随动系统设计Word文档格式.docx
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第二章系统方案选择与论证4
2.1系统需求4
2.2系统总体方案4
2.2.1基于单片机轴角数字转换电路的系统方案4
2.2.2基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案5
第三章硬件电路设计与实现8
3.1硬件电路的总体规划8
3.2系统端口、引脚分配8
3.3系统中央控制电路9
3.4中央处理电路10
3.4.1AT89C51简介⑻10
3.4.2单片机最小系统12
3.5步进电机13
3.5.1步进电机的结构13
3.5.2步进电机的工作原理14
3.5.3步进电机的分类[5]15
3.5.4步进电机的运动16
3.5.5步进电机的定位17
3.6步进电机控制与驱动设计18
3.6.1L297简介⑹18
3.6.2L298简介⑺20
3.6.3步进电机驱动电路连接⑹21
3.7正余弦旋转变压器22
3.7.1正余弦变压器原理22
3.7.2正余弦变压器硬件连接电路图23
3.8信号预处理电路连接[9]24
3.9A/D转换部分25
3.9.1ADC0804简介[10]25
3.9.2ADC时钟频率的产生26
3.9.3辅助参考电压的产生27
第四章软件系统设计30
4.1应用程序设计原则与方法30
4.1.1程序功能模块化的优点30
4.1.2程序模块的划分30
4.2软件设计理论依据31
4.3各模块的软件设计33
4.3.1初始化模块33
4.3.2主程序模块34
4.3.3单片机控制A/D采样模块34
4.3.4方向控制模块35
4.3.5角度控制模块36
第五章结束语38
致谢39
参考文献40
附录1:
系统电路图41
附录2:
源程序清单43
第一章绪论
1.1引言
单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成到复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。
单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上计算机以及鼠标等计算机配件中都配有1-2部单片机。
而个人计算机中也会有为数不
少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC（PersonalCompute，个人计算机）机和其它计算的综合，甚至比人类的数量还要多。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC（IntegratedCircuit，
集成电路）卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
位置随动系统又称伺服系统，主要用于解决位置跟随的控制问题，其根本任务就是通过执行机构实现被控量（输出位置）对给定量（指令位置）的及时和准确跟踪，并要具有足够的控制精度。
位置伺服系统应用很广，例如数控机床中的两个轴（y轴和z轴）
的驱动；
机器人的关节驱动；
x-y记录仪中笔的平面位置控制；
摄、录像机的磁鼓驱动系统；
至于低速控制或对瞬时转速有要求时，也必须采用位置伺服控制，显然，步进电动机适合应用位置控制。
而基于单片机的应用系统，具有体积小、重量轻、性价比高以及可靠性较高等优点，把可以编程控制的单片机应用于CCD随动系统，使其具有较大程度的可改变性，从而可以更好的控制系统的随动性能、降低开发难度和生产成本。
1.2基于单片机控制的CCD随动系统研制的目的和意义
随着随动控制系统的应用日渐广泛，人们对系统的要求也越来越高，如安全性、轻巧性以及性价比等。
而通过单片机开发的随动系统，恰好能够满足现实的需要，而且用单片机开发出来的随动系统也具有高稳定性和可以通过编程以进行控制和升级等特性。
其研制的目的和意义：
1、降低随动系统的开发成本和开发难度。
随动系统的开发可以全部在微机上操作，并且可以通过实时的仿真系统来测试系统的正误以及其性能，从而可以提早发现问题并且对所遇到的问题来进行解决，可以
省去很多实物仿真的必要性，但当系统调试完毕之后，将还要在实物的基础上进行一定时期的验证，才能最后用于实际的应用。
单片机系统已经集成到了一小片硅片上，而且在其外部用到的外围器件大多数也是集成芯片，随着这些集成芯片的广泛普及，其性价比势必也会越来越高，因此该系统将具备较低的开发成本优势。
2、通过应用单片机系统，进一步提高随动系统的稳定性以及可维护性。
该系统应用集成芯片和高稳定性元器件，只有很少一部分是独立原件，而对于集成芯片的诊断和维护也较独立元器件要高出很多，更换也比较简单，因此使该系统具有咼稳定性、易诊断、易维护等方面的优势。
3、控制逻辑通过C程序实现，更易于以后系统的升级和维护，也使具备在不同芯片中和系统中可移植性。
系统的控制程序全部采用C语言进行编写，由于C语言具有高效率以及接近汇编，具有更小的体积，这些对于那些只具备较小的存储空间的智能系统来说，控制程序占
据更小的内存以及存储空间，追求更高的执行效率是一个很重要，也很受关注的方面。
而通过应用C语言，使其能够达到上述要求。
而且C语言具有可移植性，在该系统上编写的程序，可以在另外的系统中，女口Linux中进行再开发，利于将来产品的升级。
4、通过提高随动系统的性能，从而提高车辆的安全性，使其更加人性化。
车辆在行进中，各个设备，尤其是战车的瞄准仪、测距仪以及其它仪器都需要与方向盘的方向保持良好的一致性，使他们与方向盘仪器保持随动，从而才能更好的提高其在战场环境下的生存能力以及战斗能力。
而在高档车辆的照明系统中，也要求大灯和方向盘保持随动，使驾驶员能够看清前进的方向，提高其安全系数，使其更舒适化、人性化。
1.3本课题的研究内容
本文介绍的设计方案是用AT89C51控制的CCD（ChargeCoupledDevice电荷耦合器件）随动系统。
为了提高车辆（比如装甲战车、坦克、工程车和轿车等）的适时
性和安全性，拟在车辆上装备CCD,要求CCD的方位与驾驶员手中的方向盘保持随动，而CCD安装在由步进电机带动的旋转台上，方向盘上安装测角组件（旋转变压器），车辆驾驶过程中，随着方向盘的旋转，旋转变压器发送相应的角度信号传入AD转换模
块，AD把旋转变压器传入的模拟信号转换为数字信号后，再送到AT89C51，由
AT89C51处理接收到的旋转变压器的信号，发出步进脉冲及方向电平，再让步进电机驱动器来控制步进电机转动方向和转动角度，从而使车辆行进的方向与观察视角保持一致。
在该方案中，要求系统的采样误差不得超过1%,单片机控制步进电机的最小控制精度不得低于2度。
全文开始讲述整个系统的规划设计，以便使整个控制系统的设计有一个较好的参考标准；
接着分析对系统的要求，绘制系统的方框图；
进而简要介绍所用器件的原理和特点，决定选用的器件类型以及计算必要元器件的参数，再确定选用的各个芯片型号以及元器件型号；
在此基础上，再进行硬件系统的整合，同时给出系统的完整硬件连接电路图。
在完成系统的硬件电路设计之后，阐述软件设计理论，再分模块来进行软件部分的组织，包括各个模块的流程图以及必要的控制程序介绍。
接着是该方案的验证与测试，以使其能够应用到实际中。
最后是参考文献和附录。
附录中给出了该系统的完整源程序以及完整的硬件电路图，其中源程序中包括了对程序逻辑和实现功能简要说明的必要的注释。
第二章系统方案选择与论证
2.1系统需求
本文设计的是基于单片机的CCD随动系统，也即要使随动器件与设备跟随方向信号而保持同步运动。
总体的需求就是要实现把测角组件所输出的信号经过预先处理以及AD转换，处理后的数字信号再送到中央处理器中进行处理（角度计算，方向计算），
通过计算，把特定数目以及特定顺序的系列脉冲信号送到的步进电机驱动芯片，再由
步进电机驱动芯片来驱动步进电机运动。
其中的中央处理器可以对AD转换进行控制，使其在系统停止作业时，不进行AD转换，以节省电源和减少功率消耗，节省成本；
AD也可以采用自由转换模式，单片机只需随时读取和处理即可。
同时也能对步进电机驱动芯片进行控制，实现精度控制以及方向控制等。
总体的目的就是要设计一套系统，使其具有良好的随动性、低成本性以及较高的控制精度，并能够广泛应用于各种系统中，具有较好的拓展性和再开发性。
2.2系统总体方案
在充分理解前一节对系统的基本要求以及说明后，我们设计了能够实现其所有功能要求的两套系统方案。
2.2.1基于单片机轴角数字转换电路的系统方案
基于单片机轴角数字转换电路的系统方案方框图如图2.1所示。
在本方案中，我们在轴角数字转换电路部分采用分立元件，由旋转变压器送出的信号，先经过由分立组件构成的信号预处理电路，处理后的模拟信号送入AD转换芯片，转换成数字信号
之后，再送入单片机进行进一步的处理。
旋转变压器的输出信号预先经过处理的目的是进行大信号的缩小，以及对旋转变压器上的多极信号进行预处理后，合并为一路差
值信号，便于计算和处理。
经过单片机处理的信号，由单片机的数据口P0输出，先送入集成的步进电机驱动芯片，进行功率放大后，再送入步进电机，使其跟随旋转变压器的方向信号进行转动。
控制信号
图2.1基于单片机轴角数字转换电路的系统方案方框图
在基于单片机组成轴角数字转换电路的系统方案中，由自整角机发送来的信号必须经过正余弦变压器转换为含有轴角信息的正余弦角度信号。
正余弦变压器可以用电磁式实现，也可以用运算放大电路组成的高精度电子式正余弦变压器实现。
由于电磁式变压器采用的磁性材料，具有非线性，导致其精度不可能做得很高，因此，目前多采用电子式正余弦变压器。
电子式正余弦变压器的两路输出为⑴：
公式（2.1）
公式（2.2）
Vs二KE°
SintSin，
VC=KE0SintCosr
式中：
E0为正弦、余弦绕组输入电压的最大值；
•’为输出信号的载波频率，即激励电压的角频率；
二为转动的机械角度；
K为比例系数。
正余弦变压器输出的信号是以模拟信号表示的机械轴角二，在数字随动系统中,需将机械轴角二转换成数字角：
。
公式（2.3）
公式（2.4）
生=EoSiwtSn二
VCE0SintCos
v-arctgVs
Vc
信号Vs、Vc在峰值区间进行同步采样和保持，经AD转换器后变成与电压成正比的数字量，依据公式（2.4）进行反正切运算，即可解算出数字角…
单片机主要完成数据采集、数字角解算、象限判别和输出数字角等功能。
由本方案可以看出，传统的转换电路需要由预处理、取模、象限判决等诸多数字逻辑电路组成相比，基于单片机的轴角数字转换电路具有电路简单、可靠性高等优点而与基于轴角数字转换模块和光电编码器的转换电路相比，这种电路价格非常低廉。
然而，这种电路也存在精度不很高等缺点，只能应用于一些对精度要求不是太高的场合。
2.2.2基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案
随着现代电子技术的发展，人们对轴角数字转换电路的规范化、模块化、对其要求也越来越高，于是出现了小型固态厚膜或薄膜混合的集成轴角数字转换模块
SDC/RDC（SignalDataConverter，信号数据转换器；
ReliabilityDataControl，可靠性数据控制）。
但是，这种模块体积庞大，略显笨拙。
美国ADI公司又将它发展成一系列单片集成电路，即AD2S8X系列。
AD2S8X系列是将先进的CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）逻辑电路
与高精度、双极性线性电路相结合，以BiCMOSII工艺制作的跟踪式单片集成电路。
用户可根据需要选择相应的模块类型。
目前我国自主研制的轴角数字转换模块以中船重工集团的ZSZ/XSZ系列为代表，性能基本与国外产品相当。
以下以AD2S82A
为例介绍基于轴角数字转换模块的轴角数字转换电路之系统方案原理。
图2.2是基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案方框图。
图2.2基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案方框图
[2]
AD2S82A内部主要由高速数字式正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调器、积分器、VCO（VoltageControlledOscillator，压控振荡器）和可逆计数器等组成。
其输入的正余弦信号也可分别用公式（2.1）和公式（2.2）来表示，其中二为待转换的轴角。
假定可逆计数器现时的代码值是「•，高速数位式正余弦乘法器将Vs乘以Cos、：
，Vc乘以Sin：
两信号再经误差放大器相减后得到：
K£
SintSinCos-KESintCosSin二K&
SintSi屮一）公式（2.5）经相敏解调器、积分器、压控振荡器和可逆计数器形成一个死循环回路系统使
Sin（二-町趋近于零。
当这一过程完成时，可逆计数器的代码值就相当于轴角二。
在该电路中，由粗精两套旋转变压器将轴角信号转换成为交流电信号，然后分别
经两套SDC/RDC模块将交流信号转换成数字信号，再通过数据处理模块进行精粗组合、数据纠错等，最后将数据送到单片机，经单片机处理后，由单片机的数据口PX
（单片机的任意一个数据口）输出，其输出先送入集成的步进电机驱动芯片，进行功
率放大后，驱动步进电机跟随旋转变压器的信号变化而进行随动。
与单信道相比，双信道电路增加了成本，但是，由于其静态误差仅为单信道的1/n（n为速比），其转换
精度大大提高。
因此，双信道的轴角数字转换电路性价比较高，广泛用于航空、航天、航海等各种控制系统中，尤其是在工作环境较恶劣的情况下。
综合两套方案，我们可以看出：
基于单片机轴角数字转换电路的系统方案中，电路结构也简单，容易实现，而且也易于进行控制，有着明显的成本优势，但是精度不是很高。
而在基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案中，电路结构比较
复杂，较易实现，外围独立器件用得比较少，大量应用了集成芯片，精度比较高。
在这里，我们通过综合系统的实际需求以及两套方案的特点和性能，我们选择第
一套方案作为本文的整个系统方案，并来实现整个系统。
第三章硬件电路设计与实现
在前一章，我们已经对系统的需求进行了认真的分析，而且根据其要求，选择了两套整体设计方案，而且通过各个方案的介绍，了解到各自的优缺点后，再根据系统的实际需求，从中选定了一种可行的整体设计方案。
本章的任务就是在选定整个系统设计方案的基础上，分别对硬件部分进行设计主要分为两个步骤，第一部分：
系统硬件各部分原理说明，第二部分：
相应的外部电路设计与连接以及系统各硬件部分电路图的绘制。
3.1硬件电路的总体规划
在上一章中，我们采用的是如下的系统硬件结构:
图3.1硬件电路系统方框图
由于该系统要求采样误差不得高于1%,所以，我们选用的AD芯片，其采样输出至少要在8位以上，在此，我们就采用8位的AD转换芯片ADC0804。
而又要求步进精度不得低于2度，所以我们采用双极性两相步进电机和相应的驱动电路。
3.2系统端口、引脚分配
根据硬件电路的规划，
（1）外接晶振连接XTAL1和XTAL2,复位电路连接到RST端。
（2）旋转变压器米用正余弦旋转变压器，其两对输出端（Z1、Z2为一对，Z3、Z4为一对）分别接到两个运算放大电路。
（3）经运算放大器处理后，两个运算放大器的输出端AD0和AD1分别送入到ADC0804的VIN+端，以便ADC0804对信号进行模数转换，然后再送入到单片机。
一个ADC0804的八根数据线DB0-DB7连接到89C51单片机的P1.0-P1.7,/WR连接到/INTR，使ADC0804以自由转换模式工作；
而另一个ADC0804的DB0-DB7连接到89C51单片机的P2.0-P2.7,/WR也连接到/INTR，同样使ADC0804以自由转换模式工作。
两个ADC0804的CLKIN和CLKR均到外部电路，其中该电路的
时钟脉冲信号是通过ADC自身电路外接元器件产生的。
在CPU上总共需占用16个数据口。
（3）步进电机驱动采用L297加L298形式，经过处理后的时钟脉冲由P0.3俞出，送到L297的Clock,因为P0口是地址和数据复用端口，所以为了使任何时候P0口输出的数据信号均有效，必须外接上拉电阻，采用10K的电阻连接电源即可；
另外，为了对步进电机驱动进行控制，L297的ResetENABLE、Full以及CW分别连接到CPU的P3.4-P3.0o总共占用单片机的5个数据端口。
（4）采用二相四拍的步进电机，需要一个步进电机，需要4根驱动信号，分别连接在L298的输出口的0UT1-0UT4。
根据上面的信号线的分析，总共需要21根信号引线。
但是，由于89C51总共40引脚，除去电源、复位、晶振、ALE、PSEN等，有33根可以利用的信号线。
完全可以
再不进行口扩展的情况下进行本方案的设计与实现。
3.3系统中央控制电路
通过以上分析，我们可以画出该系统的基本控制电路图，由于系统的工作需要最
基本的单片机最小系统的支持，所以图中包括了单片机最小系统以及其他电气连接。
整个中央控制电路硬件电路图如图3.2所示。
16
L29/Reset15
L297en
14
13
12
L297Full
11
L297CW
10
AD2DB0
28
AD2DB1
27
AD2DB2
26
AD2DB3
25
AD2DB4
24
AD2DB5
23
AD2DB6
22
AD2DB7
21
17
RSTEA/VPP
PSEN
XTAL2I
ALE/PROG
XTAL1i
P3.7/RD-
P1.7
P3.6/WR-
P1.6
P3.5/T1
P1.5
P3.4/T0
P1.4
P3.3/INT1
P1.3
P3.2/INT0
P1.2
P3.1/TXD
P1.1
P3.0/RXD
P1.0
P2.7/A15
P0.7/AD7
P2.6/A14
P0.6/AD6
P2.5/A13
P0.5/AD5
P2.4/A12
P0.4/AD4
P2.3/A11
P0.3/AD3
P2.2/A10
P0.2/AD2
P2.1/A9
P0.1/AD1
P2.0/A8
P0.0/AD0
AT89C51
29
耳一30
CPUReset
31
VCC
18
升级会员 