三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)學(xué) 號(hào)： 0121211360111課 程 設(shè) 計(jì)題 目三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化專業(yè)班 級(jí)自動(dòng)化1201班姓 名廖明黎指導(dǎo)教師石云2015年5月20日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 廖明黎 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1201班 指導(dǎo)教師： 石云 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初始條件：設(shè)計(jì)三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有如下功能：用K0-K2做為通電方式選擇鍵，K0為三相單三拍，K1為三相

2、雙三拍，K2為三相六拍；K3為啟動(dòng)/停止控制、K4方向控制、K5加速、K6減速；用4位LED顯示工作步數(shù)。用3個(gè)發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉(zhuǎn)時(shí)黃燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)綠燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)紅燈亮。要求完成的主要任務(wù): 1 硬件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)原理圖2 軟件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)總體流程圖、步進(jìn)電機(jī)單三拍，雙三拍，三相六拍各模塊流程圖、顯示模塊流程圖等3 編寫程序：能夠完成上述任務(wù)并用仿真軟件演示4 完成符合要求的設(shè)計(jì)說(shuō)明書時(shí)間安排：2015年4月28日2015年5月29日目錄1概述42設(shè)計(jì)思路52.1步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)52.2 LED顯示步數(shù)52.3按鍵狀態(tài)的讀取52.4 控制系統(tǒng)的整體框圖63系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)73.1 總體的硬件設(shè)計(jì)73

3、.2步進(jìn)電機(jī)控制電路73.3八段數(shù)碼管顯示電路83.4啟/?？刂?、正/反轉(zhuǎn)控制、工作模式控制電路83.5發(fā)光二極管顯示電路104系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)114.1系統(tǒng)總體流程圖114.2三相步進(jìn)電機(jī)模塊流程圖124.3顯示模塊流程圖135系統(tǒng)仿真156小結(jié)與體會(huì)16參考文獻(xiàn)17附錄18三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1概述本次計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)的題目是：三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)使用89C51單片機(jī)作為主控芯片，利用ULN2003A集成電路作為三相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，采用單極性驅(qū)動(dòng)方式，使三相步進(jìn)電機(jī)能在（1）三相單三拍，（2）三相雙三拍，（3）三相六拍三種工作方式下正常工作；能實(shí)現(xiàn)的功能有

4、:啟動(dòng)/停止控制、方向控制；快速控制、慢速控制；用4位LED數(shù)碼管顯示工作步數(shù)。用3個(gè)發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉(zhuǎn)時(shí)黃燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)綠燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)紅燈亮。本次課程設(shè)計(jì)采用89C51單片機(jī)作為主控芯片，程序采用C語(yǔ)言來(lái)編寫，驅(qū)動(dòng)電路采用ULN2003A集成電路，顯示器采用7SEG-MPX4-CA,即四位共陽(yáng)二極管顯示器，P0接段碼，P2的4 位IO口接位選碼。用三個(gè)發(fā)光二極管顯示電路的轉(zhuǎn)動(dòng)狀況，黃燈指示正轉(zhuǎn)，綠燈指示反轉(zhuǎn)，紅燈指示不轉(zhuǎn)。采用Proteus軟件進(jìn)行仿真。在Keil uVsuon4編程環(huán)境下編程和編譯生成HEX文件，導(dǎo)入到89C51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制，實(shí)現(xiàn)我們所需要的功能。本次設(shè)

5、計(jì)的方案電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)思路很清晰清晰，用 Proteus軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)仿真，結(jié)果比較直觀。在這次課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中我學(xué)到了很多知識(shí)，知道了三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成以及怎樣用89C51單片機(jī)去控制它，這對(duì)我在課堂所學(xué)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)知識(shí)是個(gè)鞏固和加強(qiáng)，讓我把課堂所學(xué)的理論知識(shí)真實(shí)的用到實(shí)踐中，親自動(dòng)手，增強(qiáng)了我的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，對(duì)自己將來(lái)的學(xué)習(xí)和工作發(fā)展起到了很好的作用。2設(shè)計(jì)思路2.1步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)若使用功率三極管等電子器件搭建成功率驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是使用電子器件聯(lián)接，電路比較簡(jiǎn)單，但容易受干擾，信號(hào)不夠穩(wěn)定，缺點(diǎn)是器件較大而不便電路的集成，使用時(shí)很不方便，聯(lián)接時(shí)容易出錯(cuò)誤。而

6、相對(duì)于使用專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是便于電路的集成，且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)信號(hào)很穩(wěn)定，不易受外界環(huán)境的干擾。因而設(shè)計(jì)的三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)性能更好。故選擇使用ULN2003A電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)作為驅(qū)動(dòng)。2.2 LED顯示步數(shù)把所需要顯示的數(shù)據(jù)通過(guò)專用的七段顯示譯碼器的轉(zhuǎn)換輸出給LED顯示屏。優(yōu)點(diǎn)是輸出比較簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化程序，但增加了芯片的費(fèi)用，電路也比較復(fù)雜。可以通過(guò)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(guò)單片機(jī)接口連接7SEG-MPX4-CA四位共陽(yáng)二極管顯示器來(lái)顯示，盡管軟件編寫的負(fù)擔(dān)，但大大簡(jiǎn)化了電路。故使用軟件編寫來(lái)輸出顯示信號(hào)。2.3按鍵狀態(tài)的讀取按鍵的

7、讀取有中斷與查詢兩種方式。這里選擇直接把開(kāi)關(guān)分別接在單片機(jī)的接口上，通過(guò)查詢端口信號(hào)來(lái)動(dòng)作。使程序得到簡(jiǎn)化，可讀性加強(qiáng)。2.4 控制系統(tǒng)的整體框圖圖2-1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)整體框圖，由單片機(jī)89C51、ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片、三相步進(jìn)電機(jī)、7段LED數(shù)碼管、7個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)、3個(gè)led等一些電路模塊組成。89C51單片機(jī)LED顯示步數(shù)模塊開(kāi)關(guān)選擇電機(jī)工作模式LED顯示燈顯示電機(jī)工作狀態(tài)三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖2-1 控制系統(tǒng)總框圖3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 總體的硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有如下功能：(1) 用K0-K2做為通電方式選擇鍵，K0為單三拍，K1為雙三拍，K2為三相六

8、拍；(2) K3、K4分別為啟動(dòng)和方向控制；(3) K5、K6分別為加速和減速控制；(4) 正轉(zhuǎn)時(shí)黃色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)綠色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)紅色指示燈亮；(5) 用4位LED顯示工作步數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求用PROTEUS所做的系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)原理圖3.2步進(jìn)電機(jī)控制電路將89C51的P1.0-P1.3作為步進(jìn)電機(jī)的輸出控制口。通過(guò)芯片ULN2003A的功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。電路圖如圖3-2所示：圖3-2 步進(jìn)電機(jī)控制電路圖3.3八段數(shù)碼管顯示電路由89C51的P0口取出顯示碼，從89C51的P2.0-P2.3輸出位選碼，設(shè)計(jì)中我們主要用到4位顯示步數(shù)即可。電路圖圖如圖3-3

9、所示：圖3-3 八段數(shù)碼管顯示電路圖3.4啟/?？刂啤⒄?反轉(zhuǎn)控制、工作模式控制電路（1）K0-K2為工作模式控制開(kāi)關(guān)，KO接電時(shí)，為步進(jìn)電機(jī)單三拍工作模式；K1接電時(shí)，為步進(jìn)電機(jī)雙三拍工作模式；K2接電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作模式為三相六拍。（2）K3為啟動(dòng)/停止控制開(kāi)關(guān)，控制整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉。（3）K4為正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)控制開(kāi)關(guān)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。（4）K5為加速控制、K6為減速控制。電路圖如圖3-4所示：圖3-4 按鍵控制電路圖3.5發(fā)光二極管顯示電路用3個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管來(lái)作為指示燈顯示，將P1.7接黃燈，P1.6接綠燈，P3.3接紅燈，正轉(zhuǎn)時(shí)黃色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)綠色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)紅色指

10、示燈亮。電路圖如圖3-5所示：圖3-5 發(fā)光二極管顯示電路圖4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體流程圖首先以查詢的方式，從P3口讀出開(kāi)關(guān)狀態(tài)，判斷是否啟動(dòng)，沒(méi)啟動(dòng)紅燈亮同時(shí)黃綠燈滅，重新確認(rèn)啟動(dòng)。啟動(dòng)后再次讀取P3口數(shù)據(jù)，依次判斷工作方式，并將對(duì)應(yīng)的用來(lái)存儲(chǔ)步進(jìn)電機(jī)工作方式字的數(shù)組首地址值給q。再判斷速度方式，通過(guò)對(duì)P3.5、P3.6的詢問(wèn)，確定是加速還是減速。由P3.4口的雙向開(kāi)關(guān)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，如果是正轉(zhuǎn)則黃燈亮綠燈滅，反轉(zhuǎn)則綠燈亮黃燈滅。在電機(jī)每走一步后，步數(shù)記數(shù)加1，然后通過(guò)LED顯示把工作步數(shù)顯示出來(lái)。再?gòu)腜3口把狀態(tài)信息讀出來(lái)，與之前的P3口的狀態(tài)信息進(jìn)行比較。如果狀態(tài)信息沒(méi)有改

11、變，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。如果狀態(tài)信息改變了，就需要重新返回程序的開(kāi)端，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，讓電機(jī)重新以新的狀態(tài)運(yùn)行。由此，開(kāi)關(guān)的狀態(tài)在電機(jī)每走一步都會(huì)查詢一遍，做到實(shí)時(shí)地反映。系統(tǒng)總體流程圖如圖4-1所示：圖4-1 系統(tǒng)總體流程圖YYYNNNNN重新啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，綠燈亮方式3？方式1？方式2？正/反轉(zhuǎn)按鍵K4按下？P3口狀態(tài)是否改變？顯示總步數(shù)模型地址加1，總步數(shù)加1P1口輸出控制模型正轉(zhuǎn)，黃燈亮紅燈亮步數(shù)清零，數(shù)碼管輸出0，紅色顯示燈亮判斷工作方式啟/停按鍵K3按下？q存儲(chǔ)方式字地址指針開(kāi)始Y4.2三相步進(jìn)電機(jī)模塊流程圖對(duì)于步進(jìn)電機(jī)模塊的程序設(shè)計(jì)采用循環(huán)程序設(shè)計(jì)方法。先把正反轉(zhuǎn)向的控制模型存放在

12、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(dòng)，選擇步進(jìn)電機(jī)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。YYYNNNP3.0=1?選擇單三拍控制字序列輸出選擇雙三拍控制字序列輸出分模塊出口不輸出任何信號(hào)P3.1=1?P3.2=1?三相步進(jìn)電機(jī)的流程圖如圖4-2所示：分模塊入口選擇三相六拍控制字序列輸出圖4-2 步進(jìn)電機(jī)模塊流程圖4.3顯示模塊流程圖顯示模塊是用4位八段數(shù)碼管來(lái)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，P2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，求下一位位選碼

13、繼續(xù)顯示。如圖4-3所示YN4位顯示完？返回主程序延時(shí)取出顯示碼，并從P0口輸出顯示碼送位選碼到P2口求待顯示數(shù)據(jù)取出要顯示的步數(shù)動(dòng)態(tài)顯示步數(shù)子程序求下一位選碼:圖4-3 顯示模塊流程圖5系統(tǒng)仿真圖5-1為步進(jìn)電機(jī)工作在三相單三拍，此時(shí)K0,K3接高電平，K1,K2接低電平啟動(dòng)；圖5-2為步進(jìn)電機(jī)工作在三相雙三拍，此時(shí)K1,K3接高電平,K0,K2接低電平；圖5-3為步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍，此時(shí)K0,K1接低電平,K2,K3接高電平；若K4接高電平則反轉(zhuǎn)，低電平則正轉(zhuǎn)；若K5接高電平K6接低電平速度快，K5接低電平K6接高電平速度慢。這三種工作方式工作不同，三相單三拍時(shí)，通電順序?yàn)锳-B-C-

14、A;三相雙三拍時(shí)，通電順序?yàn)锳B-BC-CA-AB;三相六拍時(shí)，通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A;以上通電方式是三種工作方式正轉(zhuǎn)的情況，若要反轉(zhuǎn)，則通電方式K4反過(guò)來(lái)即可。圖5-1 步進(jìn)電機(jī)工作在三相單三拍圖5-2 步進(jìn)電機(jī)工作在三相雙三拍圖5-3 步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍6小結(jié)與體會(huì)經(jīng)過(guò)這個(gè)學(xué)期對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課的學(xué)習(xí)，使我很大程度上對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用，對(duì)各種設(shè)備的控制，有了很多切身的感悟和掌握。在一個(gè)星期的努力下，完成了本次課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)、仿真和撰寫，不僅提高了我的動(dòng)手實(shí)踐能力、動(dòng)腦思考的訓(xùn)練，還使我更靈活的學(xué)會(huì)使用Proteus這個(gè)仿真軟件；同時(shí)在完成課程設(shè)計(jì)中更加熟練地掌握了三

15、相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，及其工作原理，以及電路所用到一些芯片的工作狀況，如89C51單片機(jī)芯片和ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片以及7SEG-MPX4-CA四位共陽(yáng)二極管顯示器，熟悉了它們各自的特點(diǎn)和用途。本次課程設(shè)計(jì)涉及到了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，微機(jī)技術(shù)，數(shù)字電子技術(shù)等眾多知識(shí)。需要我們把各個(gè)學(xué)科之間的知識(shí)融合起來(lái)，形成一個(gè)整體。這是我明白的學(xué)科的聯(lián)系和知識(shí)的整體性。這不僅提升了我的專業(yè)思維，更讓我享受了一番知識(shí)的旅行。參考文獻(xiàn)1 于海生編著.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20052 譚浩強(qiáng)編著.C程序設(shè)計(jì)（第三版）.北京：清華大學(xué)出版社.20083 彭虎、周佩琳編著.微機(jī)原理與接口技

16、術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社.2007.4 劉教瑜、曾勇編著.單片機(jī)原理與應(yīng)用.武漢：武漢理工大學(xué)出版社.20085 頂明亮、唐前輝編著.51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真：基于keil與proteus.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.20096 徐安編著.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 北京:科學(xué)出版社. 2005.7 楊立編著.計(jì)算機(jī)控制與仿真技術(shù).北京:中國(guó)水利水電出版社. 20068 彭旭昀編著.機(jī)電控制系統(tǒng)原理及工程應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20069 楊益強(qiáng)、李長(zhǎng)虹編著.控制器件.北京：中國(guó)水利水電出版社.2005附錄#include<reg51.h> void delay(void); v

17、oid display(int); sbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbit P1_6=P16;sbit P1_7=P17;int bushu=0; int cishu=5; main() char a,b,c,d,j,*q, done18=0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x02,0x00, done28=0x03,0x06,0x05,0x00,0x03,0x05,0x06,0x00, done314=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0

18、x02,0x03,0x00; L: a=P3; while(!(a&0x08) /判斷是否啟動(dòng)，若沒(méi)啟動(dòng)則重新啟動(dòng) P1_6=0; /紅燈亮，黃綠燈滅 P1_7=0; a=P3; a=P3; /判斷工作模式 if(a&0x01) q=done1; /方式1模型 if(a&0x02) q=done2; /方式2模型 if(a&0x04) q=done3; /方式3模型 if(a&0x20) cishu=5; /控制脈沖次數(shù)，即速度 if(a&0x40) cishu=50; if(a&0x10) /判斷電機(jī)是否要正轉(zhuǎn) P1_6=1; /P3.4口為1，電機(jī)正轉(zhuǎn)，綠燈亮 P1_7=0; b=0; else P1_7=1; /P3.4口為0，電機(jī)反轉(zhuǎn)，黃燈亮 P1_6=0; if(a&0x04)b=7; else b=4; d=b; while(1) c=*(q+b); if(c=0)b=d; /判斷電機(jī)步數(shù)是否走完步數(shù)走完，電機(jī)重新再走 else P1_0=c&0x01; P1_1=c&0x02; P1_2=c&am