基于单片机的旋转磁场仪的软件设计.doc

1、西安工业大学毕业设计（论文）摘要磁场作用于生物体后，在生物体内引起一系列的生物学效应，为临床磁疗提供了理论基础。关于旋磁场生物效应的研究，近年来在国内外都取得许多新的进展。要研究旋转磁场的生物效应，就必须有能产生旋转磁场的仪器，产生旋转磁场的方法多种多样。该课题主要通过以单片机为核心控制，直流电机为驱动，实现高精确稳定的旋转磁场，其整体设计思路是：利用STC12C5A60S2单片机强大的控制功能，产生PWM脉冲序列精确控制功率LM298N直流电机驱动模块，从而控制直流电机的转速，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制直流电机的启动/停止、正转、反转、加速和减速。液晶显示器可以实时监控直流电机的状态；

2、并通过串口实现与计算机的实时通信。在软件设计上采用C语言进行程序模块的编制，根据系统需实现的功能按照模块程序流程的编制思想，对系统进行软件编程。主要模块包括单片机控制模块，直流电机控制模块，电机转速的检测与处理和反馈控制模块，定时控制模块，键盘控制模块，显示模块等。关键词：磁场生物效应；单片机；直流电机；旋转磁场AbstractAfter magnetic field acting on the organism, caused a series of biological effects in organisms, magnetic therapy provides a theoretica

3、l basis for clinic. Research on rotating biological effects of magnetic field, in recent years, many new progress both at home and abroad. To study the biological effect of rotating magnetic field, it has to have instruments can produce a rotating magnetic field, the method of produce a rotating mag

4、netic field is varied.This topic is mainly controlled by single-chip microcomputer as the core, the dc motor to drive, to achieve high precision and stable rotating magnetic field, its overall design idea is: using powerful STC12C5A60S2 MCU control, producing PWM pulse sequence accurate control powe

5、r LM298N dc motor driver module, to control the speed of the dc motor, to control the frequency of the rotating magnetic field. The keyboard to control dc motor start/stop, forward, inversion, acceleration and deceleration. Liquid crystal display can be real-time monitoring the state of the dc motor

6、. And with the computer via a serial port to achieve real-time communication. On the software design using C language to program module, module, according to the system to realize the function of the program flow of ideas, the system software programming. Main modules including the single-chip micro

7、computer control module, dc motor control module, motor speed detection and processing and feedback control module, timing control module, the keyboard control module, display module, etc.Key words: Biological Effects Of Magnetic Fields;Rotary Magnetic Field;Single Chip Microcomputer;Dc motor;目录目录II

8、I1 绪论11.1 课题背景、意义及国内外相关研究情况11.1.1 课题背景11.1.2 课题研究意义21.1.3 国内外相关研究情况21.2 课题的主要研究内容31.3 论文的结构安排41.4 本章小结42.2.2 PROTEUS软件简介242.3 本章小结243.1 设计内容概述243.2 系统功能概述253.3 系统原理概述263.4 系统总体软件框图263.5 本章小结274.2单片机主程序流程和初始化模块274.3 LCD初始化及显示判断模块284.4 按键扫描与定时中断控制模块314.6 LCD字符提取模块354.7 本章小结365 系统仿真及实物展示365.1 系统仿真365.1

9、.1系统仿真说明365.1.2 开机界面显示375.2 实物展示：385.4 本章小结406.3 展望41致谢42参考文献43毕业设计（论文）知识产权声明44III1 绪论1.1 课题背景、意义及国内外相关研究情况1.1.1 课题背景一切物质都存在着磁性，现代科学已经完全证实了此论断，物质的磁性将在其周围空间产生磁场 ，这种生物体的磁性和磁现象即称为生物磁现象 。磁场对生物的影响及生物磁性的发现和研究有着悠久的历史，但生物磁学作为磁学和生物学之间的一门边缘学科而获得迅速发展的广泛应用以及受到普遍的重视，却还是比较近期的事。根据记载我国是最早发现和利用磁性的国家，而且也是最早利用磁石治病，首先开

10、创生物磁学的国家。远在两千多年前的西汉初期，就有了磁石治病的记载。此后历代的医药典籍上都有这方面的丰富资料。在国外，磁石在古代医药上的应用也可追溯到古希腊时期。到目前为止，在利用磁场治病（磁疗）和磁场麻醉（磁麻）方面，我国还是处于世界的领先地位1。磁场生物效应是生物磁学研究的一个重要内容。地球上的生物是在地球磁场( 很弱，约0.5G)的作用下生存和发展的，且已适应地磁并把它作为正常生活条件的一部份，如同地球上的温度、气压等。当人为地改变生物体周围的磁场时， 破坏了生物体原来的磁平衡状态，由此产生的一系列生物体生理或心理变化， 称为磁场的生物效应。磁场的生物效应是近几十年才逐渐受到人们的重视。并

11、且首先是从研究电磁场对人体造成的危害开始，像X射线、射线具有电离作用的辐射对人体的伤害作用及在医学上的诊断治疗作用均被广泛认识和接受。 长期以来，由于低频率的电磁场(50Hz60Hz)对组织不产生热效应和可感知的物理或化学反应，因此人们一直认为这种电磁场对生物体没有任何生物学效应。后来苏联人Vyalov2 调查了1068名接触磁场强度为0.001T0.1T(1T=104G)的职业人员，发现有的人产生不明原因的植物神经系统失调，如疲乏、头痛、失眠、消化不良等。这些效应大多是暂时性功能性变化，但经过3年5年也有产生不可逆的器质变化。再后来Wetherimer和Jeeper首次报道儿童白血病发病率明

12、显升高与居住的地方过于靠近高压线有关。尽管这一重要的流行病学研究在当时被认为缺乏精确的电磁场强度和病例收集，但仍然引起了强烈反响。进一步研究发现，凡是接近强磁场的均增加患白血病和脑瘤的机会。这些情况使有关学者开始关注磁场的生物效应。随着核磁共振和磁疗器械的应用，人们接触强磁场的机会越来越多，更加重视磁场生物效应的研究，并从动物实验和临床观察应用两方面取得了相当的成果。早在古罗马时期3磁场疗法已经用于治疗痛风。2000余年前的古代医学文献中已有用磁止痛、治疗关节肿痛等疾病的记载。1970年代以来磁性材料和磁疗器械、磁疗技术的研究和应用发展较快，在一些疾病的治疗上取得一定的疗效，磁疗成为应用较普遍

13、的物理疗法之一。实验证明，磁场能影响生物细胞内外离子的活动度、细胞膜的电位、某些酶的活性、细胞呼吸、某些物质的合成分解和化学反应过程、组织的新陈代谢以及组织器官的功能；磁场还能影响某些生物体的生长发育和生命。不同强度，不同作用时间的磁场对组织细胞和生物体的影响不同。磁场可以对人的神经、肌肉、心、肺、脑等组织的生物电流和生物磁场产生影响，干扰其病理过程，调节生理平衡，促进正常功能的恢复。据研究，磁场可降低神经末梢对外界刺激的感应性，使痛阈升高，故能镇痛；磁场可使组织内血管扩张，血流加速，血液循环改善,渗出过程受阻，水肿消散吸收，与此同时,磁场可使代谢产物和炎症产物的吸收加速，吞筮活动和免疫过程增

14、强，故磁场有较好的消炎作用，水肿的消散和致痛物质的吸收也加强了镇痛作用。磁场还有镇静、改善睡眠、缓解肌肉痉挛和降低血压的作用。曾有报道强磁场有抑制癌瘤生长转移的作用。上海医科大学在2002年做了一个临床调查，得出一个结论：100种疾病有86 种是供血不足造成的，哪里供血不足，哪里就会患病。那么，磁为什么能改善血液微循环呢？我们到医院，医生常给我们检测心电图、脑电图，是因为人体有生物电流（0.06毫安）。根据物理学原理和左手定则，电流通过磁场就会受到力的作用，就会产生向外的力，这个力可以扩张血管，（要比药物好得多），同时可以清理管壁上的垃圾。所以，磁疗对高血压、高血脂、糖尿病等疾病有非常好的疗效

15、。其次，磁场可以有效促进人体的生化反映。促进人体细胞的新陈代谢，保持细胞弹性和活力，提供人体免疫力。所以，磁场有很好的美容作用、抗衰老作用和保健作用。1.1.2 课题研究意义生物的磁效应，已经是不争的事实。生物磁学的研究虽然有着悠久的历史，但较为系统的研究是十九世纪末期特别是二十世纪中期的事。由于过去积累了不少资料，现代物理学、磁学和生物学的迅速发展，使生物磁学的研究范围不断扩大，加以当代工农业生产、医药卫生、环境保护、宇宙航行等的现实需求，要求研究和应用磁场对生物和人体的影响，生物磁性与生物结构和功能之间的关系。此外，现代磁技术的迅速发展，提供了生物磁学的宏观和微观研究的物理基础。既有现实的

16、需要，又有各方面的可能，以至推动了近几十年来生物磁学这门边缘学科不断地又简单到复杂，由现象到本质，由宏观到微观的深入发展。目前除恒定磁场外，还对不同频率不同强度的交变磁场和不同宽度不同重复频率的脉冲磁场对生物及人体的影响进行研究；根据电流产生磁场的效应，生物体内的电流会在其周围产生微弱磁场。对于这些生物磁场的研究，将有助于阐明生物活动中的一些生理和病理现象；生物的不同组织器官具有不同的磁性，这一方面与组织器官的组成和结构有关，另一方面也与其生理和病理状态有关。因此，生物材料磁性的研究也可以提供有关生物材料的结构和活动情况的信息。磁在医疗上的应用已经有不少，在农业中的应用也有所闻，一些成功单位事

17、例，显示出生物磁效应的美好应用前景，当然，旋转磁场的生物效应也包括在内，并且也取得了一定的成就。旋转磁场作用于生物体后，在生物体内引起一系列的生物学效应，为临床磁疗提供了理论基础4】。要研究旋转磁场的生物效应，就必须有能产生旋转磁场的仪器，产生旋转磁场的方法多种多样。例如采用步进电机带动永久磁块旋转的方法产生的旋转磁场的方法。但是由于步进电机本身转速不高，不适合产生较高频率的旋转磁场。因此本课题拟采用直流电机带动永磁铁产生旋转磁场，研制带有闭环控制的高速、高精确稳定性旋转磁场。1.1.3 国内外相关研究情况现代磁技术已经广泛应用于各个领域。科技的发展和进步促使人们对磁学的深入研究和探索并充分利

18、用其功能。不同种类的磁场以及不同大小的磁场应用于不同的生物体甚至是同一生物不同部位都会产生不同的结果。关于旋转磁场生物效应的研究，近年来在国内外都取得了许多新的进展。例如：1.外加磁场对骨组织的影响：西北大学生命科学研究院丁冲、陈晓虎5等人研究的不同磁场对骨组织细胞的影响，具体表现为促进成骨细胞的增值和分化并且抑制破骨细胞的形成和吸收活性。再如潘晓华、肖德明6等发现旋转恒定磁场对早期激素性股骨头坏死有显著疗效。还有像国外的在此方面的研究，如Jin X，Chalmers J J7等人发现此分离技术可以应用于恶性骨肿瘤细胞的分离。2.磁场对血细胞和血液流变学的影响:于玲娜8等应用磁感应强度0080

19、09T的旋磁作用于试管内的离体血液，发现白细胞在磁场作用下，产生应激反应，使细胞代谢加强，部分细胞发生超微结构的改变，使白细胞减少。磁场使红细胞体积增大，携氧能力增加，有利于改善组织的供血供氧状态，促进代谢.庞小峰9等报告,经恒磁场作用后，血液流变学指标发生变化，血液粘度均有降低，尤其是脑梗塞患者离体血液的血液粘度降低明显，说明了磁场有改善血液流变学的作用。3.磁场对瘢痕组织的影响:王勇10等进行了磁场对瘢痕组织影响的观察研究，表明磁场可以促进破成纤维细胞提早完成其修复功能，而对肌成纤维细胞则促进其退化，胶原代谢降低，对瘢痕组织起到治疗作用。4.对某些酶和自由基的影响：对酶的影响：夏绪刚11等

20、应用旋转时磁感应强度为0.08T的旋磁场作用于大鼠颈总动脉区20分钟，观察大鼠缺血再灌注大鼠磷脂酶A2(PLA2)和内皮素( ET)含量的影响，实验结果表明，旋磁场有抑制磷脂酶A2的活性与减低内皮素含量的作用，对于脑缺血再灌注损伤有防治功效；对自由基的影响：关于磁场对自由基的影响，国内的研究结果表明，磁场具有清除自由基的作用。其实，磁场对生物的影响是多方面多层次的，主要有磁场对生物组织器官的影响，如对心血管系统、消化系统、神经系统和免疫系统的影响;磁场对细胞的影响, 如对正常细胞和肿瘤细胞的影响;磁场对生物大分子的影响,如对遗传性分子、蛋白质分子、自由基基因。 又指出了磁场的这些作用的物理机理

21、 。磁场生物效应不仅与磁场的强度、分布和频率等有关,也与生物的种类和层次有关。最近为了理解外加磁场对生物器官的影响,研究了垂直极化磁场对小鼠肝中蝶啶容量的影响12。外加磁场频率为50 Hz,磁场强度为0.3 5 mT,作用周期为 1,3 和6 周,所测小鼠肝中的几种材料都无变化,因而得出的结论为垂直极化磁场 对鼠中的蝶啶并无影响。1.2 课题的主要研究内容该课题主要通过以单片机为核心控制，直流电机为驱动，实现高精确稳定的旋转磁场，其整体设计思路是：将磁场强度不同的永久磁条，通过固定架固定在直流电机的转轴上，当直流电机转动时，其永久磁铁产生的磁场也跟着旋转，从而产生旋转的磁场。因而直流电机的转数

22、决定旋转磁场的旋转频率，永久磁场的强弱决定旋转磁场的强度13。具体一点说就是，利用STC12C5A60S2单片机13强大的控制功能，产生一定频率的脉冲序列精确控制功率L298N直流电机驱动模块，从而控制直流电机的转速14，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制直流电机的启动/停止、正转、反转、加速和减速。液晶显示器可以实时监控直流电机的状态；并通过串口实现与计算机的实时通信。在软件设计上采用C语言进行程序模块的编制15，根据系统需实现的功能按照模块程序流程的编制思想，对系统进行软件编程。主要模块包括单片机控制模块，直流电机控制模块，电机转速的检测与处理和反馈控制模块，定时控制模块，键盘控制模块，显示

23、模块等。1.3 论文的结构安排论文由6章节构成，具体如下：第1章：绪论 介绍课题的背景及意义、主要研究内容，并对相关技术现状做简要分析；第2章：系统控制及所用软件概述 直流电机控制系统的概念、控制方式及PROTEUS、KEILC51概述；第3章：系统设计方案规划 介绍了本系统的总体设计方案系统应具备的功能，并对系统原理进行了介绍；第4章：系统软件设计 程序总体流程图及各模块流程图；第5章：系统仿真及实物展示 基于KEIL及PROTEUS进行系统仿真，并完成了实物制作；第6章：总结 总结设计，得出结论，总结设计收获和体会，同时指出整个设计工作的不足之处和需要改进的地方。1.4 本章小结对本课题有

24、了初步的了解，明白其要实现的功能。并且对该系统所涉及的元器件进行查找，查阅相关资料，大体确定本系统的工作原理及主要内容，确定所需要的模块，为后续工作做好了充分的准备。2 总体方案设计2.1 主要器件的选择 在整个设计当中器件的选择是非常重要的，根据设计的要求和指标选择合理并且合适的器件不仅有利于方便后面的设计也会是设计结果更加合理。器件的选择在于为本课题寻找最为合适的元器件，根据设计要求（精度、大小尺寸、价格等）选择进行，将本设计发挥到最佳。2.1.1 单片机的选择本课题我们选择了STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机16，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，

25、是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒),针对电机控制，强干扰场合。因为我们后面所需要的PWM在STC12C5A60S2中可以产生，所以我们选择用该单片机。下面介绍我们所用到的STC12C5A60S2单片机的主要功能，从PCA/PWM应用和中断系统这两大方面介绍。首先，介绍PCA/PWM应用。STC12C5A60S2系列单片机集成了两路可编程计数器阵列(PCA)模块，可用于软件定时器、外部脉冲的捕捉、高速输出以及脉宽调制(PWM)输出

26、。PCA的每个模块都对应一个特殊功能寄存器。它们分别是：模块0对应CCAPM0，模块1对应 CCAPM1,特殊功能寄存器包含了相应模块的工作模式控制位。当模块发生匹配或比较时，ECCFn位（CCAPMn.0，n0，1由工作的模块决定）使能CCON 特殊功能寄存器的CCFn标志来产生中断。PWM（CCAPMn.1）用来使能脉宽调制模式。当PCA计数值与模块的捕获/比较寄存器的值相匹配时，如果TOG位（CCAPMn.2）置位，模块的CEXn输出将发生翻转。当PCA计数值与模块的捕获/比较寄存器的值相匹配时，如果匹配位MATn（CCAPMn.3）置位，CCON寄存器的CCFn位将被置位。CAPNn（

27、CCAPMn.4）和CAPPn（CCAPMn.5）用来设置捕获输入的有效沿。CAPNn位使能下降沿有效，CAPPn位使能上升沿有效。如果两位都置位，则两种跳变沿都被使能，捕获可在两种跳变沿产生。通过置位CCAPMn寄存器的ECOMn位（CCAPMn.6）来使能比较器功能。每个PCA模块还对应另外两个寄存器，CCAPnH和CCAPnL。当出现捕获或比较时，它们用来保存16位的计数值。当PCA模块用在PWM模式中时，它们用来控制输出的占空比。所有PCA模块都可以用作PWM输出。输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块公用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。各个模块的占空比是独立变化

28、的，与使用的捕获寄存器【EPCnL,CCAPnL】有关。当寄存器CL的值小于【EPCnL,CCAPnL】时，输出为低；当寄存器CL的值等于或大于【EPCnL,CCAPnL】时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，【EPCnH,CCAPnH】的内容装载到【EPCnL,CCAPnL】中。这样就可以实现无干扰的更新PWM 。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。由于PWM是8位的，所以如式1： 式1：PWM频率计算公式 PCA时钟输入源可以是从以下4种中选择一种：SYSclk, SYSclk/2, SYSclk/4, SYSclk/6, SYSclk/8,

29、SYSclk/12, 定时器0的溢出，ECI/P3.4输入。其次，中断系统简介。STC12C5A60S2系列单片机提供了10个中断请求源，它们分别是：外部中断0(INT0)、定时器0中断、外部中断1(INT1)、定时器1中断、串口1(UART1)中断、A/D转换中断、低压检测(LVD)中断、PCA中断、串口2中断及SPI中断。所有的中断都具有4个中断优先级。用户可以用关总中断允许位(EA/IE.7)或相应中断的允许位来屏蔽所有的中断请求，也可以用打开相应的中断允许位来使CPU响应相应的中断申请；每一个中断源可以用软件独立地控制为开中断或关中断状态；每一个中断的优先级别均可用软件设置。高优先级的

30、中断请求可以打断低优先级的中断，反之，低优先级的中断请求不可以打断高优先级及同优先级的中断。当两个相同优先级的中断同时产生时，将由查询次序来决定系统先响应哪个中断。外部中断0(INT0)和外部中断1(INT1)既可低电平触发，也下降沿触发。请求两个外部中断的标志位是位于寄存器TCON中的IE0/TCON.1和IE1/TCON.3。当外部中断服务程序被响应后，中断请求标志位IE0和IE1会自动被清0。TCON寄存器中的IT0/TCON.0和IT1/TCON.2决定了外部中断0和1是低电平触发方式还是下降沿触发方式。如果ITx = 0(x = 0,1)，那么系统在INTx(x = 0,1)脚探测到

31、低电平后可产生外部中断。如果ITx = 1(x = 0,1)，那么系统在INTx( x= 0,1)脚探测下降沿后可产生外部中断。外部中断0(INT0)和外部中断1(INT1)还可以用于将单片机从掉电模式唤醒。外部中断0(INT0)和外部中断1(INT1)触发有两种触发方式，下降沿触发方式和低电平触发方式。TCON寄存器中的IT0/TCON.0和IT1/TCON.2决定了外部中断0和1是下降沿触发还是低电平触发。如果ITx = 0(x = 0,1)，那么系统在INTx(x = 0,1)脚探测到下降沿后可产生外部中断。如果ITx = 1(x = 0,1)，那么系统在INTx( x= 0,1)脚探测

32、低电平后才可产生外部中断。外部中断0(INT0)和外部中断1(INT1)还可以用于将单片机从掉电模式唤醒。由于系统每个时钟对外部中断引脚采样1次，所以为了确保被检测到，输入信号应该至少维持2个系统时钟。如果外部中断是仅下降沿触发，要求必须在相应的引脚维持高电平至少1个系统时钟，而且低电平也要持续至少一个系统时钟，才能确保该下降沿被CPU检测到。同样，如果外部中断是低电平可触发，则要求必须在相应的引脚维持低电平至少2个系统时钟，这样才能确保CPU能够检测到该低电平信号。2.1.2 驱动模块的选择在驱动模块我们选择了LM298N驱动模块。该驱动板可以驱动两路直流电机，使能端ENA,ENB为高电平时

33、有效，控制方式及直流电机状态表如下：ENA IN1 IN2直流电机状态 0 X X 停止 1 0 0 制动 1 0 1 正转 1 1 0 翻转 1 1 1 制动若要对直流电机进行PWM调速，需设置IN1和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为0时，电机处于自由停止状态；当使能信号为1时，且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动状态，阻止电机转动。2.2系统软件的选择 系统软件的选择在程序编写和最后的仿真阶段是非常重要的。功能强大的软件系统会让我们在使用时事半功倍。 2.2.1 KEILC51软件简介 KEILC5117是美国KEIL Soft

34、ware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。KEILC51软件基于Windows平台，提供丰富的编程语言选择和强大的集成开发调试环境。且使用KEILC51进行软件开发时，生成语句快，代码紧凑，简单易懂。在实际中可方便的应用于大型软件系统的开发中，是电子信息、计算机软件开发人员进行软件开发时很好的工具18。 KEILC51提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。如果使用C语言编程，那么KEILC51几乎就是不二之

35、选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令我们事半功倍。2.2.2 PROTEUS软件简介英国Lab center electronics公司研发的Proteus ISIS软件一款用于电子分析和系统仿真的软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。它可以对数字、模拟电路和嵌入式开发系统进行硬件和软件仿真且基于Windows平台，其特性包括以下几方面：1.实现单片机系统的仿

36、真功能。在其7.1版本中提供了众多单片机模型，包括：8051系列、AVR系列、Z80系列、PIC系列、HC11系列以及各种接口电路。2.实现了嵌入式系统的交互仿真功能。具有数字电路和模拟电路、单片机及接口电路系统SIMULATION、KC和SPI调试器、RS232动态仿真、键盘和显示系统仿真的功能；软件内部还集成了电路监测仪器，如示波器、动态指针、信号发生器等。3.集原理图和PCB绘制功能于一身，对电路系统完成原理图设计后可直接进行印刷电路板的绘制。4.硬件仿真和软件仿真的结合调试功能。支持编译和调试环境软件KEILC51与其的完美结合。在嵌入式系统的仿真分析中，可将控制系统工作的高级语言(C

37、语言、汇编语言等)与PROTEUS中相对应的电路系统完美结合，实现同步连调。2.3 本章小结 根据任务书要求，我们明确了该课题研究目的，确定该课题所要研究的内容、系统所要实现的功能，以及明白本系统的原理。然后通过查阅资料选择了我们所需的实验软件，并对两个重要软件做了学习。为之后的编程和仿真做好了准备工作。33西安工业大学毕业设计（论文）3 系统设计方案规划3.1 设计内容概述本文主要着重讨论系统软件设计相关内容，系统在研究中釆用硬件设计和软件编程相结合的手段对系统进行开发和设计，需要结合基于单片机的旋转磁场仪的硬件设计加以调试和最终成果验证。如果采用步进电机带动永久磁块旋转的方法产生的旋转磁场

38、的方法，由于步进电机本身转速不高，不适合产生较高频率的旋转磁场。因此本课题拟采用直流电机带动永磁铁产生旋转磁场，研制带有闭环控制的高速、高精确稳定性旋转磁场。设计釆用STC12C5A60S2单片机为控制核心，结合外围电路的扩展和通讯实现电路结构的搭建，在软件设计上采用C51语言进行程序模块的编制，根据系统需要实现功能，按照模块化程序流程的编制思想，对系统进行软件编程。主要程序模块包括直流电机控制模块，电机转速的检测与处理和反馈控制模块，定时控制模块，键盘控制模块，显示模块。在软件设计过程中，需要的调试过程，部分调试仿真工作在WINDOWS环境下PROTEUS软件下完成，部分在硬件设计者的电路中

39、进行，完成对系统的研究和应用设计。在实际调试的过程中，可以根据程序模块的实际需求进行扩展和修改，并实现即时的更新功能。综上所述，本文需要对以下几个方面内容进行研究：1.熟悉硬件电路的工作原理，熟悉硬件电路各个模块的控制原理，及时与硬件设计者进行沟通交流。2.系统软件编程。软件程序的编制要根据硬件电路的功能来进行，尽量采用模块化程序编制的方式进行，层次结构需要清晰可调，同时需要具备与上位机的通讯功能，在系统调试过程中，通过串口实现和上位机的通讯。程序也要具备良好的可移植性，保持严谨的软件开发框架，和优良的代码风格。3.在PROTEUS仿真平台下进行预测试，设计部分软件调试所需要的硬件仿真电路，方

40、便程序设计过程中的调试。本系统在软件中采用KEIL软件仿真平台对系统进行仿真，同时根据KEIL生成的HEX文件，结合PROTEUS单片机系统仿真软件，完成对系统硬件的仿真运行。 4.本设计的软件生成的HEX文件下载到硬件设计者的硬件电路中。以进行软硬件联合调试，和最终完成的成果验证，以验证系统的可行性和稳定性。3.2 系统功能概述本系统基于毕业设计任务书要求，需要产生旋转磁场，将磁场强度不同的永久磁条，通过固定架固定在直流电机的转轴上，当直流电机转动时，其永久磁铁产生的磁场也跟着旋转，从而产生旋转的磁场。因而直流电机的转数决定旋转磁场的旋转频率，永久磁场的强弱决定旋转磁场的强度。具体一点说就是

41、，本系统利用STC12C5A60S2单片机强大的控制功能，产生一定频率的脉冲序列精确控制功率LM298N驱动芯片，从而控制直流电机的转速，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制直流电机的开始、停止、正转、反转、加速和减速。液晶显示器LCD(1602)可以实时监控直流电机的速度；并通过串口实现与计算机的实时通信。在综合考虑系统设计等各方面因素后明确系统应具备如下功能：硬件部分：(1)单片机和直流电机运行所需的平稳电压；(2)液晶显示模块；(3)控制直流电机运行状态的键盘；(4)时钟电路与复位电路；(5)直流电机运行的驱动和功率放大电路设计；（6）串口通讯模块；（）用PROTEUS对整个系统进行硬件设计

42、、仿真和对系统输出进行测试。软件部分：(1)系统复位初始化；(2)键盘扫描与处理；(3)液品显示器初始化扫描程序；(4)定时器中断服务程序；(5）直流电机正转控制程序；(6)直流电机反转控制程序；(7)直流电机加速控制程序；(8)直流电机减速控制程序；(9)直流电机停转控制程序。3.3 系统原理概述本系统以STC12C5A60S2单片机作为核心，通过外部扩展其他硬件完成对直流电机运行速度的显示。(参见附录电路原理图) STC12C5A60S2单片机有40个引脚，我们用P2口的P2.0-P2.4引脚扩展直流电机运行状态控制键盘，设计完成后，包括开始，停止，正转，反转，加速，减速一共五个按键，刚按

43、下开始按键，系统默认为电机正转。P1.0，P1.1，P1.3三个引脚用于控制直流电机运行的驱动控制芯片LM298N，P1.0和P1.1用于控制电机的正反转，P1.3输出PWM进行使能。P0口所有引脚和P2口的部分引脚用于外接LCD1602液晶显示模块。P0口连接LCD1602液晶显示模块的DB0-DB7，用于单片机和液晶显示模块的数据传输，P2.7，P2.6，P2.5分别与LCD1602液晶显示模块的RS，R/W，E相连完成数据的显示，具体来说：R/W为读写信号线，RS为数据指令选择端，E端为使能端子。在实际工作时，当R/W为低电平，E为信号下降沿时锁存DB0-DB7的数据；R/W为高电平，E

44、为信号上升沿时，DDRAM的数据读到DB0-DB7中。直流电机驱动控制部分采用专用芯片LM298N进行控制，其输出管脚out1out4连接直流电机的相序控制端。COM端连接大于5V的电源用于对其工作进行供电。3.4 系统框图和总体软件框图本设计以STC12C5A60S2单片机芯片作为核心，利用STC12C5A60S2单片机强大的控制功能，产生一定频率的脉冲序列PWM方波精确控制功率LM298N驱动芯片，从而控制直流电机的转速，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制直流电机的停止、正转、反转、加速和减速；光电编码器可以检测当前的电机转速，用于电机转速的闭环控制；液晶显示器可以实时监控直流电机的旋转速度

45、状态；并通过串口实现与计算机的实时通信。3.4.1 系统框图系统框图可以清晰表示本系统各部分和各环节之间关系，根据设计要求和功能要求，我们的系统框图可以总结为如下图3.4.1所示：键盘模块直流电机STC12C5A60S2单片机 电机驱动模块 液晶显示模块 串口模块定时器模块PC电机转速监测与 反馈模块图3.4.1 系统总体框图 3.4.2 总体软件框图 在本次设计中，作为软件编写者，我绘制了表现系统各个模块之间的关系的总体软件框图，如图3.4.2：键盘控制模块电机转速的检测处理和反馈控制模块 单片机控制模块定时控制模块直流电机控制模块显示模块图 3.4.2 总体软件框图3.5 本章小结本章我们

46、根据课题要求和系统原理确定了设计方案。作为软件编写的部分，我确定了所需要的所有模块，为后面程序编写打下了坚实的基础。4 系统软件设计 4.1 系统程序设计说明 该系统软件部分包含以下几个程序模块：(1)单片机主程序流程和初始化模块；(2)按键扫描及定时中断控制模块；(3)LCD初始化和显示判断模块；(4)LCD字符提取模块模块；(5)直流电机的转向与转速控制模块；（6）电机转速检测模块。4.2 软件程序的编写此次旋转磁场仪设计软件程序的编写是在Keil C51软件下编写的，Keil uVision2是美国Keil Software公司出品的的51系列单片C语言集成开发系统，与汇编语言相比，C语

47、言在功能上，结构性、可读性、课维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后在使用C语言来开发，这种体会将会更加深刻。Keil uVision IDE开发系统提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点是，只要看一下编译后生成的编译代码，就能体会到Keil uVision IDE生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体会高级语言的优势。另外，Keil uVision IDE也能识别汇编程序。我对Keil软件的使用过程大致如下：(1) 新建一个工程文件（Project），图4.2（1）为新建工程界面。 图 4.2（1） 新建工程界面