畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的DC5V4相步進電機的變頻調(diào)速的設(shè)計

1、題目：步進電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速設(shè)計渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程系2008級電氣（1）班摘 要: 利用單片機組成的變頻調(diào)速控制器可以實現(xiàn)從低頻(12 hz) 起動到50 hz ,可以消除以往工頻50 hz 直接起動對電機的沖擊, 延長電機的使用壽命,同時由于變頻器的輸出電壓可以自適應(yīng)調(diào)節(jié), 使負(fù)載電機可以工作在額定電壓以下,不僅節(jié)能且可延長電機的使用壽命。本設(shè)計利用atmel公司的at89s52單片機對步進電機的變頻調(diào)速進行開發(fā)，設(shè)計了實現(xiàn)所需功能的硬件電路，應(yīng)用c語言進行軟件編程，并用實驗板進行演示、驗證。關(guān)鍵詞：單片機、at89s52、變頻調(diào)速、c語言編程一、緒論1.1 課題背景隨著電力電子技術(shù)

2、的日益發(fā)展和pwm控制技術(shù)的成熟, 利用電機的轉(zhuǎn)速和輸入電源的頻率是線性關(guān)系這一原理, 將50 hz 的交流電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源, 供給異步電動機, 實現(xiàn)調(diào)速的目的。不僅在方便經(jīng)濟的基礎(chǔ)上有一定的優(yōu)勢，同時21世紀(jì)又是一個低碳環(huán)保型社會，對變頻調(diào)速的研發(fā)具有很高的實際價值。1.2 設(shè)計任務(wù)系統(tǒng)控制原理圖at89s52電源電路時鐘電路鍵盤電路lcd顯示電路步進電機驅(qū)動電路霍爾檢測電路1.3 課題意義 在相應(yīng)綠色節(jié)能經(jīng)濟的同時，順應(yīng)21世紀(jì)低碳經(jīng)濟的發(fā)展模式，本設(shè)計采用經(jīng)濟、小型、環(huán)保、低功耗的單片機作為核心控制模塊，模擬變頻器工作對電機實行“變頻調(diào)速”控制。采用變頻的目的在，于當(dāng)

3、前變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)在經(jīng)濟社會，綠色環(huán)保社會，低碳節(jié)約型社會發(fā)揮著重要的最用。目前變頻調(diào)速器已全部采用了數(shù)字化技術(shù),并且日趨小型化、高可靠性和高精度。從應(yīng)用角度看，其不僅具有顯著的節(jié)電性能，而且還具有如下的優(yōu)良性能：（1) 高速響應(yīng)、低噪聲、大范圍、高精度平滑無級調(diào)速； （2) 體積小、重量輕、可掛墻安裝，占地面積??； （3) 保護功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護簡便； （4) 操作方便、簡單； （5) 內(nèi)設(shè)功能多，可滿足不同工藝要求； （6) 具有通用的外部接口端子，可同計算機、plc聯(lián)機，便于實現(xiàn)自動控制； （7) 軟起動、軟停機，具有電流限定和轉(zhuǎn)差補償控制； （8) 電動機直接在線起動

4、，起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，減小對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，并具有轉(zhuǎn)矩提升功能，節(jié)省軟起動裝置； （9) 功率因數(shù)高，節(jié)省電容補償裝置；（10) 與鼠籠式；轉(zhuǎn)子電動機結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)維護更加簡單經(jīng)濟。 此次設(shè)計在于全方位的模仿變頻器，實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速控制。同時，對周邊輔助模塊，如：lcd顯示模塊、磁敏式傳感器工作方式以及整個系統(tǒng)的運行和控制銜接方式都有了更深層次的探究。是對現(xiàn)實工作場景的一個縮寫，為變頻調(diào)速技術(shù)提前打下了一定的基礎(chǔ)。1.4 本章小節(jié)本章主要介紹了課題背景、設(shè)計任務(wù)和課題意義，對單片機的優(yōu)點及結(jié)構(gòu)作了簡要敘述，也對本系統(tǒng)的應(yīng)用及概況進行了說明。二、系統(tǒng)功能及操作2.1 系統(tǒng)功能的確定2

5、.1.1 基本功能 能實現(xiàn)對四相步進電機的簡單控制，如：電機正轉(zhuǎn)，電機反轉(zhuǎn)，電機加速以及電機減速等功能，同時對電機實時速度有一個直觀的顯示和說明。2.1.2 擴展功能 本設(shè)計在滿足其預(yù)定工作狀態(tài)下，對測速模塊和顯示模塊有了更進一步的研究和說明。它除了能正常地實現(xiàn)電機的常規(guī)動作之外，而且能實時顯示電機的工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)速。2.2 系統(tǒng)操作說明（1）接通電源，檢查裝置周邊設(shè)備是否具有良好的工作環(huán)境（2）打開電腦及做好硬件的準(zhǔn)備和軟件的燒寫檢查工作（3）打開kiel編程軟件對程序進行正確編譯，并規(guī)范應(yīng)用軟件正確燒如芯片內(nèi)。（4）連接好外圍硬件設(shè)備，確保無漏接、錯接、亂接、無接觸松動等現(xiàn)象（5）按照硬件電

6、路按鈕標(biāo)示進行對電機的操作（6）實驗完畢后，關(guān)斷電源，合理有序的擺放好物料2.3 本章小節(jié) 本章主要對整個系統(tǒng)進行了一個全方位的概括和簡要介紹，同時，對安全規(guī)范操作設(shè)備也做了一定詳細(xì)的說明。為對后續(xù)章節(jié)更好的理解有了一個實質(zhì)性的認(rèn)識。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計實驗板介紹3.1 芯片的選擇本設(shè)計選用at89s52芯片，它是一種低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k（0000h1fffh）在線系統(tǒng)可編程flash存儲器。片上flash允許程序存儲器在線編程，也適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位cpu和在線系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、高效的解決方案

7、。3.2 實驗板電路原理圖實驗板電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示，原理電路圖（只有本設(shè)計所需部分）見附錄a。圖3-2 實驗板結(jié)構(gòu)框圖3.3 功能電路分析3.3.1 時鐘電路實驗板的時鐘振蕩源電路如圖3-3所示。其中jt 為11.0592mhz 的晶振，改變兩電容cb的值即可對此晶振頻率進行調(diào)節(jié)。該電路提供單片機工作所需的振蕩頻率，計算定時器初值即需此晶振頻率，在通信時也需知道晶振頻率，以對波特率進行計算。圖 3-3 時鐘電路3.3.2 電源模塊 電源模塊為系統(tǒng)板上其它模塊提供5v 電源，系統(tǒng)板為從usb 接口獲取5v 電源，只要用相應(yīng)配套的usb線從電腦主機獲取5v直流電源。3.3.3 復(fù)位電路如圖

8、3-4所示為實驗板的復(fù)位電路，當(dāng)reset 信號為低電平時，實驗板為工作狀態(tài)，當(dāng)reset信號為高電平時，實驗板為復(fù)位或下載程序狀態(tài)。由于at89s52具有isp 的功能，即可以通過并口線直接將程序下載到單片機內(nèi)，因此， at89s52 具有兩種狀態(tài)，下載程序狀態(tài)和運行狀態(tài)。該復(fù)位電路能實現(xiàn)上電自動復(fù)位，也能手動復(fù)位，一般復(fù)位時reset應(yīng)保持20毫秒以上高電平，此復(fù)位時間由接地電容控制。圖 3-4 復(fù)位電路3.3.4 鍵盤電路 設(shè)計中編者采用自做獨立鍵盤實現(xiàn)了對電機的遠(yuǎn)程控制。at08c51內(nèi)設(shè)有4x4矩陣鍵盤和獨立鍵盤模塊，本設(shè)計公用到8個獨立鍵盤分別控制電機的7種工作方式以及芯片的復(fù)位功

9、能。實現(xiàn)了對電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎停、停機、加速、減速和清零的有效控制，操作便宜。7位控制獨立鍵盤圖示如下：圖3-4 鍵盤電路3.3.5 lcd顯示電路lcd1602顯示模塊可以與本設(shè)計單片機at89s52單片機直接接口，lcd1602的8位雙向數(shù)據(jù)線d0d7連接p0口的p0.0p0.7，lcd1602使能信號e連接p2口線的p2.2。lcd1602讀/寫選擇信號r/w連接p2口線的p2.1，當(dāng)p2.1=0時為寫數(shù)據(jù)信號，當(dāng)p2.1=1時為讀數(shù)據(jù)信號。lcd1602數(shù)據(jù)/命令選擇信號rs連接p2口線的p2口線的p2.0，當(dāng)p2.0=0時為命令信號；當(dāng)p2.0=1時為數(shù)據(jù)信號。需要注意的是液晶顯示模

10、塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。 lcd1602的vcc引腳接+5電源，引腳gnd接地。lcd1602顯示模塊與單片機at89s52的接口電路如下所示：圖3-5 lcd 顯示電路3.3.6 步進電機驅(qū)動電路本設(shè)計所使用的電機驅(qū)動模塊為sgs公司的恒壓恒l298n，它屬于恒壓恒流橋式2a驅(qū)動芯片。l298是sgs公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳multiwatt封裝的l298n，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。l298n

11、芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達(dá)50v，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的io口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。本設(shè)計是利用來l298n芯片驅(qū)動四相五線式的步進電機，四線分別連接驅(qū)動芯片的4個輸出端口，另外2線實質(zhì)可以看為1線式接+5v電源即可。相關(guān)驅(qū)動芯片的接口圖及連接圖如下圖所示：圖3-6 步進電機驅(qū)動電路3.3.7 霍爾檢測電路 霍爾傳感器的外形圖和與原理圖，如下圖所示。磁鋼用來提供霍爾能感應(yīng)的磁場，當(dāng)霍爾元件以切割磁力線的方式相對磁鋼運動時，在霍爾輸出端口就會有電壓輸出，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。本設(shè)計既是利用這一原理來進

12、行對步進電機的速度測試的。 。圖3-7 霍爾檢測模塊3.4 本章小節(jié)本章主要對芯片及周邊輔助功能芯片進行了一個系統(tǒng)的介紹，以及它們在設(shè)計電路中所起到的作用進行了一個很好的闡釋，通過原理圖直觀的說明了其在整個設(shè)計中所起的作用。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 主程序設(shè)計 整個程序進行模塊化設(shè)計，主程序只需調(diào)用相應(yīng)的程序即可。主程序流程如下圖所示：主程序掃描函數(shù)顯示函數(shù)停機系統(tǒng)初始函數(shù)圖4-1 總設(shè)計流程圖4.2 系統(tǒng)中涉及的存儲器的作用4.2.1 tmr0相關(guān)的存儲器的作用與tmr0相關(guān)的存儲器有3個它們的作用如下所示：1、 定時器/計數(shù)器0tmr0用于對光電傳感器送入的脈沖進行計數(shù)2、 選項寄存器opt

13、ion_reg用于控制定時器是對下降沿信號作為t0cki的外部時鐘源3、 中斷寄存器intcon用與控制定時器是否溢出，是否溢出中斷4、 ra方向控制寄存器trisa4作為定時器的外部時鐘源的輸入引腳4.2.2 芯片輸出端口功能 本設(shè)計中利用了單片機的p0、p1、p2、p3端口。其中，p0端口作用于lcd常規(guī)引腳d端口，p1端口主要用于外接獨立鍵盤的引腳輸入，p2端口總共引用了單片機的三個控制引腳p2.0、p2.1、p2.2分別對lcd的rs、rw、e控制線端口相連，p3端口p3.3主要實現(xiàn)外部中斷功能，實時反映霍爾傳感器的輸入信號，起到一個脈沖檢測輸入功能。同時，另外四個引腳p3.4到p3.

14、7分別引接與步進電機驅(qū)動模塊的int腳，實現(xiàn)對電機的控制。4.3 子程序設(shè)計模塊 以下分別是各子程序模塊的流程圖： 開始傳感器檢測到信號？功能設(shè)置命令定時器，計數(shù)器模塊運行l(wèi)cd，定時器模塊無任何反應(yīng)lcd實現(xiàn)計數(shù)以及實時顯示電機速度等參數(shù) 是 否 圖4-2 掃描模塊流程圖 傳感器主要以電機是否受感應(yīng)以脈沖的方式對電機狀態(tài)進行實時的檢測，同時將信號及時地傳給單片機核心部分進行處理。 開始接收到由單片機發(fā)來的傳感器信號？ 是 否仍保持原有顯示沒有實時顯示顯示電機轉(zhuǎn)數(shù)，以及時間、頻率 圖4-3 lcd顯示模塊lcd顯示模塊在正常燒寫成功，電機尚未啟動的情況下，已實現(xiàn)了部分功能，即顯示了字符型指示語

15、言。當(dāng)單片機接收到由霍爾傳感器傳來的脈沖信號后，單片機指示計時模塊進行對電機實時速度及工作狀態(tài)的一個很好顯示。4.4、本章小結(jié)本章著重介紹了該設(shè)計的總流程以及相關(guān)子程序的工作流程，為后續(xù)設(shè)計告成的硬件連接奠定一定的基礎(chǔ)。五、系統(tǒng)調(diào)試 該程序的功能模塊先后實現(xiàn)的順序為：主程序初始化函數(shù)模塊掃描函數(shù)模塊顯示函數(shù)模塊。每完成一個模塊就與前一個已完成的模塊結(jié)合起來調(diào)試，直至實現(xiàn)相應(yīng)功能，再編寫下一模塊程序。在與主程序銜接時，主程序和各子程序也需作相應(yīng)的改動，以便與子程序更好的銜接，特別是顯示子程序需作較大改動，以便對不同內(nèi)容進行顯示。 程序用keil uvision2進行程序創(chuàng)建、錄入、編輯，用eas

16、y 51pro軟件進行程序的燒寫。詳細(xì)燒寫過程本設(shè)計將不做重要介紹，重點分析介紹硬件電路連接圖以及調(diào)試運行等相關(guān)動作。5.1 硬件電路的安裝與連接1、 首先檢查自己所需實驗器材是否齊全。 電路板兩塊，電焊筆一支，杜邦線數(shù)根，5v直流電源一部，4相步進電機一個，霍爾傳感器一個，獨立按鍵7個，at89s51單片機主芯片一塊兒，lcd1602液晶顯示器一塊，l298n電機驅(qū)動一個，以及若干引線等備用輔助工具。2、 連接硬件 參考硬件原理圖，在沒有上電的情況下對硬件進行合理有序安裝。安裝過程中務(wù)必保證線無斷、松、漏、交叉等情況，確保線的有序合理接引。5.2 硬件的調(diào)試及操作方法介紹5.2 1、電機正轉(zhuǎn)

17、 啟動電源檢查at89s51電路板是否上電上電后，按下按鍵k1即正轉(zhuǎn)按鈕電機正轉(zhuǎn) 按下k4停機按鈕 按下k7按鈕，lcd清零關(guān)斷電源 5.2.2、電機正轉(zhuǎn)情況下加、減速運行 啟動電源檢查at89s51電路板是否上電上電后，按下按鍵k1即正轉(zhuǎn)按鈕電機正轉(zhuǎn) 按下k5加速按鈕電機加速運行繼續(xù)另一次按下，電機繼續(xù)加速按下k6按鈕電機減速按下k4停機按鈕 按下k7按鈕，lcd清零關(guān)斷電源5.2.3、電機剎停啟動電源檢查at89s51電路板是否上電上電后，按下按鍵k1即正轉(zhuǎn)按鈕電機正轉(zhuǎn) 按下k3按鈕電機剎停需要說明的是電機的反轉(zhuǎn)與正轉(zhuǎn)的原理可謂是大同小異，在此僅簡單介紹正轉(zhuǎn)情況下電機的控制方式。另外，在做

18、實驗時請時刻注意觀察lcd的顯示。通過調(diào)節(jié)芯片板上的可調(diào)電阻，可對顯示屏的明暗程度進行調(diào)換。在做實驗的過程中請務(wù)必在所有硬件設(shè)備的額定工作電壓等其他安全規(guī)定要求下操作。系統(tǒng)接線電路是最為重要的部分，請務(wù)必在確保電路接法無誤的情況下在通電進行試驗。同時，遇到一些常見性的問題可以檢查以下部分：1、lcd不能實時顯示或者不能顯示解決辦法：（1）、檢查lcd是否工作正常，最好有備用 （2）、霍爾傳感器部分是否在正常有效的范圍內(nèi)檢測電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)，或者霍爾傳感器是否接好 （3）、lcd部分電壓不足，導(dǎo)致顯示不清晰，此時可以調(diào)解可調(diào)電阻 （4）、有效電源輸入是否正常穩(wěn)定等2、霍爾傳感器不能有效測速解決辦法

19、：（1）、安裝在電機端的磁性材料是否磁性過大或者過小，可以更換檢查 （2）、霍爾傳感器有效接入端是否出現(xiàn)接觸不良、斷線、松接（3）、霍爾傳感器距離電機太遠(yuǎn)，大于其有效測速距離等試驗中還會遇到許多諸如此類的問題，以上問題較為普遍。至此本設(shè)計安裝調(diào)試部分就到此為止，以上即為一般調(diào)試的常見方法。 結(jié)束語經(jīng)過兩個多月的工作，基于單片機的dc5v4相步進電機的變頻調(diào)速的設(shè)計已經(jīng)完成。經(jīng)試驗驗證，滿足設(shè)計要求。本次設(shè)計主要涉及了單片機原理及接口技術(shù)的相關(guān)知識和c語言編程的諸多要領(lǐng)。設(shè)計中涉及的許多問題，更是對以前所學(xué)的知識的回顧及在過去的三年中學(xué)到知識的系統(tǒng)總結(jié)，這次設(shè)計對我們將來的工作有很大的幫助。在此

20、次設(shè)計中，我積極查閱資料，細(xì)心鉆研各個細(xì)節(jié)，完成了對四相步進電機的開發(fā)與調(diào)試，也讓我們明白了在設(shè)計中考慮問題應(yīng)該全面。在設(shè)計中既鍛煉了我的動手能力，又學(xué)會查閱資料，提煉需要的信息。 由于本人水平有限，文中難免出現(xiàn)錯誤與不足之處，懇請各位老師批評指正。附錄a：實驗板原理圖附錄b：程序清單#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/lcd口線sbit e=p22;sbit rw=p21;sbit rs=p20;unsigned char dpbl,dpbl_1,gw,sw,bw,sw1,gw1,t01s,t11s,js1

21、s,js10s;unsigned char bdata myflag,b,rate,s;unsigned int bzw=0,bzw1=0,bzw2=0,bzw3=0,bzw4=0,bzw5=0,bzw6=0,bzw7=0,bzw_jia=0,bzw_jian=0,bzw11=0,bzw22=0;uchar code ffw8=0x1f,0x3f,0x2f,0x6f,0x4f,0xcf,0x8f,0x9f;uchar code rev8=0x9f,0x8f,0xcf,0x4f,0x6f,0x2f,0x3f,0x1f;sbit k1=p10; /正轉(zhuǎn)sbit k2=p11; /反轉(zhuǎn)sbit k3

22、=p12; /剎車sbit k4=p13; /停止sbit k5=p14; /加速sbit k6=p15; /減速sbit k7=p16; /清零sbit l1=p34; /電機asbit l2=p35; /電機bsbit l3=p36; /電機csbit l4=p37; /電機dvoid time0(void);void delay1(unsigned int t);void sendcommandbyte(unsigned char ch);void senddatabyte(unsigned char ch);void dispdpbl_1(void);void dispdpbl_2(v

23、oid);void dispdpbl_3(void);void dispdpbl_4(void);void dispdpbl_5(void);void initlcd(void);void delay(unsigned int t);void delay() uchar k; uint s; k = rate; do for(s = 10 ; s 0; s-) ; while(-k); /調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向與速度的子程序/void motor_ffw() uchar i; for (i=0; i8; i+) /一個周期轉(zhuǎn)30度 p3 = ffwi; /取數(shù)據(jù) delay(); /調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 void mo

24、tor_rev() uchar i; for (i=0; i999) dpbl_1=000; if (k1=0) bzw2=1; /啟動計時器/電機正轉(zhuǎn)/ bzw3=1; bzw4=0; bzw5=0; bzw6=0; bzw7=0; if (bzw3=1) motor_turn_z(); /電機反轉(zhuǎn)/ if (k2=0) bzw4=1; bzw3=0; bzw5=0; bzw6=0; bzw7=0; if(bzw4=1) motor_turn_f(); /電機剎停/ if (k3=0) bzw4=0; bzw3=0; bzw5=1; bzw6=0; bzw7=0; if (bzw5=1) m

25、otor_turn_st(); /電機停止/if (k4=0) bzw4=0; bzw3=0; bzw5=0; bzw6=1; bzw7=0; if (bzw6=1) motor_turn_t(); /清零/if(k7=0) bzw4=0; bzw3=0; bzw5=0; bzw6=0; bzw7=1; if(bzw7=1) motor_turn_ql(); /加速/ if(k5=0) bzw_jia=1; bzw22=0; if(bzw_jia=1&bzw11!=1) b-; bzw_jia=0; if(b=16) bzw11=1; /減速/ if(k6=0) bzw_jian=1; bzw

26、11=0; if(bzw_jian=1&bzw22!=1) b+; bzw_jian=0; if(b=99) bzw22=1; js10s=(dpbl%100)/10)|0x30; js1s=(dpbl%10)|0x30; sw1=(100-b)%100)/10)|0x30; gw1=(100-b)%10)|0x30; dispdpbl_1(); bw=(dpbl_1/100)|0x30; sw=(dpbl_1%100)/10)|0x30; gw=(dpbl_1%10)|0x30; dispdpbl_2(); /外部中斷1服務(wù)子程序（用來對電機的轉(zhuǎn)速計數(shù)用）/void intersvrl ()

27、 interrupt 3 bzw=1; /定時器t0服務(wù)子程序（用來作為時間的標(biāo)準(zhǔn)量）/void time0() interrupt 1 th0=0xee; tl0=0x00; t01s-; if(bzw2=1&t01s=0x00) t01s=0xc8; dpbl+; if(dpbl60) dpbl=60; bzw1=1; /定時器t1服務(wù)子程序（用來顯示電機的圈數(shù)）/void delay1(unsigned int t) / delay 40us for(;t!=0;t-) ;/=void sendcommandbyte(unsigned char ch) rs=0; rw=0; p0=ch

28、; e=1; delay1(1); e=0; delay1(100); /delay 40us/-void senddatabyte(unsigned char ch) rs=1; rw=0; p0=ch; e=1; delay1(1); e=0; delay1(100); /delay 40us/-void initlcd(void) sendcommandbyte(0x30); sendcommandbyte(0x30); sendcommandbyte(0x30); sendcommandbyte(0x38); /設(shè)置工作方式 sendcommandbyte(0x0c); /顯示狀態(tài)設(shè)置 sendco