步进电机控制系统.doc

基于单片机的步进电机运行控制系统设计

收藏

压缩包内文档预览:(预览前20页/共37页)
预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图 预览图
编号:512608    类型:共享资源    大小:257.71KB    格式:RAR    上传时间:2015-11-11 上传人:QQ28****1120 IP属地:辽宁
6
积分
关 键 词:
毕业设计
资源描述:
基于单片机的步进电机运行控制系统设计,毕业设计
内容简介:
1 基于单片机的步进电机运行控制系统 摘要 : 步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机 ,其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例 ;它 易于实现与计算机或其它数字元件接口,适用于数字控制系统。通过一种设计方案,包括硬件的介绍和组建、硬件原理图和软件流程图的设计、源程序的编写等,介绍一种基于单片机的步进电机运行控制系统。该系统接收到液氮液面的液位信号后,与键盘、显示系统设置的初值比较后,转化成步进电机的步进脉冲,然后通过单片机控制器驱动步进电机旋转,以带动丝杆传动系统,进而控 制液氮液面升降的运动。 关键词 : 步进电机 单片机 控制 nts 2 Abstract: Step of electric motor is one kind transforms the pulse signalthe straight line displacement or Angle displacement the control microelectrical machinery, its machinery Angle displacement and the rotational speedseparately becomes the proportion with the input electrical machinerywinding pulse integer and the pulse frequency; It is easy to realizeand the computer or other digital part connections, is suitable to thenumerical control system. Through one kind of design proposal, andsets up, the hardware schematic diagram and the software flow chartdesign, the source program compilation including the hardwareintroduction and so on, introduces one kind based on the monolithicintegrated circuit Step of electric motor operating control system.After this system receives the fluid nitrogen liquid level the fluidposition signal, after the keyboard, the display system establishmentstarting value comparison, transforms Step of electric motor step entersthe pulse, then actuates through the monolithic integrated circuitcontroller Step of electric motor to revolve, leads the lead screwtransmission system, then control fluid nitrogen liquid levelfluctuation movement. Key word: Step of electric motor Monolithic integrated circuit Control nts 3 引言 : 步进电动机是根据组合电磁铁的理论设计的,是一种把电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移,并用电脉冲信号进行控制的特殊运行方式的同步电动机,在数字控制系统中作 执行元件。它通过专用电源把电 脉冲按一定顺序供给定子各相控制绕组,在气隙中产生类似于旋转的脉冲磁场。每输入一个脉冲信号,电动机就移动一步,因此,步进电机又称为脉冲电动机。 步进电机 将脉冲信号转换成 的 机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率 成比例 ,通过改变电脉冲频率 ,可在大范围内调速 ,同时 ,该电机还能快速起动、制动、反转和自锁 .此外 ,步进电机易于实现与计算机或其它 数字元件接口 ,适用于数字控制系统 ,并可取得 较 高的控制精度 ,系统硬件实施比较简单。 本文介绍的设计方案是基于单片机的步进电机运行控制系统。在这个控制系统 中,控制器是它的核心,因为它担负着产生脉冲,发送、接受控制命令 等 任务。 该系统的 步进电机驱动控制电路 ,采用低价的 AT89C51为控制器 ,可直接对步 进电机进行控制 ,省去了昂贵的专用步进电机控制器 ,简化了硬件线路 ,降低了成本 ,提高了系统的 可靠性 。 . 步进电机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移,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。近几十年来,数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展, 为步进电机的应用开辟了广阔的前景。 nts 4 第一章 : 基于单片机的步进电机运行控制系统的组成及其工作原理 1.1 步进电机 概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为 “步距角 ”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过 控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速 的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其 精度高等特点, 广泛应用于各种 工业 控制 系统中 。 步进电机的种类繁多,按其运动方式分为有旋转型和直线型,通常使用的旋转型步进电动机又可分为反应式,永磁式,感应式。其中反应式步进电动机是我国应用最广泛的一种,它具有调速范围大、动态性能好、能快速起动、制动和反转。主要用于计算机的磁盘驱动器、绘图仪、自动记录仪及调速性能和定位要求不是非常精确的简易数 控机床等的位置控制。 从零件的加工过程来看,工作机械对步进电机的基本要求是: 1)调速范围宽。尽量提高最高转速以提高劳动生产率。 2)动态性能好。能迅速启动、正反转和停转。 3)加工精度高。即要求一个脉冲对应的位移量小、并要精确、均匀。这就要求步进电机步距小、步距精度高、不应丢步或越步。 4)输出转距大。可直接带动负载。 1.1.1 三相 单、双六拍 步进电机的结构和工作原理: 三相单、双六拍步进电机通电方式:这种方式的通电顺序是: U UV V VW WWU U 或为 U UW W WV V VU U。按前一种顺 序通电,即先接通 U 相定子绕组;接着是 U、 V 两相定子绕组同时通电;断开 U 相,使 V 相绕组单独通电;再使 V、 W 两相定子绕组同时通电; W 相单独通电; W、 U 两相同时通电,并依次循环。这种工作方式下,定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环,故称为“六拍”,而“单、双六拍”则是因为单相绕组与两相绕组交替接通的通电方式。 拍数不同使这种通电方式的步距角也与单三拍的不同。三相单、双六拍时电动机运行情况如图 1 1 所示。 图 1 1 单 、 双六拍运行的三相步进电机 a)U 相绕组通电 b)U、 V 相绕组同时通电 c)U 相绕组断电, V 相绕组通电 当 U 相定子绕组通电时,和单三拍运行的情况相同,转子 1 和 3 齿的轴线与 U 极轴线对齐, 如图 1 1a 所示。 当 U、 V 相定子绕组同时通电时,转子 2 和 4 齿又将在定子极 V、V 的吸引下,使转子沿逆时针方向转动,直至转子 1 和 3 齿和定子极 U 和 U之间的作用力被转子 2 和 4 齿与定子极 V 和 V 之间的作用力平衡为止, 如图 1 1b 所示。 当断开 U相定子绕组而由 V 相定子绕组单独通电时,转子将继续沿逆时针方向转过一个角度,使转nts 5 子 2 和 4 齿轴线和定子 V、 V 的轴线对齐, 如图 1 1c 所示。 转子转过的角度与相应的单三拍运行 V 相绕组通电时转过的角度相等。若继续按 VW W WU U 的顺序通电,那么步进电机就按逆时方向连续转动。如通道顺序该为 U UW W WV V VU U 时,电动机将按顺时针方向转动。在单三拍运行方式十每经过一拍,转子转过的步距角为 30 /2。采用单、双六拍通电方式后,在由 U 相定子绕组通道 V 相绕组单独通电,中间还要经过 U和 V 两组同时通电这一状态,也就是说要经过二拍,转子才转过 30。所以,单、双六拍运行方式时,三相步进电机的步距角为 =30 2。由此可见同一个步进电机,因 通电方式不同,运行的步距角也是可以不同的,采用单、双拍运行时,步距角要比但单拍运行时减小一半。 实际工作中,还常用按 UV VW WU UV 的通电顺序或 UW WV VU UW 的通电顺序运行的 “双三拍“通电方式,这种通电方式比单三拍的好,因为单三拍在切换时出现的一相定子绕组断电而另一相定子绕组开始通电的状态容易造成失步,而且由于单一定子绕组通电吸引转子,也易使转子在平衡位置附近产生振荡。而双三拍运行时,每个通电状态均为两相定子绕组同时通电,通电方式改变时保证其中一相电流不变(另两相切换),是运行可靠、稳定。以 双三拍工作的步进电机其通电方式改变时的转子位置于单、双六拍通电方式改变时的情况相同。这样,双三拍运行方式的步距角也为 30,与单三拍运行方式相同。 由于这种步进电机的步距角较大,如用于精度要求很高的数控机床等控制系统,会严重影响到加工工件的精度。这种结构只在分析原理是采用,实际使用的步进电机都是小步距角的。 图 1 2 所示 的结构是常见的一种小步距角的三项反应式步进电机。 图 1 2 小步距角的三相反应式步进电机 在图 1 2 中 ,三项反应式步进电机定子上有 6 个极,极上有定子绕组,沿直径相 对的两个极的线圈串联,构成一项控制的绕组。极与极之间的夹角为 60,每个定子磁极上均有五个齿。齿槽等宽,齿间夹角 9。转子上没有绕组,转子圆周上有军运的 40 个齿。齿间夹角也是 9。根据步进电机的工作要求,定、转子的齿宽、齿距必须相等。不经电机的步距角为: =360 /mz ( 1 1) 式中 z转子的齿数 m运行拍数 由式 ( 1 1) 可求得步进电机的转速为 : n= 60 f/2=60f/zm 式中 f 步进 电机的脉冲频率,单位为拍 /s 或脉冲数 /s。 以上讨论的步进电机都是三相的,也有其它多相步进电机。可见步进电机的相数和转子齿数越多,则步距角越小。一定的脉冲频率下相数和转子齿数越多转速也越低。但是相数和转子数越多,电源就越复杂,成本也要提高。因此目前步进电机一般最多做到六相。 步进电机的控制特性分别 如图 1 3a 和 b 所示。 若把步进电机输入的脉冲信号重换成角位移或直线位移,其角位移或直线位移 s 与电脉冲数 k 成正比,其转速 n 与线速 v 与脉冲频率成正比。 nts 6 a) b) 图 1 3 步进电机的控制特性 a)s=f(k)或 =f(k) b)v=f(f)或 n=f(f) 1.1.2 步进电机的驱动电源 步进电机应由专用的驱动电源来供电,由驱动电源和步进电机组成一套伺服装置来驱动负载工作。步进电机的驱动电源,主要包括边频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器等三个部分, 如图 1 4 所示。 边频信号源是一个频率从几十赫兹到几千赫兹的可连续变化的信号发生器。变频 信号员可以采用多种线路。最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的驰张振荡器两种。它们都是通过调节电阻和电容的大小来改变电容充放电的时间常数,以达到选取脉冲信号频率的目的。脉冲分配器是由门电路和双稳态处发起组成的逻辑电路,它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上,使步进电机按一定的运行方式运转。 图 1 4 步进电机驱动电源的框图 目前,随着微型计算机特别是单片机的发展,变频信号源和脉冲分配器的任务均可由单片机来承担。这样不但工作更可靠,而且性 能更好。 从脉冲分配器输出的电流只有几个毫安,不能直接驱动步进电机,因为步进电机的驱动电流可达到几安到几十安,因此在脉冲分配器后面都有功率放大电路作为脉冲放大器,经功率放大后的电脉冲信号可直接输出到定子各相绕组中去控制步进电机工作。 步进电动机的特点: (1).步进电动机的角位移与输入脉冲严格成正比。因此,当它转一周后,没有累计误差,具有良好的跟随性; (2).由步进电动机与驱动器组成的开环数控系统,既非常简单,廉价,又非常的可靠。同时它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统; (3).步进电动机的动 态响应快。易于起停,正反转及变速; (4).速度可以在相当宽的范围内平滑调节。低速下仍能保证获得大转矩,因此,一般可以不用减速器而直接驱动负载; (5).步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行,它不能直接使用交流电源和直流电源; (6).步进电动机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应的措施; (7).步进电动机自身的燥声和振动较大。带惯性负载的能力差。 1.2 系统的组成 及系统的总体设计框图和 控制过程 1.2.1 系统的组成 本系统主要是由 AT89C51 步进电机控制器、步进电机、丝杠传动 系 统 和液氮液面升降系统、传感器检测单元、 8279 键盘、显示系统等几部分组成。 1.2.2 系统的总体设计框图 变频信号源 脉冲分配器 脉冲放大器 工作机构 步 进 电 机 nts 7 AT89C51步进电机控制 器8279控制的键盘显示系统步进电机传感器信号丝杠传动系统液氮液面升降系统nts 8 1.2.3 系统的控制过程 在系统中 ,主要控制三相步进电机带动丝杆的传动 ,从而使得液氮液面按照要求变化 .三相步进电机的定子上有六个极 ,转子是 4 个均匀的齿 ,电机的转动是根据控制绕组与电源接通或开断的变化频率呈步进状态 ,其转向取决于通电相序 ,在本系统中 ,主要采用三相电机三相单双六拍 : AABBBCCCAA- .首先 AA 相通电 ,而后在接通 B 相 (这时 A 相不断开 )即 AB 两绕组同时通电 ;此后断开 A 相绕组 ,B 相单独通电 ,依次规律循环往复 ,这种方式需经过 6 个切换才能完成一个循环 ,单相三拍方式的每一拍步进角为 3 ,三相六拍的步进角则为 1.5 ,因此 ,在三相六拍下 ,步进电机的运行反转平稳柔和 ,但在同样的运行角度与速度下 ,三相六拍驱动脉冲的频率需提高 1倍 ,对驱动开关 管的开关特性要求较高 . 当步进电机驱动系统工作时 ,控制器首先检测接收传感器信号 (获取液位信号) ,经过A/D 转换 成需要的检测量 ,即:将模拟量转换为数字量送入单片机的数据口( P1 口) 单片机 根据 需要轮流给 P1.0,P1.1,P1.2 端口发送步进脉冲来控制电机运行 ,程序中 ,只要依次将 6 个控制字送到 P1 口 ,步进电机就会转动一个齿距角 .每送一个控制字 ,就完成一拍 ,步进电机就转过一个步距角 ;然后 将之与设定 的初 值进行比较 ,得出其差值 ,并根据程序的设定转化为步进电机的步进脉冲 ,从而通过单片机控制的驱动 器 来驱动步进电机 , 以 带动丝杆传动系统 ,进而控制液氮液面升降系统的运动 ,完成一个循环控制过程 . 采用单片机 AT89C51 具有 4K 字节 Flash 闪速存储器 ,1288 字节内部 RAM,32 个 I/O 口线 ,2 个 16 位定时 /计数器 ,1 个六向量两级中断结构 ,一个全双工串行通信接口 ,同时片内还有振荡器及时钟电路 .可以很方便地使用不同相数的步进电机按一种可执行的通电方式来控制 ,在这个系统中 ,单片机的主要作用是接收键盘设定值 ,显示设定初值及检测的当前值 ,同时还具有串行通信功能 .检测传感器信号 ,接受传感器信号 ,并进行处理 ,计算出步进电机需要的步进量 ,通过 P1.0,P1.1 和 P1.2 提供控制步进电机的时序脉冲 ,控制步进电机的运行 ,系统采用软件来完成脉冲分配 ,这样可根据应用系统的需要 ,方便灵活地改变步进电机的控制方式 ,步进一步的时间可有两 个控制字的送出时间间隔来决定 . 第二章 : 硬件设计 2.1.采用 51 系列单片机 AT89C51 作为控制器的核心组成一个步进电机控制系统 AT89C51 是一种高性能的 8 位单片机 。 片内带有一个 4KB 的 Flash 可编程 ,可擦除只读存储器 (EPROM), 它采用了 COMS 工艺和公司 ATMEL 的高密度非易失性存储器 (NURAM)技术 ,而且其输出引角和指令系统都与 MSC 51 兼容 。 片内的 Flash 存储器允许在系统内改编程序或常规的非易失性存储器编程器来编程 。 因此 AT89C51 是一种功能强 ,灵活性高 ,且价格合理的单片机 ,可方便地应用在各种控制领域 。 2.1.1 AT89C51 的 主要性能 4KB 可改编程序 Flash 存储器 (可经受 1000 次的写入 /擦除 ). 全静态工作 :0Hz 24MHz. 3 级程序存储器保密 . 128 8 字节内部 RAM. 32 条可编程 I/O 线 . 2 个 16 位定时器 /计数器 . 6 个中断源 . 可编程串行通道 . 片内时钟振荡器 . nts 9 另外 ,AT89C51 是用静态逻辑来设计的 ,其工作频率可下降到 0Hz,并提供两种可用软件来选择的省电方式 空闲方式 (Idle Mode)和掉电方式 (Power Down Mode).在空闲方式中 ,CPU 停止工作 ,而 RAM,定时器 /计数器 ,串行口和中断系统继续工作 .在掉电方式中 ,片内振荡器停止工作 ,由于时钟被 “ 冻结 ” ,使一切功能都暂停 ,故只保存片内 RAM 中的内容 ,直到下一次硬件复位为止 。 2.1.2 AT89C51 引脚功能说明 图 21 是 AT89C51 的引脚结构图 ,有双列直插封装 (DIP)方式和方形封装方式 ,下面分别叙述这些引脚的功能 . 图 2 1 (1).主电源引脚 Vcc:电源端 . GND:接地端 . (2).外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1:接外部晶体的一个引脚 .在单片机内部 ,它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端 .当采用外部振荡器时 ,该引脚接受振荡器的信号 ,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端 . XTAL2:接外部晶体的另一个引脚 .在单片机内部 ,它是上述振荡器的反相放大器的输出端 .采用外部振荡器时 ,此引脚应悬浮不连接 . 单片机外接电路 时钟产生产生和复位电路 片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路, CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率,一般多在 1.2MHz 12MHz 之 间选取。 C1、C2 是反馈电容,其值在 5pF 30pF 之间选取,典型值为 30pF。本电路选用的电容为 30pF,晶振频率为 12MHz。这样就确定了单片机的 4 个周期分别是: 振荡周期 1/12 s ; 机器周期( SM) s1 ; 指令周期 s41 。 图 2 2 时钟产生电路 nts 10 XTAL1 和 XTAL2:片内振荡电路输入线,这两个端子用来外接石英晶体和微 调电容。在石英晶体的两个管脚加交变电场时,它将会产生一定频率的机械变形,而这种机械振动又会产生交变电场,上述物理现象称为压电效应。一般情况下,无论是机械振动的振幅,还是交变电场的振幅都非常小。但是,当交变电场的频率为某一特定值时,振幅骤然增大,产生共振,称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率,也称谐振频率。即用来连接 AT89C51 片内 OSC 的定时反馈回路,如 图 2 2所示。石英晶振起振后要能在 XTAL2 线上输出一个 3V 左右的正弦波,以便使 MCS-51 片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常 , OSC的输出时钟频率 fOSC为 0.5MHz-16MHz,典型值为 12MHz或者 11.0592MHz。电容 C1 和 C2 可以帮助起振,典型值为 30pF,调节它们可以达到微调 fOSC 的目的。 图 2 3为单片机复位电路。单片机在开机时都需要复位,以便中央处理器 CPU 以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要在单片机的 RST 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲( 2个机器周期)以上的高电平,单片机便可实现初始化状态复位。 MCS-51 单片机的 RST 引脚是复位信号的输入端。例如:若 MCS-51 单片机时钟频率为 12MHz,则复位脉冲宽度至少应该为 2 s。 图 2 3 复位电路 上图为上电复位和按键复位电路。上电瞬间, RST 端的电位与 Vcc 相同,随着电容的逐步充电, RST 端的电位逐渐下降,此时 =22 10-6 1 103=22ms.当按下键时, RST 端出现 5 1000 1200 4.2V,使单片机复位。 (3).控制或与其它 电源复用引脚 RST,ALE/PROG,PSEN 和 EA/Vpp. RST:复位输入端 .当振荡器运 行时 ,在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位 。 ALE/PROG:当访问外部存储器时 ,ALE(地址锁存允许 )的输出用于锁存地址的低位字节 .即使不访问外部存储器 ,ALE 端仍以不变的频率 (此频率为振荡器频率的 1/6)周期性地出现正脉冲信号 .因此 ,它可用作对外输出的时钟 ,或用于定时目的 .然而要注意的是 :每当访问外部数据存储器时 ,将跳过一个 ALE 脉冲 。 在对 Flash 编程期间 ,该引脚还用于输入编程脉冲 (PROG)。 如果需要的话 ,通过对专用寄存器 (SFR)区中 8EH 单元的 D0 位置数 ,可禁止 ALE 操作 .该 位置数后 ,只有在执行一条 MOVX 或 MOVC 指令期间 ,ALE 才会被激活 .另外 ,该引脚会被微弱拉高 ,单片机执行外部程序时 ,该设定禁止 ALE 位无效 。 PSEN:程序存储允许 (PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号 .当 AT89C51 由外部程序存储器取指令 (或常数 )时 ,每个机器周期两次 PSEN有效 (即输出 2个脉冲 ).但在此期间内 ,每当访问外部数据存储器时 ,这两次有效的 PSEN 信号将不出现 。 EA/Vpp:外部访问允许端 .要使 CPU只访问外部存储器 (地址为 0000HFFFFH),则 EA端外部必须保持低电平 (接 到 GND 端 ).然而要注意的是 :如果保密 LB1 被编程 ,复位时在内部会锁存 EA 端的状态 。 nts 11 当 EA 端保持高电平 (接 Vcc 端 )时 ,CPU 则执行内部程序存储器中的程序 。 在 Flash 存储器编程期间 ,该引脚也用于施加 12V 的编程允许电源 Vpp(如果选用 12V 编程 )。 (4).输入 /输出引脚 P0.0 P0.7,P1.0 P1.7,P2.0 P2.7,P3.0 P3.7 P0 端口 (P0.0P0.7):P0 是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口 .作为输出端口用时 ,每位能以吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 输入 ,对端口写 1 时 ,又可作 为高阻抗输入端用 。 在访问外部程序和数据存储器时 ,它是分时多路转换的地址 (低 8 位 )/数据总线 ,在访问期间激活了内部的上拉电阻 。 在 Flash 编程时 ,P0 端口接受指令字节 ;而在校验程序时 ,则输出指令字节 .验证时 ,要求外接上拉电阻 。 P1 端口 (P1.0P1.7):P1 是一个带有内部上拉电阻的 8 位 I/O 端口 .P1 的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式 )4 个 TTL 输入 .对端口写 1 时 ,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位 ,这时可用作输入口 ,P1 口作输入口使用时 ,因为有内部的上拉电阻 ,那些被外部信号低的引脚会输出一个 电流 (IIL)。 在 Flash 编程和程序校验时 ,P1 接受低 8 为地址 。 P2 端口 (P2.0P2.7):P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口 .P2 的输出缓冲器可驱动 (吸收或输出电流方式 )4 个 TTL 输入 .对端口写 1 时 ,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位 ,这时可用作输入口 .P2 作输入口使用时 ,因为有内部的上拉电阻 ,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 (IIL)。 在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器 (如执行 MOVXDPTR 指令 )时 ,P2 送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部数据寄存器 (如 执行 MOVRI 指令 )时 ,P2 口引脚上的内容 (就是专用寄存器 (SFR)区 P2 寄存器的内容 )在整个访问期间不会改变 。 在对 Flash 编程和程序校验期间 ,P2 也接收高位地址和一些控制信号 。 P3 端口 (P3.0P3.7):P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口 .P3 的输出缓冲器可驱动 (吸收或输出电流方式 )4 个 TTL 输入 。 对端口写 1 时 ,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位 ,这时可用作输入口 。 P3 作输入口使用时 ,因为内部的上拉电阻 ,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 (IIL)。 在 AT89C51 中 ,P3 端 口还用于一些复用功能 。 复用功能如表 24 所示 。 在对 Flash 编程或程序校验时 ,P3 还接收一些控制信号 。 表 2 4 P3 各端口引脚与复用功能表 端口引脚 复用功能 P3.0 RXD(串性输入口 ) P3.1 TXD(串性输出口 ) P3.2 INT0(外部中断 0) P3.3 INT1(外部中断 1) P3.4 T0(定时器 0 的外部输入 ) P3.5 T1(定时器 1 的外部输入 ) P3.6 WR(外部数据寄存器写选通 ) P3.7 RD(外部数据寄存器读选通 ) 2.2 步进电机驱动电路组成 nts 12 图 2 4 步进电机驱动电路 由驱动系统的硬件控制图可以看出 ,单片机只是根据需要轮流给 P1.0,P1.1,P1.2 端口发送步进脉冲来控制电机运行 ,则三相六拍的系统控制模型如附表所示 :在程序中 ,只要依次将 6个控制字送到 P1 口 ,步进电机就会转动一个齿距角 。 每送一个控制字 ,就完成一拍 ,步进电机就转过一个步距角 。 表 2 1 三相六拍的系统控制模型 2.3 液位信号的获取与放大 2.3.1 传感器选用细则 现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在 进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1. 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行 个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触 式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。 nts 13 2. 灵敏度的选择 通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的串扰信号 。 3. 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不 失真的测量条件,实际上传感器的响应总有 定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 4. 线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低 时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。 5. 稳定性 传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。 6. 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器 的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。 2.3.2 对获取的 液位信号 进行 放大 本系统要检测液位值,可选用液位传感器来检测液位值 。 并对 检测的模拟信号经过 差动放大器处理 。 差动放大器的基本电路如图 2 5 所示。 图 2 5 差动放大器的基本电路 图 2 5所示是差动放大器的基本电路。两个输入信号 U1 和 U2 分别经 R1 和 R2 输入到运算放大器的反相输入端合同相输入端,输出电压则经 RF反馈到反相输入端,电路中要求 R1=R2, RF=R3。 nts 14 差动放大器的输出电压可由下式确定,即: UOUT=( U2 U1) RF R1 差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号,理想的差动放大器队共模输入信号的 放大倍数为零。在差动放大器中温度的变化和电源波动都相当于共模信号,因此能被差动放大器所抑制,可使差动放大器零点漂移最小。来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号。它们也会被差动放大器所抑制,所以说差动放大器的抗干扰能力极强。 2.4 模、数转换单元 模拟量转换成数字量( A/D 转换)是计算机与外部环境进行联系的主要方式之一。当计算机用于工程控制、实时数据采集等方面时,现场检测的模拟信号必须通过 A/D 转换变成数字量,送入计算机处理。 2.4.1.A/D 转换器的主要性能指标 A/D 转换器的性能常用以下指标来衡量 。 1.转换精度 A/D 转换的转换精度常用分辨率和其他误差组成。 转换精度 =分辨率 +其 误差 A/D 转换的分辨率是指输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。常以A/D 输出的二进制或 BCD 码的位数来表示。如标明为位二进制数输出的 A/D 转换器,可将模拟电压分为 2n个量化单位,每个量化单位为 1 。例如,一个 10 位 ADC,当基准电压为5V 时,它的一个量化单位(分辨率) 1 =210 5=4.88mV。其他误差包括非线性误差、零点误差、满刻度误差等,一般小于 VREF 2 2N。 当然, A/D 转换器得精度是有一 定条件的,若环境温度和电压情况恶劣,转换误差将明显增高,有可能超过器件所标明的转换精度。 2.A/D 转换速度 A/D 转换速度取决从输入模拟信号到获得稳定的数字信号所需的时间,不同的 A/D 转换电路转换速度不一样。 如前面所述, A/D 转换最快的是并行式,其次是逐次比较式,最慢的是积分式。 3.抗干扰能力 A/D 转换器常由传感器、传输线、信号调理电路提供模拟信号。许多情况下,工作于恶劣的电磁干扰中,故抗干扰能力往往成为选择 A/D 转换的一个重要依据。就最普遍存在的工频干扰而言,双积分 A/D 的抗干扰能力是非常优秀的。 在选择 A/D 转换器时,除了要注意以上提到的 A/D 转换器的性能指标如:分辨率,转换精度,转换速度,抗干扰能力等;还要注意其输入模拟电压的范围,输出特性等。例如,输出是二进制还是 BCD 码,有无转换结束信号,输出是否具有三态输出缓冲, A/D 转换的启动信号是电平信号还是脉冲信号等,掌握这些特性以便 A/D 与单片机接口。 在微机的控制的系统中,往往要检测和处理多个参量,而微机运行速度快,模拟量的变化速度 慢,为了简化系统结构,又能用一台微机处理多个参量,采用 多种含有逻辑控制多路开关的 A/D 转换器 ADC0809 将模拟 量转换成数字量 。 2.4.2 ADC0809 芯片的内部结构及 引脚 功能 多通道 A/D 转换器 ADC0809 是一个 8 通道模拟量输入、 8 位数字量输出的,逐次逼近nts 15 A/D 转换器,由三部分组成,第一部分是一个 8 通道多路模拟开关和地址锁存、译码器,任务是选择并锁存由 ADDC、 ADDB、 ADDA 取值确定的、 8 个通道之一的模拟量的通道地址,并将该通道的模拟量 送入 A/D 转换器。第二部分是一个逐次逼近型转换器,它由比较器、控制逻辑、逐次逼近寄存器、开关树及 256R 梯型解码网路组成,它的功能是启动转换起、按逐位逼近法完成模数转换 、协调转换过程中各种操作和发出转换结束信号。第三部分是输出缓冲锁存器,它锁存着模数转换结束后的 8 位数字量,等待 CPU 发出命令将它读出。 ADC0809 主要的特性如下: 分辨率 8 位; 最大不可调误差小于 1LSB; 单一 +5V 电源,输入模拟电压范围为 05V; 具有锁存控制的 8 路模拟开关; 功耗 15mW; 不必进行零点和满度调整 ; 可锁存三态输出,可与大多数的 8 位微处理器接口; 转换速度取决于 芯片的时钟频率。当时钟频率范围为 10-1280kHz 示,由外部时钟提供;当时钟为 500kHz 示, 转换速度为 128us。 ADC0809 的引脚如图 2 6 所示: 图 2 6 引脚功能如下: IN7IN0:8 路模拟量输入端。 D7D0:8 位数字量输出端。 START:A/D 转换启动信号,在此端输入一个正脉冲, A/D 转换开始。 ADDC、 ADDB、 ADDA:用于选择 8 路模拟通道的地址线。 ADDC ADDB ADDA 通道 0 0 0 0 通道 0 0 1 1 通道 0 1 0 2 通道 0 1 1 3 通道 1 0 0 4 通道 1 0 1 5 通道 1 1 0 6 通道 1 1 1 7 通道 ALE:地址锁存信号。此信号的上升沿,将 ADDC、 ADDB、 ADDA 存入地址所存器。 nts 16 EOC:转换结束信号,转换开始时 EOC=0, 转换结束时 EOC=1。 OE:输出允许信号,当 OE=1 时,打开伞态输出门。 CLOCK:时钟信号。 VREF( +)、 VREF(-):参考电源正负端,一般( +)接 +5V,( -)接地。 VCC:电源电压 +5V。 GND:地。 ADDC、 ADDB、 ADDA 输入的通道地址在 ALE 有效时被锁存。启动信号 START 启动后开始转换,但是, EOC 信号是在 START 的下降沿到来 10us 后才变为无效的低电平。这要求查询程序待 EOC 无效后再开始查询,转换结束后由 OE 产生信号输出数据。 2.5 LED 显示接口技术 2.5.1 七段 LED 显示器简介 LED 显示器是由 8 个发光二极管构成。其中, 7 个 LED 构成 7 笔字型, 1 个 LED 构成小数点(故有时称为八段显示器)如图所示 LED 显示器有两大类产品,一类是共阴极接法,另一类是共阳极接法,前者是高电平点亮,后者是低电平点亮。七段 LED 显示器显示原理很简单,只要控制其中各段 LED 的亮与灭迹可显示相应的数字、字母或符号,控制七段 LED显示器进行显示信息称为七段码,如表 21 所示为共阴极接法的七段码。 (a)结构 (b)共阴极接法 (c)共阳极接法 图 2 7 七段码显示器的结构及接法 表 2 2 七段码(字形码)表 显示字符 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 七段码 dp g f e d c b a 0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 1 0 0 0 0 0 1 1 0 06H 2 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH 3 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH 4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 5 0 1 1 0 1 1 0 1 6DH 6 0 1 1 1 1 1 0 1 7DH 7 0 0 0 0 0 1 1 1 07H 8 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH 9 0 1 10 1 1 1 1 1 6FH nts 17 A 0 1 1 1 0 1 1 1 77H B 0 1 1 1 1 1 0 0 7CH C 0 0 1 1 1 0 0 1 39H D 0 1 0 1 1 1 1 0 5EH E 0 1 1 1 1 0 0 1 79H F 0 1 1 1 0 0 0 1 71H P 0 1 1 1 0 0 1 1 73H U 0 0 1 1 1 1 1 0 3EH H 0 1 1 1 0 1 1 0 76H . 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 空白 0 0 0 0 0 0 0 0 00H 2.5.2 LED 显示接口 1.LED 动态显示:静态显示的亮度高,占用 CPU 的时间短,但它的成本高。为了简化硬件电路,降低成本,在单片机应用系统中常采用动态稍描的方法,解决多位 LED 显示的问题。 动态稍描显示的硬件接口简单,只需一个 公共的七段码输出口(字形口),一个选择显示为的数位选择口(字位口 ),显示时,从左到右轮流点亮每位 显示器,只要保证稍描周期不超过一定的限度(一般在 20ms 以下)由于视觉的暂留,则可达到“同时”显示各位不同的数字或字符的目的。 动态显 示的优点是硬件成本低,接口电路简单,但它要求 CPU 频繁地为显示服务。 2.LED 动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起,由一个 8 位 I/O 口控制,而位选线则由其它的 I/O 口控制。 3. 8 位动态显示电路只需要两个 8 位的口。一个控制段选码,另一个控制位选线。由于所有位的段选码由同一个口控制,因此要使每位显示不同的字符,必须采用扫描方式。即每一时刻位选只选通一个显示位,同时段选控制口输出显示字符队赢对应的段选码,使该位应显示的字符,先是一定时间后,再选通狭义显示位。如此循环,使每个显示器件显示该位应显示的字符 。通过程 序控制,不断显示 输出相应的段选码和位选码,由于人的视觉暂留效应,就可以获得视觉稳定的显示状态。 2.6 键盘、显示模块的设计 2.6.1 可编程键盘 /显示控制器 8279 电路工作原理 1.I/O 控制及数据缓冲器 数据缓冲器是双向缓冲器,连接内、外总线,用于传送 CPU 和 8279 之间的命令或数据。 I/O 控制线是 CPU 对 8279 进行控制的引线, CS 是 8279 的片选信号,当 CS=0 时, 8279才被允许读出或写入信息。 WR、 RD 为来自 CPU 的读、写控制信号。 A0 用于区别信息特性: A0=1 时,表示数据缓冲器输 入为指令、输出为状态字; A0=0 时,输入、输出皆为数据。 2.控制与定时寄存器及定时控制 控制与定时寄存器用来寄存键盘及显示的工作方式,以及有 CPU 编程的其它操作方式。这些寄存器一旦接受并锁存送来的命令,就通过译码产生相应的信号,从而完成相应的控制功能。 定时控制包含基本计数器。其中计数器是一个可编程的 N 级计数器。 N 可以为 2 31 之nts 18 间的数据,由软件编程,以便从外界时钟 CLK 分频得到内部所需要的 100kHZ 的时钟。然后再经过分频,为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间 。 3.扫描计数器 扫描计数器有两 种工作方式。按编码方式工作时,计数器作二进制计数。 4 位计数状态从扫描线 SL0 SL3 输出,经外部译码器译码后,为键盘和显示器提供扫描线( 16 条);按译码方式工作时,扫描计数器的最低二位被译码后,从 SL0 SL3 输出。因此, SL0 S
温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
提示  人人文库网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
关于本文
本文标题:基于单片机的步进电机运行控制系统设计
链接地址:https://www.renrendoc.com/p-512608.html

官方联系方式

2:不支持迅雷下载,请使用浏览器下载   
3:不支持QQ浏览器下载,请用其他浏览器   
4:下载后的文档和图纸-无水印   
5:文档经过压缩,下载后原文更清晰   
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服 - 联系我们

网站客服QQ:2881952447     

copyright@ 2020-2024  renrendoc.com 人人文库版权所有   联系电话:400-852-1180

备案号:蜀ICP备2022000484号-2       经营许可证: 川B2-20220663       公网安备川公网安备: 51019002004831号

本站为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,本站只是中间服务平台,本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有。人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容本身不做任何修改或编辑。若文档所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知人人文库网,我们立即给予删除!