桿至一個(gè)角度(30度到45度)，八枚硬幣時(shí)，用手堆動(dòng)擺桿至一個(gè)角度(45度到60度)，啟動(dòng)系統(tǒng)后，讓自由擺自由的擺動(dòng)，在五個(gè)周期內(nèi)，不讓平板上的硬幣掉下來(lái)。 本設(shè)計(jì)是基于AT89C52單片機(jī)為主控芯片，將角度傳感器與自由擺頂端相連，利用角度和電阻值的線性關(guān)系，采用單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換角度傳感器兩端電壓的變化，并在LCD液晶屏上顯示轉(zhuǎn)換后的角度值，通過單片機(jī)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，

2、實(shí)現(xiàn)電機(jī)隨著擺桿的擺動(dòng)而正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)的功能，應(yīng)用單片機(jī)對(duì)采集到的電壓進(jìn)行PID控制算法，再通過改變PWM的占空比達(dá)到精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，從而使平板隨著擺桿的擺動(dòng)一直與水平面保持平行?；谧杂蓴[的平板控制系統(tǒng)能夠使放在平板上的小物件在擺動(dòng)的過程中不會(huì)掉下來(lái)。關(guān)鍵詞：AT89C52；AD轉(zhuǎn)換；步進(jìn)電機(jī)；LCD屏- -AbstractThe design requirements and design a tablet based on free pendulum control system can control the motor plate can swing with the pend

3、ulum rotates (3-5 weeks), the pendulum swing a cycle, tablet revolution. Placed on the plate and an eight coins, a coin pile hand when moving to a pendulum angle (30 degrees to 45 degrees), eight coins, hand heap to a moving pendulum angle (45 degrees to 60 degrees), start the system, let freedom pe

4、ndulum swinging freely in the five periods, not to fall flat on the coin.This design is based on AT89C52 microcontroller as the master chip, the angle sensor is connected to the top of the free pendulum, the use of angle and the linear relationship between the resistance value, the use of single-chi

5、p AD converter converts the voltage across the sensor angle changes, and on the LCD screen displayed angle value after conversion by the motor driver chip microcontroller controls the drive motor, the motor with the swing of the pendulum and stopped reversing function, application microcontroller co

6、llected voltage PID control algorithm, and then by changing the PWM duty cycle to achieve the purpose of precise control of motor speed, so that the plate with the pendulum has been swinging parallel to the horizontal plane. Tablet based on free pendulum control system enables small objects on the p

7、late in the swing process will not fall off.Key Words: AT89C52, ADStepper motor, LCD screen- III -目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景與意義11.2 課題的內(nèi)容與要求12 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)32.1 結(jié)構(gòu)框圖32.2 系統(tǒng)模塊選擇設(shè)計(jì)32.2.1 控制器模塊32.2.2 角度轉(zhuǎn)換模塊42.2.3 電機(jī)模塊42.2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊42.2.5 顯示模塊43 理論分析與計(jì)算53.1 自由擺平板系統(tǒng)模型建立53.2 自由擺旋轉(zhuǎn)角度與電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系建模與分析63.3 發(fā)揮部分建模與設(shè)計(jì)

8、64 電路與程序設(shè)計(jì)84.1 電路設(shè)計(jì)84.1.1 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)模塊84.1.2 角度檢測(cè)模塊84.1.3 顯示器模塊94.1.4 系統(tǒng)電路94.2 程序設(shè)計(jì)104.2.1 Keil軟件介紹104.2.2 程序設(shè)計(jì)流程圖105 Protues仿真測(cè)試及分析125.1 Protues軟件介紹125.2 Protues仿真測(cè)試電路135.3 測(cè)試數(shù)據(jù)135.4 測(cè)試分析14結(jié) 論15致 謝16參考文獻(xiàn)17蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論1.1 課題背景與意義 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，常用英文字母的縮寫MCU，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一

9、個(gè)芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由僅有CPU的專用處理器芯片發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的8080是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，當(dāng)時(shí)的單片機(jī)都是4位或8位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。盡管2000年以后ARM已經(jīng)發(fā)展出了32位的主

10、頻超過300M的高端單片機(jī)，直到現(xiàn)在基于8051的單片機(jī)還在廣泛的使用。在很多方面單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多處理器，隨著單片機(jī)家族的發(fā)展壯大，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。 現(xiàn)代人類生活中所幾乎所有每件電子器件的產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電子產(chǎn)品中都含有單片機(jī)。汽車上一般配備幾十種片單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上能使數(shù)百片單片機(jī)同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不但遠(yuǎn)超過PC機(jī)和其他計(jì)算機(jī)的總和，甚至比地球總?cè)藬?shù)還多。 基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于熟悉單片機(jī)原理和掌握C語(yǔ)言

11、編程，增強(qiáng)動(dòng)手能力。1.2 課題的內(nèi)容與要求 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)自由擺上的平板系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。擺桿的一端通過轉(zhuǎn)軸固定在一支架上，另一端固定安裝一臺(tái)電機(jī)，平板固在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上；當(dāng)擺桿如圖1.2所示擺動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)。用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度(在45度到60度間)，調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣，啟動(dòng)后放開擺桿讓其自由擺動(dòng)。在擺桿擺動(dòng)過程中，要求控制平板狀態(tài)使硬幣在擺桿運(yùn)動(dòng)中不從平板上滑落，并保持疊放狀態(tài)。并且在平板上固定一激光筆，光斑照射在距擺桿150cm距離處垂直放置的靶子上。擺桿垂直靜止且平板處于水平時(shí)，調(diào)節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標(biāo)識(shí)此線為中

12、心線。系統(tǒng)啟動(dòng)后，在15秒鐘內(nèi)控制平板盡量使激光筆照射在中心線上。 圖1.1 自由擺結(jié)構(gòu) 圖1.2 自由擺擺動(dòng)示意圖2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本課題要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)自由擺上的平板控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)在自由擺擺動(dòng)過程中平板自由旋轉(zhuǎn)，以及在自由擺擺動(dòng)過程中平擺上放置硬幣使硬幣不滑落。發(fā)揮部分要求實(shí)現(xiàn)用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度(在30度到60度間)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)應(yīng)在15秒鐘內(nèi)控制平板盡量使平板上的激光筆照射在設(shè)定的中心線上1。2.1 結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)利用AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換自由擺擺動(dòng)角度并用數(shù)碼管顯示，利用單片機(jī)接收信號(hào)并控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)。主要由角度轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，顯示模塊，控制模塊。系統(tǒng)結(jié)

13、構(gòu)框圖如圖2.1所示。 圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 系統(tǒng)模塊選擇設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)以AT89C52作為控制核心，用四相八拍的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)，采用TLC549AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換自由擺擺動(dòng)角度，并利用LCD1602數(shù)碼管顯示角度，采用達(dá)林頓ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。下面分別介紹這幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。2.2.1 控制器模塊 采用ATMEL公司的AT89C52控制芯片。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容

14、標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，8kB可反復(fù)擦寫(大于1000次)Flash ROM，32個(gè)雙向I/O口，256x8bit內(nèi)部RAM，3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷，時(shí)鐘頻率0到24MHz，具有低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。2.2.2 角度轉(zhuǎn)換模塊 采用TI公司的TLC549AD轉(zhuǎn)換器2。TLC549是TI公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它以8位開關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于17us，最大轉(zhuǎn)換速率為4MHZ，4MHZ典型內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，電源為3V至6V?？捎糜谳^小信號(hào)的采集，它能方便地采用三線串行接口

15、方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價(jià)的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)3。2.2.3 電機(jī)模塊 采用四相八拍的步進(jìn)電機(jī)控制平板的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。四相八拍步進(jìn)電機(jī)最小步進(jìn)角為0.9度，因此能實(shí)現(xiàn)平板轉(zhuǎn)動(dòng)的精確控制，步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性4，改變脈沖的順序，就可以改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，電機(jī)的停止、轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)和頻率，并且步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特性從而能較好的實(shí)現(xiàn)平板停止轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。2.2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊采用達(dá)林頓ULN2003。ULN2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅NPN 復(fù)合晶體管組成，具有電流增益高、工作電壓高，

16、灌電流可達(dá)500mA，能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行，還具有帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)5。ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。2.2.5 顯示模塊采用LCD1602顯示。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來(lái)顯示符號(hào)、字母、數(shù)字等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，

17、LCD1602能顯示16*2，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。3 理論分析與計(jì)算3.1 自由擺平板系統(tǒng)模型建立 (1) 自由擺運(yùn)動(dòng)模型，系統(tǒng)是由輕桿和步進(jìn)電機(jī)等組成，相較于步進(jìn)電機(jī)輕桿重心可以近似為在平板附近，擺沿半徑為l的弧長(zhǎng)自由擺動(dòng)。示意圖如圖3.1所示。圖3.1 自由擺模型示意圖 在最低位置時(shí)平板將達(dá)到最大速度，因此在不計(jì)空氣阻力及固定點(diǎn)摩擦力的情況下利用能量守恒定律有：由此可以得出最大速度： 自由擺周期計(jì)算 根據(jù)單擺的周期計(jì)算公式：得單擺周期T=1.986ms。(2) 使硬幣不滑落的模型分析根據(jù)單擺的物理規(guī)律平板隨自由擺擺臂運(yùn)動(dòng)的加速度方向始終垂直與擺臂，當(dāng)擺

18、角30度到45度之間時(shí)，經(jīng)過推算，硬幣會(huì)受到平板沿平板方向上微弱的分力作用，但是考慮到兩者之間的摩擦力作用，靜摩擦力要遠(yuǎn)大于沿平板方向分力作用，是不會(huì)使硬幣發(fā)生位移。因此只要保持平板與擺臂的垂直就能保證硬幣不會(huì)滑落。 自由臂開始運(yùn)動(dòng)時(shí)平板保持水平位置，要保證硬幣不從平板上滑落需要平板盡快保持與自由臂垂直，因此在放開擺時(shí)則需要讓平板盡快達(dá)到與自由臂垂直位置。3.2 自由擺旋轉(zhuǎn)角度與電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系建模與分析由自由擺系統(tǒng)原理可知，控制平板狀態(tài)要保持平衡，即擺桿擺動(dòng)多少角度，平板就需要轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角。平板平衡示意圖如圖3.2所示。圖3.2 自由擺旋轉(zhuǎn)角與平板傾角關(guān)系 3.3 發(fā)揮部分建模與設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制的

19、發(fā)揮部分要求是激光筆在擺桿自由擺動(dòng)的過程中，照射在靶子上的光斑始終位于靶子的中心線上。已知擺長(zhǎng)l=100cm，BC=150cm。自由擺逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為了使激光筆照射到中心線上，步進(jìn)電機(jī)需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度如圖3.3所示。 圖3.3 自由擺逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度示意圖 通過分析擺桿擺動(dòng)的角度和平板相對(duì)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，建立數(shù)學(xué)方程式6，經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算可得步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度： 若自由擺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為了使激光筆照射到中心線上，步進(jìn)電機(jī)需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度如圖3.4所示。圖3.4 自由擺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度示意圖 經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算可得自由擺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度： 4 電路與程序設(shè)計(jì)4.1 電路設(shè)計(jì)4.1.1 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)模

20、塊本模塊采用達(dá)林頓ULN2003驅(qū)動(dòng)四相六線步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止由AT89C52單片機(jī)所給達(dá)林頓ULN2003驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)頻率和脈沖數(shù)，電路設(shè)計(jì)如圖4.1所示。圖4.1 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電路截圖4.1.2 角度檢測(cè)模塊本模塊采用滑動(dòng)變阻器代替實(shí)物角度變化量。通過改變滑動(dòng)變阻器電阻值來(lái)模擬角度變化，并采用TLC549AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換7。角度檢測(cè)電路連接如圖4.2所示。圖4.2 角度檢測(cè)電路截圖4.1.3 顯示器模塊本模塊采用1602LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示自由擺角度變化，其電路如圖4.3所示所示。 圖4.3 顯示模塊電路截圖4.1.4 系統(tǒng)電路 本系統(tǒng)采用TLC549AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換單擺擺

21、動(dòng)角度并用LCD1602顯示角度，利用單片機(jī)接收信號(hào)并控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖4.4所示。圖4.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路截圖4.2 程序設(shè)計(jì)4.2.1 Keil軟件介紹Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果使用

22、C語(yǔ)言編程，那么Keil幾乎就是不二之選，即使不使用C語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)事半功倍。Keil優(yōu)點(diǎn)Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常的高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由

23、C51及C51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中8。4.2.2 程序設(shè)計(jì)流程圖(1) 程序功能描述本系統(tǒng)控制程序主要功能是：利用角度和電阻值兩端電壓的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，自由擺擺動(dòng)使角度變化，采集滑動(dòng)變阻器兩端電壓的變化，通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)采集的電壓變化數(shù)字量，再由程序計(jì)算得到角度變化的數(shù)字量，然后根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)

24、角度換算成步進(jìn)電機(jī)所需要步數(shù)，單片機(jī)進(jìn)行算法控制，再通過改變PWM的脈沖數(shù)，達(dá)到精確控制電機(jī)同軸的平板轉(zhuǎn)過的角度。(2) 程序設(shè)計(jì)思路由于單片機(jī)采集到的是電壓的模擬量，而自由擺旋轉(zhuǎn)的角度和電阻兩端的電壓成線性關(guān)系。因此，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再根據(jù)電壓量與角度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出該給步進(jìn)電機(jī)多少脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。 由此，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4.5所示9。圖4.5 程序設(shè)計(jì)流程圖 5 Protues仿真測(cè)試及分析5.1 Protues軟件介紹 Protues軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單

25、片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。2010年增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其

26、他系列處理器模型。 在編譯方面，它也支持IAR、Keil ，Protues可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用。除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Protues還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在Protues搭建好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件：HEX文件，可以在Protue

27、s的原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過程。Protues是單片機(jī)課堂教學(xué)的先進(jìn)助手。Protues不僅可將許多單片機(jī)實(shí)例功能形象化，也可將許多單片機(jī)實(shí)例運(yùn)行過程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的效果，后者則是實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件高度對(duì)應(yīng)。這在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測(cè)、電路修改、軟件調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果等。課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于Protues提供了實(shí)驗(yàn)室無(wú)法相比的大量的元器件庫(kù)，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表

28、，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái)。隨著科技的發(fā)展“計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計(jì)部門重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點(diǎn)?？墒乖O(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。在單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用中Protues也能茯得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。5.2 Protues仿真測(cè)試電路本系統(tǒng)仿真測(cè)試電路如圖5.1所示。圖5.1 系統(tǒng)仿真測(cè)試電路截圖5.3 測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如表5.1表述。表5.1 測(cè)試結(jié)果次數(shù)12345678顯示器角度604530200-20-45-60電機(jī)轉(zhuǎn)過角度-57.8-42-21-15.8015.847.263誤差2.2394.204.22.73

29、 從表5.1可以得出電機(jī)轉(zhuǎn)過角度與設(shè)計(jì)要求存在一定偏差，具體分析詳見下文。5.4 測(cè)試分析 (1) 自由擺轉(zhuǎn)動(dòng)由角位移采集數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器計(jì)算控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程需要消耗一定的時(shí)間。在這一定的時(shí)間之內(nèi)自由擺又轉(zhuǎn)動(dòng)了一定的角度。因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)總是晚于自由擺當(dāng)時(shí)的角度產(chǎn)生誤差。 (2) 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)非無(wú)極轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度較小時(shí)無(wú)法剛好轉(zhuǎn)動(dòng)需要的角度產(chǎn)生誤差。 結(jié) 論此次基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以單片機(jī)為控制核心，采用TLC549A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換自由擺旋轉(zhuǎn)角度及方向信息，并通過步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制平板旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)控制要求。在一個(gè)周期里，平板角度調(diào)整速度快，平板旋轉(zhuǎn)角度誤差基本在15度以下，能夠?qū)崿F(xiàn)硬幣滑動(dòng)無(wú)跌落。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本上能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在測(cè)試和分析過程中可以得到以下結(jié)論： (1) 采用高性能步進(jìn)電機(jī)及配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該步進(jìn)電機(jī)最小步進(jìn)角為1.8度，且可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行四細(xì)分、八細(xì)分、十六細(xì)分可調(diào)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的微小精確控制。此外，該步進(jìn)電機(jī)具有較短的響應(yīng)時(shí)間，經(jīng)理論計(jì)算可完全滿足平板保持動(dòng)態(tài)水平的實(shí)時(shí)性要求。 (2) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)3周，平板可以隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)3周，擺桿擺一個(gè)周期，平板旋轉(zhuǎn)一周，偏差絕對(duì)值不大于15度。 (3) 自由擺擺動(dòng)時(shí)(在30度到45度間)，平板中心的一枚1元硬幣（人民