基于单片机的按摩机的控制设计.docx

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基于单片机的按摩机的控制设计

基于单片机的按摩机的控制设计

摘要

步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机，其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例。

它易于实现与计算机或其它数字元件接口，适用于数字控制系统。

通过硬件的介绍和组建、硬件原理图和软件流程图的设计、源程序的编写等，介绍一种基于单片机的步进电机运行控制系统。

该系统接收到信号后，与键盘、显示系统设置的初值比较后，转化成步进电机的步进脉冲，然后通过单片机控制器驱动步进电机旋转，以带动丝杆传动系统，进而控制进步电机运动。

通过按键，用户可以让按摩机工作在最具舒适的按摩工作方式和振动速度上；利用蜂鸣器来告警或提示按摩完成；利用发光二极管显示当前的工作状态。

关键词：

步进电机；单片机；PWM

Microcontrollerbasedmassagemachinecontroldesign

Abstract

StepofelectricmotorisonekindtransformsthepulsesignalstraightlinedisplacementorAngledisplacementthecontrolmicroelectricalmachinery,itsmachineryAngledisplacementandtherotationalspeedseparatelybecomestheproportionwiththeinputelectricalmachinerywindingpulseintegerandthepulsefrequency;Itiseasytorealizeandthecomputerorotherdigitalpartconnections,issuitabletothenumericalcontrolsystem.Throughonekindofdesignproposal,handsetsup,thehardwareschematicdiagramandthesoftwareflowchartdesign,thesourceprogramcompilationincludingthehardwareintroductionandsoon,introducesonekindbasedonthemonolithicintegratedcircuitStepofelectricmotoroperatingcontrolsystem.Afterthissystemreceivesthefluidnitrogenliquidlevelthefluidpositionsignal,afterthekeyboard,thedisplaysystemestablishmentstartingvaluecomparison,transformsStepofelectricmotorstepentersthepulse,thenactuatesthroughthemonolithicintegratedcircuitcontrollerStepofelectricmotortorevolve,leadstheleadscrewtransmissionsystem,thencontrolfluidnitrogenliquidlevelfluctuationmovement.Finally,madeuseoftheperipherals,suchasthekey,thebuzzer，theneonlampandtheLED（LightEmittingDiode）figurestube,providingtheserviceforthecustomer,andcarryoutthemassagefunctionandinteractionforboththemachineandtheperson.Thecustomercanletmassagemachineworkonthecomfortablemethodandvibrationspeedsbythekey;Makeuseofthebuzzerwarningorhintingthemassagehasfinished;Makeuseofneonlampshowsthecurrentworkappearance。

KeyWords：

Stepofelectricmotor；Monolithicintegratedcircuit；PWM

1绪论

1.1按摩机的发展

按摩机能实现快速消除疲劳以及适合于老人使用等。

并可根据实际情况，选择需要的按摩力度和按摩压力，。

系统按摩功能速度调节可以通过快慢按键实现。

按摩功能盒可以上下运行，局部以及定点进行按摩。

该按摩器控制系统中的主要硬件为AT89C51微处理器。

供电电源干电池供电。

本控制系统采用的是AT89C51单片机驱动L298的输入和输出来进行控制进步电机从而实现按摩功能。

按摩机是指通过机电、电子以及电热的技术方法产生模拟人手的各种按摩、揉捏、以及电热等刺激人体某些穴位，以消除疲劳并起到一定保健作用的电动工具。

按摩机主要有两部分组成：

背部按摩区域和臀部、下肢按摩区域。

背部按摩区域的机构主要有：

系统控制电路板、电动机、丝杆及其润滑装置、s型滑动槽、机械手等。

同时根据人体结构又将背部整个区域划分为颈部、中部、腰部以及尾椎四个按摩区间。

以大规模集成电路为主的微型计算机――单片微型计算机（Singlechipmicrocomputer），简称单片机，又称嵌入式微控制器（Embeddedmicrocontroller）。

单片机具有优异的性能价格比，集成度高、体积小、可靠性高，控制功能强和低电压、低功耗等特点，在工业控制、智能化仪器仪表、智能接口、家用电器、儿童玩具、健身器材等许多领域都得到了广泛的应用。

随着社会的发展和进步，随着电子信息技术的飞跃，单片机开发与应用技术已经显得越来越重要，成为了一门重要的电子电气技术学科，同时亦成为了新产品研发设计的关键技术

现代社会发展越来越快，人们生活节奏也快，随之而来工作压力也越来越大。

人们渴望休闲，渴望健康。

于是当前人们对健康非常关注和重视，而按摩对人体健康有特殊促进功效。

按摩机就是在这一背景下产生。

为了满足人们的需要和市场的需求，按摩机控制系统开发技术应运而生。

本毕业设计采用单片机开发与应用技术而设计一种简易的按摩机控制系统，以实现基本按摩功能。

本按摩机传动控制电路可实现市面上各类型按摩机的基本功能，并且结构简单，成本低廉，体积不大，可满足人体腰部，足部以及颈部的按摩需要。

1.2按摩机的结构

本按摩机利用AT98C51单片机完成系统总体控制功能，并利用按键、L12864液晶显动芯片L298等外围设备为用户提供服务，实现人机交互，实现其按摩功能；通过按键，用户可以让按摩机工作在最具舒适的按摩工作方式和振动速度上；利L12864液晶屏显示电机当前的转速快慢正反转等。

本按摩机由步进电机的转动形成振动，而单片机可以通过控制振动的方式和时间来按用户的需要进行按摩，其具体按摩描述如下：

1.可以有10档速度进行按摩，按摩机选用调速性能较好的进步电机，利用按键s3和s4对进步电机进行调速，共设10档速度。

按键s3可以实现对步进电机加速；按键s4可以实现对步进电机加速。

2.用户可根据个人喜好利用按键调节速度档次以及按摩方式。

按摩机提供了4个按键：

两个调速按键，分别完成降档调速，升档调速；一个启停转换按键；一个正反转按键。

3.通过液晶显示当前按摩状态及速度变化情况。

4.通过蜂鸣器提示超时运转。

5.当按摩机正常运转后，发光二极管一直点亮。

2控制器的核心AT89C51及步进电机

AT89C51是一种高性能的8位单片机。

片内带有一个4KB的Flash可编程,可擦除只读存储器（EPROM），它采用了COMS工艺和公司ATMEL的高密度非易失性存储器（NURAM）技术,而且其输出引脚和指令系统都与MSC－51兼容。

片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或常规的非易失性存储器编程器来编程。

因此AT89C51是一种功能强,灵活性高,且价格合理的单片机,可方便地应用在各种控制领域。

2.1AT89C51的主要性能

●4KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除）.

●全静态工作:

0Hz～24MHz.

●3级程序存储器保密.

●128×8字节内部RAM.

●32条可编程I/O线.

●2个16位定时器/计数器.

●6个中断源.

●可编程串行通道.

●片内时钟振荡器.

另外,AT89C51是用静态逻辑来设计的,其工作频率可下降到0Hz,并提供两种可用软件来选择的省电方式—空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）.在空闲方式中,CPU停止工作,而RAM,定时器/计数器,串行口和中断系统继续工作.在掉电方式中,片内振荡器停止工作,由于时钟被“冻结”,使一切功能都暂停,故只保存片内RAM中的内容,直到下一次硬件复位为止。

2.2AT89C51引脚功能说明

图2—1是AT89C51的引脚结构图,有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式,下面分别叙述这些引脚的功能.

（1）.主电源引脚

①VCC电源端.

②GND:

接地端.

（2）.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

①XTAL1：

接外部晶体的一个引脚.在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

②XTAL2：

接外部晶体的另一个引脚。

在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端.，采用外部振荡器时,此引脚应悬浮不连接。

③单片机外接电路

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～12MHz之间选取。

C1、C2是反馈电容，其值在5pF～30pF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。

这样就确定了单片机的4个周期分别是：

振荡周期＝1/12

；机器周期（SM）＝

；

图2.1AT89C51模块

XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。

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。

即用来连接AT89C51片内OSC的定时反馈回路。

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AT89C51单片机内的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的目的。

单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。

MCS-51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。

例如：

若MCS-51单片机时钟频率为12MHz。

上电瞬间，RST端的电位与VCC相同，随着电容的逐步充电，RST端的电位逐渐下降，此时ζ=22×10-6×1×103=22ms.当按下键时，RST端出现5×1000／1200≈4.2V，使单片机复位。

（3）.控制或与其它电源复用引脚RST,ALE/PROG,PSEN和EA/Vpp.

①RST：

复位输入端.当振荡器运行时,在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

②ALE/PROG：

当访问外部存储器时,ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节.即访问外部存储器,ALE仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。

因此,它可用作对外输出的时钟,或用于定时目的。

然而要注意的是:

每当访问外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。

如果需要的话,通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数,可禁止ALE操作。

该位置数后,只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间,ALE才会被激活.另外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,该设定禁止ALE位无效。

③PSEN：

程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。

当AT89C51由外部程序存储器取指令（或常数）时,每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲）.但在此期间内,每当访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。

④EA/VPP外部访问允许端,要使CPU只访问外部存储器（地址为0000H—FFFFH）,则EA端外部必须保持低电平（接到GND端）然而要注意的是：

如果保密被编程,复位时在内部会锁存EA端的状态。

当EA端保持高电平（接VCC端）时,CPU则执行内部程序存储器中的程序。

在Flash存储器编程期间,该引脚也用于施加12V的编程允许电源VPP（如果选用12V编程）。

（4）.输入/输出引脚P0.0—P0.7,P1.0—P1.7,P2.0—P2.7,P3.0—P3.7

①P0端口（P0.0—P0.7）：

P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口.作为输出端口用时,每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入,对端口写1时,又可作为高阻抗输入端用。

在访问外部程序和数据存储器时,它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线,在访问期间激活了内部的上拉电阻。

在Flash编程时,P0端口接受指令字节;而在校验程序时,则输出指令字节.验证时,要求外接上拉电阻。

②P1端口（P1.0—P1.7）：

P1是一个带有内部上拉电阻的8位I/O端口。

P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入.对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口,P1口作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号低的引脚会输出一个电流（IIL）。

③P2端口（P2.0—P2.7）:

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口.P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入.对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口.P2作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时,P2送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据寄存器（如执行MOV@RI指令）时,P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区P2寄存器的内容）在整个访问期间不会改变。

P3端口（P3.0—P3.7）:

P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口.P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。

P3作输入口使用时,因为内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。

2.3步进电机介绍

步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

随着工业技术的不断进步，在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术及所有要求高精度定位等高新技术领域，步进电机的得到了广泛的应用。

步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移的执行机构。

若在其输入加入有规律的脉冲信号,就能驱动步进电机按设定的方向移动一定的距离或转动一个角度（称为“步距角”）。

从结构上步进电机分为单相、双相、三相、四相、五相、六相等多种。

本次设计使用步进电机分为A、B、C、D四相绕组，每相通电一次称为一拍。

四相步进电机根据不同的通电规律可分为几种工作模式：

四相单四拍：

A-B-C-D；

四相双四拍：

AB-BC-CD-DA；

四相单八拍：

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA；

四相双八拍：

AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB。

步进电机的正反转与电机每相的通电顺序有关，可以改变相序来改变电机的正反转。

步进电机每步所旋转角度的大小，称为步距角（βB）。

它是由电机本身转子的齿数（ZR）。

一个通电循环内通电节拍数（MQ）决定的。

即βB=360/ZRMQ。

电机出厂的步距角是固定的。

四相步进电机的步距角为0.90/1.80（表示半步工作时为0.90，整步工作时为1.80）。

步进电机转速的高低与控制脉冲频率有关。

改变控制脉冲频率，可改变电机转速。

步进电机特点

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2．步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电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，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

3系统基本实现方案

3.1系统框图

根据设计要求，步进电机控制电路可以分为控制模块、显示模块、键盘模块、电机驱动模块、步进电机部分。

步进电机控制电路基本模块方框图如图所示。

设计系统框架时，除了考虑实现按摩功能外，系统的可操作性和安全性也是至关重要的。

为了方便用户使用，给他们舒适的感受，按摩机必须设计良好的用户操作按键以及必要的显示系统；并充分完善供电电源的设计。

按摩机的主要功能模块可划分为6部分。

图3.1系统框图

1.按键输入与L12864液晶显示部分。

该模块负责响应按摩机4个按键输入信号，并利用L12864液晶显示当前工作状态。

其中，L12864液晶显示启停、正转、反转、加速减速。

2.电源部分。

该模块实现单片机系统从交流中整流出稳定的5V供电电压。

3.电机部分。

步进电机与L298连接实现稳定的运转。

4.驱动模块。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

5.蜂鸣器提示输出部分。

该模块完成按摩机的告警提示，在一般工作情况下，蜂鸣器都将发声告警（例如电机运行超时）。

6发光二极管指示部分。

氖灯只在按摩机工作时发光，否则熄灭。

3.2硬件电路图

单片机系统设计技术是系统框架实现的具体执行步骤，系统设计框架虽然构建了系统的整体功能模块划分，但是硬件实现和软件实现还得通过具体的技术方案才能达到。

采用的技术方案的好与坏直接影响系统的可操作性和安全性，以及后续设计工作的展开和进行。

因此单片机系统设计技术方案同样重要。

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：

一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。

二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器等，还要设计合适的接口电路。

系统的扩展和配置应遵循以下原则：

①.尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。

为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

②.系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

③.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：

软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。

但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。

④.系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

⑤.可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

⑥.单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。

驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

⑦.要求尽量朝着“单片”方向设计硬件系统。

系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。

图3.2硬件电路图

3.3系统单片机扩展

确定了单片机后，需要对单片机相应管脚的功能进行定义并设计其外部电路的功能。

首先我们要预先分析，用户使用按摩机所关心的是按键功能是否正确、以及液晶屏显示的按摩振动速度是否准确，也就是系统设计框架图中“按键输入与LCD12864液晶显示指示部分”需要完成的工作。

完成这些功能需要利用单片机I/O口，在不浪费系统资源的前提下分配单片机I/O口。

可以知道，“按键输入与LCD12864液晶指示部分”需要4（用户按键）+11（LCD12864液晶）=15个I/O管脚。

除了涉及用户使用的I/O外，设计者还必须考虑分配I/O管脚的包括：

驱动电路L298。

这个部分独立控制，需要4个单片机I/O管脚。

根据上面的分析，完成按摩机需要15+4=19个单片机I/O管脚，而AT89C51单片机提供了32个可用的I/O管脚。

工作过程：

当s1按下时，液晶显示启动，此时电机运转，同时发光二极管亮否则熄灭。

当s2按下时，液晶显示正转，此时电机正转；否则，液晶显示逆转，此时电机逆转。

当s3每按一次，液晶显示加速，步进电机加速。

当s4每按一次，液晶显示减速，步进电机减速。

当步进电机运转超时时，蜂鸣器响起来。

3.4步进电机驱动模块

步进电机的驱动电路采用常用的电动机驱动芯片L298，它能够接受标准的TTL电平控制信号，驱动电机。

L298操作时能提供的电压能达到50V，直流电流4A，具有过热保护功能，逻辑“0”的输入电压达到1.5V。

L298在控制器的控制下驱动一个步进电动机，控制器产生L298年需的控制信号，以控制步进电机的运动状态。

为了防止定子绕组的电感作用，使得电流切换时产生过电压，步进电机每相绕组两端都须并联一个用天在换相时起续流作用的肖基特二极管。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过