智能化电子系统设计报告

摘要步进电机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或线位移的电磁装置是一种特殊的电动机。在非超载情况下，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性误差的特点使的在速度，位置等控制领域用步进电机来控制变的非常简单。由于其精确性和良好的性能在实际当中得到了广泛的应用。本设计采用单片机对步进电机进行控制。通过I/O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ULN2803驱动步进电机。并用数码管显示步进电机的转速，采用74LS04作为数码管的显示驱动，从单片机输入信号。关键词：单片机步进电机Abstract:Steppermotorisapulsesignalwillbeconvertedintothecorrespondingangulardisplacementorlineardisplacementofthemagneticdeviceisaspecialkindofmotor.Inthenon-overloadconditions,themotorspeedandstoppositiondependsonlyonthepulsefrequencyandpulsenumber,regardlessofloadchanges,thatis,toaddapulsemotor,themotoristurnedtoastepangle.Theexistenceofthislinearrelationship,withonlyperiodicerrorsteppingmotorwithoutthecharacteristicsofcumulativeerrortothespeed,positionandothercontrolareastocontrolthesteppermotorbecomesverysimple.Becauseofitsaccuracyandgoodperformanceinpracticehasbeenwidelyused.Thisdesignusesamicrocontrollertocontrolthesteppingmotor.ThroughtheI/Oportoutputtimingofthesquarewavewithasteppermotorcontrolsignals,signalsthroughthechipULN2803drivesteppermotor.Withdigitalcontrolthesteppermotorspeed,using74LS04asdigitaltubedisplaydriver,theinputsignalfromthemicrocontroller.Keywords:Steppermotormicrocontrolle1前言（绪论）步进电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成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。在数字控制系统中执行元件。他通过专用电源把电脉冲按一定的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，电动机就一栋一步，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正比，通过改变电脉冲频率，可在大范围内调速，同时，该带你及还能快速起动、制动、反转和自锁。此外，步进电机易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统，并可以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STC89C52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。他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。2总体方案设计方案论证及比较：方案一：使用多个功率放大器驱动电路通过使用不同的放大电路和不同的器件，可以达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相步进电机，就需要对四路信号就行分别放大，由于放大电路很难做到一致，当电机的功率较大时余兴起来会不稳定，而且电路的制作比较复杂。方案二：使用ULN2803芯片驱动电机ULN2803可以驱动2个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可以达到50V可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机I/O口提供信号，而且电路简单，使用方便。通过比较使用ULN2803芯片充分发挥了他的功能，能稳定的驱动步进电机，且价格不高。故选用ULN2803驱动电机。而使用时直接用单片机模拟出时序信号，控制较简单。3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计电源用USB连接器连接外部电源提供稳定的5V电源;用单片机控制电机的运行方式；用ULN2803作为驱动电路连接数码管和步进电机；用数码管来显示步进电机当前的运行状态。3.1.1复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75〜5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作电路参数的计算及元器件的选择单片机STC89C52USB连接器光电耦合管521-174HC12374HC54174HC57374LS04数码管LED-SMULN2803MAX232P6KE5.0AP6KE6.8A按键1003.3特殊器件的介绍3.3.1步进电机步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的执行机构。在非超载情况下，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性误差的特点使的在速度，位置等控制领域用步进电机来控制变的非常简单。本试验采用的步进电机是28BYJ-48（四相八拍）电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。。。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。。。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。）步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。。。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。。。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。）步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。。。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。。。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。）橙AP1.3黄BP1.2粉CP1.1蓝DP1.0十六制（P1口）10000x0811000x0c01000x0401100x0600100x0200110x0300010x0110010x093.3.2STC89C52单片机本次设计CPU选用59C52作为步进电机的控制芯片，89C52的结构简单并且可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，使用方便等特点，而且完全兼容MCS51系列单片机的所有功能。单片机的特点：1）单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数、以及数据表格。RAM称为数据存储器，用作工作区以及存放用户数据。2）采用面向控制的指令系统。为满足控制需要，单片机有更强的控制逻辑能力，特别是单片机有很强的位处理能力。3）单片机的I/O口通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能服用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或机器状态来区分。3.3.3光电耦合器521-1光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一一光一一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在一个密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。它的基本工作特性：共模抑制比很高在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小，所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。输出特性光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏品体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的份额IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管特性相似。光电耦合器可以作为线性耦合器使用在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作与开光状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很小3.3.4MAX232芯片主要特点：1）符合所有的RS-232C技术标准2）只需要单一+5V电源供电3）片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压。4）功耗低，典型供电电流5mA5）内部继承2个RS-232C驱动器6）内部继承两个RS-232C接收器矗二西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告4软件设计4.1软件设计原理及设计所用工具Keil:KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势.单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用于工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选(目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件)，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。C51工具包的整体结构，如图(1)所示，其中uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)°ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。4.2软件设计结构图4.3主要软件设计流程框图。5系统调试#include<reg52.h>#include<absacc.h>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedintuint;56#definedulaXBYTE[0x8000]//CS4writeonly7#definewelaXBYTE[0x6000]//CS3writeonly//sbitLE1=P3”6;//sbitLE1=P3”7;sbitStep_A=P2"0;sbitStep_B=P2"1;sbitStep_C=P2"2;sbitStep_D=P2"3;sbitkey1=P1"0;sbitkey2=P「1;sbitkey3=P「2;sbitkey4=P1"3;18ucharcnt1=3,cnt2;ucharflag1=0,flag2=0;ucharnumber;2223unsignedcharled_tab□={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0X07,0X7F,0X6F,code〃七段数码管编码：数字〃-0-9〃〃A,b,C,d,E,F,-(16),灭(17)"(共阴码)24250x77,0x7C,0x39,0x5E,0x79,0x71,0x40,0x00};26uchardis_tab[]=(0,0,0,0};27

2829voidfirst(void)〃初使化函数30(311EA=1;321ET0=1;331TMOD=0x01;//T0方式1341TH0=0xff;351TL0=0xfd;361TR0=1;〃启动T0计数371}38//*************延时函数***********//voiddelay(uintt)(1while(t--);1}4446voidtiaosu()47(481if(key2==0)491(502delay(100);512if(key2==0)522(533cnt1-=1;543if(cnt1<1)C51COMPILERV8.08SMG07/13/201019:37:54PAGE2//*************加速和减速***************//45553(564cnt1=1;574}

32211222333443221}}while(key3==0);}if(key3==0)(delay(100);if(key3==0)(cnt1+=1;if(cnt1==5)(cnt1=5;}}while(key3==0);}1112223332//*************电机转向***********//voiddic()(ucharm;if(key1==0)(delay(100);if(key1==0)(cnt2+=1;m=cnt2%2;}585960616263646532211222333443221}1112223332912if(m==0)922(933flag1=1;943flag2=0;953}962972if(m==1)982(993flag1=0;1003flag2=1;1013}1022}1031}104105//*************电机正转***********//106voidstep_P()107(1081uchari,temp;1091tiaosu();1101dic();1111temp=0xf1;1121if(flag1==1)1131(1142for(i=0;i<4;i++)1152(1163P2=temp;C51COMPILERV8.081173delay(300+cnt1*50)1183temp<<=1;1193}1202}1211}122//*************电机反转***********//SMG123voidstep_N()1241251(uchari,temp;1261tiaosu();1271dic();1281temp=0x08;1291if(flag2==1)1301(1312for(i=0;i<4;i++)1322(1333P2=temp;1343delay(300+cnt1*50)1353temp>>=1;1363}1372}1381}139140//***********转速***********//141ucharzhuanshu()1421431(tiaosu();1441switch(cnt1)1451(1462case1:number=42;1472break;1482case2:number=32;1492break;1502case3:number=25;1512break;1522case4:number=21;1532break;1542case5:number=18;1552break;1562default:1572break;1582}1591returnnumber;1601}161162voiddis()163(1641dis_tab[0]=number/10;1651dis_tab[1]=number%10;1661dis_tab[2]=flag1;1671dis_tab[3]=flag2;1681}169170171//***********显示转速***********//172voiddisplay()interrupt1173(1741staticuchari;1751TH0=0xcf;1761TL0=0xad;1771TR0=0;1781C51COMPILERV8.08SMG1791if(i++>4){i=0;}//changeplace1801wela=(1<<i);//selectoneled1811dul