直流電機(jī)控制原理及C程序

1、項(xiàng)目八鍵盤控制電機(jī)方向和轉(zhuǎn)速【教學(xué)目標(biāo)】終極目標(biāo)能利用AT89S52單片機(jī)及獨(dú)立鍵盤，通過C語言程序?qū)崿F(xiàn)鍵盤控制步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的速度和方向，完成單片機(jī)輸入輸出控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及調(diào)試。促成目標(biāo)1 .了解單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的流程；2 .了解步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理；3 .掌握步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)速度、方向控制關(guān)鍵技術(shù)；4 .掌握頭文件的編寫方法；5 .掌握電機(jī)速度、方向控制的電路設(shè)計(jì)和編程的方法；6 .會(huì)利用單片機(jī)I/O口實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度、方向控制。單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)是為完成某項(xiàng)任務(wù)而研制開發(fā)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，是以單片機(jī)為核心，配以外圍電路和軟件，能實(shí)現(xiàn)確定任務(wù)、功能的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)

2、。根據(jù)不同的用途和要求，單片機(jī)產(chǎn)品的系統(tǒng)配置及軟件也有所不同，但它們的開發(fā)流程和方法大致相同。8.1.1單片機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)單片機(jī)產(chǎn)品是由硬件和軟件組成。硬件是指單片機(jī)、擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等硬件部件組成的，軟件是各種工作程序的總稱。一個(gè)典型單片機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。圖8-1典型單片機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從圖8-1不難看出單片機(jī)產(chǎn)品所需要的一般配置：(1)單片機(jī)。如AT89C5IAT89C52AT89S51以及AT89S52等單片機(jī)。(2)人機(jī)交流設(shè)備。輸入設(shè)備有鍵盤和按鍵，輸出設(shè)備有數(shù)碼管、液晶顯示模塊和指示燈等。(3)信號(hào)采集的輸入通道。如出租車的測(cè)距、測(cè)速裝置，溫控系統(tǒng)的溫度傳感器、洗衣機(jī)的水

3、位測(cè)量等設(shè)備。(4)向操作對(duì)象發(fā)出各種控制信號(hào)的輸出通道。如空調(diào)啟動(dòng)壓縮機(jī)的開關(guān)電路，控制彩電的頻道切換、顏色、音量等的接口電路。(5)與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息交換，還需配置通信接口電路。如RS-232、RS-485等。(6)有時(shí)還需擴(kuò)展外部RAMEEPROM1于存放數(shù)據(jù)。如彩電遙控系統(tǒng)中存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。8.1.2單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)流程1確定功能技術(shù)指標(biāo)單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)流程是以確定產(chǎn)品的功能和技術(shù)指標(biāo)開始的。首先要細(xì)致分析、研究實(shí)際問題，明確各項(xiàng)任務(wù)與要求，綜合考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性、可維護(hù)性以及成本、經(jīng)濟(jì)效益，擬訂出合理可行的技術(shù)性能指標(biāo)。2單片機(jī)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)在對(duì)單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行總

4、體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)品提出的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，擬訂出性價(jià)比最高的一套方案。首先，應(yīng)根據(jù)任務(wù)的繁雜程度和技術(shù)指標(biāo)要求選擇機(jī)型。選定機(jī)型后，再選擇產(chǎn)品中要用到的其它外圍元器件，如傳感器、執(zhí)行器件等。在總體方案設(shè)計(jì)過程中，對(duì)軟件和硬件進(jìn)行分工是一個(gè)首要的環(huán)節(jié)。原則上，能夠由軟件來完成的任務(wù)就盡可能用軟件來實(shí)現(xiàn)，以降低硬件成本，簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還要求大致規(guī)定各接口電路的地址、軟件的結(jié)構(gòu)和功能、上下位機(jī)的通信協(xié)議、程序的駐留區(qū)域及工作緩沖區(qū)等?？傮w方案一旦確定，系統(tǒng)的大致規(guī)模及軟件的基本框架就確定了。3硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)是指應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，包括主機(jī)、控制電路、存儲(chǔ)器、I/O接口、A/D和D/A

5、轉(zhuǎn)換電路等。硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮留有充分余量，電路設(shè)計(jì)力求正確無誤，因?yàn)樵谙到y(tǒng)調(diào)試中不易修改硬件結(jié)構(gòu)。硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：(1)程序存儲(chǔ)器一般可選用容量較大的EPRO曲片，如27128(16KB)、27256(32KB)或27512(64KB)等。盡量避免用小容量的芯片組合擴(kuò)充成大容量的存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器容量大些，則編程空間寬裕些，價(jià)格相差也不會(huì)太多。(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O接口根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，如果需要擴(kuò)展外部RAM或I/O口，那么RAM片可選用6116(2KB)、6264(8KB)或62256(32KB),原則上應(yīng)盡量減少芯片數(shù)量，使譯碼電路簡(jiǎn)單。I/O接口芯片一般選用815

6、5(帶有256KB靜態(tài)RAM或8255。這類芯片具有口線多、硬件邏輯簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。若口線要求很少，且僅需要簡(jiǎn)單的輸入或輸出功能，則可用不可編程的TTL電路或CMOSI路。A/D和D/A電路芯片主要根據(jù)精度、速度和價(jià)格等來選用，同時(shí)還要考慮與系統(tǒng)的連接是否方便。（3）地址譯碼電路通常采用全譯碼、部分譯碼或線選法，應(yīng)考慮充分利用存儲(chǔ)空間和簡(jiǎn)化硬件邏輯等方面的問題。MCS-51系統(tǒng)有充分的存儲(chǔ)空間，包括64KB程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所以在一般的控制應(yīng)用系統(tǒng)中，主要是考慮簡(jiǎn)化硬件邏輯。當(dāng)存儲(chǔ)器和I/O芯片較多時(shí)，可選用專用譯碼器74S138或74LS139等。（4）總線驅(qū)動(dòng)能力MCS-51系列

7、單片機(jī)的外部擴(kuò)展功能很強(qiáng)，但4個(gè)8位并行口的負(fù)載能力是有限的。P0口能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路，P1P3口只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL電路。在實(shí)際應(yīng)用中，這些端口的負(fù)載不應(yīng)超過總負(fù)載能力的70%，以保證留有一定的余量。如果滿載，會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾。在外接負(fù)載較多的情況下，如果負(fù)載是MOS&片，因負(fù)載消耗電流很小，所以影響不大。如果驅(qū)動(dòng)較多的TTL電路，則應(yīng)采用總線驅(qū)動(dòng)電路，以提高端口的驅(qū)動(dòng)能力和系統(tǒng)的抗干擾能力。數(shù)據(jù)總線宜采用雙向8路三態(tài)緩沖器74LS245作為總線驅(qū)動(dòng)器，地址和控制總線可采用單向8路三態(tài)緩沖區(qū)74LS244作為單向總線驅(qū)動(dòng)器。（5）系統(tǒng)速度匹配MCS-51系列單片機(jī)時(shí)鐘頻率可在212

8、MHz之間任選。在不影響系統(tǒng)技術(shù)性能的前提下，時(shí)鐘頻率選擇低一些為好，這樣可降低系統(tǒng)中對(duì)元器件工作速度的要求，從而提高系統(tǒng)的可靠性。4抗干擾措施單片機(jī)產(chǎn)品的工作環(huán)境往往都是具有多種干擾源的現(xiàn)場(chǎng)，抗干擾措施在單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。根據(jù)干擾源引入的途徑，抗干擾措施可以從以下兩個(gè)方面考慮。（1）電源供電系統(tǒng)為了克服電網(wǎng)以及來自系統(tǒng)內(nèi)部其它部件的干擾，可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓、線濾波器、穩(wěn)壓電路各級(jí)濾波等防干擾措施。（2）電路上的考慮為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取一系列防干擾措施：1）大規(guī)模IC芯片電源供電端VCCtB應(yīng)加高頻濾波電容，根據(jù)負(fù)載電流的情況，在各級(jí)供電節(jié)點(diǎn)

9、還應(yīng)加足夠容量的退耦電容；2）開關(guān)量I/O通道與外界的隔離可采用光電耦合器件，特別是與繼電器、可控硅等連接的通道，一定要采用隔離措施；3）可采用CMO潞件提高工作電壓（+15V）,這樣干擾門限也相應(yīng)提高；4）傳感器后級(jí)的變送器盡量采用電流型傳輸方式，因電流型比電壓型抗干擾能力強(qiáng)；5）電路應(yīng)有合理的布線及接地方式；6）與環(huán)境干擾的隔離可采用屏蔽措施。5軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)是產(chǎn)品研制過程中任務(wù)最繁重的一項(xiàng)工作，難度也比較大。對(duì)于某些較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，不僅要使用匯編語言來編程，有時(shí)還要使用高級(jí)語言。單片機(jī)產(chǎn)品的軟件主要包括兩大部分：用于管理單片機(jī)工作的監(jiān)控程序和用于執(zhí)行實(shí)際具體任務(wù)的功能程序

10、。對(duì)于監(jiān)控程序，應(yīng)盡可能利用現(xiàn)成的監(jiān)控程序。為了適應(yīng)各種應(yīng)用的需要，現(xiàn)代的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的監(jiān)控軟件功能相當(dāng)強(qiáng)，并附有豐富的實(shí)用子程序，可供用戶直接調(diào)用，例如鍵盤管理程序、顯示程序等。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件邏輯和確定應(yīng)用系統(tǒng)的操作方式時(shí)，就應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)。這樣可大大減少軟件設(shè)計(jì)的工作量，提高編程效率。對(duì)于功能程序要根據(jù)產(chǎn)品的功能要求來編程序。例如，外部數(shù)據(jù)采集、控制算法的實(shí)現(xiàn)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)、故障處理及報(bào)警程序等。單片機(jī)產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)千差萬別，不存在統(tǒng)一模式。進(jìn)行軟設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)軟件的總體構(gòu)思，按照先粗后細(xì)的方法，把整個(gè)系統(tǒng)軟件劃分成多個(gè)功能獨(dú)立、大小適當(dāng)?shù)哪K。應(yīng)明確規(guī)定各模

11、塊的功能，盡量使每個(gè)模塊功能單一，各模塊間的接口信息簡(jiǎn)單、完備，接口關(guān)系統(tǒng)一，盡可能使各模塊間的聯(lián)系減少到最低限度。這樣，各個(gè)模塊可以分別獨(dú)立設(shè)計(jì)、編制和調(diào)試，最后再將各個(gè)程序模塊連接成一個(gè)完整的程序進(jìn)行總調(diào)試。6單片機(jī)產(chǎn)品調(diào)試單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)必須經(jīng)過調(diào)試階段，只有經(jīng)過調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)問題，改正錯(cuò)誤，最終完成開發(fā)任務(wù)。實(shí)際上，對(duì)于較復(fù)雜的程序，大多數(shù)情況下都不可能一次性就調(diào)試成功，即使是資深設(shè)計(jì)人員也是如此。單片機(jī)產(chǎn)品調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試的任務(wù)是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括設(shè)計(jì)性錯(cuò)誤和工藝性故障。軟件調(diào)試是利用開發(fā)工具進(jìn)行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯(cuò)誤外，也可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。程序

12、調(diào)試一般是一個(gè)模塊一個(gè)模塊地進(jìn)行，一個(gè)子程序一個(gè)子程序地調(diào)試，最后聯(lián)起來統(tǒng)調(diào)。利用開發(fā)工具的單步和斷點(diǎn)運(yùn)行方式，通過檢查應(yīng)用系統(tǒng)的CPU1場(chǎng)、RAMF口SFR的內(nèi)容以及I/O口的狀態(tài)，來檢查程序的執(zhí)行結(jié)果和系統(tǒng)I/O設(shè)備的狀態(tài)變化是否正常，從中發(fā)現(xiàn)程序的邏輯錯(cuò)誤、轉(zhuǎn)移地址錯(cuò)誤以及隨機(jī)的錄入錯(cuò)誤等。也可以發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)與工藝錯(cuò)誤和軟件算法錯(cuò)誤。在調(diào)試過程中，要不斷調(diào)整、修改系統(tǒng)的硬件和軟件，直到其正確為止。聯(lián)機(jī)調(diào)試運(yùn)行正常后，將軟件固化到EPRO岫，脫機(jī)運(yùn)行，并到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)投入實(shí)際工作，檢驗(yàn)其可靠性和抗干擾能力，直到完全滿足要求，單片機(jī)產(chǎn)品才算研制成功。工作模塊21步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)【工作任

13、務(wù)】利用AT89S52單片機(jī)及獨(dú)立鍵盤控制步進(jìn)電機(jī)的速度和方向。獨(dú)立鍵盤有反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵和正轉(zhuǎn)按鍵。步進(jìn)電機(jī)電氣參數(shù)：工作電壓V,步進(jìn)角是18?。8.2.1步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本知識(shí)點(diǎn)在工作模塊5中已經(jīng)介紹過了，在這里只對(duì)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度和方向控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。1速度控制技術(shù)本工作模塊使用的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角是18?，由于步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖數(shù)目成正比，所以輸入20個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)旋轉(zhuǎn)20個(gè)步進(jìn)角，且剛好轉(zhuǎn)一圈(20?18?=360?)。那么怎么控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速呢？下面我們先分析如何實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分和轉(zhuǎn)速為60車專I分。(1)轉(zhuǎn)速為3

14、0轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間是60S/30圈=2s,旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角的時(shí)間是2s/20=100ms(每圈20個(gè)步進(jìn)角)。也就是說給一個(gè)脈沖信號(hào)，旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角，延時(shí)100ms,再給一個(gè)脈沖信號(hào)，旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角，延時(shí)100ms,，這樣就可以獲得轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分。(2)轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間是60S/60圈=1s,旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角的時(shí)間是1s/20=50ms(每圈20個(gè)步進(jìn)角)。和轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分比較，脈沖信號(hào)之間的延時(shí)時(shí)間為50ms,延時(shí)時(shí)間變短，轉(zhuǎn)速提高了。根據(jù)以上分析，我們只要改變脈沖信號(hào)之間的延時(shí)時(shí)間，即改變每步之間的延時(shí)時(shí)間，便可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。延時(shí)時(shí)間變短，轉(zhuǎn)速提高，延時(shí)時(shí)間變長(zhǎng)，轉(zhuǎn)

15、速降低。注意：步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越快負(fù)載轉(zhuǎn)矩越小，當(dāng)轉(zhuǎn)速快至其極限時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不再旋轉(zhuǎn)。所以每走一步，必須延時(shí)一段時(shí)間。2.方向控制技術(shù)本工作模塊是采用1相勵(lì)磁順序，四種勵(lì)磁狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)。只要改變勵(lì)磁順序，就可以改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。(1)正轉(zhuǎn)時(shí)，1相勵(lì)磁順序?yàn)椋篫BfC-D>(2)反轉(zhuǎn)時(shí)，1相勵(lì)磁順序?yàn)椋篈8BfA-8.2.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)按照工作任務(wù)要求，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路是由AT89S52單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤電路等模塊構(gòu)成。1 .鍵盤模塊設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有反轉(zhuǎn)、加速、減速和正轉(zhuǎn)4個(gè)功能，可以用4個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)。由于按鍵數(shù)目少

16、，鍵盤模塊設(shè)計(jì)采用獨(dú)立鍵盤。這4個(gè)按鍵分別接到P2口的、和引腳，為反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵和正轉(zhuǎn)按鍵。如圖8-2所示。U1R5 10kAT89C52圖8-2鍵盤電路2 .步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)由于步進(jìn)電機(jī)的功率較大，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)米用了局電壓、大電流的ULN2003AULN2003A的詳細(xì)介紹請(qǐng)參閱項(xiàng)目二技能拓展部分。P3口的、和四個(gè)引腳通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路分別接在步進(jìn)電機(jī)的A、B、GD=如圖8-3所示。U119189XTAL1XTAL2RSTALE EA2;-/一。P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2

17、/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1 -P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39937二士5 f65224243-一1011AT89C52U2:B1-2-4-5 -6U3R7220COM1B1C2B2c3B3C4B4c5B5C6B6c7B7cULN2003A916151413-12二A BCDD2D3D4R8220R9220運(yùn)彳P P

18、roteus軟件，新建“步圖8-3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過前面的鍵盤模塊電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì),進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)”設(shè)計(jì)文件。按圖8-2和圖8-3所示放置并編輯AT89S52、CRYSTALCAP8-4所示。CAP-ELECRESMOTOR-STEPPEFULN2003A74LS04及BUTTO障元器件。完成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)后，進(jìn)行電氣規(guī)則檢測(cè)，直至檢測(cè)成功。如圖8.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)程序由頭文件、頭文件包含和定義全局變量、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行函數(shù)run()以及主函數(shù)組成。1 .編寫頭文件為了程序的可讀性和編程方便，在頭文件里面對(duì)用到的數(shù)據(jù)類型、接在P3口上步進(jìn)電

19、機(jī)以及接在P3口上按鍵進(jìn)行宏定義。宏定義如下：#ifndef_MAIN_H_#define_MAIN_H_#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#definestep_moto_portP3#defineFZ_KEY(!(P2_0)#defineUP_KEY(!(P2_1)#defineDOWN_KEY(!(P2_2)#defineZZ_KEY(!(P2_3)#endif2 .頭文件包含和定義全局變量#include<>#include<>uintspeed=1000;ex”文件。進(jìn)行仿真運(yùn)行，觀察步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行是否與

20、設(shè)計(jì)要求相符。如圖8-4所示。C1-'IX1R1CRYSTALC210kP1.2P1.3P1.4P1.7、I89C52P1.5P1.6P1.0/I2P1.1/T2EX30pFT卜 30pFXIAL2P3.0/RXDP3.1/TXDR210kP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD722FZDOWNZZP2.0/A8P2.1/A923P2.2/A1024P2.3/A11.25巨 hhP2.6/A14U2:AP2.7/A15 10一12P2.4/A12P2.5/A13P3.2/INT0 'P3.3

21、/INT1 '0*274LS1413P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRU2:BHX-i74LS14U3U2:C1B5 674LS142B3B4B5B6BU2:D7BULN2003AA© D9COMA16R71C15B2C3C4C117CLED-REDD4R95C6C_ 1312LED-RED圖8-4步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)仿真運(yùn)行工作模塊22直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)【工作任務(wù)】利用AT89S52單片機(jī)及獨(dú)立鍵盤控制直流電機(jī)的速度和方向。獨(dú)立鍵盤有反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵和正轉(zhuǎn)按鍵。直流電機(jī)電氣參數(shù)：額定工作電壓V。8.3.1 直流電機(jī)控制技術(shù)1 .認(rèn)識(shí)直流電機(jī)永磁式換向

22、器直流電機(jī)，是應(yīng)用很廣泛的一種，只要在它上面加適當(dāng)電壓電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)。（1）結(jié)構(gòu)與工作原理永磁式換向器直流電機(jī)是由定子（主磁極）、轉(zhuǎn)子（繞組線圈）、換向片（又稱整流子）、電刷等組成，定子作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，如圖8-5所示。圖8-5直流電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電壓加在電刷上，經(jīng)換向片加到電樞繞組（轉(zhuǎn)子線圈），使電樞導(dǎo)體有電流流過,由于電機(jī)內(nèi)部有定子磁場(chǎng)存在，所以電樞導(dǎo)體將受到電磁力f的作用（左手定則），電樞導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n（轉(zhuǎn)/分）旋轉(zhuǎn)，以便拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載。通過左手定則，可以判別電磁力 f方向（即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向），如圖8-6所示。圖8-6轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向也就是說，轉(zhuǎn)于是在定子磁場(chǎng)作用下，得到轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)

23、起來。當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于磁場(chǎng)的相互作用，也將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，它的大小正比于轉(zhuǎn)子的速度，方向和所加的直流電壓相反。（2）永磁式換流器電機(jī)特點(diǎn)1）當(dāng)電機(jī)負(fù)載固定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于所加的電源電壓。2）當(dāng)電機(jī)直流電源固定時(shí)，電機(jī)的工作電流正比于轉(zhuǎn)予負(fù)載的大小。3）加于電機(jī)的有效電壓，等于外加直流電壓減去反電動(dòng)勢(shì)。因此當(dāng)用固定電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)的速度趨向于自穩(wěn)定。因?yàn)樨?fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)子有慢下來的傾向，于是反電動(dòng)勢(shì)減少，而使有效電壓增加，反過來又將使轉(zhuǎn)子有快起來的傾向，所以總的效果使速度穩(wěn)定。4）當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零，電機(jī)電流最大。最大電流出現(xiàn)在剛起動(dòng)的時(shí)候。5）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，可由電機(jī)上所加電壓的極性

24、來控制。6）體積小，重量輕。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。由于具備上述的那些特點(diǎn)，所以在醫(yī)療器械、小型機(jī)床、電子儀器、計(jì)算機(jī)、氣象探空儀、探礦測(cè)井、電動(dòng)工具、家用電器及電子玩具等各個(gè)方面，都得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)這種永磁式電機(jī)的控制，主要有電機(jī)的起?？刂?、方向控制、可變速度控制和速度的穩(wěn)定控制。2 .速度控制技術(shù)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速最方便有效的調(diào)速方法是對(duì)電樞（即轉(zhuǎn)子線圈）電壓U進(jìn)行控制?？刂齐妷旱姆椒ㄓ卸喾N，廣泛應(yīng)用脈寬調(diào)制PW/術(shù)來控制直流電機(jī)電樞的電壓。所謂PWM6制技術(shù)，就是利用半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列，通過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓的目的。3 .方向控制技術(shù)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方

25、向可由直流電機(jī)上所加電壓的極性來控制，可用橋式電路來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?？刂浦绷麟姍C(jī)正反轉(zhuǎn)的橋式驅(qū)動(dòng)電路有單電源和雙電源兩種驅(qū)動(dòng)方RSTP0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7343332UP293031PSENALE EAP2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A152122232425262728LEFTDOWNRIGHT12345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7式3.0/r源常% 魁 電源的驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)就能。卑電源方式的橋式驅(qū)動(dòng)電

26、路又稱為全橋方式驅(qū)動(dòng)或者P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD14151617AT89C52就可以滿足實(shí)際的應(yīng)用需要,所以這里只介紹單電源的驅(qū)H橋方式驅(qū)動(dòng)，如圖8-7所示。PWM3PWM4圖8-7 H橋方式驅(qū)動(dòng)電路圖8-7中的二極管稱為續(xù)流二極管，主要作用是消除直流電機(jī)所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)。極管是PNP三極管，基極為高電平時(shí)三極管關(guān)斷，為低電平時(shí)三極管導(dǎo)通。直流電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)三極管Q1和Q4導(dǎo)通，反轉(zhuǎn)時(shí)三極管Q2和Q3導(dǎo)通，在這兩種情況下,加在直流電機(jī)兩端的電壓極性相反。當(dāng)四個(gè)三極管全部關(guān)斷時(shí)，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。若是Q1與Q3關(guān)斷、Q2與Q4導(dǎo)通時(shí)，直流電機(jī)處于短

27、路制動(dòng)狀態(tài)，將立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這四種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的H橋式驅(qū)動(dòng)電路狀態(tài)如圖 8-8所示。圖8-8直流電機(jī)和H橋式驅(qū)動(dòng)電路四種對(duì)應(yīng)狀態(tài)8.3.2 直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)按照工作任務(wù)要求，直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路是由AT89S52單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)、H橋式驅(qū)動(dòng)電路、獨(dú)立鍵盤及直流電機(jī)構(gòu)成。P3口的、和四個(gè)引腳分別接在H橋式驅(qū)動(dòng)電路的PWM1PWM2PWM刷PWM4P2口的、和四個(gè)引腳分別接反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵和正轉(zhuǎn)按鍵。直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖8-9所示。運(yùn)行Proteus軟件，新建“直流電機(jī)控制系統(tǒng)”設(shè)計(jì)文件。按圖8-9所示放置并編輯AT89S52、CRYSTALCAPCAP-ELECRES

28、MOTOR1N4148（二極管卜2N5771（三極管）、BUTTON等元器件。完成直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)后，進(jìn)行電氣規(guī)則檢測(cè)，直至檢測(cè)成功。8.3.3 直流電機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)直流電機(jī)有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和制動(dòng)四種運(yùn)行狀態(tài)。在這四種運(yùn)行狀態(tài)下，P3口引腳與H橋式驅(qū)動(dòng)電路對(duì)應(yīng)關(guān)系如表8-2所示。表8-2運(yùn)行狀態(tài)與P3口引腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)行狀態(tài)PWM4(Q4)PWM3(Q3)PWM2(Q2)PWM1(Q1)正轉(zhuǎn)0110反轉(zhuǎn)1001停止1111制動(dòng)0101直流電機(jī)控制系統(tǒng)程序主要由頭文件、初始化、按鍵功能處理、直流電機(jī)運(yùn)行中斷處理等組成。1 .編寫頭文件在這里只給出與工作模塊21的頭文件不一樣部分。電

29、機(jī)驅(qū)動(dòng)接口是接在、和，為了以后能對(duì)殊功能寄存器P3口這4個(gè)尋址位進(jìn)行操作，定義了4個(gè)sbit類型位變量，代碼如下：#define_Nop()_nop_()sbitPWM1=P3A0;sbitPWM4=P3A5;sbitPWM2=P3A1;sbitPWM3=P3A4;2 .頭文件包含和定義全局變量#include<>#include<>ex”文件。進(jìn)行仿真運(yùn)行，觀察直流電機(jī)運(yùn)行是否與設(shè)計(jì)要求相符。技能拓展步進(jìn)電機(jī)智能控制步進(jìn)電機(jī)是利用輸入數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能量的電氣設(shè)備，由于步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖數(shù)目成正比，只要控制輸入的脈沖數(shù)目便可控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。因此，常用于

30、精確定位和精確定速，如機(jī)器人均使用步進(jìn)電機(jī)作動(dòng)力，并且可以精確控制機(jī)器人的動(dòng)作。8.4.1 步進(jìn)電機(jī)智能控制思路通過工作模塊5和工作模塊21的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道了步進(jìn)電機(jī)必須加上驅(qū)動(dòng)電路才能轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端必須輸入脈沖信號(hào)，若無脈沖輸入時(shí)，轉(zhuǎn)子保持一定的位置，維持靜止?fàn)顟B(tài)；反之，若加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)子則會(huì)以一定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，如果加入連續(xù)脈沖時(shí)，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度與脈沖頻率成正比。為此，我們掌握了如何使用按鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行方向和轉(zhuǎn)速控制。但是我們?nèi)绾螌?duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確定位和精確定速呢？由于步進(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(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按

31、設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。這樣，我們就可以通過以下兩個(gè)方面對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行智能控制，達(dá)到精確定位和精確定速的目的。(1)通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；(2)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到精確定速和調(diào)速的目的。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)智能控制可以廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。8.4.2 步進(jìn)電機(jī)智能控制組成步進(jìn)電機(jī)智能控制主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、鍵盤輸入模塊、顯示模塊以及步進(jìn)電機(jī)動(dòng)控制模塊等部分。步進(jìn)電機(jī)智能控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖8

32、-10所示。圖8-10步進(jìn)電機(jī)智能控制結(jié)構(gòu)框圖鍵盤輸入模塊主要完成數(shù)據(jù)輸入及控制輸入；顯示模塊主要對(duì)步進(jìn)電機(jī)設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài);步進(jìn)電機(jī)控制模塊主要進(jìn)行顯示(如顯示步進(jìn)電機(jī)設(shè)置要旋轉(zhuǎn)的數(shù)圈以及正反轉(zhuǎn)指示等)是由單片機(jī)輸出控制碼到驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)?！炯寄苡?xùn)練8-1】步進(jìn)電機(jī)智能控制設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)智能控制。要求能從鍵盤上輸入步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及啟停，并顯示轉(zhuǎn)數(shù)。1 .鍵盤設(shè)計(jì)鍵盤采用的是矩陣式鍵盤，鍵盤電路設(shè)計(jì)參考工作模塊10,鍵盤功能分配如下：(1) 0-9:為數(shù)字鍵(2) *:正逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定完成后，按“*”啟動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)。(3) #:清除設(shè)定為正轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)數(shù)為00。(4

33、) A:設(shè)定正逆轉(zhuǎn)。按"A鍵則LED亮，表示反轉(zhuǎn)，再按則LED指示燈滅，表示正轉(zhuǎn)，再按LED亮。2 .數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示模塊電路采用硬件譯碼輸出字型碼控制顯示內(nèi)容，數(shù)碼管是陽極數(shù)碼管，七段字形譯碼器用的是74LS47,電路設(shè)計(jì)參考技能訓(xùn)練3-2。3 .步進(jìn)電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制模塊電路采用有施密特觸發(fā)器的六反方器74LS14和高電壓、大電流的達(dá)靈頓晶體管數(shù)組產(chǎn)品ULN2003A電路設(shè)計(jì)參考工作模塊21。4 .步進(jìn)電機(jī)智能控制電路實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制模塊電路、鍵盤電路、數(shù)碼管顯示模塊電路分別接在AT89S52單片機(jī)的P0口、P1口、P2口，接在的LED是步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的指示

34、燈，步進(jìn)電機(jī)智能控制電路設(shè)計(jì)如圖8-11所示。C1U1rrXTAL1R1C210kXTAL2P0.7/AD721P3.0/RXDR2R510kP3 6/WRP1615U2:D74LS14R9戶152201474LS47QEQFQGP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.4/T0P3.5/T1P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10BI/RBORBI LTP3.1/TXDP3.2/NT0P3.3/INT1 cryStaL圖8-11步進(jìn)電機(jī)智能控制電路nXI26，2728R3R410k10k3P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.510kU31B2B3B74LS144B5B6B7BCOM1C2C3C4C5C6C7C1412-n5步進(jìn)電機(jī)智能控制工作過程由鍵盤輸入轉(zhuǎn)數(shù)，設(shè)定正反轉(zhuǎn)后，按確認(rèn)鍵。單片機(jī)則根據(jù)設(shè)定由P0口送出控制碼經(jīng)74LS14和ULN2003Aii林頓管驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，LED數(shù)碼管顯示設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，數(shù)碼顯示的數(shù)字減1,當(dāng)減至零時(shí)，