本科毕业设计基于单片机的步进电机运动方式控制(电路图可画-程序可用-proteus仿真)

青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 I 摘摘 要要 随着数字化技术发展 数字控制技术得到了广泛而深入的应用 步进电动机由于 其将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机 最突出的优点是可以在宽 广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速 快速起停 正反转控制及制动等 并 且用其组成的开环系统既简单 廉价 又非常可行 因此 随着微电子和计算机技术 的发展 步进电动机的需求量与日俱增 并且在打印机 手工业自动控制 组合机床 机器人 计算机外围设备 照相机 投影仪 数码摄像机 数控机床等办公自动化设备 以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 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 通俗一 点讲 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 即步进角 您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 同时您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 本设计基于 Proteus 设计环境 运用了 AT89C51 芯片 数码管显示电路和步进电 机以及 7 位小功率驱动芯片 ULN2003A 按钮 指示灯等辅助硬件电路 设计了步进电 机正反转及调速系统 绘制软件流程图 进行了软件设计并编写了源程序 最后对软 硬件系统进行联合调试 该步进电机的正反转及调速系统具有控制步进电机正反转的 功能 还可以对步进电机进行两档调速 关键词 关键词 步进电机 时序控制 正反转 调速 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 II Abstract With the development of digital technology digital control technology has been applied widely and deeply Stepping motor because of its micro motor electric pulse signal into corresponding angular displacement or linear displacement its most prominent advantage is that by changing the pulse frequency in a wide frequency range to achieve speed quick start and stop positive control and braking and the composition of the open loop system is simple cheap and very practical Therefore with the development of microelectronics and computer technology the demand of stepping motor grow with each passing day and in the printer the handicraft industry automatic control combined machine tool robot computer peripheral equipment camera has an extremely wide range of applications in many fields projector digital camera CNC machine tools and other office automation equipment and various control device Stepping motor is a kind of electrical pulses into angular displacement of the implementing agencies its working principle is the use of electronic circuit the power supply will be a DC component phase sequence control current the current in the motor power supply for the step step motor to work properly power driver for step motor time sharing multi phase sequential controller Popular point of view when stepping drive receives a pulse signal it drives stepper motor rotate in the direction set by a fixed angle i e step angle You can number of pulses to control the angular displacement of the control so as to achieve the purpose of accurate positioning at the same time you can control the pulse frequency to control motor rotation speed and acceleration so as to achieve the purpose of speed The Proteus design environment based on AT89C51 chip use digital tube display circuit and stepper motor and 7 small power drive chip ULN2003A buttons lights and other auxiliary hardware circuit the design of the stepper motor positive inversion and speed regulation system Draw the flow chart of the software the software design and program the source program the joint debugging of hardware and software system Positive inversion and speed control system of the stepping motor is reversing the stepper motor control function but also on the stepper motor two stall speed Key words Stepper motor timing control reverse speed 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 目目 录录 摘摘 要要 I 1 绪论绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 设计要求 1 2 方案论证方案论证 2 2 1 控制方式的确定 2 2 2 驱动方式的确定 2 3 硬件设计硬件设计 3 3 1 硬件总体介绍 3 3 2 步进电机 3 3 3 单片机 8 3 4 转向显示电路 12 3 5 数字显示电路 14 3 6 步进电机驱动电路 18 3 7 按键电路 20 4 软件设计软件设计 22 4 1 主程序流程图 22 4 2 步进电机运行子程序流程图 23 4 3 显示子程序流程图 24 5 设计仿真设计仿真 25 5 1 Keil uVision4 模拟仿真 25 5 2 proteus 模拟仿真 26 结结 论论 30 致致 谢谢 31 参考文献参考文献 32 附附 录录 1 33 附附 录录 2 34 附附 录录 3 39 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 1 1 绪论绪论 1 1 课题背景课题背景 现在社会 对精度的要求越来越高 特别是在空调 航空等方面 通风口 打开多少度 太阳能帆板展开多少度等等的要求非常高 而普通电机达不到这 样的精度 这时就需要用到步进电机 步进电机最早是在 1920 年由英国人所发明 它是将电脉冲信号转变为角位 移或线位移的开环控制元步进电机件 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 1 2 设计要求设计要求 本次毕业设计是基于单片机的步进电机运动方式控制系统 简而言之就是 要求用单片机控制一台步进电机的运转 实现步进电机正转 反转 并且可以 同时可以实现加速 减速 同时采用 proteus 软件进行系统仿真 本文所采用的步进电机是一台四相八拍步进电机 采用的单片机是 AT89C51 单片机 采用的放大驱动器是 ULN2003 采用汇编语言编程 单片机输 出的信号经过 ULN2003 的放大来驱动步进电机运转 通过改变步进电机通电相 序改变步进电机转速 通过改变每步之间的延时长短来改变步进电机的转速 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 2 2 方案论证方案论证 2 1 控制方式的确定控制方式的确定 步进电机控制是一个比较精确的 步进电机开环控制系统具有成本低 简单 控 制方便等优点 在采用单片机的步进电机开环系统中 控制系统的脉冲的频率或者换 向周期实际上就是控制步进电机的运行速度 系统可用两种办法实现步进电机的速度 控制 一种是定时 一种是延时 定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号 从而 可方便的控制系统输出脉冲的周期 当定时器启动后 定时器从装载的初值开始对系 统及其周期进行加计数 当定时器溢出时 定时器产生中断 系统转去执行定时中断 子程序 将电机换向子程序放在定时中断服务程序中 定时中断一次 电机换向一次 从而实现电机的速度控制 由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止 有一定的时间间隔 造成定时时间增加 为了减少这种定时误差 实现精确定时 要 对重装的计数初值作适当的调整 调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所 需的时间 二是重装初值指令所占用的时间 包括在重装初值前中断服务程序重的其 他指令因 用定时中断方式来控制电动机变速时 实际上是不断改变定时器装载值的 大小 此方法较为复杂 控制不简便 并且占用中断功能 故不采用 延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序 待延时结束后再执行换向 这 样周而复始就可发出一定频率的脉冲或换向周期 延时子程序的延时时间与换向程序 所用的时间和 就是脉冲的周期 该方法简单 占用资源少 全部由软件实现 调用 不同的子程序可以实现不同速度的运行 并且不占用中断功能 故采用延时方法 2 2 驱动方式的确定驱动方式的确定 步进电机的驱动一般有两种方法 一种是通过 CPU 直接来驱动 这种方法一般不 宜采用 因为 CPU 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动 别一种 是通过 CPU 来间接驱动 就是把从 CPU 输出的信号进行放大 然后直接驱动或是再通 过光电隔离间接来驱动步进电机 这种方法比较安全可靠 故本次设计应采用 CPU 间 接驱动步进电机 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 3 3 硬件设计硬件设计 3 1 硬件总体介绍硬件总体介绍 本次设计 采用 AT89C51 作为单片机控制 P0 口串接反相器连接驱动电路 ULN2003 用来驱动步进电机 P1 口输出显示电路 P2 口实现显示电路的动态显示以 及正反转指示灯的控制 P3 口实现中断功能 总体设计方框图如图 3 1 所示 AT89C51 单片机 ULN2003 驱动电路 步进 电机 时钟电路 数码管显示电路 图 3 1 总体设计方框图 复位电路 按键电路 3 2 步进电机步进电机 步进电机是将电脉脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件 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 3 2 1 基本介绍基本介绍 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 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 4 图 3 2 步进电机 虽然步进电机已被广泛地应用 但步进电机并不能像普通的直流电机 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 步进电机作为执行元件 是机电一体化的关键产品之一 广泛应用在各种自动化 控制系统中 随着微电子和计算机技术的发展 步进电机的需求量与日俱增 在各个 国民经济领域都有应用 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 通俗一点讲 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 即步进 角 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 3 2 2 主要分类主要分类 步进电机在构造上有三种主要类型 反应式 Variable Reluctance VR 永磁 式 Permanent Magnet PM 和混合式 Hybrid Stepping HS 反应式反应式 定子上有绕组 转子由软磁材料组成 结构简单 成本低 步距角小 可达 1 2 但动态性能差 效率低 发热大 可靠性难保证 永磁式永磁式 永磁式步进电机的转子用永磁材料制成 转子的极数与定子的极数相同 其特点是动态性能好 输出力矩大 但这种电机精度差 步矩角大 一般为 7 5 或 15 混合式混合式 混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点 其定子上有多相绕组 转子上采用永磁材料 转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度 其特点是输出力 矩大 动态性能好 步距角小 但结构复杂 成本相对较高 按定子上绕组来分 共有二相 三相和五相等系列 最受欢迎的是两相混合式步 进电机 约占 97 以上的市场份额 其原因是性价比高 配上细分驱动器后效果良好 该种电机的基本步距角为 1 8 步 配上半步驱动器后 步距角减少为 0 9 配上细分 驱动器后其步距角可细分达 256 倍 0 007 微步 由于摩擦力和制造精度等原因 实 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 5 际控制精度略低 同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果 3 2 3 选择方法选择方法 步进电机和驱动器的选择方法 判断需多大力矩 静扭矩是选择步进电机的主要参数之一 负载大时 需采用大 力矩电机 力矩指标大时 电机外形也大 判断电机运转速度 转速要求高时 应选相电流较大 电感较小的电机 以增加 功率输入 且在选择驱动器时采用较高供电电压 选择电机的安装规格 如 57 86 110 等 主要与力矩要求有关 确定定位精度和振动方面的要求情况 判断是否需细分 需多少细分 根据电机的电流 细分和供电电压选择驱动器 3 2 4 基本原理基本原理 3 2 4 1 工作原理 通常电机的转子为永磁体 当电流流过定子绕组时 定子绕组产生一矢量磁场 该 磁场会带动转子旋转一角度 使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致 当定 子的矢量磁场旋转一个角度 转子也随着该磁场转一个角度 每输入一个电脉冲 电 动机转动一个角度前进一步 它输出的角位移与输入的脉冲数成正比 转速与脉冲频 率成正比 改变绕组通电的顺序 电机就会反转 所以可用控制脉冲数量 频率及电 动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动 3 2 4 2 发热原理 通常见到的各类电机 内部都是有铁芯和绕组线圈的 绕组有电阻 通电会产生 损耗 损耗大小与电阻和电流的平方成正比 这就是我们常说的铜损 如果电流不是 标准的直流或正弦波 还会产生谐波损耗 铁心有磁滞涡流效应 在交变磁场中也会 产生损耗 其大小与材料 电流 频率 电压有关 这叫铁损 铜损和铁损都会以发 热的形式表现出来 从而影响电机的效率 步进电机一般追求定位精度和力矩输出 效率比较低 电流一般比较大 且谐波成分高 电流交变的频率也随转速而变化 因 而步进电机普遍存在发热情况 且情况比一般交流电机严重 3 2 5 指标术语指标术语 3 2 5 1 静态指标术语 1 相数 产生不同对极 N S 磁场的激磁线圈对数 常用 m 表示 2 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 6 导电状态用 n 表示 或指电机转过一个齿距角所需脉冲数 以四相电机为例 有 四相四拍运行方式即 AB BC CD DA AB 四相八拍运行方式即 A AB B BC C CD D DA A 3 步距角 对应一个脉冲信号 电机转子转过的角位移用 表示 360 度 转子齿数 运行拍数 以常规二 四相 转子齿为 50 齿电机为例 四拍运行时步 距角为 360 度 50 4 1 8 度 俗称整步 八拍运行时步距角为 360 度 50 8 0 9 度 俗称半步 4 定位转矩 电机在不通电状态下 电机转子自身的锁定力矩 由磁场齿形的谐 波以及机械误差造成的 5 静转矩 电机在额定静态电作用下 电机不作旋转运动时 电机转轴的锁定力 矩 此力矩是衡量电机体积的标准 与驱动电压及驱动电源等无关 虽然静转矩与电 磁激磁安匝数成正比 与定齿转子间的气隙有关 但过分采用减小气隙 增加激磁安 匝来提高静力矩是不可取的 这样会造成电机的发热及机械噪音 3 2 5 2 动态指标术语 1 步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差 用百分比 表示 误差 步距角 100 不同运行拍数其值不同 四拍运行时应在 5 之内 八拍运 行时应在 15 以内 2 失步 电机运转时运转的步数 不等于理论上的步数 称之为失步 3 失调角 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度 电机运转必存在失调角 由失调 角产生的误差 采用细分驱动是不能解决的 4 最大空载起动频率 电机在某种驱动形式 电压及额定电流下 在不加负载的 情况下 能够直接起动的最大频率 5 最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式 电压及额定电流下 电机不带负 载的最高转速频率 6 运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线 称为运行矩频特性 这是电机诸多动态曲线中最重要的 也是电机选择的根本依据 其它特性还有惯频特性 起动频率特性等 电机一旦选定 电机的静力矩确定 而动态力矩却不然 电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流 而非静态电流 平均电流越大 电机输出力矩越大 即电机的频率特性越硬 要使平均电流大 尽可 能提高驱动电压 采用小电感大电流的电机 7 电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域 二 四相感应子式的共振区一 般在 180 250pps 之间 步距角 1 8 度 或在 400pps 左右 步距角为 0 9 度 电机驱 动电压越高 电机电流越大 负载越轻 电机体积越小 则共振区向上偏移 反之亦 然 为使电机输出电矩大 不失步和整个系统的噪音降低 一般工作点均应偏移共振 区较多 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 7 8 电机正反转控制 当电机绕组通电时序为 AB BC CD DA 或 时为正转 通电时 序为 DA CD BC AB 或 时为反转 3 2 6 测速方法测速方法 步进电机是将脉冲信号转换为角位移或线位移 一是过载性好 其转速不受负载大小的影响 不像普通电机 当负载加大时就会 出现速度下降的情况 步进电机使用时对速度和位置都有严格要求 二是控制方便 步进电机是以 步 为单位旋转的 数字特征比较明显 三是整机结构简单 传统的机械速度和位置控制结构比较复杂 调整困难 使用 步进电机后 使得整机的结构变得简单和紧凑 测速电机是将转速转换成电压 并传 递到输入端作为反馈信号 测速电机为一种辅助型电机 在普通直流电机的尾端安装 测速电机 通过测速电机所产生的电压反馈给直流电源 来达到控制直流电机转速的 目的 3 2 7 优势及缺陷优势及缺陷 3 2 7 1 优点 1 电机旋转的角度正比于脉冲数 2 电机停转的时候具有最大的转矩 当绕组激磁时 3 由于每步的精度在百分之三到百分之五 而且不会将一步的误差积累到下一步 因而有较好的位置精度和运动的重复性 4 优秀的起停和反转响应 5 由于没有电刷 可靠性较高 因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命 6 电机的响应仅由数字输入脉冲确定 因而可以采用开环控制 这使得电机的结 构可以比较简单而且控制成本 7 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转 8 由于速度正比于脉冲频率 因而有比较宽的转速范围 3 2 7 2 缺陷 1 如果控制不当容易产生共振 2 难以运转到较高的转速 3 难以获得较大的转矩 4 在体积重量方面没有优势 能源利用率低 5 超过负载时会破坏同步 高速工作时会发出振动和噪声 3 2 8 驱动要求驱动要求 1 能够提供较快的电流上升和下降速度 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 8 使电流波形尽量接近矩形 具有供截止期间释放电流流通的回路 以降低绕组两端的反电动势 加快电流衰 减 2 具有较高韵功率及效率 步进电机驱动器 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移 或 者说 控制系统每发一个脉冲信号 通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角 也就 是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比 所以控制步进脉冲信号的频率 就可 以对电机精确调速 控制步进脉冲的个数 就可以对电机精确定位 步进电机驱动器 有很多 应以实际的功率要求合理的选择驱动器 3 3 单片机单片机 3 3 1 单片机的定义单片机的定义 自 1946 年第一代电子计算机研制成功后 计算机的发展经历了电子管计算机 晶 体管计算机 集成电路计算机和大规模集成电路计算机 4 个阶段 即我们通常所说的 第一代 第二代 第三代和第四代计算机时代 现在广泛使用的微机是大规模集成电 路技术发展的产物 因此它属于第四代计算机 而单片机则是微机的一个分支 自 1971 年微机问世以来 由于实际应用的需要 微机向着两个不同的方向发展 一是朝 高速度 大容量 高性能的高档微型方向发展 二是朝稳定可靠 体积小和价格低廉 的单片机方向发展 但两者在原理和技术上是紧密联系的 单片机 就是把中央处理器 Centra Processing Unit CPU 随机存取存储器 Random Access Memory RAM 只读存储器 Read Only Memory ROM 定时器 计数 器以及输入 输出 Input Output I O 接口电路等主要计算机部件 集成在一块集成 电路芯片上的微机 虽然单片机只是一个芯片 但从组成和功能上看 它已具有了微 型系统的属性 为此称它为单片微机 Single Chip MicroComputer SCMC 简称单片 机 3 3 2 单片机发展及应用单片机发展及应用 3 3 2 1 单片机的发展历史及趋势 单片机的发展分以下 4 个阶段 第一代 20 世纪 70 年代后期 4 位逻辑控制器件发展到 8 位 使用 NMOS 工艺 速度低 功耗大 集成度低 代表产品有 MC6800 Intel8048 第二代 20 世纪 80 年代初 采用 CMOS 工艺 并逐渐被高速 低功耗的 HMOS 工 艺代替 代表产品有 MC 和 Intel 8051 第三代 近十年来 MCU Micro Controller Uint 微控制器 的发展出现了许多新 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 9 特点 1 在技术上 有可扩展总线型向纯单片型发展 即只能工作在单片方式 2 MCU 的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线 3 将多个 CPU 集成到一个 MCU 中 4 在降低功耗 提高可靠性方面 MCU 工作电压已降至 3 3V 第四代 FLASH 的使用使 MCU 技术进入了第四代 现在可以说是单片机百花齐放 百家争鸣的时期 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机 从 8 位 16 位到 32 位 数不胜数 有与主流 C51 系列兼容的 也有不兼容的 但它们各具特色 为单 片机的应用用提供了广阔的天地 纵观单片机的发展过程 可以预示单片机的发展趋势大致如下 1 低功耗 CMOS 化 MCS 51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW 而现在的单片机功耗普遍都在 100mW 左右 随着对单片机功耗的要求越来越低 现在单片机制造商基本都采用了互补金属 氧化物半导体工业 CMOS 例如 80C51 就采用了高密度金属氧化物半导体工艺 HMOS 和互补高密度技术氧化物半导体工艺 CHMOS CMOS 虽然功耗较低 但由于 其物理特征决定了其工作速度不够高 而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点 这些 特征 更适合在要求低功耗如电池供电的应用场合 所以这种工艺将是今后一段时期 单片机发展的主要途径 2 微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将 CPU RAM ROM 并行和串行通信接口 中断系统 定时电路 时钟电路集成在一块单一的芯片上 增强型的单片机集成了如 A D 转换器 PMW 脉宽调制电路 WDT 看门狗 有些单片机将液晶 LED 驱动点亮都集成在单 一的芯片上 这样单片机包含的单元点亮就更多 功能更强大 有些单片机厂商甚至 还可以根据用户的要求量身定做 制造出具有自己特色的单片机芯片 此外 现在的产品普遍要求体积小 重量轻 这就要求单片机除了功能强和功耗 低外 其体积也要小 目前 许多单片机都具有多种封装样式 其中表面封装 SMD 越来越受欢迎 使得由单片机构成的系统朝着微型化的方向发展 3 主流与多品种共存 现在的单片机的品种繁多 各具特色 以 80C51 为核心的单片机占主流 兼容其 结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品 ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系 列单片机 以 80C51 为核心的单片机占据了半壁江山 而 Microchip 公司的 PIC 精简 指令集 RISC 也有着强劲的发展势头 中国台湾的 HOLTEK 公司近几年的单片机产量 与日俱增 以其低价质优的优势 占据一定的市场份额 此外还有 Motorola 公司的产 品 以及日本几大公司的专用单片机 在一定的时期内 这种情形将仍将延续 而不 存在某品牌单片机一统天下的垄断局面 走的是一寸互补 相辅相成 共同发展的道 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 10 路 3 3 2 2 单片机的主流产品 自单片机诞生以来的近 30 年中 单片机已有 70 多个系列的近 500 个机种 8051 系列单片机产品繁多 主流地位已经形成 今年来推出的与 8051 兼容的主 要产品有 ATMEL 公司融入 Flash 存储器技术的 AT89 系列 Philips 公司的 80C51 80C552 系列 华邦公司的 W78C51 W77C51 高速低价系列 ADI 公司的 ADuC8xx 高精度 ADC 系列 LG 公司的 GMS90 97 低压高速系列 Maxim 公司的 C8051F 系列高速 SOC 单片机 Cygnal 公司的 C8051F 系列高速 SOC 单片机 非 8051 结构单片机新品不断推出 给用户提供了更为广泛的选择空间 今年来推 出的非 8051 系列的主要产品有 Intel 的 MCS 96 系列 16 位单片机 Microchip 的 PIC 系列 RISC 单片机 TI 的 MSP430F 系列 16 位低功耗单片机 3 3 2 3 单片机的应用领域 单片机的应用主要体现在以下几个方面 1 在工业自动化方面 如过程控制 数据采集和监控技术 机器人技术 机械 电子计算机一体化技术 2 在仪器仪表方面 如测试仪表和医疗仪器 数字化 智能化 高精度 小 体积 低成本 便于增加显示报警和自诊断功能 3 在家用电器方面 如冰箱 洗衣机 空调机 微波炉 电视机 音响设备等 4 在信息和通信产品方面 如计算机的键盘 打印机 磁盘驱动器 传真机 复印机 电话机 考勤机 5 在军事方面 如飞机 大炮 坦克 军舰 导弹 火箭 雷达等 3 3 3 单片机系统的组成单片机系统的组成 单片机系统分为硬件部分和软件部分 单片机系统的硬件部分主要由单片机和外围器件构成 如图 3 3 所示 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 11 运算器 CPU 寄存器组 控制器 片内 内存 单片机 片外 中断控制逻辑 并行 I O 通用接口 串行 UART 定时 计数器 T C 定时 计数器 8253 模数转换器 ADC 0809 数模转换器 DAC 0832 外围器件 片外扩展接口 串行通信扩展 8251 并行通信扩展 8255A 8155 驱动器 DSP 等 图 3 3 单片机组成 3 3 4 单片机复位电路单片机复位电路 MCS 51 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的 复位引脚 RST 通过一个斯密 特触发器与复位电路相连 斯密特触发器用来抑制噪声 在每个机器周期的 S5P2 斯 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 12 密特触发器的输出电平由复位电路采样一次 然后才能得到内部复位操作所需要的信 号 上电复位 上电复位电路是 种简单的复位电路 只要在 RST 复位引脚接一个电 容到 VCC 接一个电阻到地就可以了 上电复位是指在给系统上电时 复位电路通过电 容加到 RST 复位引脚一个短暂的高电平信号 这个复位信号随着 VCC 对电容的充电过 程而回落 所以 RST 引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间 为了保证系 统安全可靠的复位 RST 引脚的高电平信号必须维持足够长的时间 电路图如图 3 4 图 3 4 上电复位电路图 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的 只要 Vcc 的上升时间不 超过 1ms 就可以实现自动上电复位 3 3 5 单片机时钟电路单片机时钟电路 时钟是单片机的心脏 单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准 有条不 紊的一拍一拍地工作 因此 时钟频率直接影响单片机的速度 时钟电路的质量也直 接影响单片机系统的稳定性 常用的时钟电路有两种方式 一种是内部时钟方式 另 一种为外部时钟方式 本文用的是内部时钟方式 电路图如图 3 5 图 3 5 时钟电路 AT89C51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 该高增益反向放 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 13 大器的输入端为芯片引脚 XTAL1 输出端为引脚 XTAL2 这两个引脚跨接石英晶体振荡 器和微调电容 就构成一个稳定的自激振荡器 3 4 转向显示电路转向显示电路 本次设计中 步进电机正反转运转信息由发光电路显示 发光电路采用发光二极 管显示 其中 绿灯亮时指示步进电机正转 红灯亮时指示步进电机反转 图 3 6 发光二极管 3 4 1 基本介绍基本介绍 发光二极管简称为 LED 由镓 Ga 与砷 AS 磷 P 的化合物制成的二极管 当电子与空穴复合时能辐射出可见光 因而可以用来制成发光二极管 在电路及仪器 中作为指示灯 或者组成文字或数字显示 磷砷化镓二极管发红光 磷化镓二极管发 绿光 碳化硅二极管发黄光 这种电子元件早在 1962 年出现 早期只能发出低光度的 红光 之后发展出其他单色光的版本 时至今日能发出的光已遍及可见光 红外线及 紫外线 光度也提高到相当的光度 而用途也由初时作为指示灯 显示板等 随着技 术的不断进步 发光二极管已被广泛的应用于显示器 电视机采光装饰和照明 发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN 结组成 也具有单向导电性 当给发光 二极管加上正向电压后 从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子 在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合 产生自发辐射的荧光 不 同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同 当电子和空穴复合时释放出的能 量多少不同 释放出的能量越多 则发出的光的波长越短 常用的是发红光 绿光或 黄光的二极管 3 4 2 发光二极管的单向导通性发光二极管的单向导通性 发光二极管只能往一个方向导通 通电 叫作正向偏置 正向偏压 当电流流 过时 电子与空穴在其内复合而发出单色光 这叫电致发光效应 而光线的波长 颜 色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关 具有效率高 寿命长 不易 破损 开关速度高 高可靠性等传统光源不及的优点 白光 LED 的发光效率 在近几 年来已经有明显的提升 同时 在每千流明的购入价格上 也因为投入市场的厂商相 互竞争的影响 而明显下降 虽然越来越多人使用 LED 照明作办公室 家具 装饰 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 14 招牌甚至路灯用途 但在技术上 LED 在光电转换效率 有效照度对用电量的比值 上 仍然低于新型的荧光灯 是国家以后发展民用的去向 3 4 3 LED 的优点的优点 一 体积小 LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面 所以它非常的小 非常的 轻 二 耗电量低 LED 耗电相当低 一般来说 LED 的工作电压是 2 3 6V 工作电流是 0 02 0 03A 这就是说 它消耗的电不超过 0 1W 三 使用寿命长 在恰当的电流和电压下 LED 的使用寿命可达 10 万小时 四 高亮度 低热量 LED 使用冷发光技术 发热量比普通照明灯具低很多 五 环保 LED 是由无毒的材料作成 不像荧光灯含水银会造成污染 同时 LED 也可以回收 再利用 六 坚固耐用 LED 是被完全的封装在环氧树脂里面 它比灯泡和荧光灯管都坚固 灯体内也没 有松动的部分 这些特点使得 LED 可以说是不易损坏的 发光二极管具有单向导电性 且节能 只需 5V 电源 就可以驱动 AT89C51 完全 可以满足这个要求 但为了限流 串一个电阻 电路图如图 3 8 图 3 8 发光电路 3 5 数字显示电路数字显示电路 本次毕业设计的显示电路主要用于显示步进电机的档位 转速等功能 可以用来显示转速信息的显示期间有很多 比如液晶屏 数码管等 但本次设计 只需显示步进电机的转速 并不需要显示其它信息 如果采用液晶屏显示 程序太过 于复杂 成本太高 所以用数码管显示 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 15 本次设计显示采用四位共阳极八段数码管 数码管是一种半导体发光器件 其基本单元是发光二极管 3 5 1 数码管分类数码管分类 数码管也称 LED 数码管 晶美 光电 不同行业人士对数码管的称呼不一样 其 实都是同样的产品 数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管 八段数码管比七段数码管多一个 发光二极管单元 多一个小数点显示 按能显示多少个 8 可分为 1 位 2 位 3 位 4 位 5 位 6 位 7 位等数码管 按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管 共阳数码管是 指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 COM 的数码管 共阳数码管在应 用时应将公共极 COM 接到 5V 当某一字段发光二极管的阴极为低电平时 相应字段 就点亮 当某一字段的阴极为高电平时 相应字段就不亮 共阴数码管是指将所有发 光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管 共阴数码管在应用时应将公 共极 COM 接到地线 GND 上 当某一字段发光二极管的阳极为高电平时 相应字段就 点亮 当某一字段的阳极为低电平时 相应字段就不亮 3 5 2 结构结构 led 数码管 LED Segment Displays 是由多个发光二极管封装在一起组成 8 字型 的器件 引线已在内部连接完成 只需引出它们的各个笔划 公共电极 led 数码管常 用段数一般为 7 段有的另加一个小数点 还有一种是类似于 3 位 1 型 位数有半位 1 2 3 4 5 6 8 10 位等等 led 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两 类 了解 LED 的这些特性 对编程是很重要的 因为不同类型的数码管 除了它们的 硬件电路有差异外 编程方法也是不同的 图 2 是共阴和共阳极数码管的内部电路 它们的发光原理是一样的 只是它们的电源极性不同而已 颜色有红 绿 蓝 黄等 几种 led 数码管广泛用于仪表 时钟 车站 家电等场合 选用时要注意产品尺寸颜 色 功耗 亮度 波长等 图 3 9 10 引脚的 LED 数码管 3 5 3 驱动方式驱动方式 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 16 3 5 3 1 概述 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示出我们 要的数字 因此根据数码管的驱动方式的不同 可以分为静态式和动态式两类 3 5 3 2 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机 的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进制译码器译码进行驱动 静态驱动的 优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 端口多 如驱动 5 个数码管静态显示 则需要 5 8 40 根 I O 端口来驱动 要知道一个 89S51 单片机可用的 I O 端口才 32 个 呢 实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动 增加了硬件电路的复杂性 3 5 3 3 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一 动态驱动是 将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端连在一起 另外为每个数码管的 公共极 COM 增加位选通控制电路 位选通由各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字 形码时 所有数码管都接收到相同的字形码 但究竟是哪个数码管会显示出字形 取 决于单片机对位选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控 制打开 该位就显示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数 码管的的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程 中 每位数码管的点亮时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效 应 尽管实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就 是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是一样的 能够 节省大量的 I O 端口 而且功耗更低 本次设计采用动态显示电路 由单片机 P1 口控制数码管段 由单片机的 P2 口的 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 控制数码管的位选择 电路图如图 3 10 所示 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 17 图 3 10 数码管动态显示电路 3 5 4 应用范围应用范围 数码管是显示屏其中一类 通过对其不同的管脚输入相对的电流 会使其发亮 从而显示出数字能够显示 时间 日期 温度等所有可用数字表示的参数 由于它的价格便宜 使用简单 在电器特别是家电领域应用极为广泛 空调 热水 器 冰箱等等 绝大多数热水器用的都是数码管 其他家电也用液晶屏与荧光屏 数码管实物如图 3 11 图 3 11 数码管实物图 自行代码与 16 进制的转换驱动代码表 如表 3 1 表 3 1 共阳极数码管驱动段码表 显示数值 dp g f e d c b a 驱动代码 16 进制 0 0 0 1 1 1 1 1 1C0H 1 0 0 0 0 0 1 1 0F9H 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 18 2 0 1 0 1 1 0 1 1A4H 3 0 1 0 0 1 1 1 1B0H 4 0 1 1 0 0 1 1 099H 5 0 1 1 0 1 1 0 192H 6 0 1 1 1 1 1 0 182H 7 0 0 0 0 0 1 1 1F8H 8 0 1 1 1 1 1 1 180H 9 0 1 1 0 1 1 1 190H A 0 1 1 1 0 1 1 1 88H B 0 1 1 1 1 1 0 083H C 0 0 1 1 1 0 0 1C6H D 0 1 0 1 1 1 1 0A1H E 0 1 1 1 1 0 0 186H F 0 1 1 1 0 0 0 18EH 0 1 0 0 0 0 0 0BFH 1 0 0 0 0 0 0 07FH 熄灭 0 0 0 0 0 0 0 0 FFH 3 6 步进电机驱动电路步进电机驱动电路 3 6 1 概述概述 步进电机驱动器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 步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统 步进电动机驱动系统的 性能 不但取决于步进电动机自身的性能 也取决于步进电动机驱动器的优劣 对步 进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的 3 6 2 系统控制系统控制 步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作 必须使用专用的驱动电源 步 进电动机驱动器 控制器 脉冲信号发生器 可以通过控制脉冲的个数来控制角位移 青岛理工大学本科毕业设计说明书 论文 19 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 3 6 3 基本原理基本原理 步进电机驱动器的原理 采用单极性直流电源供电 只要对步进电机的各相绕组 按合适的时序通电 就能使步进电机步进转动 驱动器相当于开关的组合单元 通过上位机的脉冲信号有顺序给电机相序通电使 电机转动 3 6 4 组成结构组成结构 步进电机驱动器主要结构主要有以下部分作用为 1 环行分配器 根据输入信号的要求产生电机在不同状态下的开关波形 2 信号处理 对环行分配器产生的开关信号波形进行 PWM 调制以及对相关的波形进行滤波整 形处理 3 主开关电路 用功率元器件直接控制电机的各相绕组 4 保护电路 当绕组电流过大时产生关断信号对主回路进行关断 以保护电机驱动器和电机绕 组 5 传感器 对电机的位置和角度进行实时监控 传回信号的产生装置 3 6