單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)畢業(yè)論文目錄1 緒論 11.1 技術(shù)概述 11.2本課題的背景和意義 31.3本設(shè)計完成的工作 32 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)簡介 42.1單片機(jī)系統(tǒng)概述 422AT89S52功能概述 42.2.1 引腳功能說明 : 42.2.2 時鐘振蕩器 72.3步進(jìn)電機(jī)概述 73 常用軟件基礎(chǔ)知識 93.1 C語言程序設(shè)計概述 93.1.1 C語言出現(xiàn)的歷史背景 93.1.2 C語言的特點 103.2 Keil 編譯器軟件簡介 133.2.1 使用 Keil 軟件建立一個工程 143.3 STC-ISP 軟件介紹 183.3.1 程序燒寫過程： 194 系統(tǒng)概述及設(shè)計 214.1

2、整體結(jié)構(gòu) 214.2 系統(tǒng)作用 214.3 系統(tǒng)應(yīng)用 215 硬件設(shè)計 235.1硬件設(shè)計原則 235.2 MCU最小系統(tǒng)電路設(shè)計 235.2.1 復(fù)位電路設(shè)計 245.2.2 時鐘電路設(shè)計 245.2.3 上拉電阻的作用 255.3 L298N驅(qū)動電路設(shè)計 255.3.1 L298N芯片簡介 255.3.2 MAX-232電路設(shè)計 265.3.3 MAX-232 芯片簡介 265.4 鍵盤的電路設(shè)計 275.4.1 鍵盤的特性 275.4.2 按鍵的確認(rèn) 275.4.3 鍵盤的工作方式 276 軟件設(shè)計 296.1 程序模塊 296.1.1中斷模塊 30結(jié)論 32致 錯誤! 未定義書簽。參考

3、文獻(xiàn) 錯誤! 未定義書簽。附錄 A資料翻譯 34A.1英文資料 34A.2中文譯文 43附錄 B程序源碼 50附錄 C系統(tǒng)總體電路圖 54附錄 D實物圖 551 緒論1.1 技術(shù)概述在電氣時代的今天，電動機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作 用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是在日常生活中的家用電器， 都大量地使用著各種各 樣的電動機(jī)。 因此對電動機(jī)的控制變得越來越重要了。 電動機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展 得力于微電子技術(shù)、 電力電子技術(shù)、 傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、 自動控制技術(shù)、 微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動機(jī)控制技術(shù)化。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 其原理是通過

4、對它每相線圈中 的電流和順序切換來使電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。 驅(qū)動電路由脈沖信號來控制， 所以調(diào) 節(jié)脈沖信號的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通俗地說: 當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 （及步進(jìn)角 ）。 通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量， 從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 同時通過控 制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度， 從而達(dá)到調(diào)速的目的， 現(xiàn)在比較常 用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）,混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn) 角一般為 7.50; 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實

5、現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.50 ，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子 上有多相勵磁繞組， 利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁 式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相 : 兩相步進(jìn)角一般為 1.8 “而五相步進(jìn) 角一般為 0.720。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù) :電機(jī)固有步距角 : 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角 度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，女口86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.90/1.80（ 表示半步工作時為 0.90、整步工作時為 1.80） ，這個步距角可以稱之 為“電機(jī)固有步距

6、角”，它不一定是電機(jī)實際工作時的真正步距角，真正的步距 角和驅(qū)動器有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) : 是指電機(jī)部的線圈組數(shù)， 目前常用的有二相、 三相、四相、 五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 0.90/1.80 、三相的為 0.750/1.50 、五相的為 0.360/0.720 。在沒有細(xì)分驅(qū)動器 時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。 如果使用細(xì) 分驅(qū)動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可 以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩: 是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步 進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一， 通常步進(jìn)電機(jī)在低

7、速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。 由于步 進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化， 所以保持轉(zhuǎn)矩就成為衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2 N gm的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2 N gm的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的一些特點 :a. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3%-5%，且不累積。b. 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。c. 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁， 從而導(dǎo)致力矩下降乃于 失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點 ; 一般 來講，磁性材料的退磁點都在130 C以上，有的甚至高達(dá)200 C以上，所以步 進(jìn)電機(jī)

8、外表溫度80 C-90 C完全正常。d. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。e. 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。 在它的作用下， 電機(jī)隨頻率 （或速度）的增大而相電流減小， 從而導(dǎo)致力矩下降。f. 步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運轉(zhuǎn)， 但若高于一定速度就無法啟動， 并伴有嘯 叫聲。介紹步進(jìn)電機(jī)的一個技術(shù)參數(shù) : 空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下 能夠正常啟動的脈沖頻率， 如果脈沖頻率高于該值， 電機(jī)不能正常啟動， 可能發(fā) 生丟步或堵轉(zhuǎn)。 在有負(fù)載的情況下， 啟動頻率應(yīng)更低。 如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn) 動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程， 即啟動頻率較低

9、， 然后按一定加速度升到所希望 的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速 ）。g. 步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點， 在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。 伴隨 著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高， 步進(jìn)電機(jī)將會在更多 的領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此,微電腦控制步進(jìn)電機(jī)最適合。 本文以永磁式步進(jìn)電機(jī)為例 , 來介紹如何 用 MCS-51 系列單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。1.2 本課題的背景和意義步進(jìn)電機(jī)可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行高精度控制。 步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí) 行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 , 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密 機(jī)械等領(lǐng)域。例如，在儀器儀表，機(jī)床設(shè)備以及計算機(jī)的外圍設(shè)備中(如打印機(jī) 和繪

10、圖儀等)，凡需要對轉(zhuǎn)角進(jìn)行精確控制的情況下，使用步進(jìn)電機(jī)最為理想。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增， 在各個國民 經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 上個世紀(jì)就出現(xiàn)了步進(jìn)電動機(jī)， 它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電 磁鐵，動作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)沒有什么區(qū)別， 也是依靠氣隙磁導(dǎo)的 變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 在本世紀(jì)初， 由于資本主義列強(qiáng)爭奪殖民地， 造船工業(yè)發(fā) 展很快，同時也使得步進(jìn)電動機(jī)的技術(shù)得到了長足的進(jìn)步。到了 80 年代后，由 于廉價的微型計算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機(jī)的控制方式更加靈活多 樣。原來的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路， 不僅 調(diào)試安裝復(fù)雜，

11、 要消耗大量元器件， 而且一旦定型之后， 要改變控制方案就一定 要重新設(shè)計電路。 計算機(jī)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)， 更好地挖掘出電動機(jī)的潛 力。因此，用計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢， 也符合數(shù)字化的 時代趨勢?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、 永磁式步進(jìn)電機(jī)、 混合式步 進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成， 定子上有多相勵磁繞組， 利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 現(xiàn)階段， 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)獲 得最多的應(yīng)用。1.3 本設(shè)計完成的工作本次畢業(yè)設(shè)計是單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)方面的應(yīng)用。 這個設(shè)計最終目的是設(shè)計 出一個可以控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。本次設(shè)計主要

12、實現(xiàn)了以下幾個功能：(1) 使用一個 5V 直流電源供電。(2) 設(shè)計一個外圍驅(qū)動電路來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。(3) 加入按鍵來控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)所要求的數(shù)據(jù)。(4) 最后編寫軟件部分，將程序輸入單片機(jī)并運行系統(tǒng)，使系統(tǒng)工作。2 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)簡介2.1 單片機(jī)系統(tǒng)概述隨著材料科學(xué)、 工藝技術(shù)、 計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步， 電路系統(tǒng)向著集成度 極高的方向發(fā)展。CPU勺生產(chǎn)制造技術(shù)，也朝著綜合性、技術(shù)性、實用性發(fā)展。 如CPU的運算位數(shù)從4位、8位到32位機(jī)的發(fā)展，運算速度從 8 MHz 32 MHz 到1.6 GHz可以說是日新月異的發(fā)展著。其中單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是越 來越普遍了。單片機(jī)

13、控制系統(tǒng)是以單片機(jī)（CPU為核心部件，擴(kuò)展一些外部接 口和設(shè)備， 組成單片機(jī)工業(yè)控制機(jī)， 主要用于工業(yè)過程控制。 要進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng) 設(shè)計首先必須具有一定的硬件基礎(chǔ)知識；其次，需要具有一定的軟件設(shè)計能力， 能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求， 靈活地設(shè)計出所需要的程序； 第三， 具有綜合運用知識的 能力。最后， 還必須掌握生產(chǎn)過程的工藝性能及被測參數(shù)的測量方法， 以及被控 對象的動、靜態(tài)特性，有時甚至要求給出被控對象的數(shù)學(xué)模型。2.2 AT89S52 功能概述AT89S52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片含 8K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 PERO和 128byt

14、es的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存 儲器，器件采用公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令 系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強(qiáng)大。此單片機(jī)可為您 提供許多高性價比的應(yīng)用場合。AT89S52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)FLASH閃速存儲器，128字節(jié)部RAM 32個 I/O 口線，兩個 16位定時/計數(shù)器，一個向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工 串行通訊口，置一個精密比較器，片振蕩器及時鐘電路，同時 AT89C51 可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的工作模式，空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM定時計數(shù)器，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中

15、的容，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。2.2.1 引腳功能說明 :MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請參見圖2.1.1402393384375366357348339321031113012291328142715261f251724182319202221(RXD)PVO(TXD)P3 1(TO)P3.4 (T1 P3.5 (BR)PW (RDJP3.7 XTAL2XTALIGNcI圖2.1 AT89S52 的引腳圖二 Que Q:Q二二 oJ lbr- -T 9二 - - - I- 卩 FP1P 卩 F F P1TVI c CTPO.IX

16、ADO)l(ADl)P02(AD2)P03(AD3)XD4)P0.5(AD5)P0(AD6)rN(AD7)FSFMP2,7(A15)EJ2?hiATiil-= TkuI SVT5 nindiMi Kdilp-w(J _J El CErmarid 卜 FiT jn -its11廠!(ih1 1占h圖3.2 Keil軟件主界面首先點擊 Project-New Project ( Project-Open Project 為打開一個已經(jīng)存在的工程)，如圖3.3所示圖3.3 Keil 軟件打開新工程界面點開后，在出現(xiàn)的對話框中選擇工程存在路徑，單擊“保存”后，出現(xiàn)（如圖3.4所示）界面。在此界面上選擇

17、電路板上所用的單片機(jī)型號：Atmel AT89S51（或者是AT89S52視開發(fā)板上具體型號而定），單擊“確定”。Select Deirice for Target J TargetCPUVendoir Atm elD電vic*：Family：廠 Ux Extended Linker (LXSl) instd -of BLS1Use Extended Assemibler (AX51) instead of A51DttA b 冒電D*seription：l+l:s:H;s:田田田；甲甲由：+!:田Acer LabsActalAero flex UTMCAnalog DevicesAnchor

18、 ChipsAtm el Wireless & Castj, Inc,Chi pc onCHL Mi arocircuitsCybrRtiG Miicr確定 I 取消 I圖3.4選擇電路板上所用的單片機(jī)型號設(shè)置完成后，軟件會提示“是否將 8051上電初始化程序添加入工程？ ”如 圖3.5所示，這個一般選擇“否”。（關(guān)于STARTUP.A5的相關(guān)容可查閱相應(yīng)資 料）Siamlarcl 8051St ar tup Co det o Pr oj ec t Foldeir and Add Tile to Trj ect 9圖3.5 是否將8051上電初始化程序添加入工程這樣，就建立了一個空的51工程。

19、接下來的事，就是在這個工程里面加入自己的程序代碼。點擊，或者File-New，便建立了一個空的文本框。現(xiàn)在，就可以開始在里面輸入你的代碼 了。保存時注意：如果是用C語言寫的程序，則將文本保存成*.c，如果是用匯 編寫的程序，則將文本存成*asm。到目前為步，我們已經(jīng)建立了一個工程，也寫了一個程序代碼。但現(xiàn)在還不 能開始編譯。因為還沒有將程序代碼添加到工程里面去。下一步就是將寫完的程序添加到工程里面，如圖3.6所示，在左邊ProjectWorkspace里的 Source Group 1 上右擊，選擇 Add Files to Group Source Group 1。在打開的對話框中，選擇剛存

20、的文件路徑和對應(yīng)的擴(kuò)展名。這樣，程序就 添加進(jìn)了這個工程。f i.FEt - 4Kisionz - Lb 八君jf瑕46弟一個工理1込 Pl Filt Idl I Vie* Er pictFluh ?u ipXtrJa lorli 印口 tiiukw H1L7n 怙 fSEM3 M嗨昌段唁B也疊凱酸逼他基點|rLrttt 1二a Ey OKQh5nr srartpi 二Eelukld in tlf料氐丄丄丄t-Gt g*t17Tf 空h 呂 I 曹 3 71 !(基 St-ap Tuxld.二1T紅護(hù)I 1J闔iciest Lctz sc ter I zargct 1 trgtt 1 匚l t

21、i 112 for ijrfcDuip 1 Sdiu c& Gtciutp 1 Gannftafiid 人 Firri r Fks f譏 Ofqilp b Squc So箜】二二C-4nnriti.i 殳“射：5q0亡電創(chuàng)r uOfii F tftij j 1/ s 科1林* Ixcl-adaWnKv圖3.6添加文件到工程中X IDr? -3a3下一步，就開始編譯剛輸入進(jìn)去的代碼。點擊工具欄中的按鈕。接著，Keil會打出下面的提示：Build target Target 1assembli ng led.asm.li nki ng.Program Size: data=8.0 xdata=O

22、code=100first - 0 Error(s), 0 Warni ng(s).其中“ first - 0 Error(s), 0 Warning(s).”說明現(xiàn)在的工程編譯通過，0個錯誤和0個警告。建立工程的時候，默認(rèn)是不生成 HEX文件的，得在編譯做 如下設(shè)置：單擊，或者在Project Workspace里Target 1上右擊，選擇“Options for Target Target 1 ”。出現(xiàn)如圖3.7所示對話框，選擇“ Output”按圖 示，將箭頭所指的多選框勾上，點“確定”?，F(xiàn)在再點擊重新編譯，系統(tǒng)提示：“ creati ng hex file from first. ”

23、。 便會在工程所在文件夾里生成HEX文件。圖3.7 生成HEX文件3.3 STC-ISP軟件介紹這里采用的單片機(jī)程序燒寫軟件，是網(wǎng)友永平編寫的“Easy 51Pro v2.0 ”。這個軟件是完全開源的，在這里也要感永平先生。這個軟件在網(wǎng)上流傳很廣，因 為其下載線制作簡單。被很多單片機(jī)愛好者采用。此軟件使用時還需要一個單片機(jī)下載線來把程序下載到單片機(jī)里，單片機(jī)下載線原理圖（如圖3.8所示）in-r.廠: I15LSCKR5TSCK12jBjnsjiVCC 11746TkiEUS3JCSIJ2廣-17-圖3.8下載線原理圖El IESEeplrWl： Select KV Type 選澤單片機(jī)起號H

24、2U TypAF niry1FFT：K件醍沖區(qū) FlS/id.t* xdttWlAP|File C Daemi*ntE vid SttihEf*bfi面輯遴髦機(jī)機(jī)IS鎬ZJ00000STCMCBKSTC09C54fcD*_5TEB9C55KD+5 ds髦 BufEd-rSTteKsm*?is?c09C5iSiHoi 葉細(xì) ra* |STC89LSSlftC呂.】叮mil時仁世耳口切出JI.行口, AnRW*QOOKK)UH ll. oooi OWL *皿3 |H誦邊萍樹五M卞石輒糾的舟贏阿礦擴(kuò)t喚廣WP泳丫靜肌計占則說畳劄0WT方文fr襄臨列匣的畐項 Wl* imi4 / 劉倍出 廠 6T/M1F l2Trfiffiif 0SC9VWqMTtl】；廣 US 戸ina ML niB衛(wèi)c盂紙觸.】嬉衍kTMf起聲也缶可is t/p gMn下Ut冷啟則 H D. Fl l=c,o才*韁否下鸚序 r IIS JUCKJJ43000050000800070 oooaao0CDMQ oomw oa3 ana)93099 oaxiEo aanro aooimoooito二 _2d JP蔭敲聽*血葉強(qiáng)囚13抽1?13陽臨7&0傅凱 ra 作c2lcn*SFLZL3rsn40fsf! *05450212 血B1S8國wmOE