正反轉(zhuǎn)可控電機(jī)資料

學(xué)號 1207050224天津城建大學(xué)嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書正反轉(zhuǎn)可控的步進(jìn)電機(jī)起止日期：2015年11月日至2015年11月日學(xué)生姓名班級成績指導(dǎo)教師(簽字)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院2015年11月日目錄TOC\o"1-3"\h\u23188第1章課程設(shè)計(jì)目的、要求、方案 1234601.1設(shè)計(jì)目的 17961.2設(shè)計(jì)要求 147221.3設(shè)計(jì)方案 15451.3.1控制方式的確定 133721.3.2驅(qū)動方式的確定 110781.3.3驅(qū)動電路的選擇 290311.3.4基本方案的確定 24985第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 332962.1硬件設(shè)計(jì)思路 3276892.2總體設(shè)計(jì)思路 3121652.3單片機(jī)的選擇 4140082.4ULN2003A芯片 437062.5步進(jìn)電機(jī) 4234402.5.1步進(jìn)電機(jī)特性 5250692.5.2步進(jìn)電機(jī)種類 51512第3章外圍電路分析 6135533.1鍵盤控制模塊 6221073.2LED發(fā)光模塊 7103013.3步進(jìn)驅(qū)動模塊 72850第4章軟件設(shè)計(jì) 8102454.1程序設(shè)計(jì)思路 8212724.2程序流程圖 854714.2.1主程序流程圖 8271264.2.2電機(jī)控制中斷程序流程圖 910263參考文獻(xiàn) 1020337附錄 11132811.仿真電路圖 11143502.參考程序 12第1章課程設(shè)計(jì)目的、要求、方案1.1設(shè)計(jì)目的（1）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)給定步進(jìn)電機(jī)的控制；（2）進(jìn)一步掌握步進(jìn)電機(jī)的控制方法；（3）進(jìn)一步掌握單片機(jī)硬件和軟件的綜合設(shè)計(jì)方法。1.2設(shè)計(jì)要求（1）電機(jī)工作方式為三相雙三拍，初始轉(zhuǎn)速100r/min；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的啟/停功能；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)功能；（4）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的加/減速功能。1.3設(shè)計(jì)方案1.3.1控制方式的確定步進(jìn)電機(jī)控制是一個(gè)比較精確的控制，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者換向周期實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，一種是定時(shí)。延時(shí)方法是在每次換向之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與換向程序所用的時(shí)間和，就是CP脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)行。但占用CPU時(shí)間長，不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。1.3.2驅(qū)動方式的確定步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過CPU直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因?yàn)镃PU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動；別一種是通過CPU來間接驅(qū)動，就是把從CPU輸出的信號進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動或是再通過光電隔離間接來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用CPU間接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。用編碼器的測速發(fā)電機(jī)作為轉(zhuǎn)速測量工具,因?yàn)檫x擇了閉環(huán)控制，就必須有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測速發(fā)電機(jī)，把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；別一種是通過光同軸的電編碼器把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋回來對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設(shè)計(jì)比較簡單，價(jià)格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。1.3.3驅(qū)動電路的選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、細(xì)分控制驅(qū)動等。但因本次設(shè)計(jì)對步進(jìn)電機(jī)的精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應(yīng)選用驅(qū)動芯片ULN2003A來驅(qū)動，并通過軟件來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。1.3.4基本方案的確定因本次設(shè)計(jì)的要求，選用三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)選用89C51作為控制器。選用8279來驅(qū)動顯示和鍵盤。選用ULN2003A作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片并通過光電耦合來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。然后用與步進(jìn)電機(jī)同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號經(jīng)CPU處理后再由顯示器顯示出來。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1硬件設(shè)計(jì)思路步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為四個(gè)模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、發(fā)光模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時(shí)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(shí)鐘電路采用外部時(shí)鐘方式，保證單片機(jī)個(gè)功能部件都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。鍵盤控制模塊包括啟停鍵、方向控制鍵、加速鍵和減速鍵，分別與單片機(jī)的P3.0、p3.1、p3.2和P3.3相連。實(shí)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)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊選用ULN2003A為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機(jī)的P1.0—P1.6相連。2.2總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)思路見圖2-1AT89AT89C51鍵盤控制模塊電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)光模塊圖2-1說明如下：1.單片機(jī)接受鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。2.單片機(jī)輸出脈沖信號，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。3.單片機(jī)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動值，控制發(fā)光顯示。2.3單片機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)選用我們最熟悉的51單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片。89C51的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器。2.4ULN2003A芯片經(jīng)常在以下電路中使用，作為顯示驅(qū)動，繼電器驅(qū)動，照明燈驅(qū)動，電磁閥驅(qū)動，伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動等電路中。ULN2003A（如圖：2-2）是一個(gè)7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí)ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)ULN2003A輸出端為高電平。也可以作為一些器件，如步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。圖2-2ULN2003A2.5步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進(jìn)電機(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時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。2.5.1步進(jìn)電機(jī)特性步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：1．不需要反饋，控制簡單。2．與微機(jī)的連接、速度控制（啟動、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)比較簡單。3．沒有角累積誤差。4．停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。5．沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。6．即使沒有傳感器，也能精確定位。7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)。8．難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩9、不宜用作高速轉(zhuǎn)動10．在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。11．超過負(fù)載時(shí)會破壞同步，高速工作時(shí)會發(fā)出振動和噪聲。2.5.2步進(jìn)電機(jī)種類目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類：1、反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（VR）。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動態(tài)性能相對較差。2、永磁式步進(jìn)電動機(jī)（PM）。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動步的角度一般是7.50。它的出力大，動態(tài)性能好；但步距角一般比較大。3、混合步進(jìn)電動機(jī)（HB）。這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。第3章外圍電路分析3.1鍵盤控制模塊鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)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(shí)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(diǎn)的合、斷作用。一個(gè)電壓信號在機(jī)械觸點(diǎn)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(shí)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(jì)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(gè)按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按K1鍵時(shí)，發(fā)光二極管D1亮，按K2鍵時(shí)，D2發(fā)光二極管變亮，按K3鍵時(shí)D3發(fā)光二極管亮。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(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)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(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)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。如圖3-1所示：圖3-1鍵盤控制電路3.2LED發(fā)光模塊發(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，。本次設(shè)計(jì)中選用了3個(gè)發(fā)光二極管，D1，D2，D3，分別在電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止時(shí)發(fā)光。電路圖如圖3-2。圖3-2發(fā)光二極管連接圖3.3步進(jìn)驅(qū)動模塊本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，因此需要將脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，我們在這里采用ULN2003A為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號。ULN2003A是低邏輯電平數(shù)字電路和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。ULN2003A的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。它的管腳連接圖如圖3-3所示:圖3-3步進(jìn)驅(qū)動電路第4章軟件設(shè)計(jì)4.1程序設(shè)計(jì)思路步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件需要同時(shí)完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動、控制二極管發(fā)光等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)鍵盤的實(shí)時(shí)處理功能。定時(shí)器0中斷服務(wù)程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當(dāng)前速度進(jìn)行計(jì)算并查表得到T0定時(shí)時(shí)間常數(shù)，設(shè)置TH0和TL0的值，達(dá)到對轉(zhuǎn)速精確控制的目的；根據(jù)轉(zhuǎn)動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達(dá)到對轉(zhuǎn)動方向控制的目的。4.2程序流程圖4.2.1主程序流程圖步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的主程序在對整個(gè)系統(tǒng)初始化后主要完成讀鍵盤和處理鍵盤的功能，如圖4-1所示：圖4-1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(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，設(shè)置T0、T1工作方式控制字和時(shí)間常數(shù)。初始化完成后，步進(jìn)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，T0、T1定時(shí)器處于關(guān)閉狀態(tài)。然后循環(huán)調(diào)用讀鍵盤子程序和鍵盤處理子程序，等待中斷，以便實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制和轉(zhuǎn)速的動態(tài)顯示。4.2.2電機(jī)控制中斷程序流程圖定時(shí)器中斷0服務(wù)程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2定時(shí)器中斷0服務(wù)程序流程圖定時(shí)器中斷0服務(wù)程序的中斷時(shí)間由當(dāng)前的轉(zhuǎn)速決定。進(jìn)入中斷程序后，首先要保護(hù)現(xiàn)場，再根據(jù)當(dāng)前速度進(jìn)行計(jì)算并查表得到T0定時(shí)時(shí)間常數(shù)，設(shè)置TH0和TL0的值。然后判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值，如果是0則控制脈沖信號循環(huán)左移并輸出，如果是1則控制脈沖信號循環(huán)右移并輸出。最后恢復(fù)現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。參考文獻(xiàn)[1]張洪潤,藍(lán)清華.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.[2]秦曾煌.電工學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1999.[3]常斗南,等.可編程序控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.[4]于海生,等.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.[5]王福瑞,等.單片機(jī)微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998.[6]陳理壁.步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1989.[7]劉保延,等.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997.[8]季維發(fā),過潤秋,嚴(yán)武升等.機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995.[9]郭敬樞,莊繼東,孔峰.微機(jī)控制技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1994.[10]劉國榮.單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.[11]王福瑞.單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998.[12]何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993.[13]潘新民等:單片微型計(jì)算機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)1北京:人民郵電出版社,1992.[14]王潤孝,秦現(xiàn)生編著1機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)1西北工業(yè)大學(xué)出版社,1997.[15]李伯成,侯伯李等編1IBM-PC微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)1西安電子科技大學(xué),1996.[16]黃義源主編1機(jī)械設(shè)備電氣與數(shù)字控制1中共廣播電視大學(xué)出版社,1992.附錄1.仿真電路圖2.參考程序#include<REG52.h>sbitled_n=P0^0;sbitled_r=P0^1;sbitled_s=P0^2;sbitP1_0=P1^0;sbitP1_1=P1^1;sbitP1_2=P1^2;sbitP1_3=P1^3;unsignedcharkey;unsignedchart,s,speed=50;unsignedintlev;bitturun,m_on=0;voiddelaylev(){ 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