课程设计报告(单片机最小系统及PCB板设计)

GUIZHOUUNIVERSITY课程设计报告设计项目名称单片机最小系统及PCB板设计专业班级电子信息科学与技术081班学生姓名郎子龙学号080712110069指导教师马光喜李良荣理学院实验时间：2011年7月12日一、课程设计目的1、加强实践教学环节，掌握单片机开发一个实际应用系统的实现技能。2、锻炼提高将所学的专业知识应用在一个实际的单片机控制应用系统设计与实现的能力。3、熟悉单片机最小系统的基本工作原理，能利用单片机进行系统开发，为毕业设计做好铺垫。4、掌握并完成基本PCB板的设计与制作工艺。二、课程设计任务1、单片机最小系统的构成设计2、单片机最小系统的开发板的软件使用3、单片机应用程序的编辑与汇编软件（Keil）的使用4、单片机应用系统软硬件设计与调试5、Protel99软件的使用学习与PCB板的设计三、课程设计具体内容1、安装开发板（安装之前请先熟悉电烙铁焊接技术）2、利用开发板完成步进电机的设计，掌握开发板的使用方法。3、用PROTEL99完成PCB板的设计四、单片机最小系统的基本原理及制作1、MCS-51基本结构123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322211234567891020191817161514131211P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0RSTP3.0/RXDP3.1/TXDXTAL2XTAL1P3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1GNDVCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1/AIN1P1.0/AIN0P3.7注：类似的还有Philips公司的87LPC64，20引脚8XC748/750/（751），24引脚8X749（752），28引脚8XC754，28引脚等等80C51/89C5189C2051MCS-51单片机是一款非常经典的单片机，极具代表性，而且资料非常丰富。2、AT89S52基本结构图中，有40个引脚的就是AT89S52单片机，这是单片机家族众多型号中的一种，这款单片机的核心是MCS-51单片机，而MCS-51单片机是一款非常经典的单片机，极具代表性，而且资料非常丰富。我们配套的电路板使用的是更为高端的STC89C52RC单片机，同样兼容MCS-51的指令集，并包含更丰富的存储器资源及片上外设资源。如AT89S52带有8KB的片内程序存储器。3、最小系统硬件结构图如上图，将LED与电阻串联，即构成最简单的LED指示电路。电阻限流，避免过强的电流损坏LED内部PN结。限流电阻的阻值可用如下公式计算。R=U-1.8/10(KΩ)。在本系统板中，设计有8位独立的LED显示电路，通过锁存器74HC573驱动，电路如下：其中JP1为LED的电源跳线，必须将其用跳线帽短路LED才能正常工作。同样的8位数码管也需经过74HC573驱动，我们使用的8位数码管是共阳的，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。附74HC573真值表：如上图，K2-K17构成了一个标准的4x4矩阵键盘，这里还有一个巧妙的设计，就是将最左一行按键的列公共端通过跳线JP7与GND或COL1连接。这样的话，当用跳线帽将JP7的2、3脚端接时，该电路形成一个完整的4x4矩阵键盘。当用跳线帽将JP7的1、2脚短路时，K2、K6、K10、K14构成一个4位独立键盘。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，在矩阵键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接相连，而是通过一个按键相连接，这样在由N条水平线和M条垂直线最多可以有N*M个按键，大大的减少了对于芯片I/O的占用。RS232（DB9）接口定义1DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5SG信号地6DSR数据准备好7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃提示接口电平RS232采用负逻辑电平：-15~-3：逻辑1；+15~+3：逻辑0；明德至善博学笃行由于单片机输出的串行信号为TTL电平，因此需加上电平转换电路才能和标准的RS232串口通信，本系统板采用的是MAX232电平转换芯片，具体原理如下图。其中C14、C15、C18、C19为泵电容，要求采用高耐压低漏电电流的优质电容，否则影响波特率。LD9、LD11为收发指示灯，当有数据流经串行口时，两灯闪烁。因为单片机通常工作于正电压，本系统采用的STC89C52RC为+5V供电，因此采用了如下电路为整个系统板提供稳定的5V电源。该电路中，电源的输入有两个方式，一是从5.5mm标准电源端口J7输入，从这个端口输出的电压范围为+8V-+10V/500mA。D3为反向保护二极管，避免因输入反极性电压造成后续芯片损坏。从外部输入的电源经过D3、7805稳压芯片后送至电源开关S1处。第二种方式是从USB-B型口输入，从PC机USB口输出的5V电源，经过自恢复保险F1以及防倒灌二极管D2后，送至电源开关S1处。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。该系统板采用的是如下电路：其中Q1为PNP型驱动三极管，为有源蜂鸣器LS1提供较大的驱动电流。R1，R3为三极管的偏流电阻。有源蜂鸣器采用共射接法，以获得较高的电源利用率。其中IC7为ULN2803八路达林顿驱动芯片，每路可提供500mA的OC驱动能力，并且在内部集成了续流二极管，极大方便了OC方式驱动各种感性负载。输出与输入反相，即输入高电平时，输出端为低电平OC。编程时需注意。操作液晶比操作数码管简单。操作液晶分为三步:1.初始化液晶（写命令）2.指定地址（写命令）3.写字符（写数据）4、开发板软件的使用本次课程设计开发发板的所需:开发环境：keiluVision3下载软件：STC_ISPUSB转串口驱动步进电机控制设计第一章绪论1.1关于步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。步进电机的相关参数：1、相数产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。目前应用最广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。2、拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.固有步距角对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。定位转矩电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的），DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。3、最大静转矩也叫保持转矩（HOLDINGTORQUE），电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。4、步距角精度步进电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。5、失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。6、失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。7、最大空载启动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。8、最大空载运行频率电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。9、运行矩频特性电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，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。1.2选题的目的和意义通过这次课程设计，掌握51单片机的原理，了解步进电机的工作原理，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本次设计与调试，调高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解步进电机控制系统中电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计各个单元电路。初步掌握步进电机控制系统的测试方法。提高动手能力和排除故障的能力。第二章元器件的介绍2.1步进电机步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入89C51单片机复位电路键盘控制电路ULN2803启动电路步进电机状态显示电路电源及时钟电路图1总体设计方框图的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。①四相步进电机的工作原理该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将