微特電機課程設計

1、成績 電機控制課程設計報告書 題 目 基于89C52單片機的 步進電機的正反轉(zhuǎn)調(diào)速控制 院 部 名 稱 機電工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 組 長 姓 名 學 號 同 組 學 生 設 計 地 點 工科樓C 設 計 學 時 指 導 教 師 金陵科技學院教務處制 金陵科技學院課程設計 微特電機及其驅(qū)動一、 設計任務和要求電機控制課程設計是考察學生利用所學過的電機控制專業(yè)知識，進行綜合的電機控制系統(tǒng)設計并最終完成實際系統(tǒng)連接，能夠使學生對電氣與自動化的專業(yè)知識進行綜合應用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力，提高學生的動手實踐能力。最終形成一篇符合規(guī)范的設計說明書，并參加綜合實踐答辯，為

2、后期的畢業(yè)設計做好準備。本次設計考核的能力主要有：1) 專業(yè)知識應用能力，包括電路分析、電子技術、單片機、檢測技術、電氣控制、電機與拖動、微特電機及其驅(qū)動、計算機高級語言、計算機輔助設計、計算機辦公軟件等課程，還包括本專業(yè)的拓展性課程如變頻器、組態(tài)技術、現(xiàn)場總線技術、伺服電機等課程。2) 項目設計與運作能力，團隊協(xié)作能力，技術文檔撰寫能力，PPT匯報與口頭表達能力。3) 電氣與自動化系統(tǒng)的設計與實際應用能力。要求完成的工作量包括：1) 制作實際成品，并現(xiàn)場演示效果。2) 學生結(jié)合課題進行PPT演講與答辯。3) 學生上交課題要求的各類設計技術文檔。二、 設計思路系統(tǒng)總體框圖：按鍵電路電機驅(qū)動電源

3、STC89C52單片機步進電機LED指示燈 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本步進電機控制系統(tǒng)，按照系統(tǒng)設計功能的要求，確定系統(tǒng)由4個模塊組成：主控制器、電機驅(qū)動模塊、LED指示燈電路、鍵盤電路。供電電源采用3接1.5V干電池給傳感器，單片機供電。鍵盤電路用來控制單片機發(fā)出信號給電機驅(qū)動模塊ULN2003驅(qū)動電機工作。LED指示燈電路顯示電機的轉(zhuǎn)速等級。三、 系統(tǒng)硬件設計3.1 步進電機3.1.1 步進電機概述步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電動機有多相方波

4、脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進電動機，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。3.1.2 步進電機的特性步進電機轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)

5、動電路，今天，在打印機、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一。總體上說，步進電機有如下優(yōu)點：1不需要反饋，控制簡單。2與微機的連接、速度控制（啟停和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設計比較簡單。3沒有角累積誤差。4停止時也可保持轉(zhuǎn)距。5沒有轉(zhuǎn)向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。6即使沒有傳感器，也能精確定位。7根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機也有自身的缺點：1難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩2.不宜用作高速轉(zhuǎn)動3在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。4超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。3.1.3 步進電機的種類目前常用的步進電機有三類：表3-1 步進

6、電機分類類別結(jié)構(gòu)步距力矩動態(tài)性能反應式步進電動機（VR）采用高導磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子小小較差永磁式步進電動機（PM）轉(zhuǎn)子采用多磁極圓筒形的永磁鐵，其外側(cè)配置齒狀定子吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動大大好混合步進電動機（HB）這是PM和VR的復合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)小大好3.1.4 永磁步進電機的控制原理在本設計以常用的永磁式步進電機為例，用單片機控制步進電機。圖3-1是CZ-2801型永磁步進電機的外形圖，圖3-2是該電機的接線圖。 圖3-1 CZ-2801型永磁步進電機外形圖 圖3-2 CZ-2801型永磁步進電機接線圖從圖中可以看出，電機共有四組線圈，四組線圈

7、的一個端點連在一起引出，這樣一共有 5根引出線。要使用步進電機轉(zhuǎn)動，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM 端標識為C，只要 AC、BC或/AC、/BC，輪流加電就能驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，如果將 COM 端接正電源，那么只要用開關元件（如三極管） ，將 A、B或/A、/B輪流接地。不難設計出控制電路，因其工作電壓為 12V，因此用一塊開路輸出達林頓驅(qū)動器（這里用ULN2003，關于ULN2003將在后面介紹）作為驅(qū)動，通過 P1.0、 P1.3來控制各線圈的接通與切斷。開機時，P1.0、 P1.3均為高電平，依次將 P1.0、 P1.2 （或P1.1、 P1.3反向）切換為低

8、電平即可驅(qū)動步進電機運行。如果要改變電機的轉(zhuǎn)動速度只要改變兩次接通之間的時間。改變轉(zhuǎn)速，只要改變 P1.0、 P1.2 （或P1.1、 P1.3反向）輪流變低電平的時間即可達到要求，因為不會影響到其他功能的實現(xiàn)，這個時間可以用延時來實現(xiàn)，。這里以定時的方式來實現(xiàn)。下面首先計算一下定時時間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn)/分，而上述步進電機的步距角為 7.5，即每 48 個脈沖為 1 周，即在最低轉(zhuǎn)速時，要求為960脈沖/分，相當于 62.5ms/脈沖。而在最高轉(zhuǎn)速時，要求為 100轉(zhuǎn)/分，即 48000 脈沖/分，相當于 12.5ms/脈沖。可以列出下表：表3-2 步進電機轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)

9、關系轉(zhuǎn)速單步時間(ms)TH0TL02062.51F02159.5238095229B62256.8181818233742354.347826093C592452.08333333448025504C02648.0769230852EC2746.296296359552844.642857145F499313.44086022CF9C9413.29787234D0209513.15789474D0A19613.02083333D1209712.88659794D19B9812.75510204D2149912.62626263D28B10012.5D30表中不僅計算出了 TH0和 TL0，而

10、且還計算出了在這個定時常數(shù)下，真實的定時時間，可以根據(jù)這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。 表中 TH0 和TL0 是根據(jù)定時時間算出來的定時初值，這里用到的晶振是 12.000M。有了上述表格，程序就不難實現(xiàn)了，使用定時/計數(shù)器 T0為定時器，定時時間到后切換輸出腳即可。3.2步進電機控制系統(tǒng)的組成步進電機控制系統(tǒng)共分為五個模塊：單片機最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、LED指示模塊、步進電機驅(qū)動模塊和電源模塊。1.單片機最小系統(tǒng)主要由復位電路和時鐘電路組成。復位電路為單片機系統(tǒng)提供可靠復位，使單片機能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機個功能部件都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地

11、一拍一拍地工作。2.鍵盤控制模塊包括方向控制鍵、加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機的P3.4、p3.5、p3.6和P3.7相連。實現(xiàn)對步進電機的控制。3.四個LED發(fā)光二極管顯示步進電機的速度等級。分成四個等級，四個LED全亮速度最快，亮一個速度最慢。4.步進電機驅(qū)動模塊選用七個NPN達林頓連接晶體管ULN2003為步進電機提供脈沖信號，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機的P1.0P1.3相連。5.電源模塊3接5號電池4.5V分別供給驅(qū)動模塊和單片機模塊。3.3 主控制模塊 主控制最小系統(tǒng)電路如圖3-4所示。圖3-4 單片主控電路 單片機最小系統(tǒng)包括單片機、復位電路、時鐘電路構(gòu)成。STC89C

12、52 單片機的工作電壓范圍：4V-5.5V,所以通常給單片機外界5V直流電源。連接方式為單片機中的40腳VCC接正極5V，而20腳VSS接電源地端。復位電路就是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機接通電源時產(chǎn)生復位信號，完成單片機啟動確定單片機起始工作狀態(tài)。當單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復位和外部按鍵手動復位，單片機在時鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。本設計采用的是外部手動按鍵復位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。時鐘電路好比單片機的心臟

13、，它控制著單片機的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。 3.3.1 STC89C52單片機簡介 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80

14、C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電

15、保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。這一模塊以單片機為中心把程序代碼燒進去然后外圍接上復位電路、振蕩電路、鍵盤控制、LED顯示電路、報警電路等子模塊。3.3.2 單片機的引腳功能描述 下面對AT89C52各引腳的功能進行較為詳細的介紹： 1)電源引腳Vcc和Vss Vcc(40腳)：電源端為+5V Vss(20腳)：接地端。 2)時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2 XTAL2(18腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。在單片機內(nèi)部它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時針電路時，該引腳輸入外時鐘脈沖。要

16、檢查89C52的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出。 XTAL1(19腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。 3)控制信號腳 RST ALE PSEN 和EA。 RST(9腳)：RST是復位信號輸入端，高電平有效。在此輸入端保持兩個機器周期(24個時鐘振蕩周期)的高電平時，就可以完成復位操作。 ALE/PROG（30引腳）：地址鎖存允許信號端。當AT89C52上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號。此頻率為振蕩器頻率fosc的1/6，當CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存

17、低8位地址的控制信號。在CPU訪問片外數(shù)據(jù)存儲時，每取值一次（一個機器周期）會丟失一個脈沖。平時不訪問片外存儲時，ALE端也以1/6的振蕩頻率固定輸出正脈沖，因而ALE信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。如果你想看一下AT89C52芯片的好壞，可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號輸出，如有脈沖信號輸出，則AT89C52基本上是好的。ALE的負載驅(qū)動能力為8個LS型TTL（低功耗高速TTL）。 PSEN（29腳）；程序存儲允許輸出信號引腳，在訪問片外程序存儲器時，此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此引腳接EPPROM的OE端。PSEN端有效，即允許讀出ERROM/ROM中的指令碼。C

18、PU在從外部ERROM/ROM取指令期間，每個周期PSEN兩次有效。不過，在訪問片外RAM時，要少產(chǎn)生兩次PSEN負脈沖信號。要檢查一個AT89C52小系統(tǒng)上電后CPU能否正常到ERROM/ROM中讀取指令碼，也可用于示波器看PSEN端有無脈沖輸出。如有，說明基本上工作正常。EA/VPP（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當EA引腳接高電平時，CPU只訪問片內(nèi)ERROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。但在PC（程序計數(shù)器）的值超過OFFFH（對8751/8051為4k）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外存儲器的程序。當出入信號EA引腳接低電平（接地）時，CPU只訪問外部ER

19、ROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。對于無芯片內(nèi)的ROM的8031或8032，須外擴ERROM，此時必須將EA引腳接地。如果使用有片內(nèi)ROM的AT89C52，外擴ERROM也是可以的，但也要使EA接地。4)I/O（輸入/輸出端口，P0，P1，P2，P3）P0口：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。P1口：8位準雙向I/O端口。P2口：即可以做地址總線輸出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此時為準雙向口）。P3口：雙功能口，即可以做普通I/O口用（此時為準向口，也可以按每位定義實現(xiàn)第二功能操作）。見表3-3。表3-3 P3口的第二功能表引腳第二功能P

20、3.0RXD （串行輸入口）P3.1TXD （串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部中斷）P3.5T1（定時器1外部中斷）P3.6WR（外部存儲器寫選通）P3.7RD（外部存儲器讀寫通）3.3.3 單片機的時鐘電路與復位電路設計 本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機，相比其他系列單片機具有很多優(yōu)點。本系統(tǒng)采用內(nèi)部方式的時鐘電路和加電自復位的復位電路，如下圖3-5圖3-6所示：圖3-5 時鐘電路圖3-6 復位電路由于單片機P0口內(nèi)部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時必須外接上拉電阻R6。3.4 電源電路設

21、計 供電電源采用3接1.5V干電池給傳感器，單片機供電。電路如圖3-7所示。P2為電源接線端，SW1為電源總開關。D4為電源指示燈。圖3-7 電源電路 3.5 步進電機驅(qū)動電路 步進電機采用ULN2003驅(qū)動，驅(qū)動原理圖如圖3-8。圖3-8 驅(qū)動原理圖3.6 按鍵電路系統(tǒng)采用了4個，一個啟動鍵，一個停止鍵，一個速度調(diào)節(jié)鍵，一個正反轉(zhuǎn)切換鍵。電路如圖3-9。圖3-9 按鍵電路3.7 速度等級指示燈電路 速度等級采用LED指示燈指示。接口電路如圖3-10所示圖3-10 指示電路第 9 頁 共 20 頁 四、 系統(tǒng)軟件設計4.1 程序設計前期準備4.1.1 程序設計平臺考慮到程序的易讀性和簡練，程序

22、設計采用C語言。程序編輯平臺采用Keil。圖4-1 Keil軟件界面4.2.2 程序設計思路步進電機控制系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進電機轉(zhuǎn)動、控制數(shù)碼管動態(tài)顯示等任務，這就必須通過中斷技術來實現(xiàn)。在本設計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器0中斷服務程序控制步進電機的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當前顯示的速度進行鍵盤手動改變T0定時時間常數(shù)，設置TH0和TL0的值，達到對轉(zhuǎn)速精確控制的目的；根據(jù)轉(zhuǎn)動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達到對轉(zhuǎn)動方向控制的目的。第 1 頁 共 21

23、頁 說明如下：1.單片機接受鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。2.單片機輸出脈沖信號，控制步進電機轉(zhuǎn)動。3.單片機根據(jù)步進電機實際轉(zhuǎn)動值，控制數(shù)碼管顯示。4.3 程序流程圖4.3.1 主程序流程圖步進電機控制系統(tǒng)的主程序在對整個系統(tǒng)初始化后主要完成讀鍵盤和處理鍵盤的功能，如圖4-2所示：圖4-2 步進電機控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電復位后，先調(diào)用初始化子程序，對步進電機各端口，相關參數(shù)進行初始化，設置T0工作方式控制時間常數(shù)。初始化完成后，步進電機處于停止狀態(tài)，T0定時器處于關閉狀態(tài)。然后循環(huán)調(diào)用讀鍵盤子程序和鍵盤處理子程序，等待中斷，以便實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)動控制。4.3.2 讀鍵盤子程序流程圖首先初

24、始化實際鍵值參數(shù)為0FH，然后掃描P2口，與初始值比較，相等則說明沒有鍵按下，不相等則軟件消抖，以便確認是否真的有鍵按下。延時10ms后再第 13 頁 共 23 頁 次掃描P2口，第二次與初始值比較，若相等則表明前一次比較不相等是由抖動產(chǎn)生；如果相等則表明確實有鍵按下。執(zhí)行鍵盤之程序里的指令，將相應的變量值改變，為鍵盤處理子程序做準備。啟動否是否有鍵按下處理鍵盤子程序是圖4-3 掃描鍵盤字程序流程圖4.3.3 鍵盤處理子程序流程圖按鍵處理子程序流程圖如圖4-4所示：第 1 頁 共 21 頁 初始化變量開始P2.3是否按下P2.2是否按下P2.0是否按下P2.1是否按下退出TR0取反，通過啟停T

25、0啟停步進電機取反方向控制為，改變電機轉(zhuǎn)動方向修改速度參數(shù)值，減速修改速度參數(shù)值，加速 是是是是圖4-4鍵盤處理子程序流程圖第 1 頁 共 21 頁 步進電機的啟?？刂仆ㄟ^啟停定時器T0來實現(xiàn)，因為定時器T0控制著脈沖信號的輸出，關閉定時器T0也就阻止了脈沖信號的輸出。4.3.4 電機控制中斷程序流程圖定時器中斷0服務程序流程圖如圖4-5所示： 圖4-5 定時器中斷0服務程序流程圖定時器中斷0服務程序的中斷時間由當前的轉(zhuǎn)速決定。進入中斷程序后，首先要保護現(xiàn)場，再根據(jù)當前值設置TH0和TL0的值。然后判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值，如果是0則控制脈沖信號P1.0、P1.2輸出，如果是1則控制脈沖信號P1

26、.1、P1.3輸出。最后恢復現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。通過用當前轉(zhuǎn)速控制中斷時間，控制了脈沖的輸出頻率，也就到達了控制步進電機轉(zhuǎn)動速度的目的；通過檢測方向控制位的電平，選擇脈沖信號P1.0、P1.2與P1.1、P1.3間的切換，控制了步進電機各引出端的接通順序，也就到實現(xiàn)了步進電機轉(zhuǎn)動方向的控制。各模塊控制的詳細程序附于最后。第 1 頁 共 21 頁 五、 調(diào)試過程與結(jié)果連接好硬件電路，上電復位，程序開始運行。1.此時步進電機不轉(zhuǎn)動，LED不顯示；按下啟停鍵，步進電機開始轉(zhuǎn)動，LED數(shù)碼管顯示數(shù)值當前數(shù)值，即當前步進電機的轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分；2.此時每按下加速鍵一次，LED亮的個數(shù)值加1，步進電機轉(zhuǎn)動速度相應增加；此時每按下減速鍵一次，LED亮的個數(shù)值減1，步進電機轉(zhuǎn)動速度相應減少；此時若按下方向控制鍵，步進電機