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1、摘要 随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了现代化、居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，智能家居就是在这种形势下应运而生。而且随着作为智能家居控制器的电子产品向智能化和微型化的不断发展，单片机已经成为电子产品研制和开发中首先选择的控制器。 基于以上思路，使用ATMEL公司的AT89S52实现基于单片机的智能家居的设计，其主要具有如下功能：（1） 红外遥控选择功能，按下相应的按键选择进入相应的功能。（2） 密码锁设置有6位密码，密码通过矩阵键盘输入，输入过
2、程中发现错误可进行逐个删除的操作。若密码正确，则LED液晶屏显示锁开，否则会有错误提示，三次输入错误则锁关且伴随蜂鸣器发出警告。此外，在密码正确的情况下可以进行更改密码操作。（3） 步进电机实现正转和反转运行，并延时3秒。（4） 温度感应装置，可以在数码管显示当前温度。当超过一定温度时，蜂鸣器发出声响予以警告。本次设计以ATMEL公司的单片机AT89S52为核心控制器件，选用上海浩豚电子科技公司开发的MINI80开发板模拟智能家居环境。同时使用Kevil uVision3软件来编写单片机的C语言程序，继而完成软件调试，然后下载到开发板进行硬件调试。最后联合软、硬件调试电路板，完成本次毕业设计。
3、关键词：智能家居，单片机，AT89S52，红外遥控ABSTRACTAs the national economy and raise the level of science and technology, especially the rapid development of the computer technology, communication technology, network technology, control technology and the improvement of the family to realize the modernization, to liv
4、ing environment comfortable change, secure. These high-tech has affect all aspects of peoples lives, changed people living habits, improved people life quality, Smart Home is also this situation arises at the historic moment. And as intelligent household controller electronic products to intelligent
5、 and the continuous development of miniaturization, micro control unit(MCU) have become the first choice for controllers in the development of electronic products.Base on the thinking of Smart Home, this design uses AT89S52 of ATMEL company. to carry out the design of the Smart Home, its main functi
6、on as follow: 1. The corresponding function of IR remote control. when press the button can enter relevant function respectively. 2. Code lock is set six passwords, and passwords are input through the keyboard. When found errors in the process of iuputing,you can run a operation of deleting each pas
7、sword. If the correct password, then LCD screen display the lock open, otherwise there will be error.And three times relisted and input errors are locked with buzzer warned. In addition, in the correct, it can change the password . 3. Step motor can undertake are turning and reverse, and delay three
8、 seconds. 4. Temperature sensing device, can be in digital tube display the current temperature. When more than a certain temperature ,it alarms to buzzer tips. This design selects AT89S52 of ATMEL company and use MINI80 development board of Shanghai HaoTun electronic technology development company
9、as environment simulation of the Smart Home and compile with software of keil uVision3. And then dowanload the program to the development board. Last, test the circuit board withed the software and hardware to finish the design.KEY WORDS：Smart Home, MCU,AT89S52, IR Remote目 录第1章 绪论1第2章 智能家居系统总体设计22.1
10、 系统设计任务和要求22.2 课题分析22.3 系统可行性分析22.4 设计原理42.5 系统组成5第3章 智能家居系统的硬件电路设计63.1 单片机AT89S52简介63.2 红外遥控简介83.3 44矩阵键盘103.4 步进电机113.5 LCD1602显示器133.6 DS18B20 数字温度传感器163.7 数码管显示电路193.8 复位电路203.9 振荡电路213.10 蜂鸣器21第4章 软件程序设计234.1 软件设计234.2 C语言的特点234.3 具体软件模块实现244.4软件抗干扰技术29第5章 系统调试315.1部分模块电路调试315.2 调试分析325.3 故障分析3
11、2结 论33致 谢34参考文献35附录1：部分系统程序清单36附录2：系统实物照片43第1章 绪论20世纪八十年代初，20世纪八十年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化出现，80年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。80年代末，通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国称为Smart Home，也就是现在智能家居的原型。智能家居最初的定义是这样的，将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置，通过家庭总线技术HBS(Home Bus System)
12、连接到一个家庭智能系统上，进行集中或异地监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调，HBS是智能住宅的基本单元也是智能住宅的核心。目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说，首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制监测和交换信息的需求。最后，它们的最
13、终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。由此可见，智能家居是一个系统层次概念，它涵盖了在建筑环境层次能够影响人们生活的诸多方面，就实际应用而言往往有以下系统：可视对讲系统，家庭安防系统，网络通讯系统，家电控制系统等等。目前，虽然智能家居有一定的发展，出现了一定数量的研究机构和公司，尤其是经历了2000年的智能家居概念炒作之后，智能家居得到空前的发展。但智能家居在中国还处于初始阶段，缺乏统一的标准和权威的产品。本人想设计一款基于MCS-51单片机的智能家居系统。该系统由密码锁模块、红外线遥控系统、步进电机，温控系统构成。该系统的安装无需改变家庭原有的布线，只对原有布线稍加
14、修改即可，可有效的解决单个家庭对智能家居产品的需求，且成本小、安装周期短，在国内有很大的市场潜能。但是由于本人能力，时间以及芯片内存的限制，要做整个系统显然是不可能的。对整个分系统而言，可以发现有很明显的相似性，只是在某些细节上需要做不同的分析。故而做好其中一个便可触类旁推。基于此，本设计仅对仅对一部分智能控制系统做简要设计。该智能家电可以进一步进行拓展，可以通过GSM网络完成手机与控制系统间的信息交换，进而传递控制信息；可以再室内安装光控系统自动控制窗帘的开闭；也可以通过ARM嵌入式的控制实现一键遥控多个电器的功能等等。本设计第二章介绍了本系统的设计原理，第三章为系统硬件设计，第四章系统软件
15、设计。第2章 智能家居系统总体设计2.1 系统设计任务和要求本系统由单片机控制，使用无线红外遥控技术进行一定距离的数据传输，电子密码锁的键盘输入及LCD显示，步进电机的定时转动，温度传感器数码管显示实时温度并高温警告。测量温度范围：-40+125；传输距离：大约为1-3米。2.2 课题分析首先，对于智能家居系统，基础的功能是必须满足的，同时还要满足易于控制的条件，但单片机的内存是有一定的限度的。因此选择合适的内存的单片机控制成为本次设计的重中之重。再次，对于每一个独立的功能，都需要做到最大可能的精确定时，这就要求用到定时器。每一个功能选用合适的定时器而且不会和其他功能的定时器产生冲突，也是一个
16、需要认真考虑的地方。2.3 系统可行性分析2.3.1 两种设计方案方案一：以AT89S52为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，来设计实现基本的密码锁功能。在单片机的外围电路上接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，可以使用红外进行短距离的无线遥控，接LCD1602显示器用于显示作用，以及接其他设备。方案二：以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路控制方案。由两块74LS112双JK触发器组成的逻辑电路，采用分立元件组成电子密码锁，其构造简单，可以方便的实现密码控制和报警电路控制等功能。但采用该方案使用的元件数量会过多，不仅不易进行修改设
17、置，无法根据环境的改变而适时修改功能，而且升级能力不够强大，当板制成后只能固定的实现一种特定功能。考虑到数字电路方案原理过于简单，而且不能满足现实的安全需求，而采用单片机控制的智能家居系统不仅升级方便，而且程序修改简单，所以本系统采用方案一完成电子密码锁的功能。2.3.2 键盘的选择方案一：采用独立式按键来控制使用独立式按键来控制液晶的显示需要很多的按键。该方案每一个按键实现一个功能，有易于控制，程序编写简单的优点，但是每个按键都需要接上拉电阻，这样占用了单片机大量的I/O 接口资源，不仅要对单片机外扩I/O 口，并且在电路焊接方面很不方便，浪费了大量的资源，提高了系统成本。方案二：采用矩阵式
18、按键来控制矩阵式键盘用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。把按键按行、列组成矩阵，在行列交点上都对应有一个键，这样使用的按键要少，这种判定有无键被按下以及确定被按键的位置的方法称为键扫描法。该方案虽然提高了编程的难度，但是节约了单片机大量的I/O 口资源，免去了为焊接上拉电阻带来了麻烦，提高了整块电路板的美观度。基于实际考虑，本系统选择方案二来设计按键。2.3.3 单片机的选择方案一：采用AT89C51单片机AT89C51单片机是一种低电压、高性能CMOS 8位微处理器，可以与其它51系列的单片机兼容，其内部ROM全部采用FLASH,ROM最高时钟频率可以达到2
19、4MHz，且能以3V的超低电压工作。但AT89C51内部ROM仅为4KB，不利于功能的扩展。方案二：采用AT89S52单片机AT89S52单片机具有AT89C51的全部功能，最高外接晶振可达33MHz，而且内部ROM 为8KB，有利于功能的扩展。基于实际考虑，本系统选择方案二来设计单片机。2.3.4 报警模块的选择方案一：采用语音报警 采用语音报警，虽然可以使整个系统更加完美，但是会使程序更加复杂，而且提高了整个系统的造价。方案二：采用发光二极管和蜂鸣器来报警采用发光二极管和蜂鸣器来报警，可以发出声光报警，降低了成本。基于实际考虑，本系统选择方案二来设计密码锁。2.3.5 电源模块的选择方案一
20、：采用干电池作为系统的电源 采用干电池作为单片机电子密码锁的电源，由于调试时间较长，干电池需要经常更换，不符合节约社会资源的要求，并且带方案需要有一个硬件将3节电池串联在一起以产生足够的电压，若如此，将造成携带的不便。方案二：采用5V直流稳压电源作为系统电源 采用5V直流稳压电源作为系统电源，不仅功率上可以满足系统需要，而且不需要更换电源，比较轻便，使用更加安全可靠。基于以上分析，我们决定采用方案二。2.4 设计原理结合整个系统的功能、成本、美观度等方面的综合考虑，本系统主要由单片机、矩阵键盘、液晶显示器和密码存储、红外遥控等部分组成。其中红外遥控部分用于系统启动时的功能选择；矩阵键盘用于输入
21、数字密码和一些功能的实现。用户通过连接在单片机的矩阵键盘输入密码，单片机接收键入的代码，并与存贮在ROM中的密码进行比较，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警。如果密码正确，则开锁；如果密码不正确，则允许操作人员重新输入密码，并且报警提示，对于信息，则通过LCD显示器及发出声光报警来显示；步进电机可以进行定时的正转和发转；数码管则可以根据数码采集模块显示当前的温度，并且在高于一定温度值是予以警示。系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。其中硬件部分由电源输入部分、键盘输入部分、红外遥控部分、复位部分、晶振部分、蜂鸣器报警部分、LCD显示部分、步
22、进电机部分、温度采集部分、数码管显示部分组成。软件部分对应的由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、键功能程序、延时程序、温度采集程序、数码管显示程序、步进电机驱动程序、红外遥控程序等组成。其原理框图如图2-1所示。Lcd显示电路复位电路数码管显示电路红外遥控电路步进电机电路键盘扫描电路AT89S52报警电路晶振电路电源电路温度采集电路 图 2-1 智能家居系统原理框图2.5 系统组成在确定了选用什么型号的单片机后，就要确定外围电路。其外围电路包括电源输入部分、红外遥控、键盘输入部分、复位部分、晶振部分、温度采集部分、数码管显示部分、步进电机部分、报警部分、LCD部分，根据实际情况
23、，键盘输入部分选择4*4矩阵键盘，显示部分选择液晶显示LCD1602，步进电机采用MP28GA，温度采集使用DS18B20数字温度传感器。根据以上器件，选取了上海浩豚电子科技公司生产的MINI80单片机开发板作为基本的模拟环境。该开发板器件优良，做工精细，完全可以满足本次设计需求。其原理图如图2-2所示。图 2-2 开发板硬件电路原理图第3章 智能家居系统的硬件电路设计3.1 单片机AT89S52简介3.1.1 主要特性AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完
24、全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM， 32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器
25、被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。主要性能1与MCS-51单片机产品兼容； 28K字节在系统可编程Flash存储器； 31000次擦写周期； 4全静态操作：0Hz-33MHz； 5三级加密程序存储器； 632个可编程I/O口线； 7三个16位定时器/计数器； 8六个中断源； 9全双工UART串行通道； 10低功耗空闲和掉电模式； 11掉电后中断可唤醒； 12看门狗定时器； 13双数据指针； 14掉电标识符 。3.1.2 管脚说明管脚如图3-1所示。图 3-1 AT89S52管脚图P0口：一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0
26、端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入，当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 P1 口：一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的
27、触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能： P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出； P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）； P1.5 MOSI（在系统编程用）；P1.6 MISO（在系统编程用）； P1.7 SCK（在系统编程用）； P2口：一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动。 P3口：一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用
28、。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 端口引脚 第二功能： P3.0 RXD(串行输入口)；P3.1 TXD(串行输出口)； P3.2 INTO(外中断0)； P3.3 INT1(外中断1)； P3.4 TO(定时/计数器0)； P3.5 T1(定时/计数器1) ；P3.6 WR(外部数据存储
29、器写选通)； P3.7 RD(外部数据存储器读选通) ；此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。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。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单
30、元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。 SEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vc
31、c端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2 红外遥控简介 红外遥控使用方便，功能多目前已广泛应用在电视机、VCD、DVD、空调等各种家用电器中，且价格便宜，市场上非常容易买到。如果能将遥控器上许多的按键解码出来用作单片机系统的输入则解决了常规矩阵键盘线路板过大、布线复杂、占用IO口过多的弊病。而且通过使用遥控器，操作时可实现人与设备的分离，从而更加方便使用。本设计采用TC9012为编
32、码芯片的遥控器。3.2.1 编码格式10和1的编码遥控器发射的信号由一串0和1的二进制代码组成不同的芯片对0和1的编码有所不同。通常有曼彻斯特编码和脉冲宽度编码。TC9012的0和1采用PWM方法编码，即脉冲宽度调制。0码由0.56ms低电平和0.56ms高电平组合而成脉冲宽度为1.12ms1码由0.56ms低电平和1.69ms高电平组合而成脉冲宽度为2.25ms。在编写解码程序时通过判断脉冲的宽度，即可得到0或1。2按键的编码当我们按下遥控器的按键时，遥控器将发出一串二进制代码，我们称它为一帧数据。根据各部分的功能。可将它们分为5部分，分别为引导码、地址码、地址码、数据码、数据反码。遥控器发
33、射代码时均是低位在前。高位在后。由分析可以得到，引导码高电平为4.5ms，低电平为4.5ms。当接收到此码时，表示一帧数据的开始。单片机可以准备接收下面的数据。地址码由8位二进制组成，共256种。图中地址码重发了一次。主要是加强遥控器的可靠性。如果两次地址码不相同，则说明本帧数据有错，应丢弃。不同的设备可以拥有不同的地址码。因此，同种编码的遥控器只要设置地址码不同，也不会相互干扰。图中的地址码为十六进制的0EH(注意低位在前)。在同一个遥控器中所有按键发出的地址码都是相同的。数据码为8位，可编码256种状态，代表实际所按下的键。数据反码是数据码的各位求反，通过比较数据码与数据反码可判断接收到的
34、数据是否正确。如果数据码与数据反码之间的关系不满足相反的关系则本次遥控接收有误，数据应丢弃。在同一个遥控器上所有按键的数据码均不相同。数据码为十六进制的0CH，数据反码为十六进制的0F3H(注意低位在前)，两者之和应为0FFH。3.2.2 遥控信号的解码算法及程序编制当遥控器无键按下。红外发射二极管不发出信号，遥控接收头输出信号1。有键按下时，0和1编码的高电平经遥控头倒相后会输出信号0。由于与单片机的中断脚相连，将会引起单片机中断(单片机预先设定为下降沿产生中断)。单片机在中断时使用定时器0或定时器1开始计时，到下一个脉冲到来时，即再次产生中断时，先将计时值取出。清零计时值后再开始计时，通过
35、判断每次中断与上一次中断之间的时间间隔。便可知接收到的是引导码还是0和1。如果计时值为9ms。接收到的是引导码，如果计时值等于1.12ms，接收到的是编码0。如果计时值等于2.25ms接收到的是编码1。在判断时间时，应考虑一定的误差值。因为不同的遥控器由于晶振参数等原因，发射及接收到的时间也会有很小的误差。在本设计中我们采用红外一体化接收头HS0038，红外发射的信号编码如图3-2所示。图 3-2 红外发射编码示意图由图3-2可以看出，红外发射出的码通过38K载波，一体化的接收头信号端出的码则通过内部电路解调并整形，输出的则是数据波形。利用这种性能可以做出红外遥控器解码。解码方法如下：(1)
36、设外部中断0(或者1)为下降沿中断，定时器0(或者1)为16位计时器初始值为0。(2) 第一次进入遥控中断后，开始计。(3) 从第二次进入遥控中断起，先停止计时。并将计时值保存后，再重新计时。如果计时值等于前导码的时间，设立前导码标志。准备接收下面的一帧遥控数据，如果计时值不等于前导码的时间，但前面已接收到前导码，则判断是遥控数据的0还是1。(4) 继续接收下面的地址码、数据码、数据反码。(5) 当接收到32位数据时，说明一帧数据接收完毕。此时可停止定时器的计时，并判断本次接收是否有效如果两次地址码相同且等于本系统的地址，数据码与数据反码之和等0FFH，则接收的本帧数据码有效。否则丢弃本次接收
37、到的数据。(6) 接收完毕，初始化本次接收的数据，准备下一次遥控接收。3.3 44矩阵键盘由于本系统所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘，采用的是矩阵式按键键盘。它由行线和列线组成，也称行列式键盘，按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，要节省很多I/O口。每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可组成具有NM个按键的键盘。首先辨别键盘中有无按键按下，通过单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字FFH，把全部列线置为低电平，然后
38、将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。判断键盘中哪一个键被按下是通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。接线如图3-3。图 3-3 行列式矩阵键盘电路示意图本设计中使用的这个4*4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用。按键的操作面板如表3-1所示。 表3-1 按键操作面板示意表048 159修改26 删除37 确定3.4 步进电机步进电机作为执行元件，是机电一
39、体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机
40、（vr）、永磁式步进电机（pm）、混合式步进电机（hb）和单相式步进电机等。本次设计选用的是感应子式四向四拍步进电机。3.4.1 反应式步进电机原理下面通过三相反应式步进电机原理来了解步进电机的一般工作原理。(1) 结构 如图3-4所示。电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1） 图3-4 反应时步进电机结构(2) 旋转 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转
41、子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序
42、决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-CCA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 (3) 力矩电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生
43、力F与（d/d）成正比 S 其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/R NI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。3.4.2 感应子式步进电机特点感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，
44、其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C= ,D= . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。 3.4.3 感应子式
45、步进电机分类感应子式步进电机以相数可分为 ：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3.5 LCD1602显示器现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。LCD器件引脚如图3-5所示。
46、图3-5 1602LCD引脚示意图显示地址如图3-6所示。图3-6 1602LCD显示地址示意图3.5.1 接口信号说明1602型LCD的接口信号说明如表3-2所示。 表3-2 1602型LCD的接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3V0液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极3.5.2 主要技术参数1602型LCD的主要技术参数如表3-3所示所示。 表3-3 1602型LCD的主要技术参数显示容量16X2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm3.5.3 基本操作程序读状态：输入：RS=L，RW=L，E=H
