基于單片機設計步進電機的控制系統(tǒng) 課程設計

目錄1.實驗要求與設計 21.1設計目的 21.2設計要求 21.3設計思路 22.設計原理及分析 22.1步進電機控制系統(tǒng)的組成 22.2單片機最小系統(tǒng) 22.3鍵盤控制電路 22.4LED數(shù)碼顯示電路 23.系統(tǒng)的總體方案設計 23.1步進電機總體設計框圖 23.2驅動控制系統(tǒng)組成 23.3脈沖信號的產(chǎn)生 24.軟件設計設計及調試 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 2附：課程設計評分表 2附：步進電機電路圖 2

1.實驗要求與設計1.1設計目的以單片機為核心設計出一個單片機控制步進電機的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用AT89C51作為控制單元，通過鍵盤實現(xiàn)對步進電機轉動方向及轉動速度的控制，并且將步進電機的轉動速度動態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。1.2設計要求1.利用鍵盤按鍵來控制步進電動機的加速減速以及控制電動機的正轉、反轉、啟動、停止等操作，達到顯示的目的。2.了解步進電動機的工作原理，會計算其各個量之間的轉換，例如，速度、時間、頻率與步進角之間的關系。3.顯示以51單片機為核心的實用控制電路，并進行調試出結果。1.3設計思路采用51系列單片機實現(xiàn)對步進電動機進行調速控制。首先利用鍵盤按鍵來控制步進電動機的加速減速以及控制電動機的正轉、反轉、啟動、停止等操作。達到顯示的目的。最終使步進電動機的控制能更加靈活。本實驗采用89C51做單片機運行的,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實驗教學機上，數(shù)碼管和8279內部已經(jīng)連接好，不需再連線。本實驗使用的步進電機用直流+12V電壓，電機線圈由A、B、C、D四相組成驅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線圈輸入驅動電流，接著B、C、D線圈驅動，最后又返回到A線圈驅動，按這種順序切換，電機軸按順時針方向旋轉。若通電順序相反，則電機軸按逆時針方向旋轉。2.設計原理及分析2.1步進電機控制系統(tǒng)的組成步進電機控制系統(tǒng)共分為六個模塊：單片機最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、測速模塊、步進電機驅動模塊和電源模塊。1.單片機最小系統(tǒng)主要由復位電路和時鐘電路組成。復位電路為單片機系統(tǒng)提供可靠復位，使單片機能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機個功能部件都是以時鐘頻率為基準，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)對步進電機的控制。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)顯示步進電機的實際轉動速度。4.測速模塊采用開關霍爾片對安放在步進電機轉盤上的小磁片的磁信號進行檢測，步進電機轉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。單片機外部中斷口對信號進行采集。2.2單片機最小系統(tǒng)近年，由于CHMOS技術的進步，大大地促進了單片機的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細管理狀態(tài)。這也是今后以80C51取代8051為標準MCU芯片的原因。因為單片機芯片多數(shù)是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導體工藝生產(chǎn)。CMOS電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。CHMOS和HMOS工藝的結合。目前生產(chǎn)的CHMOS電路已達到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，在單片機領域CMOS正在逐漸取代TTL電路。單片機是通過內部總線把計算機的各主要部件接為一體，其內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的應答信號線等。考慮到經(jīng)濟和可靠性的要求，本設計中采用AT89C51單片機，它宏晶科技設計生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機。是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。1.AT89C51單片機參數(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單片機優(yōu)點：超低功耗超強抗干擾，超強抗靜電輸入輸出口多，最多有40個I/O速度快，1個時鐘/機器周期，可用低頻率晶振2.3鍵盤控制電路鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。鍵盤實質是一組按鍵開關的集合。鍵盤所用開關為機械彈性開關，利用了機械觸點的合、斷作用。一個電壓信號在機械觸點的斷開、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，便可確認按鍵按下與否。在本設計中，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，還為每個按鍵相應增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當有鍵閉合時，相應的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機對一次按鍵動作只確認一次按鍵，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計復雜，本設計中沒有采用，在此不再詳細敘述；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)光的半導體器件，其導電性質與普通二極管類似。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。在單片機系統(tǒng)中應用非常普遍。圖2.2數(shù)碼管顯示電路3.系統(tǒng)的總體方案設計3.1步進電機總體設計框圖圖3.1總體設計框圖本系統(tǒng)是單片機軟件程序來產(chǎn)生脈沖分信號，即把數(shù)字控制技術的高精度等方面的優(yōu)勢有效的應用于步進電機控制系統(tǒng)，本電路包括開關控制電路，時鐘電路，功率放大器電路等的選擇。3.2驅動控制系統(tǒng)組成使用控制步進電機必須由環(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，點擊轉速越高，占空比越大。4.軟件設計設計及調試4.1主程序流程圖步進電機控制系統(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)上電復位后，先調用初始化子程序，對步進電機各端口，相關參數(shù)進行初始化，啟動定時中斷。實現(xiàn)電機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）主要負責步進電機的正，反轉功能。圖4.2INTO中斷子程序框圖2.中斷子程序框圖（圖4.3）負責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，將相應的變量值改變，為鍵盤處理子程序做準備。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;INT0_P:PUSHACC;堆棧;;步進電機控制程序;LCALLLP0EXIT0:MOVTH0,#0FFH;重裝定時初值MOVTL0,#0FEHPOPACCRETI;;步進電機控制程序;入口參數(shù):;LP0:MOVR7,SPEDED_VALLP1:LCALLDELAYDJNZR7,LP1MOVA,DIRECJNEA,#00H,LP2;順時針轉MOVA,STASRLAMOVSTAS,AANLA,#0FHMOVP1,A;相位輸出LJMPLP5LP2:CJNEA,#01H,LP3;逆時針轉MOVA,STASRRAMOVSTAS,AANLA,#0FHMOVP1,A;相位輸出LJMPLP5LP3:CJNEA,#02H,LP5;停轉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為切換到正轉鍵或者/正轉級數(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為切換到反轉鍵或者/反轉級數(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