湖南工程學院 課 程 設 計 課程名稱 課題名稱 專 業 班 級 學 號 姓 名 指導教師 年 月 日 湖 南工程學院 課 程 設 計 任 務 書 課程名稱 單片機原理與應用 課 題 機械手順序控制器 專業班級 電子信息 0201 03 學生姓名 學 號 指導老師 審 批 任務書下達日期 年 月 日 任務完成日期 年 月 日 設計內容與設計要求 設計內容： 用單片機設計一個機械手順序控制器，用來對某一機械手作業的 8 個工序按時間節拍進行順序控制，并有合適鍵盤操作和的工序指示功能。 設計要求： 1）確定系統設計方案； 2）進行系統的硬件設計； 3）完成必要的參數計算與元器件選擇； 4）完成應用程序設計； *5）進行部分單元電路及應用程序的調試； 主 要 設 計 條 件 機械手控制系統的工作時間節拍為 5秒，設作業工序流程如下： 1、 2 2、 3 3、 4 4、 5 5、 6 6、 7 7、 8 8、 1 說 明 書 格 式 1. 課程設計任務書 2. 目錄 3. 系統總體方案選擇與說明 4. 系統結構框圖與工作原理 5. 各單元硬件設計說明及計算方法 6. 軟件設計與說明（包括流程圖） 7. 調試結果與必要的調試說明 8. 使用說明 9. 程序清單 10、總結 11、參考文獻 附錄 附錄 A 系統原理圖 附錄 B 程序清單 進 度 安 排 設計時間為兩周 第一周 星期一、上午：布置課題任務，講課及課題介紹 下午：借閱有關資料，總體方案討論 星期二、確定總體設計方案 星期三、硬件模塊方案設計 星期四、軟件模塊方案設計 星期 五、各硬件模塊設計 第二周 星期一、各硬件模塊設計 星期二、各軟件模塊設計 星期三、各軟件模塊設計 星期四、寫說明書 星期五、上午：寫說明書，整理資料 下午：交設計資料，答辯 參 考 文 獻 參考文獻 1、 教材單片微型計算機技術 劉國榮 編 機械工業出版社 2、 單片微型計算機原理、應用及接口技術 張迎新 編 國防工業出版社 3、 單片機實用系統設計技術 房小翠 編 國防工業出版社 4、單片機應用系統設計 何立民 編 北航出版社 5、單片機原理及接口技術 曹琳琳編 國防科技大學出版社 電氣與信息工程系課程設計評分表 項 目 評 價 設計方案的合理性與創造性 硬件制作或軟件編程完成情況 * 硬件制作測試或軟件調試結果 * 設計說明書質量 設計圖紙質量 答辯匯報的條理性和獨特見解 答辯中對所提問題的回答情況 完成任務情況 獨立工作能力 組織紀律性（出勤率） 綜合評分 指導教師簽名： _ 日 期： _ 注： 表中標 *號項目是硬件制作或軟件編程類課題必填內容； 此表裝訂在課程設計說明書的最后一頁。課程設計說明書裝訂順序：封面、任務書、目錄、正文、評分表、附件（非 16K 大小的圖紙及程序清單）。 前 言 計算機的出現使人類的生活發生了翻天覆地的變化。單片機也是伴隨著計算機的產生而產生和發展的。也可以毫不夸張地說，單片機技術的出現給現代工業測控領域帶來了 一次新的技術革命。它使原來用分立元件進行的控制，轉變到用程序進行控制，使控制的可靠性增加了，功能增多了，成本降低了，控制更靈活了。最重要的是，使學習和掌握測控技術變得更加容易。許多非自動化控制專業的人員也能毫不費力地、甚至通過自學單片機技術而成為此專業的控制專家。因單片機技術的應用而產生了許多新興的專業，它開辟了更多的單片機應用領域，如工業控制、自動化設備、機床、數據采集和處理、智能化儀器儀表、辦公自動化、家電、汽車、醫療器械等。越來越多的人在關心、學習、從事單片機應用技術。 單片微型計算機是把組成微型計算 機的各功能部件，既中央處理器CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM， I/O 接口電路、定時 /計數器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，簡稱單片機。它是隨微型計算機的發展而產生和發展的，在智能化儀表、檢測和控制系統領域中有著廣泛的應用。 目 錄 一 系統總體設計 . 3 1.1 設計內容 . 3 1.2 設計要求 . 3 1.3 設計思路 .3 1.4 系統結構 . .3 二 硬件電路設計與框圖 . 4 2.1 單片機的選擇 . 4 2.2 按鍵電路設計與器件選擇 . 5 2.3 LED 顯示電路設計 . 6 2.4 一位顯示器電路 . 7 2.5 時鐘與復位電路 . . 8 三 系統軟件設計 . . 9 3.1 主程序模塊 . . 9 3.2 數碼顯示模塊 . . . 11 3.3 延時子程序 . . 12 3.4 數據表 . 12 四 調試說明與調試結果 . 13 五 系統功能及操作說明 . 13 5.1 系統功能 . . 13 5.2 操作說明 . 13 六 總結與體會 . 14 七 附錄 . 15 附錄 1 顯示模塊流程圖 . 15 附錄 2 主程序流程圖 . 16 附錄 3 硬件電路原理圖 . 17 八 參考文獻 . . 18 一 、 系統的總體設計 1.1 設計內容 該課題是用 MCS 51單片機實現機械手的控制。要求機械手完成五種加工方法，用相應按鍵選擇；每種加工方法有八道工序，用高低電平信號表示，并用發光二極管模擬，同時用數碼管顯示工序步數。 1.2 設計要求 1）確定系統設計方案； 2）進行系統的硬件設計； 3）完成必要的參數計算與元器件選擇； 4）完成應用程序設計； *5）進行部分單元電路及應用程序的調試； 1.3 設計思路 根據設計要求，初步思路如下： 1）將各種加工方法的八道工序對應的高低電 平模擬信號用十六進制表示，存入五個數據表中。 2）五種加工方法各有一按鍵控制，通過單片機的一端口輸入控制信號，同時在端口的一位設置一停止按鈕，作為一種加工方法的結束。 3）用八個 LED 模擬加工工序，接于單片機的一個端口，作為輸出口。 4）將工序步數 1 8 對應的數碼顯示字形存入一數表，用查表方式在串行口輸出要數碼顯示的工序步數字形，然后并行輸入到七段顯示器。 1.4 系統結構 硬件：實驗室提供的 MCS 51 單片機 、 七個開關按鈕 、 八個 LED 燈 、一片數碼管 、 一片 74LS164。 單片機接口分配和接線： P1 口作為數據輸出端， P1.0 P1.7 分別接LED1 LED8 作為工序信號模擬顯示； P2 口作為控制輸入端， P2.0 P2.4分別接按鈕 K1 K5 作為加工方法選擇鍵； P2.5 接按鈕 STOP 作為停止按鍵； RXD 作為串行數據輸出端接 74LS164 的 DATA 端 ,TXD 作為時鐘脈沖輸出端接 CLK。 寄存器分配： R2 作為工序控制寄存器， R0 作為輸出顯示間接尋址寄存器， 79H 作為輸出顯示緩沖區。 R4、 R5、 R6、 R7 在延時子程序中使用。 二、硬件電路設計與框圖 根據設計要求與設計思路，確定該系統的設計方案，圖 1為 該系統設計方案的硬件電路設計框圖。硬件電路有四部分組成，即單片機按鍵輸入電路、 LED 顯示驅動電路、一位顯示器電路和時鐘與復位電路。系統總框圖見圖 1。下面我們將分別對硬件電路的設計作詳細介紹。 圖 1 系統總框圖 2.1 單片機的選擇 根據初步設計方案的分析，設計這樣一個簡單的應用系統可以選擇采用 HM0S制造工藝制造的 MCS 51單片機，都采用 40管腳雙列直插式封裝，因此可以選用 8031 或 8051，應用程序直接存放在片內，不用在內部擴展程序存儲器，電路簡化，使整 個硬件電路體積小，物美價廉，經濟實用。下面對 8051 的主要特點作簡要說明。 P0 口（ 32 39 腳） 8 路漏極開路型雙向并行 I/O 口。在訪問外部存儲器時， P0 口作為低 8 位地址數據總線復用口，可分時操作，先傳送低 8位地址，利用 ALE 信號的下降沿將地址鎖存，然后作為 8位雙向數據總線使用，用來傳送 8位數據。 外部不擴展而芯片應用時，作雙向 I/O 口使用， P0 口能以吸 收電流的方式驅動 8個 LSTTL 負載。 P1 口（ 1 8 腳） 具有內部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口，在對片內EPROM 編程及校驗時，它接收低 8位地址 ， P1 口能驅動 4個 LSTTL 負載。 P2 口（ 21 28 腳） 8 位具有內部上拉電阻的準雙向 I/O 口，在外接存儲器時， P2 口作為高 8 位地址總線，在對片內 EPROM 編程及校驗時，它接收高位地址。 P2 口能驅動 4 個 LSTTL 負載。 P3 口（ 10 17 腳） 8 位帶有內部上拉電阻的準雙向 I/O 口。每一位又具有如下特殊功能（或稱第二功能）： P3.0(RXD):串行輸入端。 P3.1(TXD):串行輸出端。 P3.2(INTO):外部中斷 0輸入端 ,低電平有效。 P3.3(INT1): 外部中斷 1 輸入端 ,低電平有效。 P3.4(TO)：定時 /計數器 0 外部事件計數輸入端。 P3.5(T1): 定時 /計數器 1 外部事件計數輸入端。 P3.6(WR):外部數據存儲器寫選通信號，低電平有效。 P3.7(RD):外部數據存儲器讀選通信號，低電平有效。 2.2 按鍵電路設計與器件選擇 （ 1） 鍵盤結構的選擇 鍵盤結構可以分為獨立式鍵盤和行列式 鍵盤（矩陣式）兩類。本系統只需要六個按鍵，因此選擇獨立式鍵盤。電路有按鍵和六個電阻組成，按鍵可以采用輕觸開關，按鍵分別命名為 K1、K2、 K3、 K4、 K5 和 STOP 鍵，電阻阻值為 6 1 歐。 圖 2 鍵盤電路 （ 2） 鍵盤與單片機的接口電路設計 將鍵盤直接與單片機的 P2 口連接，作為 I/O 口使用，用 P2.0 P2.4 分別通過電阻與 K1 K5 連接，作為加工方法選擇按鍵； P2.5 通過電阻與 STOP 連接，作為工序循環停止按鍵。 （ 3） 按鍵去抖動的處理 由于機械觸點的彈性作用，在閉合及 斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，而按鍵穩定閉合時間的長短 圖 3 去按鍵抖動程序流程圖 則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為幾秒至數秒。鍵抖動 會引起一次按鍵被誤讀為多次，為了確保 CPU 對鍵的一次閉合僅作一次處理，我們用軟件去抖動的方法，程序流程圖如圖 2，程序見程序清單。 2.3 LED 顯示電路設計 開始 有鍵閉合嗎？ 有鍵閉合嗎？ 等待松鍵 延時 10ms 子程序 N N Y Y 圖 4 LED 顯示電路 用單片機的 P1 口作為 I/O 口，輸出工序模擬信號， P1.0 P1.7 分別通過電阻與 LED1 LED8 連接，電阻可用 8 1 歐。當數據在 P1口輸出時，將驅動二極管發光。 2.4 一位顯示器電路 本系統只需顯示工序進行步數，故只需一位 數碼管顯示器， 我們用串行口方式 0 輸出 1 8 的顯示字形碼，但顯示器的驅動需八位并行數據，故采用一片 74164 作為一位數碼顯示器的靜態連接端口， 74164的低電平輸出電流 8mA，可直接驅動共陽極七段 LED。 2.4.1 174LS164 的介紹 我們使用 74164 作為串行輸入并行輸出的轉換。 功能表： 2.4.2 LED 數碼管 LED 數碼管是單片機控制系統中最常用的顯示器件之一， LED 數碼管在單片機系統中的地位類似于 CRT（陰極射線管）顯 示器在臺式微機系統中的地位（ CRT 顯示器是臺史微機系統的標準輸出設備）。 LED 數碼管用a g 段顯示數字和字符的筆畫， dp 顯示小數點，一英寸以下的 LED 數碼管內，每一筆段含有一只 LED 發光二極管，導通壓降為 1.2 2.5v。根據LED 數碼管內各筆段 LED 發光二極管的連接方式，可以將 LED 數碼管分為共陰極和共陽極兩大累。本實驗中所用的是共陽極接法。根據 LED 的結構，不同筆段的組合就可以構成不同的字符， 7 段可以顯示 128 種不同的字符，起字符表如下。 LED 顯示器十六進制數的字形代碼 字形 段 g f e d c b a 共陽極 代碼 0 暗 亮 亮 亮 亮 亮 亮 03H 1 暗 暗 暗 暗 亮 亮 暗 9FH 2 亮 暗 亮 亮 暗 亮 亮 25H 3 亮 暗 暗 亮 亮 亮 亮 0DH 4 亮 亮 暗 暗 亮 亮 暗 99H 5 亮 亮 暗 亮 亮 暗 亮 49H 6 亮 亮 亮 亮 亮 暗 亮 41H 7 暗 暗 暗 暗 亮 亮 亮 1FH 8 亮 亮 亮 亮 亮 亮 亮 01H 采用軟件查表向 74164 輸出字形代碼，有單片機的 RXD 端輸 出數據到74164 的 DATA 端，同時 TXD 端輸出移位脈沖接 74164 的 CLK 作為時鐘。由于顯示器工作是靜態的，主程序可不必掃描顯示器，從而節省了主程序的時間。 圖 5 數碼顯示電路 2.5 時鐘與復位電路 單片機工作的時間基準是由時鐘電路提供的。在單片機的 XTAL1 和XTAL2 兩個管腳，接一只晶振和兩只電容就構成了單片機的時鐘電路。電路中電容器 C1、 C2 對振蕩電路起微調作用，通常的取值范圍為（ 20 40）pF。石英晶體選擇 12MHz。 單片機的 RST 管腳 為為主機提供一個外部復位信號輸入端口，復位信號是高電平有效，高電平有效的持續時間應為 2個機器周期以上。在此，我們選擇手動復位組合電路，復位以后，單片機各內部件恢復到初始狀態。RST 按鍵可以選擇專門的復位按鍵也可以選擇輕觸開關。 圖 6 時鐘與復位電路 系統硬件原理圖見附錄表。 三、 系統軟件設計 3.1 主程序模塊 程序開始首先將工序控制寄存器 R2 清零，將工序模擬顯示燈清零即將 P1口清零。然后在程序段 STA 檢測 P2 口的輸入情況，如果某一位假設P2.2 為高電平，就轉到該位對應的按鍵所控制的下一段程序 NEXT2 處執行，先調用一延時 10ms 子程序，然后重新判斷該位是否還為高電平，否，就返回 STA 重新檢測，是，就繼續執行下一步，判斷該為是否變為低電平，否，就在此等待松鍵，是，就將該加工方法的工序模擬信號所在的表格標號 TAB2 送查表基 址 DPTR，然后轉到主程序端 LOOP 執行。 將工序控制寄存器 R2 的值給累加器 A，然后查表，將查出的值送 A到中，再在 P1 口輸出，即驅動了 LED 燈顯示，將 R2 加一準備執行下一道工序，然后將 R2 的值存入顯示緩沖區 79H，將 DPTR 入棧保護，調用數碼顯示子程序，將工序步數在數碼管同步顯示，然后將 DPTR 出?；謴同F場，調用延時 5s 子程序作為工序間隔。再判斷八道工序是否全部執行完，若否就轉回 LOOP 執行下一步工序，若已完就判斷停止按鈕是否按下，按下就返回主程序開始處重新開始，沒按下就將 R2 清零進行下一個工序循環。 其程 序流程圖見附錄。 主程序清單如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN:MOV R2,#00H ；將工序控制寄存器零 MOV P1,#00H ；將 P1 口清零 MOV R0,#00H ；將寄存器 R0 清零 STA: JB P2.0,NEXT1 ；判斷哪個按鍵被按下就 JB P2.1,NEXT2 轉到應程序段處執行 JB P2.2,NEXT3 JB P2.3,NEXT4 JB P2.4,NEXT5 LJMP STA NEXT1:LCALL DLS10MS ；調用延時 10ms 子程序 JNB P2.0, STA ； P2.0=0 就返回重新判斷 JB P2.0, $ ； P2.0=1 等待松鍵 MOV DPTR, #TAB1 ；將表首址給查表基址 DPTR LJMP LOOP ；轉到 LOOP 程序段 NEXT2:LCALL DLS10MS JNB P2.1, STA JB P2.1, $ MOV DPTR, #TAB2 LJMP LOOP NEXT3:LCALL DLS10MS JNB P2.2, STA JB P2.2, $ MOV DPTR, #TAB3 LJMP LOOP NEXT4:LCALL DLS10MS JNB P2.3,STA JB P2.3,$ MOV DPTR,#TAB4 LJMP LOOP NEXT5:LCALL DLS10MS JNB P2.4,STA JB P2.4,$ MOV DPTR,#TAB5 LJMP LOOP LOOP:MOV A,R2 ；將 R2 的值給 A MOVC A,A+DPTR ；查表將查出的值送到 A中 MOV P1,A ；將 A 中的數送 P1 口輸出 INC R2 ； R2 自加一 MOV 79H,R2 ；將 R2 的值送 輸出緩沖 79H PUSH DPH ；保護現場 PUSH DPL LCALL DISP ；調用數碼顯示子程序 LCALL DLS5S ；調用延時 5s 子程序 POP DPL ；恢復現場 POP DPH CJNE R2,#08H,LOOP ；八步未完成就返回 LOOP JB P2.5,MAIN ；停止按鈕按下就返回 MAIN MOV R2,#00H ；將 R2 清零 LJMP LOOP ；轉到 LOOP 3.2 數碼顯示模塊 程序開始設置串行口輸出控制字 SCON 為方式 0 發送，然后將顯示緩沖區 79H 送 R0，將 0 8字形代碼表的標志 SEGPT 送查表基址 DPTR，用寄存器間接尋址把要顯示的數送到 A中，查表將查出的字形代碼送到 A 中，然后將其寫入發送緩沖器 SBUF，八位數據開始從 RXD 端串行發送到 74164中，當八位數據發送完畢時，數據和移 位脈沖停止發送，并自動將發送中斷標志位 TI 置 1，因此 設置一檢測指令，判斷 TI 是否已為 1，為 1 就是已發送完畢，用軟件將其清零，然后返回主程序。其程序流程圖見附錄。 顯示子程序清單如下： DISP:MOV SCON,#00H ；置串行方式 0 MOV R0,#79H ；將顯示緩沖區中值送 R0 MOV DPTR,#SEGPT ；字形表首址送 DPTR MOV A,R0 ；取出要顯示的數送 A MOVC A,A+DPTR ；查出字形 MOV SBUF,A ；字形送串行口 WAIT:JNB TI,WAIT ；輸出完否 CLR TI ；完，清中斷標志 RET ；返回 3.3 延時子程序 我們采用軟件延時，根據指令占用的機器周期，用寄存器控制次數的多重循環來實現。程序清單如下： 延時 10ms： DLS10MS:MOV R7,#10 ； 1T DL1:MOV R6,#249 ； 1T DL2:NOP ； 1T NOP ； 1T DJNZ R6,DL2 ； 2T R6-1 0轉到 DL2 DJNZ R7,DL1 ； 2T R7-1 0轉到 DL1 RET ； 2T 延時 5s： DLS5S:MOV R6,#20 ； 1T DL3:MOV R5,#251 ； 1T DL4:MOV R4,#248 ； 1T DL5:NOP ； 1T NOP ； 1T DJNZ R4,DL5 ； 2T R4-1 0轉到 DL5 DJNZ R5,DL4 ； 2T R5-1 0轉到 DL4 DJNZ R6,DL3 ； 2T R6-1 0轉到 DL3 RET ； 2T 3.4 數據表 TAB1:DB 03H,04H,05H,06H,07H,08H,09H,0AH TAB2:DB 18H,27H,53H,30H,45H,06H,07H,08H TAB3:DB 10H,12H,13H,14H,15H,16H,17H,18H TAB4:DB 78H,34H,5AH,16H,04H,25H,8EH,23H TAB5:DB 12H,45H,67H,09H,6CH,6BH,98H,26H SEGPT:DB 03H,9FH,25H,0DH,99H DB 49H,41H,1FH,01H ；字形“ 0 8” END ；結束 四、調試說明與調試結果 用軟件 U51 編輯好程序后，匯編、下載然后運行，選擇一種加工方法的按鈕按下程序停止在等待松鍵處，松鍵后程序繼續運行，工序模擬燈間隔 5秒依次點亮工作相應的燈，同時數碼管顯示工序步數。按下停止按鈕，在工序完成第八道工序后自動停止，若不按下，則工序 繼續循環進行。 五、系統功能及操作說明 5.1 系統功能 本設計能夠控制機械手完成五種加工方法。它有五個按鍵，每 個按鍵代表一種加工方法，每一種加工方法都包括八道加工工序，執行工序時， LED 燈能夠模擬其工作情況，燈亮表示該項工作進行，燈滅表示該項工作停止，同時顯示器同步顯示工序進行的步數，每道工序間隔 5秒鐘。當一種加工方法的八道工序進行完后，若停止按鈕已按下，則機械手的工作停止，未按下則該加工方法繼續循環執行。 5.2 操作說明 （ 1）選擇要進行的加工方法按鈕按下。 （ 2）機械手就開始依次執行該加 工方法的八道工序，通過 LED 燈的顯示可觀察機械手的工作情況，同時通過顯示器可看到工序的進度。（ 3）按下停止按鈕可控制該加工方法在八道工序完成后自動停止。若未按下將繼續循環執行八道工序。 六、總結與體會 緊張與忙碌使兩周的時間不知不覺地從身邊走過，回想兩周以來的設計過程，期間值得回味的有很多。從接到