課程設(shè)計(jì)論基于AT89C52單片機(jī)的電機(jī)設(shè)計(jì)

1、2016屆結(jié)課論文 基于at89c52單片機(jī)的電機(jī)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 所屬學(xué)院 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 計(jì)算機(jī)16-2班 指導(dǎo)教師 教師職稱 副教授 目錄目錄1摘要2一、控制器模塊設(shè)計(jì)方案3二、pwm控制的基本原理32.2 直流電機(jī)的pwm控制技術(shù)4三、步進(jìn)電機(jī)的概述63.1步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介63.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)63.2.1電機(jī)的共振點(diǎn)7四、單片機(jī)原理74.1單片機(jī)原理概述74.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)7五、at89c52芯片75.1主要性能75.2功能特性描述85.3引腳p1第二功能95.4振蕩器特性95.5芯片擦除9六、對(duì)于l298芯片的說明10七對(duì)74ls24

2、5芯片的簡(jiǎn)介11八、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真及分析128.1對(duì)proteus軟件簡(jiǎn)介128.2對(duì)于電機(jī)控制模塊的說明128.3晶振模塊的簡(jiǎn)介16九、心得體會(huì)：17十、參考文獻(xiàn)17附錄19附件一：元件清單19附件二：源程序19摘要 本文是通過單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)pwm調(diào)速器設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。本設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)pwm調(diào)速器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等操作，并實(shí)現(xiàn)電路的仿真。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計(jì)中，采用了at89c52單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測(cè)量；由命令輸入模塊、及驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)

3、在程序控制下，不斷給電路發(fā)送pwm波形，驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計(jì)中，采用pwm調(diào)速方式，通過改變pwm的占空比從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。設(shè)計(jì)的整個(gè)控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)的性能得到提高。 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制占有至關(guān)重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬pid控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，長(zhǎng)期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，并且參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬pid控制系統(tǒng)中，參數(shù)一旦整定好后，在整個(gè)控制過程中都是固定不變的，而在實(shí)際中，由于現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)參數(shù)、溫度等條件發(fā)生

4、變化，使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果，因此采用模擬pid控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能控制理論的發(fā)展，數(shù)字pid技術(shù)漸漸發(fā)展起來，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬pid所完成的控制任務(wù)，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用面越來越廣。 本設(shè)計(jì)以上面提到的數(shù)字pid為基本控制算法，以at89c52單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字pid算法控制的pwm脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采用7esg-mpx4-cc顯示器作為顯示部件，通過按鍵對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后可以通過摘要顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。關(guān)

5、鍵字：at89c52單片機(jī)、pid算法、pwm、7esg-mpx4-cc顯示器、步進(jìn)電機(jī)一、控制器模塊設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字pid算法控制的pwm脈沖，并對(duì)電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。對(duì)于控制器的選擇有以下三種方案。方案一：采用fpga（現(xiàn)場(chǎng)可編輯門列陣）作為系統(tǒng)的控制器，fpga可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能1，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用eda軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。fpga采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。通過輸入模

6、塊將參數(shù)輸入給fpga，fpga通過程序設(shè)計(jì)控制pwm脈沖的占空比，但是由于本次設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高，fpga的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。方案二：采用at89c52作為系統(tǒng)控制的方案。at89c52單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。相對(duì)于fpga來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。方案三：采用傳統(tǒng)的at89c51單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。它和

7、at89c51一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是它的頻率較低、運(yùn)算速度慢， ram、rom空間小等缺點(diǎn)。若采用at89c51需要做ram，rom來擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。綜合上述三種方案比較，采用at89c52作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，可以滿足設(shè)計(jì)要求。因此在本次設(shè)計(jì)選用方案二。二、pwm控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。圖1a的電路是一個(gè)具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和

8、面積分別如圖所示的a、b、c、d所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的r-l電路上，設(shè)其電流為電路的輸出。圖1b給出了不同窄波時(shí)的響應(yīng)波形。從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時(shí)的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用傅立葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2。 圖2 沖量相同的各種脈沖的響應(yīng)波形2.2 步進(jìn)電機(jī)的pwm控制技術(shù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自

9、動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻。針對(duì)三種調(diào)速方法，都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流pwm調(diào)速系統(tǒng)兩種。直流pwm調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：由于pwm調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平

10、穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍寬。同樣，由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因?yàn)橹绷鱬wm調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn)，并且隨著電力電子器件開關(guān)性能的不斷提高，脈寬調(diào)制( pwm) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。下面主要介紹步進(jìn)電機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)pwm控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的pwm脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間t內(nèi)脈沖寬度為,幅值為u，由圖3可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓

11、為： 圖3 pwm脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為： (u為脈沖幅值) （1.19）若pwm脈沖為如圖1.7所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） （1.20）圖4 周期性pwm矩形脈沖 由式1.20可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值u和占空比來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在0u之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用pwm控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。三、步進(jìn)電機(jī)的概述3.1步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

12、接受到一個(gè)脈沖信號(hào)，他就有驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。也可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到調(diào)速的目的。一般的步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置值取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)及則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)心的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差二無(wú)積累誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)機(jī)來控制變得非常的簡(jiǎn)單。正常情況下，步進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸

13、入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓脈動(dòng)和變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接受數(shù)字量的輸入，所以特別適合微機(jī)控制。本次的設(shè)計(jì)采用是步距為1.8度的四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)。3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%，不同運(yùn)行拍數(shù)氣質(zhì)不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)比存在失調(diào)角，有失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在

14、不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高運(yùn)轉(zhuǎn)速頻率。運(yùn)行矩頻率特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。電機(jī)一旦選定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬，要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用電感打電流的電機(jī)。3.2.1電機(jī)的共振點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間火災(zāi)400pp

15、s左右，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低一般工作均為偏移共振區(qū)較多。當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)閍-ab-b-bc-c=cd-d-da時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)閐a-d-cd-c-bc-b-ab-a時(shí)為反轉(zhuǎn)。四、單片機(jī)原理4.1單片機(jī)原理概述單片機(jī)是吧微型計(jì)算機(jī)主要部分集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。圖中表示為單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖。由于單片機(jī)的高度集成化?？s短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性以及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

16、4.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理事，需要與外界交換信息。人們需要通過人機(jī)對(duì)話，了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制。單片機(jī)芯片與其他cpu比較，功能雖然要強(qiáng)的多，由于芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi)rom、ram、i/o口等不能很多，在構(gòu)成實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)需要加以擴(kuò)展，以適應(yīng)不同工作情況。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成基本上如圖所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款最小應(yīng)用系統(tǒng)，最小應(yīng)用系統(tǒng)是指維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常常用來簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，如開關(guān)量的輸入、輸出控制，時(shí)序控制等。對(duì)于片內(nèi)r

17、om/eprom芯片來說，最小應(yīng)用系統(tǒng)除了配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外，還應(yīng)該配置errom或eerom來作為程序儲(chǔ)存器使用。五、at89c52芯片 5.1主要性能與mcs-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 、8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器、 1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0hz33hz 、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 、 32個(gè)可編程i/o口線、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器八個(gè)中斷源、全雙工uart串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時(shí)器 、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識(shí)符 。5.2功能特性描述at89c52 是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash 存

18、儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在線系統(tǒng)可編程flash，使得at89c52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。at89c52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram， 32 位i/o 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，at89c52可降至0hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu 停止工作，允許

19、ram、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程 flash。如下圖所示：圖5 at89c52單片機(jī)p0 口：p0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯電平。對(duì)p0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， p0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，p0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。p1 口：p1 口是一個(gè)具有

20、內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì)p1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。此外，p1.0和p1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（p1.0/t2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），具體如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口接收低8位地址字節(jié)。5.3引腳p1第二功能p1.0 t2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出p1.1 t2ex（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）p1.5 mosi

21、（在線系統(tǒng)編程用）p1.6 miso（在線系統(tǒng)編程用）p1.7 sck（在線系統(tǒng)編程用）p2 口：p2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì)p2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行movx dptr） 時(shí)，p2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，p2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。在fla

22、sh編程和校驗(yàn)時(shí)，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。p3 口：p3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì)p3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 p3口亦作為stc89c52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p3口也接收一些控制信號(hào)。5.4振蕩器特性xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，xta

23、l2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。5.5芯片擦除整個(gè)perom陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ale管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，at89c52設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)

24、位為止。六、對(duì)于l298芯片的說明恒壓恒流橋式2a驅(qū)動(dòng)芯片l298n，l298n是sgs公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳multiwatt封裝的l298n，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。l298n芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)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(jī)的io口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。l298n可接受標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯電平信號(hào)vss，vss可接457v電壓。4腳vs接電源電壓，vs電壓范圍vih為2546v。輸出電流可達(dá)2a，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單

25、獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。l298n可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，out1，out2和out3，out4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ena，enb接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。如圖是l298n部分符號(hào)說明。表1 l298n符號(hào)說明如圖為l298芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)：圖6 l298芯片 七對(duì)74ls245芯片的簡(jiǎn)介74ls245是我們常用的芯片，用來驅(qū)動(dòng)led或者其他的設(shè)備，它是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。74ls245還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。 當(dāng)at89c52單片機(jī)的p0口總

26、線負(fù)載達(dá)到或超過p0最大負(fù)載能力時(shí)，必須接入74ls245等總線驅(qū)動(dòng)器。 當(dāng)片選端/ce低電平有效時(shí)，dir=“0”，信號(hào)由b向a傳輸;（接收）dir=“1”，信號(hào)由a向b傳輸；（發(fā)送）。當(dāng)ce為高電平時(shí)，a、b均為高阻態(tài)。由于p2口始終輸出地址的高8位，接口時(shí)74ls245的三態(tài)控制端1g和2g接地，p2口與驅(qū)動(dòng)器輸入線對(duì)應(yīng)相連。p0口與74ls245輸入端相連,e端接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。at89c52的rd和psen相與后接dir，使得rd且psen有效時(shí)，74ls245輸入（p0.1d1），其它時(shí)間處于輸出（p0.1d1）。如圖為74ls245芯片引腳：圖7 74ls245引腳圖八、系統(tǒng)

27、設(shè)計(jì)的仿真及分析8.1對(duì)proteus軟件簡(jiǎn)介通過對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件兩方面的介紹，為了更好的驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的的功能，本設(shè)計(jì)采用protues進(jìn)行仿真。該軟件是英國(guó)labcenterelectronics公司出版的eda工具軟件。從1989年問世至今已經(jīng)有20年的歷史，在全球得到廣泛使用。proteus軟件除具有和其他eda工具軟件一樣的原理編輯、印制電路板制作外，還具有交互的仿真功能。它不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。更具目前世界上最先進(jìn)、最完整的的多種型號(hào)未處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)中完成電路原理圖設(shè)計(jì)、電路分析與仿真、微處理器設(shè)計(jì)與仿真、系統(tǒng)測(cè)試與功

28、能驗(yàn)證到形成印制電路板的完整電子設(shè)計(jì)、研發(fā)過程。proteus軟件由isis（intelligentschematicinputsystem）和ares（aduancedroutingandeditingsoftware）兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中isis是一款智能電路原理圖輸入系統(tǒng)軟件，可作為電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)；ares是一款高級(jí)布線編輯軟件，用于印制電路板（pcb）8.2對(duì)于電機(jī)控制模塊的說明 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，作為電梯的運(yùn)行，關(guān)鍵在于對(duì)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，運(yùn)行方式，控制方式等。因?yàn)殡姍C(jī)速度設(shè)計(jì)的關(guān)系到幾個(gè)方面：（1）運(yùn)行速度：電梯的運(yùn)行快慢也屬于安全問題，當(dāng)顧客乘坐電梯時(shí)

29、，人數(shù)較少時(shí)，速度是多少；在人數(shù)較多時(shí)，電梯速度是多少 ，這是要考慮的因素。（2）電梯的運(yùn)行方式：一般情況下，電梯的運(yùn)行方式有兩種，即正向運(yùn)行和逆向運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)中l(wèi)298做為對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。l298n 芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器,其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)ttl 邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的。如圖如圖所示：圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊當(dāng)然，其中根據(jù)設(shè)計(jì)思路，利用模擬信號(hào)來對(duì)電機(jī)控制也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)，這是利用波的占空比來給電機(jī)一個(gè)模擬信號(hào)，通過da轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的模擬，達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。如圖所示：圖9 模擬信號(hào)的設(shè)計(jì)在這一模塊設(shè)計(jì)中，還涉及了電機(jī)的三個(gè)基本控制：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制、電機(jī)

30、啟動(dòng)運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這些基本功能也是通過l298n體現(xiàn)的。同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上加上了一個(gè)7404芯片，是一個(gè)與非門，簡(jiǎn)單的說就是通過控制模擬信號(hào)的方向來改變其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。如圖所示：圖10 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)除此之外，還要利用單片機(jī)與按鍵相結(jié)合，加上與電機(jī)模塊相互配合，才可以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。通過單片機(jī)，加上程序，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度大小進(jìn)行控制，這部分關(guān)鍵在于對(duì)單片機(jī)at89c52的引腳的應(yīng)用，在本設(shè)計(jì)中則是對(duì)p1.0和p1.1兩個(gè)引腳的應(yīng)用。p1.0 t2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出。p1.1 t2ex（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）。其啟動(dòng)程序如下

31、所示：uchar i=0;sbit addspeed=p11;sbit subspeed=p12;sbit pwm_fc=p10; / 是對(duì)其定義本段函數(shù)是實(shí)現(xiàn)度電機(jī)具體控制的程序void main()systeminit();while(1)setspeed();segrefre();pwmout(); void pidcontrol() /pid偏差計(jì)算e=speedset-num;duk=(kp*(e-e1)+ki*e+kd*(e-2*e1+e2)/50; /+kd*(e-2e1+e2)uk=uk1+duk;out=(int)uk;if(out1000)out=1000;else if(

32、out0)out=0;uk1=uk;e2=e1;e1=e;pwmtime=out;其中也包括兩個(gè)中斷函數(shù)，分別是對(duì)電動(dòng)機(jī)的加速，電動(dòng)機(jī)的減速以及停止的請(qǐng)求進(jìn)行中斷處理，并對(duì)速度的大小進(jìn)行測(cè)量。程序如下：void int0() interrupt 0inpluse+;void t0() interrupt 1static unsigned char bit=0;/靜態(tài)變量，退出程序值保留static unsigned int time=0;/static unsigned int aa=0;th0=thc0;tl0=tlc0;/aa+;/if(aa=50)/aa=0;/flag0=1;/ bit

33、+;time+; /轉(zhuǎn)速測(cè)量周期按動(dòng)加速與減速按鈕則會(huì)控制電動(dòng)機(jī)的速度大小，同時(shí)可以觀測(cè)到，在led的顯示中，有一個(gè)為轉(zhuǎn)速設(shè)定值，一個(gè)為轉(zhuǎn)速的實(shí)際數(shù)值，如下圖所示： 圖11 電動(dòng)機(jī)速度顯示設(shè)計(jì)8.3晶振模塊的簡(jiǎn)介 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，全程是叫晶體震蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。如下圖所示：圖12 電機(jī)晶振模塊設(shè)計(jì)晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)

34、精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（vco）。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。電梯電動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)如圖所示：圖13 電梯電動(dòng)機(jī)升降整體設(shè)計(jì)九、心得體會(huì)： 本次設(shè)計(jì)課題步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)告一段落。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分：硬件設(shè)計(jì)主要是把單片機(jī)最小系統(tǒng)、

35、鍵盤控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼顯示模塊、測(cè)速模塊各個(gè)硬件功能模塊及其它元件合理搭配并連接起來使其能夠?yàn)檐浖\(yùn)行提供一個(gè)硬件平臺(tái)。 軟件設(shè)計(jì)主要是通過編寫程序代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。在系統(tǒng)上電復(fù)位后程序自動(dòng)運(yùn)行，通過接受外部的鍵盤操作修改系統(tǒng)參數(shù)值，控制步進(jìn)電機(jī)的啟停，以及轉(zhuǎn)速的增減和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變；根據(jù)pid算法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的顯示。 本系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用功能,兩片單片機(jī)分別實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制和測(cè)速，能基本符合實(shí)際應(yīng)用需求，本次設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)時(shí)間較短，個(gè)人能力以及精力等因素的限制，加之設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足，該系統(tǒng)還有許多不盡如人意的地方。該系統(tǒng)未能完全的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的所有功能。如：動(dòng)態(tài)設(shè)置最

36、低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速等。 其中整個(gè)系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備是首先必須做到位的，如控制什么、用什么控制、得到什么結(jié)果，進(jìn)而對(duì)各部分應(yīng)選擇具體的芯片作進(jìn)一步的考慮，以使系統(tǒng)得到最優(yōu)的表現(xiàn)。 通過本次設(shè)計(jì)，一方面我在查閱資料的基礎(chǔ)上，了解at89c52單片機(jī)控制的一些基本技術(shù)，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實(shí)現(xiàn)方法,能對(duì)單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)與掌握；另一方面，在設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，控制程序和相應(yīng)的電路圖時(shí)，應(yīng)充分運(yùn)用說學(xué)知識(shí)，善于思考，琢磨，分析。十、參考文獻(xiàn)1 孫傳友. 測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)m .北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2003：160166，174.2 王兆安. 電力電子技術(shù)m.北京：機(jī)

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38、系統(tǒng)配置與接口技術(shù)m. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990：83-87.10 風(fēng)標(biāo)電子. proteus使用手冊(cè)db/ol. .2007-7-4/2008-5-9.11 王偉，張晶濤，柴天佑. pid參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述j.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000,(3)347-35.12 韓京清. 非線性pid控制器j.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，1994,(4)：487-490.13 萬(wàn)佑紅，李新華. 用遺傳算法實(shí)現(xiàn)pid參數(shù)整定j.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004,23 (7)：7-8.14 cominos p，munro n.pid controllers：recent tuning methods and designt

39、o specifi- cationm.control theory and applications,iee proceedings,january，2002,149：46.15 張永雙，康虎.一種bp網(wǎng)絡(luò)自整定pid控制算法及其在nf-6風(fēng)洞控制中的應(yīng)用j.流體力學(xué) 實(shí)驗(yàn)與m量, 2003,17(3)：79-83.16 曾軍，方厚輝. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制及其matlab仿真j.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004,(169)：51-56.17 周祖德，李剛炎. 數(shù)字制造的現(xiàn)狀與發(fā)展j.中國(guó)機(jī)械工程，2002,(6)：531-533. 附錄附件一：元件清單元件名稱中文名稱數(shù)量res電阻9個(gè)cap電容2個(gè)ca

40、ystal電解質(zhì)電容1個(gè)l298n1個(gè)moror-encoder電動(dòng)機(jī)1個(gè)sw-spdt-mom單刀雙擲開關(guān)1個(gè)switch單刀開關(guān)1個(gè)74041個(gè)7esg-mpx4-cc共陰二極管顯示器2個(gè)74ls2451個(gè)button按鈕2個(gè)gnd地線2個(gè)at89c521個(gè)pulse脈沖信號(hào)源1個(gè)oscilloscope示波器1個(gè)附件二：源程序#include#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define thc0 0xf9#define tlc0 0x0f /2msunsigned char code duan=0x3f, 0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x