基于單片機(jī)設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng) 課程設(shè)計

目錄1.實驗要求與設(shè)計 21.1設(shè)計目的 21.2設(shè)計要求 21.3設(shè)計思路 22.設(shè)計原理及分析 22.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 22.2單片機(jī)最小系統(tǒng) 22.3鍵盤控制電路 22.4LED數(shù)碼顯示電路 23.系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 23.1步進(jìn)電機(jī)總體設(shè)計框圖 23.2驅(qū)動控制系統(tǒng)組成 23.3脈沖信號的產(chǎn)生 24.軟件設(shè)計設(shè)計及調(diào)試 24.1主程序流程圖 24.2INTO中斷子程序框圖 24.4程序代碼 25.實驗心得與體會 2參考文獻(xiàn) 2附：課程設(shè)計評分表 2附：步進(jìn)電機(jī)電路圖 2

1.實驗要求與設(shè)計1.1設(shè)計目的以單片機(jī)為核心設(shè)計出一個單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用AT89C51作為控制單元，通過鍵盤實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。1.2設(shè)計要求1.利用鍵盤按鍵來控制步進(jìn)電動機(jī)的加速減速以及控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動、停止等操作，達(dá)到顯示的目的。2.了解步進(jìn)電動機(jī)的工作原理，會計算其各個量之間的轉(zhuǎn)換，例如，速度、時間、頻率與步進(jìn)角之間的關(guān)系。3.顯示以51單片機(jī)為核心的實用控制電路，并進(jìn)行調(diào)試出結(jié)果。1.3設(shè)計思路采用51系列單片機(jī)實現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。首先利用鍵盤按鍵來控制步進(jìn)電動機(jī)的加速減速以及控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動、停止等操作。達(dá)到顯示的目的。最終使步進(jìn)電動機(jī)的控制能更加靈活。本實驗采用89C51做單片機(jī)運行的,所用本實驗只需要將其四相連接P1口得P1.0~P1.3口就行了，在AEDK實驗教學(xué)機(jī)上，數(shù)碼管和8279內(nèi)部已經(jīng)連接好，不需再連線。本實驗使用的步進(jìn)電機(jī)用直流+12V電壓，電機(jī)線圈由A、B、C、D四相組成驅(qū)動方式為四相四拍方式,各線圈通電順序如下表。表中首先向A線圈輸入驅(qū)動電流，接著B、C、D線圈驅(qū)動，最后又返回到A線圈驅(qū)動，按這種順序切換，電機(jī)軸按順時針方向旋轉(zhuǎn)。若通電順序相反，則電機(jī)軸按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。2.設(shè)計原理及分析2.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為六個模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、測速模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和電源模塊。1.單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機(jī)能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機(jī)個功能部件都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。2.鍵盤控制模塊包括方向控制鍵、加速鍵和減速鍵、啟停鍵。實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。3.數(shù)碼顯示模塊采用共陰極數(shù)碼管來動態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實際轉(zhuǎn)動速度。4.測速模塊采用開關(guān)霍爾片對安放在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤上的小磁片的磁信號進(jìn)行檢測，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤每次帶動小磁片經(jīng)過霍爾片時，其都將有脈沖信號從霍爾片輸出。單片機(jī)外部中斷口對信號進(jìn)行采集。2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)近年，由于CHMOS技術(shù)的進(jìn)步，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以80C51取代8051為標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片的原因。因為單片機(jī)芯片多數(shù)是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。CMOS電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。CHMOS和HMOS工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的CHMOS電路已達(dá)到LSTTL的速度，傳輸延遲時間小于2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于TTL電路。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域CMOS正在逐漸取代TTL電路。單片機(jī)是通過內(nèi)部總線把計算機(jī)的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時提供地址，CPU通過它們將地址輸出到存儲器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲器或I/O接口之間，或存儲器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括CPU發(fā)出的控制信號線和外部送入CPU的應(yīng)答信號線等?？紤]到經(jīng)濟(jì)和可靠性的要求，本設(shè)計中采用AT89C51單片機(jī)，它宏晶科技設(shè)計生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)。是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。1.AT89C51單片機(jī)參數(shù)：工作電壓：5.5V—3.8V/3.3VFlash程序存儲器字節(jié)：4K定時器T0、T1：有中斷優(yōu)先級：22.AT89C51單片機(jī)優(yōu)點：超低功耗超強(qiáng)抗干擾，超強(qiáng)抗靜電輸入輸出口多，最多有40個I/O速度快，1個時鐘/機(jī)器周期，可用低頻率晶振2.3鍵盤控制電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點的合、斷作用。一個電壓信號在機(jī)械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5—10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機(jī)對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計中沒有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。其原理圖如圖2-3所示：圖2.1鍵盤控制模塊原理圖2.4LED數(shù)碼顯示電路發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。圖2.2數(shù)碼管顯示電路3.系統(tǒng)的總體方案設(shè)計3.1步進(jìn)電機(jī)總體設(shè)計框圖圖3.1總體設(shè)計框圖本系統(tǒng)是單片機(jī)軟件程序來產(chǎn)生脈沖分信號，即把數(shù)字控制技術(shù)的高精度等方面的優(yōu)勢有效的應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，本電路包括開關(guān)控制電路，時鐘電路，功率放大器電路等的選擇。3.2驅(qū)動控制系統(tǒng)組成使用控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，方框圖3.2如下:圖3.2控制系統(tǒng)組成圖3.3脈沖信號的產(chǎn)生脈沖信號一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，點擊轉(zhuǎn)速越高，占空比越大。4.軟件設(shè)計設(shè)計及調(diào)試4.1主程序流程圖步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的主程序在對8279系統(tǒng)初始化后主要完成定時中斷及定時器處理的功能，如圖4.1所示：圖4.1主程序系統(tǒng)上電復(fù)位后，先調(diào)用初始化子程序，對步進(jìn)電機(jī)各端口，相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，啟動定時中斷。實現(xiàn)電機(jī)控制程序和定時器處理程序的功能。4.2INTO中斷子程序框圖1.中斷程序框圖（圖4.2）主要負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)的正，反轉(zhuǎn)功能。圖4.2INTO中斷子程序框圖2.中斷子程序框圖（圖4.3）負(fù)責(zé)處理鍵盤功能首先初始化實際鍵值參數(shù)，然后掃描鍵盤，讀緩存，執(zhí)行鍵盤之程序里的指令，將相應(yīng)的變量值改變，為鍵盤處理子程序做準(zhǔn)備。圖4.3INTO中斷子程序框圖4.4程序代碼;;Z8279入口地址;Z8279EQU8701H;8279狀態(tài)口地址D8279EQU8700H;8279數(shù)據(jù)口地址;;74LS273入口地址;PIEQU8300H;;定義RAM字節(jié)單元;DIREEQU30H;轉(zhuǎn)的形式STASEQU31H;相位SPEDEQU32H;速度指針0~3SPEDED_VALEQU33HKEY_VALEQU34HDISPED_SBUF0EQU35HDISPED_SBUF1EQU36HDISPED_SBUF2EQU37HORG0000HLJMPSTARTORG000BHLJMPINT0_PORG001BHLJMPINT1_PORG0100HSTART:MOVSP,#60HLCALLINTI8279LCALLINT_T0LCALLINT_T1MOVDIRE,#02HMOVSPED,#04HMOVSTAS,#077HSETBEA;;8279初始化子程序;INTI8279:MOVDPTR,#Z8279;清除命令MOVA,#0D3HMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#Z8279;鍵盤顯示命令MOVA,#000H;MOVX@DPTR,AMOVDPTR,#Z8279;時鐘編程命令MOVA,#038;MOVX@DPTR,ANOPRET;;初始化定時器0;INT_T0:MOVTMOD,#011HMOVTH0,#0FFH;MOVTL0,#0FEHCLRPT0SETBET0SETBTR0RET;;初始化定時器1;;INT_T1:MOVTMOD,#011HMOVTH1,#04CH;定時時間為50mSMOVTL1,#000HSETBPT1SETBET1SETBTR1RET;;定時器0處理程序;根據(jù)參數(shù)控制直流電機(jī);INT0_P:PUSHACC;堆棧;;步進(jìn)電機(jī)控制程序;LCALLLP0EXIT0:MOVTH0,#0FFH;重裝定時初值MOVTL0,#0FEHPOPACCRETI;;步進(jìn)電機(jī)控制程序;入口參數(shù):;LP0:MOVR7,SPEDED_VALLP1:LCALLDELAYDJNZR7,LP1MOVA,DIRECJNEA,#00H,LP2;順時針轉(zhuǎn)MOVA,STASRLAMOVSTAS,AANLA,#0FHMOVP1,A;相位輸出LJMPLP5LP2:CJNEA,#01H,LP3;逆時針轉(zhuǎn)MOVA,STASRRAMOVSTAS,AANLA,#0FHMOVP1,A;相位輸出LJMPLP5LP3:CJNEA,#02H,LP5;停轉(zhuǎn)LJMPLP5LP5:NOPRET;;延時子程序;DELAY:MOVR3,#20H;延時子程序DELAY1:MOVR4,#04FHDJNZR4,$DJNZR3,DELAY1RET;;定時器1處理程序;鍵盤;INT1_P:PUSHACC;堆棧LCALLKD_KBLCALLSBUF_DISPED0LCALLLEDD_PROC0EXIT1:MOVTH1,#04CH;重裝定時初值MOVTL1,#000HPOPACCRETI;;8279鍵盤譯碼處理主程序;KD_KB:MOVDPTR,#Z8279;讀狀態(tài)字MOVXA,@DPTRANLA,#0FHJZKD_KB1MOVA,#40H;讀FIFO;傳感器RAM命令MOVX@DPTR,AMOVDPTR,#D8279MOVXA,@DPTRANLA,#3FH;鍵值最大為64,屏蔽不用位MOVKEY_VAL,ALCALLJP0KD_KB1:NOPRET;;功能鍵處理子程序;入口參數(shù):KEY_VALU;KEY0:MOVA,KEY_VALUCJNEA,#0AH,KEY1LCALLKA0LJMPKEY8KEY1:CJNEA,#0BH,KEY2LCALLKEY0LJMPKEY8KEY2:CJNEA,#0CH,KEY8LCALLKEY0LJMPKEY8KEY8:NOPRET;;鍵A處理子程序;鍵A為切換到正轉(zhuǎn)鍵或者/正轉(zhuǎn)級數(shù)參數(shù)更改鍵;KA0:MOVA,DIRECJNEA,#00H,KA2INCSPEDMOVA,SPEDCJNEA,#04H,KA1MOVSPED,#00HKA1:LCALLSPEDED_LOAD0LJMPKA5KA2:MOVSPED,#00HMOVDIRE,#00HMOVSPEDED_VAL,#61HLJMPKA5KA5:NOPRET;;裝載正轉(zhuǎn)占空參數(shù);SPEDED_LOAD0:MOVA,SPEDCJNEA,#00H,SPEDED_LOAD1MOVSPEDED_VAL,#050HLJMPSPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD1:CJNEA,#01H,SPEDED_LOAD2MOVSPEDED_VAL,#020HLJMPSPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD2:CJNEA,#02H,SPEDED_LOAD3MOVSPEDED_VAL,#00AHLJMPSPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD3:CJNEA,#03H,SPEDED_LOAD8MOVSPEDED_VAL,#005HLJMPSPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD8:NOPRET;;鍵B處理子程序;鍵B為切換到反轉(zhuǎn)鍵或者/反轉(zhuǎn)級數(shù)參數(shù)更改鍵;KB0:MOVA,DIRECJNEA,#01H,KB2INCSPEDMOVA,SPEDCJNEA,#04H,KB1MOVSPED,#00HKB1:LCALLSPEDED_LOAD0LJMPKB5KB2:MOVSPED,#00HMOVDIRE,#01HMOVSPEDED_VAL,#61HLJMPKB5KB5:NOPRET;;鍵C處理子程序;鍵C為切換到停止鍵;KC0:MOVA,DIRECJNEA,#02H,KC1LJMPKC5KC1:MOVDIRE,#02HMOVSPED,#04HLJMPKC5KC5:NOPRET;;數(shù)碼顯示子程序;入口參數(shù):DISPED_BUF0-DISPED_BUF5;SBUF_DISPED0:MOVA,SPEDMOVDPTR,#SPEDED_TABMOVCA,@A+DPTRMOVB,#100DIVABMOVDISPED_SBUF0,AMOVA,BMOVB,#10DIVABMOVDISPED_SBUF1,AMOVDISPED_SBUF2,BMOVDPTR,#Z8279;寫顯示命令MOVA,#090HMOVX@DPTR,AMOVR0,#DISPED_SBUF2MOVR6,#03HSBUF_DISPED1:MOVDPTR,#LEDSEG_TABMOVA,@R0MOVCA,@A+DPTRMOVDPTR,#D8279MOVX@DPTR,ADECR0DJNZR6,SBUF_DISPED1SBUF_DISPED2