基于单片机的电动机正反转控制设计

淮南师范大学2013年本科毕业论文电机正负控制设计学生:XXX(讲师:XXX)哟xxxxxx电气信息工程学院)选择：根据单片机的基本理论，本文设计了步进电机控制系统。该系统通过硬件和软件的设计和调试，根据步进电机设定的参数，实现开关加减速控制，使控制系统在最短的时间内达到控制端点，而不丢失步骤。同时，可以精确控制步进电机的正向反转、启动和停止。硬件是以AT89C51微控制器为中心的控制电路，包括开关输入电路、LCD显示电路、步进电动机的驱动电路等。软件部分是c语言编程，主要包括液晶显示程序、步进电动机的正向反转(即速度程序)。仿真验证了本文设计系统的实际性能。关键词：步进电机控制系统；速度调节；微控制器the design of motor control system based on SCMStudent:张tinhang (supervisor: Liu Yunxia)电子和信息工程部门of Huainan normal universityabstract : the basic theory based on SCM . this paper designs a kind of stepping motor control system。the System goes through the design of software andhardware . realize the stepper motor can switch the acceleration and deceleration control accordingat the same time，it can control the reversing the stepper motor accurately，Start and stop . the hardware control circuit at 89c 51 microcontsinclude :交换机输入电路、液晶屏显示电路、Stepper motor drive circuit . the software is programmed by c language。include :液晶屏显示程序和步进电动机速度计划。the pract Ical performance of the design of the system is validated by simulation。keywords : stepping motor control system；速度控制；Single-chip Computer1简介1.1设计研究的目的和意义步进电机在计算机外围设备、CNC机床和自动化生产线等领域广泛使用，因为无需位置传感器或速度传感器，步进电动机就能确定位置，即使在开环状态下，控制效果也非常满意，有助于设备或设备的小型化和低成本。对于步进电动机控制系统，总是希望在最短的时间内到达控制端点。因此，步进电动机的速度必须尽可能快，但速度太快会导致步进下降。此外，普通步进电动机对空载最大启动频率有限制。步进马达有负载时，起始频率比最大空载启动频率低。根据步进电动机的瞬时频率特性，启动频率越高，启动扭矩越小，传送载荷的能力越差。步进电动机启动时进入正常状态时的工作频率比启动频率大得多。因此，停止步进电动机不可能一次稳定到更高的工作频率，启动时必须有加速过程。从高速运行到停止，还要有防止步进电机因系统惯性而通过终点的减速过程。为此，利用单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统在最短时间内达到控制端点，而不丢失步骤。步进电机的速度与控制脉冲的频率成正比，因此控制步进电机的速度实质上是控制单片机输出的脉冲频率1-3。步进电机随着电压波动和负载变化，运动特性小，方向和角度控制简单，步进电机可以直接控制数字量，适合微机控制。步进电机运行时，步进或超限直接影响控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、稳定性和位置精度等性能，从而确定步进电机控制系统的综合性能。1.2步进电动机的开发步进电机的机制是电磁铁作用，原来的模型开始于1830年到1860年之间。自1870年前后，控制的尝试适用于氩弧灯的电极搬运机构。20世纪60年代末随着步进电机本体的发展，各种实用步进电机出现，半导体技术的发展推动了步进电机在许多领域的应用。中国的步进电机研究和制造始于20世纪50年代末。从20世纪50年代后半期到60年代后半期，主要为了研究部分安装物，高校和科研机构使用，开发了少量产品。70年代初，步进电机的生产和研究取得了突破。从20世纪70年代中期到80年代中期，正在陆续开发成品开发阶段的新品种高性能电动机。20世纪80年代中期以来，由于对步进电机精确模型的广泛研究，各种混合步进电机和驱动器被广泛用作产品4。1.3论文的主要内容1.3.1步进电动机工作原理阅读有关步进电动机不同工作方式的文献，深入了解不同工作方式的特点及其对步进电动机控制性能的影响。1.3.2步进电动机控制设计考虑到电机的不同旋转方式和速度大小的控制，设计了逻辑的开关控制方法。1.3.3步进电动机系统的硬件设计本节介绍了用于控制步进电动机系统各个部分的各种硬件，并设计了与选定硬件相对应的数学逻辑关系。1.3.4步进电机控制系统的软件设计根据步进电机原理和控制特性，分析和设计步进电机控制系统的软件。1.3.5调试和修改程序使用Keil软件进行编程和调试，并在Proteus环境中执行系统模拟。本设计的第一章介绍了系统的设计目的、意义和开发。第二章是系统的硬件设计，第三章是系统的软件设计，第四章是设计系统的仿真分析，第五章是结论。2系统设计相关理论2.1步进电动机简介步进电机是开环控制元件步进电机零件，它将电脉冲信号转换为每次位移或线位移。步进驱动器接收到脉冲信号后，步进电动机将向设置的方向旋转一定角度(称为“步进角度”)，该角度以固定角度一次旋转一步。为了精确定位，可以通过控制脉冲数来控制角度位移。此外，通过控制脉冲频率，控制电机转速和加速度，可以达到调速目的5。2.2液晶显示器简介2.2.1液晶显示器概述液晶屏或liquid crystal display是一种手动显示设备，它不发光，可以通过外部光线照亮液晶屏材质。有多种分类方法，如按电光效应分类，按显示内容分类，按照明方式分类等。2.2.2液晶显示器的特性液晶显示器材料的优点：无闪烁，驱动电压低，成本低，可靠性高，彩色显示器，显示信息量大，自动化生产过程，功耗小，对人体无害，可以制成各种规格和类型的液晶显示器。用液晶材料制作的电脑终端或电视可以大大减少体积。液晶显示技术对显示成像产品结构产生了重大影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展6。2.2.3液晶显示器的开发1850年，像普鲁士医生鲁道夫比尔肖这样的人发现神经纤维提取物含有不寻常的物质。液晶化现象是1877年德国物理学家奥托莱曼使用偏振显微镜第一次观察到的。1883年3月14日，植物生理学家弗里德里希赖尼泽观察到胆固醇苯甲酸在热熔市有两个熔点。1888年，伦尼泽反复掌握自己的发现后，向德国物理学家雷曼咨询。当时，雷曼为了探索液晶的冷却结晶过程，制作了一台具有加热功能的显微镜，从那时起，雷曼就完全专注于这种物质。1888年出版的分子物理学总结了这段时间材料物理领域的知识，特别是本书首次提出了显微镜学研究方法，并通过利用它进行观察，包含了其内容。雷曼的液晶理论证明，在20世纪化学家博兰德的努力下，哪种化合物最有可能表现液晶特性，并通过预测和合成得到其化合物质量。1922年，法国人弗里德(G. Friedel)详细分析了当时已知的液晶，把他们分为三类：人体模型、层列蒂(layer retic)和胆固醇(cholesteric)。有人主张，1930-1960年G.Freidel之后，液晶球体暂时进入底部圈，而1930-1960年之前是液晶球体的空白期。液晶的实际应用是因为当时没有发现。但是在此期间，半导体电子产业取得了很大的发展。为了在显示器上应用液晶，需要将透明电极的图形及液晶与半导体电路集成在一起的微加工技术。随着半导体产业的发展，这些技术已经趋于成熟。20世纪40年代，利用导电电子的n型半导体和传导电动的p型半导体，开发了构成pn接口(pnjunction)的硅半导体，发明了二极管和晶体管。在此之前，为了实现从电路到直流的整流功能，需要使用二极管，实现放大功能。如此大、体积大的零件完全可以替换为半导体二极管和晶体管，无需向实际空中发射电子，只有在固体特别是很薄的膜层上才能实现整流、放大功能，从而使电子电路小型化。然后通过光加工技术实现了电子电路绘图(包括二极管、晶体管)的薄膜化、超细细化。此技术简称为“光面成像”。20世纪60年代，随着半导体集成电路技术的发展，电子设备变得更加小型化。上述技术的进步对液晶显示设备(display)中的应用至关重要，随着材料科学和材料加工技术的发展、新的显示模式和驱动技术的发展，液晶显示技术得到了迅速的发展。20世纪60年代，随着半导体集成电路技术的发展，电子设备实现了进一步小型化。1968年，美国RCA corporation的g . h . hail Mayer发布了动态级联(DS)模式下的液晶屏设备。因此，美国企业首次开始了将数字液晶显示器实用化的尝试7。3 AT89C51步进电动机旋转方法的总体设计3.1系统设计的原理和配置3.1.1系统设计工作原理本设计使用四个开关，分别控制步进电动机开、关、步进电动机正向反转和步进电动机速度。1号开关控制启动，按1号开关，马达开始转动。2号开关控制快速速度。如果不按开关，基本上是缓慢旋转，按2号开关，马达开始快速旋转。3号开关控制电动机正向翻转，如果未按开关，则默认值为正向，如果按3号开关，则电动机反向旋转。4号开关控制，马达停止转动。所有动作都显示在指示灯的显示屏幕上。每个都有Reverse slow、Reverse fast、Positive slow和Positive fast。3.1.2系统配置本论文主要从硬件设计和软件设计方面进行设计和研究，设计了基于AT89C51单片机控制的电机正向控制系统。硬件部分主要在控制电路、输入电路和输出电路中设计，软件部分主要用c语言编程，以满足设计要求。系统的总体设计框图如图1所示。重置电路串行通信按键输入电路晶振电路主控制电路显示器输出电路马达输出电路图1系统设计方块图3.2系统的硬件设计系统设计的硬件部分主要包括四个部分：单片机控制模块、输入开关电路、步进电动机和液晶显示器。3.2.1单片机控制模块设计单片机控制模块是单片机、复位、晶体、串行通信电路、电源的最小系统。3.2.1.1 AT89C51单片机简介控制系统的核心组件是AT89C51，它是美国ATMEL制造的低电压高性能CMOS8位微处理器，由ATMEL高密度非易失性内存技术(包含4k字节可重复写入程序内存(PEROM)和128字节随机访问数据内存(RAM)制造，与行业标准MCS-51指令集和输出针兼容1000个写入周期、三阶段加密程序内存、32个可编程I/O端口、2个16位定时/计数器、6个中断源、可编程串行Flash通道、低功耗空闲和断电模式、全静态运行范围为0Hz至24MHz、功能强大的AT89C51微控制器是高效的微控制器AT89C51芯片总共有40个针脚，如图2所示。图2微控制器针脚图每只脚说明如下：VCC:电源电压。GND:接地。P0端口：8位，非常开放的双向I/O端