数电实验期末设计.doc

电子通信与软件工程 系2011-2012学年第1学期10级数字电路与逻辑设计实验期末考试（A）卷- -题目：参考以下实验报告格式及要求，自己设计一个与本学期所学数字电路理论与实验相关的实验，并要有清晰的实验过程和分析结果。报告格式：一、 实验名称：定时喂鱼器二、 实验目的：以单片机为核心，设计一个定时喂鱼器，可设置时间，并具 有闹钟功能，当闹钟一到，步进机开始运转。三、 实验内容：（1） 系统硬件设计硬件由5个部分组成，即按键电路，步进机电路，单片机时钟电路，复位电路，LCD显示电路；各部分实现的功能如下： 按键电路：用于时间的设置。 步进机电路：当闹钟一到时，便开始自动运转。 单片机时钟电路，复位电路：单片机正常工作需要。 LCD显示电路：用于时间的显示。（2）系统软件设计软件部分主要完成功能：时间的显示及调整，步进机的运转，LCD的显示模块；各部分实现的功能如下： 时钟模块：实现系统的时钟中断，提供单位时间； 步进机的运转：实现步进机的转速以及转向； LCD显示模块：把时间的参数在LCD上显示出来；四硬件模块设计：1.单片机与P0口排阻如图3.3.1所示，本设计主要的硬件80C52以及上拉电阻连接线路图。2.USB供电电路部分 图3.3.2如图3.3.2所示，从外部引入5V的直流电，按下S1可以为单片机、复位电路提供电源。3. 复位电路图3.3.3如图3.3.3所示，复位电路主要由型号为10UF/16V的电解电容，10K，1K的电阻以及按键S22构成，RST接芯片的相应引脚RST，构成上电复位和手动复位。上电复位是经过电容和10K的电阻上电以后就进行复位。手动复位是当开关S22按下时给引脚RST为高电平1，断开时引脚为低电平0。4. 显示模块设计图3.3.4（1）LCD显示模块LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息，如图3.2.4所示。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。（2）LCD1602的引脚功能LCD1602模块的引脚如图3.2.4.2所示，其引脚功能如下：RS：数据和指令选择控制端，RS=0命令状态；RS=1数据R/W：读写控制线，R/W=0写操作；R/W=1读操作A：背光控制正电源 K：背光控制地E：数据读写操作控制位，E线向LCD模块发送一个脉冲，LCD模块与单片机间将进行一次数据交换DB0DB7：数据线，可以用8位连接，也可以只用高4位连接，节约单片机资源。VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 A KLCD 模 块1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VDD：电源端 VEE：亮度控制端（1-5V） VSS：接地端图3.2.4.2LCD1602模块（3）LCD1602的显示操作1四种基本操作LCD有四种基本操作，具体如表3.2.4.3所示。表3.2.4.3LCD与单片机之间有四种基本操作RSR/W操作00写命令操作(初始化，光标定位等)01读状态操作(读忙标志位)10写数据操作(要显示内容)11读数据操作(可以把显示存储区中的数据反读出来)(1)读状态字执行读状态字操作，如表3-1满足RS=0，R/W=1。根据管脚功能，当为有效电平时，状态命令字可从LCD模块传输到数据总线。同时可以保持一段时间，从而实现读状态字的功能。读状态字流程如图3.3.4.3.1所示。图3.3.4.3.1读入状态字流程图(2)命令字表3.3.4.3.2所示为命令字，其主要介绍了指令名称、控制信号及控制代码。其指令名称是指要实现的功能；控制代号是采用的十六进制的数值表示的。1）清零操作是指输入某命令字后即能将整个屏幕显示的内容全部清除；2）归home位：将光标送到初始位；其中的号为任意，高低电平均可；3）输入方式：设光标移动方向并指定整体显示，是否移动。I/D=0：减量方式，S=1：移位方式，S=0：不移位；4）显示状态：D指设置整体显示开关；C指设置光标显示开关；B指设置光标的字符闪耀；5）光标画面滚动：R/L指右移或左移；S/C指移动总体或光标；6）功能设置：DL接口数位，L指显示行数，F显示字型；如DL=1：8位=0，4位N=1：2行=0：1行，G=1：5×10=0：5×7(点阵)7）CGRAM地址设制：相当于一个数据库，可以在其中选择所需要的符号；8）DDRAM地址设制：显示定位；9）读BF和AC：B为最高位忙的标志，F为标志位；10）写数据：将数据按要求写入到对应的单元；11）读数据：读相应单元内的数据；表3.3.4.3.2命令字指令名称控制信号控制代码RSRWD7D6D5D4D3D2D1D0清屏0000000001归HOME位000000001*输入方式设制00000001I/DS显示状态设制0000001DCB无标画面滚动000001S/CRL*功能设置00001DLNF*CGRAM地址设制0001A5A4A3A2A1A0DDRAM地址设制001A6A5A4A3A2A1A0读BF和AC01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0写数据10数 据读数据11数 据(3)写命令字由表3.3.4.3.2可知当RS=0，R/W=0时，才可以通过单片机或用户指令把数据写到LCD模块，此时就对LCD进行调制。可采用查询方式：先读入状态字，再判断忙标志位，最后写命令字。图3.3.4.3.3所示为写命令字的流程图。图3.3.4.3.3写命令字流程图1）定义光标位置显示数据的某位，就是把显示数据写在相应的DDRAM地址中，DDRAM地址占7位。SetDDRAMaddress命令如表3.3.4.3.4所示。光标定位，写入一个显示字符后，DDRAM地址会自动加1或减1，加或减由输入方式设置。表3.3.4.3.4Set DDRAM address命令RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0第1行DDRAM地址与第2行DDRAM地址并不连续，如表3.3.4.3.4所示。表3.3.4.3.4DDRAM地址row12345141516line180H81H82H83H84H8dH8eH8fHline20c0H0c1H0c2H0c3H0c4H0cdH0ceH0cfH2）LCD初始化从通电开始延时，先经过判忙后再进行功能设置，过一段时间后可以设制显示状态（如设制行、位或阵列）再经过延时清屏后才可以设置输入方式，具体实现过程如图3.2.4.3.5所示。图3.3.4.3.5LCD初始化流程图2LCD显示程序设计LCD显示程序的设计一般先要确定LCD的初始化、光标定位、确定显示字符后，显示流程如图3.3.4.3.6显示。图3.3.4.3.6LCD显示程序流程图5.步进机驱动模块（1）步进电动机的驱动概述步进电动机不像直流电动机、交流电动机一样，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动器。步进电动机驱动器系统的性能，除与电动机木身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是对步进电动机的研究同步进行的。步进电动机驱动器的主要构成如图3.1所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还需要有多种保护电路。环形分配器信号放大与处理推动级驱动级保护图3.1 步进电动机驱动器构成环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换，决定了步进电动机的转向。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率的高低。信号放大与处理的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级。信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级的较大的信号。有时推动级还承担电平转换的作用。保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。其原理图如图3.2所示，前面推动级输出信号In作用于三极管的基级，其集电极接电动机的一相绕组，绕组另一端直接与电源电压连接。因此，当三极管导通时，电源电压全部作用在电动机绕组上。归结起来，单电压驱动器有如下特点：线路简单，成本低，低频时响应较好；有共振区，高频时，带载能力迅速下降。图3.2 单电压驱动的原理图图3.3 单电压串电阻驱动的原理图单电压驱动的致命弱点是绕组导通的回路电气时间常数较大，致使导通时绕组电流上升较慢、使电机在导通脉宽T接近时绕组电流迅速下降。由于，故要减小电气时间常数的方法是减小绕组的电感或增加绕组回路的电阻R。对于确定的步进电动机，绕组电感已经确定。因此在电路中只有用增加回路电阻的方法。即单电压串电阻驱动，其原理图如图3.3所示。单电压串电阻驱动的主要缺点是损耗大，效率低。对比前述单电压驱动，其导通时铜损为，而串电阻后的导通铜损为，所以电源提供的功率大部分都消耗在串联电阻上。双电压驱动的基本思想是在较低频段用较低的电压驱动，而在高频段用较高电压驱动，原理线路见图3.4所示。电源直接接到由大功率管和二极管组成的电源转换开关上。当关断时，低压电源通过给电路提供驱动电压，当导通时，高压电源通过给电路提供驱动电压，处于反向截止状态，低压电源自动停止供电。图3.4 双电压驱动的原理图高低压驱动的原理线路如图3.5所示，初看起来，与双电压驱动电路似乎差别不大，但实际上工作过程截然不同。图中所示为每相的单元线路。主回路由高压管、电动机绕组、低压管串联而成。加高压，加低电压，电动机绕组回路不串电阻。在每相导通期间，低压管输入信号与高压管输入信号见图3.6所示。当为高电平时，该相导通；当为低电平时，该相截止。高压管的输入信号是由信号的前沿信号获得的，前沿与同步。但脉冲宽度要比小得多，高低压驱动可保证在很宽的频段内都能保证相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，因此能产生较大的且较稳定的电磁转矩，因此驱动系统可得到较高的响应。图3.5 高低压驱动的原理图IHILtt00图3.6 高低压管输入信号（2） 步进机软件设计：当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便调用并执行相应的子程序，其具体的主流程图4.1如下所示： 开始系统初始化YN按键判断相应按键子程序相应显示子程序结束对相应的系统参数进行初始化，包括系统上电默认运行参数设定，包括两相四拍的工作方式，初始速度档位是30转/分，系统中断设定，定时器设定，载入定时器初值和默认的工作参数等，具体流程图如图4.2所示。开始定时器中断允许定时器0工作方式2载入定时器初值定时器0和定时器1开启载入默认工作参数各个窗口初始化2）仿真调试：3）实验调试：4）数据记录：（数据、图表、波形图等）四、 实验结果：五、 实验总结： 明确说明实验结果是否达到预期。如果未达到，指出根本原因，并提出改进方法。如果达到预期，可以对实验内容的今后发展提出展望（或提出新的问题和实验思路），以及对实验内容或实验方法的推广应用提出展望。另外，也可以就实验过程的收获或不足作一总结。最后可以向在完成本实验或本实验课程有帮助的个人或团体作一感谢。六、 参考文献1.作者.书名.出版时间2.3.七、 附件：附件1：电路原理图 附件2：流程图 附件3：仿真结果 附件4：程序代码附件5：实物图