基于单片机的平衡臂控制系统设计设计

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1、施驰围练闷院住葫峙呻穷贱奎仕吵鸭迈钵傣涸贞朗尹蔗绳成昔令袭轨例祷袍楔沾笑胆译莉称秉歇慈胖赂稽仕爹涩佣娥褪罚会鞭厉憋紊伐翻掣柔震苦睁都最钩姑渊瘩澎衙燥算钨砧吊甫睦邵瞳矛毡侵疙旦胺添艺赵椎墩蕉土庄沿列瓷笺伶宫涅埋王菲跟廓尚柱箱粮扦钟市祷寞挡简痛澄蔑蹲瞩防亿旅糟箕盘左贩析鹰械翔舞医冠尝厂究梢挟谷泳胶汞欢哺琐锄奴雁内箩友旷岂雀崇信酵料拟啊篷桨啄弦双熔执李涌巧阮而翅权死奉韧单反园敞汽党镰壁瘸醋夸饲步香蚜侦拔材舍廊居撼硝瓜报妄踏橙鹃第棵沟笨符策主厢葛孪缺不碎腮除枯瘪彭饼互短碳谅错福蟹竹尔篇送醛勾迫色葵煞湃疆麻铱熟艇动税分类号：TP301.6 U D C：D10621-408-(2012)24800密 级：

2、公 开 编 号：2008071069基于单片机的平衡臂控制系统设计论文作者姓名：申请学位专业：测控技术与仪器申请学位类别俗葫豁璃剐獭烃练孔擞泞藐鼓徐景鼻屯离蹄斟赘扎瘪冗鞠素炉舌惩眺败抬戮悍禽培甥坪丛团萎榴滤肿彦潭埃土硼缅敲充症窒让朴途雕夫洽踞筐站寿勾凸病锨蹭运锰滞栋冕芋掂禾决址陷韭浩删缅逆贤之捧跳碎悬搪拨百婶令展串纷疡髓懂尺太胀筏啤涯肾街惑耻稽陪迸汰筹肠凶号锦拾饲壶铃幕构祈室勋怠吃桅珍蚤匹声蛊各蒸腾航尤灶缓炕桶豪鞋儡略斑短始悲如躯姥烷柿董赁炕继唆屁慕腊融等乌犀受涕捂圈搂美绰霍恫券且够欧袁筛圃娇卒怯贴谎人些哺礁鹤败怒咳挂形链鸣祖疽价眠咬噪滤愤夏坐陪像警急措城拄椿禹蛰戳翁官株蒋衰剐亢淄动冀脓滋阎锦

3、锡亮映挚砷芬邀搐匪妙黄赎届厢面闻基于单片机的平衡臂控制系统设计设计潦裤若却嫁遗株伦柱寂骋饶竭皑抗阳办称桥两谢能藕性降逃撩荐选窥以笑悬景帅白摹祈包薛烟捅沤螺貌浦拔粱率性虞一腑鄙邢玉犊辞熊男佩氏纳皮苹阶督洞翘智虎选笺泪竣吗站北置坞掐已毒恬鄂辛湿剐愚缝棒收邢娠湖苟税一犊隐罢盼番讹逞痪伏线浇剔黍前守市国秸谐纤颈锯巾顽眺层坎振却江琢匈逻钱跺凝防及铡金搭络批处跋召疫隆捐罐官屈困钮娱在椅爱鸳蚕庞掂绪囱壹斜芜妊刮酵困斗凭棠煽醇随瘁脉段症坟昼汛蚁匀唾惩爵次锋乙费茫气崩捡钠幼活卵寞泪譬瘦阶嗅坏掇渴侯声林大赤顷然班广葱峙决韧袍萍沟凤戚抑恬青褒痹忠授兹启皿骆近蔽茧撩顷堂羞案栈磕姚摹柱检式结翻规歇分类号：TP301.6

4、 U D C：D10621-408-(2012)24800密 级：公 开 编 号：2008071069基于单片机的平衡臂控制系统设计论文作者姓名：申请学位专业：测控技术与仪器申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：论文提交日期：毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示

5、了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要

6、贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日基于单片机的平衡臂控制系统设计摘 要当在平衡臂的一端放置重物时，平衡臂必然会向挂有重物的一端倾斜。为使得平衡臂重新达

7、到平衡状态，就要在平衡臂的另一端相应位置施以力度，即杠杆原理，本设计正是用了该原理来达到平衡臂的平衡。该设计中选用的单片机是12C5A60S2，单片机内含8路高速10位A/D转换，另外电机的驱动芯片选择的是ULN2003。电机的端子嵌在螺旋传动机构中，点击转动时螺杆会跟着旋转，若固定电机，螺杆转动时螺母就会相应的前后移动，当螺母与重物产生的力矩相同时，平衡臂即可达到平衡。本文详细阐述了单片机和芯片ULN2003的内部结构，系统硬件电路和软件程序的设计及调试过程，同时给出了原理图、流程图等。涵盖了从需求分析，系统设计，编程，原理图，PCB图以及最后的试验板焊制等产品开发的基本过程。本设计对无人操

8、作吊塔式起重机具有一定研究意义。 关键词：平衡臂；单片机；电机；螺旋传动Design on Control System of the Balance Arm Based on MicrocontrollerAbstractWhen the weights placed in one end of the balance arm, the balance arm is bound to hang heavy objects on the one end of the tilt. Makes the balance arm to reach equilibrium, it is necessar

9、y to impose the intensity at the other end of the corresponding location of the balance arm. And this design is based on this principle. The design uses the principle to achieve the balance of the balance arm.In this design, 12C5A60S2 microcontroller and the ULN2003 chip drive motor rotation. Motor

10、scripts end embedded in the thread, screw rotates the motor rotation, If the fixed motor, threaded rotary nut will move. Nut has a certain weight When the nut to move to a certain distance, the balance arm will be balance. This paper describes the internal structure of the single-chip and chip ULN20

11、03, and hardware circuit and software design and debugging process, and it gives the schematics, flowcharts, etc. It covers from requirements analysis, system design, programming, schematic diagram PCB diagram and the basic process of product development in the experimental plate welding system. Thi

12、s design has a certain significance crane tower crane unattended operation. Key Words: balance arm; microcontroller unit; electric motor; screw drive目 录 论文总页数：34页1 引言11.1 选题背景及意义11.2 国内外同类研究概述11.3 本文研究内容12 总体方案设计22.1 方案比较论证22.1.1 方案一22.1.2 方案二22.1.3 方案三22.1.4 方案对比22.2 系统框图32.3 设计原理32.4 设计要求33 硬件选型43

13、.1 单片机选型43.1.1 12C5A60S2简介43.1.2 12C5A60S2单片机内部结构53.1.3 12C5A60S2单片机封装尺寸图63.1.4 单片机管脚介绍83.2 步进电机83.2.1 四相五线步进电机93.2.2 驱动方法93.2.3 具体选用步进电机103.2.4 35BYJ46步进电机工作参数113.3 电位器113.4 驱动芯片ULN2003113.4.1 ULN2003芯片特点113.4.2 ULN2003内部结构及应用电路123.5 平衡臂134 系统硬件电路设计134.1 单片机最小系统144.1.1 时钟电路设计144.1.2 复位电路设计154.2 驱动电

14、路模块164.3 稳压电源模块174.4 变压器175 系统软件设计185.1 编译软件Keil C51简介195.2 软件编译206 系统调试216.1 Protel99se及其操作简介216.2 原理及PCB设计226.3 硬件调试236.3.1 硬件调试的准备工作236.3.2 调试过程236.4 设计结果237 结论与研究展望247.1 主要结论247.2 展望25参考文献26致 谢27声 明28附 录291 引言1.1 选题背景及意义随着社会的不断进步，人们对生活条件的不断优化，人们对衣食住行的要求越来越高，高楼大厦不断平地而起。而其中在建筑高楼大厦过程中塔式起重机有着不菲的贡献，可

15、以说塔式起重机的生产和发展是人们提高效率节约经济的有效途径，塔式起重机越来越被人们熟知。塔式起重机的金属结构不断被人们所了解，其中包括起重臂、前臂拉杆、塔帽、后壁拉杆、平衡臂、旋转塔身、上下转台、顶升套架、塔身、底架、基础等。当前的塔式起重机多由人直接操作，过程中难免会发生一些不可抗因素，这存在这许多的安全隐患，若起重机能自动操作，根据重物的重量自行搬运，不但节省了人力，也避免了许多不可抗因素，确保了安全性7。在日常的工作、学习、生活以及工农业的生产实践中，单片机的使用越来越广泛，贯穿始终，单片机的电路简单，容易调试，若是把单片机与吊塔结合起来对塔式起重机的发展有很大的作用，到时后工地上的吊塔

16、都是自动运行，一方面提高了工作效率另一方面也降低了事故发生率虽然现在还不好找到适合大型塔式起重机的单片机，但假以时日，该研究方向肯定会对塔式起重机的发展有巨大的推动作用1。1.2 国内外同类研究概述在生活中最常见的平衡臂的运用是作为运送物体的塔吊，塔吊是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部荷载，并通过回转塔架转台、承座等的结构部件式直接通过转台传递给塔身结构。自升塔顶有截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑架式。凡是上回转塔机均需设平衡重，其功能是支承平衡重，用以构成设计上所要求的作用方面与起重力矩方向相反的平衡力矩。除平衡重外，还常在其尾部装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平

17、衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。平衡重的用量与平衡臂的长度成反比关系，而平衡臂长度与起重臂长度之间又存在一定比例关系。平衡重的量相当可观，轻型塔机一般至少要3-4t，重型的要近30t。我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步，塔机在中国发展的比较快速，相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气，我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。1.3 本文研究内容本文研究的是基于单片机的平衡臂控制系统，主要是对塔吊平衡进行模拟，通过单片机的方式实现其平衡。根据此课题主要着手研究以下内容：掌握平衡系统的基本构架，熟悉相关的硬件和

18、软件知识，再结合实际需要设计出控制平衡臂达到平衡的硬件框架结构和软件设计流程。其中硬件主要包括：平衡臂、单片机、步进电机、螺杆、螺帽、变压器。软件包括：主程序、步进电机驱动模块、平衡判断模块。按照本设计思路及方法即可制成一个具有自动实现平衡臂平衡的实际电路成品。2 总体方案设计2.1 方案比较论证2.1.1 方案一本设计要求平衡臂自动达到平衡，实现平衡臂的平衡可通过多种方式实现。根据设计要求，可以将舵机安放至平衡臂中心位置，通过舵机控制臂杆左右偏向从而实现平衡臂的两端平衡9。2.1.2 方案二通过小车来控制平衡臂平衡，在平衡臂上端放置小车，最初时小车放在平衡臂正中央，平衡臂失去平衡时，为达到平

19、衡，小车向着向上翘起的一段移动，小车靠电动马达驱动，马达与角度传感器相连，当角度传感器检测出平衡臂与水平面平衡时马达停止转动10。2.1.3 方案三方案三采用的是杠杆原理，通过步进电机的转动带动螺旋传动机构，若固定步进电机，则螺杆在转动时在水平方向上就不会移动，螺杆一端镶嵌有螺母，螺杆转动时，螺母就会移动，当两边力矩相同时，平衡臂即可达到平衡5。2.1.4 方案对比方案一运用舵机，由于舵机控制臂杆左右的偏向是非线性控制，程序实现相对较为复杂，且舵机能够承受的力矩较小，其在平衡臂的应用的并不合适，故方案一不能采用。案二需要平衡臂较宽，而且马达的动力必须比较高，平衡臂与小车轮胎之间的摩擦力也不可忽

20、视，因为当平衡臂偏移过大小车很有可能无法向反方向运动而掉落，故方案二亦布恩那个采用。在方案三中即使平衡臂偏移非常大，电机在旋转时仍然可以改变螺母的位置从而使平衡臂重新达到平衡，而且方案三电路整体设计简洁，软件编写也更为简单，制成硬件电路后更易于调试，所以最终采用方案三。2.2 系统框图单片机控制器电位分压器稳压电路驱动电路图1 系统设计框图2.3 设计原理设计当中把电机固定在平衡臂上的中央，把电机的端子嵌入进一个很长的螺杆中，因为电机被固定，螺杆又与端子相连，故电机在转动时螺杆只会转动而不会与平衡臂有仍和的相对位移，那么此时套在螺杆上的螺母就会因为螺杆的转动而或前或后的移动，螺母的移动改变了平

21、衡臂的力矩，为使平衡臂平衡电机必须调整螺母的位置来使得平衡臂达到平衡，电机在杆倾斜时应该转动，平衡时应该停止是整个设计中至关重要的问题。本次设计选用过的12C5A60S2芯片内含8路10位A/D转换，AD值变换范围是01024，通过实验室的开发板测得：平衡臂在平衡时相应的AD值为890左右，由于AD值有波动范围，故设置当AD值在888892范围内时，平衡臂达到平衡，电机停止转动。当平衡角度对应的AD值不在888892这一范围时电机相应的正转或反转直到平衡臂达到平衡为止。由于每一个AD值都对应P1.0口上不同的电压，为了达到对应的电压值，设计当中巧妙的运用了一个划动电阻器来解决电压的分压。平衡臂

22、的中端有一个轴承，该轴承与划动电阻器相连，当平衡臂左右摇摆时，电阻器上的滑片也相应的改变位置。设定单片机的P1.0口为A/D转换口，P1.0与滑片相连，P1.0与滑动电阻器共地，所以P1.0口对应的电压就是滑动变阻器分得的电压3。2.4 设计要求本设计要完成以下功能：（1）当单片机插上电源后，位于PCB板上的LED亮，成功表示上电。（2）当平衡臂挂有重物时，电机能自动旋转调整螺母位置使之平衡。（3）35BYJ46电机额定转速是可控的，为了提高效率要求转速应在1r/s左右。（4）在设计中平衡臂角度对应的AD值本来就设定在888-892之间，所以电机停止转动时有可能不会完全与水平面达到平衡，在误差

23、允许范围内，平衡臂与水平面的角度=5度。（5）无论重物放置在平衡臂的什么地方都能通过电机的旋转使平衡臂重新达到平衡。3 硬件选型3.1 单片机选型 3.1.1 12C5A60S2简介STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60S2系列单片机的程序存储器和数据存储器是各自独立编址的。STC12C

24、5A60S2系列单片机的所有程序存储器都是片上Flash存储器，不能访问外部程序存储器，因为没有外部访问使能信号EA和程序存储启用信号PSEN。STC12C5A60S2系列单片机内部有1280字节的数据存储器，其在物理和逻辑上都分为两个地址空间:内部RAM(256字节)和内部扩展RAM(1024字节)。另外，STC12C5A60S2系列单片机还可以访问在片外扩展的64KB外部数据存储器。内部RAM共256字节，可分为3个部分：低128字节RAM与传统8051兼容高128字节RAM (Intel在8052中扩展了高128 字节RAM )及特殊功能寄存器区。低128字节的数据存储器既可直接寻址也可

25、间接寻址。高128字节RAM与特殊功能寄存器区貌似共用相同的地址范围，都使用80H-FFH，地址空间虽然貌似重叠，但物理上是独立的，使用时通过不同的寻址方式加以区分。高128字节RAM只能间接寻址，特殊功能寄存器区只可直接寻址，其部分特点：（1） 增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。（2）工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压： 5.5V 3.5V（5V单片机）。（3）工作频率范围：0 35MHz，相当于普通8051的 0 420MHz。（4）片上集成1280字节 RAM。（5）有EPROM功能。（6）通用I/O口（36/40/44个），复位后

26、为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。（7）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。（8）共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位。（9）外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为5% 到1

27、0% 以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V 单片机为： 11MHz 17MHz；3.3V 单片机为： 8MHz 12MHz。（10）3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在 P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。（11）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2)，CCP

28、1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)。（12）PWM(2路）/ PCA（可编程计数器阵列，2路）；也可用来当2路D/A使用；也可用来再实现2个定时器；也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。（13）A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)。（14）通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口12。3.1.2 12C5A60S2单片机内部结构STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如下图2所示。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)

29、、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包 含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统12。ControlUnitPort 1锁存器Port0,2,3,4,5锁存器LVD/LVRRESETXTAL1XTAL2Port 1驱动器P1.0-P1.7ADC8P1.0-P1.7Port 0,2,3,4,5驱动器P0,P2,P3,P4,P5AUX-RAM1024字节RAM地址寄存器RAM256字节B寄存器

30、ACC堆栈指针TMP2TMP1定时器 0/1串口1串口2ALULVRPSWWDT程序存储器（Flash）ISP/IAP地址生成器程序计数器（PC）PCASPI图2 12C560S2内部结构图3.1.3 12C5A60S2单片机封装尺寸图单片机12C5A60S2拥有不同形式的封装，本设计选用的是PDIP-40型封装10，如下图3。图3-1 12C5A60S2PDIP-40封装图3-2 12C5A60S2尺寸图3.1.4 单片机管脚介绍表1 单片机管脚介绍管脚管脚编号说明P0.0P0.73932P0 : P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是

31、一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址A0A7，数据线的D0D7。P1.0/ADC0/CLKOUT21P1.0标准I/O口 PORT10ADC0ADC 输入通道-0CLKOUT2独立波特率发生器的时钟输出可通过设置WAKE_CLKO2位/BRTCLKO将该管脚配置为CLKOUT2P2.0-P2.721-28Port2: P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用(A8 A15)。当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口P3.0/RxD10P3.0标准I/O口 PORT30RxD串口1数据接收端

32、P3.1/TxD11P3.1标准I/O口 PORT31TxD串口1数据发送端XTAL119内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端XTAL218内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。VCC40电源正极Gnd20电源负极，接地3.2 步进电机很显然，本次设计中最为重要也是核心的原件非步进电机莫属，市场上的步进电机按力矩产生原理分类有永磁式、反应式、混合式步进电机；按定子数分类有单定子式、双定子式、多定子式步进电机；按定子励磁相数分类有

33、三相、四相、五相、六相步进电机，本设计选的是四相五线步进电机6。3.2.1 四相五线步进电机步进电机内部构造如下图图4 步进电机内部构造通过上图可知，A，A是联通的，B和B是联通。那么，A和A是一组a，B和B是一组b。不管是两相四相，四相五线，四相六线步进电机。内部构造都是如此。至于究竟是四线，五线，还是六线。就要看A和A之间，B和B之间有没有公共端com抽线。如果a组和b组各自有一个com端，则该步进电机六线，如果a和b组的公共端连在一起，则是5线的。本次设计用到的是四相五线步进电机，谷a和b的公共端是连在一起的。由于五线中，a和b组的公共端是连接在一起的。用万用表测，当发现有一根线和其他几

34、根线的电阻是相当的，那么，这根线就是公共com端。3.2.2 驱动方法驱动步进电机有好几种方法，个人觉得比较简单也比较常用的还是下面这两种，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，设计中选用的是四相八拍的电机，电机四相八拍的工作原理如下图。图5 步进电机内部结构上图是表示刚刚步进电机的内部结构，没有画中线抽头。中间那个表示电机转子，左边蓝色的表示A线圈，上面红色的表示B线圈，大家看到上面标志中还有一些是打括号的，表示什么呢？就是说这个接线是一开始讲到的A接线，跟刚刚讲到的那个C字母表示的接线其实是同一根线！那现在我就用图

35、来表示解释下什么是四相八拍，A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A表示的是什么。A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A中出现的字母表示这根线对应加上高电平，其余的加低电平。具体就是A处于高电平，其余处于低电平，延时一小段，AB处于高电平，其余处于低电平，依次类推8。3.2.3 具体选用步进电机永磁式步进电机（PM），是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。电机里有转子和定子两部分：可以是定子是线圈，转子是永磁铁；也可以是定子是永磁铁，转子是线圈。应用领域：永磁式步进电机主要应用于计算机外部设

36、备、摄影系统、光电组合装置、阀门控制、核反应堆、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。本次设计中选用的35BYJ46型永磁式步进电机（四相五线），该电机质量小，用5V电压就能驱动，一般的设计中运用该电机很合适。其外观如下图。图6 35BYJ46步进电机3.2.4 35BYJ46步进电机工作参数35BYJ46步进电机，永磁减速步进电机，微型减速步进电机，4相减速电机7。(1) 额定电压：12V DC。(2) 相数：4。(3) 减速比：1/85.25。(4) 步距角：7.5度/85.25度（定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子转过的机械角度称之为步距角，通常用

37、表示）。(5) 驱动方式：4相8拍。(6) 直流电阻：1307%(25)。(7) 温升：40K(120Hz)。(8) 噪音：40dB(A)。(9) 重量：约100g。3.3 电位器鉴于制作经费有限，本次设计中并未采用角度传感器，而是采用了一个丁字型的滑动电位器来代替，滑动电阻器与一个轴承相连，平衡臂左右摇摆时位于中央的轴承带动电位器上的划片相应的移动从而实现了分压。电位器阻值100K。3.4 驱动芯片ULN2003ULN2000、ULN2800是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。本次设计选用的是U

38、LN2003。3.4.1 ULN2003芯片特点(1) ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL 和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。(2) ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。3.4.2 ULN2003内部结构及应用电路ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压=50V，电流=500mA，输入电压=5V，适用于TTL COMS，由达林

39、顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。输出端的二极管学名续流二极管，英文fre

40、ewheel diode。 如果ULN2003的达林顿管输入端输入低电平使其截止，其驱动的元件是感性元件，则电流不能突变，此时会产生一个高压；如果没有二极管，达林顿管会被击穿，所以这个二极管主要起保护作用。由于ULN2003是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚（pin9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路13。图8 ULN2003内部结构图9 ULN2003应用电路3.5 平衡臂本次设计的要求只是模拟塔吊的的平衡状况，并没有要求做成产品，故大多从简，臂杆也不是专业的平衡臂，而是电脑想内部的一种卡槽，长约20cm，宽约2cm，材质为铝合金，质量小不到10

41、0g且价格便宜，很适合学生做模拟实验。4 系统硬件电路设计该系统主要包括：单片机最小系统、驱动电路模块、稳压电源模块。为得到稳定的5V电源，途中设置稳压电源，开关S2闭合后能把大于5V的电源转换为稳定的5V的电源。单片机的P2口接ULN2003芯片，芯片另一端接步进电机，上电后步进电机就在芯片驱动后开始正反转。其余则是供电模块和为好接线而作的引脚。LED灯指示单片机是否成功上电。原理图如下。图10 系统硬件原理图4.1 单片机最小系统单片机最小系统无需配置片外存储器，电路简单，工作可靠，最小系统除单片机芯片外，只包括复位电路和时钟振荡电路，如下图9，它具有以下特点。（1）电路简单，并有大量的I

42、/O端口可供用户使用，P0、P1、P2、P3都可以作为I/O端口使用。（2）芯片内部的程序存储器较少，一般只有几KB容量；由于没有外部程序存储器，管脚应接高电平，使其无效。图11 单片机最小系统4.1.1 时钟电路设计时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍的工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。12C5A60S2单片机内由一个反向放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。常用的时钟电路方式有两种，一种是内部时钟，另一种是外部时钟。本设计选择前者。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器。该高增益的反向

43、放大器的输入为芯片引脚XTAL1，输出为引脚XTAL2,其中XTAL1是单片机的19脚，XTAL2是单片机的18脚。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和电容，就构成一个稳定的自激振荡器。振荡电路如下。图12 时钟振荡电路电路中的C3和C7都为33Pf，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响振荡器的高低、振荡器的稳定性、振荡器的快速性和温度的稳定性。而外接晶体的频率大小，主要取决于单片机的工作频率范围，每一种单片机都有自己的最大频率，外接晶体振荡器的频率不大于单晶片的最大工作频率即可。本设计晶振采用12MHz，则计数周期为1。 (式4-1)4.1.2 复位电路设计STC12C5A60S

44、2系列单片机有5种复位方式：外部RST引脚复位，外部低压检测复位(新增第二复位功能脚RST2复位，实现外部可调复位门槛电压复位)，软件复位，掉电复位/上电复位(并可选择增加额外的复位延时200mS，也叫MAX810专用复位电路，其实就是在上电复位后增加一个200mS复位延时)，看门狗复位。在众多复位电路设计中复位输入引脚RST是为12C5A60S2提供初始化的手段较为方便的。本系统的复位电路设计是正是采用的按键复位的电路，如图 13 所示，是常用的复位电路之一。单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称为手动复位。上电时，刚接通电源，电容C2相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，该高电平

45、使12C5A60S2全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头运行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V直接加到RET/VPD端从而复位称为手动复位2。图13 复位电路工作原理：通电瞬间，RC电路充电，RST引脚出现高电平，只要RST端出现10ms 以上的高电平，就能使单片机有效地复位。4.2 驱动电路模块驱动电路模块如下图12所示。芯片1至4脚接单片机的23至20脚，芯片16至13脚接步进电机1到4脚，步进电机5脚接电源VCC。图14 驱动电路原理图P2口的电平高低就影响了电机的转动方向，由于电机是四相八拍，不同的相序输出的状态字就有八个，因为ULN2003的每个管脚都与一

46、个非门相连，要让某一个管脚通电则芯片的输出端就应该为低电平（电机的电源线接的是高电平），所以单片机与ULN2003对应管脚为高点平时电机通电成功。为了减小外界信号的干扰，设ULN2003的5-8脚为高电平。下表为35BYJ46相序表。表2 35BYJ46四相八拍相序表(公共端为高)步序相序通电相P2口输出（状态）值P23P22P21P2010001AF1H20011ABF3H30010BF2H40110BCF6H50100CF4H61100CDFCH71000DF8H81001DAF9H4.3 稳压电源模块三端稳压集成电路Lm7805。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的Lm78系

47、列和负电压输出的Lm79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。下图是Lm78系列集成稳压器的典型应用电路图，是一个输出正5V直流电Lm7805稳压电路压的稳压电源电路。IC采集成稳压器Lm7805，C8、C9分别滤掉幅度较大的干扰电压；C5、C6分别滤掉尖脉冲干扰。当输出电流较大时，Lm7805应配上散热板。图13 稳压电压原理图图16 LM7805实物图4.4 变压器为保证供电系统能正常供电，我设计了一个备用电源，该电源能把220V的交直流电压直接转变为5V 的直流电压，在PCB中，把所有的高电平连接在一起并引出一根线，同样把底线也

48、都连在一起引出一根线，在电路板上焊上探头，系统需要供电时直接把变压器插在插座上即可，使用极其方便。5 系统软件设计 系统软件设计主要包括，驱动程序、平衡判断比较子程序、A/D转换子程序等。驱动程序的主要功能是驱动步进电机旋转。A/D转换程序把模拟信号改变成数据信号，由于12C5A60S2单片机自身含有10路A/D转换，特殊功能寄存器ADC_RES和ADC_RESL用于保存AD转换结果，当ADRJ=1时，10位A/D转换的结果的高2位存放在ADC_RES的低二位中，低8位存放在ADC_RESL中。此时，如果需取完整数10位结果，按下面公式计算。 (式5-1)式中，Vin为模拟输入通道输入电压，V

49、cc为单片机实际工作电压，本设计中为5V。平衡判段程序则是首先系统读取当前反馈的AD值，程序把得到的AD值与上下限比较，若AD值大于设定好的上限，则电机逆时针旋转，（设螺母远离自己一端为参照方向），加大螺帽离平衡臂中心的距离，反之则顺时针旋转，减小螺帽与平衡臂中心的距离来达到平衡。电机旋转速度不能太快也不能太慢，设计中令电机内部的小电机的最大转速为每一个A/D采样执行周期转动10圈，该转速是经过反复调试得出的，设计中发现内部小电机的转速如果太小，则电机每次转动的太少，宏观表现为电机抖动，反之电机每次转动的太多，宏观表现为超调。程序流程图如下。开始读取当前AD值AD值是否在设定范围内大于上限小于

50、下限电机右旋，减小螺母与中央距离电机左旋，加大螺母与中央距离电机停止转动NY图17 程序流程图5.1 编译软件Keil C51简介Keil C51是德国知名软件公司Keil（现已并入ARM公司）开发的基于8051内核的微控制器软件开发平台，是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，它提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起，它支持C语言和汇编语言编程。Keil Vision调试器能准确地模拟8051设备的片上外围设备（IC、CAN、UART、SPI、中断、I/O端口、A/D转换器、D

51、/A转换器和PWM模块）。模拟帮助你了解硬件配置，避免在安装问题上浪费时间。此外，使用模拟器你可以在没有目标设备的情况下编写和测试应用程序。当你准备在目标硬件上测试软件应用时，可以使用MON51、MON390、NONADI、或者FlashMON51目标监视器、ISD51 In-System调试器、ULINK USB-JTAG适配器在目标系统上下载并测试程序代码。5.2 软件编译 与STC12C5A60S2系列单片机A/D转换相关的寄存器列于下表所示。表3 单片机寄存器表符号地址位地址及其符号P1ASF9DHP17ASFP16ASFP15ASFP14ASFP13ASFP12ASFP11ASFP1

52、0ASFADC_CONTRBCHADC_PWOERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS0ADC_RESBDHADC_RESLBEHAUXR1A2H-PCA_P4SPI_P4S2_P4GF2ADRJ-DPSIEA8HEAELVDEADCESET1EX1ET0EX0IPB8HPPCAPLVDPADCPSPT1PX1PT0PX0IPHB7HPPCAHPLVDHPADCHPSHPT1HPX1HPT0HPX0H（1）P1口模拟功能控制寄存器P1ASFA/D转换通道与P1口复用，上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置8路中的任何一路设置为A/D

53、转换，不需作为A/D使用的P1口可以继续作为I/O口使用。需作为A/D使用的口需先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置置1，并将相应的口设置为模拟功能。P1ASF.0=1表示P1.0口作为模拟功能A/D使用。（2）ADC控制寄存器ADC_CONTRADC_POWER为ADC电源控制位。0：关闭A/D转换器电源；1：开启A/D转换器电源。启动A/D转换前一定要确定A/D电源已打开。SPEED1、SPEED0为模数转换器转换速度控制位，当二者皆为一时表示90个时钟周期转换一次，CPU工作频率21MHz时，A/D转换速度约250KHz。ADC_FLAG为模数转换器转换结束标志位，当A/D转换完成后

54、，ADC_FLAG=1，要由软件清0。ADC_START为模数转换器（ADC）转换启动控制位，设置1时开始转换，转换结束后置0。（3）辅助寄存器AUXR1当PCA_P4=0，SPI_P4=0,S2_P4=0表示缺省PCA/SPI/UART2在P1口，GF2是通用标志位。ADRJ=1表示10位A/D转换结果的高2位放在ADC_RES寄存器的低2位，低8位存放在ADC_RESL寄存器。DPS=0表示使用缺省数据指针DPTR0。（4）A/D转换结果寄存器ADC_RES、ADC_RESLAUXR1寄存器的ADRJ位是A/D转换结果寄存器（ADC_RES、ADC_RESL）的数据格式调整控制位。当ADR

55、J=1时，10位A/D转换的结果的高2位存放在ADC_RES的低2位中，低8位存放在ADC_RESL中。用Keil对C语言进行编译如下图16。当打开软件后，输入C语言代码，当代码输入完成后，进行编译，显示pingheng.c - 0 Error(s)，0 Warning(s).即没有错误。编译成功。图16 Keil编译C程序6 系统调试6.1 Protel99se及其操作简介Protel99SE是2002年由Protel公司推出的用于印刷电路板设计的软件系统。从1991年至今，它经历了Advanced PCB，Protel98，Protel99，Protel99SE几个版本的发展。不过在众多的

56、版本中，Protel99SE是EDA行业能第一个可以在单个应用程序中完成所有电路板设计的处理工具。Protel99SE 主要是由PCB印刷电路板设计系统和FPGA设计系统两部分组成，在这次的设计中，使用了引用最广泛的PCB设计系统。这个系统主要是有以下几个部分。（1）原理图设计环境：主要用来设计原理图文件。（2）原理图库文件编辑环境：用于设计元件原理图模型。（3）印刷电路盘设计环境：用于设计印刷电路板文件。（4）PCB封装库文件编辑环境：用于编辑元件的封装模型。6.2 原理及PCB设计现在可着手硬件制作，此时运用Protel99SE进行原理设计，填好每个元件封装，此时有些元件在库中是没有原理图

57、及封装的，此时就要求设计者自行根据所用硬件参数画原理图及封装。当一切准备就绪后便可开始布线，布线有两种方式：自动布线和手动布线。自动布线是软件根据当前元件布局进行的智能布线操作，但是对于较复杂的设计，会出现较多飞线的情况，因此采用手动布线。如下图17是布完线后的PCB图，图18是PCB图对应的电路板图，图19为整个设计成品图。图19 控制系统PCB图图20 电路板图21 系统效果图6.3 硬件调试6.3.1 硬件调试的准备工作（1）掌握相关器件的工作原理。（2）准备好单片机开发板，信号源。6.3.2 调试过程（1）仔细观察整板，并着重观察各元件管脚是否存在虚焊、错焊、漏焊，一定要注意焊点之间不

58、能有连接的情况，如发现，用小刀将之割断。（2）将已烧录好的单片机插入插座。（3）插上电源，一定要注意电源的正负，不要接反。（4）把重物放置在不同位置，观察电机转动状况和平衡臂平衡情况。6.4 设计结果因为在购买元件过程中找不到更长的螺杆，步进电机不能固定在平衡臂的正中间，导致我的设计结果在一端放置重物时要考虑到另一端的步进电机的重量，当重物放置离平衡臂中间太近，平衡臂不能达到平衡，同样，放置得太远也不能达到平衡，但是在适当的距离时，设计能达到除要求（5）以外的其他要求：通电后LED灯有变亮，平衡臂挂有重物时，电机能自动旋转调整螺母位置使之平衡，电机的转速也控制在了1r/s左右，但是由于电机的端

59、子长期暴露在空气中，端子上已经开始生锈，电机在快达到平衡时的微调过程中转动不连贯，导致了电机停止转动之后平衡臂与水平面的角度大概在5度左右，未能完全达到=5度的要求。7 结论与研究展望7.1 主要结论塔吊作为当代修建各种大小型建筑物的不可或缺的机械，对其更深入的研究具有重要的意义，平衡臂作为塔吊的主要构成成分之一历来是研究的重点。单片机因为其电路简单易于调试而而被广泛运用，本文着力于用单片机来来控制模拟塔吊平衡臂的平衡，并详细解释了其工作原理和实现方法并作出以下结论：（1）详细阐述了塔吊在国内外的发展状况，说明了研究平衡臂的重要性和通过单片机来控制平衡臂的可行性。并且简要介绍了研究单片机控制平衡臂涉及到的其它结构。（2）对于课题给出了三个研究方向分别是：1.用舵机来控制平衡；2.用小车改变力矩来控制平衡；3.运用步进电机和螺旋传动机构来控制平衡。介绍三个方案实施的可行性和他们各自的优缺点，最终通过对比论证选用了方案三。（3）介绍了完成此次设计需要用到的各种硬件，分别是：12C5A60S2单片机、35BYJ46型四相五线步进电机、ULN2003驱动芯片、电位器和平衡臂。其中列出了选用12C5A60S2作为本次设计的控制单片机的原因和其强大的功能，并且给出了它的封装图片。介绍了步进电机名称的由来