毕业设计（论文）-基于单片机的步进电机的快慢控制与转数显示系统设计.doc

四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)目 录摘 要1绪 论2第1章总体设计方案31.1方案的总体设计框图31.2工作原理3第2章 硬件设计42.1单片机at89c5142.2时钟电路62.3显示电路72.3.1lcd的特性和引脚功能72.3.2lcd的工作原理82.4步进电机92.4.1步进电机工作原理92.4.2步进电机正反转原理122.5驱动电路122.5.1步进电机驱动电路132.5.2数码管控制电路142.6控制电路14第3章 软件设计173.1protenus软件仿真173.2流程图18总 结20考文参献21附录1 整机电路图22附录2主程序23附录3元器件明细表3030第 页摘 要本设计是采用单片机设计的步进电机的快慢控制与转数显示系统。它具有电路简单、功能齐全、制作成本低、性价比高等特点，是一种经济、实用的电机控制系统。硬件部分主要由单片机系统电路、复位控制电路、lcd显示电路、时钟电路、电机控制电路和其它基本外围电路组成。软件部分采用51系列单片机通用的c语言设计编写。不仅有正反转与加减速控制，而且具有转数显示等功能。并且功能增减方便，只需对软件做相应修改即可。关键词 at89c51单片机；步进电机；c语言绪 论随着现代生活方式和工业节奏的迅速加快，电机在人们的生活中脱颖而出。电机的巨大作用到处可见，高层建筑中的电梯离不开电机，马路上的电动车离不开电机，工厂中的流水线离不开电机，住房中的空调风扇智离不开电机，汽车的运动离不开电机，电脑中的制冷系统离不开电机，等等。由此可见电机在这个世界上的重要性，如何利用电机为人们生活做贡献成了热门主题，所以对电机的控制学成为了现代学科中的佼佼者。本次设计利用at89c-51单片机的定时器/计数器定时和计数的原理及外围接口，将软、硬件有机地结合起来实现电机控制系统，使得系统能够正确地进行停止启动，加速减速，同时使lcd显示系统能够正确地显示转数。在本次设计中，主要是设计一个步进电机的控制与lcd显示系统。它主要实现以下功能：(1)采用单片机对步进电机进行控制；（2）具有产生正转，反转，加速，减速的功能。(3)采用lcd显示屏进行显示；(4)显示出的转速值有正负之分。利用本次设计电路制造成的步进电机控制系统，即可轻松实现电机转速的快慢调节和正反转功能，解决了许多现实生活中因电机控制出现问题的难题，使生活更有节奏感，更舒适。通过这次课程设计，掌握at89c51单片机的原理,了解多功能步进电机控制与显示系统的组成原理，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与装配、调试，巩固了所学的理论知识，了解了多功能步进电机控制与显示系统各单元电路之间的关系及相互影响，从而能够正确实现其原理。第1章 总体设计方案1.1方案的总体设计框图时钟电路控制电路 单片机显示电路电机工作电路复位电路图1-1总体设计框图1.2工作原理当接通电源后，按下控制电路中的加速控制按钮，向单片机发出指令，单片机接收到指令处理后再把输出控制量控制指示电路使其输出加速的脉冲信号并通过显示电路显示出来，步进电接收到信号开始加速机工作。当接通电源后，按下控制电路中的减速控制按钮，向单片机发出指令，单片机接收到指令处理后再把输出控制量控制显示电路和指示电路以及步进电机工作。当接通电源后，按下控制电路中的反转控制按钮，向单片机发出指令，单片机接收到指令处理后再把输出控制量控制显示电路和指示电路，步进电机接收信号开始工作。第2章 硬件设计模拟电风扇控制系统设计是由六部分组成：单片机（at89c51）、时钟电路、控制电路、lcd显示电路、驱动电路、步进电机。2.1单片机at89c51单片机at89c2051具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。at89c51是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的at89c51提供了高性价比的解决方案。at89c51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，at89c51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。图2-1 at89c51单片机的管脚图表2-1主要功能特性兼容mcs-51指令系统4k可反复擦写（1000次）flash rom32个双向i/o口可编程uarl通道两个16位可编程定时/计数器全静态操作0-24mhz1个串行中断128x8bit内部ram两个外部中断源共6个中断源可直接驱动led3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能ad89c51单片机的管脚功能：vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：p3口管脚 备选功能p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在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：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。2.2时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号）。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。本系统设计采用内部振荡方式，如图2-2所示。mcs-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚xtall和xtal2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式。图 2-2 时钟电路2.3显示电路对于系统的运行状态和运行结果，通常都需要直观交互显示出来。单片机应用系统中最常用的显示器有led和lcd两种。这两在单片机应用系统中种显示器都可以显示数字、字符及系统的状态，led和led数码显示最为普遍，但随着低功耗设计的要求，lcd数码显示器的使用也越来越广泛。2.3.1lcd的特性和引脚功能液晶显示器，英文通称为lcd（liquid crystal display），是属于平面显示器的一种。字符型液晶显示模块是专门用来显示字母、数字、符号等点阵式lcd。显示器把lcd控制器，点阵驱动器，字符存储器，显示体及组容元件集成一个液晶显示模块。内部具有字符发生器rom，可显示192种字符；具有64字符的自定义字符ram，可以定义8个5x8点阵字符或4个5x11点阵字符；具有64字节的数据显示ram，供显示编程使用；标准接口，与m68hc08系列容易接口；模块结构紧凑，轻巧，装备容易；单+5v电源供电；低功耗，可靠性高；hd44780的外部接口信号与mcu的接口有8条数据线db0db7和3条控制线rs,rw,e,hd44780的引脚相连。图2-3 lcd显示屏表2-2 lcd各引脚功能引脚符号状态功能1vss电源接地2vdd电源+5v3vl液晶显示偏压4vs输入寄存器选择5rw输入r/w读写选择6e输入使能信号7d0三态数据总线8d1三态数据总线9d2三态数据总线10d3三态数据总线11d4三态数据总线12d5三态数据总线13d6三态数据总线14d7三态数据总线15a背光源正极16k背光源负极2.3.2lcd的工作原理从液晶显示器的结构来看，采用的lcd显示屏都是由不同部分组成的分层结构。lcd由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5m均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。 背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当lcd中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。2.4步进电机步进电机是将电信号脉冲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，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。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，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。图2-4步进电机2.4.1步进电机工作原理步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 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。图2-5步进电动机结构示意图拍图2-5步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。设a相首先通电（b、c两相不通电），产生a-a轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时a、a极就成为电磁铁的n、s极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐a、a极的位置；接着b相通电（a、c两相不通电），转了便顺时针方向转过30，它的齿和c、c极对齐（图2-6c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按acba的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三方式。图2-6 步进电机转子的位置设a相首先通电，转子齿与定子a、a对齐（图2-6a）。然后在a相继续通电的情况下接通b相。这时定子b、b极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是a、a极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示，即转子从图(2-7a)位置顺时针转过了15。接着a相断电，b相继续通电。这时转子齿2、4和定子b、b极对齐（图2-6c），转子从图(2-6b)的位置又转过了15。其位置如图3d所示。这样，如果按aa、bbb、ccc、aa的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按aa、ccc、bbb、aa的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式图2-7 a.a相通电 b.ab相通电 c.b相通电 d.bc相通电如果每次都是两相通电，即按a、bb、cc、aa、b的顺序通电，则称为双三拍方式，可见，步距角也是30。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角可用下式计算：360/zrm式中zr是转子齿数；m是运行拍数。一般步进电动机最常见的步距角是3或15。由上式可知，转子上不只4个齿（齿距角90），而有40个齿（齿距角为9）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图2-8所示。图2-8 步进电机的结构图由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。 2.4.2步进电机正反转原理(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。2.5驱动电路使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：脉冲信号信号分配功率放大步进电机负载图2-9 驱动电路控制框图脉冲信号一般由单片机或cpu产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。信号分配步进电机二相电机，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。步进电机电源基本组成部分脉冲发生器，脉冲分配器，脉冲放大器（功率放大器）三部分组成。脉 冲发生器脉 冲分配器脉冲放大器步进电机图2-10 电源基本组成图2.5.1步进电机驱动电路图2-11 单片机驱动步进电机cp接cpu脉冲信号（负信号，低电平有效opto，接cpu+5v，free脱机，与cpu地线相接，驱动电源不工作dir，方向控制，与cpu地线相接，电机反转vcc，直流电源正端gnd。直流电源负端a 接电机引出线红线接电机引出线绿线，b接电机引出线黄线接电机引出线蓝线步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越 大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：图2-12 电压对力矩影响图细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（a，b）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。2.5.2数码管控制电路l298控制驱动步进电机可以是两相也可以是四相，输出电压高达50v，可以通过电源控制输出电压，可以用单片机的io口提供信号，电路简单，使用方便。使用l298进行驱动时，可以利用l297提供时序型号，可以节省单片机io口的使用，也可以使用单片机直接输出所需信号，由于后者不容易使用，故选者前者。数码管l298输入端in1,in2,in3,in4,ena,enb接数码管l297, 输出端out1, out2, out3,out4接步进电机，vs接+12v电源。数码管l297输出的是步进电机所需的时序脉冲信号（如图2-13）. 图2-13 l297的时序电路图12脚. vcc, 10.enable, 20.reset, 19half接+5v电源，gnd接地，输入端17.cw，18.clock分别接单片机的p0.0与p0.1。输出端a,b,c,d,inh1,inh2接数码管l298。2.6控制电路控制电路采用单一式手动控制开关。手动开关于一个一千欧姆的电阻并联连接，在开关关闭时，就等于只给单片机p3.2 int0, p3.3 int1, p3.4 t0, p3.5 t1串联一个电阻，单片机没有工作，在开关开启时，就等于将电阻短路，将单片机导通，单片机处于工作状态。 直接用单片机的i/o端口线p1.0到p1.7控制按键，每个按键独占用一根i/o端口线，相互独立，每个按键的工作不会影响其他i/o端口线的状态。图2-14 独立式按键电路独立式按键的电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一个i/o端口线，按键多，占用的i/o端口线，比较浪费。第3章 软件设计3.1protenus软件仿真此设计的电路在protenus软件中进行仿真，运行protenus的isis程序后，进入该仿真软件的主页面。主页面由菜单栏、工具栏、预览窗口、元件选择按钮、元件列表窗口、原理图绘制窗口和仿真进程控制按钮组成。通过元件选择按钮p命令，在弹出的pick devices窗口选择电路所需元件，放置元件并调整其相对位置，对元件参数设置及元器件连接，完成单片机系统的硬件原理绘制图。（如图3-1）图3-1硬件原理图首先启动keil c51软件的集成开发环境，从桌面上双击uvision图标以启动软件。建立工程文件。通常单片机应用系统软件包含多个源程序文件，kell c51使用工程这一概念，将这些参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中。因此，需要建立一个工程文件，并为这个工程选择cpu,确定编译，汇编，连接的参数，指定调试的方式。建立并添加源文件。使用菜单或者单击工具栏的新建文件按钮，出现文本便捷窗口，在该窗口中输入新编制的源程序并保存该文件。3.2流程图以单片机为核心，设计步进电机控制系统，具有以下功能：开机时电机不转动，若按下启动键,电机以10转/分速度正转转半分钟,后重新获取按键情况；按下加速键,电机从5转/分速度即加速正转至20转/分,后重新获取按键情况；按下减速键,电机从20转/分减速反转至5转/分,后重新获取按键情况主流程图：yynr0=0？r5#255r008hdptrtab1a00h查表延时dptr+1，r51r5=64？yacc.2=0?p1ar564r008hdptrtab2a00h查表延时dptr+1，r51r5=r0=0？acc.1=0?p1ayynn结束键盘扫描acc.0=0?r5#240r008hdptrtttaba00ha查询ttttaba+dptr dptrtabp1ar51=0?延时dptr+1r0=0？开始yynn程序流程图：总 结在我的毕业设计中，主要采用at89c51单片机为核心，对步进电机的速度、正反转控制。这次设计真正做到硬件与软件的结合，真正懂得单片机的重要性。由于单片机经济实用，控制操作简便，无论在家电预计电视都有重要的作用，单片机的研究成了当代的重要轨迹，所以学好单片机至关重要。通过这次毕业设计，真正体验到c语言的重要性，要学好单片机必须学好c语言，硬件也很重要，将软件与硬件结合，才能真正领悟单片机，运用单片机让社会更加完美、更加环保。本次毕业设计虽然遇到的问题很多，在老师与同学的帮助下还是有序的完成了。这次的设计是对大学所学电子技术的综合，十分全面与系统化，通过加深电子技术对以后的工作有很大的帮助。考文参献1 张洪润，易涛编著.单片机应用技术教程 （第二版）.北京：清华大学出版社，2003.2 求是科技编著.单片机典型模块设计实例导航.北京：人民邮电出版社，2004.3 孙进生编著.电子产品设计实例教程.北京：冶金工业出版社，2004.4 段九州编著.放大电路实用设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.5 潘新民，王燕芳编著.微型计算机控制技术.北京：电子工业出版社，2004.6 杨宁编著.单片机与控制技术.北京：北京航空航天大学出版社，2005.7 李庭贵编著单片机应用技术及项目化训练.西南交通大学出版社，2009.附录1 整机电路图附录2主程序 #incldue at89x51.hint delay();void inti_lcd();void show_lcd(int);void cmd_wr();void showstate();void clock(unsigned int delay) ;void dospeed(); /计算速度/正转值#define right_run 1/反转值#define left_run 0sbit rs=0xa0;sbit rw=0xa1;sbit e=0xa2;char speedchar=speed(n/min):;char statechar=run state:;char state_cw=cw;char state_ccw=ccw;char speed3=050;unsigned int runspeed=50;/速度unsigned char runstate=right_run; /运行状态main()/*定时器设置*/tmod=0x66; /定时器0，1都为计数方式；方式2；ea=1;/开中断th0=0xff;/定时器0初