基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路板設(shè)計論文

1、目 錄第1章 緒 論21.1 課題背景21.2 設(shè)計目的及系統(tǒng)功能2.2第2章 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計32.1 步進(jìn)電機(jī)32.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述32.1.2 步進(jìn)電機(jī)的特性32.1.3 步進(jìn)電機(jī)的種類32.1.4 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理42.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成52.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)62.2.2 鍵盤控制電路62.2.3 led數(shù)碼顯示電路72.2.4 測速電路介紹82.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路92.2.6 電源設(shè)計11第3章 控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計113.1 程序設(shè)計思路113.2程序流程圖123.2.1 主程序流程圖123.2.2 讀鍵盤子程序流程圖123.2.3 鍵盤處理子

2、程序流程圖133.2.4 電機(jī)控制中斷程序流程圖14第4章 調(diào)試與改進(jìn)144.1 調(diào)試與改進(jìn)144.2 運行結(jié)果15第五章 總結(jié)15參考文獻(xiàn)17附 錄18致 謝22第1章 緒 論1.1 課題背景當(dāng)今社會，電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩２竭M(jìn)電機(jī)是最常見的一種控制電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定

3、的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便。尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會長期積累的特點，給實際的應(yīng)用帶來了很大的方便。它廣泛用于消費類產(chǎn)品（打印機(jī)、照相機(jī)、雕刻機(jī)）、工業(yè)控制（數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人）、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中。研究步進(jìn)電機(jī)的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義?？刂坪诵牟捎胏51芯片，它以其獨特的低成本，小

4、體積廣受歡迎，當(dāng)然其易編程也是不可多得的優(yōu)點為此，本文設(shè)計了一個單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向的高效控制。1.2 設(shè)計目的及系統(tǒng)功能 本設(shè)計的目的是以單片機(jī)為核心設(shè)計出一個單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用at89c51作為控制單元，通過鍵盤實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在led數(shù)碼管上。.at89c51鍵盤控制模塊電機(jī)驅(qū)動模塊數(shù)碼顯示模塊電源模塊 圖1-1 總體設(shè)計框圖設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：1. 步進(jìn)電機(jī)的啟停控制2步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制3. 步進(jìn)電機(jī)的加速控制4. 步進(jìn)電機(jī)的減速控制5. 步進(jìn)

5、電機(jī)轉(zhuǎn)速的動態(tài)顯示第2章 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計2.1 步進(jìn)電機(jī)2.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動機(jī)，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(jìn)電動機(jī)各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)的

6、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)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(jī)所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)出了專用的ic驅(qū)動電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的oa裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點：1不需要反饋，控制簡單。2與微機(jī)的連接、速度控制（啟停和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)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(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。6即使沒有傳感器，也

7、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(jī)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(fù)載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的種類目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類：表2-1 步進(jìn)電機(jī)分類類別結(jié)構(gòu)步距力矩動態(tài)性能反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（vr）采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子小小較差永磁式步進(jìn)電動機(jī)（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(jìn)電動機(jī)（hb）這是pm和vr的復(fù)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2.1.4 永磁步

8、進(jìn)電機(jī)的控制原理在本設(shè)計以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。圖2-2是該電機(jī)的接線圖。 圖2-2 cz-2801型永磁步進(jìn)電機(jī)接線圖從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，只要輪流給各引出端通電即可。將 com 端標(biāo)識為c，只要 ac、bc或/ac、/bc，輪流加電就能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(guān)元件（如三極管） ，將 a、b或/a、/b輪流接地。不難設(shè)計出控制電路，因其工作電壓為 12v，因此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動器（這里用uln2003，關(guān)于uln20

9、03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(jī)時，p1.0、 p1.3均為高電平，依次將 p1.0、 p1.2 （或p1.1、 p1.3反向）切換為低電平即可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運行。如果要改變電機(jī)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(dá)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(jìn)電機(jī)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

10、960脈沖/分，相當(dāng)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(dāng)于 12.5ms/脈沖。可以列出下表：表2-2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)速單步時間(ms)th0tl02062.51f02159.5238095229b62256.8181818233742354.347826093c592452.08333333448025504c02648.0769230852ec2746.296296359552844.642857145f499313.44086022cf9c9413.29787234d0209513.15789474d0a1961

11、3.02083333d1209712.88659794d19b9812.75510204d2149912.62626263d28b10012.5d30表中不僅計算出了 th0和 tl0，而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。2.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為六個模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、測速模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

12、動模塊和電源模塊。1.單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機(jī)能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機(jī)個功能部件都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。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(jī)的p2.0、p2.1、p2.2和p2.3相連。實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。3.數(shù)碼顯示模塊采用共陰極數(shù)碼管來動態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實際轉(zhuǎn)動速度。利用i/o口為數(shù)碼管的com端提供低電平。二號單片機(jī)的p1口提供數(shù)碼管的段選信號，p2.6和p2.7控制數(shù)碼管的位選信號。4.測速模塊采用開

13、關(guān)霍爾片對安放在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤上的小磁片的磁信號進(jìn)行檢測，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤每次帶動小磁片經(jīng)過霍爾片時，其都將有脈沖信號從霍爾片輸出。單片機(jī)外部中斷口對信號進(jìn)行采集。5.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊選用七個npn達(dá)林頓連接晶體管uln2003為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機(jī)的p1.0p1.3相連。6.電源模塊是通過將市電220v轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2v和直流5v分別供給驅(qū)動模塊和單片機(jī)模塊。2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)近年，由于chmos技術(shù)的進(jìn)步，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的cmos化。cmos芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以80c51取代805

14、1為標(biāo)準(zhǔn)mcu芯片的原因。因為單片機(jī)芯片多數(shù)是采用cmos（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。cmos電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的ttl電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了hmos（高密度、高速度mos）和chmos工藝。chmos和hmos工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的chmos電路已達(dá)到lsttl的速度，傳輸延遲時間小于2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于ttl電路。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域cmos正在逐漸取代ttl電路。單片機(jī)是通過內(nèi)部總線把計算機(jī)的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交

15、換時提供地址，cpu通過它們將地址輸出到存儲器或i/o接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在cpu與存儲器或i/o接口之間，或存儲器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括cpu發(fā)出的控制信號線和外部送入cpu的應(yīng)答信號線等?？紤]到經(jīng)濟(jì)和可靠性的要求，本設(shè)計中采用at89c51單片機(jī)，它宏晶科技設(shè)計生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1t）的單片機(jī)。是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。1. at89c51單片機(jī)參數(shù)：工作電壓：5.5v3.8v/3.3vflash程序存儲器字節(jié)：4k定時器t0、t1：有中斷優(yōu)先級：22. at89c51單片機(jī)優(yōu)點：超低功耗超強(qiáng)抗干擾

16、，超強(qiáng)抗靜電輸入輸出口多，最多有40個i/o速度快，1個時鐘/機(jī)器周期，可用低頻率晶振2.2.2 鍵盤控制電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點的合、斷作用。一個電壓信號在機(jī)械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為510ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計中，高電平表示按鍵斷開，低電平

17、表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機(jī)對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計中沒有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。其原理圖如圖2-3所示：圖2-3鍵盤控制模塊原理圖2.2.3 led數(shù)碼顯示

18、電路發(fā)光二極管led是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。led數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。led數(shù)碼顯示器是1種由led發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個led發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點。led數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：（1） 共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接+5v，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平時，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入高電平時則不點亮。（2） 共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公

19、共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極端輸入高電平時，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入低電平時則不點亮。在本設(shè)計中所采用的是共陰極led數(shù)碼顯示器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4所示： 圖2-4 led數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 這里用四位一體數(shù)碼管sm420361k：型號：sm420361k-12p類別：4位一體共陰規(guī)格：長寬高-30.114.17.3mm管腳標(biāo)號：12-9-8-6公共腳、a-11、b-7、c-4 d-2、e-1、f-10、g-5、dp-3在本設(shè)計中采用數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，數(shù)碼顯示電路通過交替向p2.6和p2.7輸出低電平，使得與這兩個端口連接的數(shù)碼管公共端交替為低電平，從而為數(shù)

20、碼管提供導(dǎo)通回路，通過對交替時間的控制實現(xiàn)數(shù)碼管在視覺上的不間斷顯示。通過p1口輸出段選信號，控制了數(shù)碼管顯示的內(nèi)容。如圖2-5所示：圖2-5 數(shù)碼管顯示電路2.2.4 測速電路介紹開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對稱的施密特整形電路。圖2-6是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件ugn3020的功能圖及輸出特性。 圖2-6 ugn3020功能特性曲線對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的s極接近傳感器的端面所形成的b值為正值。由圖2-6看出，當(dāng)b=0時，v0為高電平；

21、當(dāng)外磁場增至bop時，輸出v0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由bop降至brp時，輸出v0由低電平反向，brp被稱為釋放點。對于ugn3020，bop=0.022t，brp=0.0165t，vol=80150mv，voh=4v，工作電壓為4.5v24v。ugn3020可組成轉(zhuǎn)速計探頭。該探頭由霍爾元件ugn3020和磁鋼組成測量電路。將具有10個齒的圓盤固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當(dāng)圓盤齒經(jīng)過測量磁路的間隙時，霍爾元件輸出高電平，其他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個脈沖，脈沖經(jīng)過分頻后，用頻率計即可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。本設(shè)計采用的測速電路原理圖如下圖所示：圖2-7 測速電路2

22、.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路本系統(tǒng)的設(shè)計目的為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，因此需要將單片機(jī)發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，我們在這里采用uln2003為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號。uln2003七npn達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如ttl,cmos或pmos/nmos）和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計算機(jī)，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。uln2003的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)ttl系列兼容。它的管腳連接圖如圖2-8所示:圖2-8 uln2003管腳連接圖圖2-9 uln2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要

23、特性為：表2-3 uln2003主要特性表參數(shù)名稱符號數(shù)值單位輸入電壓vin30v輸入電流iin25ma功 耗pd1w工作環(huán)境溫度topr-20to +85 貯存溫度tstg-55to+150 uln2003芯片概述與特點：uln2003芯片是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時驅(qū)動7組負(fù)載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅(qū)動各種類型的負(fù)載。功率驅(qū)動電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個重要組成部分。uln2003芯片高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品屬于可控大功率器件。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的工

24、作過程是：首先從p1口輸出00000001b，由于單片機(jī)與uln2003連接只用到了p1.0p1.3，所以uln2003與單片機(jī)連接的四個管腳中每時刻只有一個管腳處于導(dǎo)通狀態(tài)（采用單拍方式對步進(jìn)電機(jī)控制），其他管腳處于斷開狀態(tài)。這樣就使得與uln2003連接的步進(jìn)電機(jī)只有一個引出端導(dǎo)通。該系統(tǒng)驅(qū)動原理圖如圖2-10：圖2-10 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理圖2.2.6 電源設(shè)計在此系統(tǒng)中因要用到兩路電源，再三考慮購買了一個輸出為交流9v（電壓表實測電壓在12v左右）的適配器，然后通過4個in4007（圖中未標(biāo)出）搭建的整流橋，分出兩路一路引出供驅(qū)動器，另一路再經(jīng)lm7805降為5v，完全符合要求，同時避免

25、了電路設(shè)計中電路板上存在的大電源干擾等問題。電路電源設(shè)計如下圖所示：圖2-11 電源原理圖第3章 控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計3.1 程序設(shè)計思路步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動、控制數(shù)碼管動態(tài)顯示等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實現(xiàn)。在本設(shè)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(yīng)參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器0中斷服務(wù)程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當(dāng)前顯示的速度進(jìn)行鍵盤手動改變t0定時時間常數(shù)，設(shè)置th0和tl0的值，達(dá)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，

26、達(dá)到對轉(zhuǎn)動方向控制的目的。說明如下：1.單片機(jī)接受鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。2.單片機(jī)輸出脈沖信號，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。3.單片機(jī)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)實際轉(zhuǎn)動值，控制數(shù)碼管顯示。3.2程序流程圖3.2.1 主程序流程圖步進(jìn)電機(jī)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3-1所示：圖3-1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電復(fù)位后，先調(diào)用初始化子程序，對步進(jìn)電機(jī)各端口，相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置t0工作方式控制時間常數(shù)。初始化完成后，步進(jìn)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，t0定時器處于關(guān)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制。3.2.2 讀鍵

27、盤子程序流程圖首先初始化實際鍵值參數(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(rèn)是否真的有鍵按下。延時10ms后再次掃描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(yīng)的變量值改變，為鍵盤處理子程序做準(zhǔn)備。圖3-2 掃描鍵盤字程序流程圖3.2.3 鍵盤處理子程序流程圖按鍵處理子程序流程圖如圖3-3所示：圖3-3鍵盤處理子程序流程圖步進(jìn)電機(jī)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(guān)閉定時器t0也就阻止了脈沖信號的輸出。3.2.4 電機(jī)控制中斷

28、程序流程圖定時器中斷0服務(wù)程序流程圖如圖3-4所示： 圖3-4 定時器中斷0服務(wù)程序流程圖定時器中斷0服務(wù)程序的中斷時間由當(dāng)前的轉(zhuǎn)速決定。進(jìn)入中斷程序后，首先要保護(hù)現(xiàn)場，再根據(jù)當(dāng)前值設(shè)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p1.1、p1.3輸出。最后恢復(fù)現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。通過用當(dāng)前轉(zhuǎn)速控制中斷時間，控制了脈沖的輸出頻率，也就到達(dá)了控制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)各引出端的接通順序，也就到實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向的控

29、制。各模塊控制的詳細(xì)程序附于最后。第4章 調(diào)試與改進(jìn)4.1 調(diào)試與改進(jìn)在系統(tǒng)完成后測試系統(tǒng)，檢查硬件和軟件是否能夠協(xié)調(diào)運行，并對系統(tǒng)出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析，看是否能夠達(dá)到系統(tǒng)創(chuàng)作之初所設(shè)想的效果，如達(dá)不到則重新修改系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)或者修改軟件的程序部分，直到達(dá)到設(shè)計需要為止。本系統(tǒng)的設(shè)計思路為：首先從整體上劃分出各功能模塊，然后硬件和軟件同時進(jìn)行依次完成各個功能模塊，最后將各個模塊聯(lián)系起來完成整個系統(tǒng)。在硬件調(diào)試的過程中，遇到了很多問題。主要有：1. 確定步進(jìn)電機(jī)的使用方法，和控制模式。此處尤為重要，這是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是確定軟件是否能控制步進(jìn)電機(jī)思路的開端。2.鍵盤設(shè)計完成后，在多次運行過程中發(fā)

30、現(xiàn)按鍵是否按下難以直觀準(zhǔn)確判斷，在此處進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，為每一個按鍵接上一個發(fā)光二極管，當(dāng)有鍵按下時，相對應(yīng)的發(fā)光二極管變亮，使得按鍵動作形象直觀。并以此方法測試步進(jìn)電機(jī)控制程序。3.向電源插座送入12v直流電源，測量lm7805輸出腳對地電壓，是否為5v左右，這個電壓的測量可以直接在l7805的out腳和gnd之間完成。4. 單片機(jī)應(yīng)用(電源)注意事項:在電源兩端應(yīng)該加一個47uf以上的電解電容和一個0.1uf的小電容，進(jìn)行電源去藕濾波。5.可供霍爾片檢測到的信號注意是s磁極。軟件測試的時候也有些問題，主要有：1.軟件去抖方式，和時間的控制。2.控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的程序段完成后，調(diào)試發(fā)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)

31、速度的控制范圍過小，查閱資料后發(fā)現(xiàn)設(shè)計思路不太合理，原先的設(shè)計思路是用主程序控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，采用延時方式控制步進(jìn)電機(jī)速度，由定時器處理鍵盤；改進(jìn)程序，主程序用來處理鍵盤，由定時器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度由定時器定時時間決定。問題得到解決，不僅擴(kuò)大了步進(jìn)電機(jī)速度的控制范圍，也使得單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)速度的控制更加精確。4.2 運行結(jié)果連接好硬件電路，上電復(fù)位，程序開始運行。1.此時步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動，led數(shù)碼管不顯示；按下啟停鍵，步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，led數(shù)碼管顯示數(shù)值當(dāng)前數(shù)值，即當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分；2.此時每按下加速鍵一次，led數(shù)碼管顯示數(shù)值加1，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度相應(yīng)增加；此

32、時每按下減速鍵一次，led數(shù)碼管顯示數(shù)值減1，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度相應(yīng)減少；此時若按下方向控制鍵，步進(jìn)電機(jī)立即向相反方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度保持不變；此時若按下啟停鍵，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，led數(shù)碼管停止顯示為0，符合設(shè)計要求。第五章 總結(jié)經(jīng)過老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)，經(jīng)過近半個月的努力，本次畢業(yè)設(shè)計課題步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)告一段落。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分：硬件設(shè)計主要是把單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、數(shù)碼顯示模塊、測速模塊各個硬件功能模塊及其它元件合理搭配并連接起來使其能夠為軟件運行提供一個硬件平臺。軟件設(shè)計主要是通過編寫程序代碼，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。在系統(tǒng)上電復(fù)位

33、后程序自動運行，通過接受外部的鍵盤操作修改系統(tǒng)參數(shù)值，控制步進(jìn)電機(jī)的啟停，以及轉(zhuǎn)速的增減和轉(zhuǎn)動方向的改變；定時器t0根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動；實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的動態(tài)顯示。本系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶嵱霉δ?兩片單片機(jī)分別實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制和測速，能基本符合實際應(yīng)用需求，本次設(shè)計由于設(shè)計時間較短，個人能力以及精力等因素的限制，加之設(shè)計經(jīng)驗的不足，該系統(tǒng)還有許多不盡如人意的地方。該系統(tǒng)未能完全的實現(xiàn)設(shè)計的所有功能。如：利用鍵盤輸入轉(zhuǎn)速值實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，動態(tài)設(shè)置最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速等。在把理論設(shè)計轉(zhuǎn)換成實物的整個過程，如：電路設(shè)計、分析計算、畫電路圖、焊接電路、檢查調(diào)試、軟件流程控制設(shè)計分析、編寫調(diào)試軟

34、件、燒寫軟件到整個軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試，最后直到系統(tǒng)完成。其中整個系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備是首先必須做到位的，如控制什么、用什么控制、得到什么結(jié)果，進(jìn)而對各部分應(yīng)選擇具體的芯片作進(jìn)一步的考慮，以使系統(tǒng)得到最優(yōu)的表現(xiàn)。通過本課題，一方面我在查閱資料的基礎(chǔ)上，了解stc10f04單片機(jī)控制的一些基本技術(shù)，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實現(xiàn)方法,能對單片機(jī)外圍電路設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)與掌握；另一方面，在設(shè)計步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，控制程序和相應(yīng)的電路圖時，應(yīng)充分運用說學(xué)知識，善于思考，琢磨，分析。參考文獻(xiàn)1 李慶亮. c語言程序設(shè)計實用教程. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20062 王新穎. 單片機(jī)原理及應(yīng)用設(shè)計. 北京：

35、北京大學(xué)出版社，20083 張亞華. 電子電路計算機(jī)輔助分析與輔助設(shè)計. 北京 航空工業(yè)出版社，20044 莫正康. 電力電子應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20095 曾曉宏. 數(shù)字電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20086 江曉安. 模擬電子技術(shù). 陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2007附 錄附錄一：電路原理圖清單附錄一 圖：電路原理圖附錄二：源程序清單主控程序：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit up=p21; /提速sbit down=p22; /減速sbit rotation=p20; /轉(zhuǎn)向sbit run=p23;int speed=10;static rot=0; /正轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn))static uint step=0; /起始步/v