單片機(jī)課程設(shè)計(jì)哈理工

1、 . . . 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印15 / 17目錄第1章緒論11.1 課題背景11.1.1 引言1第2章二維步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的選擇22.1 基于單片機(jī)的控制 22.2 步進(jìn)電機(jī)的概述32.3 控制電路的設(shè)計(jì)圖4第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)53.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)述53.2 基于80C51的步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行結(jié)構(gòu)與原理53.3 輔助控制電路6第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)84.1 系統(tǒng)的主流程圖94.2 匯編程序設(shè)計(jì)10結(jié)論12參考文獻(xiàn)13千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1

2、.1 引言隨著數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動(dòng)元件, 具有快速起動(dòng)和停止的特點(diǎn)。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能上能滿(mǎn)足工業(yè)控制的基本要求，所以廣泛地應(yīng)用于手工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī),投影儀、數(shù)碼攝像機(jī)、大型望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器件以與各種可控機(jī)械工具等等。直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備( 如硬盤(pán)、軟盤(pán)和光盤(pán)存儲(chǔ)器) 、家電產(chǎn)品、醫(yī)療器械和電動(dòng)車(chē)上, 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子都普遍使用永磁材料組成的磁鋼, 并且在航空、航天、汽車(chē)、精密電子等行業(yè)也被廣泛

3、應(yīng)用。在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)、蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門(mén)，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、市電車(chē)、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動(dòng)機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。他們都是利用電和磁的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)向機(jī)械能能的轉(zhuǎn)換。本文應(yīng)用單片

4、機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、和鍵盤(pán)陣列，構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。二維工作臺(tái)作為被控對(duì)象通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿在X/Y軸方向聯(lián)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期和成本。最后給出了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。第2章 二維步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的選擇2.1 基于單片機(jī)的控制采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤(pán)作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、

5、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢(xún)相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器與時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。本方案有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤(pán)電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性5?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案。2.2 步進(jìn)電

6、機(jī)的概述2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類(lèi)型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類(lèi)；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)7。(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類(lèi)型；(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(Permanent Magnet，簡(jiǎn)稱(chēng)PM)永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是

7、用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)一樣，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電；(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid，簡(jiǎn)稱(chēng)HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。混合式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的

8、，后來(lái)發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。由于能夠開(kāi)環(huán)運(yùn)行以與控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的更注重整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)7。2.2.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱(chēng)為一步。根據(jù)

9、電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)脈沖所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是精確的，并可重復(fù)，這就是步進(jìn)電機(jī)為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。 步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括啟停控制、轉(zhuǎn)向控制、速度控制、換向控制4 個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上看 ,步進(jìn)電機(jī)分為三相、四相、五相等類(lèi)型 ,常用的則以四相為主。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式有四相單三-四拍、四相雙四拍和四相八拍3 種 ,而本次設(shè)計(jì)中我們研究的是二維四相步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，其中X方向電機(jī)

10、采用8拍運(yùn)行方式，Y方向電機(jī)采用雙四拍運(yùn)行方式。下面具體加以闡述。2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的控制 X軸運(yùn)行方式：八拍勵(lì)磁順序：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A Y軸運(yùn)行方式：雙四拍勵(lì)磁順序：AB-BC-CD-DA-AB2.2.4 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 步進(jìn)電機(jī)換向時(shí) ,一定要在電機(jī)減速停止或降到突跳頻率圍之再換向 ,以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。脈沖序列的均勻度與高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了減速換向加速3 個(gè)過(guò)程。2.3 控制電路的設(shè)計(jì)圖第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)述本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)80C51來(lái)作為整個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制核心部件，采用了環(huán)形分

11、配器L297來(lái)控制脈沖分配與功率放大器L298與其外圍電路構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)來(lái)構(gòu)成了一個(gè)基本的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。其主體流程如下圖：3.2 基于80C51的步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行結(jié)構(gòu)與原理單片機(jī)最小系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖，通過(guò)單片機(jī)的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與單片機(jī)輸出的脈沖數(shù)成正比步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的的方向與輸出的脈沖順序有關(guān)。同時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)處理來(lái)自電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電流值。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（L297，L298）負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)

12、給步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。串口下載模塊主要是負(fù)責(zé)實(shí)行計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信，將在計(jì)算機(jī)里面編寫(xiě)好的程序下載到單片機(jī)芯片當(dāng)中。具體80C51將控制脈沖從P3口的P3.4P3.6輸出，經(jīng)過(guò)環(huán)形分辨器L297和功率放大器使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和停止等動(dòng)作。其中P3.4口輸出信號(hào)控制拍數(shù)，即電壓控制，P3.5口為方向控制，P3.6口為脈沖輸入控制。而步進(jìn)電機(jī)中則設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)電壓+12V，步進(jìn)角為18度，每分鐘最大轉(zhuǎn)速為36000轉(zhuǎn)。圖中80C51選用頻率6Hz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小80C51對(duì)輸入脈沖信號(hào)周期的影響。3.3 輔助

13、控制電路3.3.1 復(fù)位電路3.3.2 時(shí)鐘電路第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化、延時(shí)子程序、按鍵響應(yīng)程序，與控制脈沖輸出幾部分，事實(shí)上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對(duì)于整體設(shè)計(jì)都是非常重要，單片機(jī)89C51通過(guò)軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來(lái)，軟件設(shè)計(jì)的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，即從主體遂逐步細(xì)分到每一個(gè)模塊的流程。在流程圖中把設(shè)計(jì)者的控制過(guò)程梳理清楚。具體程序的講解將在本章各節(jié)做詳細(xì)講解。 本次設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言，應(yīng)用偉福6000軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與其調(diào)試。仿真采用PROTUES仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。4.1 系統(tǒng)的主流程圖

14、當(dāng)給系統(tǒng)供電以后，通過(guò)單片機(jī)復(fù)位電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化以后，便開(kāi)始執(zhí)行按鍵查詢(xún)等待相應(yīng)的操作，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應(yīng)的子程序，其具體的主流程圖如下所示：圖 系統(tǒng)主程序圖4.2 匯編程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制程序如下：ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP INQP1ORG 001BHAJMP INQP2ORG 0020HINQP1: MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 CPL P3.2 RETIINQP2:MOV TH1,R2 MOV TL1,R3 CPL P3.6 RETIORG 0100HMAIN: MOV TMOD,#11H MOV 1

15、0H,#0FFH MOV 20H,#06H MOV 30H,#0FFH MOV 40H,#38H MOV R0,#0FFH MOV R1,#0FFH MOV R2,#0FFH MOV R3,#0FFH SETB ET0 SETB ET1 SETB PT0 SETB EA SETB P3.0 CLR P3.4 MOV P0,#0FFHSTART:JNB P0.0,XZ JNB P0.1,XF JNB P0.2,XJ JNB P0.3,XT JNB P0.4,YZ JNB P0.5,YF JNB P0.6,YJ JNB P0.7,YT AJMP STARTXZ: CLR P3.1 MOV R0,1

16、0H MOV R1,20H MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 SETB TR0 AJMP STARTXF:SETB P3.1 MOV R0,10H MOV R1,20H MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 SETB TR0 AJMP STARTXJ: CLR P3.1 MOV R0,30H MOV R1,40H MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 SETB TR0 AJMP STARTXT: CLR P3.1 CLR TR0 AJMP STARTYZ: CLR P3.5 MOV R2,10H MOV R3,20H MOV TH1,R2 MOV TL1,R3 SETB

17、TR1 AJMP STARTYF: SETB P3.5 MOV R2,10H MOV R3,20H MOV TH1,R2 MOV TL1,R3 SETB TR1 AJMP STARTYJ: CLR P3.5 MOV R2,20H MOV R3,30H MOV TH1,R2 MOV TL1,R3 SETB TR1 AJMP STARTYT: CLR P3.5 CLR TR1 AJMP START END千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫(xiě)在此行之前。結(jié)論經(jīng)過(guò)為期一星期的學(xué)習(xí)和努力，本次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)順利完成，具體結(jié)論如下： 1、采用單片機(jī)作為控制核心，利用其強(qiáng)大的功能，把鍵盤(pán)電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，組成一個(gè)操作方便，交互性強(qiáng)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。2、 通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成了全部的設(shè)計(jì)任務(wù)，具體功能如下：完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，能通過(guò)鍵盤(pán)電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、停止控制；通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了通過(guò)單片機(jī)能輸出四相雙四拍和四相八拍的脈沖控制序列。整個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動(dòng)方向，檢測(cè)到的電機(jī)電流的大小等都能通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)顯示出