毕业论文（设计）—基于单片机的按摩器系统的设计与实现.docx

郑州大学西亚斯国际学院本科毕业论文（设计）题 目_基于单片机的按摩器系统的设计与实现 指导教师 职 称 学生姓名 学号专 业 自动化 班级（1）班院 （系） 电子信息工程学院 完成时间 23基于单片机的按摩器系统的设计与实现摘 要按摩器（massager）是根据物理学，仿生学学，生物电学、中医学以及多年临床实践而研制开发出的新一代保健器材。电子按摩器还分为：电磁按摩、震动按摩和红外按摩。本设计所选择的是电子按摩器中的震动按摩器，利用单片机PWM（脉宽调制技术）控制直流电机的转速，从而控制震动的快慢和幅度。本文介绍了基于AT89C52单片机的按摩器系统的硬件结构和软硬件设计方法。系统以AT89C52单片机为控制器，产生PWM(脉冲宽度调制)控制波形输出，利用直流电机芯片L298N驱动12V直流电机。实现了电机的正转，反转以及多级调速，在LED上现实按摩器档位和正反转情况。此按摩器具有显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，具有广阔的市场前景。关键字：AT89C52，PWM(脉冲宽度调制)，L298N,12V直流电机。Microcontroller based massage system design and implementationABSTRACTMassager (massager) is based on physics, bionics, bio-electricity, medicine and clinical practice for many years and developed a new generation of health-care equipment. Electronic massager is also divided into: electromagnetic massage, vibration massage and infrared massage. The design was chosen by the vibration in the electronic massage massage, use of microcontroller PWM (pulse width modulation) control DC motor speed to control the speed and magnitude of vibration. This article describes the massage based on AT89C52 microcontroller system hardware and software and hardware design methods. AT89C52 microcontroller as the control system, resulting in PWM (pulse width modulation) control waveform output, the use of DC motor 12V DC Motor Driver IC L298N. To achieve the motor forward, reverse and multi-level speed, the LED on the real massage stalls and reversing the situation. This massage has a visual display, versatile, circuit simplicity, low cost and many other advantages, and has broad market prospects.Keywords: AT89C52, PWM (pulse width modulation), L298N, 12V DC motor 目 录中文摘要1英文摘要21概述51.1选题背景51.2设计的应用62系统总体方案及硬件设计62.1系统设计要求62.2总体设计方案62.3主要元器件介绍72.3.1主控芯片AT89C52简介72.3.2 电机驱动芯片l298n功能简介102.3.3 显示模块简介102.4系统硬件设计133系统软件设计163.1系统结构设计163.2系统初始化及调速过程163.3响应过程174 PROTEUS软件仿真174.1 Proteus ISIS简介174.2 Proteus运行流程184.3 Proteus功能仿真18总结19致谢20参考文献21附录221概述1.1 选题背景按摩器（massager）是根据物理学，仿生学学，生物电学、中医学以及多年临床实践而研制开发出的新一代保健器材。它不仅拥有八大仿真功能，让您确实体会到针灸、推拿、按摩、锤击、火罐、刮痧、瘦身、免疫调节八种功能的美妙感觉，还有治疗高血压的独特功效 。可放松肌肉、舒缓神经、促进血液循环、加强细胞新陈代谢、增强皮肤弹性，可缓解疲劳、明显减轻各种慢性疼痛、急性疼痛和肌肉酸痛，放松身体减轻压力，减少皮肤皱纹。电子按摩器还分为：电磁按摩、震动按摩和红外按摩。本设计所选择的是电子按摩器中的震动按摩器，利用单片机PWM（脉宽调制技术）控制直流电机的转速，从而控制震动的快慢和幅度由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景1.2设计的应用本设计中的按摩器作为一种震动按摩器，可以适用于脚底按摩，颈椎按摩，腰部和肌肉按摩，主要可以实现震动和调速，设计中按键正转反转按钮可以调节电机的转向，通过切换可以实现肌肉的定向推拉，通过加速和减速按钮可以调节按摩器的震动的强弱和幅度，同时通过pwm的调速方法实现了直流电机转速的稳定节。另外设计小巧，携带方便，是居家和旅游的良品2系统总体方案及硬件设计2.1系统设计要求：由于按摩器的功能要求，本设计应具有收调速系统和直观的调速和速度显示模块，由于只有一个电机的驱动需求，所以电路的设计要尽可能的简单从而达到节约成本的效果。2.2系统总体设计方案：设计方案主要包括四个模块：单片机控制模块、L298电机驱动模块、档位显示模块、运行方式设置模块。总体设计框图如图1所示。正反转及档位显示L298电机驱动模块运行方式设置模块单片机控制模块 总体框图电路原理图 2.3主要器件介绍：2.3.1主控芯片AT89C52简介89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。（表1）为52单片机的各项参数： · 标准MCS-51内核和指令系统· 片内8kROM(可扩充64kB外部存储器)· 32个双向I/O口· 256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)· 3个16位可编程定时/计数器· 时钟频率3.5-12/24/33MHz· 向上或向下定时计数器· 改进型快速编程脉冲算法· 6个中断源· 5.0V工作电压· 全双工串行通信口· 布尔处理器帧错误侦测· 4层优先级中断结构自动地址识别· 兼容TTL和CMOS逻辑电平· 空闲和掉电节省模式· PDIP(40)和PLCC(44)封装形式 （表1）管脚说明STC89C52的引脚图如下图1所示： 图1VCC：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）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /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/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。2.3.2电机驱动芯片l298n功能简介L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50v，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。图2是l298n的实物图： 图23.1.2 图3是L298N引脚图，表2是l298n的各引脚介绍，表3是l298n的运行参数： 图3 l298n引脚图引脚符号功能115SENSING ASENSING B此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号23OUT 1OUT 2此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载4Vs电机驱动电源输入端57IN 1IN2输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关611ENABLE AENABLE B使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。8GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通9Vss逻辑控制部分的电源输人端口1012IN 3IN 4输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关1314OUT 3OUT 4此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载 表2 l298n的各引脚介绍参数符号测试环境最小值典型值最大值单位驱动电源电压Vs持续工作时2.546V逻辑电源电压Vss4.557V输入低电平电压ViL-0.31.5V输入高电平电压ViH2.3VssV使能端低电平电压Ven=L-0.31.5V使能端高电平电压Ven=H2.3VssV全桥式驱动器总的电压降(每一路)VcEsat)IL=1AIL=2A1.83.24.9VV检测电压1，15脚Vsen-12V 表3 l298n的运行参数2.3.3 显示模块简介本次设计的显示电路就是用7段LED数码管实现的，而当要同时使用多个7段LED数码管时，首先将每个7段数码管的a、b、c、d、e、f、g、dp都连接在一起，再使用晶体管分别驱动每个数码管的共同引脚com。事实上，常把多个位数的数码管包在一起，做成所谓的数码管模块。其中每个位数的a、b、dp都连接到一起，而每个位数的共同引脚则是独立的。市面上常见的7段LED数码管模块有两位数、三位数、四位数、六位数等本次设计使用的是两位数的数码管模块，其引脚如图4所示：图4 七段数码管模块2.4系统硬件设计 电路原理图 如下图5所示 图5本系统包含复位电路、时钟电路、显示电路、键盘电路等几部分组成。下面一一介绍：（1） 复位电路ST引脚是复位信号输入端，高电平有效。采用上电加按钮复位，因为系统设计考虑到该系统比较重要，所以除了采用上电复位的方式外，应该还有按钮复位备用复位方式以防止系统死机时能。如下图6所示。 图6（2）时钟电路：时钟是时序的基础，89c52核片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟，时钟可以由两种方式产生内部方式和外部方式。本系统采用内部方式，在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频。电容采用30pF电容。如下图7所示。 图7（3）键盘输入模块键盘输入模块占用系统的p2口和外部中断int0来进行系统的输入调节。图8（4）显示电路：采用2位8段共阴极LED，P0口作为LED显示码输出端（如图9所示），P3.0、P3.1口接线选端。P3.2位“响应按钮”端。 图92 系统软件设计 3.1软件设计流程图开始No程序初始化程序初始化LED显示等待呼叫No停止反转正转减速加速判别按键是否按下开启电机Yes图103.2系统初始化及调速过程 进行系统初始化LED显示00，等待呼叫，如下图11图11等待呼叫图3.3 响应过程当有加速或者减速安钮按下之后系统查看速度状态再进行速度的调节。4 Proteus软件仿真4.1 Proteus ISIS简介Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。该软件的特点是：（1）全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。（2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。（3）目前支持的单片机类型有：ARM7系列、68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。（4）支持大量的存储器和外围芯片。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真ARM、51、AVR、PIC等单片机。4.2 Proteus运行流程Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。运行Proteus程序后，进入软件的主界面。通过左侧工具栏中的P(从库中选择元件命令)命令，在Pick Devices 左侧窗口中选择所需元件的关键字，然后放置元件并调整方向和位置以及参数设置，最后进行连线。4.3 Proteus功能仿真Proteus仿真效果载入hex文件后可以进行模拟仿真，可以全速运行也可以单步调试运行。按键如图12。 图12执行按键图系统开机初始化上电复位后和按下响应按键后LED显示：如图13：图13系统仿真效果图总结看到那么多课题，经过慎重考虑我选择了基于单片机的按摩器系统的设计与实现，接下来我用了两个周的时间设计一个一个基于单片机的按摩器设计系统，感触颇多。首先选择这个课题之后，在设计中首先考虑到单片机的选择问题，由于可以选择的单片机种类颇多，经过慎重的考虑和同学的推荐我选择了89C52单片机作为主控制芯片，通过单片机的内部产生的pwm控制波形来实现对电机的控制，由于没有采取可以产生波形的芯片，所以编程的难度相对的增加，在选择电机方面首先考虑到用步进电机来作为震动源，但是由于步进电机转速相对过低，而且能够采购到的电机功率太小而放弃。最终选取直流电机作为震动源。所以最后确定方向为基于单片机的直流电机控制。接下来每天奔波在宿舍、餐厅三点一线的生活，虽然有点累，但很充实，在这之中还去请教我院曾经带我课的老师和还有宿舍里的同学，他们耐心的教导让我更加坚定了对该课题的研究，另外还有很多老师的帮助我调试，整理由于时间的仓促，以及能力，对知识的掌握等多方面的原因，本设计还有很多不足之处。而且由于仿真完成的时间较晚，没有完成对所有器件的采集，最终只能以仿真的形式完成这次设计。 Proteus仿真知识及操作、对单片机汇编语言掌握得不好不过通过这次课程设计之后，也学到了很多知识，更重要的是一定把以前所学过的知识重新温故，学好用好，学以致用。致 谢在即将毕业真正的进入了社会奋斗，心情颇不宁静，回首想想在校园的每时每刻让人有些不舍；首先要感谢母校是她让我在这度过了美好的四年，让我懂得做人做事。其次在这里我要感谢教育我、传授我知识的老师们和帮助我的同学们，是你们让我学到很多。让我知道不管生活多么的艰辛与困苦，只要不放弃希望，就会有成功的一天；要对未来有信心，对自己有信心。在论文完成之际，我要感谢*的耐心指导和耐心的批阅，对论文设计的不足进行修改和更正；还有在设计过程中遇到很多问题，在*的细心指导下才得以顺利的完成；最后在百般努力下，这次课程设计终于完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在*的辛勤指导下，终于实现了设计的要求。同时，在*的身上也让我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！再次感谢*！参考文献1 余发山 单片机原理及及应用技术. 中国矿业大学出版社 2003.122 何立民著，单片机中级教程（原理与应用），北京航空航天大学出版社，20003 楼然苗;李光飞 单片机课程设计指导. 北京航空航天大学出版社 2007 .7 4 王建校 51系列单片机及C51程序设计. 科学出版社 2002.45 杨长春.电子报( 2001 年 合定本) .成都: 四川科学技术出版社, 1997.6 李建忠主编.单片机原理及应用，西安电子科技大学出版社，20047 吴金戌，沈庆阳.8051单片机实践与应用，北京：清华大学出版社，2003.12，26388 何立民单片机应用文集，北京：北京航空航天大学出版社，1991，53729 公茂法单片机人机接口实例集，北京：北京航空航天大学出版社，1998.2，325910 何立明单片机高级教程应用与设计，北京：北京航天航空大学出版社，2000.4, 14917311 李广弟，朱月秀单片机基础，北京：北京航空航天大学出版社，2001.8，3685 12 李东生.PROTEL 99SE电路设计技术入门与应用.北京：电子工业出版社，200213 张有顺编著.MCS-51/96系列单片机简明教程，北京：中国脊梁出版社，1998.14 朱宇光编著.单片机应用新技术教程，北京：电子工业出版社，200015 WIRELESS WORLD,1998,VOL,84,NO,1509,P69;16 Yoon D h, Yu J h, Choi Gm. CO Gas Sensing Properties of Zn0-CuO Composite. Sensors and Actuators. 1998(46): 1523附录1 ： 汇编源程序ORG 0000H AJMP START ORG 0003H LJMP INTT0 ORG 000BH LJMP ITT0 ORG 0030HSTART:MOV SP,#60H MOV R0,#00H MOV R1,#00H CLR P1.5 CLR P1.6 CLR P1.7 MOV TMOD,#01H MOV TL0,#0ffH MOV TH0,#0ffH SETB EA SETB EX0 SETB ET0 CLR IT0 SETB TR0 MOV DPTR,#TAB mov 40h,#0 mov 41h,#0LED: SETB P1.1 CLR P1.2 MOV A,40H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL TTS CLR P1.1 SETB P1.2 MOV A,41H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL TTS clr p1.2 LJMP LED ORG 1000HITT0: CPL P1.5 JNB P1.5,Z1 MOV A,#0FFH SUBB A,R0 MOV TH0,A SETB TR0 RETIZ1: MOV TH0,R0 SETB TR0 RETIINTT0: CLR EX0 MOV A,#0FFH MOV P2,A MOV A,P2 JNB ACC.0,JIA JNB ACC.1,JIAN JNB ACC.2,ZZ JNB ACC.3,FF JNB ACC.4,TZ AJMP QQJIA: CJNE R0,#0FFH, BB AJMP QQBB: MOV A,R0 ADD A,#5 MOV R0,A AJMP QQJIAN: CJNE R0,#00,MM AJMP QQMM: MOV A,R0 SUBB A,#5 MOV R0,A AJMP QQQQ: MOV A,R0 MOV B,#5 DIV AB MOV B,#10 DIV AB MOV 40H,A MOV 41H,B SETB EX0 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS RETIZZ: SETB P1.6 CLR P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETIFF: CLR P1.6 SETB P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETITZ: CLR P1.6 CLR P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETITTS: MOV R3,#0E0HTT1S: MOV R4,#30HTT0S: DJNZ R4,TT0S DJNZ R3,TT1S RETTAB: DB 40H,79H,24H,30H,19H DB 12H,02H,78H,00H,10HEND附录二：系统原理图