基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度,角度的簡(jiǎn)單鍵盤(pán)控制設(shè)計(jì)

北方民族大學(xué)論文題目:基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)院(部)名稱:電氣信息工程學(xué)院組長(zhǎng)姓名:=專業(yè):測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)號(hào):20100259指導(dǎo)教師姓名:組員：論文提交時(shí)間:論文答辯時(shí)間:學(xué)位授予時(shí)間:北方民族大學(xué)教務(wù)處制

摘要隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中其在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器,功率放大器及步進(jìn)電機(jī)等組成。采用單片機(jī)控制,用C語(yǔ)言編寫(xiě)軟件代替上述步進(jìn)控制器,使得線路簡(jiǎn)單,成本低,可靠性大大增加。軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列來(lái)控制各種步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式。本設(shè)計(jì)是采用AT89C51單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，通過(guò)I/O口輸出的時(shí)序方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。實(shí)踐證明，基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)比傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器具有更好的性能更加簡(jiǎn)單、方便、可靠。本設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象就是開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件———步進(jìn)電機(jī)。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)正反轉(zhuǎn)控制速度控制角度控制LED發(fā)光二極管目錄TOC\o"1-3"\h\u1560前言 ⑤可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。使用方便是ATMEL公司89系列單片機(jī)被廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素。一般的OTP產(chǎn)品，一旦錯(cuò)誤編程就成了廢品，而89系列單片楓內(nèi)部采用了Flash存儲(chǔ)器，所以，錯(cuò)誤編程后仍可以重新編程，直到正確為止。其次是它可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。用89系列單片枕設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且還可以隨用戶的需要和發(fā)展進(jìn)行修改，使系統(tǒng)能不斷追髓用戶的最新要求。89系列單片機(jī)可分為標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，低檔型號(hào)和高檔型號(hào)。鑒于以上的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析比較，根據(jù)本課題的特點(diǎn)，選用ATMEL公司89系列懿標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)ATC89C51。1.2步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)的選取步進(jìn)電機(jī)又稱電脈沖馬達(dá)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比。并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 步矩角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計(jì)算：a=360°/(zm)式中：z-轉(zhuǎn)子齒數(shù);m-運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN（N為電動(dòng)機(jī)相數(shù)，單拍時(shí)K=1，四相八拍或雙拍K=2）。本設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)采用四相五線混合式步進(jìn)電機(jī)，直徑：28mm；電壓：5V；步進(jìn)角度：5.625x1/64；減速比：1/64；單個(gè)重：0.04KG；5線4相可以用普通uln2003芯片驅(qū)動(dòng)，也可以接成2相使用。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。例如：八拍工作方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。1.3驅(qū)動(dòng)芯片的選取步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用ULN2003A，ULN200A電路具有以下特點(diǎn)：電流增益高（大于1000）;帶負(fù)載能力強(qiáng)（輸出電流大于500mA）;溫度范圍寬（-40～85℃）;工作電壓高（大于50V）。引出端腳的功能符號(hào)引出端序號(hào)符號(hào)功能引出端序號(hào)符號(hào)同意功能11B輸入9COM公共端22B輸入107C輸出33B輸入116C輸出44B輸入125C輸出55B輸入134C輸出66B輸入143C輸出77B輸入152C輸出8E發(fā)射極161C輸出ULN2003A型高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路的輸入脈沖占空比、輸出路數(shù)與輸出電流的關(guān)系曲線如圖3所示,從圖3可以看出,隨著輸入脈沖的占空比以及輸出路數(shù)的增加,允許的輸出電流隨之降低,也就是說(shuō)：電路的輸出路數(shù)的增加將導(dǎo)致電路的驅(qū)動(dòng)能力下降。圖4所示為ULN2003A電路輸出電流Ic、輸出電壓VCE和輸入電流I1三者之間的關(guān)系曲線,從圖4可以看出,隨著輸入電流的增加,輸出電壓隨之降低,而隨著輸出電流的增加,輸出電壓也隨之增加。ULN2003A主要電特性特性符號(hào)條件

（若無(wú)其它規(guī)定,TA=-40～85℃）規(guī)范值單位最小最大直流放大倍數(shù)hEFVCE=2V,Ic350mA1000-集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(sat)IB=500μA,IC=350mA-1.6V箝位二極管正向電壓VFIF=350mA,輸入開(kāi)路-2.0V集電極截止電流ICEXVCE=50VIi=0mA-50μAVi=6V-500μA箝位二極截止電流IFEXVF=50VTA=25-50μAVi=85-100μA集電極最大電壓Vamx空載50-V集電極最大電流ImaxVCE=2V500-mA開(kāi)態(tài)延遲時(shí)間tonVCE=5V,16kHz的方波輸入-1.0μS關(guān)態(tài)延遲時(shí)間toffVCE=5V,16kHz的方波輸入-1.0μS2.單片機(jī)的主要系統(tǒng)電路2.1時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時(shí)，電路簡(jiǎn)單，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)際使用中常采用這種方式，如圖所示在其外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。圖中外接晶體以及電容C2和C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30PF左右，晶振頻率選12MHz。 30PF ATC89C51 ATC89C51 XTAL2 VCCGND 12M 10UF RESET GND 30PF XTAL1 1KΩ 時(shí)鐘電路復(fù)位電路2.2復(fù)位電路為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開(kāi)始正常工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位。但如果RST引腳上持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入／輸出(I／O)端口寄存器置為FFH，堆棧指針SP置為07H，SBUF內(nèi)置為不定值，其余的寄存器全部清0，內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時(shí)RAM的內(nèi)容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(dòng)(開(kāi)關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。3.軟件設(shè)計(jì)3.1軟件流程圖系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要包括：主程序設(shè)計(jì)．鍵盤(pán)掃描，電機(jī)控制正反轉(zhuǎn)，速度，角度控制程序等。 開(kāi)始鍵盤(pán)掃描 總開(kāi)關(guān)是否打開(kāi) 否是 角度檔位設(shè)置與轉(zhuǎn)速按鍵設(shè)置 步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)選擇角度 對(duì)應(yīng)的指示燈亮是 啟動(dòng)工作對(duì)應(yīng)的指示燈亮 是 結(jié)束 步進(jìn)電機(jī)停止工作對(duì)應(yīng)的指示燈熄滅 3.2語(yǔ)言軟件的選取 本系統(tǒng)下位機(jī)以單片機(jī)為核心，采用C語(yǔ)言編程。C語(yǔ)言是書(shū)寫(xiě)程序的一種軟件語(yǔ)言，它是計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的重要工具。在系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)、實(shí)時(shí)控制的和實(shí)時(shí)處理領(lǐng)域中有著不可替代的地位。用C語(yǔ)言編程使編程簡(jiǎn)潔易懂，進(jìn)而進(jìn)行高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，而且它不獨(dú)立于具體機(jī)器，是一種非常通用的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，采用C語(yǔ)言編程，因此，在已經(jīng)有眾多高級(jí)語(yǔ)言和可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境工具的今天，C語(yǔ)言有著重要的有效的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言地位。仿真仿真使用protues軟件，仿真圖如下元件清單ATC89S51單片機(jī)，九個(gè)開(kāi)關(guān)四個(gè)LED二極管，四個(gè)三極管，一個(gè)12M晶振，電容兩個(gè)，排阻一件，ULN2003A,步進(jìn)電機(jī)。結(jié)論經(jīng)過(guò)這個(gè)學(xué)期對(duì)微機(jī)的深入學(xué)習(xí)，并且在老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，我們終于完成了四相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)課程。從書(shū)本上的知識(shí)到自己親手的課程設(shè)計(jì)，每一步對(duì)我們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是巨大的嘗試和挑戰(zhàn)，也成就了我們目前在大學(xué)期間獨(dú)立完成的最大的項(xiàng)目。記得在剛接到這個(gè)課題時(shí)，由于對(duì)相關(guān)知識(shí)不是很了解，我們都有些茫然不知所措。設(shè)計(jì)好一個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要什么專業(yè)知識(shí)？帶著這個(gè)疑問(wèn)我們開(kāi)始了地學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)：去圖書(shū)館查閱相關(guān)資料、上網(wǎng)去了解相關(guān)的內(nèi)容，漸漸頭腦中的概念清晰了起來(lái)。在具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們遇到了更大的困難。我們不斷地給自己提出新的問(wèn)題，然后去論證、推翻，再接著提出新的問(wèn)題。在這個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程中，我們這篇稚嫩的設(shè)計(jì)日臻完善。雖然我們的設(shè)計(jì)作品不是很成熟，即使借鑒前人的很多資料仍然還有很多不足之處，但我仍然心里有一種莫大的幸福感，因?yàn)槲覀儗?shí)實(shí)在在地走過(guò)了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)所應(yīng)該走的每一個(gè)過(guò)程，并且享受了每一個(gè)過(guò)程。致謝首先，我們要感謝毛老師指導(dǎo)，毛老師在各個(gè)方面都給予了我無(wú)微不至的關(guān)懷和幫助，他對(duì)工作一絲不莓，嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度，使我深受啟發(fā)和感動(dòng)，在此表達(dá)對(duì)他的深深敬意和感激之情。同時(shí)還要感謝我的組員同學(xué)積極和配合上，并向所有幫助和關(guān)心著我們的老師和同學(xué)們，在此道一聲謝謝。參考文獻(xiàn)單片機(jī)原理與接口技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電路C語(yǔ)言教程附件1.C語(yǔ)言程序部分:#include<reg52.h>#include<intrins.h>typedefcharint8;typedefunsignedcharuint8;typedefunsignedintuint16;sbitKeyin_1=P0^3;sbitKeyin_2=P0^4;sbitKeyin_3=P0^5;sbitD1=P2^0;sbitD2=P2^1;sbitD3=P2^2;sbitD4=P2^3;/*================延時(shí)函數(shù)==================*/voiddelay_1(uint8dat){while(dat--);}/*================鍵盤(pán)函數(shù)=================*/uint8keyboard_1(void){ staticuint8dat=0; uint8a[]={0XFe,0XFd,0XFb},i, b[3][3]={1,2,3, 4,5,7, 9,11,15}; for(i=0;i<3;i++) { P0=a[i]; if(!Keyin_1) { delay_1(20); if(!Keyin_1) { dat=b[i][0]; while(!Keyin_1); returndat; } } if(!Keyin_2) { delay_1(20); if(!Keyin_2) { dat=b[i][1]; while(!Keyin_2); returndat; } } if(!Keyin_3) { delay_1(20); if(!Keyin_3) { dat=b[i][2]; while(!Keyin_3); returndat; } } } return0;}/*===================角度速度控制函數(shù)=============*/voidmotor_1(uint8dat){ int8i,a[]={0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9}; staticbitON=0,RL=0,ST=0; staticuint16K=8,L=64,M=0,N=0; P1=0X00; if(dat==1){ON=~ON;D1=~D1;} if(ON) { if(dat==2){RL=~RL;D2=~D2;} if(dat==3){if(L==64)L=8;elseL=64;D3=~D3;} if(dat==4)K--; if(dat==5)K++; if(dat==15)ST=1; M=L*K; if(dat>5&&dat<13)N=23*dat; if(!RL) { if(ST)while(M--) { for(i=0;i<8;i++) { D4=0; P1=a[i]; delay_1(N); } if(keyboard_1()==1){ON=0;break;} } } if(RL) { if(ST)while(M--)