基于單片機控制“航標燈”的控制系統(tǒng)設計與調(diào)試畢業(yè)論文

1、常州機電職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文）題 目：單片機控制“航標燈”的控制系統(tǒng)的設計與調(diào)試 摘要單片微型計算機簡稱單片機。它是把組成微型計算機的各功能部件：中央處理器、cpu、隨機存取存儲器ram、只讀存儲器rom、i/o接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通信接口等制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個完整的微型計算機。單片機主要應用于控制領域，由于其具有可靠性高、體積小、價格低、易于產(chǎn)品化等特點，因而在智能儀器儀表、實時工業(yè)控制、智能終端、通信設備、導航系統(tǒng)、家用電器等自控領域獲得廣泛應用1。步進電機是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件,實質(zhì)上是一種數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器步進電機控制系統(tǒng)主要由步進

2、控制器,功率放大器及步進電機等組成.步進控制器由緩沖寄存器,環(huán)形分配器,控制邏輯及正,反轉(zhuǎn)控制門等組成,能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖,以便控制步進電機,并能進行正反向控制.但由于步進控制器線路復雜.成本高.采用單片機控制,用軟件代替上述步進控制器,使得線路簡單,成本低,可靠性大大增加,靈活改變步進電機的控制方案,無需邏輯電路組成時序發(fā)生器.軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進電機勵磁序列來控制各種步進電機的運行方式并可實現(xiàn)一臺單片機控制多臺電機.提供靈活多樣的控制手段和提高控制精度對復雜繁瑣的控制易于實現(xiàn),尤其在本系統(tǒng)中更顯示出微機控制的優(yōu)越性。本設計采用凌陽16 位單片機spce061a對步進電機

3、進行控制，通過io口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片l298n驅(qū)動步進電機；同時，用 4x4的鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管顯示電機的轉(zhuǎn)速，采用74ls164作為4位單個數(shù)碼管的顯示驅(qū)動，從單片機輸入信號；利用凌陽單片機的語音功能播報電機的轉(zhuǎn)速。 關(guān)鍵詞： 單片機 步進電機 abstract2 the single slice of microcomputers is abbreviated as the one-chip computer. it is every function part which makes up the microcomputer:

4、central processing unit, cpu, arbitrary access memory ram , read-only memory rom, i/o interface circuit , timer / counter and serial communication interface ,etc. make in the integrated chip together, form an intact microcomputer. one-chip computer apply controlled field to mainly, because it have d

5、ependability high , small , price low , easy commercialization ,etc. characteristic, therefore won extensive application in fields of automatic control such as intellectual instrument and apparatus , real-time industrial control , intelligent terminal , communication equipment , navigation system ,

6、household appliances ,etc.it is that one kind can change the electric pulse signal into a electromechanical component of angle displacement or line displacement to walk into the electrical machinery, it is a kind of figure / angle converter that is walked into the control system of the electrical ma

7、chinery to mainly walk into the controller in fact, power amplifier and walking into the electrical machinery ,etc. make up . walked into the controller to buffer the register , the annular distributor, control logic and, overturn , control door ,etc. make up , can change the pulse input into into a

8、n annular pulse , in order to control , walk into electrical machinery , can carry on positive and negative to control. but because walk into the controller circuit complicatedly. with high costs. adopt one-chip computer control , replace with software described above to walk into the controller , m

9、ake the circuit simple, with low costs, dependability increases greatly, change the control scheme of walking into the electrical machinery flexibly , do not need logical circuit to make up the time sequence generator . software programming very flexible to produce , walk into electrical machinery e

10、xcitation array come , control various operation way to walk into electrical machinery and can realize one machine control many sets of electrical machinery while being different kinds of. it is easy to realize to offer the flexible control means and improving the precision of controlling to complic

11、ated and tedious control, demonstrate the superiority that the computer controls especially in this system even more. design , adopt , insult male genital 16 one-chip computer spce061a to walk into electrical machinery control originally, square wave with time sequence as the control signal of walki

12、ng into the electrical machinery through what io mouth is outputted, the signal drives and walks into the electrical machinery through the chip l298n; meanwhile , come state in electrical machinery go on , control with keyboard of 4x4 , in charge of rotational speed to reveal electrical machinery wi

13、th number, adopt 74ls164 urge as 4 single number display that in charge of , from the input signal of the one-chip computer; utilize the pronunciation function of insulting the open one-chip computer to report the rotational speed of the electrical machinery.keyword: one-chip computer walk into the

14、electrical machinery緒論近十幾年來，單片機在生產(chǎn)過程控制、自動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室自動化等方面獲得了廣泛的應用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應用于衛(wèi)星定句、汽車火花控制、交通白動管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學科的領域，以及人們生活的各個方面。 單片機不求規(guī)模大，只求小而全。廠家在一個芯片上制成了cpu和一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器以及一定數(shù)量的輸入/輸出接口(intel)。在一個大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)造了完整的計算機結(jié)構(gòu)，故稱之為單片機 mcs-51

15、系列中的一片8751芯片3，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計算機硬件系統(tǒng)。從cpu、存儲器到輸入輸出端口，一應俱全。只要寫入程序，就可完成中央控制或數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C，mcs-51單片機指令系統(tǒng)中為適應控制的需要設有極強的位處理功能，具有加、減、乘、除指令;cpu時鐘高達12mhz，完成單字節(jié)乘法或除法運算僅需要4ns;具有多機通信功能，可作為多機系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。近年來，在國際上出現(xiàn)了mechanics和electronics復合成mechtronics這個新詞，我國譯為機電一體化。這種機械和電子技術(shù)、信息技術(shù)緊密結(jié)合的新的學科領域是先進制造技術(shù)研究和普及的結(jié)果。機電一體化產(chǎn)品要實現(xiàn)電

16、器控制的實時性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。同時追求體積小、價格低，甚至低功耗等。正是針對上述種種要求而設計的單片機白然成為機電一體化控制器的最佳選擇。 單片機出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展與微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步，也經(jīng)歷了四個階段4: 第一階段:19711974年，4位微處理器工intel 4004及8位微處理器工intel 8008，這些計算機價格便宜、功能有限，只用于消耗類電子產(chǎn)品。 第二階段:19741978年，初級單片機階段，以工intel公司的mcs-48為代表，8位單片機。 第三階段:19781983年，高性能單片機階段。以工intel公司的mcs-51, mot

17、orola公司的6801和zilog公司的z8等為代表。這一階段推出的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器，有的片內(nèi)還帶有a/d轉(zhuǎn)換器接口，片內(nèi)ram, rom容量加大，尋址范圍可達64k字節(jié)。廣泛應用于工業(yè)控制、外部設備控制、宏觀控制、局部網(wǎng)絡及家用計算機中。 第四階段:1983年至今，8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段。例如mostek公司的mk6800、intel公司的mcs-96等。mcs-96集成度為12萬只品體管/片，尋址范圍64k字節(jié)、5個8位并行口、一個全雙工串行口、4個16位定時器、8通道10位a/d轉(zhuǎn)換器等，另外mcs-96指令能處理位、字節(jié)

18、、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一塊單片計算機的功能可以和一臺多片系統(tǒng)機相媲美。單片機己經(jīng)進入一個嶄新的階段。步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、動作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復雜，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計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿陀嬎銠C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛

19、力，因此，用微型計算機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。步進電機控制技術(shù)和普通電動機控制技術(shù)的不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。早期的步進電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。 由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流與直流電源接通后，就會在間隙中形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進式的轉(zhuǎn)動，隨著接通切換頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)，現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。 步進電機廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領

20、域。它最大的應用是在使用數(shù)控機床的生產(chǎn)制造中，因為步進電機不需要a/d轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也應用在其他方面，比如作為自動送料機中的馬達，

21、作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中等等。微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動了機械加工技術(shù)的飛速發(fā)展。而在其發(fā)展過程中，最顯著的特點是機械制造將越來越密切地依賴于電子技術(shù)、檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、系統(tǒng)論、信息論等現(xiàn)代科學技術(shù)。 隨著現(xiàn)代電子科學的不斷發(fā)展與進步，電子計算機已深深介入機械制造的各個領域，誕生了一系列機、電、計算機一體化的新產(chǎn)品5。 同時微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)也在不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了電子管（1952年）、晶體管（1959年）、小規(guī)模集成電路（1965年）、大規(guī)模集成電路及小型計算機（1970年）和微處理機或微型計算機（1974年）等五代數(shù)控系統(tǒng)

22、。前三代數(shù)控系統(tǒng)是屬于采用專用控制計算機的硬接線（硬線）數(shù)控系統(tǒng)，一般稱為普通數(shù)控系統(tǒng)，簡稱nc。70年代初，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使小型計算機的價格急劇下降，采用小型計算機代替專用控制計算機的第四代數(shù)控系統(tǒng)，不僅在經(jīng)濟上更為合算，而且許多功能可用編制的專用程序來實現(xiàn)，將它存儲在小型計算機的存儲器中，構(gòu)成所謂控制軟件，提高了系統(tǒng)的可靠性和功能特色。這種數(shù)控系統(tǒng)又稱為軟接線（軟線）數(shù)控，即計算機數(shù)控系統(tǒng)，簡稱cnc。1974年制成以微處理機為核心的數(shù)控系統(tǒng)，稱為第五代微型機數(shù)控系統(tǒng)，簡稱mnc。 隨著機電產(chǎn)品對負載精度要求的提高，原有的plc控制系統(tǒng)的步進電機已很難滿足不斷發(fā)展的機電產(chǎn)品的要求。

23、plc控制系統(tǒng)的步進電機存在成本高，工作方式單一和人機交互不便等缺點。為解決此問題，我們研制了一種能代替plc控制系統(tǒng)的新的控制系統(tǒng)-基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)。本文論述了基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計方法和研制過程，包括:硬件設計、軟件設計、可靠性設計等方面。硬件電路用凌陽16位spce061a單片機、先進的接口技術(shù)和大規(guī)模集成電路設計而成。軟件程序用spce061a匯編語言寫成。利用軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)對步進電機工作狀態(tài)的自動控制和精確控制。利用單片機輸出的cp脈沖和方向信號，改變對步進電機繞組的通電方式和通電順序，來準確控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，步距精度等工作狀態(tài)，方便良好的人機界面是

24、用4x4鍵盤/數(shù)碼管顯示來實現(xiàn)的。單片機控制系統(tǒng)的步進電機，自動化程度高、成本低、體積小、控制精確等優(yōu)點，有很好的經(jīng)濟效益和廣闊的發(fā)展前景。單片機控制系統(tǒng)的研制成功，是步進電機發(fā)展中的一次較大的進步，它表明了目前正在使用的許多plc控制系統(tǒng)完全可以由單片機控制系統(tǒng)所代替。目 錄摘要第1章 緒論 1第2章 方案論證比較設計 52.1單片機概述 52.2步進電機的工作原理 62.3單片機控制步進電機的設計思路 9第3章 控制系統(tǒng)的硬件電路設計 103.1 spce061a的介紹 103.1.1 性能 113.1.2 結(jié)構(gòu) 123.1.3芯片的引腳排列和說明 123.1.4 spce061a單片機硬

25、件結(jié)構(gòu) 143.1.5 nsptm的核心結(jié)構(gòu) 153.2步進電機的選擇 173.3 步進電機的驅(qū)動電路設計 183.4數(shù)碼管顯示電路的設計 203.5 4x4鍵盤電路的設計 21第4章 控制系統(tǒng)的軟件設計 244.1 控制脈沖的產(chǎn)生 244.2 步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和時序脈沖的關(guān)系 254.3 步數(shù)的確定 274.4 步進電機的變速控制 294.5 語音報數(shù) 33第5章 結(jié)論 35參考文獻 36致謝 38附錄 39 單片機控制步進電機動實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)文獻綜述 一、引言 近十幾年來，單片機在生產(chǎn)過程控制、白動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室白動化等方面獲得了廣泛的應用。單片

26、機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應用于衛(wèi)星定句、汽車火花控制、交通白動管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學科的領域，以及人們生活的各個方面。單片機并沒有超脫馮?諾依曼原理下的計算機的結(jié)構(gòu)框架和工作原則，而是著眼于應用到更廣闊的范圍:工業(yè)控制、數(shù)字顯示、智能儀表、電子設備、汽車電控、農(nóng)機、家電乃至兒童玩具的控制。它不求規(guī)模大，只求小而全。廠家在一個芯片上制成了cpu和一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器以及一定數(shù)量的輸入/輸出接口(interface)。在一個大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)造了完整的計算機結(jié)構(gòu)，故稱之為單片機5。

27、mcs-51系列中的一片8751芯片，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計算機硬件系統(tǒng)。從cpu、存儲器到輸入輸出端口，一應俱全。只要寫入程序，就可完成中央控制或數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C，mcs-51單片機指令系統(tǒng)中為適應控制的需要設有極強的位處理功能，具有加、減、乘、除指令;cpu時鐘高達12mhz，完成單字節(jié)乘法或除法運算僅需要4ns;具有多機通信功能，可作為多機系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。一般微處理器和有關(guān)元器件分軍用和民用兩級，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機房環(huán)境，工作溫度在0到700 ,軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，工作溫度在-65到+125;工業(yè)級產(chǎn)品的性能介于以上兩者之間，在-40到+85

28、溫度環(huán)境可正常工作。工業(yè)產(chǎn)品可靠性比民用產(chǎn)品強，而價格較軍用品低。在單片機應用中，可以根據(jù)實際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級芯片，保證系統(tǒng)可靠性。近年來，在國際上出現(xiàn)了mechanics和electronics復合成的mechtronics這個新詞，我國譯為“機電一體化”。這種機械和電子技術(shù)、信息技術(shù)緊密結(jié)合的新的學科領域是先進制造技術(shù)研究和普及的結(jié)果。機電一體化產(chǎn)品要實現(xiàn)電器控制的實時性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。同時追求體積小、價格低，甚至低功耗等。正是針對上述種種要求而設計的單片機白然成為機電一體化控制器的最佳選擇。單片機出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展與微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步，也

29、經(jīng)歷了四個階段6:第一階段:1971-1974年，4位微處理器工ntel 4004及8位微處理器工ntel 8008，這些計算機價格便宜、功能有限，只用于消耗類電子產(chǎn)品。第二階段:1974-1978年，初級單片機階段，以工ntel公司的mcs-48為代表，8位單片機。第三階段:1978-1983年，高性能單片機階段。以intel公司的mcs-51, motorola公司的6801和zilog公司的z8等為代表。這一階段推出的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器，有的片內(nèi)還帶有a/d轉(zhuǎn)換器接口，片內(nèi)ram, rom容量加大，尋址范圍可達64k字節(jié)。廣泛應用于工業(yè)控制、外

30、部設備控制、宏觀控制、局部網(wǎng)絡及家用計算機中。第四階段:1983年至今，8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段。例如mostek公司的mk6800、intel公司的mcs-96等。mcs-96集成度為12萬只品體管/片，尋址范圍64k字節(jié)、5個8位并行口、一個全雙工串行口、4個16位定時器、8通道10位a/d轉(zhuǎn)換器等，另外mcs-96指令能處理位、字節(jié)、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一塊單片計算機的功能可以和一臺多片系統(tǒng)機相媲美。單片機己經(jīng)進入一個嶄新的階段。二、步進電機的概況 步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、動作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依

31、靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復雜，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計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級。基于微型計算機的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力，因此，用微型計算機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。步進電機控制技術(shù)和普通電動機控制技術(shù)的不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。早期的步進電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大

32、器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。 由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流與直流電源接通后，就會在間隙中形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進式的轉(zhuǎn)動，隨著接通切換頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)，現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。步進電機廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領域。它最大的應用是在使用數(shù)控機床的生產(chǎn)制造中，因為步進電機不需要a/d轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組

33、成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也應用在其他方面，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中等等。步進電機的原理7：步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化

34、的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。為此,cs51測試網(wǎng)在騰龍開發(fā)套件中首次引入了步進電機技術(shù)，方便用戶應用掌握。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。三、控制系統(tǒng)的設計 單片機控制步進電機的程序的編制步進電機控制程序設計的主要問題有三個:第一，控制脈沖的產(chǎn)生;第二，步進電

35、機的旋轉(zhuǎn)方向和時序脈沖的關(guān)系;第三，步數(shù)的確定。作為單片機控制步進電機的程序的構(gòu)成也是主要由這幾個問題，因此可以從這三個問題入手:1、控制脈沖的產(chǎn)生在單片機控制步進電機時，一般來講，控制脈沖是用軟件產(chǎn)生的。方法是先輸出一個高電平，然后延時，再輸出低電平，再進行延時。延時時間的長短由步進電機的土作頻率決定。2、步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和時序脈沖的關(guān)系步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序和通電方式有關(guān)?，F(xiàn)在常用的通電方式主要有三種:1)三相單三拍:a-b-c-a;2)三相雙三拍:ab-bc-ca-ab;3 )三相六拍:a-ab-b-bc-c-ca-a。按以上順序通電，步進電機正傳，按相反方向通電，步進電

36、機反轉(zhuǎn)。因此，產(chǎn)生時序脈沖的方法是:(1)利用單片機8751的p1端口，即用p1.0, p1.1, p1.2分別控制三相步進電機的a, b, c三相繞組;(2)根據(jù)控制模式寫出控制模型;(3)按控制模型的順序向步進電機輸入控制脈沖。3、步數(shù)的確定步進電機運行的步數(shù)可由步距角和需要轉(zhuǎn)過的角度來計算7:式中： 步距角;轉(zhuǎn)子齒數(shù);拍數(shù)(一般三拍時 = 或六拍時 =2 );控制繞組相數(shù)， =3。4、步進電機的變速控制上面給的程序流程圖是步進電機的恒速運轉(zhuǎn)方式。一般來講，步進電機的一個弱點，就是運行中丟步，為了使步進電機在運行中不出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，一般要小于或等于步進電機“響應頻率”人，在該頻率下，步進電機

37、可以任意啟動、停止或反轉(zhuǎn)而不發(fā)生失步現(xiàn)象。這個頻率通常比較低。當步進電機走過的距離比較長時，需要低速啟動，高速運轉(zhuǎn)，然后降低速度，最后停止。這樣就解決了“快速而不失步”的矛盾。那么實現(xiàn)變速控制的基本思想是改變控制頻率。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機的特性有：1，步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動型號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步角

38、）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。2，騰龍版步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個脈沖完成3，步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 4，改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。 四、結(jié)論總而言之，用單片機來控制步進電機，它的優(yōu)點是體積小、重量輕、耗能省、價格也低，比起用plc控制的可靠性高，通用靈活，方便簡潔，只需輸入程序來控制步進電機的狀態(tài)，自動化程度高，精度高，在生產(chǎn)制造中得到充分的應用，是比較實用的一種控制系統(tǒng)一、 方案論證與比較 1、 本設計的重點在于對步進電機的控制和驅(qū)動，設計中受控電機為四相六線制的步進電機（內(nèi)阻33歐，步進1.8度，額定電壓1

39、2v） 方案一：使用多個功率放大器件驅(qū)動電機 通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復雜。 方案二：使用l298n芯片驅(qū)動電機 l298n芯片可以驅(qū)動兩個二相電機（如圖11），也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達50v，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的io口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。 圖11 通過比較，使用l298n芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動步進電機，

40、且價格不高，故選用l298n驅(qū)動電機。而使用l298n時，可以用l297來提供時序信號，可以節(jié)省單片機io口的使用；也可以直接用單片機模擬出時序信號，由于控制并不復雜，故選用后者。 2、 數(shù)碼管顯示電路的設計 方案一：串行接法 設計中要顯示4位數(shù)字，用74ls164作為顯示驅(qū)動，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約io口資源，但要使用sio，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 方案二：并行接法 使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用io口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 由于設計中用一塊單片機進行控制，資源有限，選擇了方案一。另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。 二、步進電機控制原理 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)

41、變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機（簡稱vr）、永磁式步進電機（簡稱pm）和混合式步進電機（簡稱hb）。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為a-b-cd,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制a,b,c，d相的通斷。 (2)控制步進電

42、機的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。 三、理論設計 綜和以上選取的方案，總的流程如圖32所示。 圖31 1、步進電機驅(qū)動電路 通過l298n構(gòu)成步進電機的驅(qū)動電路,電路圖如圖32所示。 通過單片機spce061a的iob8iob13對l298n的in1in4口和ena、enb口發(fā)送方波脈沖信號，起時序圖如圖33所示。 圖32 圖33 2、數(shù)碼管顯示電路的設

43、計 數(shù)碼管的顯示驅(qū)動使用74ls164，通過spce061a的iob0和iob1口對data和clk發(fā)送數(shù)據(jù)。 圖34 3、4x4鍵盤電路 在設計中，使用了標準的4x4鍵盤，其電路圖如圖35所示。單片機的a口低8位為鍵盤的接口。盡管設計要求中只需要4個鍵對步進電機的狀態(tài)進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，我們使用了4x4的鍵盤。 圖35 四、程序設計 在進行程序設計的過程中，主要分為五個部分：雙機通訊、語音報數(shù)、數(shù)字顯示、步進電機驅(qū)動、鍵盤；其中雙機通訊的實現(xiàn)和語音報時比較有特點，將其流程簡要介紹如下，其他部分見附的程序。 1、雙機通訊 圖41 我們在實現(xiàn)雙機通訊的過程中使用了“三次握手”的方

44、式，這是intle網(wǎng)中成用的數(shù)據(jù)通訊確認協(xié)議，其流程圖如圖41所示。 2、語音報數(shù) 程序設計中語音報數(shù)使用的是sacma2000，考慮到程序比較簡單，首先使用了自動報數(shù)方式，但發(fā)現(xiàn)不能進行連續(xù)報數(shù)，于是使用了非自動方式，流程圖如圖42所示。 圖42 五、結(jié)果分析與總結(jié) 應該說這次課程設計還是基本達到了設計的要求，但是也存在著未能解決的問題，由于在執(zhí)行語音程序時對資源的消耗比較大，在語音報數(shù)的時候會中斷步進電機驅(qū)動信號的輸出，導致電機停轉(zhuǎn)。為此，我們修改了方案，使用了兩塊單片機，通過雙機通訊來傳遞信號，遺憾的是問題仍然沒有得到解決。 這次步進電機的綜合實驗我們學到了步進電機、數(shù)碼管、4*4鍵盤、

45、語音報數(shù)和雙機通訊的使用，更重要的是學會了程序出問題時調(diào)試的方法，并養(yǎng)成了debug的習慣，學到了程序出問題后怎樣去解決的基本方法。 來源：機電之家機電行業(yè)電子商務平臺！用單片機控制步進電機 步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 一、步進電機常識 常見的步進電機分三種：永磁式（pm），反應式（v

46、r）和混合式（hb），永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。 二、永磁式步進電機的控制 下面以電子愛好者業(yè)余制作中常用的永磁式步進電機為例，來介紹如何用單片機控制步進電機。 圖1是35by型永磁步進電機的外形圖，圖2是該電機的接線圖，從圖中可以看出，電機共有四組線圈，四組線圈的一個端點連在一起引出，這樣一共有

47、5根引出線。要使用步進電機轉(zhuǎn)動，只要輪流給各引出端通電即可。將com端標識為c，只要ac、c、bc、c，輪流加電就能驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，如果將com端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管），將a、b、 輪流接地。 下表列出了該電機的一些典型參數(shù)： 表1 35by48s03型步機電機參數(shù)型號 步距角 相數(shù) 電壓 電流 電阻 最大靜轉(zhuǎn)距 定位轉(zhuǎn)距 轉(zhuǎn)動慣量35by48s03 7.5 4 12 0.26 47 180 65 2.5 有了這些參數(shù)，不難設計出控制電路，因其工作電壓為12v，最大電流為0.26a，因此用一塊開路輸出達林頓驅(qū)動器（uln2003）來作為驅(qū)動，通過p1.

48、4p1.7來控制各線圈的接通與切斷，電路如圖3所示。開機時，p1.4p1.7均為高電平，依次將p1.4p1.7切換為低電平即可驅(qū)動步進電機運行，注意在切換之前將前一個輸出引腳變?yōu)楦唠娖?。如果要改變電機的轉(zhuǎn)動速度只要改變兩次接通之間的時間，而要改變電機的轉(zhuǎn)動方向，只要改變各線圈接通的順序。 圖1 35by48s03型步進電機外形圖 圖2 35by48s03型步進電機的接線圖 圖3 單片機控制35by48s03型步進電機的電路原理圖 三、步進電機的驅(qū)動實例 要求：控制電路如圖3所示，開機后，電機不轉(zhuǎn)，按下啟動鍵，電機旋轉(zhuǎn)，速度為25轉(zhuǎn)/分，按下加1鍵，速度增加，按下減1鍵，速度降低，最高速度為10

49、0轉(zhuǎn)/分，最低轉(zhuǎn)帶為25轉(zhuǎn)/分，按下停止鍵，電機停轉(zhuǎn)。速度值要求在數(shù)碼管上顯示出來。 1要求分析 按上面的分析，改變轉(zhuǎn)速，只要改變p1.0p1.3輪流變低電平的時間即可達到要求，這個時間不應采用延時來實現(xiàn)，因為會影響到其他功能的實現(xiàn)。這里以定時的方式來實現(xiàn)。下面首先計算一下定時時間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，而上述步進電機的步距角為7.5，即每48個脈沖為1周，即在最低轉(zhuǎn)速時，要求為1200脈沖/分，相當于50ms/脈沖。而在最高轉(zhuǎn)速時，要求為100轉(zhuǎn)/分，即48000脈沖/分，相當于12.5ms/脈沖?？梢粤谐鱿卤?表1 步進電機轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系 速度 單步時間(us) th1

50、 tl1 實際定時（us） 25 50000 76 0 49996.8 26 48077 82 236 48074.18 27 46296 89 86 46292.61 28 44643 95 73 44640.155 100 12500 211 0 12499.2 表中不僅計算出了th1和tl1，而且還計算出了在這個定時常數(shù)下，真實的定時時間，可以根據(jù)這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。 表中th1和tl1是根據(jù)定時時間算出來的定時初值，這里用到的晶振是11.0592m。有了上述表格，程序就不難實現(xiàn)了，使用定時/計數(shù)器t1為定時器，定時時間到后切換輸出腳即可。 2程序?qū)崿F(xiàn) 定義dsb

51、1a實驗板的s1為啟動鍵，s2為停止鍵，s3為加1鍵，s4為減1鍵，程序如下： startend bit 01h ;起動及停止標志 minspd equ 25 ;起始轉(zhuǎn)動速度 maxspd equ 100 ;最高轉(zhuǎn)動速度 speed data 23h ;流動速度計數(shù) djcount data 24h ;控制電機輸出的一個值，初始為11110 111 hidden equ 10h ;消隱碼 counter data 57h ;顯示計數(shù)器 dispbuf data 58h ;顯示緩沖區(qū) org 0000h ajmp main org 000bh jmp disp org 001bh jmp djz

52、d org 30h main: mov sp,#5fh mov p1,#0ffh mov a,#hidden mov dispbuf,a mov dispbuf+1,a mov dispbuf+2,a mov djcount,#11110111b mov speed,#minspd;起始轉(zhuǎn)動速度送入計數(shù)器 clr startend;停轉(zhuǎn)狀態(tài) mov tmod,#00010001b ; mov th0,#high(65536-3000) mov tl0,#low(65536-3000) mov th1,#0ffh; mov tl1,#0ffh setb tr0 setb ea setb et0

53、setb et1 loop: acall key ;鍵盤程序 jnb f0,m_next1 ;無鍵繼續(xù) acall keyproc ;否則調(diào)用鍵盤處理程序 m_next1: mov a,speed mov b,#10 div ab mov dispbuf+5,b ;最低位 mov b,#10 div ab mov dispbuf+4,b mov dispbuf+3,a jb startend,m_next2 clr tr1 ;關(guān)閉電機 jmp loop orl p1,#11110000b m_next2: setb tr1 ;啟動電機 ajmp loop ;主程序結(jié)束 ;- d10ms: ;-

54、延時程序,鍵盤處理中調(diào)用 keyproc: mov a,b ;獲取鍵值 jb acc.2,startstop ;分析鍵的代碼,某位被按下,則該位為1 jb acc.3,keysty jb acc.4,upspd jb acc.5,dowspd ajmp key_ret startstop: setb startend 啟動 ajmp key_ret keysty: clr startend; ;停止 ajmp key_ret upspd: inc speed; mov a,speed cjne a,#maxspd,k1 ;到了最多的次數(shù) dec speed ;是則減去1，保證下次仍為該值 k1

55、: ajmp key_ret dowspd: dec speed mov a,speed cjne a,#maxspd,key_ret;不等（未到最大值），返回 mov speed,#minspd; key_ret: ret key: 獲取鍵值的程序 ret djzd: ;定時器t1用于電機轉(zhuǎn)速控制 push acc push psw mov a,speed subb a,#minspd ;減基準數(shù) mov dptr,#djh movc a,a+dptr mov th1,a mov a,speed subb a,#minspd mov dptr,#djl movc a,a+dptr mov t

56、l1,a mov a,djcount cpl a orl p1,a mov a,djcount jnb acc.7,d_next1 jmp d_next2 d_next1: mov djcount,#11110111b d_next2: mov a,djcount rl a mov djcount,a ;回存 anl p1,a pop psw pop acc reti djh: db 76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12 djl: db 0,236,86,73,212,0,214,96,163,165 disp: ;顯示程序 pop psw pop acc reti bittab: db 7fh,0bfh,0dfh,0efh,0f7h,0fbh disptab:db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h,88h,83h,0c6h,0a1h,86h,8eh,0ffh end 3程序分析 本程序主要由鍵盤程序、顯示器程序、步進電機驅(qū)動程序三部份組成，主程序首先初始化各變量，將顯示器的高3位消隱，步進電機驅(qū)動的各引腳均輸出高電平，然后調(diào)用鍵盤程序，并作判斷，如果有鍵按下，則調(diào)用鍵盤處理程序，否則直接轉(zhuǎn)下一步。下一步是將當前的轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換為bcd碼，