基于单片机升降控制系统的设计.docx
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基于单片机升降控制系统的设计
毕业设计
题目：
基于单片机升降控制系统的设计
系：
电气与信息工程系
专业：
自动化班级：
0302学号：
223
学生姓名：
肖卫宇
导师姓名：
沈学军
完成日期：
2007年6月17日
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
基于单片机升降控制系统的设计
姓名肖卫宇系别电气与信息工程系专业自动化班级0302学号223
指导老师沈学军职称研究员高工教研室主任赵葵银李晓秀
一、基本任务及要求：
本课题要求完成系统总电路的设计及单片机硬件和软件的设计。
系统研究基于AT89C51单片机，通过对单片机进行软硬件的设计来驱动和控制步进电机，从而达到升降的目的。
其次，我们还要求该系统能进行相关运行状态的显示及将采集到的信号进行反馈，并且能通过设定的按钮来达到控制的目的。
我们要求该系统有很好的可靠性和抗干扰的能力。
设计包括：
1、总体方案的确定；2、单片机的选择；3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、各模块调试；6、编写设计说明书等。
二、进度安排及完成时间：
1、第一周至第二周：
明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，查阅相关资料，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。
写出开题报告
2、第三周：
方案论证及总体设计方案的确定
3、第四周至第五周：
主电路分析、计算、主要器件的选型
4、第六周至第七周：
完成主电路设计，控制电路设计，检测与保护电路设计
5、第八周至第九周：
完成软件设计与程序编写及调试
6、第十周：
修改整理资料。
7、第十一周至第十二周：
撰写说明书、绘制图纸，准备答辩。
8、答辩
1.3.1AT89C51单片机的特性及管脚功能
基于单片机升降控制系统的设计
摘要：
本文主要完成对某雷达升降控制系统的设计，描述在步进电机的驱动系统中用软件的方法实现环行脉冲分配器的设计，对步进电动机进行驱动。
步进电机驱动电路的核心部分是环行脉冲分配器，本文以单片机作为步进电机驱动电路控制核心，并通过单片机的应用程序控制和功能扩展，实现系统相关参数的输入和输出，使步进电机得到了有效的控制。
系统主要由主控制盒、电机控制盒、显示盒、步进电机、接近开关、行程开关等相关部件组成。
完成防坠机构的闭锁与解锁；上升与下降电磁阀的控制；升降液压电机的自动启停控制及紧急手动控制；液压电机的启停控制；自动手动加温控制；各工况状态显示。
本文还对系统的抗干扰问题进行了研究，保证了系统安全准确的运行。
关键字：
单片机；步进电机；环形脉冲分配器；I/O扩展
TheDesignofLiftControlSystem
BasedonSingleChipMicrocomputer
Abstract:
Thispapermainlytothecompletionofthedesigntotake-offandlandingcontrolsystemtosomeofthesteppermotordrivesystemusingsoftwaremethodRingpulsedistributordesign,steppermotortodrive.SteppermotordrivecircuitisthecorepartoftheCentralBankpulsedistributor,BasedonSCMasasteppermotordrivecontrolcircuitcore,andthroughSCMapplicationcontrolandfunctionexpansionrealizetheinputparametersandoutput,steppermotorhasbeenbroughtundereffectivecontrol.Mainlybythemaincontrolbox,theelectricalcontrolbox,showboxes,steppermotor,closetotheswitch,Switchingitinerary,andotherrelatedcomponentparts.Completionoftheanti-droppingandunlockingatresia;andanincreaseindeclinesolenoidvalvecontrol;Hydraulicliftstheautomaticstart-stopmotorcontrolandemergencymanualcontrol;commitmenthydraulicmotorcontrol;automatictemperaturecontrolmanually;Conditionofthestateshow.Thepaperalsoanti-jammingthesystemstudiedtheproblemsandensurethesafetyofthesystemandaccurateoperation.
Keywords:
SingleChipMicrocomputer;Steppermotors;Ringpulsedistributor;I/Oexpansion
第1章绪论
单片机的概述
单片机就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点，因而在工业生产、科技教育以及日常生活等诸多领域，得到了日益广泛的应用。
单片机，也称单片微型计算机，是微型计算机家族中的一员，它以独特的结构和超群的优点，深得各个领域的青睐，应用十分之泛，近年来发展极其迅速。
世界上的各个半导体厂商都抓住这个机会，推出自己的产品，一时间单片机如雨后春笋般蓬勃发展和流行起来。
在近30年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小大体集成电路到大规模集成电路四个阶段，尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，20世纪70年代初诞生的单片机微型计算机，使得计算机应用日益广泛。
而单片机的问世，更进一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度[1]。
单片机的特点与应用
1.2.1单片机的特点：
（1）重量轻、耗电少、价格低、电源单一。
（2）抗干扰能力强、可靠性高。
芯片本身是按工业测控环境设计的，其抗工业噪声干扰优于一般的通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中，不易被破坏；许多信号通道均在一块芯片内。
（3）集成度限制，片内存储器容量较小。
一般ROM小于8KB，RAM小于256个字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64KB。
（4）面向控制，控制功能强，运行速度快。
其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。
指令系统中均有极其丰富的条件转移指令，I/O口的逻辑操作及位处理功能。
一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的其它微处理器。
（5）开发应用方便，研制周期短。
片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线以及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各规模的计算机应用系统[2]。
1.2.2单片机的应用
单片机具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的条件下工作等特点。
特别是它强大的面向控制的能力、使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到广泛应用。
（1）单片机在智能仪表中的应用
在各类仪器仪表中，引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化功能大大提高，例如精密数字温度计、智能电度表、微机多功能PH测试等等。
（2）单片机在工业测控中的应用。
用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等，例如MCS-51单片机控制电镀生产线、温度人工气候控制、报警系统控制、IBM-PC/XT和单片机组成的二级计算机控制系统等。
（3）单片机在计算机网络与通信技术中的应用
MCS-51系列单片机具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件，例如MCS-51系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、MCS-51单片机无线遥控系统等。
（4）单片机在日常生活及家电中的应用
单片机越来越广泛应用于日常生活的智能电器产品以及家电中。
例如电子秤、银行计息电脑、电脑缝纫机、心率监护控制、彩色电视机、电冰箱控制、洗衣机控制等等。
（5）单片机与Internet
随着网络技术的发展，Internet已经成为信息社会的重要组成部分，Internet技术已经深入到日常生活中和工作中。
Internet技术得以迅速发展，其主要推动力之一是标准成熟的PC工业。
无论是PC机的硬件平台，还是软件操作系统，都要求高度标准化，上网方式也大同小异。
而对于各类家用电器和智能装置，情况就不同了，它们的心脏多是单片机，但由于单片机芯片品种繁多，其结构和指令系统也各不相同，因此，它不能像PC机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接到Internet，如果能够将各类智能装置或家用电器与Internet连接起来，一方面可充分利用Internet资源，另一方面还可获得一些电子设备信息。
由此可见，单片机与Internet的紧密结合将为单片机应用系统的发展开创另一片天地[3]。
AT89C51单片机的基本组成
1.3.1AT89C51单片机的特性及管脚功能
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[4]。
1、主要特性：
CPU与MCS-51兼容；4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）；全静态工作：
0Hz-24KHz；三级程序存储器保密锁定；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路
2、AT89C51单片机的管脚功能
采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装；而采用CHMOS制造工艺的80C51/80C31,除采用40脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。
如图1-1所示为AT89C51单片机管脚图。
图1-1AT89C51管脚图
各管脚功能说明如下：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
RXD（串行输入口）
TXD（串行输出口）
/INT0（外部中断0）
/INT1（外部中断1）
T0（记时器0外部输入）
T1（记时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）
/RD（外部数据存储器读选通）
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出[5]。
1.3.2单片机最小系统构成
单片机最小系统是指单片机能够工作所必需的外部电路，这些电路包括晶振电路、复位电路、外部程序存储器以及数据存储器等。
下面以典型MCS-51单片机为代表介绍最小系统的各个部分。
1、单片机晶振电路
MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，管脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式，如图1-2a）所示；图1-2b）所示为外部时钟方式[6]。
a）b）
图1-2a）外部时钟方式 b）内部时钟方式
2、单片机复位电路
（1）单片机复位后的状态
无论是HMOS型还是CHMOS型单片机，振荡器处于运行状态时，如果在单片机的RST引脚保持2个机器周期（24个振荡周期）的高电平，则单片机内部执行复位操作，以后每个周期执行一次，直至RST端变低。
为保证单片机可靠复位，设计复位电路时要考虑VCC的上升时间的振荡器建立时间，通常使RST端持续20ms以上的高电平。
复位后单片机从程序存储器的地址0000H处开始运行，内部寄存器的状态如表1-1所示。
表1-1 复位后单片机寄存器状态
专用寄存器
复位状态
专用寄存器
复位状态
PC
0000H
TH0
00H
ACC
00H
TL0
00H
B
00H
TH1
00H
专用寄存器
复位状态
专用寄存器
复位状态
PSW
00H
TL1
00H
SP
07H
TH2
00H
DPTR
0000H
TL2
00H
P0～P3
FFH
RLDH
00H
IP
×××0000B
RLDL
00H
IE
0××0000B
SCON
00H
TMOD
00H
SBUF
××××××××
TCON
00H
PCON
0××××0000B
T2CON
00H
复位后，ALE和PESE为高电平，内部RAM不受复位的影响，此时内部RAM的状态不确定[7]。
（2）单片机复位电路
如图1-3所示分别为单片机的几种复位电路。
a） b）
c）
图1-3 a）上电复位 b）按键电平复位 c）按键脉冲复位
上电复位如图1-3a）所示，它是在VCC与VSS管脚之间接入RC电路。
上电瞬间RST端电位与VCC相同，随着电容充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降。
只要VCC的上升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms，按图中的时间常数（C1=22μF，R1=1KΩ），上电复位 电路就能保证在上电开机时完成复位操作。
上电复位所需要的最短时间是振荡器建立时间加上2个机器周期。
在这段时间内，RST端的电平应维持高于施密特触发器的下阀值。
图1-3b）所示为一种上电与按键复位电路，在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连。
为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在RST管脚上接一个去耦电容。
在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路在接施密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端，如图1-3c）所示。
系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位[8]。
电力电子器件的概述
电力电子器件是电力电子装置的基础单元，继晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）之后，进入以绝缘姗极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件的发展期。
绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。
众所周知，构成IGBT的MOSFET和BJT各有其优缺点。
MOSFET属于单极型器件，具有开关频率高、没有二次击穿现象、元件并联运行容易、控制功率小的优点，缺点是导通电阻大，耐压水平不容易提高。
BJT属于双极型器件，具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点，缺点是开关时间长，有二次击穿现象以及控制功率大。
IGBT是MOSFET和BJT的复合器件，它既有MOSFET驱动功率小、开关速度快的优点，又具有BJT通态压降小、载流容量的优点，性能优越，越来越多地被应用到工作频率为几十千赫的各类大中功率电力变换装置中，成为现代电力电子技术的主导器件。
并且，随着IGBT技术的发展，其性能不断得到改善和提高，使得IGBT在大功率开关电源设备中的地位越来越重要，如UPS、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都大I使用IGBT模块[9]。
1.4.1IGBT的工作原理
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。
IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压[10]。
1.4.2IGBT的工作特性
IGBT的工作特性包括静态和动态两类：
1、静态特性
IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。
它与 GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区 、放大区和击穿特性3部分。
在截止状态下的 IGBT ，正向电 压由 J2 结承担，反向电压由 J1 结承担。
如果无 N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入 N+ 缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些应用范围。
IGBT的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。
它与 MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 Ugs（th） 时，IGBT 处于关断状态。
在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与 Ugs 呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V 左右。
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。
IGBT处于导通态时，由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其 B 值极低。
尽管等效电路为达林顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。
此时，通态电压 Uds（on） 可用下式表示：
Uds（on） ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh （1-1）
式中 Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为 ～ 1V ；
Udr ——扩展电阻 Rdr 上的压降；
Roh ——沟道电阻。
通态电流 Ids 可用下式表示：
Ids=（1+Bpnp）Imos （1-2）
式中 Imos ——流过 MOSFET 的电流。
由于N+区存在电导调制效应，所以 IGBT的通态压降小，耐压1000V 的IGBT 通态压降为2～3VIGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
2、动态特性
IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。
td（on）为开通延迟时间，tri 为电流上升时间。
实际应用中常给出的漏极电流开通时间 ton 即为 td （on） tri 之和。
漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成。
IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。
因为 MOSFET 关断后， PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间， td（off） 为关断延迟时间， Trv为电压 Uds（f） 的上升时间。
实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf 由t（f1） 和 t（f2） 两段组成，而漏极电流的关断时间：
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