畢業(yè)論文基于微型計算機的步進電機系統(tǒng)設計

1、基于微型計算機的步進電機系統(tǒng)設計摘 要如今單片機由于其體積小，性能完善，所以廣泛應用于各個行業(yè)中。本文設計了基于STC89C52單片機的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。本系統(tǒng)中，主要完成了按鍵控制步進電機起停、正反轉(zhuǎn)、加減速再輸出顯示等功能。我們試著用所學的知識，通過實踐來掌握應用設備的工作原理。關鍵詞：單片機，步進電機，串口通信，供電，LCD1602STEPPER MOTOR MICRO-COMPUTER BASEDSYSTEM DESIGNABSTRACTNow because of its small size, microcontroller is perfect in performance, s

2、o widely used in various industries. In this paper, based on the single chip STC89C52 stepping motor driven system. The system, and the main completed the button control step motor, and the stop and turn, and slow down and the output shown etc. Function. We try to use of knowledge, through the pract

3、ice to master the application equipment principle of work. KEYWORDS：single chip，step motor，serial communication，power supply，LCD1602目 錄引言11.設計任務及思路21.1供電模塊21.2串行通信模塊31.3 按鍵模塊41.4 指示燈模塊51.5 顯示模塊61.6 電機模塊62 軟件編程思路及流程82.1 主程序82.2 鍵盤掃描程序92.3 LCD顯示程序102.4 步進電機驅(qū)動程序113. 系統(tǒng)評價及改進123.1 系統(tǒng)優(yōu)點123.2 系統(tǒng)缺點123.3 系統(tǒng)改

4、進124 結(jié)論135 學習心得14參考文獻15致謝16附錄17引言在經(jīng)濟與科技共同發(fā)展的今天，為了滿足人們的需要，汽車、電梯等工具已經(jīng)是人們居家旅游必不可少的元素。而在汽車雨刷器、電梯的控制等方面，由單片機控制的步進電機便起到了至關重要的作用。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子與轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當定子上繞組通電時，可產(chǎn)生激勵磁場，并與轉(zhuǎn)子形成回路。如果轉(zhuǎn)子和定子之間的磁場沒有對齊，由于磁力線力會走磁阻最小的路線，從而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個角度，使轉(zhuǎn)子的一堆磁極旋轉(zhuǎn)方向與定子的

5、磁場方向一致。讓定子繞組旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就會旋轉(zhuǎn)一個步進角。稱為一步。步進電機必須使用專用的步進電機驅(qū)動設備才能夠正常工作。步進電機系統(tǒng)的運行性能，除與電機自身性能有關外，在很大程度上還取決于驅(qū)動設備性能的優(yōu)劣1。本設計中只是單純完成了使用單片機控制步進電機完成加速、減速、正傳、反轉(zhuǎn)等功能，并使用液晶顯示屏顯示，并沒有針對某種特定的應用設計相應的功能。當然，這也會使得本系統(tǒng)的應用變得更加廣泛。1.設計任務及思路本系統(tǒng)需要完成鍵盤控制步進電機加減速正反轉(zhuǎn)等功能并同步顯示，所以，要完成系統(tǒng)功能需要幾部分模塊共同構(gòu)成。根據(jù)需要，本系

6、統(tǒng)設計的這幾部分模塊分別有：為整個系統(tǒng)供電的供電模塊、從計算機到單片機寫入程序的串行通信模塊、控制電機工作的按鍵模塊、指示電機工作狀態(tài)指示燈模塊、顯示電機工作的顯示模塊、系統(tǒng)的核心也就是完成拖動的電機模塊。系統(tǒng)原理圖如下：圖1.1 系統(tǒng)原理圖Fig. 1.1 system diagram1.1 供電模塊本系統(tǒng)使用的供電模塊為DC供電與USB供電5V雙供電系統(tǒng)。其中DC供電為正常工作供電，USB供電作為備用供電電源使用。兩電源之間使用單刀雙擲開關切換。需要注意的是，兩電源在使用開關切換供電時系統(tǒng)會斷電重新啟動，所以電機工作中輕易不要切換供電。實在需要切換電源的話需要先插好供電電源線再按開關切換供

7、電一面電壓不穩(wěn)燒毀原器件。供電模塊原理圖如下：圖1.2 供電模塊原理圖Fig. 1.2 power supply module principle diagram1.2 串行通信模塊本系統(tǒng)使用串行通信模塊來向單片機輸入程序使單片機工作。模塊使用的原件為DB-9串口。目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊2。完成串行口與計算機的鏈接的是USB-串口數(shù)據(jù)線，需要在計算機中安裝驅(qū)動才能正常使用。然而從串口中傳來的數(shù)據(jù)不能直接應用在單片機中，所以還需要在系統(tǒng)中添加用于

8、串口和單片機通訊的驅(qū)動芯片。我們使用在串口與單片機之間完成通訊的是MAX232驅(qū)動芯片。該產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。由于電腦串口RS232電平是-10V+10V，而一般的單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平0+5V，MAX232就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的。該器件包含兩個驅(qū)動器、兩個接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平3。串行通信模塊原理圖如下：圖1

9、.3 串行通信模塊原理圖Fig 1.3 serial communication module principle diagram1.3 按鍵模塊本系統(tǒng)中使用的控制按鍵為觸點開關，分表控制轉(zhuǎn)向、停止、加速、減速功能。按鍵連接在單片機P2口上。當單片機的I/O口識別到低電平時，說明對應的按鍵被按下了，程序里編寫相應的語句來控制電機與顯示屏完成相應的動作與顯示。按鍵模塊原理圖如下：圖1.4 按鍵模塊原理圖Fig 1.4 buttons module principle diagram1.4 指示燈模塊指示燈模塊使用的是三只發(fā)光二極管，單片機識別電機是否停止和正傳反轉(zhuǎn)后，在相應的引腳輸出低電平使發(fā)光

10、二極管導通發(fā)光。發(fā)光二極管需要串聯(lián)一只電阻限流以免電流過大損壞發(fā)光二極管。經(jīng)過計算限流電阻應控制在220-470。指示燈模塊原理圖如下：圖1.5 指示燈模塊原理圖Fig 1.5 indicator light module principle diagram1.5 顯示模塊本系統(tǒng)中使用的顯示模塊為LCD1602液晶顯示屏。1602液晶模塊的讀寫操作，屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。液晶顯示模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模塊的忙標志為低電平，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4。需要注意的是，我們本次設計使用

11、的是單片機的P0口為LCD1602提供數(shù)據(jù)。AT公司生產(chǎn)的51系列單片機的P0口沒有內(nèi)置上拉電阻，輸出電流僅有0.1mA5，雖然我們使用的是STC公司的產(chǎn)片，但是為保證單片機I/O口的驅(qū)動能力，需要添加10K的上拉電阻拉高總線中的電流。顯示模塊原理圖：圖1.6 顯示模塊原理圖Fig 1.6 shows module principle diagram1.6 電機模塊本系統(tǒng)中驅(qū)動的電機為四相五線步進電機。該四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動6。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍

12、的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。本系統(tǒng)使用的工作方式便為八拍工作方式。工作方式如圖所示：圖1.7 四相步進電機八拍工作脈沖波形Fig 1.7 four phase step motor take eight work pulse電機模塊原理圖：圖1.8 電機模塊原理圖Fig 1. 8 motor module principle diagram2 軟件編程思路及流程本系使用C語言編程。使用主函數(shù)調(diào)用各個子函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行7。本系統(tǒng)中軟件需要完成的功能為：當系統(tǒng)供電，顯示屏顯示歡迎

13、界面和停止，電機停止，指示燈熄滅。當加速或者減速鍵按下后電機起步運轉(zhuǎn)，并選擇一檔速度，讀取當前正反轉(zhuǎn)狀態(tài)使對應的指示燈選擇發(fā)光，同時液晶顯示屏顯示電機運轉(zhuǎn)方向和運轉(zhuǎn)速度。當加速減速鍵再次按下時速度和顯示對應變化，極速時加速或者最小速度時減速系統(tǒng)不作任何處理。當停止鍵按下后，顯示屏回到歡迎和停止界面，指示燈全部熄滅。2.1 主程序本系統(tǒng)中，主程序很短，只是調(diào)用了幾個子函數(shù)。子函數(shù)分別是鍵盤掃描程序、LCD顯示程序和步進電機驅(qū)動程序。在主函數(shù)運行之前需要初始化，定義幾個標志位來控制步進電機的速度和正反轉(zhuǎn)。標志位分別為：a=0，電機停止；a=1電機工作；b=0，電機反轉(zhuǎn)；b=1電機正傳；c=10，速

14、度為一檔；c=15速度為二檔；c=20速度為三檔。主程序流程圖如下：開始初始化調(diào)用鍵盤掃描程序調(diào)用顯示程序調(diào)用電機驅(qū)動程序圖2.1 主程序流程圖Fig 2.1 main program flow chart2.2 鍵盤掃描程序鍵盤掃描程序中通過掃描單片機P2.4P2.6引腳是否識別到低電平來確認是否有按鍵按下，進而修改標志位使電機改變運轉(zhuǎn)方式以及更改顯示。開始鍵盤掃描程序流程圖如下：停止鍵是否按下 N Y Y標志位a置0標志位a置1方向鍵是否按下N Yb取反減速是否按下 N是否為最小速度 Y Y減速 N加速是否按下 N Y是否為最大速度 Y加速 N結(jié)束圖2.2 鍵盤掃描程序流程圖Fig 2.2

15、 keypad scanning program flow chart2.3 LCD顯示程序本系統(tǒng)使用的顯示芯片為16引腳的LCD1602芯片。在使用LCD1602時要對芯片進行初始化。 需要知道RS為寄存器選擇端，識別到高電平時選通數(shù)據(jù)寄存器，低電平選通指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW同時為低電平時可以寫入指令或者顯示地址。當RS為低電平、RW為高電平時為忙信號，當RS為高電平、RW為低電平時寫入數(shù)據(jù)。E為使能端，當E端識別到下降沿信號時，液晶模塊執(zhí)行命令。D0D7為雙向數(shù)據(jù)線。8LCD顯示程序流程圖如下：開始初始化a=0顯示歡迎和停止 Y

16、Nb=0結(jié)束 0 1 顯示正傳顯示反轉(zhuǎn)c=10c=10 Y Y顯示一檔c=15c=15 N N Y Y顯示二檔c=20c=20 N N Y Y 顯示三檔結(jié)束圖2.3 顯示子程序流程圖Fig 2.3 shows the son program flow chart2.4 步進電機驅(qū)動程序步進電機驅(qū)動程序與顯示子程序十分相像，因為步進電機的運轉(zhuǎn)方式與液晶顯示內(nèi)容是完全同步的。本次系統(tǒng)設計使用的是八拍工作方式。在這種工作方式下，步進電機使用的正反轉(zhuǎn)代碼分別為：“ 0xef,0xcf,0xdf,0x9f,0xbf,0x3f,0x7f,0x6f”和“0x6f,0x7f,0x3f,0xbf,0x9f,0x

17、df,0xcf,0xef”。將這兩組代碼從單片機P2口輸出，就能驅(qū)動步進電機完成正反轉(zhuǎn)。步進電機驅(qū)動程序流程圖如下：開始初始化a=0停止 Y N結(jié)束b=0 0 1 正 傳反 轉(zhuǎn)c=10c=10 Y Y一檔c=15c=15 N N Y Y二檔c=20c=20 N N Y Y 三檔結(jié)束圖2.4 電機驅(qū)動程序流程圖Fig 2.4 motor driver program flow chart3. 系統(tǒng)評價及改進3.1 系統(tǒng)優(yōu)點本系統(tǒng)簡單可行，所用原件均為市場主流原件，造價低廉并能準確完成我們需要的正反轉(zhuǎn)、加減速等功能。并且通過LCD液晶顯示明確直觀地將電機運轉(zhuǎn)信息顯示出來，便于我們觀察和記錄。指示燈

18、系統(tǒng)采用紅色高亮發(fā)光二極管，引人注意，當電機停止轉(zhuǎn)動或者突然斷電時可以第一時間將效果反饋出來。本系統(tǒng)采用DC供電和USB供電雙供電系統(tǒng)。這樣可以使我們的單片機最小系統(tǒng)脫離計算機單獨使用，這使得本系統(tǒng)的機動性和實用性大大提高。3.2 系統(tǒng)缺點本系統(tǒng)按鍵控制反應并非實時反應。每次掃描鍵盤需要完成電機八步運轉(zhuǎn)之后，如果我們需要電機的速度特別慢的話，按鍵將會給人“不靈敏”的錯覺。3.3 系統(tǒng)改進如果我們將硬件設計中添加中斷源或者在軟件編程中增加鍵盤掃描頻率，按鍵“不靈敏”的問題將會得到進一步的解決。4 結(jié)論經(jīng)過硬件設計和軟件編程，該系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)預期的功能。通過按鍵控制步進電機轉(zhuǎn)動并將轉(zhuǎn)動情況通過顯

19、示屏和指示燈顯示出來。對于步進電機，每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就會旋轉(zhuǎn)一個步進角。稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給聯(lián)系脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可以實現(xiàn)細分驅(qū)動，即將一個步進角細分成若干小步來完成。我們就是根據(jù)步進電機的這些特點使用單片機來驅(qū)動它工作完成拖動，同時添加一些其他的外設使我們的呃系統(tǒng)更加完善。我們的系統(tǒng)的功能如下：當系統(tǒng)供電，顯示屏亮起顯示歡迎界面，同時顯示停止，電機停止，指示燈全部熄滅。當加速或者減速鍵按下后電機起步運轉(zhuǎn)完成拖動，并選

20、擇一檔速度，再讀取當前正反轉(zhuǎn)狀態(tài)使工作燈發(fā)光和對應的正反轉(zhuǎn)指示燈選擇發(fā)光，同時液晶顯示屏顯示電機運轉(zhuǎn)方向和運轉(zhuǎn)速度。當加速減速鍵再次按下時速度和顯示對應變化，極速時加速或者最小速度時減速系統(tǒng)不作任何處理。當停止鍵按下后，顯示屏回到歡迎和停止界面，指示燈全部熄滅。5 學習心得本次系統(tǒng)設計介紹了使用STC89C52單片機最小系統(tǒng)驅(qū)動步進電機完成正反轉(zhuǎn)、加減速并顯示的辦法。通過這次設計，我更加深刻的了解了STC89C52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、LCD1602等原件的使用方法和工作原理，熟悉了一些常用的指令使用，增強了處理混亂邏輯關系的能力。通過這次課程設計，我對單片機的工作原理有了更深一步的了解，對于I/

21、O工作方式更加明確，并且在應用上掌握了不少方法。在通過與同學們交流中，也發(fā)現(xiàn)不少問題，并且及時的做出相應的更改，還有一些應用巧妙的方法，這些使我對單片機技術(shù)能更靈活的應用。參考文獻1電機及拖動基礎詹躍東 重慶大學出版社2DB9和DB25的常用信號腳說明;RS232接口針腳定義百度文庫3MAX232中文資料百度文庫4LCD1602中文資料百度文庫5單片機原理及接口技術(shù)余錫存 曹國華 西安電子科技大學出版社6四相步進電機原理抱米花網(wǎng)7C+面向?qū)ο蟪绦蛟O計 譚浩強 清華大學出版社8機電技術(shù)于志贛 劉國平 張旭斌 2009 第3期附錄源程序：/* 初始化*/ #include reg52.h #inc

22、lude typedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;typedef bit BOOL ; sbit stop_key = P21;sbit fangxiang_key = P20;sbit jia_key = P22;sbit jian_key = P23;bit a=0;bit b=0;int c=25;sbit rs= P10;sbit rw = P11;sbit ep = P12;unsigned char code FFW8=0xef,0xcf,0xdf,0x9f,0xbf,0x3f,0x7f,0x6f; /反轉(zhuǎn)unsigned char code FFZ8=0x6f,0x7f,0x3f,0xbf,0x9f,0xdf,0xcf,0xef; /正轉(zhuǎn)unsigned int K, rate;void delay();/* 步進電機驅(qū)動*/void delay_dianji(unsigned int t) unsigned int k; while(t