步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)論文.doc

課程設(shè)計(jì) 論文 題 目 名 稱 步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì) 課 程 名 稱 單片機(jī)原理及應(yīng)用 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 系 專 業(yè) 指 導(dǎo) 教 師 2013 年 6 月 24 日 摘要 步進(jìn)電機(jī)是一種以脈沖信號(hào)控制轉(zhuǎn)速的電機(jī) 它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?或線位移的開(kāi)環(huán)控制元件 很適合使用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制 在非超載的情況下 電 機(jī)的轉(zhuǎn)速 停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù) 而不受負(fù)載變化的影響 即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào) 電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角 這一線性關(guān)系的存在 加上步 進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn) 使得在速度 位置等控制領(lǐng)域用步 進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變得非常的簡(jiǎn)單 本設(shè)計(jì)是基于89C51單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開(kāi) 環(huán)控制系統(tǒng) 整個(gè)系統(tǒng)主要由控制電路 最小系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電路 顯示電路四部分組 成 通過(guò)單片機(jī)存儲(chǔ)器 I O接口 中斷 鍵盤(pán) LED顯示器的擴(kuò)展 保護(hù)電路 中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路 單電壓驅(qū)動(dòng)電路等的設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了四相步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 調(diào)速 急停等功能 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件 由于其精度 高 體積小 控制方便靈活 因此在許多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用 關(guān)鍵字 89C51單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 調(diào)速 正反轉(zhuǎn) 目錄 第 1 章 步進(jìn)電機(jī)原理 1 1 1 步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù) 1 1 2 步進(jìn)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 3 第 2 章 設(shè)計(jì)原理與分析 4 2 1 步進(jìn)電機(jī)的介紹 4 2 2 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 5 第 3 章 電路設(shè)計(jì) 6 3 1 控制電路設(shè)計(jì) 6 3 2 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 6 3 3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 7 3 4 顯示電路設(shè)計(jì) 8 第 4 章 程序設(shè)計(jì) 9 4 1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 9 4 2 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì) 10 4 3 外部中斷程序設(shè)計(jì) 11 第 5 章 系統(tǒng)仿真 12 5 1 繪制電路原理圖 12 5 2 系統(tǒng)仿真 12 第 6 章 總結(jié) 14 參考文獻(xiàn) 15 致謝 16 附錄 17 0 第 章 步進(jìn)電機(jī)原理 1 1 步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)是一種 感應(yīng)電機(jī) 它的工作原理是利用電子電路 將直流電變成分 時(shí)供電的 多相時(shí)序控制電流 用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電 步進(jìn)電機(jī)才能正常 工作 驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的多相時(shí)序控制器 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件 它不能直 接接到交直流電源上 而必須使用專業(yè)設(shè)備 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)器可以 發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號(hào) 它為環(huán)形分配器提供 脈沖序列 環(huán)形分配器的主要功能是把來(lái)自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配 后 經(jīng)過(guò)功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸入端 以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 的轉(zhuǎn)動(dòng) 環(huán)形分配器主要有兩大類 一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配 器要求的功能 通常稱軟環(huán)形分配器 另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器 通常稱 硬環(huán)形分配器 功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大 以達(dá)到驅(qū) 動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的 步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個(gè)方面 從結(jié) 構(gòu)上看 步進(jìn)電機(jī)分為三相 四相 五相等類型 常用的則以三相為主 三相步進(jìn) 電機(jī)的工作方式有三相單三拍 三相雙三拍和三相六拍3種 其基本原理如下 1 換相順序的控制 通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配 例如 三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式下 其各相通電順序?yàn)锳 B C A 通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A B C相的通斷 三相雙三拍的通電順序?yàn)锳B BC CA AB 三相六拍 的通電順序?yàn)锳 AB B BC C CA A 2 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 如果給定工作方式正序換相通電 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn) 若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為三 相六拍 即其轉(zhuǎn)向?yàn)?A AB B BC C CA A 如果按反序通電換相 即其轉(zhuǎn)向?yàn)?A AC C CB B BA A 則電機(jī)就反轉(zhuǎn) 其他方式情況類 似 步進(jìn)電機(jī)換向時(shí) 一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向 以 免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī) 換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖結(jié)束 后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出 對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖 寬度 脈沖序列的均勻度及高低電平方式 在某一高速下的正 反向切換實(shí)質(zhì)包含 1 了降速 換向 加速3個(gè)過(guò)程 3 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖 它就轉(zhuǎn)一步 再發(fā)一個(gè)脈沖 它會(huì)再轉(zhuǎn)一步 兩個(gè)脈沖的間隔越短 步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快 調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率 就可 以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試 4 步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感 為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑 減小振 動(dòng) 可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波 可以減小步進(jìn)電 機(jī)的步進(jìn)角 跳過(guò)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性 在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí) 為了防止因慣性而使電 機(jī)軸產(chǎn)生順滑 則需采用合適的鎖定波形 產(chǎn)生鎖定磁力矩 鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸 使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng) 5 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 如果信號(hào)變化太快 步進(jìn)電機(jī)由于慣 性跟不上電信號(hào)的變化 這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象 所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí) 必須有加速過(guò)程 在停止時(shí)波形有減速過(guò)程 理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線 步 進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過(guò)程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過(guò)程頻率變化規(guī)律的逆過(guò)程 選定的 曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律 能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩 快 速響應(yīng)性好 縮短了升降速的時(shí)間 并可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象 在一個(gè)實(shí)際的控制 系統(tǒng)中 要根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn) 頻率稱為 啟動(dòng)頻率 于此類似 停止頻率 是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷 步進(jìn)電 機(jī)不沖過(guò)目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率 電機(jī)的啟動(dòng)頻率 停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和 負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng) 有了這些數(shù)據(jù) 才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制 步進(jìn) 電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中頻率變化曲線如圖1 1所示 f Hz fa fb 0t s 圖 1 1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中頻率變化曲線 2 1 2 步進(jìn)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 從該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可知 該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向 速度應(yīng)該有增減變 化 通常用加減按鈕控制速度 這樣只要2根口線 再加上一根方向線和一根啟動(dòng) 信號(hào)線共需要4根輸入線 系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān) 這里選步進(jìn)電 機(jī) 該電機(jī)共有四相繞組 工作電壓為 5V 可以個(gè)單片機(jī)共用一個(gè)電源 步進(jìn)電 機(jī)的四相繞組用P1口的P1 0 P1 3控制 由于P1口驅(qū)動(dòng)能力不夠 因而用一片 L298增加驅(qū)動(dòng)能力 用P0口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉(zhuǎn) 用P2口控制第二 個(gè)數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)速等級(jí) 數(shù)碼管采用共陽(yáng)的 其工作時(shí)序波形圖如圖1 2所示 脈沖分配如表1 表2所示 總體設(shè)計(jì)方框圖如圖1 3所示 圖 1 2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 3 89C51 單片機(jī) 復(fù)位電路 按鍵控制電路 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn) 電機(jī) 狀態(tài)顯示電路 電源及時(shí)鐘電路 圖 1 3 總體設(shè)計(jì)方框圖 第 2 章 設(shè)計(jì)原理與分析 2 1 步進(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī) 它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移 即給一個(gè)脈沖信號(hào) 步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度 因此非常適合于單片機(jī)控制 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制 電機(jī)的最大特點(diǎn)是 它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的 步進(jìn)電機(jī)分三種 永磁式 PM 反應(yīng)式 VR 和混合式 HB 步進(jìn)電機(jī)又稱為 脈沖電機(jī) 是工業(yè)過(guò)程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng) 反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件 其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移 由于開(kāi)環(huán)下就能實(shí)現(xiàn)精確定位 的特點(diǎn) 使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈 沖數(shù)確定 所以 也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字 角度轉(zhuǎn)換器 1 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 該設(shè)計(jì)采用了四相步進(jìn)電機(jī) 采用單極性直流電源供電 只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各 相繞組按合適的時(shí)序通電 就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)某一相繞組通電時(shí) 對(duì)應(yīng)的磁 極產(chǎn)生磁場(chǎng) 并與轉(zhuǎn)子形成磁路 這時(shí) 如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊 在磁場(chǎng) 的作用下 則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度 使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊 由此可見(jiàn) 錯(cuò) 齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因 2 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ) 相數(shù) 產(chǎn)生不同隊(duì)N S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù) 常用m表示 拍數(shù) 完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用n表示 或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距 角所需脈沖數(shù) 以四相電機(jī)為例 有四相四拍運(yùn)行方式即 4 AB BC CD DA AB 四相八拍運(yùn)行方式即 A AB B BC C CD D DA A 步距角 對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào) 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用 表示 360度 轉(zhuǎn)子齒角運(yùn)行拍數(shù) 以常規(guī)二 四相 轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機(jī)為例 四相 運(yùn)行時(shí)步距角為 360度 50 4 1 8度 八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 360度 50 8 0 9度 定位轉(zhuǎn)矩 電機(jī)在不通電的狀態(tài)下 電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩 由磁場(chǎng)齒形 的諧波以及機(jī)械誤差造成的 靜轉(zhuǎn)矩 電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下 電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí) 電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力 矩 此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn) 與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān) 雖然靜態(tài)轉(zhuǎn) 矩與電磁激磁匝數(shù)成正比 與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān) 但過(guò)分采用減小氣隙 增加勵(lì)磁匝數(shù)來(lái)提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的 這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音 3 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 目前 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器 軟件環(huán)形脈 沖分配器 專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等 本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制 主要是 利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配 四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍 雙四拍和四 相八拍工作的方式 本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的 時(shí)序和波形圖 總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律 四相雙四拍的 脈沖分配規(guī)律 在每一種工作方式中 脈沖的頻率越高 其轉(zhuǎn)速就越快 但脈沖頻 率高到一定程度 步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象 所以脈沖頻 率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi) 2 2 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機(jī)是一種低功耗 低電壓 高性能的8位單片機(jī) 它采用CMOS和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù) 而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS 51兼容 片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編 程器來(lái)編程 內(nèi)部除CPU外 還包括256字節(jié)RAM 4個(gè)8位并行I O口 5 個(gè)中斷源 2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 89C51單片機(jī)是一種 功能強(qiáng) 靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī) 完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要 其芯片引腳分 布圖如圖2 1所示 5 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 圖 2 1 89C51 單片機(jī)引腳分布圖 第 3 章 電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括控制電路 最小系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電路 顯示電路四大部 分 控制電路主要由開(kāi)關(guān)和按鍵組成 由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作 最 小系統(tǒng)主要是為了使單片機(jī)正常工作 驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功 率放大 從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速 3 1 控制電路設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求 控制輸入部分設(shè)置了啟動(dòng)控制 換向控制 加速控制和 減速控制按鈕 分別是K1 K2 S1 S2 控制電路如圖3 1所示 通過(guò) K1 K2狀態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和換向功能 當(dāng)K1 K2的狀態(tài)變化時(shí) 內(nèi) 部程序檢測(cè)P1 4和P1 5的狀態(tài)來(lái)調(diào)用相應(yīng)的啟動(dòng)和換向程序 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的 啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)控制 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要 是通過(guò)控制通入電機(jī)的脈沖頻率 從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 對(duì)于單片機(jī)而言 主要的 方法有 軟件延時(shí)和定時(shí)中斷 在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過(guò)定時(shí)器的中 斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的 該電路控制電機(jī)加度和減速主要是通過(guò)S1 S2的斷開(kāi)和閉合 從而 控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù) 改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù) 該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷 次數(shù) 這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率 從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速 6 圖 3 1 控制電路 3 2 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng) 對(duì)51系列單 片機(jī)來(lái)說(shuō) 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括 單片機(jī) 復(fù)位電路 晶振電路 最小系統(tǒng)電路 如圖3 2所示 復(fù)位電路 復(fù)位電路采用上電復(fù)位 使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài) 晶振電路用30PF 的電容和一12M晶體振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率 晶振電路 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式電路得到 內(nèi)部震蕩方式和 外部中斷方式 在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器 簡(jiǎn)稱晶振 或陶瓷 晶振器 就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式 由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器 當(dāng)外 接晶振后 就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖 其電容值一般在5 30PF 晶振頻率的典型值為12MHz 采用6MHz的情況也比較多 內(nèi)部振蕩方式所得的 時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定 實(shí)用電路實(shí)用較多 圖 3 2 最小系統(tǒng) 7 3 3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 通過(guò)L298構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路 電路圖如圖3 3所示 通過(guò)單片機(jī)的 P1 0 P1 3輸出脈沖到L298的IN1 IN4口 經(jīng)信號(hào)放大后從2 3 13 14 口分別輸出到電機(jī)的A B C D相 圖 3 3 驅(qū)動(dòng)電路 3 4 顯示電路設(shè)計(jì) 在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中 電機(jī)可以正反轉(zhuǎn) 可以加速 減速 其中電機(jī)轉(zhuǎn)速 的等級(jí)分為七級(jí) 為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級(jí) 這里設(shè)計(jì)了 電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路 在顯示電路中 主要是利用了單片機(jī)的P0 口和P2口 采用兩個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管作顯示 第一個(gè)數(shù)碼管接的 a b c d e f g分別接P0 0 P0 6口 用于顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài) 正轉(zhuǎn) 時(shí)顯示 反轉(zhuǎn)時(shí)顯示 1 不轉(zhuǎn)時(shí)顯示 0 第二個(gè)數(shù)碼管的 a b c d e f g分別接P2 0 P2 6口 用于顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級(jí)別 共七 級(jí) 即從1 7轉(zhuǎn)速依次遞增 0 表示轉(zhuǎn)速為零 電路如圖3 4所示 8 圖 3 4 顯示電路 第 4 章 程序設(shè)計(jì) 通過(guò)分析可以看出 由于系統(tǒng)隨時(shí)有可能輸入啟動(dòng) 方向 加速和減速信號(hào) 因而采用中斷方式效率最高 這樣總共要主程序 定時(shí)器中斷 外部中斷0和外部 中斷1四個(gè)部分才能滿足要求 下面分析主程序與定時(shí)器中斷程序及外部中斷程序 4 1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置 系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開(kāi) 關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)等 其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多 該系統(tǒng)中 需要初始化定時(shí) 9 器 外部中斷 流程圖如圖4 1所示 N Y N Y 圖 4 1 主程序流程圖 4 2 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入 電流 步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn) 時(shí)間間隔越短 速度就越快 在這個(gè)系統(tǒng)中 這個(gè)時(shí)間 間隔是用定時(shí)器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的 即調(diào)節(jié)時(shí)間間隔就是調(diào)節(jié)定時(shí)器的中斷 次數(shù) 因而在定時(shí)器中斷程序中 要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向 發(fā)下一 個(gè)脈沖的頻率 以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài) 程序流程圖如圖4 2所示 開(kāi)始 初始化 狀態(tài)顯示 啟動(dòng)開(kāi)關(guān)為 0 停止計(jì)時(shí)器 速度值為 0 停止計(jì)時(shí)器 啟動(dòng)計(jì)時(shí)器 延時(shí) 10 Y N 圖 4 2 定時(shí)中斷程序流程 4 3 外部中斷程序設(shè)計(jì) 外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù) 改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù) 該數(shù) 據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù) 這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率 也就是改變了電 機(jī)的轉(zhuǎn)速 速度增加按鈕S1為INT0中斷 其程序流程為原數(shù)據(jù) 當(dāng)值等于7時(shí) 不改變?cè)瓟?shù)值返回 小于7時(shí) 數(shù)據(jù)加1后返回 速度減少按鈕S2 當(dāng)原數(shù)據(jù)不 為0 減1保存數(shù)據(jù) 原數(shù)據(jù)為0則保持不變 程序流程圖如圖4 3所示 T0 中斷入口 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷次數(shù) 0 讀方向指示 發(fā)速度脈沖 重送相關(guān)狀態(tài) 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷返回 外部中斷入口 11 Y N N Y 圖 4 3 外部中斷程序流程圖 第 5 章 系統(tǒng)仿真 5 1 繪制電路原理圖 步進(jìn)電機(jī)電路原理圖如圖5 1所示 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 延時(shí)去抖 速度 上限值 速度值加減 1 按鈕是否彈起 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷返回 12 圖 5 1 步進(jìn)電機(jī)電路原理圖 5 2 系統(tǒng)仿真 系統(tǒng)仿真圖如圖5 2 5 3 5 4所示 其中圖5 2為步進(jìn)電機(jī)未啟動(dòng)時(shí)的仿 真圖 圖5 3為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的仿真圖 圖5 4為步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的仿真圖 圖 5 2 步進(jìn)電機(jī)未啟動(dòng)時(shí)的仿真圖 13 圖 5 3 步進(jìn)電機(jī)正傳時(shí)的仿真圖 圖 5 4 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的仿真圖 14 第 6 章 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)通過(guò)查閱步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)科技文獻(xiàn)來(lái)分析步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu) 工 作原理 遵循實(shí)用 簡(jiǎn)單 可靠和低成本的原則 設(shè)計(jì)了一種既可用于精度要求不 高 但控制需完備的場(chǎng)合 對(duì)本次設(shè)計(jì) 有以下結(jié)論 1 采用單片機(jī)為控制核心 利用其強(qiáng)大的功能 把鍵盤(pán)和顯示電路有機(jī)的結(jié) 合起來(lái) 組成一個(gè)操作方便 應(yīng)用簡(jiǎn)便的控制系統(tǒng) 而且整個(gè)系統(tǒng)所包含的四部分 電路都有自己相應(yīng)特殊的功能 易于操作 2 鍵盤(pán)電路和顯示電路采用了動(dòng)態(tài)掃描技術(shù) 節(jié)約了單片機(jī)資源 應(yīng)用也很 簡(jiǎn)單 3 系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì) 具有易維護(hù)性 根據(jù)用戶新的要求 對(duì)軟件系 統(tǒng)進(jìn)行少量的修改 使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高 4 此次設(shè)計(jì)中有一主程序 其要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置 系統(tǒng) 狀態(tài)的顯示以及各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)判斷等 5 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了定時(shí)中斷系統(tǒng)來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度 定時(shí)器部分控制 脈沖頻率 它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢 6 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了外部中斷系統(tǒng) 外部中斷程序要做的工作是為了 完成改變速度這一功能 通過(guò)本次的單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 我對(duì)單片機(jī)有了更深入的了解 特別是對(duì)步進(jìn)電 機(jī)的控制有了更徹底的了解 不管是步進(jìn)電機(jī)的工作原理 還是步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng) 合 還是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制 我都有了很深入的了解 在做本次課程設(shè)計(jì)時(shí) 通 過(guò)查找一些相關(guān)資料了解到 步進(jìn)電機(jī)主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中 精度高 運(yùn)行可 靠 如采用位置檢測(cè)和速度反饋 亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已廣泛地應(yīng)用于 數(shù)字控制系統(tǒng)中 如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置 數(shù)控機(jī)床 計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備 自動(dòng)記錄儀 鐘 表等之中 另外在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線 印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了運(yùn) 動(dòng)的數(shù)字化 精確化 且步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)適用各種現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制 特別應(yīng)用于 小功率負(fù)載的控制 具有成本底 性能穩(wěn)定 可靠性高等優(yōu)點(diǎn) 本次課程設(shè)計(jì)是應(yīng)用Proteus仿真完成的 雖然Proteus對(duì)我來(lái)說(shuō)并不陌生 但應(yīng)用起來(lái)還是有些問(wèn)題 例如說(shuō)要找一個(gè)自己不知道英文名字的元器件確實(shí)有些 困難 同時(shí)在選擇使用模擬元件時(shí) 沒(méi)有選用標(biāo)準(zhǔn) 所以只能根據(jù)參考資料里的經(jīng) 驗(yàn)性的來(lái)選擇元件 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì) 雖加深了我對(duì)單片機(jī)的了解 更熟練的應(yīng) 用匯編語(yǔ)言 同時(shí)對(duì)Proteus這個(gè)軟件的使用更加熟練 15 參考文獻(xiàn) 1 江世明 黃同成 單片機(jī)原理及應(yīng)用 M 中國(guó)鐵道出版社 2010 2 馬淑華 王鳳文 張美金 單片機(jī)原理與接口技術(shù) M 北京郵電大學(xué)出版社 2007 3 劉湘濤 江世民 單片機(jī)原理與應(yīng)用 M 電子工業(yè)出版社 2006 4 孫惠芹 單片機(jī) 項(xiàng)目設(shè)計(jì)教程 M 電子工業(yè) 出版社 2009 5 李華 MCU 51 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù) M 北京航空航天大學(xué)出版社 1993 6 張迎新 雷道振 單片機(jī)初級(jí)教程 M 北京航天航空大學(xué)出版社 2006 16 致謝 從書(shū)本上的知識(shí)到自己親手的課程設(shè)計(jì) 每一步對(duì)我們來(lái)說(shuō)無(wú)疑都是巨大的嘗 試和挑戰(zhàn) 也成就了我們目前在大學(xué)期間獨(dú)立完成的最大的項(xiàng)目 記得在剛接到這 個(gè)課題時(shí) 我有些茫然不知所措 步進(jìn)電機(jī)的原理是什么 帶著這個(gè)疑問(wèn)我們開(kāi)始 了我們的課程設(shè)計(jì) 去圖書(shū)館查閱相關(guān)資料 上網(wǎng)去了解相關(guān)的內(nèi)容 漸漸頭腦中 的概念清晰了起來(lái) 在具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中 我遇到了更大的困難 我不斷地給自己 提出新的問(wèn)題 然后去論證 推翻 再接著提出新的問(wèn)題 在這個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程 中 這篇課程設(shè)計(jì)論文終于完成了 雖然我的設(shè)計(jì)不是很成熟 即使在老師的耐心 指導(dǎo)和借鑒前人的很多資料下仍然還有一些不足之處 但我仍然心里有一種莫大的 幸福感 因?yàn)槲覍?shí)實(shí)在在地走過(guò)了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)所應(yīng)該走的每一個(gè)過(guò)程 并且享 受了每一個(gè)過(guò)程 同時(shí) 在此次設(shè)計(jì)中我學(xué)會(huì)了很多東西 對(duì)我來(lái)說(shuō)這是一次非常 有意義的設(shè)計(jì) 這次課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺 無(wú)論從知識(shí)上還是其他的各個(gè)方面 在這次課程 設(shè)計(jì)中又讓我體會(huì)到了合作與團(tuán)結(jié)的力量 當(dāng)遇到不會(huì)或是設(shè)計(jì)不出來(lái)的地方 我 們就會(huì)在 QQ 群里討論或者是同學(xué)之間相互幫助 團(tuán)結(jié)就是力量 無(wú)論在現(xiàn)在的學(xué) 習(xí)中還是在以后的工作中 團(tuán)結(jié)都是至關(guān)重要的 有了團(tuán)結(jié)會(huì)有更多的理念 更多 的思維 更多的情感 單片機(jī)是很重要的一門(mén)課程 老師在課上經(jīng)常和我們這么說(shuō) 如果學(xué)好一門(mén)單 片機(jī) 就憑這個(gè)技術(shù)這門(mén)手藝找一個(gè)好工作也不成問(wèn)題 盡管我們?cè)谡n堂學(xué)到的內(nèi) 容很有限 但在以后的學(xué)習(xí)中單片機(jī)還需要好好的深入研究和學(xué)習(xí) 學(xué)好了單片機(jī) 也就多了一項(xiàng)生存的本錢 最后感謝老師對(duì)我們的精心指導(dǎo)和幫助 也感謝同學(xué)們 對(duì)我的幫助 17 附 錄 程序如下 SPEED EQU 10H SPEED為轉(zhuǎn)速等級(jí)標(biāo)志 共7級(jí) 即1 7 FX EQU 11H FX為方向標(biāo)志 COUNT EQU 12H COUNT中斷次數(shù)標(biāo)志 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H 外部中斷0入口地址 加速子程序 AJMP UP ORG 0013H 外部中斷1入口地址 減速子程序 AJMP DOWN ORG 000BH 定時(shí)器0中斷入口地址 控制中斷次數(shù)來(lái)控制速 度 AJMP ZDT0 ORG 0030H MAIN MOV SP 60H MOV TMOD 01H 工作在模式1 MOV TH0 0D8H MOV TL0 0F0H MOV COUNT 01H SETB ET0 定時(shí) 計(jì)數(shù)器允許中斷 CLR IT0 外部中斷為電平觸發(fā)方式 低電平有效 CLR IT1 SETB EX0 外部允許中斷 SETB EX1 SETB EA 開(kāi)總中斷 MOV R1 11H MOV SPEED 00H MOV FX 00H 18 XIANS MOV A SPEED MOV DPTR LED MOVC A A DPTR 查表獲取等級(jí)對(duì)應(yīng)數(shù)碼管代碼 MOV P2 A 第二個(gè)數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速等級(jí) MOV A FX CJNE A 11H ELS MOV P0 0F9H 準(zhǔn)備判斷轉(zhuǎn)向 AJMP QD ELS CJNE A 00H ZHENG MOV P0 0C0H 第一個(gè)數(shù)碼管顯示0 表示不轉(zhuǎn) AJMP QD ZHENG MOV P0 0BFH 第一個(gè)數(shù)碼管顯示 表示正轉(zhuǎn) QD JB P3 4 DD P3 4接啟動(dòng)開(kāi)關(guān)K1 P3 4 1時(shí)啟動(dòng) CLR TR0 停止定時(shí) 計(jì)數(shù)器 MOV P0 0C0H 第一個(gè)數(shù)碼管顯示0 表示不轉(zhuǎn) MOV P2 0C0H 第二個(gè)數(shù)碼管顯示0 表示轉(zhuǎn)速為0 MOV SPEED 00H 重新賦初值 MOV FX 00H AJMP QD DD MOV A SPEED JNZ GO A不等于0 即初始速度不為零 則轉(zhuǎn)移到 GO CLR TR0 停止定時(shí) 計(jì)數(shù)器 AJMP QD GO SETB TR0 開(kāi)啟定時(shí) 計(jì)數(shù)器 ACALL DELAY AJMP XIANS DELAY