《單片機微型計算機與接口技術(shù)》課程設(shè)計論文步進機的控制

1、單片微型計算機與接口技術(shù)課程設(shè)計論文設(shè)計題目： 步進機的控制 院 系： 惠州學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級： 08電科（2）班 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成績： 二零一一年 六月 四日課程設(shè)計（論文）任務(wù)書單片機控制步進電機設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個控制步進電動機的控制裝置。步進電機是工業(yè)過程控制及儀表中的主要控制元件之一。它可以在機械結(jié)構(gòu)中把絲杠的角度變成直線位移，也可以用它帶動螺旋電位器，調(diào)節(jié)電壓和電流，從而實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的控制。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，由于它可以直接接收計算機輸出的數(shù)字信號，而不需要進行d/a轉(zhuǎn)換，所以使用起來十分方便。步進電機具有快速的啟停能力和精度高的顯著特點，在

2、定位場合得到了廣泛的應(yīng)用。步進電機實際上是一個數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器，因此，需把并行的二進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成串行的脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。每當步進電機脈沖輸入線上得到一個脈沖，它便沿著特定的方向走一步。設(shè)計要求：采用單片機控制一個四相八拍的步進電機工作。步進電機的旋轉(zhuǎn)方向由正反轉(zhuǎn)控制信號控制。步進電機的步數(shù)由鍵盤輸入，可輸入的步數(shù)分別為4，8，12，16，20，24，28，32步。并且鍵盤具有鍵盤鎖功能，當鍵盤上鎖時，步進電機不接受輸入步數(shù)，也不會運轉(zhuǎn)。只有當鍵盤鎖打開并輸入步數(shù)時，步進電機才開始工作。電機運轉(zhuǎn)的時候有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)指示燈指示。電機在運轉(zhuǎn)過程中，如果過熱，則電機停止運轉(zhuǎn)，同時紅色指示燈亮，

3、同時警報響。本題目的關(guān)鍵之處是：如何生成控制步進電機的脈沖序列。摘要：本設(shè)計采用單片機stc89c52對步進電機進行控制，通過io口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片uln2003a驅(qū)動步進電機；同時，用按鍵來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管顯示電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)，采用74hc595作為數(shù)碼管的顯示驅(qū)動，從單片機輸入信號；采用溫敏電阻對電機進行過熱監(jiān)測保護，通過電壓比較器lm339向單片機確認是否達到溫度上限。關(guān)鍵詞： 步進電機 單片機 數(shù)碼管 過熱保護目錄一、概述51.1課題簡介51.1.1步進電機簡介51.1.2步進電機控制工作原理51.1.3步進電機的啟?？刂?1.1.

4、4步進電機的轉(zhuǎn)向控制61.1.5步進電機的速度控制61.1.6步進電機的換向控制6二、系統(tǒng)的總體設(shè)計62.1硬件設(shè)計72.1.1單片機72.1.2按鍵電路設(shè)計82.1.3驅(qū)動電路的設(shè)計82.1.4顯示電路的設(shè)計102.1.5過熱保護電路的設(shè)計122.1.6指示模塊的設(shè)計132.1.7整體原理圖142.2軟件設(shè)計142.2.1主程序142.2.2鍵盤掃描子程序152.2.3電機轉(zhuǎn)動子程序172.2.4全部程序代碼（c語言）18三、調(diào)試與仿真233.1 keil程序調(diào)試233.2 protues 仿真24四、 實物制作264.1焊接電路及調(diào)試264.2 實物圖27五、 結(jié)束語27六、謝辭27七、參

5、考文獻28一、概述1.1課題簡介1.1.1步進電機簡介步進電機是一種感應(yīng)電機（如左圖1所示），它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電（ 圖1）的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(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技術(shù)的發(fā)

6、展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。1.1.2步進電機控制工作原理步進電機實際上是一個數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，也是一個串行的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。步進電機的基本控制包括啟?？刂啤⑥D(zhuǎn)向控制、速度控制、換向控制4 個方面。從結(jié)構(gòu)上看 ,步進電機分為三相、四相、五相等類型 ,常用的則以三相為主。三相步進電機的工作方式有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3 種 。1.1.3步進電機的啟停控制步進電機由于其電氣特性,運轉(zhuǎn)時會有步進感 ,即振動感。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑 ,減小振動 ,可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波 ,可以減小步進電機的步進角 ,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉(zhuǎn)時

7、,為了防止因慣性而使電機軸產(chǎn)生順滑 ,則需采用合適的鎖定波形 ,產(chǎn)生鎖定磁力矩 ,鎖定步進電機的轉(zhuǎn)軸 ,使步進電機的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。 1.1.4步進電機的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電 ,步進電機正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式為二六拍 ,即 a-ab-b-bc-c-ca。如果按反序通電換相 ,即則電機就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。1.1.5步進電機的速度控制如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖 ,它就轉(zhuǎn)一步 ,再發(fā)一個脈沖 ,它會再轉(zhuǎn)一步。2 個脈沖的間隔越短 ,步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率 ,就可以對步進電機進行調(diào)速。1.1.6步進電機的換向控制步進電機換向時 ,一定要在電機減速停

8、止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向 ,以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第1 個脈沖前發(fā)出。對于脈沖的設(shè)計主要要求要有一定的脈沖寬度(一般不小于5s)、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實質(zhì)包含了減速換向加速3 個過程。 二、系統(tǒng)的總體設(shè)計主要由單片機stc89c52，步進電機驅(qū)動芯片uln2003a，4相5線步進電機，按鍵，過熱保護電路及一些其他相關(guān)元件設(shè)計而成?？傮w框圖如下圖2 按鍵模塊過熱保護模塊單片機stc89c52驅(qū)動芯片uln2003a數(shù)碼管顯示指示燈和報警模塊步進機（ 圖2） 2.1硬件設(shè)計2.1.1單

9、片機單片機引腳如圖3。本次設(shè)計使用單片機芯片stc89c52stc89c52的工作特性：內(nèi)含8kb的flash存儲器檫寫次數(shù)十萬次； 內(nèi)含512字節(jié)的ram；具有32根可編程i/o線；具有3個16位定時器/計數(shù)器 具有8個中斷源，4級優(yōu)先權(quán)的中 斷結(jié)構(gòu)； 具有2個數(shù)據(jù)指針dptr；工作電源為5.5-3.4v典型值為5v；最高工作頻率為40mhz； （圖3）2.1.2按鍵電路設(shè)計本系統(tǒng)利用按鍵分別接到p3口的，p3.0，p3.1，p3.3，p3.4，p3.5分別控制電機的正反轉(zhuǎn)、增加、鎖鍵、減少、確定。如圖4。 （圖4）2.1.3驅(qū)動電路的設(shè)計ln2003是一個7路反向器電路，即當輸入端為高電平

10、時uln2003輸出端為低電平，當輸入端為低電平時uln2003輸出端為高電平。如圖4所示功能特點：高電壓輸出50v輸出鉗位二極管輸入兼容各種類型的邏輯電路應(yīng)用繼電器驅(qū)動器。 （圖4） 在此系統(tǒng)中把單片機輸出的信號加到uln2003a，把uln2003a的輸出信號加到步進電機上。以此通過改變單片機的輸出信號來控制步進電機的啟/停、正反轉(zhuǎn)以步數(shù)。電路連接如圖5。 （圖5） 由于本系統(tǒng)是采用四相八拍的通電方式（a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a），即驅(qū)動方式是4-1-2相驅(qū)動，如表1。導(dǎo)線顏色12345678紅橙黃粉藍 （表1）結(jié)合圖5和表1可得出逆時針的相序是：0x08,0x0c,0x0

11、4,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09 順時針的相序是：0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08步距角度是5.625/64，所以64個脈沖才轉(zhuǎn)過5.625。本設(shè)計是以5.625為一步的。也就是走8步的話就轉(zhuǎn)過45度。2.1.4顯示電路的設(shè)計 顯示部分使用2位數(shù)碼管，通過74hc595驅(qū)動。 數(shù)碼管介紹：本系統(tǒng)采用的是共陽數(shù)碼管，其原理圖如圖5。 （圖5） 74hc595介紹：74hc595是硅結(jié)構(gòu)的cmos器件， 兼容低電壓ttl電路，遵守jedec標準。 74hc595是具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和存儲器是分

12、別的時鐘。 數(shù)據(jù)在shcp的上升沿輸入，在stcp的上升沿進入到存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。 移位寄存器有一個串行移位輸入（ds），和一個串行輸出（q7）,和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當使能oe時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。 8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻關(guān)斷狀態(tài)。三態(tài)。其引腳圖如圖6 （圖6） 顯示電路的原理圖如圖7 （圖7）結(jié)合圖5和圖7可以得出個符號的編碼，如表2符號g f e d c b a h十六進制01 0 0 0 0 0 0 00x8011 1 1 1

13、0 0 1 00xf220 1 0 0 1 0 0 00x4830 1 1 0 0 0 0 00x6040 0 1 1 0 0 1 00x3250 0 1 0 0 1 0 00x2460 0 0 0 0 1 0 00x0471 1 1 1 0 0 0 00xf080 0 0 0 0 0 0 00x0090 0 1 0 0 0 0 00x20f0 0 0 1 1 1 0 00x1c （表2）2.1.5過熱保護電路的設(shè)計 當電機力矩不夠，卡住時，若是還不停地輸入脈沖，電機的溫度會上升，最終會燒壞電機，所以有必要增加電機的過熱保護電路。改電路使用了溫敏電阻和電壓比較器lm339。 溫敏電阻簡介:溫敏

14、電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造。本設(shè)計使用的是負溫度系數(shù)的電阻。負溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。負溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多，使用區(qū)分低溫（-60300）、中溫（300600）、高溫（600）三種，有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長、價格低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于需要定點測溫的溫度自動控制電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫

15、控系統(tǒng)。 lm339簡介：lm339 集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mv；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36v，雙電源電壓為1v-18v；3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（ucc-1.5v）vo；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。其引腳圖如圖8。 （圖8） 電路原理圖如圖9。 （圖9）它用單電源供電，1/4lm339 的反相輸入端加一個固定的參考電壓，它的值取決于rv1, r8。ur=rv1/（rv1+r8）*ucc。同相端的電壓就等于熱敏元件rt1 的電壓降。當機內(nèi)溫度

16、為設(shè)定值以下時，“+”端電壓大于“-”端電壓，uo 為高電位。當溫度上升為設(shè)定值以上時，“-”端電壓大于“+”端，比較器反轉(zhuǎn)，uo 輸出為零電位，使保護電路動作，調(diào)節(jié)rv1 的值可以改變門限電壓，既設(shè)定溫度值的大小。2.1.6指示模塊的設(shè)計 指示模塊包括led發(fā)光二極管和蜂鳴器。電路如圖10。 （圖10）2.1.7整體原理圖2.2軟件設(shè)計2.2.1主程序流程圖（如圖11）正轉(zhuǎn)子程序反轉(zhuǎn)子程序退出標志置0是否正轉(zhuǎn)？開始初始化鍵盤鎖定？電機停轉(zhuǎn)鍵盤掃描子程序是否啟動？啟動標志置0是否是否否是 （圖11）2.2.2鍵盤掃描子程序程序框圖如圖12。進入是否有鍵按下？延時消抖是否有鍵按下？判斷是什么功能

17、鍵正反轉(zhuǎn)：正反轉(zhuǎn)標志位取反，相應(yīng)指示燈點亮增加：每次步數(shù)加4，調(diào)用顯示子程序顯示步數(shù)減小：每次步數(shù)減4，調(diào)用顯示子程序顯示步數(shù)確定：啟動標志置1按鍵松開？返回是否是否是否 （圖12）2.2.3電機轉(zhuǎn)動子程序程序框圖如圖13進入steps36?k=0,time=0,j=0timesteps?j=0j8?k=0k8?p1=rightk延時4ms退出標識為1？返回k+j+time+k=0k8?p1=rightk延時4ms退出標識為1？k+是否是否是否是否是否是否是否（圖13）2.2.4全部程序代碼（c語言）#includesbit hc595_si =p21;/serial 串行sbit hc595

18、_sck =p20;/進入595sbit hc595_rck =p22;sbit fm=p37;/蜂鳴器sbit rightt=p23; /正轉(zhuǎn)指示燈sbit revertt=p24; /反轉(zhuǎn)指示燈sbit alarm=p25; /報警指示燈sbit alarmt=p32; /溫度過高sbit lockkey=p33; /鍵盤鎖unsigned int x;unsigned char temp,flag=1,flag2=0,flag3=0; /flag為1是正轉(zhuǎn),flag2為1是退出,flag3為1是鎖鍵。unsigned char steps=4; /steps步數(shù) unsigned cha

19、r q,star=0;unsigned char table11= 0x80,0xf2,0x48,0x60,0x32,0x24,0x04,0xf0,0x00,0x20,0x1c;unsigned char revert8=0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09; /逆時針轉(zhuǎn)動unsigned char right8=0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08;/順時針轉(zhuǎn)動/-/中斷初始化void setint(void) ea=1; /開總中斷 ex0=1; /開外部中斷0 ex1=1; /開外部中斷1 tcon=0x

20、05; / 決定中斷觸發(fā)方式/顯示子程序void hc595_ch(unsigned char ch ) /一個字節(jié)進入595 unsigned char i; for(i=0;i8;i+)/1個字節(jié)有8 bit hc595_si=ch&0x80; ch=ch0;x-)for(y=112;y0;y-); /掃描鍵盤void scan(void) temp=p3; temp=temp&0x33; if(temp!=0x33) for(x=1000;x0;x-);temp=p3;temp=temp&0x33;if(temp!=0x33)temp=p3;temp=temp&0x33;switch(t

21、emp)case 0x32: flag=!flag;/正反轉(zhuǎn)if(flag) rightt=0; revertt=1; else rightt=1; revertt=0; break;case 0x31: / 增加 if(steps4) steps=steps-4; q=steps%10; hc595_ch(tableq); q=steps/10; hc595_ch(tableq); hc595_rck=0; hc595_rck=1; break; case 0x13:star=1; /確定 break; while(temp!=0x33)temp=p3;temp=temp&0x33; /電機

22、正轉(zhuǎn)子程序void motor_rig(void) unsigned char j,k,time; if(steps36) for(time=0;timesteps;time+) for(j=0;j8;j+) for(k=0;k8;k+) p1=rightk; delay1(4); if(flag2) return; else while(1) for(k=0;k8;k+) p1=rightk; delay1(4); if(flag2) return; /電機反轉(zhuǎn)子程序void motor_rev(void) unsigned char j,k,time; if(steps36) for(ti

23、me=0;timesteps;time+) for(j=0;j8;j+) for(k=0;k8;k+) p1=revertk; delay1(4); if(flag2) return; else while(1) for(k=0;k0;x-); if(!lockkey) flag2=1;/電機停止退出標志 flag3=!flag3; if(flag3) alarm=0; else alarm=1; while(!lockkey); ex1=1; 三、調(diào)試與仿真3.1 keil程序調(diào)試keil c51是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c語

24、言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用c來開發(fā)，體會更加深刻。3.2 protues 仿真proteus軟件是英國labcenter electronics公司出版的eda工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。proteus是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切

25、換到pcb設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。在編譯方面，它也支持iar、keil和mplab等多種編譯器。proteus軟件具有其它eda工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： （1）原理布圖 （2）pcb自動或人工布線 （3）spice電路仿真 革命性的特點： （1）互動的電路仿真 用戶甚至可以實時采用諸如ram，rom，鍵盤，馬達，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。 （2）仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型本課設(shè)主要用到其強大的仿真功能。4、 實物制作