计算机控制关键技术专业课程设计指导.doc

计算机控制技术课程设计指导书

目 录
一、目标 3
二、设计内容 3
三、设计要求及实现步骤 4
1、过程和分工 4
2、焊接和测试 4
3、板卡初始化和程序编写 5
4、基础功效实现 6
5、扩展功效实现 6
6、汇报格式 6
四、通信协议说明 9
五、电路原理图 11
六、元件放置图 12
八、元件清单 16
九、技术支持(常见问题解答) 18

一、目标
考查学生动手能力、综合分析问题能力、处理问题能力、沟通能力、团体协作能力，将所学专业知识和专业技能利用到计算机控制技术课程设计中，在要求时间内完成电路板焊接、基础功效实现和课程设计汇报。
二、设计内容
计算机控制技术课程设计采取凌阳系列16位单片机为微处理器，构建一个微型电机控制系统，实现对步进电机速度和方向控制，并利用串口通信实现上下位通信，实时监控电机运行状态。
在设计过程中，采取自动控制算法(如PID算法或其它算法)控制电机运动，对电机运行过程进行监控。硬件部分采取单片机最小系统，检测传感器输入信号，输出电机控制信号，并将数据传送到上位机观察电机运行过程，同时接收上位发出命令和电机控制内容，控制电机根据要求运行。
设计时间为10天时间。

三、设计要求及实现步骤
1、过程和分工
本课程设计关键是针对计算机控制技术，以3个同学为一个小组，3人共同协作完成课程设计。在设计要求时间内(10天)完成板卡制作和设计汇报，每个小组选出一位小组组长，组长安排所在小组工作进度，并对每位组员进行明确分工，3位组员共同协作完成课程设计。
2、焊接和测试
设计过程第一个阶段要求完成板卡焊接，关键过程以下:
（1）练习使用烙铁、镊子、钳子等工具。在焊接正式电路板之前，先熟练焊接过程，练习使用烙铁，配合镊子，焊锡焊接电阻、电容等部分常见元器件。
（2）焊接电源模块器件。首先，使用万用表测试电路板正电源和GND之间是否有短路现象，如发觉光板上有短路现象，立即向指导老师汇报，更换电路板:然后，认清电源模块器件类型(电阻、电容、
芯片)、放置方向(电解电容正负极方向、芯片管脚方向)、摆放位置(见电路原理图和元件放置图);再对电路板电源模块器件进行焊接;最终，使用万用表测试电路板上电源模块在焊接过程中是否出现短路和断路(虚焊)情况，焊接成功为输出电压正常，电路板电源指示灯亮。
（3）焊接主芯片模块。主芯片模块是凌阳单片机CPU工作模块，包含晶振电路、复位电路、下载电路、锁相环电路。注意主芯片芯片座管脚方向和下载电路中'74LS244芯片DIP插座缺口方向。
（4）焊接IO口模块和指示灯模块。IO口模块为输出设备，焊接器件关键是电阻和多种接插件，注意电阻大小和接插件方向:指示灯模块是LED灯，LED灯有正负极，焊接前用万用表量出LED灯正负极（LED正接万用表时，发出微弱光芒），然后参考电路原理图和制板图，焊接LED。
（5）焊接串口模块。串口模块是用串口实现和上位机通信，焊接DB9串口座，贴片电解电容和串口MAX232芯片，先熟悉电解电容正负极标志，查看电路图上电容正负极位置，焊接完成后，先检验电容正负极是否和电路图保持一致，在确定正确无误情况下进行上电测试。
（6）焊接电机检测信号和控制信号模块。电机检测信号和控制信号模块关键焊接DIP芯片座和输入输出信号接插件，焊接时注意DIP芯片座缺口方向和接插件方向，焊接完成后对74LS245测试，检测芯片输入输出电压和芯片电压是否正确。
3、板卡初始化和程序编写
电路板卡初始化关键包含测试板卡下载电路、IO口电路和串口电路，实现电路板能够进行程序下载，LED指示灯动态闪烁，IO口输出莫频率方波信号，上下位机进行串口通信。程序关键包含LED闪烁程序，IO方波程序和串口通信程序。
4、基础功效实现
基础功效实现包含:
（1）电路板能正常工作，输出方波信号，检测输入方波信号频率。
（2）实现和上位机(PC机)串口通信，通信遵守所给出通信协议。通信过程中和上位机程序对接，要求电路板串口传送数据在上位机显示。
（3）采取PWM和I/O两种方法驱动外部电机，采取PID算法或其它算法，控制电机转动方向和转速。
（4）经过测试，判定电机最高开启频率和电机运行中最大空载转速（忽略码盘影响）。
5、扩展功效实现
扩展功效实现包含:
（1） 电路板IO口能输入模拟信号，并对模拟信号采集。
（2） 扩展通信协议，如制订用于其它系统协议设定，如温度侧量、压力测量等。
（3） 电机控制过程中采取复杂PID算法或其它算法，动态调整电机速度和方向，并给出测试数据或测试结果。
6、汇报格式
汇报在课程设计完成后提交电子文档和打印纸质文档，汇报内容包含:
1、课程设计思绪和设计说明。
2、设计过程中方案(软件方面或硬件方面)比较，论证。
3、程序步骤图。程序算法中所用到物理公式或数学公式要具体说明。
4、问题处理过程。在设计和调试过程中出现关键问题怎样处理，没有处理问题说明现象和原因。
5、提交测试数据或测试结果，给出分析结论。
6、每个小组提交一份汇报，汇报内容中注明个人完成内容。
汇报格式要求以下:
1、封面部分:
计算机控制技术课程设计—居中，加黑，未体，·二号
小组名称一一加黑，宋体，三号(小组名称由各个小组确定。)
小组组员—加黑，宋体，三号
完成日期—一加黑，宋休，三号
实例:
计算机控制技术课程设计
联合小组
xxx xxx xxx
学号l学号2学号3
.06. 20
2、标题部分:
计算机控制技术课程设计—居中，加黑，宋体，三号(标题1)
原理—左对齐，加黑，宋体，小三号(标题2)
方案比较—左对齐，加黑，宋体，四号(标题3)
3、页眉:重庆邮电学院自动化学院计算机控制技术课程设计一一宋体五号
4、正文部分采取小四号宋体字，全角汉字标点，英文和数字一律采取半角。
正文每页28行，1. 25倍行距，每行32--35个汉字。全部页面设置为:（A4纸)。
5,页码部分为:第几页共多少页这种格式一一宋体 五号
7、插入图片和表格部分:步骤图和表格中字体、数字一一宋体 五号
四、通信协议说明
1、协议格式
Start，Length, Command, D0, D1，…Dn, Checksum
2、协议内容
Start=0x15 (21)
0xAA (170);表示数据错误。
0x55 (85):表示数据正确。
3、命令格式
上位机发送Command=0x3C(60)，表示设置电机方向和速度，其中dl ,d2表示电机速度，低位在前，高位在后(电机速度<1000r/min ) 。
0x15，0x07，0x3C, 0, dl，d2, CheckSum:表示通知电机正转。
0x15，0x07, 0x3C, 1，dl，d2, CheckSum:表示通知电机反转。
单片机回送只表示收到数据正确或错误，即回送:
0x15 (21)，0x04 (5)，0x3C (60)，0x55 (85)，0x55 (85):下位机收到数据正确
0x15 (21)，0x04 (5)，0x3C (60)，0xAA (170)，0x00 (0):下位机收到数据错误
上位机发送Command=0x3D (61)，表示随机发送一组数据给下位机，下位机将收到数据完整返还给上位机。例:
0x15 (21)，0x09 (9)，0x3D (6l)，1，2，3, 4，5，0x96(150)
表示上位机发送数据为:1, 2, 3, 4, 5这5个数据。
下位机返还:
0x15 (21)，0x09 (9)，0x3D(61)，1, 2, 3, 4, 5, 0x96(150)，经过上位机观察，可知道通讯是否正常。
4、上位机发送:0x15 (21)，0x05, 0x3E (62)，1, 0xA7(l67)。表示通知下位机开始传送电机转速数据。
下位机回送:0x15, 0x06, 0x3E(62)，d0, dl, CheckSun。用两个字节表示
电机速度，低位在前，高位在后。
假如下位机回送:0x15 (21)，0x05 (5)，0x3E (62)，0xAA (170)，0xFE (254)。
表示下位机收到数据错误。
5、上位机发送:0x15 (21)，0x05, 0x3E(62}，0, 0xA8(168)，表示通知下位机停止传送电机转速数据。
单片机回送只表示收到数据正确或错误，即回送:
0x15 (21)，0x05 (5)，Ox3E (62}，0x55 (85)，0x53 (83):下位机收到数据正确
0x15(21)，0x05(5)，0x3E (62)，0xAA(170)，0xFE (254):下位机收到数据错误。
五、电路原理图
六、元件放置图
七、电机说明
设计中采取电机型号为K2BYG016,驱动器为KD---201型步进电机驱动器。KD-201步进电机驱动器采取双极性双全桥电路。最大驱动电流2A/相。最大驱动电压为直流40V。
电机K2BYG016接线说明:
红 棕 黄 绿 白 黑
A B 空 空
KD---201型步进电机驱动器驱动二相步进电机。控制信号和内部实现光电隔离。整半步可自由设定、电流可调。关键供42BYG相电流小于2A，使用电压小于40V混合式步进电机驱动使用。
技术规格:
1、供电电源:直流最大40V。
2、适用电机:39BYG, 42BYG, 57BYG, 85BYG, 86BYG等二相混合式系列电机。
3、驱动电流:每相最大驱动电流为2A。
4.驱动形式:恒流斩波。
5、分配方法:整步(2-2)分配，半步(2-1)分配，可自由选择。
使用方法:
1、电压在小于10V时电源正极接E低、负极接地。
电压在大于10V时电源正极接E高、负极接地。
2、电流可按使用电机相电流需要匹配调整。
3, A, A接二相电机A相线圈头和尾，B, B接二相电机B相线圈头和尾。线圈头和尾是相对而言，改变任一线圈头和尾就会改变电机转向。
四位拨动开关使用:
1、开关1为方向设定，内控时可按需要自由设定。在外控时必需在正位置。
2、开关2为走步讯号设定，当开关拨向内时电机转动，这是为内部讯号驱动电机，当由外部讯号控制时，应拨向外位置。
3、开关3为电机半步/整步设定，可依据用户需要自由设定。
4、开关4为定向开关，在正常使用时，应处于关位置，如拨向NO时，则电机定固定一相线圈通电，则电机不动，也不受控制。
按线插座使用说明:
1、电源接线:
①、E高:当驱动电压大于l0V时，正极接此座，使用时最大不能大于40V, 以防损坏模块。
②、E低:当驱动电压小于10V时，正极接此座。
③、地:驱动电压E高、E低负极接此座。
④、A A:接电机A相线圈二根引线。
⑥、B B:接电机8相线圈二根引线。
2,控制信号接线:
①、CP:接控制器发给步进电机走步脉冲信号线。
②、CW:接控制器发给步进电机走步方向信号线。
③、VP:接CP和CW信号负极，即逻辑电路电源负极‘
④、本驱动器内部设计接收信号为RTTL电平，即5V电平，如其它逻辑电平信号需要接限流电阻，不然可能损坏光祸元件。

内部结构说明图
当TTL电平控制时:
即逻辑电平为5V外部R=0
如逻辑电源为12V 外部R=510Ω
如逻辑电源为24V 外部R=1.5kΩ
八、元件清单
Part Type
Designator
Footprint
Description
0.1
C9
0805
Capacitor
0.1
C8
0805
Capacitor
0.1
C12
0805
Capacitor
0.1
C5
0805
Capacitor
0.1
C7
0805
Capacitor
0.1
C4
0805
Capacitor
0.1
C6
0805
Capacitor
0.1
C3
0805
Capacitor
0.1
C10
0805
Capacitor
0.1
C11
0805
Capacitor
0.1uF
C25
0805
Capacitor
0.1uF
C19
0805
Capacitor
1.5K
R4
0805

1.5K
R2
0805

1.5K
R1
0805

1.5K
R3
0805

1K
R6
0805

1u
C20
1206
Electrolytic Capacitor
1u
C22
1206
Electrolytic Capacitor
1u
C21
1206
Electrolytic Capacitor
1u
C23
1206
Electrolytic Capacitor
3.3K
R12
0805

3.3K
R13
0805

3.3K
R11
0805

3.3K
R33
0805

3.3V
Z1
SMD_DIODE1
Zener Diode
10K
R8
0805

10K
R10
0805

10K
R9
0805

10uF
C15
0805
Capacitor
20P
C18
0805
Capacitor
20P
C17
0805
Capacitor
32.768K
X1
32.768K
Crystal
33
R31
0805

33
R32
0805

33
R29
0805

33
R30
0805

74ALS245
U4
DIP-20

74HC244
U7
DIP-20

74LVC14
U6
DIP-14

100
R14
0805

100
R15
0805

100
R28
0805

100
R16
0805

100
R19
0805

100
R18
0805

100
R20
0805

100
R17
0805

100
R22
0805

100
R21
0805

100
R24
0805

100
R23
0805

100
R25
0805

100
R27
0805

100
R26
0805

220u/16V
C13
CAP2
Electrolytic Capacitor
220u/16V
C14
CAP2
Electrolytic Capacitor
500P
C24
0805
Capacitor
3300P
C16
0805
Capacitor
AS2830-3.3
U2
TO-220_1

DB9
DB1
DB9RA/F

EZ_PROBE
J2
SIP-5
Connector
HEADER 5X2
SW2
IDC10

HEADER 5X2
SW1
IDC10

KEY
SW3
KEY

LED
D5
LEDX

LED
D4
LEDX

LED
D6
LEDX

LED
D7
LEDX

MAX232CPE
U5
SO-16

MOTOR
J1
SIP6
Connector
POWER
D3
LEDX

SFB
J3
SIP-3
Connector
SPCE061A(PLCC84)
U3
PLCC84(DIP)

USB-H
HEAD1
USB-H

九、技术支持(常见问题解答)
Q1:怎样使用烙铁焊接贴片电阻和电容?
A1:采取烙铁和镊子一起动作，镊子关键控制贴片电阻和电容位置并固定。
Q2:怎样知道电阻大小?
A2:电阻上数字代表电阻阻值，以下:
301=300欧 计算公式:30 101=300欧
300=30欧 计算公式:30 100=30 欧
Q3:怎样知道电容极性?
A3:查看电容两端颜色是否一致，一致则为无极性电容，不一致为极性电容，出现黑色一端或出现“”状为正极。
Q4:检测电路板短路和断路?
A4:用万用表检测地线和电源线是否短路，数据线或控制线是否和电源或地线串接，传接即为短路。上电过程中如发觉电源芯片温度很高，则有可能发生电源短路，应关闭电源，查找原因。查看电路图，全部芯片电源应该短路在一起，不然为断路，更换电路板或将电源短接。
Q5:怎样知道LED灯极性?
A5 ; LED能够用万用表点亮，当LED灯正极接万用表正极，负极接负极时，LED灯发出微弱光芒，反之则不会发光，焊接时，LED正极连接到电阻一端，负极连接到单片机工IOA口端。

Q6:程序下载到电路板失败?
A6:编译器程序方法不对，在IED编译环境下选择EZ-PROB模式:电路板上跳线不对，在EMU1跳线端应该脚2和脚3短接，下载调试模式。脚1和脚2短接为自动工作模式。
Q7:串口通信一直发送不对?
A7:下位机串口程序不符合通信协议规范;单片机程序中没有对单片机初始化(watchdog设置，串口中止设置等)。调试串口通信使用串口通信助手等软件进行调试。