基于单片机的步进电机控制系统的设计

编号 毕业论文毕业论文 设计设计 题 目基于单片机的步进电机控制系统的设计 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 教学单位 盖章 二 O 一一年五月四日 毕业论文 设计 开题报告书 2011 年 2 月 20 日 院 系 机电工程系专 业自动化 姓 名学 号 论文 设计 题目基于单片机的步进电机控制系统的设计 一 选题目的和意义 随着工业自动化的发展 步进电机的应用越来越广泛 步进电动机是用电脉冲信号进 行控制 将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机 它最突出的优点是可 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 因此在打印机等办公自动化设备 以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用 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 研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义 二 本选题在国内外的研究现状和发展趋势 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机 国外一般称为 Stepping motor Pulse motor 或 Stepper servo 其应用发展已有 80 年的历史 正是由于步进电机具有突出的 优点 所以成了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 比如在数控系统中就得到了广泛应用 目前世界各国都在大力发展数控技术 我国 的数控系统也取得了很大发展 我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要 的各种档次的数控系统 其中华中数控系统解决了 五轴联动 为 神州 系列飞船顺 利升空立下了汗马功劳 虽然与发达国家相比 我国的数控技术方面整体发展水平还比 较低 但已经在我国占有非常重要的地位 并起了很大的作用 三 课题设计方案 主要说明 研究 设计 的基本内容 观点及拟采取的研究途径和方法 为了使系统硬件结构简单 成本低 功能齐全 适应性强 电机各种运行状态指示 一目了然 操作方便 系统抗干扰和可靠性高 所以本课题采用单片机的软件和硬件结 合进行控制 运用其强大的可编程和运算功能 充分利用单片机的各种资源 能灵活的 对步进电机进行控制 实现其不同模式 步数 正反转 转速等控制 采用单片机来控制步进电机 实现了软件与硬件相结合的控制方法 用软件代替环 形分配器 达到了对步进电机的最佳控制 系统中采用单片机接口线直接去控制步进电 机各相驱动线路 由于单片机的强大功能 还可设计大量的外围电路 键盘作为一个外 部中断源 设置了步进电机正转 反转 档次 停止等功能 采用中断和查询相结合的 方法来调用中断服务程序 完成对步进电机的最佳控制 显示器及时显示正转 反转速 度 环形分配器其功能由单片机系统实现 采用软件编程的方法实现脉冲的分配 本方案有以下优点 1 单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确 控制 避免了失步 振荡等控制精度的影响 2 用软件代替环形分配器 通过对单片 机的设定 用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动 大大提高了接口电路的灵 活性和通用性 3 单片机的强大功能使显示电路 键盘电路 复位电路等外围电路有 机的组合 大大提高系统的交互性 四 计划进度安排 主要说明 起止时间及分阶段的进度要求 1 步进电机的概述 阐述步进电机的特点 分类和工作原理 为后面的硬件 软件 设计提供必须的理论基础 2011 2 20 3 3 2 概述步进电机的控制系统 在框架结构上对整个系统进行介绍 而且重点阐述基 于单片机的控制系统的一般框架 为自己的设计提供有力的支持 接着介绍本论文要设 计的控制系统的功能特点 及要实现的操作方式 2011 3 4 3 15 3 系统硬件设计 先提出框架 然后分别阐述单片机端口分配 外围电路 驱动电 路的设计 2011 3 16 3 27 4 系统软件设计 按照模块化的思想 主要阐述主流程 初始化流程及几种模式下 的不同的控制流程 2011 3 28 4 7 5 进一步完善初稿 2011 4 8 4 10 五 主要参考文献 1 张友德 单片微型机原理 应用与实验 M 上海 复旦大学出版社 2005 2 李夙 异步电动机直接转矩控制 M 北京 机械工业出版社 1998 3 王鸿钰 步进电机控制入门 M 上海 同济大学出版社 1990 4 袁任光 张伟武 电动机控制电路选用与 258 实例 M 北京 机械工业出版社 2005 5 王秀和 永磁电机 M 北京 中国电力出版社 2007 6 房玉明 杭柏林 基于单片机的步进电机开环控制系统 J 电机与控制应用 2006 33 4 64 64 7 孙笑辉 韩曾晋 减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法 J 电气传动 2001 1 8 11 8 冯江华 陈高华 黄松涛 异步电动机的直接转矩控制 J 电工技术学报 1999 6 29 33 指导教师意见及建议 议 签名 年 月 日 教学单位领导小组审批意见 组长签名 年 月 日 毕业论文 设计 中期检查表 院 系 机电工程系 专业 自动化 2011 年 4 月 1 日 毕业论文 设计 题目 基于单片机的步进电机控制系统的设计 学生姓名学 号 指导教师职 称副教授 计划完成时间 2011 年 4 月 20 日 毕业论文 设计 的进度计划 2011 2 20 3 3 步进电机的概述 阐述步进电机的特点 分类和工作原 理 为后面的硬件 软件设计提供必须的理论基础 2011 3 4 3 15 概述步进电机的控制系统 在框架结构上对整个系统进行 介绍 而且重点阐述基于单片机的控制系统的一般框架 为自己的设计提供有力 的支持 接着介绍本论文要设计的控制系统的功能特点 及要实现的操作方式 2011 3 16 3 27 系统硬件设计 先提出框架 然后分别阐述单片机端口分 配 外围电路 驱动电路的设计 2011 3 28 4 7 系统软件设计 按照模块化的思想 主要阐述主流程 初始 化流程及几种模式下的不同的控制流程 2011 4 8 4 10 进一步完善初稿 完成情况 到现在为止 我通过查找资料学到了很多 指导教师评议 指出优点和不足 如有其它建议 可另附页 签 名 xxxx 年 x 月 x 日 备 注 目目 录录 1 引言 1 1 1 课题研究的目的和意义 1 2 步进电机与单片机简介 2 2 1 步进电机介绍 2 2 2 步进电机驱动系统介绍 6 2 3 单片机原理 8 3 系统整体硬件结构 13 3 1 系统整图 13 3 2 电源部分 14 3 3 按键部分 15 3 4 驱动部分 16 3 5 状态指示部分 16 3 6 时钟部分 17 4 系统软件设计 18 4 1 系统主程序 18 4 2 查键部分 18 4 3 前进部分 19 4 4 后退部分 20 4 5 加速部分 21 4 6 减速部分 22 参考文献 23 谢 辞 24 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 基于单片机的步进电机控制系统设计基于单片机的步进电机控制系统设计 摘要 步进电机由于用其组成的开环系统既简单 廉价 又非常可行 因此在打印机等办公自动 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 本文介绍的是一种基于单片机的步进电机 的系统设计 用汇编语言编写出电机的正转 反转 加速 减速 停止程序 通过单片机 电机的驱 动芯片 ULN2004 以及相应的按键实现以上功能 并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示 出来 本文内容介绍了步进电机以及单片机原理 该系统的硬件电路 程序组成 同时对软 硬件进 行了调试 同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法 该设计具有思路明确 可靠性高 稳定性强等特点 通过调试实现了上述功能 关键词 步进电机 脉宽调制 驱动机构 单片机 转动 1 引言 1 1 课题研究的目的和意义 步进电动机是用电脉冲信号进行控制 将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移 的微电动机 它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 因此在打印机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 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 研制步进电机驱动器及 其控制系统具有十分重要的意义 本论文所选的步进电机是四相步进电机 采用的方法是利用单片机控制步进电机的 驱动 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 本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的 并且 通过数码管显示其转速的级别 另外通过单片机实现它的正反转 步进电机可以作为一 种控制用的特种电机 利用其没有积累误差 精度为 100 的特点 广泛应用于各种开环 控制 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 2 步进电机与单片机简介 2 1 步进电机介绍 2 1 1 步进电机概述 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 机来控制变得非常的简单 正常情况下 步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比 连续输入一定频率的 脉冲时 电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系 不受电压波动和负载变 化的影响 由于步进电动机能直接接收数字量的输入 所以特别适合于微机控制 本次毕业设计采用的是步距角为 1 8 度的四相八拍永磁式步进电机 步进电机的基本参数 一 步进电机的静态指标术语 1 相数 产生不同对 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或导电状态用 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 几何尺寸 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 但过份采用减小 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 二 步进电机动态指标及术语 1 步距角精度 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 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 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 使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 四相感应子式步进电机的共振区一般在 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 8 电机正反转控制 当电机绕组通电时序为 A AB B BC C CD D DA 时为正转 通电时序为 DA D CD C BC B AB A 时为反转 步进电机的特征如下 1 一般步进电机的精度为步进角的 3 5 且不积累 2 步进电机外表允许的最高温度 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁 从而导致力矩下降乃至于失步 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点 一般来讲 磁性材 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 料的退磁点都在摄氏 130 度以上 有的甚至高达摄氏 200 度以上 所以步进电机外表温 度在摄氏 80 90 度完全正常 3 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时 电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 频率越高 反向 电动势越大 在它的作用下 电机随频率 或速度 的增大而相电流减少 从而导致力 矩下降 4 步进电机低速时可以正常转动 但若高于一定速度就无法启动 并伴有啸叫声 步进电机有一个技术参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启动 的脉冲频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能发生丢步或堵转 在有 负载的情况下 启动频率应更低 如果要使电机达到高速转动 脉冲频率应该有加速过 程 即启动频率较低 然后按一定加速度升到所希望的高频 电机转速从低速升到高速 步进电动机以其显著的特点 在数字化制造时代发挥着重大的用途 伴随着不同数 字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高 步进电机将会在更多的领域得到应用 2 1 2 步进电机的工作原理 步进电机的工作就是步进转动 其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直 线位移 就是给一个脉冲信号 电动机转动一个角度或是前进一步 步进电机的角位移 量与脉冲数成正比 它的转速与脉冲频率 f 成正比 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 如下所示的步进电机为一四相步进电机 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 图 1 是该四相反应式步进 电机工作原理示意图 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 图 1 四相步进电机步进示意图 开始时 开关 SB 接通电源 SA SC SD 断开 B 相磁极和转子 0 3 号齿对齐 同 时 转子的 1 4 号齿就和 C D 相绕组磁极产生错齿 2 5 号齿就和 D A 相绕组磁极产 生错齿 当开关 SC 接通电源 SB SA SD 断开时 由于 C 相绕组的磁力线和 1 4 号齿之间 磁力线的作用 使转子转动 1 4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐 而 0 3 号齿和 A B 相 绕组产生错齿 2 5 号齿就和 A D 相绕组磁极产生错齿 依次类推 A B C D 四相绕组轮流供电 则转子会沿着 A B C D 方向转动 单四拍 双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2 所示 图 2 步进电机工作时序波形图 2 1 3 步进电机的分类与选择 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 VR 永磁式步进电机 PM 混 合式步进电机 HB 和单相式步进电机等 反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子 其结构简单 生产成本低 步距角可以做的相当小 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 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成 定子上有多相励磁绕 组 利用磁导的变化产生转矩 但动态性能相对较差 永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁 在其外侧配置齿状定子 用转 子和定子之间的吸引和排斥力产生转动 它的出力大 动态性能好 但步距角一般比较 大 一般为两相 转矩和体积较小 步进角一般为 7 5 度 或 15 度 混合式步进电机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 它是 P M 和 VR 的复合产品 其转子采用齿状的稀土永磁材料 定子则为齿状的突起结构 此类 电机综合了反应式和永磁式两者的优点 步距角小 出力大 动态性能好 是性能较好 的一类步进电动机 在计算机相关的设备中多用此类电机 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 步进电机有步距角 涉及到相数 静转矩 及电流三大要素组成 一旦三大要素 确定 步进电机的型号便确定下来了 1 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求 将负载的最小分辨率 当量 换算到电机轴 上 每个当量电机应走多少角度 包括减速 电机的步距角应等于或小于此角度 目 前市场上步进电机的步距角一般有 0 36 度 0 72 度 五相电机 0 9 度 1 8 度 二 四相电机 1 5 度 3 度 三相电机 等 2 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定 我们往往先确定电机的静力矩 静力矩选择 的依据是电机工作的负载 而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种 单一的惯性负载和 单一的摩擦负载是不存在的 直接起动时 一般由低速 时二种负载均要考虑 加速起 动时主要考虑惯性负载 恒速运行进只要考虑摩擦负载 一般情况下 静力矩应为摩擦 负载的 2 3 倍内好 静力矩一旦选定 电机的机座及长度便能确定下来 几何尺寸 3 电流的选择 静力矩一样的电机 由于电流参数不同 其运行特性差别很大 可依据矩频特性曲 线图 判断电机的电流 参考驱动电源 及驱动电压 4 力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用 其功率是变化的 一般只用力矩来衡量 力 矩与功率换算如下 P M 2 n 60 P 2 nM 60 1 其 P 为功率单位为瓦 为每秒角速度 单位为弧度 n 为每分钟转速 M 为力矩单位为 牛顿 米 P 2 fM 400 半步工作 2 其中 f 为每秒脉冲数 简称 PPS 2 2 步进电机驱动系统介绍 2 2 1 步进电机驱动系统简介 步进电机不能直接接到交直流电源上工作 而必须使用专用设备 步进电机驱动 器 步进电机驱动系统的性能 除与电机本身的性能有关外 也在很大程度上取决于驱动 器的优劣 典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器 步进电机驱动器和步进电机 本体三部分组成 步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号 每发一个脉冲 步进电机 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角 即步进一步 步进电机转速的高低 升速或 降速 启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低 控制器的方向信号决定步进 电机的顺时针或逆时针旋转 通常 步进电机驱动器由逻辑控制电路 功率驱动电路 保护电路和电源组成 步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲 控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号 控 制电路输出的信号功率很低 不能提供步进电机所需的输出功率 必须进行功率放大 这就是步进电机驱动器的功率驱动部分 功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流 使其励磁形成空间旋转磁场 驱动转子运动 保护电路在出现短路 过载 过热等故障 时迅速停止驱动器和电机的运行 2 2 2 步进电机绕组的电气特性 步进电机各相绕组都是在铁心上的铜线圈 电阻和电感是电机相绕组的两个固有属性 电机的性能和这两个因素密切相关 绕组通电时 电感使绕组电流上升速度受到限制 因此影响电机绕组电流的大小 绕组线圈的电阻是电机温升和电能损耗的主要因素 图 3 电感 电阻串联电路及其电流波形 步进电机的相绕组可以等效为一个电感一电阻串联电路 图 3 表明了一个电感一电 阻电路的电气特性 在 t 0 时刻 电压 V 施加到该电路上时 电路中的电流变化规律为 I t V 1 e Rt L R 3 通电瞬间绕组电流上升速率为 di 0 dt V t 4 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 经过一段时间 电流达到最大值 Imax V R 5 L R 定义为该电路的时间常数 是电路中的电流达到最大电流 Imax的 63 所需要的时 间 在 t t 时刻 电路断开与直流电压源 V 的连接 并且短路 电路中的电流以初始速 率一 V L 开始下降 电流变化规律为 I t Ve R t t1 L R 6 不同频率的矩形波电压施加到该电路上 电流波形如图 4 所示 低频时电流能够达 到最大值 a 当矩形波频率上升达到某一临界频率 电流刚达到最大值就开始下降 b 矩形波频率超过此临界值后 绕组中的电流不能达到最大值 c 因为步进电机转矩的 大小与绕组的电流成正比 所以电机低速运行时 电机能够达到其额定转矩 而在某一 特定频率以上运行时 绕组电流随着频率的提高逐渐下降 电机转矩也相应逐渐减小 从而降低了高速运转时带负载能力 图 4 不同频率脉冲作用下电感 电阻电路的电流波形 要改善电机高速运行时的性能 有两种办法 提高电流上升速度 VA 和减小时间常数 L R 可以通过加大绕组的电压从而增加电流上升的速率得时间常数 或者在电路中串联电 阻 使 L R 减少 2 3 单片机原理 2 3 1 单片机原理概述 单片机 single chip microcomputer 是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片 上的单芯片微型计算机 图 5 中表示单片机的典型结构图 由于单片机的高度集成化 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 缩短了系统内的信号传送距离 优化了结构配置 大大地提高了系统的可靠性及运行速 度 同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求 所以单片机在工业过程及设备控制 中得到了广泛的应用 图 5 典型单片机结构图 2 3 2 单片机的应用系统 单片机在进行实时控制和实时数据处理时 需要与外界交换信息 人们需要通过人 机对话 了解系统的工作情况和进行控制 单片机芯片与其它 CPU 比较 功能虽然要强 得多 但由于芯片结构 引脚数目的限制 片内 ROM RAM I O 口等不能很多 在构成 实际的应用系统时需要加以扩展 以适应不同的工作情况 单片机应用系统的构成基本 上如图 6 所示 图 6 单片机的应用系统 单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况 可以分为最小应用系统 最小功 耗系统 典型应用系统 本设计是设计一款最小应用系统 最小应用系统是指能维持单 片机运行的最简单配置的系统 这种系统成本低廉 结构简单 常用来构成简单的控制 系统 如开关量的输入 输出控制 时序控制等 对于片内有 ROM EPROM 的芯片来说 最 小应用系统即为配有晶体振荡器 复位电路和电源的单个芯片 对与片内没有 ROM EPROM 芯片来说 其最小应用系统除了应配置上述的晶振 复位电路和电源外 还应配备 EPROM 或 EEPROM 作为程序存储器使用 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 2 3 3 AT89C51 简介 AT89C51 的主要参数如表 1 所示 表 1AT89C51 的主要参数 型号存储器 E PROMROMRAM 定时 器 I 0 串行 口 中断速度 MH 其它特 点 89C514K1282321624 低电压 AT89C51 含 E PROM 电可编闪速存储器 有两级或三级程序存储器保密系统 防止 E PROM 中的程序被非法复制 不用紫外线擦除 提高了编程效率 程序存储器 E PROM 容 量可达 20K 字节 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价 廉的方案 其引脚如图 7 所示 1 主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环 图 7 单片机的引脚排列 全静态工作 0Hz 24Hz 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 管脚说明 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 口管脚是 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 如下所示 P3 口管脚备选功能 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 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 3 I O 口引脚 a P0 口 双向 8 位三态 I O 口 此口为地址总线 低 8 位 及数据总线分时复用 b P1 口 8 位准双向 I O 口 c P2 口 8 位准双向 I O 口 与地址总线 高 8 位 复用 d P3 口 8 位准双向 I O 口 双功能复用口 4 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片内振荡 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输 入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 5 芯片擦除 整个 EPROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持 ALE 管 脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且在任何非空存储 字节被重复编程以前 该操作必须被执行 此外 AT89C51 设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支持两种软件 可选的掉电模式 在闲置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定时器 计数器 串口和中断 系统仍在工作 在掉电模式下 保存 RAM 的内容并且冻结振荡器 禁止所用其他芯片功 能 直到下一个硬件复位为止 3 系统整体硬件结构 3 1 系统整图 系统整图如图 8 所示 本系统采用外部中断方式 p0 口作为信号的输入部分 p1 口为发光二极管显示部分 p2 口作为电机的驱动部分 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 图 8 系统整图 3 2 电源部分 利用 LM7812 和 LM7805 芯片得到 12V 和 5V 的电压 它们的应用要注意以下几点 1 输入输出压差不能太大 太大则转换效率急速降低 而且容易击穿损坏 2 输出 电流不能太大 1 5A 是其极限值 大电流的输出 散热片的尺寸要足够大 否则会导致 高温保护或热击穿 3 输入输出压差也不能太小 大小效率很差 其中 12V 电压给步 进电机供电 5V 电压则给单片机供电 分别如图 9 图 10 所示 1 产生 12V 的电压给步进电机供电 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 图 9 12V 电路部分 2 产生 5V 的电压给单片机供电 图 10 5V 电路部分 3 3 按键部分 本次设计选用的是单片机的 P0 口来控制信号的输入 所以把按键开关和 P0 口连接 起来 当按下开关 S1 时 相当于给 P0 0 口一个低电平 当按下开关 S2 时 相当于给 P0 1 口一个低电平 当按下开关 S3 时 相当于给 P0 2 口一个低电平 当按下开关 S4 时 相 当于给 P0 3 口一个低电平 当按下开关 S5 时 相当于给 P0 4 口一个低电平 然后通过 单片机实行相应的操作 如图 11 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 图 11 按键部分电路 3 4 驱动部分 此电路是步进电机的驱动部分 我选用的是 ULN2004 芯片来驱动的 ULN2004 系列是 一款高耐压 大电流达林顿管驱动器 包含 7 个 NPN 达林顿管 如图 12 图 12 驱动部分电路 3 5 状态指示部分 状态指示用 P1 口控制发光二极管的显示 如果相应端口是低电平 相应的发光二极 管就会亮 用它来表示步进电机所处的状态 如图 13 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 图 13 状态指示部分电路 3 6 时钟部分 时钟电路是计算机的心脏 它控制着计算机的工作节奏 可以通过提高时钟频率 来提高 CPU 的速度 本次设计采用的晶振为 12MHz 如图 14 图 14 时钟部分电路 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 4 系统软件设计 4 1 系统主程序 系统分为电机正转 电机反转 电机加速与电机减速的几部分组成 其主程序框图 如图 15 所示 开始 初始化 调按键子程序 调按键子程序 调用正反转 子程序 调用加减速子程序 停止 图 15 主程序框图 4 2 查键部分 查键程序用于判断 P0 0 口与 P0 1 口的值 当 p0 0 口为 0 时 电机正转 当 p0 0 口为 1 时 继续判断 p0 1 口的值 p0 1 口为 0 时 电机反转 如图 16 所示 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 N N Y Y 调按键子程序 P0 0 是否为 0 P0 1 是否为 0 前进后退 图 16 查键部分流程图 4 3 前进部分 系统初始化之后 前进子程序 R0 用于给 P2 口送不同的值 根据电机转动的相序 使电机正向转动 P2 口的值分别为 01H 03H 02H 06H 04H 0CH 08H 09H 流程图如图 17 所示 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 开始 R0 1 R0 延时子程序 R0 是否等 于 17H 10H R0 N Y 图 17 前进部分流程图 4 4 后退部分 电机反转原理与正转相似 此时 P2 口的值分别为 09H 08H 0CH 04H 06H 02H 03H 01H 流程图如图 18 所示 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 开始 R0 1 R0 延时子程序 R0 是否等 于 10H 17H R0 N Y 图 18 后退部分流程图 4 5 加速部分 当电机正转或反转的时候 按下加速键 调用加速子程序 使电机每转动一步的 延时时间变短 从而实现电机的加速 流程图如图 19 所示 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 Y N 开始 R1 是否为 25H R1 1 R1 正反转子程序 图 19 加速部分流程图 4 6 减速部分 电机正转或反转的时候 按下减速键 通过改变电机每转动一步的延时时间 使 时间变长 从而实现电机减速 流程图如图 20 所示 Y N 开始 R1 是否为 20H R1 1 R1 正反转子程序 图 20 减速部分流程图 学院 机电工程系 xxxx 届 自动化专业 毕业论文 设计 参考文献 1 张友德 单片微型机原理 应用与实验 M 上海 复旦大学出版社 2005 2 李夙 异步电动机直接转矩控制 M 北京 机械工业出版社 1998 3 王鸿钰 步进电机控制入门 M 上海 同济大学出版社 1990 4 袁任光 张伟武 电动机控制电路选用与 258 实例 M 北京 机械工业出版社 2005 5 王秀和 永磁电机 M 北京 中国电力出版社 2007 6 房玉明 杭柏林 基于单片机的步进电机开环控制系统 J 电机与控制应用 2006 33 4 64 64 7 孙笑辉 韩曾晋 减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法 J 电气传动 2001 1 8 11 8 冯江华 陈高华 黄松涛 异步电动机的直接转矩控制 J 电工技术学报 1999 6 29 33 9 江一 朱凌 申仲涛 异步电动机直接转矩控制仿真研究 J 华北电力大学学报 2003 1 10 13 10 韩利虎 浅谈步进电机的基本原理 J 内蒙古石油化工 Inner Mongolia Petrochemical Industry 2007 11 109 11 张巍 浅谈单片机控制步进电机 J 安防科技 2006 3 25 12 乔璐 景林 韩英桃 一种实用的步进电动机驱动器设计 J 微特电机 2005 10 29 31 13 康晶 采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路 J 电力电子技术 2003 37 1 61 62 65 Microcontroller based stepper motor control system Xiang haidong Mechanical and Electronic Engineering Department of Dezhou University Dezhou Shandong 253023 Abstract Abstract The st