1、畢 業 設 計 （ 論 文 ） 題 目 基于 pwm 的按摩機傳動控制電路設計 作 者 e l e c 系 別 信息與電氣工程學院 專 業 電子信息工程 二 五 年 六 月 一 日 摘 要 本設計在描述按摩機功能的基礎上，完成了一個基于 pwm（脈沖寬度調制）調速的按摩機傳動控制 系統電路的設計。本設計以單片機技術和直流電機 pwm 調速技術為基礎提出了控制系統框架和具體設計 技術方案，從硬件電路方面闡述了控制系統的總體實現，結合硬件提出軟件設計思想，利用匯編語言將 之實現，并利用按鍵，蜂鳴器,氖燈，led 數碼管等外圍設備為用戶提供服務，實現人機交互和按摩功能。 通過按鍵，用戶可以讓按摩機工

2、作在最具舒適的按摩工作方式和振動速度上；利用蜂鳴器來告警或提示 按摩完成；利用氖燈顯示當前的工作狀態；利用 led 數碼管顯示電機當前的轉速。本設計是基于單片機 的 pwm 傳動控制電路的軟硬件結合， pwm 調制原理實現技術較復雜,硬件上利用 mosfet(金屬氧化半導 體場效應晶體管)來實現，軟件上利用交流檢測結果,完成單片機定時器延時和查表功能。本設計不但結 合了單片機開發技術，而且綜合運用了直流電機 pwm 技術、交流檢測技術以及 led 驅動與控制技術，實 現了按摩機控制系統人機交互。 關鍵字：關鍵字：pwm mosfet 交流檢測技術 led 驅動與控制 abstract the

3、design, in describing the foundation of massage machine function, completed a spread to move and control system electric circuit, which based on pwm (pulse width modulated). with techniques of scm (single chip microcomputer) and pwm of dc (direct current) motor, the design put forward the control sy

4、stem frame and the concrete design technique projects at first. then elaborated the total realization of the control system from the hardware electric circuit. next, combined the hardware to put forward the mind of software design, and made use of assembly language carrying out it. finally, made use

5、 of the peripherals, such as the key, the buzzer，the neon lamp and the led (light emitting diode) figures tube, providing the service for the customer, and carry out the massage function and interaction for both the machine and the person. the customer can let massage machine work on the comfortable

6、 method and vibration speeds by the key; make use of the buzzer warning or hinting the massage has finished; make use of neon lamp shows the current work appearance; and use the led figures tube to manifestation present speed of motor. the design is a software and hardwares combination that based on

7、 the pwm of spread to move and control system electric circuit. its more complicated to carry out the technique of pwm. on the hardware, make use of the mosfet (metal oxide semiconductor field effect transistor) carrying out it; on the software, make use of the result of exchanges examination, setti

8、ng the scm postpone and checking the form. the design not only used technique of scm, but also synthesized the technique of the pwm of dc motor, the technique of exchanges examination and the technique of drive and control of led, to carry out the control system of massage machine and persons intera

9、ction. keywords: pwm mosfet technique of exchanges examination drive and control of led 目 錄 1 1 概述概述 .1 1 2 2 按摩機控制系統框架設計按摩機控制系統框架設計 .3 3 3 3 直流電機直流電機 pwmpwm 調速控制原理調速控制原理 .5 5 3.1 直流電動機驅動方式 .6 3.2 直流電機 pwm 調速原理與控制技術 .7 4 4 按摩機控制系統設計技術方案按摩機控制系統設計技術方案 .9 9 4.1 系統電源設計 .9 4.2 系統所選用單片機簡介 .10 4.3 系統單片機外部擴

10、展 .11 4.4 交流檢測電路 .12 4.5 電機控制方案 .13 4.6 led 的數碼管驅動.13 5 5 按摩機控制系統硬件設計按摩機控制系統硬件設計 .1515 5.1 電源電路 .15 5.2 復位電路 .16 5.3 電機和氖燈控制電路 .16 5.4 按鍵顯示部分電路 .18 6 6 按摩機控制系統軟件設計思想按摩機控制系統軟件設計思想 .1919 6.1 電機控制設計 .19 6.2 led 驅動設計.20 6.3 交流檢測設計 .21 7 7 按摩機控制系統軟件匯編實現按摩機控制系統軟件匯編實現 .2222 7.1 單片機端口與寄存器的初始化 .22 7.2 主程序代碼部

11、分 .24 7.3 交流檢測模塊 .25 7.4 電動機的控制實現 .26 7.5 數碼管顯示驅動模塊 .27 結束語結束語 .2929 致謝致謝 .3030 參考文獻參考文獻 .3131 附錄附錄 匯編程序匯編程序 .3232 1 概述 以大規模集成電路為主的微型計算機單片微型計算機（single chip microcomputer） ，簡稱單 片機，又稱嵌入式微控制器（embedded microcontroller） 。單片機具有優異的性能價格比，集成度高、 體積小、可靠性高，控制功能強和低電壓、低功耗等特點，在工業控制、智能化儀器儀表、智能接口、 家用電器、兒童玩具、健身器材等許多領

12、域都得到了廣泛的應用。隨著社會的發展和進步，隨著電子信 息技術的飛躍，單片機開發與應用技術已經顯得越來越重要，成為了一門重要的電子電氣技術學科，同 時亦成為了新產品研發設計的關鍵技術。 現代社會發展越來越快，人們生活節奏也快，隨之而來工作壓力也越來越大。人們渴望休閑，渴望 健康。于是當前人們對健康非常關注和重視，而按摩對人體健康有特殊促進功效。按摩機就是在這一背 景下產生。為了滿足人們的需要和市場的需求，按摩機控制系統開發技術應運而生。本畢業設計采用單 片機開發與應用技術而設計一種簡易的按摩機控制系統，以實現基本按摩功能。本按摩機傳動控制電路 可實現市面上各類型按摩機的基本功能，并且結構簡單，

13、成本低廉，體積不大，可滿足人體腰部，足部 以及頸部的按摩需要。 本按摩機控制系統以單片機為控制核心，是基于 pwm（脈沖寬度調制）調制原理的直流電機控制 應用方案。直流電機脈沖寬度調制（pulse width modulated，pwm）調速技術最早產生于 20 世紀 70 年 代中期，用于不可逆，小功率的驅動，例如天文望遠鏡，自動記錄儀表等。近 10 多年來，單片機技術 和集成電路技術的發展以及寬調速永磁直流電動機的出現，促使 pwm 技術高速發展，并使電氣驅動技 術達到一個新的高度。本設計即利用了直流電機 pwm 技術實現了電機調速控制，同時用到了 led 驅動 與控制技術和交流檢測技術完

14、成控制系統所需實現功能。 本按摩機利用單片機完成系統總體控制功能，并利用按鍵，蜂鳴器，發光二極管，氖燈和 led 數碼 管等外圍設備為用戶提供服務，實現人機交互，實現其按摩功能；通過按鍵，用戶可以讓按摩機工作在 最具舒適的按摩工作方式和振動速度上；利用蜂鳴器來告警或提示按摩完成；利用氖燈顯示當前的工作 狀態；利 led 數碼管顯示電機當前的轉速。 本按摩機由電動機的轉動形成振動，而單片機可以通過控制振動的方式和時間來按用戶的需要進行 按摩，其具體按摩功能描述如下： 1. 可以有十八檔速度速度進行按摩，按摩機選用調速性能較好的直流電機，利用調速技術對電機 進行調速，共設 18 檔速度。 2. 可

15、以提供四種獨特的按摩方式： 1) 定速按摩，此種方式最為簡單，是常見的按摩方式，在這種方式下，電機在某一速度檔保持 恒定轉速，按摩機以均勻的振動速度進行按摩。 2) 快慢按摩，此種方式用戶可通過設定速度檔來改變按摩機振動速度，但此種方式按摩機以快 速和慢速振動交替進行。 3) 波浪感按摩，此種方式按摩速度從慢到快地連續變化，給用戶一種波浪從身體經過的感覺， 這種方式適合老人和兒童。 4) 隨機方式按摩，電機轉動速度隨時間隨機變化，沒有特定的節奏。應該注意的是這種方式并 不是上述 3 種方式以隨機的形式進行按摩。 3. 用戶可根據個人喜好利用按鍵調節速度檔次以及按摩方式。按摩機提供了 6 個按鍵

16、：兩個調速 按鍵，分別完成降檔調速，升檔調速；一個模式轉換按鍵，用于切換當前的按摩方式；一個電源開關按 鍵，提供系統上電；一個氖燈轉換按鍵，顯示按摩機工作狀態；一個數碼管轉換按鍵，顯示電機轉速。 2 按摩機控制系統框架設計 設計系統框架時，除了考慮實現按摩功能外，系統的可操作性和安全性也是至關重要的。為了方便 用戶使用，給他們舒適的感受，按摩機必須設計良好的用戶操作按鍵以及必要的顯示系統；為了保證使 用過程中的安全，在設計中必須考慮告警措施，并充分完善供電電源的設計。圖 1 所示為系統的設計框 架，包括按鍵輸入與 led 指示、蜂鳴器提示輸出、交流信號檢測、供電電源處理、氖燈指示和電動機控 制

17、。 單片機控制系統 蜂鳴器提示 輸出 按鍵輸入led 指示 交流信號 檢測 氖燈指示 電動機 供電電源 圖 1 系統設計框架 按摩機的主要功能模塊可劃分為 6 部分。 1. 按鍵輸入與 led 指示部分。該模塊負責響應按摩機 6 個按鍵輸入信號，并利用數碼管和發光二 極管顯示當前工作狀態。其中，數碼管顯示按摩振速，發光二極管顯示按摩方式。 2. 蜂鳴器提示輸出部分。該模塊完成按摩機的告警和工作提示，在一般工作情況下，蜂鳴器都將 發聲告警（例如，按鍵輸入、電機運行超時和系統出錯） 。 3. 氖燈指示部分。氖燈只在按摩機工作時發光，否則熄滅。該模塊利用 220v 市電為氖燈供電，并 配合相應的控制

18、電路。 4. 交流檢測部分。檢測交流過零點，用來控制電動機和氖燈。 5. 電源部分。該模塊實現單片機系統從交流中整流出穩定的 5v 供電電壓。 6. 電機部分。電機采用 220v 市電供電，控制方式與氖燈控制相同。 系統設計框架構建并劃分了系統的整體功能模塊，但是在硬件實現和軟件實現時，為了合理布線和 優化電路結構，并不嚴格按照這種頂層的模塊劃分來完成電路和程序。本畢業設計的硬件功能模塊實現 劃分為 5 個電路塊，分別是電源電路、復位電路、電機和氖燈控制電路、按鍵顯示部分電路。系統的軟 件實現則根據軟件流程劃分出各函數功能模塊，與圖 1 系統設計框架所示沒有固定的對應關系。 3 直流電機 pw

19、m 調速控制原理 pwm（pulse width modulated） ，即脈沖寬度調制. pwm 脈寬調制是利用相當于基波分量的信號波對 載波進行調制,達到調節輸出脈沖寬度的一種方法. 常用 pwm 技術的基本原理是利用高頻載波與控制波 進行比較，從而產生經過調制的 pwm 波。為滿足逆變電源的需要，減小輸出電壓的諧波含量，載波信號 采用對稱的三角波實現 pwm 輸出波形的對稱雙邊調制，使輸出電壓不含偶次諧波。 pwm 控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。脈沖寬度調制技術最初是在無線電技術中用于信號 的調制，后來在電機調速中得到了很好的應用。1964 年 a.schonung 和 h.st

20、emmler 首先提出把這項通訊 技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面。 從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考正弦波比較，產生正弦脈寬調制 spwm 信號以控制功率 器件的開關開始，到目前采用全數字化方案，完成優化的實時在線的 pwm 信號輸出，可以說直到目前為 止，pwm 在各種應用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點。 由于 pwm 可以同時實現變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統中得到 廣泛應用。pwm 控制技術大致可以為為三類，正弦 pwm（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種 pwm 方案，多重 pwm 也應歸于此類），優化 p

21、wm 及隨機 pwm。正弦 pwm 已為人們所熟知，而旨在改善輸出電 壓、電流波形，降低電源系統諧波的多重 pwm 技術在大功率變頻器中有其獨特的優勢（如 abb，acs1000 系列和美國 robicon 公司的完美無諧波系列等）；而優化 pwm 所追求的則是實現電流諧波畸變率 （thd）最小，電壓利用率最高，效率最優，及轉矩脈動最小以及其它特定優化目標。 在 70 年代開始至 80 年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最 高不超過 5khz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。為求得改善，隨機 pwm 方法應 運而生。其原理是隨機改變開關頻率使電

22、機電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標系中，各頻率 能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。 正因為如此，即使在 igbt 已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機 pwm 仍然有其特殊的價值（dtc 控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是 盲目地提高工作頻率，因為隨機 pwm 技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。 本按摩機的電動機采用直流供電,利用 pwm 技術實現電機調速.控制原理包括直流電機驅動方式的選 擇和調速控制原理.本按摩機使用了雙向驅動方式,并采取控制電樞電壓改變電機轉速.

23、下面兩小節詳細 闡述了本設計所采用電機控制技術。 3.1 直流電動機驅動方式 由上述可知控制原理包括直流電動機驅動方式的選擇和調速控制原理。本按摩機使用了雙向驅動方 式，并采取控制電樞電壓改電動機轉速。直流電機驅動方式包括單向驅動和雙向驅動。 1. 單向驅動 這種方式又分為兩種情況，功率較小的電動機常常采用單相電源輸入，并采用可控硅晶閘管控制導 通輸入。 而功率較大的電動機的主電路需要采用三相以上電源，這種情況一般都有整流變壓器，相數和接法 有多種，大部分采用三相橋式連接。因為本次設計不要用到，在此就不贅述，只做簡單介紹，詳見電機 控制手冊。 2. 雙向驅動 雙向驅動直流電機可采用兩組反相并聯

24、的整流電路，第一組整流電路使電動機正轉，第二組整流電 路使電動機反轉或正向制動。 要使電動機反轉，晶閘管控制電路必須使整流器輸出反向連接至電動機的電壓，或者使加到勵磁電 路上的電壓反向。電動機反轉和變速時，要求快速響應，負載變動時也要求快速恢復到原來速度，因此， 希望在逆變運行時把電動機轉子運行的能量饋送給電源。 了解和掌握了驅動方式的種類，知道在本設計中要用到雙向驅動方式，后面的章節將介紹具體電路 實現。 在此還應該考慮脈動電流對直流電動機的影響。這種影響可大可小，對電動機機械特性影響很大。 因為采用晶閘管器件把交流電源變為直流電源時，電路相數、負載性質的不同，所以會產生不同的 脈動電流。而

25、且晶閘管整流供電在電動機空載或輕載時會出現電動機電流斷續的特殊現象，這也對電動 機機械特性影響很大。當電流斷續時，晶閘管整流供電電動機的理想空載轉速升高，電動機械特性顯著 變軟，電動機軸上負載轉矩的很小變化就能引起電動機轉速的很大變化。 所以，在直流電動機由晶閘管可控整流電路供電時，為了改善電動機運行情況，應使其始終工作在 特性較硬的區域，直流電動機負載中大多串聯了電抗器，以使電動機在空載或輕載時也工作在電流連續 區域。 了解了本次設計直流電機驅動方式所要注意的類容，接下來關注直流電機 pwm 調速和控制技術。 3.2 直流電機 pwm 調速原理與控制技術 對直流電機調速可以有 3 種方法：

26、1. 控制電樞電壓改變電動機的轉整； 2. 控制電動機勵磁電流改變電動機的轉速； 3. 在電樞回路中，串聯調節電阻。 由電機知識可知，直流電機的轉速由公式 1 給出。 kirun/ )( （1） 公式 1 中u是電樞電壓，i是電樞電流，r是電樞總電阻，是每極磁通量，k電動機結構參數。 圖 2 直流電機調速原理 由公式 1 可知，用單片機對直流電機進行調速，可通過改變磁通量或電壓來完成。一般采用調節電 樞電壓來調節電機的速度。隨著功率器件的發展，現在的電機調速大部分采用開關進行控制，功率器件 工作在開關狀態，功耗小。如果采用直流供電，一般利用 pwm 技術實現電機調速。在電路實現上，將脈 沖輸入

27、連接至 mosfet 管的源極，并利用極間壓降完成 pwm 調試，如圖 2 所示。 根據圖 2 的原理實現電路，直流電機兩端的電壓uo可用公式 2 表示： cc vau 0 （2） 其中，a為 pwm 的占空比； cc v為直流電源的供電電壓。 cc v實際為 220v 的交流市電經 過整流后的直流電源，用作直流電機供電電源，而 mosfet 管在此利用雙向可控硅替代，通過控制導通 角實現對直流電機速度的控制，如圖 3 所示。 圖 3 實用直流電機調速原理圖 可控硅導通需滿足以下兩個條件： 1. 門極觸發電流大于閾值； 2. 在門極電流大于閾值的情況下，負載電流大于設定值。 調速其實就是控制導

28、通角，利用觸發脈沖的導通位置控制電機轉速。當檢測到過零時立即觸發可控 硅，則電機通電時間長，電機速度較快;檢測過零后，若延時一段時間后再觸發，則電機通電時間短， 電機速度較慢，過零觸發與電機通電如圖 4 所示. 紅色線條表示市電的正弦曲線，藍色線條表示用手電機調速的觸發脈沖。如果脈沖觸發時，市電立 刻導通，電機運行在整個脈沖間歇期間，那么通電時間長；如果脈沖觸發時，市電不能立刻導通，電機 運行的時間不在整個脈沖間歇期間，甚至是一段很短的時間，則通電時間短。這樣便實現了電機的調速。 圖 4 過零觸發與電機通電 按照本次設計按摩機所需功能設計，電機的速度要被分成 18 檔，相應的延時時間表格應放在

29、單片 機的 rom 中。假設單片機 128s中斷一次，則延時 10128s為最快檔，延時 64128s為最慢檔。 最快和最慢檔之間相差 54128s，即相鄰兩檔之間相差 3128s。中斷模塊查表后發生延時，并產 生觸發脈沖，控制速度，并且雙向可控硅在門極驅動，當負可控硅兩端達到設定值后，即使觸發脈沖消 失，同樣可以導通。 4 按摩機控制系統設計技術方案 單片機系統設計技術是系統框架實現的具體執行步驟，系統設計框架雖然構建了系統的整體功能模 塊劃分，但是硬件實現和軟件實現還得通過具體的技術方案才能達到。采用的技術方案的好與壞直接影 響系統的可操作性和安全性，以及后續設計工作的展開和進行。因此單片

30、機系統設計技術方案同樣重要。 一個單片機應用系統的硬件電路設計包含兩部分內容： 一是系統擴展，即單片機內部的功能單元，如 rom、ram、i/o、定時器/計數器、中斷系統等不能滿 足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，設計相應的電路。 二是系統的配置，即按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、a/d、d/a 轉換器 等，還要設計合適的接口電路。 系統的擴展和配置應遵循以下原則： 1. 盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規用法。為硬件系統的標準化、模塊化打下良好的基礎。 2. 系統擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統的功能要求，并留有適當余地，以便進行 二次

31、開發。 3. 硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產生相互影響，考慮的原則是： 軟件能實現的功能盡可能由軟件實殃，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現的硬件功能，一般響 應時間比硬件實現長，且占用 cpu 時間。 4. 系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配。如選用 cmos 芯片單片機構成低功耗系統時，系統中 所有芯片都應盡可能選擇低功耗產品。 5. 可靠性及抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷 電路板布線、通道隔離等。 6. 單片機外圍電路較多時，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時，系統工作不可靠，可通過增 設線驅動器增強驅動能力或

32、減少芯片功耗來降低總線負載。 7. 要求盡量朝著“單片”方向設計硬件系統。系統器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也 增大，也不可避免地降低了系統的穩定性。 4.1 系統電源設計 本系統采用市電供電，所以必須設計一個高效、廉價的整流電路。出于成本和體積考慮，采用電容 降壓供電和半波整流電路，如圖 5 所示。 圖 5 供電電路 根據電子線路知識，假設 c1=1f，那么交流 c1 的阻抗 z=1/2fc=3184。在整流電路中，限 流電阻一般取值較小，通常為 100，且負載和穩壓二極管的動態電阻也較低，所以經整流輸出的電流 i=220/z=69ma。又因為采用的是半波整流，所以該整流電路大約可以

33、提供 30ma 左右的供電電流，完全 能夠滿足單片機系統工作的供電要求。在圖 5 中,r1 為泄流電阻，它泄放降壓電容上的電流。 4.2 系統所選用單片機簡介 單片機作為系統的主控制單元，它控制所有的輸入輸出，并根據用戶按鍵信息做出按摩方式和振動 速度的調整。本方案選用了具有 51 核的單片機 em78p156e，em78p156e 屬于臺灣義隆公司 em78 系列單 片機之一，其指令集與傳統的 51 單片機的指令集是一樣的，但 i/o 為推挽結構，能夠直接驅動 led。該 單片機具有如下特性： 8 管腳封裝 sop、soic 和 dip。 工作電壓范圍為 2.2-5.5v。 工作溫度范圍為

34、0-70。 工作頻率范圍為 0-36mhz。 低功耗。5v/4 mhz 工作條件下,電流小于 1.6ma;典型的 3v/32khz 工作條件,電流小于 15a; 休眠工作方式下,電流為 1a。 1kb13 字節片內 rom,488 字節通用存儲器(sram)。 內置 rc 振蕩器、上電復位。 一個配置寄存器以滿足用戶不同要求。 5 級堆棧、8 位實時時鐘/計數器（tcc） 。 3 個中斷源。tcc 溢出中斷、輸入口狀態變化中斷（從休眠方式喚醒）及外部中斷。 2 個雙向 i/o 管腳。 8 個 i/o 管腳可編程設置為上拉。 7 個 i/o 管腳可編程設置為下拉。 8 個 i/o 管腳可編程設置

35、為漏極開路。 如圖 6 所示，em78p156e 單片機有 18 個管腳，其中可用作 i/o 功能的管腳只有 12 個，即 p5x 和 p6x。 需要注意的是，該單片機的 i/o 具有推挽結構，能夠直接驅動 led 等外部弱電設備，因此大大簡化了系 統的結構和電路元器組成。 圖 6 em78p156e 單片機 4 4.3 系統單片機外部擴展 確定了單片機后，需要對單片機相應管腳的功能進行定義并設計其外部電路的功能。 首先我們要預先分析，用戶使用按摩機所關心的是按鍵功能是否正確、發光二極管指示的工作狀態 是否無誤以及數碼管顯示的按摩振動速度是否準確，也就是系統設計框架圖中“按鍵輸入與 led 指

36、示部 分”需要完成的工作。完成這些功能需要利用單片機 i/o，在不浪費系統資源的前提下分配單片機 i/o 口。可以知道， “按鍵輸入與 led 指示部分”需要 6（用戶按鍵）+4（數碼管）+4（發光二極管）=14 個 i/o 管腳。除了涉及用戶使用的 i/o 外，設計者還必須考慮分配 i/o 管腳的包括：交流檢測輸入、氖燈、 電機和蜂鳴器的控制。這 4 個部分各自獨立控制，需要 4 個單獨的單片機 i/o 管腳。 根據上面的分析，完成按摩機需要 14+4=18 個單片機 i/o 管腳，而 em78p156e 只提供了 12 個可用 的 i/o 管腳。 解決這一問題的方法可采用 i/o 復用技術

37、：交流檢測輸入、氖燈、電機和蜂鳴器的控制使用了 4 個 管腳，各自獨立，可用于復用的管腳為 8 個。數碼管的顯示可以通過串行驅動來實現，這樣只需要兩個 i/o 口便可完成 4 個 i/o 口的功能；6 個按鍵和 4 個 led（按摩機工作模式指示燈）可采用 i/o 口復用方 式利用剩余的 6 個管腳完成。這樣單片機即可完成預先設定的控制功能。 然后我們對單片機 i/o 管腳進行分配，其外部電路連接如圖 7 所示。 圖 7 單片機電路連接 管腳 1、18 連接 4 數碼管串行驅動芯片 74ls164，將按摩機的振動速度值以串行方式發送至該 芯片，經并行輸出處理后顯示。 管腳 2：p53，連接定義

38、為 anj1/led4，外部電路完成按鍵 1（數碼管顯示開關）和發光二極 管 4（隨機方式按摩指示燈）的功能。 管腳 6：p60/int，連接定義為 anj2/led3，外部電路完成按鍵 2（氖燈開關）和發光二極管 3（波浪感方式按摩指示燈）的功能。 管腳 7：p61，連接定義為 anj3/led2，外部電路完成按鍵 3（按摩振動降速按鍵）和發光二 極管 2（快慢方式按摩指示燈）的功能。 管腳 8：p62，連接定義為 anj4/led1，外部電路完成按鍵 4（按摩機電源開關）和發光二極 管 1（定速方式按摩指示燈）的功能。 管腳 9：p63，連接定義為 anj5，連接按鍵 5（按摩方式切換按鍵

39、） 。 管腳 10：p64，連接定義為 anj6，連接按鍵 6（按摩振動和加速按鍵） 。 管腳 11：p65，連接定義為 beep，連接電路為蜂鳴器發聲電路。 管腳 12：p66，連接定義為 motor，外部電路完成電機調速控制功能。 管腳 13：p67，連接定義為 hlight，外部電路完成氖燈控制，系統上電點亮氖燈，故障及斷 電狀態熄滅氖燈。 管腳 15、16 連接晶振，產生 4mhz 的頻率。該頻率為系統的時鐘周期。 管腳 17：p50，連接定義為 ac jc，外部電路完成交流檢測。 4.4 交流檢測電路 在本設計應用中不需要嚴格的過零檢測，所以此處用最簡單的方法檢測交流過零，如圖 8

40、所示。將 交流電引入單片機過程中，單片機 i/o 口連接一個 2m的電阻，再直接同 220v 的市電電源線相連。由 于單片機 i/o 口內部已存在有二極管鉗位電路，因此不會發生危險。i/o 口的電平狀態與交流點正弦波 形關系如圖 9 所示。正弦曲線為交流電曲線，矩形方波為脈沖檢測波形。從電路技術來說，利用弱電系 統檢測交流強電的原理是利用晶振脈沖的上升沿和下降沿檢測此刻交流電狀態。如果兩次采樣的交流電 狀態沒有變化（要么都為正，要么都為負） ，那么此時沒有發生交流過零；如果兩次采樣的交流電狀態 發生變化（一次為正,一次為負） ，那么一定發生交流過零。在設計實現過程中，首先保存 i/o 口的初始

41、 狀態，在系統運行時利用時鐘脈沖間隔中不斷檢測 i/o 口的狀態，如果狀態發生改變，則發生了交流過 零。 圖 8 交流檢測電路 圖 9 i/o 口的電平狀態與交流電正弦波形關系 4.5 電機控制方案 電機控制的主要目的是調速，此處利用過零檢測后控制電機的導通時間來調速。電機的驅動電路圖 在直流電機 pwm 調速原理與控制技術 3.2 節中圖 3 所示，4 個二極管起整流作用，將交流電流變成單向 脈動的電流；電感 l 防止了電路中過于大的電流變化（di/dt） ；并聯在可控硅上的電阻和電容作用是可 以防止可控硅兩端過于大的電壓變化（du/dt ） ，這些都是用來防止可控硅誤觸發的。由于前面 3.

42、2 章 節已有詳細介紹，在此就不在贅述了。 4.6 led 的數碼管驅動 1. led 的驅動原理。 led 發光二極管的工作電壓為 1.53v，工作電流為幾毫安到十幾毫安，壽命很長。單片機外圍接 口電路中，常用發光二極管作顯示器件。 發光二極管顯示方法有兩種。一種是直流靜態驅動法，即一個輸出口驅動一個發光二極管，其優點 是軟件簡單，缺點是端口的利用率低，因此只在發光二極管少的電路中采用。另一種是分時動態驅動法， 周期性地給發光二極管通電，周期較短（例如不長于 20ms） ，人眼觀察無閃爍之感。利用此法驅動 2 位 8 段數碼管，用單片機 2 個口作位線驅動，8 個口作段線驅動即可。一般來說分

43、時動態驅動法 n 個端口 能驅動 m（n-m）個發光二極管，其中 m 是從 n 中分出的列（位）線，而余下的（n-m）個則作為行（段） 線。當 n4，并且 m=n/2 時，系統驅動發光二極管。 圖 10 實際應用中的驅動方式 2. 驅動方式。 在本設計際應用中，為了提高 i/o 口的利用率，在此采用串行驅動，即使用兩個 i/o 口驅動串轉并 芯片 74ls164,常用串轉并芯片 74ls164 在 clk 的上升沿將串行的數據送到并行口。實際應用中的驅動方 式電路圖見圖 10。 5 按摩機控制系統硬件設計 本章節其實是上一章節技術方案的延續，是對系統硬件原理圖的總體設計。電路原理設計的主要任

44、務是為實際的制版電路提供理論上的基礎。因此我們要借助假想電路環境，降電路設計得盡可能地簡單 高效。 本設計的硬件設計在 protel 軟件中實現。通過對硬件電路原理圖的設計，同時可加深對 protle 軟 件的使用，反過來在操作 protel 軟件的過程中積累設計心得和體會以及經驗，為以后的工作打下基礎。 兩者相結合，互相促進，互相補足，才能取得想要的結果。 本按摩機的 protel 布線電路采用的是簡單的順序布線形式,并不需要使用多層布線。設計中盡可能 選擇典型電路，并符合單片機常規用法。系統擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統的功能要 求，系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配，以及可

45、靠性及抗干擾設計，還要考慮其芯片驅動能力。 本章所有小節電路見系統原理圖 11。 5.1 電源電路 將交流市電轉換為低壓直流電的常規方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當受體積和成本等因素 的限制時，最簡單實用的方法就是采用電容降壓式電源。具體的電路部分見圖 11 中位于單片機上面的 部分。 電源電路的組成包括： 1. c1 為降壓電容器,選用容值為 1f的電容。 2. vd1、vd2 為半波整流二極管。 3. r1 為泄放電阻，需用阻值為 100k的電阻。 整流后未經穩壓的直流電壓一般會高于 30v，并且會隨負載電流的變化發生很大的波動，這是因為 此類電源內阻很大，不適合大電流供電的應用場合。

46、為保證 c1 可靠工作，其耐壓選擇應大于兩倍的電 源電壓。泄放電阻 r1 的選擇必須保證在要求的時間內泄放掉 c1 上的電荷。具體電路 4.1 節有詳細介紹， 具體實現在系統原理圖 11 上部分。 5.2 復位電路 基本的復位電路為 c2 電容（容值為 1f）和 r1 電阻（阻值為 100k） 。r1 并聯了一個二極管， 它的作用是放電，保證在電源插拔時可靠復位。若沒有二極管 d1，當電源因某種干擾瞬間斷電時，由于 c2 電容不能迅速放電，待電源恢復時，單片機便 不能上電自動復位，導致運行失控，程序不正常運行。 具體電路穿插在電源電路中，見系統原理圖 11 上部分電源電路中。 5.3 電機和氖

47、燈控制電路 圖 11 系統原理圖的右下部分，a+、a-接氖燈；b+、b-接電動機。電動機的兩端 4 個二極管起整流 作用，將市電整流成單向脈動的直流供給電機。 1. 氖燈控制電路部分的組成包括： (1)r10，阻值為 10k，提升端口的驅動電壓。 (2)c6，容值為 1f，濾波電容。 (3)c7，容值為 47nf，防止 a+、a-間的高頻串擾。 (4)q1 為一個雙向可控硅。 2. 電機控制電路部分的組成包括： (1)r11，阻值為 10k，提升端口的驅動電壓。 (2)c8，容值為 1f，濾波電容。 (3)q2 為一個雙向可控硅。 (4)c9，容值為 1f。 (5)r22，阻值為 5.1k，與

48、 c9 形成一個濾波回路。 (6)d8d11，這是二極管整流橋電路，該整流電路為氖燈提供可靠的直流電源。 (7)r13，阻值為 5.1k，用于保護電機。 (8)c10，容值為 47f，穩定電機的工作電壓波形。 r13 起保護作用，防止外面短接的時候短路。c10 改變載波的波形，減緩陡峭程度，減小噪聲。在 可控硅兩端并聯了 rc 緩沖電路，控制電動機等電感性負載時，負載電流滯后于電源電壓。因此電流過 零時，雙向可控硅可能突然承受較高的電壓，過高的 du/dt 可能引起可控硅的誤觸發。當市電電壓降到 電動機的反向電動勢的時候，電機的電流繞著二極管空轉，此時可控硅電流突然下降到 0。而過高的 di/

49、dt 也會引起可控硅的在沒有門極控制下導通，因此回路中串了一個電感遏制電流的急劇變化。 5.4 按鍵顯示部分電路 這部分的電路組成包括： 1. r14r17，阻值均為 510，用于驅動發光二極管。 2. r19，阻值為 10k，用于采集按鍵 1、2 和 3 的信號。 3. r20，阻值為 47k，用于采集按鍵 4、5 和 6 的信號。 見圖 11 系統原理圖左下部分，為了提高 i/o 口的利用率，電路中按鍵和顯示復用。8 位的字型通過 串轉并芯片 74ls164 送出 qaqg（顯示字型的數據）和 qh（模式指示燈信號） 。一般 led 的工作電流為 5ma 左右，r4r9、r14r18 為限

50、流電阻，保證 led 和數碼管的正常工作。 假設程序每 2ms 做 1 次按鍵檢和顯示。首先將字型和要顯示的數據送到 74ls164 的并行口，然后產 生第 1 個選通信號（見圖中數碼管的 1、2、3、4 選通線） ，顯示第 1 個數碼管并點亮（或關斷）第一個 指示燈；在下一個 2ms 到來的時候則顯示第 2 個數碼管和指示燈，此時可以通過 p63、p64 做按鍵檢測。 由于第 2ms 依次循環檢測，因此可以迅速地檢測到按鍵，而且 led 和數碼管也無抖動。值得注意的是， 由于節約了 i/o 口，因此不能檢測到同一時間的多個按鍵信號。 6 按摩機控制系統軟件設計思想 本章節其實是第 4、5 章

51、節技術方案和硬件設計的延續，是和硬件相結合的軟件總體設計，包括交 流檢測部分，電機控制部分，led 顯示部分三個方面的一些設計流程和思路總結，具體實現和編程在第 7 章控制系統軟件匯編程序部分，在此只是簡要介紹總體思路。 6.1 電機控制設計 電機控制功能按照圖 12 的流程圖可以實現，具體思路如下。 是 否 是 開始 中斷保護 脈沖寬度計時到？ 撤消脈沖 電機已打開？ 脈沖延時時間到？ 開啟脈沖，并給出脈沖 寬度初值 恢復寄存器 結束 否 是 圖 12 電動機控制流程 1. 單片機控制電機時，系統首先進入中斷保護。中斷保護過程將完成如下 5 方面的工作： (1)保存端口的狀態值。 (2)保存

52、中斷前的片內寄存器值。 (3)保存各類存儲器的尋址地址。 (4)保存主程序的執行代碼斷點。 (5)初始化脈沖寬度、延時長度和狀態信息。 2. 完成中斷保護后，系統將檢查脈沖寬度計時時間是否到達。 脈沖寬度計時用于開啟可控硅，控制電機運行。如果既定時間寬度的脈沖已完成（即判定結果為 “是” ） ，則必須撤消脈沖；如果既定時間寬度的脈沖未完成（即判定結果為“否” ） ，則不撤消脈沖。 3. 接著是判斷電機是否正在運行。 如果電機沒有運行，則恢復寄存器初值，完成中斷，返回系統主程序；如果電機正在運行，則繼續執行。 4. 然后是判斷脈沖延時時間是否到達。 如果延時到達，中斷將重新開啟脈沖，并給出脈沖初

53、始值，重新決定是否開啟可控硅，控制電機運行； 如果延時不到，則恢復寄存器初始值，完成中斷，返回系統主程序。 5. 最后是完成中斷，返回系統主程序。 6.2 led 驅動設計 led 驅動采用了串行驅動方式，利用芯片 74ls164 將串行數據轉換為并行數據，使得 4 個 led 數 碼管可同時使用。單片機在發送 led 顯示數據時，利用了時鐘輸出和數據輸出兩個端口。當數據發送 完畢后，時鐘輸出為 1；否則時鐘輸出無效。 led 驅動流程如圖 13 所示。 流程圖實現步驟為： 1. 為時鐘輸出和數據輸出選定兩個端口。 2. 利用循環數據移位輸出。 如果還有未輸出的數據，循環繼續。該循環過程將分成

54、 5 步完成。 1. 初始化時鐘輸出電平。時鐘輸出初始值為低電平，表明芯片 74ls164 并可將該數據轉化，led 未 驅動。 2. 是否完成準備工作。這主要通過端口判定得到，即端口值為 0。 3. 若完成準備，輸出有效的 led 數據； 4. 若未完成準備，輸出無效數據。數據輸出后，時鐘輸出為高電平。 5. 尋址下一個 led 數據。尋址通過寄存器右移完成。 開始 選定時鐘輸出和數據 輸出端口 時鐘輸出低電平 數據輸出是否準備 完畢? 數據輸出有效 時鐘輸出為高電平 尋址下一數據 數據輸出是否完畢? 數據輸出無效 是 是 否 否 結束 圖 13 led 驅動流程 6.3 交流檢測設計 單片

55、機從外部電路得到交流電壓,并對其進行交流過零檢測。這部分功能必須對單片機進行編程才 能實現。 因為在本設計應用中不需要嚴格的過零檢測，所以此處用最簡單的方法檢測交流過零，交流過零檢 測具體電路原理見 4.4 章節。 編程思路,函數設計兩個交流的狀態值：s0 為交流輸入初始狀態值；s1 為當前狀態值。執行該函數時， 只需要比較 s0 和 s1 的值即可：如 s0 與 s1 相等，說明交流不過零，因為交流的前后狀態一致，前后狀 態一定在直流脈沖零點的同側；如果 s0 不等于 s1，說明交流過零，因為交流的前后狀態不一致，前后 狀態一定在直流脈沖零點的兩側。 7 按摩機控制系統軟件匯編實現 本程序分

56、為 7 個模塊。 1片機端口與寄存器的初始化。 2數碼管的顯示控制。 3按鍵操作與按鍵指示燈的控制。 4狀態轉移與任務的細化。 5按摩機工作模式的控制。 6系統延時。 7系統主控制模塊。 7.1 單片機端口與寄存器的初始化 本模塊用來初始化單片機端口與寄存器。 1. 單片機端口的初始化 tcc = 0x01 ;tcc 口的初始化 pc = 0 x02 r3 = 0x03 p5 = 0x05 ;p5 口的初始化 p6 = 0x06 ;p6 口的初始化 ioc5 = 0x05 ;單片機的 i/o 口定義,下同 ioc6 = 0x06 ioc7 = 0x07 ioca = 0x0a iocb = 0

57、x0b iocc = 0x0c iocd = 0x0d ioce = 0x0e iocf = 0x0f rf = 0x0f c = 0 ;c 寄存器 z = 2 ;z 寄存器 2. 數碼管顯示部分初始化 系統需要 4 個 led 數碼管來顯示按摩機的工作信息,代碼將分別初始化數碼管的顯示寄存器,并給出 控制信號 clk 和 data。 clk = 2 ;單片機端口為 p52 data = 1 ;單片機端口為 p51 disp_reg1 = 0x10 ;數碼管顯示寄存器,1 為低位，4 為高位。 disp_reg2 = 0x11 disp_reg3 = 0x12 disp_reg4 = 0x13

58、 3. 指示燈與工作狀態初始化 按摩機工作在 4 個模式下,需要相應的寄存器存儲不同工作模式的狀態值,本部分代碼將完成按鍵, 工作模式顯示,計時時間寄存器以及中斷程序所需的寄存器的初始化。按鍵指示燈狀態寄存位, 鍵值寄 存器，其中模式、氖管燈開關狀態與鍵值公用。 key_detect_reg = 0x14 ;鍵值檢測積存器 key_reg = 0x15 ;鍵值保存積存器 isup = 0 ;+狀態值 isdown = 1 ;-狀態值 ismode = 2 ;模式狀態值 islamp = 3 ;氖管開關值 isswitch = 4 ;有按鍵標志，供蜂鳴氣子程序查詢 isled = 5 class

59、_reg = 0x16 ;分為 12 個等級，+，-共用此寄存器 delay_class_reg = 0x17 mode_reg = 0x18 ;分為 4 種模式 disp_state_id = 0x19 ;因按鍵和數碼管位選復用,公用總狀態 key1_state_id = 0x1a ;按鍵延時用，用于按鍵和延時狀態區分 key2_state_id = 0x3b key3_state_id = 0x3c speak_state_id = 0x3d lamp_state_id = 0x1c disp_time = 0x1d ;工作狀態指示燈寄存器初始化 speak_time = 0x1f sys

60、60msreg = 0x20 tcc2msreg = 0x21 sys15sreg = 0x23 sys128sreg = 0x24 xsys128sreg = 0x25 sys15mreg = 0x26 speak3reg = 0x3f stateid1 = 1 ; 狀態常數 stateid2 = 2 stateid3 = 3 stateid4 = 4 stateid5 = 5 stateid6 = 6 stateid7 = 7 stateid8 = 8 ;電動機控制的寄存器控制 ctrlflag = 0x27 classoverflag = 0 ;等級數到最高擋 switch_speak