lcd显示器控制电路

井冈山大学

课程：电子测量

系别：电子工程系

班级：08电信本（1）姓名：李俊剑

学号：80514055

教师：刘宇安

基于lcd显示器控制电路设计

摘要

本文将主要介绍远程步进电机控制与状态显示器系统的设计及相关功能，系统由一个主机和两个从机三大部分组成，主从机主控芯片都是AT89S52单片机。系统可实现的功能是主机能够对从机发出控制命令包括步进电机转速值的设定、角度值的设定，同时将在从机采集到的步进电机实时速度在显示器上显示和实现智能控制。主机和从机之间的通信采用的是半双工串行通信方式，串行通信接口采用的是MAX485接口，通过RS-485接口标准协议实现主从机之间的通信。显示部分采用的是具有较好人机界面的TG12864LCD显示，步进电机驱动器采用NPN型的TIP122达林顿管，速度的测量通过光电传感器MOC70T2实现，系统的干扰隔离通过电隔离器TLP521-4实现。

关键字：智能控制；串行通信；LCD显示；隔离干扰

Abstract

This article will focus on remote stepper motor control and status display system design and related functions, the system consists of a master and two slaves three major components, both master and slave control chip AT89S52 microcontroller. System can realize the function of the host to control commands issued from the machine, including the value of the stepper motor speed setting, the setting angle value, while collected from the machine speed stepper motor display real-time display and intelligent control. Between master and slave half-duplex communication is used in serial communication, serial communication interface uses a MAX485 interface, through the RS-485 interface standard protocol for communication between master and slave. Show some use is a good man-machine interface TG12864LCD shows, stepping motor drive type with NPN TIP122 Darlington, speed measurement by optical sensors MOC70T2 achieved through the electrical system interference isolation isolator TLP521-4 implementation.

Keywords: intelligent control; serial communication; LCD display; isolation interference

目录

引言 (1)

1 核心部件介绍 (1)

1.1 89C51单片机简介 (1)

1.2 总线驱动芯片MAX485 (1)

1.3 光电传感器MOC70T2 (2)

1.4 LCD液晶显示屏TG12864 (2)

2 基本原理的分析 (3)

2.1 步进电机的结构与调速原理 (3)

2.1.1步进电机的结构 (3)

2.1.2 步进电机的调速原理 (3)

2.2 MAX485通信原理 (3)

2.3 MOC70T2传感器测电机转速工作原理 (5)

3 硬件电路设计 (5)

3.1 主从通信部分 (5)

3.2 传感器测速部分 (6)

3.3 步进电机控制部分 (6)

4 程序设计 (8)

4.1 程序设计流程图 (8)

4.2 串口通信波特率设置.................................................................... 错误！未定义书签。

4.3 MAX485通讯接收程序 ................................................................ 错误！未定义书签。

5 系统调试 (8)

5.1静态调试 (9)

5.2动态测试 (9)

6 实训总结 (10)

谢辞 (12)

参考文献 (13)

附录1 系统原理图 (14)

附录2 PCB板图 ..................................................................................错误！未定义书签。

引言

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor 或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等。

正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制和程序控制系统。对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。

用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式。

1 核心部件介绍

1.1 89C51单片机简介

Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压/高性能的8位单片机,它采用CMOS和高密度非易失性存储技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程,内部除CPU 外,还包括256字节RAM,4个8位并行I/O口,5个中断源,2个中断优先级,2个16位可编程定时计数器,89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机,完全符合本系统设计的需要。

1.2 总线驱动芯片MAX485

MAX485芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片。MAX485采用平衡发送和差分接收

方式来实现通信：在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以10Kbps速率传输数据时传输距离可达12m，而用100Kbps时传输距离可达1.2km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。另外RS-485实现了多点互连，最多可达256台驱动器和256台接收器，非常便于多器件的连接。可实现半双工通信。图1.2为MAX485的引脚配置图

图1.2 MAX485 引脚配置图

1.3 光电传感器MOC70T2

对射式光藕MOC70T2为光电传感器的一种,这是一种自带发光二极管和光敏三极管的器件.它能发射和接收红外线。当A，C两管脚接VCC，E,C两管脚接地时，在没有检测到红外信号时候，C脚输出等于VCC，当检测到信号时候，输出接近0V，既单片机能检测到的高低电平。

图1.3 MOC70T2电路原理图

1.4 LCD液晶显示屏TG12864

TG12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全

点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以8×4个（16×16点阵）汉字。主要技术参数和性能：

1.电源：VDD：+

2.7～+5V；模块内自带-10V 负压，用于LCD的驱动电压。

2.显示内容：128（列）×64（行）点。

3.全屏幕点阵。

4.七种指令。

5.与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线。

6.占空比1/64。

7.工作温度：-10℃～+60℃，储存温度：-20℃～+70℃ ,可选择宽温：-20℃～+70℃（工作温度）；

2 基本原理的分析

2.1 步进电机的结构与调速原理

2.1.1步进电机的结构

步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。

2.1.2 步进电机的调速原理

步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机左步进式旋转,驱动电路由脉冲信号来控制,所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。如图2.1所示，本实训使用的步进电机线圈由三相组成，即：AB-BC-CD。驱动方式为二相激励方式，各线圈通电顺序为AB-BC-CD-DA-AB……,按这种顺序切换，电机轴按顺时针方向旋转，便可通过不同长度的延时来得到不同的频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种步进速度。

本文的系统设计是用定时中断来改变单片机发出的脉冲频率，从而控制电机转速，具体的实现方法会在程序设计中详细介绍。

2.2 MAX485通信原理

在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：从机不主动发送命

令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。采用RS－485构成的多机通讯原理框图，如图2.2所示。

图2.2.1基于RS－485的多机通讯原理框图

MAX485的RO引脚接到单片机的串口接收引脚RXD P3.0，MAX485的DI引脚接到单片机的串口发送引脚TXD P3.1。由于MAX485为半双工通信方式，不能同时发送和接收数据，只能通过控制RE和DE引脚的状态来进行发送数据和接收数据的转换。这里将MAX485的RE和DE引脚连在一起,把他接低电平时MAX485处于接收数据状态，把它高电平（5V）时MAX485则处于发送数据状态。为了试验方便我们通过硬件连线手动控制其接地或者接5V. 在软件上232通信和MAX485通信是一样的。

A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0，A和B端之间加匹配电阻，一般可选120欧姆的电阻。

图2.2.2 MAX485之间的连接方式

由于MAX485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经

发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配合，必须要遵从以下几项原则：

（1）复位时，主从机都应该处于接收状态。

（2）控制端RE与DE的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。

（3）总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开。

2.3 MOC70T2传感器测电机转速工作原理

由第一章中MOC70T2的介绍可知,由于MOC70T2红外发射端和红外接收端中间被挡着的时候则接收端无法接收信号,所以可设计电路,使其接收到红外线反射时候输出低电平信号，没接收到时则发送高电平信号。电机转轴上安上事先做好的转盘,传感器安在转盘下方,使转盘从发射端和接收端之间转过,每转一圈就致红外线对射一次,然后输出的高电平传入单片机的P33口,从而进入外部中断自加1,等到了1秒时,转速数值送显,既可以测出电机每秒转速。

3 硬件电路设计

3.1 主从通信部分

通信是本设计系统的主要功能,单片机的RXD脚接MAX485的RD脚, 单片机的TXD 脚接MAX485的DI脚,分别用于发送与接收数据,RE与DE共同连接单片机的一个I/O口用于MAX485的使能控制。BA两端并联一个120欧的电阻作为匹配电阻，主从机连接切记要A接B`,B接A`,才能正常通信。

图3.1 MAX485与单片机连接方式

3.2 传感器测速部分

在第二章中已文字介绍测速工作原理,在此不再累述.具体电路如下图

图3.2 光电传感器驱动电路

3.3 步进电机控制部分

由于步进电机需要用12V的电源驱动，而单片机系统采用的是5V电源供电方式，所以为防止单片机受到电机的高电压干扰，所以要采用光耦隔离的方式来把控制信号与步进电机电源隔离开来，有效的隔离共模干扰。光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为媒介传送信号，对输入和输出电路可以进行隔离，因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定。四相步进电机需要用4个控制信号来控制。驱动电路如图3.5所示。

图3.3 步进电机驱动电路

4 程序设计

4.1 程序设计流程图

图4.1 系统流程图

5 系统调试

系统调试分为静态调试和动态调试两方面，顺序不能颠倒，否则有可能会造成电路烧掉，元器件损坏等不良后果。

5.1静态调试

静态调试第一步为目测。对每一块加工好的印制电路板要进行仔细的检查，先检查印制线是否有断线、有无脱落现象，如果有的话就要用焊锡将其连接好，并检查是否有印制线短接，因为有时候由于印制线间距过近腐蚀不够完全导致导线短接现象，发现短接可用刻刀将谅解的部分划掉。接着再看过孔是否有氧化现象，如果有，要将其表面的氧化层刮去。

第二步用万用表检测。因为在线路间间距较小的时候即使有短接也没发现，所以需要借助万用表。先将万用表置于蜂鸣挡位，用两个表笔分别接在那些挨得比较近的电路线看看是否有短路。如果发出蜂鸣声则说明有短路状况，没有蜂鸣警报声则表明正常。接着检查电源线和地线之间是否有短路现象。焊接好元器件后先观察本没有相连的焊点上的焊锡连接在一起，最后用万用表检测一些接点，查看他们的通断状态是否符合要求的状态。

第三步为加电源检测。特别要注意的是这项检测并不把单片机芯片加上去，加上电源后，将万用表置于电压挡去检测所有插座和引脚两端的电压值，查看是否符合要求的电压值。如果有大于5V的，则表明不正常，因为单片机的工作电压不允许超过5V电压值超过这个值会烧坏单片机。然后去检测接地端的电压值是否接近于零，如不接近零说明有短路。在这项检测中电路板正常，没有异常。

在这步测试中发现有两个问题，第一个问题是印制电路有短路现象，主要原因是腐蚀得不够彻底，使得线路比较密集的地方没有完全隔离，有连接。第二个问题是在加电（未加芯片情况下）用万用表检测到某些管脚的电压比电源电压还大，经过排查发现是一条底线的连接上出现里断路现象，用焊锡连接好后问题得到解决。第三个发现的问题是在焊接时两个距离较近的焊点的焊锡连在一块造成短路，用烙铁加热处理排除问题。

5.2动态测试

动态调试是用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障，器件间连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试一般是由近及远），由分到合，首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分若干块，进行分块调试。当各块电路调试无故障后，将各块电路逐块加入系统中，再对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行试验。

首先我检测的是单片机最小系统模块是否能正常工作，上电后指示灯亮电源连接正常，用单片机程序加载器给单片机加载程序，加载成功，最小单片机系统工作正常。第二步是检测LCD显示模块是否工作正常，将TG12864安装好后载入相关程序由单片机控制LCD显示，经检测显示模块工作正常。第三步将所有芯片安装到板上进行测试，安装好后上电检测元件发现驱动器件TIP122在未加负载的情况下发热并且温度持续上

升，断电认真检查发现原因是误将IN4001当作普通二极管来焊接未反接，重新拆除反接焊接后问题得到解决。接下来测试TIP122驱动步进电机的工作情况，载入步进驱动程序并启动步进电机控制，步进电机工作正常。第四步检测主机和从机的半双工串口通信，即检测MAX485芯片的连接电路是否正常和串行通信程序是否正确，加载程序后启动系统，主机向从机发送帧，两个从机收到地址确认后相应主机，并执行主机命令并在显示模块上显示相应的状态。主从机串行通信功能正常。最后对系统进行综合测试，即通过光电传感器测量步进电机的速度并将步进电机的转速值通过RS_485标准协议通信方式由从机传给主机，在LCD模块上显示转速状态。在检测过程中发现光电传感器无法采集到步进电机转速，通过对原理图和光电传感器的仔细分析和讨论后找到原因，发现是因为光电传感器的发射管反接才能正常工作，将其反接焊接到电路板上重新进行测试传感器能测量速度，系统工作正常，完成设计功能。

6 实训总结

本次的实训时间为两周，内容为智能电子综合实训电子作品制作。我选的题目是远程步进电机控制与状态显示器，要求是主机能够对从机发出控制命令包括步进电机转速值的设定、角度值的设定，同时将在从机采集到的步进电机实时速度在显示器上显示和实现智能控制。进过两周的努力，我基本完成了设计要求的基本功能。

经过这次远程步进电机控制与状态显示器设计实训，我收获很大，积累了许多经验和知识。本次实训共分为三步，即通过网络、相关书籍等各种途径查找资料，电路板原理图的设计和PCB制作，板的调试三部分。

首先，实训的第一步就是查找相关资料做好设计制作前的准备。在这个过程中我深刻地领悟到查找资料是一个大学生获取知识拓宽知识面最重要的一坏。通过查找资料我们可以学到许多课本上所没有的，这也是锻炼一个大学生自学能力的关键。在此期间我查找了不少有关步进电机控制和单片机半双工串行通信的书籍，了解到了许多有关步进电机控制的原理和单片机串行通信应用的基本知识，基本上掌握了步进电机的控制方法和单片机串行通信的应用原理。同时也了解到单片机广泛应用于工业控制和电子产业中，所以学好单片机知识对我们来说是很重要的。通过上网搜索，找到了对设计有帮助的资料。在网络上我找到了许多有关步进电机控制与状态显示器设计资料，虽然没找到与我的设计要求比较符合的资料，但通过对相关资料的学习和分析基本明确了设计思路，为下一步原理图的绘制和办的制作做好了准备。因此网络也是我们获得知识的一个途径。

实训的第二步是板的制作。板的制作有很多的细节是要注意的，这些细节会影响到做板的质量。在热转印中我们就要注意设定好转印的温度，不能过高，150C就比较合理。如果设定得太高就会把铜板烧坏。在腐蚀时要注意好腐蚀的时间不能太长，腐蚀好

后即时拿出，否则会把不该腐蚀掉的电路线腐蚀掉。腐蚀好后要及时上松香并烘干，不然铜板会被氧化导致导电性不好。焊接时也有很多要注意，首先要检查元器件的好坏，发现不正常的立即更换，不然焊好后再拆下来就很麻烦。烙铁的温度足够高后才能开始焊接，这样锡熔得好。焊接时要先焊较小的器件。同时要注意焊接的时间不能过长，否则会把元器件烧坏而不能使用。

实训的第三步是板的测试。测试分为静态测试和动态测试，首先要做的是进行静态测试，检查电路的连通性，查看是否有短路。不能跳过静态测试而直接进行动态测试，如果直接进行动态测试加上电源有可能把电路烧坏使得前面的努力工作付之一炬。

这次的实训的题目对于我来说是比较难的，但正因为有一定的难度让我有了充分锻炼自己地机会。实训最重要的是要自己亲自动手，若一味地照搬或抄袭他人的作品不加思考领会，那也就达不到锻炼自己的目的。我们可以参考他人的制作成功资料，但要去领悟并加以改进创新，制作出属于自己的作品。制作过程中遇到的问题要深入的思考加以解决。通过这次步进电机控制与状态显示器设计实训使自己掌握了步进电机控制的原理和液晶显示模块TG12864S使用方法，并加深了对单片机串行通信的理解，学会了串行通信接口器件MAX485的使用方法以及使用光电传感器测量步进电机转速的方法。总之这次实训锻炼了我们的动手能力，将理论运用到实践中。同时让我深深地感受到理论和实践是有差距的，只有将理论运用到实践中才能检验其是否正确并将理论知识加以巩固和理解。

谢辞

在此，我非常感谢应用科技学院给我们学生提供了这次难得的实训机会，使我们有机会把平时所学的理论知识运用到实际操作中去，这对我们加强理论知识有很大的帮助，而且也使我们的实践能力的到了锻炼。在这次实训中学院为我们免费提供了制作的电子器件，对此我们再次感谢。感谢学院领导对我们的关怀和支持。非常感谢童有为、班立新、严素清和陈小毛等老师在实训期间对我们的悉心教导，帮助我们分析制作过程中所遇到的问题，为我们讲解知识和应该注意的事项，他们严谨的教学作风和处事方法让我感触颇深。同时也非常感谢我们班的同学在我不理解的时候给我耐心的讲解和建议。老师和同学的鼓励和支持下，我顺利地完成了这次实训。

参考文献

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[2] 张福学.传感器敏感元件大全.北京：电子工业出版社,1990.

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[5] 王庆. Protel 99 SE&DXP电路设计教程[M]. 电子工业出版社. 2006

[6] 胡汉辉. 传感器技术及应用[M].科学出版社. 2009

[7] 王厚枢等编.传感器原理[M].北京：航空工业出版社，1989.

[8] 曹光跃.传感器原理及应用[M].化学工业出版社.2005

[9] 张锡富.传感器[M].北京：机械工业出版社.1993.

[10] 袁希光主编.传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，1986.

附录1 系统原理图