畢業(yè)論文基于微型計(jì)算機(jī)的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)VIP

1、基于微型計(jì)算機(jī)的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要如今單片機(jī)由于其體積小，性能完善，所以廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中。本文設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本系統(tǒng)中，主要完成了按鍵控制步進(jìn)電機(jī)起停、正反轉(zhuǎn)、加減速再輸出顯示等功能。我們試著用所學(xué)的知識(shí)，通過實(shí)踐來掌握應(yīng)用設(shè)備的工作原理。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，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(shè)計(jì)任務(wù)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(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序113. 系統(tǒng)評價(jià)及改進(jìn)123.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)123.2 系統(tǒng)缺點(diǎn)123.3 系統(tǒng)改

4、進(jìn)124 結(jié)論135 學(xué)習(xí)心得14參考文獻(xiàn)15致謝16附錄17引言在經(jīng)濟(jì)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(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)便起到了至關(guān)重要的作用。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移的控制電機(jī)，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(jìn)電機(jī)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(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)定子上繞組通電時(shí)，可產(chǎn)生激勵(lì)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(huì)走磁阻最小的路線，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(shí)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(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角。稱為一步。步進(jìn)電機(jī)必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備才能夠正常工作。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，除與電機(jī)自身性能有關(guān)外，在很大程度上還取決于驅(qū)動(dòng)設(shè)備性能的優(yōu)劣1。本設(shè)計(jì)中只是單純完成了使用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能。當(dāng)然，這也會(huì)使得本系統(tǒng)的應(yīng)用變得更加廣泛。1.設(shè)計(jì)任務(wù)及思路本系統(tǒng)需要完成鍵盤控制步進(jìn)電機(jī)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(shè)計(jì)的這幾部分模塊分別有：為整個(gè)系統(tǒng)供電的供電模塊、從計(jì)算機(jī)到單片機(jī)寫入程序的串行通信模塊、控制電機(jī)工作的按鍵模塊、指示電機(jī)工作狀態(tài)指示燈模塊、顯示電機(jī)工作的顯示模塊、系統(tǒng)的核心也就是完成拖動(dòng)的電機(jī)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(guān)切換。需要注意的是，兩電源在使用開關(guān)切換供電時(shí)系統(tǒng)會(huì)斷電重新啟動(dòng)，所以電機(jī)工作中輕易不要切換供電。實(shí)在需要切換電源的話需要先插好供電電源線再按開關(guān)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(jī)輸入程序使單片機(jī)工作。模塊使用的原件為DB-9串口。目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。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(jì)算機(jī)的鏈接的是USB-串口數(shù)據(jù)線，需要在計(jì)算機(jī)中安裝驅(qū)動(dòng)才能正常使用。然而從串口中傳來的數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用在單片機(jī)中，所以還需要在系統(tǒng)中添加用于

8、串口和單片機(jī)通訊的驅(qū)動(dòng)芯片。我們使用在串口與單片機(jī)之間完成通訊的是MAX232驅(qū)動(dòng)芯片。該產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。由于電腦串口RS232電平是-10V+10V，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是TTL電平0+5V，MAX232就是用來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的。該器件包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)接收器和一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每一個(gè)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(diǎn)開關(guān)，分表控制轉(zhuǎn)向、停止、加速、減速功能。按鍵連接在單片機(jī)P2口上。當(dāng)單片機(jī)的I/O口識(shí)別到低電平時(shí)，說明對應(yīng)的按鍵被按下了，程序里編寫相應(yīng)的語句來控制電機(jī)與顯示屏完成相應(yīng)的動(dòng)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(jī)識(shí)別電機(jī)是否停止和正傳反轉(zhuǎn)后，在相應(yīng)的引腳輸出低電平使發(fā)光

10、二極管導(dǎo)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(jì)算限流電阻應(yīng)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(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。液晶顯示模塊是一個(gè)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(shí)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(shè)計(jì)使用

11、的是單片機(jī)的P0口為LCD1602提供數(shù)據(jù)。AT公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)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(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)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(jī)模塊本系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)的電機(jī)為四相五線步進(jìn)電機(jī)。該四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)6。四相步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(jìn)電機(jī)八拍工作脈沖波形Fig 1.7 four phase step motor take eight work pulse電機(jī)模塊原理圖：圖1.8 電機(jī)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(gè)子函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行7。本系統(tǒng)中軟件需要完成的功能為：當(dāng)系統(tǒng)供電，顯示屏顯示歡迎

13、界面和停止，電機(jī)停止，指示燈熄滅。當(dāng)加速或者減速鍵按下后電機(jī)起步運(yùn)轉(zhuǎn)，并選擇一檔速度，讀取當(dāng)前正反轉(zhuǎn)狀態(tài)使對應(yīng)的指示燈選擇發(fā)光，同時(shí)液晶顯示屏顯示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向和運(yùn)轉(zhuǎn)速度。當(dāng)加速減速鍵再次按下時(shí)速度和顯示對應(yīng)變化，極速時(shí)加速或者最小速度時(shí)減速系統(tǒng)不作任何處理。當(dāng)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(gè)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。在主函數(shù)運(yùn)行之前需要初始化，定義幾個(gè)標(biāo)志位來控制步進(jìn)電機(jī)的速度和正反轉(zhuǎn)。標(biāo)志位分別為：a=0，電機(jī)停止；a=1電機(jī)工作；b=0，電機(jī)反轉(zhuǎn)；b=1電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)P2.4P2.6引腳是否識(shí)別到低電平來確認(rèn)是否有按鍵按下，進(jìn)而修改標(biāo)志位使電機(jī)改變運(yùn)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(biāo)志位a置0標(biāo)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(shí)要對芯片進(jìn)行初始化。 需要知道RS為寄存器選擇端，識(shí)別到高電平時(shí)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(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW同時(shí)為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址。當(dāng)RS為低電平、RW為高電平時(shí)為忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平、RW為低電平時(shí)寫入數(shù)據(jù)。E為使能端，當(dāng)E端識(shí)別到下降沿信號(hào)時(shí)，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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序與顯示子程序十分相像，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式與液晶顯示內(nèi)容是完全同步的。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的是八拍工作方式。在這種工作方式下，步進(jìn)電機(jī)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(jī)P2口輸出，就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成正反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖Fig 2.4 motor driver program flow chart3. 系統(tǒng)評價(jià)及改進(jìn)3.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)本系統(tǒng)簡單可行，所用原件均為市場主流原件，造價(jià)低廉并能準(zhǔn)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(jī)運(yùn)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(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)或者突然斷電時(shí)可以第一時(shí)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(jī)最小系統(tǒng)脫離計(jì)算機(jī)單獨(dú)使用，這使得本系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性和實(shí)用性大大提高。3.2 系統(tǒng)缺點(diǎn)本系統(tǒng)按鍵控制反應(yīng)并非實(shí)時(shí)反應(yīng)。每次掃描鍵盤需要完成電機(jī)八步運(yùn)轉(zhuǎn)之后，如果我們需要電機(jī)的速度特別慢的話，按鍵將會(huì)給人“不靈敏”的錯(cuò)覺。3.3 系統(tǒng)改進(jìn)如果我們將硬件設(shè)計(jì)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(huì)得到進(jìn)一步的解決。4 結(jié)論經(jīng)過硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，該系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。通過按鍵控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并將轉(zhuǎn)動(dòng)情況通過顯

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

20、擇一檔速度，再讀取當(dāng)前正反轉(zhuǎn)狀態(tài)使工作燈發(fā)光和對應(yīng)的正反轉(zhuǎn)指示燈選擇發(fā)光，同時(shí)液晶顯示屏顯示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向和運(yùn)轉(zhuǎn)速度。當(dāng)加速減速鍵再次按下時(shí)速度和顯示對應(yīng)變化，極速時(shí)加速或者最小速度時(shí)減速系統(tǒng)不作任何處理。當(dāng)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(xué)習(xí)心得本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹了使用STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成正反轉(zhuǎn)、加減速并顯示的辦法。通過這次設(shè)計(jì)，我更加深刻的了解了STC89C52單片機(jī)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(qiáng)了處理混亂邏輯關(guān)系的能力。通過這次課程設(shè)計(jì)，我對單片機(jī)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(yīng)用上掌握了不少方法。在通過與同學(xué)們交流中，也發(fā)現(xiàn)不少問題，并且及時(shí)的做出相應(yīng)的更改，還有一些應(yīng)用巧妙的方法，這些使我對單片機(jī)技術(shù)能更靈活的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)詹躍東 重慶大學(xué)出版社2DB9和DB25的常用信號(hào)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(jī)原理及接口技術(shù)余錫存 曹國華 西安電子科技大學(xué)出版社6四相步進(jìn)電機(jī)原理抱米花網(wǎng)7C+面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì) 譚浩強(qiáng) 清華大學(xué)出版社8機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)*/void delay_dianji(unsigned int t) unsigned int k; while(t