《計算機控制技術(shù)》課程設(shè)計說明書基于89C51單片機設(shè)計二相電機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄摘 要11. 設(shè)計任務(wù)及要求22. 方案比較及選擇22.1 led顯示選擇方案22.2按鍵狀態(tài)的讀取23. 系統(tǒng)實現(xiàn)的原理33.1系統(tǒng)設(shè)計思路33.2步進電機工作原理33.2.1步進電機的啟?？刂?3.2.2步進電機的控制時序43.3系統(tǒng)整體方框圖64. 系統(tǒng)硬件設(shè)計74.1總體電路設(shè)計74.2電機模塊電路設(shè)計84.2.1電機控制部分電路84.2.2步進電機驅(qū)動電路94.3 顯示模塊電路104.3.1發(fā)光二極管顯示電路104.3.2七段數(shù)碼管顯示電路115. 系統(tǒng)軟件設(shè)計115.1系統(tǒng)總體流程圖115.2 二相步進電機工作方式模塊程序設(shè)計135.2.1四拍方式模塊程序設(shè)計135.2.2八拍

2、方式模塊程序設(shè)計145.3 系統(tǒng)顯示程序模塊設(shè)計156系統(tǒng)仿真結(jié)果16心得體會17參考文獻:18附錄 本設(shè)計所用的c程序清單19摘 要基于89c51單片機設(shè)計二相電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)四拍和八拍方式轉(zhuǎn)動，并能進行調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制。同時由數(shù)碼管和led顯示電機轉(zhuǎn)動步數(shù)和工作狀態(tài)。首先需要構(gòu)建控制信號輸入和輸出顯示器以及核心運算部分構(gòu)成整個系統(tǒng)，然后畫原理圖并且用protues軟件仿真。設(shè)計過程中用到單片機、雙極性h橋驅(qū)動電路、數(shù)碼管顯示電路等模塊電路。設(shè)計的系統(tǒng)通過循環(huán)掃描狀態(tài)信號，控制電機的運轉(zhuǎn)同時輸出狀態(tài)。關(guān)鍵詞：單片機，h橋，protues，數(shù)碼管abstract based 89c51 mi

3、crocontroller design two-phase motor control system, having four-beat and eight-beat way to turn, and can control the speed and reversing. at the same time，the digital control and led display motor rotation step and working condition. first need to build a control signal input and output display par

4、ts and the core computing system, and then draw the schematic and software simulation with protues. microcontroller used in the design process, bipolar h-bridge driver circuit, the digital display module circuit. scan through the system design cycle status signals to control the motor running while

5、the output state.key words: single-chip, h-bridge, protues, digital 二相步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計1. 設(shè)計任務(wù)及要求 設(shè)計一個二相步進電機控制系統(tǒng)，電機有兩組帶中心抽頭的線圈，要求系統(tǒng)具有如下功能：采用雙極性（h橋）控制（不使用線圈的中心抽頭），用k0-k1做為通電方式選擇鍵，k0為四拍，k1為八拍， k2為啟動/停止控制；k3方向控制（正反轉(zhuǎn)）；k4速度控制（快慢兩檔）；用4位led數(shù)碼管顯示工作步數(shù)。用3個發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉(zhuǎn)時紅燈亮，反轉(zhuǎn)時黃燈亮，不轉(zhuǎn)時綠燈亮。 2. 方案比較及選擇 2.1 led顯示方案的選擇 方案

6、1：把所要顯示的數(shù)據(jù)通過液晶顯示屏顯示。其優(yōu)點是輸出簡單，可以簡化硬件和程序，但增加了芯片的費用。 方案2：通過軟件把所要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為七段顯示的數(shù)據(jù)，直接通過數(shù)碼管來顯示，其優(yōu)點是簡化了電路，但增加了軟件編寫的負擔(dān)。通過對方案的比較，選擇方案2通過數(shù)碼管顯示信號，比較簡單經(jīng)濟。 2.2按鍵狀態(tài)讀取方案的選擇 方案1：把按鍵接到單片機的中斷口，若有按鍵按下，單片機接收到中斷信號，再通過軟件編寫的中斷服務(wù)程序來執(zhí)行中斷，優(yōu)點是接線簡單，簡化了電路，但軟件編寫較為復(fù)雜，不易掌握。 方案2：不使用中斷，直接把開關(guān)分別接在單片機的接口上，通過查詢端口信號來動作。其優(yōu)點是程序得到簡化。 通過對方案的比較，

7、選擇方案2通過查詢方式來讀取端口信號，相對來說編程和硬件電路都比較簡單。3. 系統(tǒng)實現(xiàn)的原理3.1系統(tǒng)設(shè)計思路本設(shè)計是設(shè)計一個步進電機控制系統(tǒng)，主要由單片機80c51，二相四線步進電機，7段數(shù)碼管，雙極性h橋驅(qū)動電路設(shè)計而成?？梢酝ㄟ^單片機p2口讀入開關(guān)信號來控制系統(tǒng)的啟/停等各種工作，當系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，用開關(guān)來控制方向轉(zhuǎn)速，并使相應(yīng)的狀態(tài)指示燈亮起，同樣由開關(guān)來選擇工作模式。運轉(zhuǎn)時，用4位7段數(shù)碼管來顯示電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)。根據(jù)設(shè)計的硬件電路圖設(shè)計相應(yīng)的軟件完成各項功能。3.2步進電機工作原理3.2.1步進電機的啟停控制 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_關(guān)控制元件。電機的轉(zhuǎn)速，停止的位置指取決

8、于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。如圖3-1為二相步進電機的工作原理圖。由圖可知，每個繞組都有一個中間抽頭。當電機的繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，當轉(zhuǎn)子吸合到相應(yīng)的磁極處。若繞組的控制脈沖使定子在順時針方向輪流產(chǎn)生磁場，則電機可順時針轉(zhuǎn)動；通電方向與上相反，則電機可逆時針方向轉(zhuǎn)動?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機轉(zhuǎn)動一步，脈沖頻率越高，電機轉(zhuǎn)動的也就越快。圖3-1 二相步進電機原理圖3.2.2步進電機的控制時序 根據(jù)步進電機的工作原理，四拍工作方式下，當控制器給驅(qū)動器發(fā)出脈沖信號時，驅(qū)動器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大器后，

9、給電動機繞組通電的順序為，其4個狀態(tài)按順序周而復(fù)始變化，電機正轉(zhuǎn)；若通電時序變?yōu)闀r，電機就逆向轉(zhuǎn)動。當八拍工作方式時，給電動機繞組通電的順序為時，電機正轉(zhuǎn)，反向通電時電機反轉(zhuǎn)。改變通電頻率時可相應(yīng)的改變電機的轉(zhuǎn)速。3.2.3步進電機的控制方式字 （1）二相四拍工作方式 在這種工作方式下, 、相輪流通電,電流切換四次,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子向前轉(zhuǎn)過一個齒距角。因此這種通電方式叫做四拍工作方式。這時步距角b (度)為 式中:m定子相數(shù); z 轉(zhuǎn)子齒數(shù)；每次切換均使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動90角。 四拍方式的控制字如表1所示：表1 四拍工作方式控制字步序 控制位工作狀態(tài)控制模型p0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p

10、0.2p0.1p0.01000010100ah20000100109h30000010105h40000011006h （2）二相八拍工作方式 在此工作方式下,繞組以時序(或反時序)轉(zhuǎn)換8次,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子前進一個齒距,每次切換均使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動45角,故這種通電方式稱為二相八拍工作方式。 八拍的控制方式字如表2所示：表2 八拍工作方式控制字步序 控制位工作狀態(tài)控制模型p0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2p0.1p0.01111100100f2h21111010ab0fah311111000b0f8h4111110010f9h5111100010f1h6111101010f5h711

11、1101000f4h8111101100f6h 3.3系統(tǒng)整體方框圖 設(shè)計的系統(tǒng)的總體方框圖如圖3-2所示：89c51單片機整體控制器數(shù)碼管顯示模塊開關(guān)控制單元模塊led顯示電機工作狀態(tài)h橋驅(qū)動電機模塊圖3-2 系統(tǒng)的整體方框圖 由系統(tǒng)的整體方框圖可以看出，本系統(tǒng)主要由控制部分、顯示部分和執(zhí)行部分3大部分組成。這幾部分通過89c51組合成整個系統(tǒng)，單片機通過讀取系統(tǒng)狀態(tài)和控制信號，經(jīng)過內(nèi)部的運算把控制命令輸出給被控電機，同時把此時的工作狀態(tài)通過led顯示，并通過數(shù)碼管顯示電機轉(zhuǎn)動步數(shù)。4. 系統(tǒng)硬件設(shè)計 4.1總體電路設(shè)計 系統(tǒng)由單片機控制著顯示部分和電機的運轉(zhuǎn)。電機由雙極性h橋驅(qū)動。用k0-

12、k1做為通電方式選擇鍵，k0為四拍，k1為八拍。k2、k3分別為啟動和方向控制，k4為速度控制鍵。正轉(zhuǎn)時紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時綠色指示燈亮。用數(shù)碼管顯示工作步數(shù)。 根據(jù)設(shè)計要求用proteus畫出的硬件連線圖如下圖4-1所示：圖4-1 系統(tǒng)總體硬件電路圖4.2電機模塊電路設(shè)計4.2.1電機控制部分電路 控制信號輸入部分電路圖如下圖4-2所示圖4-2 按鍵控制部分電路圖 k3為電機轉(zhuǎn)動方向控制鍵。k4為速度控制開關(guān)，控制步進電機的轉(zhuǎn)速。k0-k2為工作模式控制開關(guān)，k0接電時，為步進電機四拍工作模式；k1接電時，為步進電機八拍工作模式；k2啟動控制開關(guān)，控制整個系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉

13、，它們依次接單片機的p2.0-p2.3口。 4.2.2步進電機驅(qū)動電路 二相步進電機的驅(qū)動電路，如圖4-3所示：圖4-3 步進電機驅(qū)動電路 電機的驅(qū)動電路部分由8個達林頓管來驅(qū)動2組相位。當步進電機運轉(zhuǎn)時，達林頓q2和q4導(dǎo)通時，線圈電流方向為；當達林頓管q1和q3導(dǎo)通時，線圈中電流方向為?？梢姡竭M電機線圈中的電流方向在運轉(zhuǎn)過程中是不斷變化的。雙極性驅(qū)動電路的繞組線圈每次都有電流通過，產(chǎn)生一個均勻的磁場，電機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性更高。4.3 顯示模塊電路4.3.1發(fā)光二極管顯示電路 用3個不同顏色的發(fā)光二極管來作為電機工作狀態(tài)顯示燈，正轉(zhuǎn)時紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時綠色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時黃色指示燈亮。各個燈

14、的亮與否不是軟件實現(xiàn)然后通過單片機完成的，而是控制信號通過邏輯電路搭接出來的。發(fā)光二極管顯示的部分電路圖如圖4-4所示： 圖4-4 狀態(tài)顯示部分電路圖4.3.2 七段數(shù)碼管顯示電路 由89c51的p1口取出顯示碼，從89c51的p3.0-p3.3輸出位選碼，設(shè)計中我們主要用到4位顯示步數(shù)既可。七段數(shù)碼管顯示部分的電路原理圖如圖4-5所示：圖4-5 七段數(shù)碼管顯示部分的電路圖5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1系統(tǒng)總體流程圖設(shè)計說明： 首先要復(fù)位單片機，然后從p2口讀出開關(guān)狀態(tài)，判斷是否啟動，沒啟動黃燈亮重新確認啟動。啟動后再次讀取p2口數(shù)據(jù)，判斷工作方式并將對應(yīng)的用來存儲步進電機工作方式字的數(shù)組首地址值給

15、另一數(shù)組。由p0口的雙向開關(guān)來控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，如果是正轉(zhuǎn)則紅燈亮，反轉(zhuǎn)則綠燈亮。在電機每走一步后，步數(shù)累加1，然后通過數(shù)碼管把工作步數(shù)顯示出來。再從p2口把狀態(tài)信息讀出來，與之前的p2口的狀態(tài)信息進行比較。如果狀態(tài)信息沒有改變，電機繼續(xù)運行。如果狀態(tài)信息改變了，就需要重新返回程序的開端，對電機的運行狀態(tài)進行判斷，讓電機重新以新的狀態(tài)運行。由此，開關(guān)的狀態(tài)在電機每走一步都會查詢一遍，做到實時地反映。系統(tǒng)總體流程圖如圖5-1所示：開始快慢k4?重新啟動n黃燈亮給單片機復(fù)位啟動？ynny置慢速標志置快速標志反判斷轉(zhuǎn)向?正反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)綠燈亮紅燈亮四拍方式?yp0口指向八拍控制字數(shù)組p0口指向四拍控制

16、字數(shù)組p0口輸出控制字延時，步數(shù)加1，方式字地址加1數(shù)碼管動態(tài)顯示步數(shù)n信號變化? y圖5-1 系統(tǒng)軟件總體流程圖5.2 二相步進電機工作方式模塊程序設(shè)計 設(shè)計說明：在此設(shè)計中，采用的是二相步進電機，對于步進電機模塊的程序設(shè)計采用循環(huán)程序設(shè)計方法。先把正反轉(zhuǎn)向的控制模型存放在內(nèi)存單元中，然后再逐一從單元中取出控制模塊并輸出。首先啟動，選擇步進電機的拍數(shù)，輸入步數(shù)，然后讀入正反轉(zhuǎn)的控制模型驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。 5.2.1四拍方式模塊程序設(shè)計 二相步進電機四拍工作的流程框圖如圖5-2所示：開始n是正轉(zhuǎn)嗎？y四拍反向控制字數(shù)組地址四拍正轉(zhuǎn)方式控制字數(shù)組輸出控制模型 電機轉(zhuǎn)動延時，模型地址+1n信號變化

17、？y 圖5-2 二相步進電機四拍工作的流程框圖5.2.2八拍方式模塊程序設(shè)計 二相步進電機八拍工作的流程框圖如圖5-3所示：開始是正轉(zhuǎn)嗎ny八拍反向控制字數(shù)組地址八拍正轉(zhuǎn)方式控制字數(shù)組輸出控制模型 電機轉(zhuǎn)動延時，模型地址+1n信號變化？y圖5-3 二相步進電機八拍工作的流程框圖5.3 系統(tǒng)顯示程序模塊設(shè)計設(shè)計說明：顯示模塊是用4位7段數(shù)碼管來顯示工作步數(shù)。先將顯示碼存入數(shù)組中，指向最左邊一位，然后取出要顯示的數(shù)據(jù)，指向換碼表首地址，取出顯示碼，從p0口輸出顯示碼，p3口輸入位選碼，顯示出4位工作步數(shù)，最后修改數(shù)組地址，求下一位顯示碼繼續(xù)顯示。顯示程序流程圖如圖5-4所示：動態(tài)顯示子程序取出要顯

18、示的數(shù)據(jù) 顯示數(shù)據(jù)的顯示碼送位段碼到p0口輸出送位顯碼到p3.0-p3.3輸出延時求下一位選碼 顯示數(shù)據(jù)的顯示碼圖5-4 顯示模塊的程序流程圖6系統(tǒng)仿真結(jié)果 當選擇電機工作在四拍，正轉(zhuǎn)的模式下，k0、k2置高電平，k1、k4置低電平，系統(tǒng)啟動，k3置高電平，電機開始四拍正轉(zhuǎn)。led四位顯示屏顯示工作步數(shù)，led指示燈紅燈亮顯示電機正轉(zhuǎn)的狀態(tài)。仿真圖如圖6-1所示：圖6-1 系統(tǒng)仿真結(jié)果截圖 心得體會真的很辛苦，不過終于我的設(shè)計完成了。這一刻不僅是高興，更多的是激動。此刻我也真正的學(xué)到了很多東西。已經(jīng)不知道去過圖書館多少次查閱資料，一次一次的仿真實驗，一次一次的方案設(shè)計，一次一次的編制程序。在經(jīng)

19、歷過無數(shù)次的失敗，我終于成功了。得到了理想的仿真結(jié)果。看著自己的課程設(shè)計，真的無比的高興，心中充滿成就感。 通過本次課程設(shè)計，我得到了以往不曾有過的體會與經(jīng)驗。將自己學(xué)到的理論知識通過本次課程設(shè)計應(yīng)用到了實際應(yīng)用當中，提高了自己各方面的能力。同時也加深了自己對于相關(guān)課程基礎(chǔ)理論知識的理解和掌握，學(xué)會了綜合運用所學(xué)知識。學(xué)會了應(yīng)用所學(xué)的知識在實際硬件電路上編程完成所需功能。對單片機的應(yīng)用有了進一步的掌握。懂得了如何去發(fā)現(xiàn)問題，思考問題，解決問題。通過這次計算機控制的課程設(shè)計，我學(xué)會了靈活的運用單片機，更學(xué)會了異步電機的原理和如何去很好的控制異步電機工作。最后，我最大的收獲就是: 失敗是成功之母，

20、只要努力就會有收獲。參考文獻:1 于海生編著.計算機控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.20052 張義和、王敏男等編著.例說51單片機.北京：人民郵電出版社.20083 陳濤編著.單片機應(yīng)用及c51程序設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，20104 齊向東、劉立群編著.單片機控制技術(shù)實踐.北京：中國電力出版社，20095 張靖武，周靈彬編著.單片機系統(tǒng)的proteus設(shè)計與仿真. 北京：電子 工業(yè)出版社，2007.6 余炳雄,陳志玲,黎浩樑編寫.二相步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計.廣州：華南師范大學(xué)學(xué)報，2009.附錄 本設(shè)計所用的c程序清單#include#define motor p0#define led

21、 p1#define kongzhi p2 #define deng p3sbit led1=p30;sbit led2=p31;sbit led3=p32;sbit led4=p33;sbit dansi=p20;sbit sudu=p21;sbit ba=p22;sbit qidong=p23;sbit fangxiang=p24;char table10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /共陽極數(shù)碼管編碼a1=0x0a,0x09,0x05,0x06; /四拍正轉(zhuǎn)a2=0x06,0x05,0x09,0x0a; /四拍反轉(zhuǎn)

22、b1=0xf2,0xfa,0xf8,0xf9,0xf1,0xf5,0xf4,0xf6; /八拍正轉(zhuǎn)b2=0xf6,0xf4,0xf5,0xf1,0xf9,0xf8,0xfa,0xf2;/八拍反轉(zhuǎn)unsigned char aa;int i,j,qian,bai,shi,ge,temp; void delay(int x) /延時子程序1 int c,j; for(c=0;cx;c+) for(j=1;j=60;j+); void shumaguan(temp) /數(shù)碼管動態(tài)顯示子程序led1=0;led2=0;led3=0;led4=0;qian=temp/1000; /取千位bai=temp

23、%1000/100; /取百位shi=temp%100/10; /取十位ge=temp%10; /取個位led4=1;/個位數(shù)碼管亮led=tablege;delay(1);led4=0; led3=1; /十位數(shù)碼管亮led=tableshi;delay(1);led3=0;led2=1; /百位數(shù)碼管亮led=tablebai; delay(1);led2=0;led1=1; /千位數(shù)碼管亮led=tableqian; delay(1);led1=0;void delay1(int x) /延時子程序2 int c,j; for(c=0;cx;c+) for(j=1;j=30;j+) sh

24、umaguan(temp); void dspzheng(void) /四拍正轉(zhuǎn)子程序motor=a1i;i+;temp+;if(i=4)i=0;void dspfan(void) /四拍反轉(zhuǎn)子程序 motor=a2i;i+;temp+;if(i=4)i=0;void bpzheng(void) /八拍正轉(zhuǎn)子程序motor=b1i;i+;temp+;if(i=8)i=0;void bpfan(void) /八拍反轉(zhuǎn)子程序motor=b2i;i+;temp+;if(i=8)i=0;void main(void) /主程序int i=0,j=0;dansi=0;ba=0;qidong=0;sudu=0;fangxiang=0;temp=0000;while(1)while(qidong=0)shumaguan(temp); /調(diào)用數(shù)碼管子程序 while(qidong=1&fangxiang=1&dansi=1&ba=0) while(qidong=1&fangxiang=1&sudu=1&dan