基于单片机升降控制系统的设计开题报告

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。
2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。
3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。
4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。

 
 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。
文献综述
------------基于单片机升降控制系统的设计
一、单片机的简介
1、单片机应用系统的介绍 [资料来源：https://www.doc163.com]
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无处不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
单片机一词最初源于“Single Chip Microcomputer”，直译为单片微型计算机，单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入输出（I/O）接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块芯片上，组成单片微型计算机，简称单片机。也就是说单片机是集成在一块芯片上的计算机，其功能之强大，在实际应用中常常完全融入应用系统中，所以单片机也称为嵌入式控制器（Embedded Microcon troller）。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿结构或称为哈佛结构。目前的单片机采用哈佛结构的较多。按数据总线的宽度，单片机分为4位、8位、16位以及32位等。

2、单片机应用系统的发展过程
在近30年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路四个阶段，尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，1976年Intel公司首先推出了MCS-48系列单片微型计算机，其优越的性价比赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，开创了单片机历史的新纪元。目前单片机的种类繁多，最具代表性的是Intel公司的MCS-51系列单片机。其功能比MCS-48强大了很多，兼容性也比较好，Intel 8位单片机的发展经历了三代：
第一代：以70年代推出的MCS-48为代表的单片机，其技术是将计算机集成到一块芯片上，构成新型微型控制器。基特点是采用专门的结构设计，这个系列的单片机在片内集成了8位并行I/O口，8位定时计数器、RAM、ROM等。无串行I/O口，中断处理较简单，片内RAM、ROM容量较小，且寻址范围小，多用于家用电器等。
第二代：以MCS-51的8051为代表的单片机，在MCS-48系列单片机的基础上推出的新产品。其技术特点是完善了外部总线，并确立的单片机的控制功能。外部并行口总线规范化为16位地址总线，用以寻址外部64K的程序存储器和数据存储器空间，8位数据总线及相应的控制总线，形成完整的并行三总线结构。同时还提供了串行I/O口，且有多级中断处理，16位的定时计数器，片内的RAM、ROM容量也比第一代增大，片内还带有A/D转换接口。

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第三代：以80C51系列为代表的单片机，其具有CHMOS结构，保留了MCS-51单片机的所有特性、内部组成，性价比更高。Intel公司的MCS-51系列单片机是目前世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC机类兼容的高档芯片的开发上，而渐渐放弃了向微控制器方向的生产，以MCS-51技术核心为主导的微控制器技术已被ATMEL、Philips、Motorola、三星、华邦等公司继承，并且在原有的基础上又进一步进行了新的开发，从而产生了和MCS-51兼容而功能更加强劲的微控制器系列。
3、单片机应用系统的特点
单片机应用系统具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展。单片机性能稳定、速度快等特点有利于实时测控。单片机应用系统具有较完整的人机对话接口，包括键盘、液晶显示器、微型打印机、7段数码管显示等，可以单独使用，也可以与PC联合使用。为配合单片机更好的实现大量数据存储和进一步处理及其它软硬件支持，系统中用PC与单片机互联，让PC为单片机提供大量数据的存储空间及丰富的软硬件资源。系统中PC与PC.PC与单片机之间的信息交换由串行通信来实现，中心PC管理及协调各分机的工作，这为将来整个系统的联网打下了坚实的软件基础，同时也有助于提高整套仪器设备的智能性。 [资料来源：http://Doc163.com]
纵观单片机的发展历程，科学技术是第一生产力，未来单片的发展趋势将有以下几个方面：①低功耗CMOS化，MCS-51系列的8031推出时功耗达到30mW,而现在的普遍在100mW左右，随着单片机的功耗越来越低，现在的大多制造商家基本上采用了CMOS和HMOS半导体工艺。CMOS虽然功耗低，但其物理特性决定它的工作速度不够高，而HMOS具备了高速和低功耗的特点，更适合应用于低功耗供电场合。②单片机微型化，现在的单片机都是以CPU为核心，在其外围集成RAM、ROM、定时器/计数器、输入输出（I/O）接口电路、中断、串行通信接口等电路。增强型单片机还集成了A/D转换器、PWM调制电路、WDT看门狗电路等，功能更强大。现在的单片体积越来越小，重量越来越轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求体积小。目前采用SMD表面封装的单片机倍受人们喜爱，从而使得单片机系统向着微型化发展。③随着网络技术的发展，Internet已经成为信息社会的重要组成部分，Internet技术已经深入到日常生活中和工作中。Internet技术得以迅速发展，其主要推动力之一是标准成熟的PC工业。无论是PC机的硬件平台，还是软件操作系统，都要求高度标准化，上网方式也大同小异。而对于各类家用电器和智能装置，情况就不同了，它们的心脏多是单片机，但由于单片机芯片品种繁多，其结构和指令系统也各不相同，因此，它不能像PC机那样通过标准的硬件接口的接口软件直接接到Internet，如果能够将各类智能装置或家用电器与Internet连接起来，一方面可充分利用Internet资源，另一方面还可获得一些电子设备信息。由此可见，单片机与Internet的紧密结合将为单片机的发展开创另一片天地，如何最大限度的使用单片机效能将有赖于各位关注者和使用者的努力。 [资料来源：http://doc163.com]
二、电磁阀的应用
电磁阀是一种将电磁能转换为机械能的电磁元件，是一种受指令信号操纵使线圈电气回路通断，借电磁力完成启闭动作的自动阀门，是液体或气体流量控制阀中常用的一种。电磁阀具有体积小，动作灵敏，性能可靠等优点，被广泛应用在医疗、纺织、矿山、食品制造以及各种自动控制系统等行业，并取得了巨大成绩。近年来，电磁阀主要向微型、低功耗、高寿命、高频率方向发展，这就对材料性能，加工工艺提出更高的要求。
目前电磁阀主要有以下几种:
一. 普通电磁阀。包括交流电磁阀、直流电磁阀。一般在保持开阀状态时，要一直
保持通电，直至关阀。其功耗较高，不具有自保持功能。
二. 机械保持电磁阀。这种电磁阀开启后，断电时可以保持阀的状态，但其状态保持机构的机械结构复杂。
三. 自保持电磁阀。这种电磁阀可以实现保持状态的零功耗，因而从节能的角度出发对电池供电的仪表无疑是最好的一种选择。
电磁阀是利用电路开关所产生的电磁力进行开和关或者位移控制的，它的结构简单，价格低廉，电源易得，速度也较快。电磁阀按驱动方式分，可分为:直线式和旋转式。在旋转式电磁阀中，由于还需机械式转换器将旋转运动转换成直线运动，这样就增加了机械损耗，延时了动作时间。例如，在用步进电机驱动的数字流量阀中，计算机发出需要的脉冲序列，经驱动电源放大后使步进电机工作，每个脉冲使步进电机沿给定方向转动一个固定的步距角，再通过凸轮或螺纹等机构使旋转角转换成位移量，带动液压阀的阀芯移动一定的距离。阀从控制方式上又可分为伺服阀、比例阀和数字控制阀。比例阀可用作比例压力阀、比例流量阀、比例换向阀、比例复合阀、比例多路阀等,比例电磁阀就是利用电磁力实现比例阀的功能，它利用比例电磁铁输出的电磁力，使得液流压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而变化，它的控制性能优于开关式控制，能将输入的电信号(电流)按比例转换成机械量(力或位移)输出。

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三、IGBT器件的结构及工作原理
绝缘栅双极晶体管简称IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor),是MOSFET和双极型晶体管的电路集成，它综合了场控器件快速性优点和双极型器件低通态压降的优点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。自二十世纪八十年代初期研制成功以来，其工艺技术和参数不断改进和提高，IGBT己经由第三代，第四代发展到第五代，由穿通型(PT型)发展到非穿通型(NPT型)，其电性能参数日趋完善，在电机控制，中频和开
关电源备受青睐。


a) 等效电路图               b) 电气图形符号
图1 IGBT的等效电路图和电气图形符号
从内部结构上，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，其简化等效电路如图1.a所示，N沟道的IGBT电气符号图如图1.b 所示。它是以PNP晶体管为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极所加电压大于门槛电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，由于电导调制效应，使PNP基区内的扩展电阻很小，这样高耐压的IGBT也有很小的通态压降。在栅极施加负压或不加信号时，MOSFET内沟道消失，晶体管基极电流被切断，IGBT即为关断。
IGBT虽然在理论上兼具BJT和MOSFET的优点，但由于它固有的寄生晶闸管作用，使之在苛刻的负载条件和快速硬开关电路应用中不易驱动和保护。IGBT是电压控制型器件，在它的栅一射极间施加十几伏直流电压时，只有极小的漏电流流过，荃本上不消耗功率。但IGBT的栅一射极间存在着较大的电容Ca，在驱动脉冲电压的上升和下降沿需提供数安培的充放电电流，才能满足其开通和关断的动态要求，使得IGBT的驱动电路也必需输出一定的峰值电流。另外，IGBT在使用过程中，有可能发生开关过电压或功率过电流和短路过电流情况，如果保护不好，将最终导致IGBT损坏.因此，对IGBT的驱动和保护电路进行合理的选择和设计是非常重要的。
四、步进电机驱动系统研究现状
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或者线位移的机电转换元件。步进电机开始出现于1920～1927年，主要用于航海技术方面，并于1930年真正应用于机械设计和制造。在1952年应用于三坐标数控铣床，显示其能够提高生产效率的特点。在日本，60年代初期，开发了用于数控装置及计算机外部设备的磁阻式步进电动机。60年代中期至今，开发出了混合式步进电动机。
步进电机经过多年的发展，在其自身设计、驱动电路、加减速脉冲分配方面已经趋于成熟或非常成熟。以其一定的开环精度、无刷、易于启停、步矩角选择范围大和与计算机接口方便等优点，得到众多领域的应用。例如:包装机械、摄像机、煤矿瓦斯浓度测试、打印机、机器人等，获得巨大的经济效益。
最近有关步进电机的很多方面都得到了细致的研究。对于步进电机的驱动电源的研究，主要包括单电压驱动电路、高低压切换驱动电路、恒流斩波驱动电路D1和细分驱动电路[111。特别是细分驱动技术的研究，更是由其减小步进电机的步矩角、提高步进运行的平稳性、增加控制灵活性等优点得到广泛的关注。对步进电机细分驱动的微步矩角测量、控制系统、及控制器均有较深的研究。针对步进电机的运行中的丢步和过冲现象，对于步进电机的升降速曲线控制方面的研究也很多。主要是根据步进电机的不同应用场合，比如高速和低速的不同，研究步进电机的启动频率和升降速的形状，并针对现在使用较多的梯形、S型和直线加梯形的加减速形状加以分析和研究。对于步进电机的加减速实现也有很多的研究，比如单片机对步进电机升降速的控制。
随着步进电机的广泛应用，步进电机和微机的接口方面的研究已经比较成熟。尤其是一些集成芯片(AT89C2051单片机) 的应用，使步进电机的微型机控制非常方便和容易。在步 进 电 机微机控制方面也有较多的研究，比如X-Y工作台的系统设计应用于数控机床加工系统、立体仓库中的平面移动系统、平面绘图系统等。对于多台步进电机的分时异步控制、多台步进电机联动也都有较成熟的研究。步进电机控制在Windows环境下的实现，使其有更好的人性界面，使用也更为方便 [资料来源：http://Doc163.com]
综上所述，步进电机作为一种动力驱动系统，在控制方面得到了很多的研究，并且广泛应用于各个领域。但是步进电机驱动系统的设计，不仅仅考虑步进电机的矩频特性，还要考虑负载运动系统的动力学参数。现有的文献都是以系统的静摩擦力代替系统的阻尼、千摩擦力、和弹性影响。但是系统的静摩擦力是作为步进电机所要克服的阻力的最大值，一旦电机起动，其受到的阻力将远小于静摩擦力。只有对步进电机驱动系统在负载运动工程中的阻尼、弹性和摩擦力综合考虑才能很好地解决这个问题。


参考文献
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毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
２．开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 [资料来源：Doc163.com]
一、课题的目的与意义
本选题以“基于单片机升降控制系统”(控制对象为步进电机)作为实际应用背景，研究单片机在步进电机运动控制系统中的应用，在有效利用单片机内部资源以及详细了解相应电机运动控制系统运行特性的基础之上，进一步挖掘单片机在步进电机运动控制领域中的应用潜力，降低系统的成本，提高系统的性能。这样的工作无论对单片机在步进电机运动控制领域中的进一步推广还是对步进电机运动控制系统性能的进一步提高都有很大的研究价值和现实意义。在此次课题设计中，我将了解步进电机的驱动和控制，单片机的编程及应用，以及对单片机的功能扩展，电力电子相关知识也将涉及到。
二、课题发展现状和前景展望
本课题主要研究单片机在步进电机驱动系统中的应用。众所周知，步进电机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系，随着电子技术和功率开关电子器件的出现，使步进电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大变化，特别是集成电路的推广和微机的普及应用，更使对步进电机驱动的研究上了一个新台阶。步进电动机的特点决定了对步进电动机驱动器的研究是与对步进电动机的研究同步进行的。步进电动机的驱动方式是随着步进电动机的出现而出现，随着它的发展而发展的，概括起来共有这样几种:单电压驱动;单电压串电阻驱动;高低压驱动;斩波恒流驱动;升频升压驱动;集成模块式驱动;细分驱动。国外对步进电机驱动技术的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制与驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小了驱动器的体积，明显提高了整机的性能。随着以MCS-51系列为代表的单片机的迅速普及，基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用，此类环分器仅需更换不同的软件即可适应各种电机，而无需变更硬件，具有极大的灵活性。在系统中，我们采用单片机来驱动步进电机，通过对单片机的编程使其生成一环形脉冲来对步进电机进行驱动，我们要控制步进电机只需对单片机的程序进行修改，这样既能简化步进电机的驱动电路，还能对步进电机进行有效可靠的控制。 [资料来源：https://www.doc163.com]
电力电子器件是电力电子装置的墓础单元，继晶闸管(SCR)、门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOSFET)之后，进入以绝缘姗极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件的发展期。绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。众所周知，构成IGBT的MOSFET和BJT各有其优缺点。MOSFET属于单极型器件，具有开关频率高、没有二次击穿现象、元件并联运行容易、控制功率小的优点，缺点是导通电阻大，耐压水平不容易提高。BJT属于双极型器件，具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点，缺点是开关时间长，有二次击穿现象以及控制功率大。IGBT是MOSFET和BJT的复合器件，它既有MOSFET驱动功率小、开关速度快的优点，又具有BJT通态压降小、载流容f大的优点，性能优越，越来越多地被应用到工作频率为几十千赫的各类大中功率电力变换装t中，成为现代电力电子技术的主导器件。并且，随着IGBT技术的发展，其性能不断得到改善和提高，使得IGBT在大功率开关电源设备中的地位越来越重要，如UPS、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都大I使用IGBT模块。
三、课题主要内容和要求
1、任务
本课题要求完成系统总电路的设计及单片机硬件和软件的设计。系统研究基于8255单片机，通过对单片机进行软硬件的设计来驱动和控制步进电机，从而达到升降的目的。其次，我们还要求该系统能进行相关运行状态的显示及将采集到的信号进行反馈，并且能通过设定的按钮来达到控制的目的。我们要求该系统有很好的可靠性和抗干扰的能力。

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2、内容
1) 单片机的选择；2) 总体方案的确定；3) 各模块电路的设计；4) 软件设计；5)各模块调试；6) 撰写设计说明书。
四、研究方法、步骤和措施
本课题设计目标是对单片机控制升降系统进行研究与开发。其主要内容包括原理图设计、硬件的设计、控制程序的设计和最后的调试。单片机应用系统是以单片机为核心，配以一定的外围电路及软件，能实现某些功能的应用系统。它由软件和硬件两部分组成，根据题目做出分析设计出硬件电路图，后设计软件部分，再进行调试。
查阅相关资料和文献，熟悉AT89C51单片机及其步进电机的控制系统，进行可行性论证，提出方案，然后进行方案论证，选择更好的方案，并划分软、硬件所分担的任务，完成各个模块的设计，在分块设计时，首先提出方案－方案论证－方案实现，最后完成总图设计，组成计算机应用系统，然后进行调试、修改、完善。根据设计任务书对单片机控制的升降系统进行系统硬件的设计，最后对系统进行全面的仿真调试。因此对此次毕业设计按以下步骤进行：
1．根据所做课题，查阅有关资料写好文献综述和开题报告；
2．根据课题内容，查阅相关资料，相关课题，确定课题的总体方案；
3．系统软件总体结构设计； [来源：http://www.doc163.com]
4．各模块程序设计及部分程序调试；
5．对系统的软硬件进行联调；
6．撰写说明书；
7．整理资料，准备答辩。

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