《论文智能仪表论文基于单片机 的电机 控制(定稿)》.doc

论文智能仪表论文基于单片机 的电机 控制(定稿) 内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题目基于单片机的电机控制学生姓名学号专业测控技术与仪器班级指导教师中文摘要步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的控制系统。 本设计采用AT89S51单片机实现对步进电机的控制。 通过单片机的I/O来实现对步进电机的控制，用ulnxx来驱动步进电机，并且使用了发光二极管LED来显示步进电机的转速，在单片机的P1口使用四个LED来作为控制的标志。 用独立连接式非编码键盘来对电机的状态进行控制。 关键词步进电机，单片机，AT89S51，发光二极管目录第1章前言1.1什么是步进电机51.2步进电机的基本特性61.3步进电机的静态指标及术语6第2章总体方案设计2.1步进电机原理及控制技术62.1.1步进电机原理简述72.1.2步进电机控制技术简述72.2总体设计方框图9第3章硬件设计3.1主要仪器93.2主要芯片说明93.2.128BYJ-48四相步进电机93.2.2ULNxx93.2.3STC89C52RC113.2.4MT03641BR八位共阳数码管143.3电路说明153.3.1控制电路163.3.2驱动电路163.3.3显示说明17第4章软件设计4.1上位机主程序流程图184.2下位机程序流程图194.2.1电机运行子程序流程图20第5章总结21参考文献附录A硬件原理图附录B上位机程序附录C下位机程序第一章前言步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的控制系统。 控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计。 实现了步进电机运行。 随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。 人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。 此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。 1.1什么是步进电机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的非常的简单。 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。 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。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只 一、二十人，连最基本的设备都没有。 仅仅处于一种盲目的仿制阶段。 这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。 签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。 叙述其基本工作原理。 望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 1.2步进电机的基本特性步进电机有如下特点 （1）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 （2）由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。 同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 （3）步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 （4）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 （5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。 （6）步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。 1.3步进电机的静态指标及术语相数产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。 拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲用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ABBCCDDAAB,四相八拍运行方式即AABBBCCCDDDAA。 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（转子齿角运行拍数），以常规 二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。 四相运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度。 定位转矩电机在不通电的状态下，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）。 静转矩电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，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。 虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。 但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 第二章总体设计方案2.1步进电机原理及控制技术2.1.1步进电机原理简述由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备-步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。 另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。 功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的。 2.1.2步进电机控制技术简述步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。 从结构上看，步进电机分为四相相单四拍、四相双四拍和四相八拍3种，其基本原理如下 （1）步进电机换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。 例如，四相步进电机在单四拍的工作方式下，其各相通电顺序为ABCDA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。 四相双四拍的通电顺序为ABBCCDDAAB，四相八拍的通电顺序为AABBBCCCDDDAA。 本实验则是单四拍，所以我们需要知道步进电机时序表和时序图步进电机的时序表和时序图分别如下图所示单四拍控制表步序控制位工作状态控制模型D CB A11110A0E21101B0D31011C0B40111D07CPABCD单四拍时序图 （2）步进电机的换向控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。 若步进电机的励磁方式为四相单四拍，即ABCDA，。 如果按反序通电换相，即ADCBA，则电机就反转。 其他方式情况类似。 （3）步进电机的速度控制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。 调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。 （4）步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。 为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。 在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动 （5）步进电机的加减速控制在步进电机控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。 所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。 理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。 选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。 在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。 步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频显示电路率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。 电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，单片机有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。 2.2总体设计方框图键盘电路单片机驱动电路通讯（图1）系统方框图第三章硬件设计3.1主要仪器 1、STC89C52RC单片机芯片一片 2、ULNxx驱动芯片一片 3、MT03641BR八位共阳数码管芯片一片 4、28BYJ-48电机一个 5、按键四个3.2主要芯片说明3.2.128BYJ-48四相步进电机主要技术参数相数四相电压5VDC电流92mA电阻130步距角5.625空载牵出频率800pps空载牵入频率500pps28BYJ-48图减速比1/64牵入转矩78.4mN.m接线指示A（橙）、B（黄）、C（蓝）、D（灰）、E（红，中点接+5V）3.3.2ULNxxULNxx是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。 可直接驱动继电器等负载。 输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。 ULNxx是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下:ULNxx的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULNxx是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 ULNxx芯片引脚图引脚1CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚2CPU脉冲输入端。 引脚3CPU脉冲输入端。 引脚4CPU脉冲输入端。 引脚5CPU脉冲输入端。 引脚6CPU脉冲输入端。 引脚7CPU脉冲输入端。 引脚8接地。 引脚9该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。 用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。 如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚10脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。 引脚11脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。 引脚12脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。 引脚13脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。 引脚14脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。 引脚15脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。 引脚16脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。 ULNxx的输出端可达500mA/50V.输出端的二极管学名续流二极管，英文freewheel diode。 如果ULNxx的达林顿管输入端输入低电平使其截止，其驱动的元件是感性元件，则电流不能突变，此时会产生一个高压；如果没有二极管，达林顿管会被击穿，所以这个二极管主要起保护作用。 由于ULNxx是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将引脚（pin9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路。 ULNxx是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。 3.2.3STC89C52RC STC89C52RC单片机是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。 主要特性如下1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.2.工作电压5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）3.工作频率范围040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz4.用户应用程序空间为8K字节5.片上集成512字节RAM STC89C52RC芯片引脚图6.通用I/O口（32个）复位后为，P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。 7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8.具有EEPROM功能9.具有看门狗功能10.共3个16位定时器/计数器。 即定时器T 0、T 1、T211.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART13.工作温度范围-40+85（工业级）/075（商业级）14.PDIP封装STC89C52RC单片机的工作模式掉电模式典型功耗&SRG8R1D1324561081112913U274LS164SRG8RC1/-&1D1324561081112913U374LS164SRG8RC1/-&1D1324561081112913U474LS164SRG8RC1/-&1D1324561081112913U574LS164在该步进电机的控制器中，电机可以设定时间和步数，这里设计了电机转速和电机的时间的显示电路。 在显示电路中，主要是利用了单片机的P0口。 采用四个共阳数码管作显示。 第一个和第二个数码管显示时间的设定，第三个和第四个显示步数。 第四章软件设计通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成3个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0和外部中断1部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则延时去抖赋初值系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转调用初始化子函数速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。 最大时间设定4.1上位机主程序流程图主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关Y状态的检测判断等。 其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时调用键盘子函数主程序入口Step0?器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式。 若初始化P1=0xff、时间和步数初始值均设为0，就意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情Y况下，步进电机不旋转，时间值显示“00”，步数值显示“00”按钮是否弹起？J=4?上位机主程序入口电机运转子程序入口调用显示子程序2 速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为原数据，当值等于7时，不改变Run？=1开中断原数值返回，小于7时，数据加1后返回；速度减少按钮S3，当原数据不为0，减1保存数据，原数据为0则保持不变。 程序流程图如下图所示。 Y保护现场速度=上限值？速度值+1中断返回YNYN4.2下位机程序流程图首先调用初始化子函数，然后判断子程序参数的值，然后调用电机运转子程序。 调用初始化子函数调用电机运行子程序N4.2.1电机运行子程序流程图给电机赋初值，对电机的时间，步数都进行现实的设定。 当上位机传给下位机信Step-号时，下位机就开始进行一系列的判断，让步进电机进行运转。 N YTR0=1？Step=conJ+YNNStep=0N第五章总结本设计通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的场合。 对本次设计，有以下结论 （1）采用单片机为控制核心，利用其强大的功能，把键盘和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便、交互性强的控制系统。 而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。 （2）键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术，节约了单片机资源。 （3）系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。 设计心得和体会从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。 在这次设计过程中培养了我们的团队协作精神，便于我们走到工作岗位后能很快适应工作环境。 我知道自己做的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待于进一步提高。 由于个人的原因，设备的原因，实验做的不好不够，相关验证性的数据、信息不够丰富。 可以肯定，随着技术的不断发展，步进电机的控制应用前景将越来越宽阔，而其控制系统也将向着智能化和网络化的方向发展。 本论文的研究和探讨还远远不够，我们要在现在的基础上，不断吸取新的技术和方法，并将它们应用于本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取有更多的收获。 参考文献【1】张家生.电机原理与拖动基础【M】.北京北京邮电大学出版社，xx.【2】马淑华，王凤文，张美金.单片机原理与接口技术【M】.北京北京邮电大学出版社，xx.【3】顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术【M】.北京北京邮电大学出版社，xx.【4】华成英，童诗白.模拟电子技术基础【M】.北京高等教育出版社，xx【5】张靖武，周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真【M】.北京电子工业出版社，xx【6】周航慈著.单片机应用程序设计基础.北京电子工业出版社，1997年7月【7】朱承高.电工及电子技术手册【M】.北京高等教育出版社，1990U274LS164【8】阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京高等教育出版社，1989【9】廖常初.现场总线概述【J】.电工技术，1999.6R【10】李广弟编著.单片机应用程序设计基础.北京北京航空航天大学出版社，1994年6月【11】王迎旭.单片机原理及及应用.北京机械工业出版社C1【12】张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京国防工业出版社18X2CRYSTAL【13】郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京电子工业出版社33pF【14】蔡明文冯先成编著.单片机课程设计.北京华中科技大学出版社1uF【15】王晓明.电动机的单片机控制.北京航空航天大学出版社【16】张毅刚.刘杰.MCS-51单片机原理及应用.哈尔滨哈尔冰工业大学出版社，xx78附录A XTAL2XTAL119ALEEA3031PSEN29RST9P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD73938373635343332P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7123456P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1101112131415P3.7/RD17P3.6/WR16P2.7/A1528P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A1421222324252627U1AT89C52+88.8XTAL218XTAL119ALEEA3031PSEN29RST9P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD73938373635343332P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.712345678P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1101112131415P3.7/RD17P3.6/WR16P2.7/A1528P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A1421222324252627U6AT89C52SRG8C1/-&1D1324561081112913SRG8RC1/-&1D1324561081112913U374LS164SRG8RC1/-&1D1324561081112913U474LS164SRG8RC1/-&1D1324561081112913U574LS16433pfC2C?R61kR51kSW1SW-SPST附录B上位机程序#include#include#define ucharunsigned char#define uintunsigned intuchar codeled_tab16=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/LED控制字uchar showbuf4=0x3f,0x3f,0x3f,0x3f;/uchar serial_buf=0,time=0,step=0;sbit dt=P10;显示芯片的接口sbit clk=P11;显示芯片的接口sbit key1=P14;键盘定义sbit key2=P15;sbit key3=P16;sbit key4=P17;void delay(uint j)延时函数uint i=j+1;for(;j0;j-)f