基于單片機步進電機轉(zhuǎn)動速度-角度的簡單鍵盤控制設(shè)計

北方民族大學(xué)論文題目:基于單片機步進電機控制系統(tǒng)院(部)名稱:電氣信息工程學(xué)院組長姓名:=專業(yè):測控技術(shù)與儀器學(xué)號:20230259指導(dǎo)教師姓名:組員：論文提交時間:論文辯論時間:學(xué)位授予時間:北方民族大學(xué)教務(wù)處制摘要隨著微電子和計算機技術(shù)的開展步進電機的需求量與日俱增它廣泛用于打印機、電動玩具等消費類產(chǎn)品以及數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中其在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進電機的控制系統(tǒng)對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。步進電機是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件步進電機控制系統(tǒng)主要由步進控制器,功率放大器及步進電機等組成。采用單片機控制,用C語言編寫軟件代替上述步進控制器,使得線路簡單,本錢低,可靠性大大增加。軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進電機勵磁序列來控制各種步進電機的運行方式。本設(shè)計是采用AT89C51單片機對步進電機的控制，通過I/O口輸出的時序方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動步進電機。實踐證明，基于單片機控制的步進電機比傳統(tǒng)的步進控制器具有更好的性能更加簡單、方便、可靠。本設(shè)計的主要研究對象就是開環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件———步進電機。關(guān)鍵詞：步進電機單片機正反轉(zhuǎn)控制速度控制角度控制LED發(fā)光二極管目錄TOC\o"1-3"\h\u1560前言⑤可反復(fù)進行系統(tǒng)試驗。使用方便是ATMEL公司89系列單片機被廣泛應(yīng)用的一個主要因素。一般的OTP產(chǎn)品，一旦錯誤編程就成了廢品，而89系列單片楓內(nèi)部采用了Flash存儲器，所以，錯誤編程后仍可以重新編程，直到正確為止。其次是它可反復(fù)進行系統(tǒng)試驗。用89系列單片枕設(shè)計的系統(tǒng)，可以反復(fù)進行系統(tǒng)試驗，每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計到達最優(yōu)，而且還可以隨用戶的需要和開展進行修改，使系統(tǒng)能不斷追髓用戶的最新要求。89系列單片機可分為標(biāo)準(zhǔn)型號，低檔型號和高檔型號。鑒于以上的優(yōu)點，經(jīng)過分析比擬，根據(jù)本課題的特點，選用ATMEL公司89系列懿標(biāo)準(zhǔn)型單片機ATC89C51。1.2步進電機及驅(qū)動的選取步進電機又稱電脈沖馬達。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當(dāng)電機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比。并在時間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。步矩角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計算：a=360°/(zm)式中：z-轉(zhuǎn)子齒數(shù);m-運行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN〔N為電動機相數(shù)，單拍時K=1，四相八拍或雙拍K=2〕。本設(shè)計步進電機采用四相五線混合式步進電機，直徑：28mm；電壓：5V；步進角度：5.625x1/64；減速比：1/64；單個重：0.04KG；5線4相可以用普通uln2003芯片驅(qū)動，也可以接成2相使用。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。例如：八拍工作方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。1.3驅(qū)動芯片的選取步進電機的驅(qū)動芯片選用ULN2003A，ULN200A電路具有以下特點：電流增益高〔大于1000〕;帶負載能力強〔輸出電流大于500mA〕;溫度范圍寬〔-40～85℃〕;工作電壓高〔大于50V〕。引出端腳的功能符號引出端序號符號功能引出端序號符號同意功能11B輸入9COM公共端22B輸入107C輸出33B輸入116C輸出44B輸入125C輸出55B輸入134C輸出66B輸入143C輸出77B輸入152C輸出8E發(fā)射極161C輸出ULN2003A型高壓大電流達林頓晶體管陣列電路的輸入脈沖占空比、輸出路數(shù)與輸出電流的關(guān)系曲線如圖3所示,從圖3可以看出,隨著輸入脈沖的占空比以及輸出路數(shù)的增加,允許的輸出電流隨之降低,也就是說：電路的輸出路數(shù)的增加將導(dǎo)致電路的驅(qū)動能力下降。圖4所示為ULN2003A電路輸出電流Ic、輸出電壓VCE和輸入電流I1三者之間的關(guān)系曲線,從圖4可以看出,隨著輸入電流的增加,輸出電壓隨之降低,而隨著輸出電流的增加,輸出電壓也隨之增加。ULN2003A主要電特性特性符號條件

〔假設(shè)無其它規(guī)定,TA=-40～85℃〕標(biāo)準(zhǔn)值單位最小最大直流放大倍數(shù)hEFVCE=2V,Ic350mA1000-集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(sat)IB=500μA,IC=350mA-1.6V箝位二極管正向電壓VFIF=350mA,輸入開路-2.0V集電極截止電流ICEXVCE=50VIi=0mA-50μAVi=6V-500μA箝位二極截止電流IFEXVF=50VTA=25-50μAVi=85-100μA集電極最大電壓Vamx空載50-V集電極最大電流ImaxVCE=2V500-mA開態(tài)延遲時間tonVCE=5V,16kHz的方波輸入-1.0μS關(guān)態(tài)延遲時間toffVCE=5V,16kHz的方波輸入-1.0μS2.單片機的主要系統(tǒng)電路2.1時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比擬穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式，如下圖在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反響元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。圖中外接晶體以及電容C2和C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30PF左右，晶振頻率選12MHz。 30PF ATC89C51 ATC89C51 XTAL2 VCCGND 12M 10UF RESET GND 30PF XTAL1 1KΩ 時鐘電路復(fù)位電路2.2復(fù)位電路為了初始化單片機內(nèi)部的某些特殊功能存放器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機的復(fù)位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位。但如果RST引腳上持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入／輸出(I／O)端口存放器置為FFH，堆棧指針SP置為07H，SBUF內(nèi)置為不定值，其余的存放器全部清0，內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時RAM的內(nèi)容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(開關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。3.軟件設(shè)計3.1軟件流程圖系統(tǒng)軟件程序設(shè)計主要包括：主程序設(shè)計．鍵盤掃描，電機控制正反轉(zhuǎn)，速度，角度控制程序等。 開始鍵盤掃描 總開關(guān)是否翻開 否是角度檔位設(shè)置與轉(zhuǎn)速按鍵設(shè)置 步進電機正反轉(zhuǎn)選擇角度 對應(yīng)的指示燈亮是 啟開工作對應(yīng)的指示燈亮 是 結(jié)束步進電機停止工作對應(yīng)的指示燈熄滅3.2語言軟件的選取本系統(tǒng)下位機以單片機為核心，采用C語言編程。C語言是書寫程序的一種軟件語言，它是計算機軟件設(shè)計的重要工具。在系統(tǒng)軟件開發(fā)、實時控制的和實時處理領(lǐng)域中有著不可替代的地位。用C語言編程使編程簡潔易懂，進而進行高質(zhì)量的設(shè)計，而且它不獨立于具體機器，是一種非常通用的高級程序設(shè)計語言，采用C語言編程，因此，在已經(jīng)有眾多高級語言和可視化集成開發(fā)環(huán)境工具的今天，C語言有著重要的有效的程序設(shè)計語言地位。仿真仿真使用protues軟件，仿真圖如下元件清單ATC89S51單片機，九個開關(guān)四個LED二極管，四個三極管，一個12M晶振，電容兩個，排阻一件，ULN2003A,步進電機。結(jié)論經(jīng)過這個學(xué)期對微機的深入學(xué)習(xí)，并且在老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下，我們終于完成了四相步進電機設(shè)計課程。從書本上的知識到自己親手的課程設(shè)計，每一步對我們來說無疑是巨大的嘗試和挑戰(zhàn)，也成就了我們目前在大學(xué)期間獨立完成的最大的工程。記得在剛接到這個課題時，由于對相關(guān)知識不是很了解，我們都有些茫然不知所措。設(shè)計好一個步進電機需要什么專業(yè)知識？帶著這個疑問我們開始了地學(xué)習(xí)和實驗：去圖書館查閱相關(guān)資料、上網(wǎng)去了解相關(guān)的內(nèi)容，漸漸頭腦中的概念清晰了起來。在具體設(shè)計的過程中，我們遇到了更大的困難。我們不斷地給自己提出新的問題，然后去論證、推翻，再接著提出新的問題。在這個循環(huán)往復(fù)的過程中，我們這篇稚嫩的設(shè)計日臻完善。雖然我們的設(shè)計作品不是很成熟，即使借鑒前人的很多資料仍然還有很多缺乏之處，但我仍然心里有一種莫大的幸福感，因為我們實實在在地走過了一個完整的設(shè)計所應(yīng)該走的每一個過程，并且享受了每一個過程。致謝首先，我們要感謝毛老師指導(dǎo)，毛老師在各個方面都給予了我無微不至的關(guān)心和幫助，他對工作一絲不莓，嚴謹治學(xué)的態(tài)度，使我深受啟發(fā)和感動，在此表達對他的深深敬意和感謝之情。同時還要感謝我的組員同學(xué)積極和配合上，并向所有幫助和關(guān)心著我們的老師和同學(xué)們，在此道一聲謝謝。參考文獻單片機原理與接口技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電路C語言教程附件1.C語言程序局部:#include<reg52.h>#include<intrins.h>typedefcharint8;typedefunsignedcharuint8;typedefunsignedintuint16;sbitKeyin_1=P0^3;sbitKeyin_2=P0^4;sbitKeyin_3=P0^5;sbitD1=P2^0;sbitD2=P2^1;sbitD3=P2^2;sbitD4=P2^3;/*================延時函數(shù)==================*/voiddelay_1(uint8dat){while(dat--);}/*================鍵盤函數(shù)=================*/uint8keyboard_1(void){ staticuint8dat=0; uint8a[]={0XFe,0XFd,0XFb},i, b[3][3]={1,2,3, 4,5,7, 9,11,15}; for(i=0;i<3;i++) { P0=a[i]; if(!Keyin_1) { delay_1(20); if(!Keyin_1) { dat=b[i][0]; while(!Keyin_1); returndat; } } if(!Keyin_2) { delay_1(20); if(!Keyin_2) { dat=b[i][1]; while(!Keyin_2); returndat; } } if(!Keyin_3) { delay_1(20); if(!Keyin_3) { dat=b[i][2]; while(!Keyin_3); returndat; } } } return0;}/*===================角度速度控制函數(shù)=============*/voidmotor_1(uint8dat){ int8i,a[]={0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9}; staticbitON=0,RL=0,ST=0; staticuint16K=8,L=64,M=0,N=0; P1=0X00; if(dat==1){ON=~ON;D1=~D1;} if(ON) { if(dat==2){RL=~RL;D2=~D2;} if(dat==3){if(L==64)L=8;elseL=64;D3=~D3;} if(dat==4)K--; if(dat==5)K++; if(dat==15)ST=1; M=L*K; if(dat>5&&dat<13)N=23*dat; if(!RL) { if(ST)while(M--) { for(i=0;i<8;i++) { D4=0; P1=a[i]; delay_1(N); } if(keyboard_1()==1){ON=0;break;} } } if(RL) { if(ST)while(M--) { for