智能電路設(shè)計(jì) - 副本課件

1、智能電路設(shè)計(jì)課程題目：步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn) 學(xué) 院：大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)：電科職112 學(xué) 號(hào)：1120020069 學(xué)生姓名：月余 指導(dǎo)教師：馬老師 2015年 1月 7日 摘要步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械角位移或線位移的開(kāi)環(huán)控制機(jī)電元件，它的工作原理是利用電子電路,將直流電變成分時(shí)供電的多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。因其具有成本低、易于精確控制、無(wú)累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)、生活中的很多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。在這過(guò)程中，硬件設(shè)計(jì)主要由單

2、片機(jī)最小系統(tǒng)，獨(dú)立鍵盤(pán)控制模塊，不進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，1602液晶顯示模塊，一體化紅外線接收模塊，蜂鳴器等構(gòu)成。軟件設(shè)計(jì)包括主程序以及各個(gè)子模塊的控制程序構(gòu)成。最終實(shí)現(xiàn)軟件控制硬件的目的。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；程序目錄1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、步進(jìn)電機(jī)控制的原理簡(jiǎn)介3.電路中主要器件介紹3.1 STC89C52RC芯片3.2 1602液晶顯示屏3.3 獨(dú)立鍵盤(pán)控制3.4 ULN2803A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4、硬件電路工作原理5、步進(jìn)電機(jī)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)6、步進(jìn)電機(jī)控制程序清單 7、心得體會(huì)8、參考文獻(xiàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笳莆諉纹瑱C(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的硬件接口電路、掌握步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法、熟悉步

3、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特性。按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編寫(xiě)程序，并在實(shí)驗(yàn)儀上調(diào)試和驗(yàn)證。二、步進(jìn)電機(jī)控制的原理簡(jiǎn)介步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，它的運(yùn)行需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)控制。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱(chēng)為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，它既可以用作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可以用作伺服電動(dòng)機(jī)。它在工業(yè)過(guò)程控制中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場(chǎng)合應(yīng)用更為廣泛。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁

4、式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件之一，被廣泛應(yīng)用于需要精確定位、同步、行程控制等場(chǎng)合。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。若每旋轉(zhuǎn)一圈以200個(gè)勵(lì)磁信號(hào)來(lái)計(jì)算，則每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)前進(jìn)1.8度，其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖順序來(lái)控制。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

5、的勵(lì)磁方式可分為全部勵(lì)磁及半步勵(lì)磁,其中全步勵(lì)磁又有1相勵(lì)磁及2相勵(lì)磁之分，而半步勵(lì)磁又稱(chēng)1-2相勵(lì)磁。圖為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制等效電路，適應(yīng)控制A、B、/A、/B的勵(lì)磁信號(hào)，即可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號(hào)，即可步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。分述如下：A、1相勵(lì)磁法：在每一瞬間只有一個(gè)線圈導(dǎo)通。消耗電力小，精確度良好，但轉(zhuǎn)矩小，振動(dòng)較大，每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)可走1.8度。若欲以1相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。B、2 相勵(lì)磁法：在每一瞬間會(huì)有二個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通。因其轉(zhuǎn)矩大，振動(dòng)小，故為目前用最多的勵(lì)

6、磁方式，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走1.8 度。若以2 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。C、1-2相勵(lì)磁法：為1相與2相輪流交替導(dǎo)通。因分辨率提高，且運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走0.9度，故亦廣泛被采用。若以1相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。勵(lì)磁順序：（AABBBCCCDDDAA）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度愈快負(fù)載轉(zhuǎn)矩愈小，當(dāng)速度快至其極限時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即不再運(yùn)轉(zhuǎn)。所以在每走一步后，程序必須延時(shí)一段時(shí)間。 下面介紹的是國(guó)產(chǎn)20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，它使用+5V直流電源，步距角為18度。

7、電機(jī)線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，驅(qū)動(dòng)方式為二相激磁方式。 三步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖一般一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)包括控制器,驅(qū)動(dòng)器,電機(jī)三部分.其框圖如下圖所示. 三、電路中主要器件介紹3.1 STC89C52RC單片機(jī)芯片在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)。單片機(jī)體積小、價(jià)格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對(duì)于滿(mǎn)足嵌入式應(yīng)用需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)主要階段： 單片機(jī)的初級(jí)階段 ：1974年1978年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī) 。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I

8、/O線和1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。其特點(diǎn)是：存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?K），無(wú)串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。高性能階段： 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機(jī)：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。微控制器化階段 ：芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I(mǎi)/O部件等。 其特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈

9、活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備、控制性能和可靠性高。體積小、價(jià)格低、易于產(chǎn)品化。如圖所示：而STC89C52RC是采用8051核的ISP在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含8K 的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶(hù)的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購(gòu)買(mǎi)通用編程器，而且速度更快。STC89C52RC系列單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期的兼容8051 內(nèi)核單片機(jī)，是高速/ 低功耗的新一代8051 單

10、片機(jī)，全新的流水線、精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu),內(nèi)部集成MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路。3.2 1602液晶顯示屏如圖所示：1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無(wú)差別，1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:162個(gè)字符 芯片工作電壓:4.55.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如圖所示：序號(hào)指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式0000

11、0001I/DS4顯示開(kāi)/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址10寫(xiě)數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫(xiě)的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容3.3 獨(dú)立鍵盤(pán)控制如圖所示：取一組合，概括起來(lái)就是（1，2）、（1，4）、（3，2）、（3，4）四種組合，都可以起到我們預(yù)期的開(kāi)關(guān)作用。首先說(shuō)明的是，上圖的連法是不允許的，因?yàn)楫?dāng)按鍵按下之后，電源和地短接，會(huì)將導(dǎo)線直接燒毀。但是此處用作特例，假設(shè)導(dǎo)線

12、不會(huì)燒毀。現(xiàn)在來(lái)提出一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)按鍵按下以后，請(qǐng)問(wèn)如果這時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量導(dǎo)線上任何一處的電壓， GND，即表示測(cè)出的電壓為0V。因?yàn)閷?dǎo)線上，對(duì)于兩端的電平是一種類(lèi)似于程序語(yǔ)言邏輯運(yùn)算里面的“與”，即對(duì)于導(dǎo)線兩端：有零即為零，只有全為一是才為一。理解了這點(diǎn)，按鍵的工作前提就有了。 鍵盤(pán)分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。鍵盤(pán)上閉合鍵的識(shí)別由專(zhuān)用的硬件編碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號(hào)或鍵值的稱(chēng)為編碼鍵盤(pán)，如計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)。而靠軟件編程來(lái)識(shí)別的鍵盤(pán)稱(chēng)為非編碼鍵盤(pán)，在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中，用的較多的是非編碼鍵盤(pán)。非編碼鍵盤(pán)又分為獨(dú)立鍵盤(pán)和行列式鍵盤(pán)。在這一講中我們介紹一下單片機(jī)中鍵盤(pán)使用。 單片機(jī)的IO口既可作為輸出也可

13、作為輸入使用，當(dāng)檢測(cè)按鍵時(shí)用的是它的輸入功能，我們把按鍵的一端接地，另一端與單片機(jī)的某個(gè)I/O口相連，開(kāi)始時(shí)先給該IO口賦一高電平，然后讓單片機(jī)不斷地檢測(cè)該I/O口是杏變?yōu)榈碗娖?，?dāng)按鍵閉合時(shí)，即相當(dāng)于該I/O口通過(guò)按鍵與地相連，變成低電平，程序一旦檢測(cè)到I/O口變?yōu)榈碗娖絼t說(shuō)明按鍵被按下，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。觸式按鍵是靠機(jī)械的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)作用的。這種接觸方式就注定了它要經(jīng)歷一個(gè)“接觸不穩(wěn)定正在穩(wěn)定中徹底穩(wěn)定”的一種過(guò)程。就好比你用手抓緊一顆石頭，即使你一開(kāi)始就很用力的握緊，也不可能馬上就達(dá)到最緊的狀態(tài)，也要經(jīng)歷一個(gè)從握住到最緊握的過(guò)程。那么在這個(gè)過(guò)程里，接觸式按鍵就處于一種徘徊在“閉合”與

14、“斷開(kāi)”兩者之間的狀態(tài)。體現(xiàn)在電路中，就是在一小段時(shí)間內(nèi)有非常多的“按下抬起”動(dòng)作。而這段抖動(dòng)的時(shí)間，大概是1020毫秒，依不同的環(huán)境條件而定。按鍵兩片金屬膜接觸的時(shí)間大約為50ms左右，在按下瞬間到穩(wěn)定的時(shí)間為5-10ms,在松開(kāi)的瞬間到穩(wěn)定的時(shí)間也為5-10ms，如果我們?cè)偈状螜z測(cè)到鍵被按下后延時(shí)10ms左右再去檢測(cè)，這時(shí)如果是干擾信號(hào)將不會(huì)被檢測(cè)到，如果確實(shí)是有鍵被按下，則可確認(rèn)，以上為按鍵識(shí)別去抖動(dòng)的原理。3.4 ULN2803A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如圖所示為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：ULN2803A 8個(gè)NPN達(dá)林頓晶體管，連接在陣列非常適合邏輯接口電平數(shù)字電路（例如TTL，CMOS或PMOS上/

15、NMOS）和較高的電流/電壓，如電燈，電磁閥，繼電器，打印錘或其他類(lèi)似的負(fù)載，廣泛的使用范圍：計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用。所有設(shè)備功能由集電極輸出和鉗位二極管瞬態(tài)抑制。 該ULN2803是專(zhuān)為符合標(biāo)準(zhǔn)TTL，而制造ULN2804適合6至15V的高級(jí)別CMOS或PMOS上。該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導(dǎo)通工作。1-8引腳：輸入端、 11-18引腳：輸出端、 9引腳：地端、10引腳：電源+四、硬件電路工作原理由單片機(jī)AT89S51作為主機(jī)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，其通過(guò)各引腳與各模塊部件對(duì)應(yīng)引腳相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。所以首先必須清楚管腳的分配。其連接如圖所示；五、步進(jìn)電機(jī)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)這

16、個(gè)設(shè)計(jì)主系統(tǒng)采用以STC89C52RC單片機(jī)為核心芯片的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要由STC89C52RC芯片、液晶顯示、驅(qū)動(dòng)電路(ULN2803A)、獨(dú)立鍵盤(pán)電路所組成。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)框圖； 六、心得體會(huì)在這次智能電路設(shè)計(jì)中我學(xué)會(huì)keil軟件的安裝和使用keil軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)一些相關(guān)操作。并且在進(jìn)行程序編寫(xiě)時(shí)怎么糾正錯(cuò)誤。做了三周的課程設(shè)計(jì)，有很多的心得體會(huì)，有關(guān)于keil軟件方面的，還有關(guān)于程序的燒錄，功能的仿真等等，更多的是關(guān)于人與人之間關(guān)系方面的。因?yàn)槲覀兪莾扇艘唤M，所以同學(xué)之間的幫助是必不可少的，除了小組之間的互助外。我們還得到了很多其他同學(xué)的幫助。我想沒(méi)有他們我可能都要放棄了，因?yàn)槲冶救藢?duì)C語(yǔ)言也并不是很熟悉，學(xué)的東西好像它是它，我是我似的，理論聯(lián)系不了實(shí)際。以前的C語(yǔ)言沒(méi)學(xué)好，一開(kāi)始的程序這塊兒就要令我抓狂了。后來(lái)請(qǐng)教我們班的一個(gè)高手，每次跟他一起到試驗(yàn)室調(diào)試程序，看他邊做邊給我講解。最后在開(kāi)開(kāi)發(fā)板上調(diào)試出來(lái)顯示的時(shí)候，我有一種成就感。雖然有些模塊的仿真還是沒(méi)調(diào)試出來(lái)，但是我們小組在接下來(lái)的日子里會(huì)相互努力，實(shí)現(xiàn)全部的功能。大家都相互鼓勵(lì)，一定要堅(jiān)持把它做