1、单片机课程设计报告系 部： 机电工程系机电一体化 班级组别： 机电六班 四组 组 长： 汪碧军 成 员： 柳松 李柏林 设计题目： 自动升降车库门的设计 指导教师： 龙芬 设计日期： 2012.12.172012.12.21 II摘 要车库门全自动门控装置，其特征在于设有置于车库内和车库外的主控制器以及安装在车辆内的密码标识器，主控制器由单片机、315M 无线接收器、解码器、键盘、数码管和红外对管组成，密码标识器由无线发射器和编码器。PT2262 与 PT2272 地址和数据状态一模一样，PT2262 电源端平时断开，若快到了车库门则按下按钮通电，编码器 PT2262 将地址和数据通过无线发射
2、模块发射，同时无线接收器的输出端接解码器的输入端，解码器的输出端 VT 接单片机的 P3.3，若数据完全正确则车库内的单片机启动电机开启车库门，同时红外对管感应次数计数，出车库门后门自动下降，也可以通过按钮屏蔽红外对管，实现手动放下车库门。III目 录一、设计目的1二、设计要求1三、相关知识11、PWM 基本原理12、单片机的应用及说明23、单片机的结构特点24、实现方法3四、键盘41、键盘工作原理 42、键盘工作方式4五、系统软硬件设置51、单片机最小电路52、键盘电路63、硬件电路7六、总结8附录一、系统总体电路图9附录二、程序清单101一、设计目的学会通过 51 系列单片机控制电机。二、
3、设计要求设计一自动升降车库门，当入库时，车库门打开（电机正转） ，当出库时，车库门关闭（电机反转） 。三、相关知识1、PWM 基本原理 PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM 又被称为“开关驱动装置” 。如图 8-1 所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速
4、度增加；电机断电时，速度逐渐减少，只要按一定规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速设电机始终接通电源时，电机最大转速为 Vmax，占空比为D=t1/T=t1/t1+t2，则电机的平均剫为Vd=Vmax*D式中：Vd电机的平均速度：Vmax电机全通电时的速度（最大）：D=t1/T=t1/t1+t2占空比由上式可见，当改变占空比 D=t1/T=t1/t2 时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度 Vd 与占空比 D=t1/T=t1/t1+t2并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。一般可以采用定宽调频、调宽调频、定频调宽三种方法改变占
5、空比的值，但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期，当控制脉冲的频率和系统的固有频2率接近时将会引起振荡，因此常采用定频调宽法改变占空比的值，从而改变直流电动机电枢两端电压。定频调宽法的频率一般在 8001000Hz 比较合适。2、单片机的应用及说明单片机的原名叫 Microcontroller，即微型控制器。 顾名思义，单片机有别于通用微型计算机，它是专门为控制和智能仪器设计的一种集成度很高的微型计算机。其控制功能强，有优异的性能/价格比，有很高的可靠性。因而，单片机的应用范围在不断的扩大，它已经成了生产中和人类生活中不可缺少的工具。单片机的应用体现在多个方面，如在控制过程中的应用、智能仪
6、器中的应用、在机电一体化产品中的应用、在家用电器中的应用以及在计算机网络及通信中的应用等等。本设计主要应用了单片机在控制过程中的应用。过程控制是微型机应用最多、最有效的方面之一，单片机广泛的用于过程控制。它既可以作为主机控制，也可以作为分布式控制系统的前端机，对现场的信息进行实时的测量和控制。单片机可用于开关量控制、顺序控制及逻辑控制等。如锅炉控制、电机控制、机器人控制、交通信号灯控制、造纸纸浆浓度控制、纸张定量水分及厚薄控制、雷达与导弹控制以及航天导航系统鱼雷制导系统控制等。3、单片机的结构特点本次毕业设计我用到的单片机是 MCS-51 系列单片机中的 AT89S51，下面通过与通用微机的比
7、较，来简单介绍 MCS-51 系列单片机的结构特点。就 CPU 的结构来说，通用微机的 CPU 内部有一定数量的通用或专用寄存器，而 MCS-51 系列单片机则在数据 RAM 区开辟了一个工作寄存器区。该区共有 4 组，每组 8 个寄存器，共计可提供 32 个工作寄存器，相当于通用微机 CPU 中的通用寄存器。除此之外，MCS-51 系列单片机还颇具特色的 21 个特殊功能寄存器 SFR.要理解 MCS-51 系列单片机的工作，就必须对特殊功能寄存器 SFR 的工作有清楚地了解。SFR 使具有 40 条引脚的单片机系统的功能有很大的扩展。由于这些 SFR的作用，每个通道在程序控制下，都可有第二
8、功能，从而使得有限的引脚能衍生出更多的功能。而且，利用 SFR 可完成对定时器、串行口、中断逻辑的控制，这就使得单片机可以把定时/计数器、串行口、中断逻辑等集成在一个芯片上。MCS-51 系列单片机在存储器结构上与通用微机也有不同之处，通用微机中3程序存储器和数据存储器时一个地址空间，而单片机把程序存储器和数据存储器分成两个独立的地址空间，采用不同的寻址方式，使用两个不同的地址指针，PC 指向程序存储器，DPTR 指向数据存储器。采用这种结构主要是考虑到工业控制的特点。一般工业控制系统中，需要较大的程序存储器空间和较小的随机存储器空间，不同于通用微机需要较大的数据存储器空间。MCS-51 系列
9、单片机在输入输出接口方面的特点是，通道口引线在程序的控制下都可有第二功能，可由用户系统设计者灵活选择。比如数据线和地址线 8位分时合用通道 0，而地址线高 8 位与其它信号线也可合用通道 2。由于存储器和接口都在片内，就给应用提供了方便，往往只在其引脚处增加驱动器即可简化接口设计工作，提高单片机与外设数据交换的处理速度。同时，功能变换和选择由相应的指令来控制实现，而不是靠硬件上的跳线短接等方法实现。MCS-51 系列单片机 I/O 一线多功能的特点方便了用户，但在组成应用系统时，也应根据其特点分时使用。MCS-51 系列单片机的另一个显著特点是内部有一个全双工串行口，即可同时发送和接收；有两个
10、物理上独立的接收、发送缓冲器。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。在程序的控制下，串行口工作与四种工作方式，用户可根据需要，设定为移位寄存器以扩展 I/O 口和外接同步输入输出设备，或用作异步通信口，以实现双机或多机通信，极为方便的组成分布式控制系统。最后还值得一提的是，MCS-51 系列单片机内部有一个功能相对独立的位处理（即布尔处理机） ，因而其具有较强的位处理功能。4、实现方法PWM 信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。硬件方法的实现已有很多文章介绍，这里不做阐述。本文主要介绍采用定频调宽法来利用 51 单片机产生 PWM 信号的软件实现方
11、法。51 系列典型产品 8051 具有两个定时器 t0 和 t1。通过控制定时器初值，从而可以实现从 AT89C51 的任意输出口输出不同的占空比的脉冲波形。由于PWM 信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择定时器的工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为 f，定时器/4计数器为 n 位，则定时器初值与定时时间的关系为t1=(2 n-n0)x(N/f)式中：t1定时时间；n定时器的位数；n0定时器的计数初值；N单片机一个机器周
12、期需要时钟数，8051 需要 12 个时钟；f单片机晶振频率N 随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，可以通过设置不同的定时初值 t1，从而改变占空比 D，进而达到控制电机转速的目的。根据占空比 D=t1/T=t1/t1+t2，需要用到两个定时器，一个用来控制高电平时间，另外一个控制低电平时间，但这样的话比较浪费单片机的定时器资源。为此这里介绍一种可以利用一个定时器来分别控制高电平和低电平持续的时间来调整占空比 D。四、键盘1、键盘工作原理行列式键盘电路原理如图 2-5 所示。按键设置在行列式交点上，行列线分别连接到按键开关的两端。行线通过单片机输出高电平，第一次
13、扫描时置第一条列线为低电平，判断有无键按下，有则获取键值，进行相应的键值处理，无则继续扫描，使第二列为低电平，其它均为高电平，就这样依次判断键盘中有无按键按下。键盘中哪一个键按下可由列线逐列置低电平后，检查行输入状态来判断。52、键盘工作方式键盘的工作方式：编程扫描方式、定时扫描方式、中断扫描方式三种。本设计采用的是编程扫描方式。在键盘扫描子程序中完成下述几个功能： 1) 判断键盘上有无按键按下； 2) 防止键的机械抖动影响； 3) 获取按下键的键号； 4) 按键闭合一次仅进行一次键功能操作。程序框图如图 3-6：6五、系统软硬件设计1、单片机最小系统电路 车库门自动关闭系统的设计是在单片机最
14、小系统电路上进行，在这里此模块的作用是控制输出、数据采集处理，系统设计在单片机最小系统上进行构建，可以让整个电路控制变得更加简便，后续编程设计更加方便。7C110nC210nX1CRYSTALC310u R110kSW1SW-SPST2SW-SPSTXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A92P2.2/A1023P2.3/A1 24P2.4/A1225P2.5/A
15、1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U380C51net=021PROPERTY=VALUE2、键盘电路键盘电路在此起人机操作界面作用，这里采用 4X4 矩阵键盘电路。键盘工作的方式为编程扫描方式，通过对单片机的 P1 口的低四位 P1.0-P1.3 作为进行编程输出，定时输出行扫描高电平脉冲。当键盘上有按键按下时，对应的P1.4-P1.7 列输入线就有相应的高电平输入。
16、例如，当按键 S1 按下时候，列输入端 P1.4 就能够接受到一个高电平触发信号。SW1SW-SPSTSW2SW-SPST83、硬件电路C110nC210n X1CRYSTALC310u R110kSW1SW-SPT2SW-SPTIN12OUT13 T26OUT31 T414I27IN310I415EN11E29VS8VS16GNDGNDU1L293DXTAL218XTAL119ALE3031PSN29RST9P0./AD0390.1/138P0.2/AD2370.3/336P0.4/AD4350.5/534P0.6/AD630.7/732P2.7/A1528P2.0/A8212.1/92P2
17、./A10232.3/124P2.4/A12252.5/13262.6/1427P1.011.2P1.231.34P1.451.56P1.671.78P3.0/RXD103.1/T1P3.2/INT0123./IT113P3.4/T014P3.7/RD173.6/W163.5/T115U380C51net=021PROPERTY=VALUE+8.8 M1OTR-BLDCM9六、总结这次的设计是书本上的，所以比数字钟要简单点，相关知识老师基本都讲过了，就只要我们拓展一下，但是其中也有一些困难当写好程序和画好电路图后，就要实验了，却发现电动机没有转动，检查时发现电路图接错了，因为书上的电路图器件在
18、软件中有些找不到，后来问别人才知道。改正之后，再次试验，发动机转动了，但是还有一个问题，就是停不下来，这才知道就算照着书上也不一定能成功，成功还是需要反复试验，反复检查。通过以上的设计我懂得了查资料得仔细，完全按芯片型号看资料，在遇到困难时也要有怀疑和探索的精神在整个设计过程中，我既学到了相关的知识，也锻炼了自己处理问题的能力。在我看来，解决问题的过程就是一个知识积累的过程，如果一个设计做下来都一帆风顺，那学到知识将是很少的。所以我很庆幸自己遇到了这多问题，正是有这些问题的磨练，我才能成长。10附录一、系统总体电路图FILE NAME:BY:DATE:PAGE:UNTILED.SN 2012-
19、12-0汪 碧 军 柳 松 李 柏 林B C D E F G H J KUNTILED.SNPATH: 1of1REV:04TIME:17:01:49DESIGN TILE:自 动 升 降 车 门 的 设 计C110nC210n X1CRYSTALC310u R110kSW1SW-SPT2SW-SPTIN12OUT13 26OUT31 44 I27IN310I45EN11E29VS8VS16GNDGNDU1L293D XTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/AD237.3/36P0.4/AD435.5/54P0.6/AD63.7/72P2
20、.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47P1.01.2P1.23.34P1.45.56P1.67.78 P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15U380C51net=02PROPERTY=VALUE+8.8 M1OTR-BLDCM附录二、程序清单#include #include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit en1=P10;sbit in1=P11;sb
21、it in2=P12;sbit sheng=P13;11sbit jiang=P14;sbit shengting=P15;sbit jiangting=P16;void delay(uint k)uint i,j;for(i=k;i0;i-)for(j=100;j0;j-);void key()if(sheng=0)delay(20);if(sheng=0)en1=1;in1=0;in2=1;while(shengting=1);en1=0;in1=0;in2=1;while(sheng=0);if(jiang=0)delay(20);if(jiang=0)en1=1;in1=1;in2=0;while(jiangting=1);en1=0;in1=1;in2=0;while(jiang=0);12void main()while(1)key();
