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单片机实现的步进电机控制系统设计【1张CAD图纸+毕业论文】

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单片机 实现 步进电机 机电 控制系统 设计 cad图纸 毕业论文
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单片机实现的步进电机控制系统设计

43页 14000字数+说明书+任务书+开题报告+文献综述+1张CAD图纸【详情如下】

任务书.doc

单片机实现的步进电机控制系统文献综述.doc

单片机实现的步进电机控制系统设计开题报告.doc

单片机实现的步进电机控制系统设计论文.doc

外文翻译--模拟单片机外设的高级共仿真和综合.doc

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目 录

第1章  绪论1

第2章  方案论证比较设计5

2.1单片机概述5

2.2步进电机的工作原理6

2.3单片机控制步进电机的设计思路9

第3章  控制系统的硬件电路设计10

3.1 SPCE061A的介绍10

3.1.1 性能11

3.1.2 结构12

3.1.3芯片的引脚排列和说明12

3.1.4 SPCE061A单片机硬件结构14

3.1.5 μ’NspTM的核心结构15

3.2步进电机的选择17

3.3 步进电机的驱动电路设计18

3.4数码管显示电路的设计20

3.5 4X4键盘电路的设计21

第4章 控制系统的软件设计24

4.1 控制脉冲的产生24

4.2 步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系25

4.3 步数的确定27

4.4 步进电机的变速控制29

4.5 语音报数33

第5章  结论35

参考文献36

致谢38

附录39

摘  要

单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机主要应用于控制领域，由于其具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用[1]。

步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,实质上是一种数字/角度转换器步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成.步进控制器由缓冲寄存器,环形分配器,控制逻辑及正,反转控制门等组成,能把输入的脉冲转换成环形脉冲,以便控制步进电机,并能进行正反向控制.但由于步进控制器线路复杂.成本高.采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加,灵活改变步进电机的控制方案,无需逻辑电路组成时序发生器.软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式并可实现一台单片机控制多台电机.提供灵活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁琐的控制易于实现,尤其在本系统中更显示出微机控制的优越性。

本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用 4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。

关键词： 单片机  步进电机

ABSTRACT[2]

 The single slice of microcomputers is abbreviated as the one-chip computer. It is every function part which makes up the microcomputer: Central processing unit, CPU, arbitrary access memory RAM , read-only memory ROM,, I/O interface circuit , timer / counter and serial communication interface ,etc. make in the integrated chip together, form an intact microcomputer. One-chip computer apply controlled field to mainly, because it have dependability high , small , price low , easy commercialization ,etc. characteristic, therefore won extensive application in fields of automatic control such as intellectual instrument and apparatus , real-time industrial control , intelligent terminal , communication equipment , navigation system , household appliances ,etc.

It is that one kind can change the electric pulse signal into a electromechanical component of angle displacement or line displacement to walk into the electrical machinery, it is a kind of figure / angle converter that is walked into the control system of the electrical machinery to mainly walk into the controller in fact, power amplifier and walking into the electrical machinery ,etc. make up . Walked into the controller to buffer the register , the annular distributor, control logic and, overturn , control door ,etc. make up , can change the pulse input into into an annular pulse , in order to control , walk into electrical machinery , can carry on positive and negative to control. But because walk into the controller circuit complicatedly. With high costs. Adopt one-chip computer control , replace with software described above to walk into the controller , make the circuit simple, with low costs, dependability increases greatly, change the control scheme of walking into the electrical machinery flexibly , do not need logical circuit to make up the time sequence generator . Software programming very flexible to produce , walk into electrical machinery excitation array come , control various operation way to walk into electrical machinery and can realize one machine control many sets of electrical machinery while being different kinds of. It is easy to realize to offer the flexible control means and improving the precision of controlling to complicated and tedious control, demonstrate the superiority that the computer controls especially in this system even more.

   Design , adopt , insult male genital 16 one-chip computer SPCE061A to walk into electrical machinery control originally, square wave with time sequence as the control signal of walking into the electrical machinery through what IO mouth is outputted, the signal drives and walks into the electrical machinery through the chip L298N; Meanwhile , come state in electrical machinery go on , control with keyboard of 4X4 , in charge of rotational speed to reveal electrical machinery with number, adopt 74LS164 urge as 4 single number display that in charge of , from the input signal of the one-chip computer; Utilize the pronunciation function of insulting the open one-chip computer to report the rotational speed of the electrical machinery.

Keyword: One-chip computer Walk into the electrical machinery

2.1单片机概述[6]

  电子计算机是20世界纪40年代发展起来的新技术之一，它的出现是科学技术产生了一场深刻的革命。特别是自1971年以来，随着大规模集成电路的发展，又出现了微型计算机。它对发展现代化的工业、农业、国防和科学技术具有极其巨大的推动作用。作为微型机控制系统的组成，主要分为两大部分，硬件和软件。硬件是指微型计算机本身及其外围设备;软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用程序。

2.1.1硬件

   硬件是由主机、接口电路及外部设备组成的。各个系统采用硬件的数量也不相同，而且，各个系统可以根据需要任意扩展，也为计算机的广泛应用提供条件。

   1)主机。它是计算机空着系统的主要部分，通过接口它向外部发出各种命令，同时它还可以进行巡回检测、数据的处理及计算、报警处理、逻辑判断等功能。

   2)接口及输入输出通道。它是主机和被控对象信息交换的桥梁。一般根据功能及传送数据的方法可分为:(1)并行接口，如PIO; (2)串行接口，如SIO; (3)直接数据传送，如DMA;   (4)实时时钟，如CTC。

   3)通用外部设备。包括显示器、打印机、存储器等，这些设备极大地扩充了主机的功能。

   4)检测设备及操作台。检测设备的主要作用是将被检测参数的非电量变成电量，而通过操作台人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作指令等。

5)执行机构。比如说，步进电机和马达等，常见的执行机构有电动、气动和液动等形式。

2.1.2软件

   软件是指能完成各功能的计算机程序的总合，如操作、监控、控制、计算和自诊断等。因此，软件的分类也很多，就语言来分，可分为机器语言、汇编语言和高级语;就功能来分，可以分为系统软件、应用软件及数据库。系统软件专门用来使用管理计算机本身的程序;应用软件是面向用户本身的程序;数据库及数据库管理系统主要用于大量的数据管理及资料检索系统。

2.2步进电机的工作原理[7]

步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。在数控机床、绘图机、打印机等方面应用广泛。它也可以看作是一种特殊的同步电机;它具有快速起停、精确步进及直接接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。

   本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。如图2-1所示，电机的定子上有6个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为60度。磁极上装有控制绕组并联成A, B, C三相。转子上均匀分布40个齿，每个齿的齿距为9度。定子每段极弧上也有5个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。每个定子磁极的极距为60度，所以每个极距所占的齿距数不是整数。当A极下的定、转子齿对齐，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即为3度。这时若给B相通电，电机中产生沿B极轴线力一向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转距(磁阻转距)的作用而转动，直到转子齿和B极上的齿对齐为止。此时，A极和C极下的齿又分别与转子齿相错三分之一的转子齿距。由此可见:错齿是促使步进电机旋转的根本原因。单片机控制系统的步进电机，自动化程度高、成本低、体积小、控制精确等优点，有很好的经济效益和广阔的发展前景。单片机控制系统的研制成功，是步进电机发展中的一次较大的进步，它表明了目前正在使用的许多PLC控制系统完全可以由单片机控制系统所代替。

应该说这次课程设计还是基本达到了设计的要求，但是也存在着未能解决的问题，由于在执行语音程序时对资源的消耗比较大，在语音报数的时候会中断步进电机驱动信号的输出，导致电机停转。为此，我们修改了方案，使用了两块单片机，通过双机通讯来传递信号，遗憾的是问题仍然没有得到解决。 这次步进电机的综合实验我们学到了步进电机、数码管、4*4键盘、语音报数和双机通讯的使用，更重要的是学会了程序出问题时调试的方法，并养成了Debug的习惯，学到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。

参考文献

[1]《单片机原理接口与应用》    高等教育出版社    黄遵喜编

[2]《智能化测量仪表原理与设计》  北京航空航天大学出版社 徐爱均编

[3]《MCS-51单片机应用设计》  哈尔滨工业大学出版社  张毅钢编

[4]  国产集成电路应用500例    电子工业出版社       主编周衍仲等

[5]  于海生等，《微型计算机控制技术》[M]北京：清华大学出版社，1999版。

[6]《单片机基础》         北京航空航天大学出版社  李广弟 朱月绣编

[7] 《步进电机应用基础》  北京航空航天大学出版社 徐爱均编

[8]  于设计中的电气主接线图、主要设备的原理图等，我们将采用AUTOCAD软件进行绘制。

[9]《凌阳16位单片机应用基础》         大川康介编

[10]《单片机实用接口技术》            王语  张盛诚 编

[11]《凌阳16位单片机编程教程》  陈震华编

[12]《MCS-51系列微型计算机原理与应用》北京航空航天大学出版社  李巡编

[13]  单片机仿真实验系统实验指导书   江苏启东同创单片机厂  主编陈向辉等。

[14]《单片机应用系统设计》           北京航空航天大学出版社  何立民编

[15]  谢自美《电子线路设计、实验、测试（第二版）》[M]武汉：华中理工大版社，2000版。

[16]  薛钧义，张彦斌，樊波等《凌阳十六位单片机原理及应用》[M]北京：北空航天大学出版社，2003版。

[17]  优质电子元器件实用手册(上)     电子工业出版社

[18]  优质电子元器件实用手册(下)     电子工业出版社

[19]《单片微型机原理、应用与实验》  复旦大学出版社 赵志英 张友德编

[20]《单片机应用程序设计技术》 北京航空航天大学出版社 周航慈编

内容简介：
毕业设计(论文)任务书学生姓名 _韩安宝 指导教师_黄云龙、廖东进、朱秋琴 职称副教授、助教、助教 系别_信息与电子工程系_专业 电气 年级 03级_班级 课题名称 单片机实现的步进电机控制系统设计 任务与要求：一、 设计（论文）要求：本课题的主要任务是通过单片机控制系统,实现对步进电机工作状态的控制。具体设计方案如下：本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。设计的主要内容和要求：1、 根据所选的课题，参考一些优秀的学习网站，完成该课题的建设。2、 参与该课题的各位同学必须分工合作。在设计中既要有自己一定的工作量，同时具备良好的团队合作精神。3、 毕业设计论文体现了毕业设计的质量，所以各位同学必须在论文中体现自己在毕业设计中所采用的方法、思想以及设计策略。论文的格式包括：（1）中英文摘要（2）目录（3）正文（4）致谢（5）参考文献（6）附录。论文书写要求语言精练、简洁，表达力求准确，字数12000以上，最后要求用A4开纸打印，并装订成册，形成书目结构。4、 在整个设计当中要严格按照学校和系部的各种规章制度和要求，按时完成所要求完成的任务。二、 设计（论文）条件：提供设计所需的书籍、计算机、单片机设计所需的设备等。三、 设计（论文）资料：提供步进电机、单片机设计等相关所需资料。四、 设计（论文）教学要求：（可以同一专业相同）要求同学们有较强的学习和自学能力，能根据需要查找资料，独立思考和设计。要求同学熟悉步进电机的工作原理并具有一定的单片机设计能力。五、 设计（论文）进度安排：（可以同一专业相同）第01周至第02周：查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），了解步进电机的工作原理以及单片机设计内容，收集相关资料；第03周至第03周：完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕业设计；第04周至第08周：完成控制系统的硬件设计；第09周至第12周：完成控制系统的软件设计；第13周至第13周：软件和硬件的调试；第14周至第15周：整理相关资料，完成毕业设计（论文）手稿及最终电脑打印的毕业论文；第16周至第16周：毕业设计（论文）小组答辩；第17周至第17周：答辩。六、 学生分组名单 张加正、陈思宇、韩安宝浙江工业大学浙西分校信电系毕业论文（文献综述）单片机实现的步进电机控制系统文献综述一、引言 近十几年来，单片机在生产过程控制、白动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室白动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定句、汽车火花控制、交通白动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 单片机并没有超脱冯诺依曼原理下的计算机的结构框架和工作原则，而是着眼于应用到更广阔的范围:工业控制、数字显示、智能仪表、电子设备、汽车电控、农机、家电乃至儿童玩具的控制。它不求规模大，只求小而全。厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口(Interface)。在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机5。 MCS-51系列中的一片8751芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令;CPU时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要4Ns;具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。 一般微处理器和有关元器件分军用和民用两级，民用产品主要用于办公室及机房环境，工作温度在0到700 ,军用产品要求在恶劣环境条件下稳定工作，工作温度在-65到+125;工业级产品的性能介于以上两者之间，在-40到+85温度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，而价格较军用品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统可靠性。 近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成的Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的单片机白然成为机电一体化控制器的最佳选择。 单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段6: 第一阶段:1971-1974年，4位微处理器工ntel 4004及8位微处理器工ntel 8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。 第二阶段:1974-1978年，初级单片机阶段，以工ntel公司的MCS-48为代表，8位单片机。 第三阶段:1978-1983年，高性能单片机阶段。以intel公司的MCS-51, Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，有的片内还带有A/D转换器接口，片内RAM, ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。第四阶段:1983年至今，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。例如Mostek公司的MK6800、intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度为12万只品体管/片，寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等，另外MCS-96指令能处理位、字节、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。单片机己经进入一个崭新的阶段。二、步进电机的概况 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。 由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。步进电机的原理7：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。为此,CS51测试网在腾龙开发套件中首次引入了步进电机技术，方便用户应用掌握。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。三、控制系统的设计 单片机控制步进电机的程序的编制步进电机控制程序设计的主要问题有三个: 第一，控制脉冲的产生; 第二，步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系; 第三，步数的确定。 作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以从这三个问题入手: 1、控制脉冲的产生 在单片机控制步进电机时，一般来讲，控制脉冲是用软件产生的。方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。延时时间的长短由步进电机的土作频率决定。 2、步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。现在常用的通电方式主要有三种: 1)三相单三拍:A-B-C-A; 2)三相双三拍:AB-BC-CA-AB; 3 )三相六拍:A-AB-B-BC-C-CA-A。 按以上顺序通电，步进电机正传，按相反方向通电，步进电机反转。因此，产生时序脉冲的方法是: (1)利用单片机8751的P1端口，即用P1.0, P1.1, P1.2分别控制三相步进电机的A, B, C三相绕组; (2)根据控制模式写出控制模型; (3)按控制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。3、步数的确定步进电机运行的步数可由步距角和需要转过的角度来计算7: 式中：步距角; 转子齿数; 拍数(一般三拍时=或六拍时=2); 控制绕组相数，=3。4、步进电机的变速控制上面给的程序流程图是步进电机的恒速运转方式。一般来讲，步进电机的一个弱点，就是运行中丢步，为了使步进电机在运行中不出现丢步现象，一般要小于或等于步进电机“响应频率”人，在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或反转而不发生失步现象。这个频率通常比较低。当步进电机走过的距离比较长时，需要低速启动，高速运转，然后降低速度，最后停止。这样就解决了“快速而不失步”的矛盾。那么实现变速控制的基本思想是改变控制频率。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机的特性有：1，步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2，腾龙版步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度， 需要48 个脉冲完成3，步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 4，改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 四、结论总而言之，用单片机来控制步进电机，它的优点是体积小、重量轻、耗能省、价格也低，比起用PLC控制的可靠性高，通用灵活，方便简洁，只需输入程序来控制步进电机的状态，自动化程度高，精度高，在生产制造中得到充分的应用，是比较实用的一种控制系统。参考文献1 单片机基础 北京航空航天大学出版社 李广弟 朱月2 单片机应用程序设计技术 北京航空航天大学出版社 周航慈编3 微型计算机控制技术M北京：清华大学出版社，1999版。于海生等编 4 MCS-51系列微型计算机原理与应用北京航空航天大学出版社 李巡编5 MCS-51单片机应用设计 哈尔滨工业大学出版社 张毅钢编6 MCS-51/98单片机原理与应用 机械工业出版社 赵长德 李华 李东编7 步进电机应用技术 北京航空航天大学出版社 周航慈编信息与电子工程系毕业论文(开题报告) 浙 江 工 业 大 学 浙 西 分 校毕业设计 (论文)开题报告信 电 系 电 气 技 术 专业0 3 级课题名称：单片机实现的步进电机控制系统 毕业设计(论文)起止时间：学生姓名： 指导教师： 报告日期： 1本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述一、单片机的发展状况1 十几年来，单片机在生产过程控制、白动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室白动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定句、汽车火花控制、交通白动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 单片机不求规模大，只求小而全。厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口(工nterface)。在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机 MCS-51系列中的一片8751芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令;CPU时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要4Ns;具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。 一般微处理器和有关元器件分军用和民用两级，民用产品主要用于办公室及机房环境，工作温度在0到700 ,军用产品要求在恶劣环境条件下稳定工作，工作温度在-65到+125;工业级产品的性能介于以上两者之间，在-40到+85温度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，而价格较军用品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统可靠性。 近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成的Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的单片机白然成为机电一体化控制器的最佳选择。单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段10: 第一阶段:1971-1974年，4位微处理器工ntel 4004及8位微处理器工ntel 8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。 第二阶段:1974-1978年，初级单片机阶段，以工ntel公司的MCS-48为代表，8位单片机。 第三阶段:1978-1983年，高性能单片机阶段。以工ntel公司MCS-51,Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，有的片内还带有A/D转换器接口，片内RAM, ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。第四阶段:1983年至今，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度为12万只晶体管片，寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等，另外MCS-96指令能处理位、字节、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。单片机己经进入一个崭新的阶段。 二、步进电机的发展状况2步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。2设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为永磁式步进电机（简称PM）、反应式步进电机（简称VR）和混合式步进电机（简称HB）：永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。1、步进电机的控制方法及原理4步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,实质上是一种数字/角度转换器步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成.步进控制器由缓冲寄存器,环形分配器,控制逻辑及正,反转控制门等组成,能把输入的脉冲转换成环形脉冲,以便控制步进电机,并能进行正反向控制.但由于步进控制器线路复杂.成本高.采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加,灵活改变步进电机的控制方案,无需逻辑电路组成时序发生器.软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式并可实现一机控制多台电机.提供灵活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁琐的控制易于实现。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2、进电机的主要特性6（1）步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比.（2）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 （3）改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 （4）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（5）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。单片机控制步进电机的设计思路7步进电机控制系统的组成如图4.1所示：图4.1 控制系统图3、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路8 步进电机控制程序设计的主要问题有三个：第一、控制脉冲产生；第二、步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系；第三、步数的确定。 作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以从这三个问题入手： （1）控制脉冲的产生 在单片机控制步进电机时，一般来讲，控制是用软件产生的。方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。延时时间的长短由步进电机的工作频率决定。（2）步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系产生时序脉冲的方法是: 1 单片机的IO端口，分别控制三相步进电机的A, B, C三相绕组; 2 控制模式写出控制模型; 2 制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。（3）步数的确定步进电机运行的步数可由步距角和需要转过的角度来计算:式中：步距角; 转子齿数; 拍数(一般三拍时=或六拍时=2 ); 控制绕组相数，=34完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法。1 电子线路设计、实验、测试（第二版）M武汉：华中理工大学出版社，2000版. 谢自美编2 凌阳十六位单片机原理及应用M北京：北京航空航天大学出版社，2003版. 薛钧义，张彦斌，樊波等编EB/01 . EB/02 3 微型计算机控制技术M北京：清华大学出版社，1999版。于海生等编 4 优质电子元器件实用手册(上) 电子工业出版社5 优质电子元器件实用手册(下) 电子工业出版社6 单片机实用接口技术 王语 张盛诚 编7 单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 何立民编8 单片机基础 北京航空航天大学出版社 李广弟 朱月绣编9 MCS-51系列微型计算机原理与应用北京航空航天大学出版社 李巡编10 智能化测量仪表原理与设计 北京航空航天大学出版社 徐爱均编11 MCS-51单片机应用设计 哈尔滨工业大学出版社 张毅钢编12 单片微型机原理、应用与实验 复旦大学出版社 赵志英 张友德编13 MCS-51/98单片机原理与应用 机械工业出版社 赵长德 李华 李东编14 单片机应用程序设计技术 北京航空航天大学出版社 周航慈编5设计(论文)完成进度计划第1、2 周：下达设计任务书，布置课题，借阅参考书，完成开题报告。第3、6、10周：方案的论证和确定第4、5周：软件硬件的选择第7、8 周：硬件电路的设计第9、10周：软件的设计第11、12周：写总的程序第13、14周：设计总的图纸第15 周：论文的修改第16 、17周：画电路图和打印图纸6指导教师审阅意见 符合现实的需要，同意开题。指导教师(签字)： 年 月 日7教研室主任意见 教研室主任(签字)： 系(签章) 年 月 日说明：1. 本报告必须由承担毕业设计(论文)课题任务的学生在接到“毕业设计(论文)任务书”、正式开始做毕业设计(论文)的第2周或第3周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。2.每个毕业设计(论文)课题撰写本报告一份，作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题任务的依据，并接受学校的抽查。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）题目：单片机实现的步进电机控制系统设计作者： 系 （部）： 信电系 专业班级： 指导教师： 职称： 2006年6月7 日38目 录第1章 绪论1第2章 方案论证比较设计52.1单片机概述52.2步进电机的工作原理62.3单片机控制步进电机的设计思路9第3章 控制系统的硬件电路设计103.1 SPCE061A的介绍103.1.1 性能113.1.2 结构123.1.3芯片的引脚排列和说明123.1.4 SPCE061A单片机硬件结构143.1.5 NspTM的核心结构153.2步进电机的选择173.3 步进电机的驱动电路设计183.4数码管显示电路的设计203.5 4X4键盘电路的设计21第4章 控制系统的软件设计244.1 控制脉冲的产生244.2 步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系254.3 步数的确定274.4 步进电机的变速控制294.5 语音报数33第5章 结论35参考文献36致谢38附录39摘 要单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机主要应用于控制领域，由于其具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用1。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,实质上是一种数字/角度转换器步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成.步进控制器由缓冲寄存器,环形分配器,控制逻辑及正,反转控制门等组成,能把输入的脉冲转换成环形脉冲,以便控制步进电机,并能进行正反向控制.但由于步进控制器线路复杂.成本高.采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加,灵活改变步进电机的控制方案,无需逻辑电路组成时序发生器.软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式并可实现一台单片机控制多台电机.提供灵活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁琐的控制易于实现,尤其在本系统中更显示出微机控制的优越性。本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用 4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。 关键词： 单片机 步进电机 ABSTRACT2 The single slice of microcomputers is abbreviated as the one-chip computer. It is every function part which makes up the microcomputer: Central processing unit, CPU, arbitrary access memory RAM , read-only memory ROM, I/O interface circuit , timer / counter and serial communication interface ,etc. make in the integrated chip together, form an intact microcomputer. One-chip computer apply controlled field to mainly, because it have dependability high , small , price low , easy commercialization ,etc. characteristic, therefore won extensive application in fields of automatic control such as intellectual instrument and apparatus , real-time industrial control , intelligent terminal , communication equipment , navigation system , household appliances ,etc.It is that one kind can change the electric pulse signal into a electromechanical component of angle displacement or line displacement to walk into the electrical machinery, it is a kind of figure / angle converter that is walked into the control system of the electrical machinery to mainly walk into the controller in fact, power amplifier and walking into the electrical machinery ,etc. make up . Walked into the controller to buffer the register , the annular distributor, control logic and, overturn , control door ,etc. make up , can change the pulse input into into an annular pulse , in order to control , walk into electrical machinery , can carry on positive and negative to control. But because walk into the controller circuit complicatedly. With high costs. Adopt one-chip computer control , replace with software described above to walk into the controller , make the circuit simple, with low costs, dependability increases greatly, change the control scheme of walking into the electrical machinery flexibly , do not need logical circuit to make up the time sequence generator . Software programming very flexible to produce , walk into electrical machinery excitation array come , control various operation way to walk into electrical machinery and can realize one machine control many sets of electrical machinery while being different kinds of. It is easy to realize to offer the flexible control means and improving the precision of controlling to complicated and tedious control, demonstrate the superiority that the computer controls especially in this system even more. Design , adopt , insult male genital 16 one-chip computer SPCE061A to walk into electrical machinery control originally, square wave with time sequence as the control signal of walking into the electrical machinery through what IO mouth is outputted, the signal drives and walks into the electrical machinery through the chip L298N; Meanwhile , come state in electrical machinery go on , control with keyboard of 4X4 , in charge of rotational speed to reveal electrical machinery with number, adopt 74LS164 urge as 4 single number display that in charge of , from the input signal of the one-chip computer; Utilize the pronunciation function of insulting the open one-chip computer to report the rotational speed of the electrical machinery.Keyword: One-chip computer Walk into the electrical machinery 第1章 绪论近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定句、汽车火花控制、交通白动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 单片机不求规模大，只求小而全。厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口(Intel)。在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机 MCS-51系列中的一片8751芯片3，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令;CPU时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要4Ns;具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的单片机白然成为机电一体化控制器的最佳选择。 单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段4: 第一阶段:19711974年，4位微处理器工intel 4004及8位微处理器工intel 8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。 第二阶段:19741978年，初级单片机阶段，以工intel公司的MCS-48为代表，8位单片机。 第三阶段:19781983年，高性能单片机阶段。以工Intel公司的MCS-51, Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，有的片内还带有A/D转换器接口，片内RAM, ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。 第四阶段:1983年至今，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度为12万只品体管/片，寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等，另外MCS-96指令能处理位、字节、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。单片机己经进入一个崭新的阶段。步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。 由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。微电子技术的飞速发展，带动了机械加工技术的飞速发展。而在其发展过程中，最显著的特点是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。 随着现代电子科学的不断发展与进步，电子计算机已深深介入机械制造的各个领域，诞生了一系列机、电、计算机一体化的新产品5。 同时微电子技术的不断发展，数控系统也在不断地更新换代，先后经历了电子管（1952年）、晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬接线（硬线）数控系统，一般称为普通数控系统，简称NC。70年代初，随着计算机技术的发展，使小型计算机的价格急剧下降，采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统，不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统又称为软接线（软线）数控，即计算机数控系统，简称CNC。1974年制成以微处理机为核心的数控系统，称为第五代微型机数控系统，简称MNC。 随着机电产品对负载精度要求的提高，原有的PLC控制系统的步进电机已很难满足不断发展的机电产品的要求。PLC控制系统的步进电机存在成本高，工作方式单一和人机交互不便等缺点。为解决此问题，我们研制了一种能代替PLC控制系统的新的控制系统-基于单片机的步进电机控制系统。本文论述了基于单片机的步进电机控制系统的设计方法和研制过程，包括:硬件设计、软件设计、可靠性设计等方面。硬件电路用凌阳16位SPCE061A单片机、先进的接口技术和大规模集成电路设计而成。软件程序用SPCE061A汇编语言写成。利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态的自动控制和精确控制。利用单片机输出的CP脉冲和方向信号，改变对步进电机绕组的通电方式和通电顺序，来准确控制步进电机的正转、反转，步距精度等工作状态，方便良好的人机界面是用4x4键盘/数码管显示来实现的。单片机控制系统的步进电机，自动化程度高、成本低、体积小、控制精确等优点，有很好的经济效益和广阔的发展前景。单片机控制系统的研制成功，是步进电机发展中的一次较大的进步，它表明了目前正在使用的许多PLC控制系统完全可以由单片机控制系统所代替。第2章 方案论证和比较2.1单片机概述6 电子计算机是20世界纪40年代发展起来的新技术之一，它的出现是科学技术产生了一场深刻的革命。特别是自1971年以来，随着大规模集成电路的发展，又出现了微型计算机。它对发展现代化的工业、农业、国防和科学技术具有极其巨大的推动作用。作为微型机控制系统的组成，主要分为两大部分，硬件和软件。硬件是指微型计算机本身及其外围设备;软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用程序。2.1.1硬件 硬件是由主机、接口电路及外部设备组成的。各个系统采用硬件的数量也不相同，而且，各个系统可以根据需要任意扩展，也为计算机的广泛应用提供条件。 1)主机。它是计算机空着系统的主要部分，通过接口它向外部发出各种命令，同时它还可以进行巡回检测、数据的处理及计算、报警处理、逻辑判断等功能。 2)接口及输入输出通道。它是主机和被控对象信息交换的桥梁。一般根据功能及传送数据的方法可分为:(1)并行接口，如PIO; (2)串行接口，如SIO; (3)直接数据传送，如DMA; (4)实时时钟，如CTC。 3)通用外部设备。包括显示器、打印机、存储器等，这些设备极大地扩充了主机的功能。 4)检测设备及操作台。检测设备的主要作用是将被检测参数的非电量变成电量，而通过操作台人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作指令等。5)执行机构。比如说，步进电机和马达等，常见的执行机构有电动、气动和液动等形式。2.1.2软件 软件是指能完成各功能的计算机程序的总合，如操作、监控、控制、计算和自诊断等。因此，软件的分类也很多，就语言来分，可分为机器语言、汇编语言和高级语;就功能来分，可以分为系统软件、应用软件及数据库。系统软件专门用来使用管理计算机本身的程序;应用软件是面向用户本身的程序;数据库及数据库管理系统主要用于大量的数据管理及资料检索系统。2.2步进电机的工作原理7步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。在数控机床、绘图机、打印机等方面应用广泛。它也可以看作是一种特殊的同步电机;它具有快速起停、精确步进及直接接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。 本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。如图2-1所示，电机的定子上有6个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为60度。磁极上装有控制绕组并联成A, B, C三相。转子上均匀分布40个齿，每个齿的齿距为9度。定子每段极弧上也有5个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。每个定子磁极的极距为60度，所以每个极距所占的齿距数不是整数。当A极下的定、转子齿对齐，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即为3度。这时若给B相通电，电机中产生沿B极轴线力一向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转距(磁阻转距)的作用而转动，直到转子齿和B极上的齿对齐为止。此时，A极和C极下的齿又分别与转子齿相错三分之一的转子齿距。由此可见:错齿是促使步进电机旋转的根本原因。图2-1 步进电机的剖面图 若断开B相控制绕组，而接通C相控制绕组，这时电机中产生沿C极轴线方向的磁场。同理，在反应转距(磁阻转距)的作用下，转子安顺时针方向转过3度，使定于C极下的齿与转子齿对齐。以此类推，当控制绕组按A-B-C-A顺序循环通电时转子就沿着顺时针方向以每个脉冲转动3度的规律转动起来。若改变通电顺序，即按A-C-B-A顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动3度。这就是单三拍通电方式。若采用三相单、双六拍通电方式运行，即A-AB-B-BC-C-CA-A顺序循环通电，步距角将减小一半，即每个脉冲转过1.5度。2.2.1步进电机工作方式的选择常见的步进电机的工作方式有以下二种： 1）三相单三拍:A-B-C-A;2）三相双三拍:AB-BC-CA-AB ; 3）三相六拍:A-AB-B-BC-C-CA-A按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。这三种方式的主要区别是:电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度，六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。（1）控制步进电机换向顺序通电换向这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D相的通断。 （2）控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 （3）控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 2.3单片机控制步进电机的设计思路 典型的步进电机控制系统如图2-2所示。图2-2 典型的步进电机控制系统图8变频信号源是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的信号发生器，它为脉冲分配器提供脉冲序列。如果采用单片机来作为变频信号源，来控制步进电机，则可以发出有规律的脉冲信号，经过脉冲放大器后，为步进电机提供了一种可行的通电方式。为步进电机提供时序脉冲是单片机的主要作用，每当步进电机从脉冲输入线上得到一个脉冲，便沿时序脉冲所确定的方向进一步。设计的要求：本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。根据设计要求总体设计方案如图32所示：图2-3 总的设计图9第3章 控制系统的硬件电路设计3.1 SPCE061A的介绍10 SPCE061A是继SPTM系列产品SPCESOOA等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCESOOA不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH)。较高的处理速度使SPTM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCESOOA相比，以SPTM为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。3.1.1 性能1116 位nSPTM微处理器；工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5VCPU 时钟：0.32MHz49.152MHz ；内置2K字SRAM；内置32K FLASH；可编程音频处理；晶体振荡器;系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为 2A，3.6V2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A / B时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码 SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号；32768Hz 实时时钟；7 通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路 ICE（In- Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有 WatchDog 功能。3.1.2 结构SPCE061A的结构如图1.2所示：图3-1 SPCE061A的结构图3.1.3芯片的引脚排列和说明9SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式;它的排列如图3-2所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装。如图3-3所示。图3-2 PLCC84结构图图3-3 LQFP80结构图3.1.4 SPCE061A单片机硬件结构 SPCE061 A芯片内部集成了ICE(在线实时仿真/除错器)、FLASH(闪存)、SRAM(静态内存)、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟锁相环(PLL), ADC(模拟数字转换器), DAC(数字模拟转换器)输出、U ART（通用异步串行输入输出接曰)、SIO串行输入输出接口)、低电压监测/低电压复位等模块。在本章中我们将详细介绍各个模块的结构及应用。如图3-4所示： 图3-4 SPCE061A硬件结构图用户寄存器 SP:堆栈指针 R1-R4通用寄存器 BP基指针 SR:段寄存器 NZSC 4个标志位 DS:数据段选择控制位 PC：程序计数器 SHIFTER移位器 ALU算术逻辑单元 ADDRGEN地址编码器MUD多路选择开关3.1.5 NspTM的核心结构 nSPTM的核心由总线、ALU算术逻辑运算单元、寄存器组、中断系统及堆栈等部分组成。ALU算术逻辑运算单元nSPTM的ALU非常有特色，除了一般基本的16位算术逻辑运算，还提供了结合算术逻辑的 16 位移位运算。在数字信号处理方面，提供了高速的16 位16位乘法运算和内积(乘加)运算。16 位算术逻辑运算nSPTM与大多数 CPU一样，提供了基本的算术运算与逻辑操作指令，加法、减法、比较、补码、异或、或、与、测试、写入、读出等 16 位算术逻辑运算及数据传送操作。结合算术逻辑的 16 位移位运算nSPTM的移位运算包括：算术右移 ASR、逻辑左移 LSL、逻辑右移 LSR、旋转左移ROL 及旋转右移 ROR。nSPTM的移位器 shifter 就串接在 ALU 的前面，也就是说，操作数在经过移位处理后，马上会进入 ALU 进行算数逻辑运算。所以，nSPTM的移位指令都是复合式指令，一个指令会同时完成移位和算术逻辑运算。程序设计者可利用这些复合式的指令，撰写更精简的程序代码，进而增加程序代码密集度 (Code Density)。在微控制器应用中，如何增加程序代码密集度是非常重要的问题；提高程序代码密集度可以减少程序代码的大小，进而减少ROM或FLASH的需求，以降低系统成本与增加执行效能。16位*16 位的乘法运算和内积(乘加)运算除了普通的 16 位算数逻辑运算指令外，nSPTM还提供了高速的 16 位 16 位乘法运算指 令 MUL， 和 16 位 内 积 运 算 指 令 MULS。 二 者 都 可 以 用 于 有 符 号 数 相 乘(signed signed) 或无符号数与有符号数相乘 (unsigned signed)的运算。在nSPTMISA1.1 指令集下，MUL 指令只需花费12 个时钟周期，MULS 指令花费 10n+6个时钟周期，其中 n 为乘加的项数。例如：“MR=R2*R1 ，4”表示求 4 项乘积的和，MULS指令只需花费 46（104+6=46）个时钟周期。这两条指令大大的提升了nSPTM的数字信号处理能力。寄存器组nSPTM CPU 的寄存器组一共有 8个16 位寄存器，可分为通用寄存器和专用寄存器两大类别。通用寄存器包括：R1R4，作为算术逻辑运算的来源及目标寄存器。专用寄存器包括 SP、BP、SR、PC，是与 CPU 特定用途相关的寄存器。通用寄存器 R1-R4 (General-purpose registers)可用于数据运算或传送的来源及目标寄存器。寄存器 R4、R3 配对使用，还可组成一个 32 位的乘法结果寄存器 MR；其中 R4 为 MR 的高字符组，R3 为 MR 的低字符组，用于存放乘法运算或内积运算结果。堆栈指针寄存器 SP (Stack Pointer)SP 是用来纪录堆栈地址的寄存器，SP 会指向堆栈的顶端。堆栈是一个先进后出的内存结构，nSPTM的堆栈结构是由高地址往低地址的方向来储存的。CPU 执行 push、子程序调用 call、以及进入中断服务子程序(ISR，Interrupt Service Routine) 时，会在堆栈里储存寄存器内容，这时 SP 会递减以反映堆栈用量的增加。当 CPU 执行 pop 时、子程序返回ret、以及从 ISR 返回 reti 时，SP 会递增以反映堆栈用量的减少。nSPTM堆栈的大小限制在 2K 字的 SRAM 内，即地址为 0x0000000x0007FF 的内存范围中。基址指针寄存器 BP (Base Pointer)nSPTM提供了一种方便的寻址方式，即基址寻址方式BP+IM6；程序设计者可通过BP 来存取 ROM 与 RAM 中的数据，包括：局部变量（Local Variable）、函数参数（FunctionParameter）、返回地址（Return Address）等等。BP 除了上述用途外，也可做为通用寄存器 R5，用于数据运算传送的来源及目标寄存器。因此，在本书或程序中，BP 与 R5 是共享的，均代表基址指针寄存器。程序计数器 PC (Program Counter)它的作用与一般微控制器中的 PC 相同，是用来纪录程序目前执行位置的寄存器，以控制程序走向。CPU 每执行完一个指令，就会改变 PC 的值，使其指向下一条指令的地址。在nSPTM里，16 位的 PC 寄存器与 SR 寄存器的 CS 字段，共同组成一个 22 位的程序代码地址。状态寄存器 SR (Status Pointer)SR内含许多字段，每个字段都有特别的用途，如图 2.1所示。其中包含两个 6 位的区段选择字段: CS (Code Segment)，DS (Data Segment)，它们可与其它 16 位的寄存器结合在一起形成一个 22 位的地址，用来寻址 4M字容量的内存。 SPCE061A只有 32K字的闪存，只占用一页的存储空间，所以CS和DS字段在SPCE061A中都是设为 0。3.2步进电机的选择7 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，在设计要求中没有对步进电机提出特别的要求，因此为了设计的方便，选择受控电机为三相三线制的步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V） 3.3 步进电机的驱动电路设计12方案一：使用多个功率放大器件驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 方案二：使用L298N芯片驱动电机L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图3-5所示），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。通过比较，根据设计提出的要求，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，从经济考虑，且价格不高，故选用L298N芯片驱动电机。而使用L298N芯片时，可以用L297芯片来提供时序信号，可以节省单片机IO口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，电路也比较容易看懂，故选用后者。图3-5 用L298N芯片驱动电机图通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图36所示。 通过单片机SPCE061A的IOB8IOB13对L298N的IN1IN4口和ENA、ENB口发送方波脉冲信号，起时序图如图37所示。图3-6 进电机的驱动电路图图3-7 起时序图3.4数码管显示电路的设计13方案一：串行接法 设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，但要使用SIO，发送数据时容易控制。 方案二：并行接法 使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。 由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，因此选择了方案一。另外，使用锁存也起到节约资源的作用。数码管的显示驱动使用74LS164，通过SPCE061A的IOB0和IOB1口对DATA和CLK发送数据。如图3-8所示：图38 用74LS164驱动电路图3.5 4X4键盘电路的设计14行列式键盘的工作原理：在键盘中按键数量较多是，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图3-9所示，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，本来一个端口最多只有8个按键，现在就可以构成4x4=16个按键，比它直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线越多，区别越明显。由此可见，在需要的键数比较多时，可以采用行列式法来做键盘。在设计中，使用了标准的4x4键盘，其电路图如图3-9所示。单片机的A口低8位为键盘的接口。尽管设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，我们使用了4x4的键盘。行列式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也复杂一些图3-9所示接口电路由HEADER 8x2的引脚高、低4位构成4x4行列矩阵键盘。其中1、3、5、7引脚作为键盘的扫描输出口线；9、11、13、15引脚作为键盘的输入口。为判断是否有键按下，所有的输出口向行线输出低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有按键按下了。结合图3-9所示，检测的方法是引脚1、3、5、7输出全“0”，读取引脚9、11、13、15的状态，若引脚1、3、5、7为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。然后判断按键的位置，如果有键按下，被按键处的行线和列线被接通，使穿过闭合键的那条列线变为低电平。方法是对键盘的行线进行扫描。引脚9、11、13、15按下述4种组合依次输出：引脚15 1 1 1 0引脚13 1 1 0 1引脚11 1 0 1 1引脚9 0 1 1 1然后测试行线状态中是否有低电平。在每组行输出时读取引脚1、3、5、7，若全为“1”，则表示这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表发将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值。 图39 4x4键盘电路第4章 控制系统的软件设计单片机控制步进电机的程序编制步进电机控制程序设计的主要问题有三个: 第一，控制脉冲的产生; 第二，步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系; 第三，步数的确定。 作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以 从这三个问题入手。4.1 控制脉冲的产生15 在单片机控制步进电机时，一般来讲，控制脉冲是用软件产生的。方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。延时时间的长短由步进电机的作频率决定。时序脉冲产生的延时控制框图如图4-1所示。图4-1 时序脉冲产生的延时控制框图4.2 步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系7 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。现在常用的通电方式主要有三种： 1)三相单三拍:ABCA； 2)三相双三拍:ABBCCAAB； 3)三相六拍:AABBBCCCAA；按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。因此，产生时序脉冲的方法是: (1)利用单片机的P1端口，即用P1.0, P1.1, P1.2分别控制三相步进电机的A, B, C三相绕组； (2)根据控制模式写出控制模型; (3)控制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。 从通电方式的二进制数可以看出，步进电机每步进一步，高电平就左移或右移一位。所以，我们可以考虑借助累加器A来实现步进电机的通电，可以把一个时序字节放在累加器A中，在每个采样时刻累加器A左移或右移一位，经输出口输出。为了弥补8位的不足，可以考虑加入进位标志位CY这样就可以把它看成是第9位，这样就能实现所需要的通电方式。下面以三相单三拍和三相双三拍为例来研究累加器中时序字节的转移。 三相单三拍通电方式，可以考虑在累加器A中放置时序控制字节49H。示意图如图4-2所示。图4-2 三相单三拍通电方式示意图三相双三拍通电方式，可以考虑在累加器A中放置时序控制字节BBH。示意图如图4-3所示。图4-3 三相双三拍通电方式示意图4.3 步数的确定步进电机运行的步数可由步距角和需要转过的角度来计算: 式中:步距角; 转子齿数; 拍数(一般三拍时=或六拍时=2 ); 控制绕组相数，=3。例如: =40，三相三拍运行，=3，则步距角为：=40，三相六拍运行，则步距角为: 若要求步进电机转过的角度为75度，采用三相六拍运行方式，那么步数就为:=50(步)。在程序设计时，将50步化为二进制为 32H，32H作为步数控制量就可以了。做完了以上的工作，就可以进行步进电机控制程序的设计了。可以把步进电机所要走的步数放在寄存器乳中，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位PSW的FO(地址D5H)中，当FO的值为“0，步进电机正转;当FO的值为“1”时，步进电机反转，假如步进电机的正转模型为O1H, 03H, 02H, 06H, 04H, OSH存放在8751片内数据存储器20H-25H中，26H中存放结束标志OOH。在27H开始存储区内存放反转控制模型O1H, OSH, 04H, 06H, 02H, 03H，在2DH单元存放结束标志OOH。用程序延时方法编程的流程图，如图4-4所示。图 4-4程序延时流程图4.4 步进电机的变速控制 上面给的程序流程图是步进电机的恒速运转方式。一般来讲，步进电机的一个弱点，就是运行中丢步，为了使步进电机在运行中不出现丢步现象，一般要小于或等于步进电机“响应频率”人，在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或反转而不发生失步现象。这个频率通常比较低。当步进电机走过的距离比较长时，需要低速启动，高速运转，然后降低速度，最后停止。这样就解决了“快速而不失步” 的矛盾。那么实现变速控制的基本思想是改变控制频率。 设某个步进电机的控制过程如图4-5所示。L1L3分别代表各个不同运行阶段的步长，f代表步进电机当前运行频率。如图4-5所示，L2段为恒速运行阶段，L1段位为升频，L3段位为降频。在各个不同的运行阶段，根据程序执行不同的控制程序，这样减小因步进电机丢步对控制过程的影响，这对于国产的步进电机效果会更好些。图4-5 运行频率图下面对于8751内部的数据存储区的一些单元进行定义，如表4-14-3所示16。表4-1内存字节位置20H21H22H23H24H25H26H控制模型数据01H03H02H06H04H05H00H表4-2内存字节位置27H28H29H2AH2BH2CH2DH控制模型数据01H05H04H06H02H03H00H表4-3位地址标志内容70H运行方式:0代表恒速，1代表变速 71H变速方式:0代表降速，1代表升速72H恒速变向:0代表正转，1代表反转73H升速转向:0代表正转，1代表反转74H降速转向:0代表正转，1代表反转75H程序结束标志:02代表程序结束由上面的工作，可以得到总控制程序流程图，如图4-6 a, b所示。图4-64.5 语音报数 程序设计中语音报数使用的是SACMA2000，考虑到程序比较简单，首先使用了自动报数方式，但发现不能进行连续报数，于是使用了非自动方式，流程图如图42所示。图4-8 流程图第5章 结论随着机电产品对负载精度要求的提高，原
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本文标题：单片机实现的步进电机控制系统设计【1张CAD图纸+毕业论文】
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