畢業(yè)論文----單片機的步進電機控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 引 言………………………………………………………………….3</p><p>　　1.1 步進電機控制系統(tǒng)概述………………………………………………….3</p><p>　　1.2 本設(shè)計任務和主要內(nèi)容……………………………………………………4</p&

2、gt;<p>　　第2章 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計………………………………………………….5</p><p>　　2.1 單片機控制系統(tǒng)原理…………………………………………………….5</p><p>　　2．2 單片機主機系統(tǒng)電路……………………………………………………5</p><p>　　2.2.1時鐘電路………………………………………………

3、……………6</p><p>　　2.2.2復位電路……………………………………………………………6</p><p>　　2.3 步進電機驅(qū)動電路…………………………………………………………7</p><p>　　2.4 LED顯示電路…………………………………………………………….8</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計…………

4、………………………………………………10</p><p>　　3.1 步進電機的位置控制……………………………………………………10</p><p>　　3.2 顯示子程序………………………………………………………………13</p><p>　　第4章 結(jié)束語…………………………………………………………………17</p><p>　　

5、第5章 參考文獻…………………………………………………………………18</p><p>　　基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)</p><p>　　第1章 引 言</p><p>　　在當今社會的各個領(lǐng)域步進電機無處不在，應用領(lǐng)域涉及機器人、工業(yè)電子自動化設(shè)備、醫(yī)療器件、廣告器材、舞臺燈光設(shè)備、印刷設(shè)備、計算機外部應用設(shè)備等等。因此，設(shè)計出高精確度、實時監(jiān)控、

6、語音提示的步進電機具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。 本設(shè)計是基于80C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)，能夠有效地對步進電機轉(zhuǎn)速、方向的控制。為了能夠更加人性化的控制系統(tǒng)，本設(shè)計還增加了語音提示部分，在實際應用當中由于緊急事件需要在短時間內(nèi)了解電機的工作情況，這時看數(shù)碼顯示就很不方便，而語音提示提供很大幫助，只要按下語音提示按鈕便能獲取相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。 </p><p>　　本設(shè)計采用16 位單片機MCS80C51對步進

7、電機進行控制，通過I/O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)過驅(qū)動芯片驅(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。</p><p>　　1.1 步進電機控制系統(tǒng)概述</p><p>　　步進電機是機電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字執(zhí)行元件，隨著計算機應用技術(shù)、電子技

8、術(shù)和自動控制技術(shù)在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中的普及與深入，步進電機的需求量越練越大。</p><p>　　隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及同類產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，步進電機面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。但近30年來，數(shù)字技術(shù)、計算機技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，推動步進電機的發(fā)展，為步進電機的應用開辟了廣闊的前景，近幾年來，步進電機 需求量一直呈現(xiàn)出較快的增長速度，其中掃描儀、打印機、傳真、DVD-ROM/CD-ROM驅(qū)動器、空調(diào)

9、及多功能自動化辦公設(shè)備等應用對步進電機的需求增長最強。此外由于USB2.0的日益流行促進了高分辨率掃描儀的銷售，步進電機向著小型、薄型和更小的步進角度發(fā)展。</p><p>　　步進電機有著方方面面重要應用，如何對其進行有效控制，使其能夠發(fā)揮最大的優(yōu)勢是各個行業(yè)技術(shù)開發(fā)人員所共同關(guān)注的，本文旨在設(shè)計一套較完整的通用控制系統(tǒng)，對步進電機的轉(zhuǎn)速、方向?qū)嵭兄悄芑刂疲⒛芡ㄟ^LED顯示其轉(zhuǎn)速。</p>&

10、lt;p>　　1.2 本設(shè)計任務和主要內(nèi)容</p><p>　　本論文主要研究單片機控制的步進電機系統(tǒng)，對步進電機的轉(zhuǎn)速、方向進行控制和顯示。</p><p><b>　　主要內(nèi)容如下：</b></p><p>　　通過鍵盤設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速及方向</p><p>　?、?LED顯示步進電機的轉(zhuǎn)速</p>

11、;<p>　　第2章 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計</p><p>　　2.1 單片機控制系統(tǒng)原理</p><p>　　圖2-1 單片機控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　2．2 單片機主機系統(tǒng)電路</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmabl

12、e and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的

13、一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p>　　圖2-2 單片機主機系統(tǒng)圖</p><p><b>　　2.2.1時鐘電路</b></p><p>　　單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機內(nèi)部有一個

14、用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式，如圖2-2所示在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。圖2-2中外接晶體以及電容C2和C1構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的

15、作用，其值均為30P左右，晶振頻率選12MHz </p><p><b>　　2.2.2復位電路</b></p><p>　　為了初始化單片機內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復位的方式，復位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機的復位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起

16、系統(tǒng)復位，但如果RST引腳上持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。復位后系統(tǒng)將輸入/輸出(1/0)端口寄存器置為FFH，堆棧指針SP置為07H, SBUF內(nèi)置為不定值，其余的寄存器全部清0，內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復位的影響，在系統(tǒng)上電時RAM的內(nèi)容是不定的。復位操作有兩種情況，即上電復位和手動(開關(guān))復位。本系統(tǒng)采用上電復位方式。</p><p>　　圖2-2中R9和Cl組成上電復位電路，其值R取為1K, C取為

17、1pF.</p><p>　　2.3 步進電機驅(qū)動電路</p><p>　　驅(qū)動電路集成化成為一種趨勢。目前，已有多種步進電機驅(qū)動集成電路芯片，它們大多集驅(qū)動和保護于一體，作為小功率步進電機的專用驅(qū)動芯片，廣泛用于小型儀表、計算機外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來非常方便。本設(shè)計采用UCN5804B芯片。UCN5804B芯片適用于四相步進電機的單極性驅(qū)動。它最大能輸出1.5A電流、3.5V電壓。內(nèi)部集成

18、有驅(qū)動電路，上電自行復位，可以控制轉(zhuǎn)向和輸出使能。 </p><p>　　圖2-3 步進電機驅(qū)動電路</p><p>　　圖2-3為步進電機驅(qū)動電路，其中4、5、12、13腳為接地引腳，1、3、6、8腳為輸出引腳，電動機各相的的接線如圖，14腳是控制電機的轉(zhuǎn)向，其中低電平為正轉(zhuǎn)，高電平為反轉(zhuǎn)；11腳是步進脈沖的輸入端，9、10腳決定工作方式，其真值表如表2-1所示：</p>

19、<p>　　表2-1 9、10腳真值表</p><p>　　2.4 LED顯示電路</p><p>　　由于系統(tǒng)顯示的內(nèi)容比較簡單，顯示量不多，所以顯示選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。LED有共陰極和共陽極兩種。如圖2-4所示。</p><p>　　符號和引腳 共陰極 共陽極</p>

20、;<p>　　圖2-4 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　二極管的陰極連接在一起，通常此共陰極接地，而共陽極則將二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆畫即亮；不加電壓即暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。</p><p>　　數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式

21、，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)掃描顯示方式。為節(jié)省端口及降低功耗，本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示方式。本電路的“段控”和“位控”分別由P1口和P3口控制，P3選中哪個數(shù)碼管，哪個數(shù)碼管就亮，P1口控制顯示數(shù)字。</p><p>　　因AT89C51單片機I/O口資源有限，必須對其Il0口進行擴展才能滿足實現(xiàn)系統(tǒng)功能，如圖2-7所示為用8155擴展1/0口的4個8位LED動態(tài)顯示器，顯示掃描由程控實現(xiàn)，其中PA口輸出字型碼，PC口

22、輸出位選信號即掃描信號，圖中片選線CE和AT89C51的P2.7口相連，IO/ M選通輸入線與P2.4口相連，該系統(tǒng)中當P2.7=0且P2.4 =1時，選中8155芯片內(nèi)三個I/O口。相應的端口地址分配如表2-1:</p><p>　　表2-2 8155端口地址分配</p><p>　　圖 2-5 顯示電路</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計<

23、;/p><p>　　3.1 步進電機的位置控制</p><p>　　步進電機的運行控制涉及到位置控制和加、減速控制。步進電機的位置控制，指的是控制步進電機執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確地運行到另一個位置。步進電機的位置控制是步進電機的一大特點，它可以不用借助位置傳感器而只需要的開環(huán)控制就能達到足夠的位置精度。</p><p>　　步進電機的位置控制需要兩個參數(shù)。</p&

24、gt;<p>　　第一個是絕對位置，即步進電機控制的執(zhí)行機構(gòu)當前的位置參數(shù)，絕對位置是有極限的，其極限是執(zhí)行機構(gòu)運動的范圍，超越了這個極限就應報警。</p><p>　　第二個是從當前位置移動到目標位置的距離，我們可以用折算的方式將這個</p><p>　　距離折算成步進電機的步數(shù)。這個參數(shù)是外界通過鍵盤或可調(diào)電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應該在鍵盤程序或A/D轉(zhuǎn)換程序中完

25、成。</p><p>　　下面是本程序使用的資源：</p><p>　　30H、31H------存放定時器的常熟，低位在前</p><p>　　32H~34H--------存放絕對位置參數(shù)，低位在前</p><p>　　35H、36H-------存放步進數(shù)，低位在前</p><p>　　中斷服務子程序框圖如圖2-

26、6所示。</p><p>　　圖2-6 步進電機位置控制子程序框圖</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　POS: CPL P1.0 ；改變P1.0電平狀態(tài)</p><p>　　PUSH ACC ；累加器A進棧</p><

27、p><b>　　PUSH PSW</b></p><p>　　PUSH R0 ；R0進棧</p><p>　　JNB P1.0,POS4 ；P1.0=0時，半個脈沖，轉(zhuǎn)到POS4</p><p>　　CLR EA ；關(guān)中斷</p><p>　　

28、JNB P1.1,POS1 ；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到POS1</p><p>　　MOV R0,32H ；正轉(zhuǎn)</p><p>　　INC @R0 </p><p>　　CJNE @R0,#00H,POSE ；無進位則轉(zhuǎn)向POS2</p><p><b>　　INC R0

29、</b></p><p><b>　　INC @R0</b></p><p>　　CJNE @R0,#00H,POS2 </p><p>　　INC R0 </p><p>　　INC @R0 </p><p>　　C

30、JNE @R0,#00H,POS2 ；無越界，則轉(zhuǎn)POS2</p><p>　　CLR TR0 ；發(fā)生越界，停定時器（停電動機）</p><p>　　LCALL BAOJING ；調(diào)報警子</p><p>　　POS1: MOV R0,#32H ；反轉(zhuǎn)</p><

31、;p><b>　　DEC @R0</b></p><p>　　CJNE @R0,#0FFH,POS2 ；無借位則轉(zhuǎn)向POS2</p><p><b>　　INC R0</b></p><p><b>　　DEC R0</b></p><p>　　C

32、JNE @R0,#0FFH,POS2</p><p>　　INC R0</p><p>　　DEC @R0</p><p>　　CJNE @R0,0FFH,POS2</p><p>　　CLR TR0</p><p>　　LCALL BAOJING</p><p>

33、　　POS2: MOV R0,#35H ；指向步數(shù)低位35H</p><p>　　DEC @R0</p><p>　　CJNE @R0,#0FFH,POS3IU9</p><p>　　INC R0</p><p>　　DEC @R0</p><p>　　POS3:

34、 SETB EA</p><p>　　MOV A,35H</p><p><b>　　ORL C</b></p><p>　　JNZ POS4</p><p><b>　　CLR TR0</b></p><p>　　SJMP POS5</p>

35、<p>　　POS4: CLR C</p><p><b>　　CLR TR0</b></p><p>　　MOV A,TL0</p><p>　　ADD A,#08H</p><p>　　ADD A,,30H</p><p>　　MOV TL0,A</

36、p><p>　　MOV A,TH0</p><p>　　ADDC A,31H</p><p>　　MOV TH0,A</p><p>　　SETB TR0</p><p>　　POS5: POP R0</p><p><b>　　POP PSW</b>&l

37、t;/p><p><b>　　POP ACC</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　3.2 顯示子程序</p><p>　　硬件電路如圖2-4所示，通過8155芯片來擴展I/O口，其端口地址分別是：命令/狀態(tài)寄存器：7FF8H ，PA口：7FF9H，PB口：7F

38、FAH，PC口：7FFBH。通過P1口控制數(shù)字顯示，即“段選”，P3口控制“位選”。</p><p>　　ORG 0000H    ;初始化 </p><p>　　START:JMP MAIN </p><p><b>　　ORG 30H </b></p><p>　　MAIN:MOV SP,#5FH

39、</p><p>　　B_BIT EQU 34H    ;個位顯示數(shù)據(jù)存儲器 </p><p>　　A_BIT EQU 35H     ;十位顯示數(shù)據(jù)存儲器 </p><p>　　C_BIT  EQU 22H     ;百位顯示數(shù)據(jù)存儲器</p><p>　　D_B

40、IT  EQU 23H     ;十位顯示數(shù)據(jù)存儲器</p><p>　　E_BIT  EQU 34H      ;萬位顯示數(shù)據(jù)存儲器</p><p>　　Count  EQU r4      ;計數(shù)器數(shù)據(jù)存儲器         &

41、#160;      </p><p>　　ACALL INIT_RS232;調(diào)用INIT_232子程序 </p><p>　　CPL P0.0         ; P0.0亮表示正在設(shè)定串口 </p><p>　　MOV R5,#25 </p><p>

42、;　　ACALL DELAY </p><p>　　CPL P0.0          ;P0.0暗表示設(shè)定完成 </p><p>　　MOV P1,#0FFH</p><p>　　MOV P2,#0FFH     </p><p>　　WAIT:aca

43、ll DIAPY;調(diào)用顯示程序</p><p>　　JNB RI,WAIT;接收電腦發(fā)過來的數(shù)據(jù) </p><p>　　ClR RI    ;清RI，繼續(xù)下次接收</p><p><b>　　LJMP WAIT</b></p><p>　　DIAPY :MOVR1,SBUF把接收到的數(shù)據(jù)放到A里<

44、;/p><p><b>　　MOV A,R1</b></p><p>　　MOV B,#100</p><p><b>　　DIV AB</b></p><p>　　MVO 33H,A</p><p><b>　　MOV A ,B</b></

45、p><p>　　MOV B,#10 </p><p><b>　　DIV AB</b></p><p>　　MOV B_BIT,B      ;提取百位</p><p>　　MOV A_BIT,A</p><p>　　MOV DPTR,#TAB<

46、/p><p>　　MOV R0,#5</p><p>　　DP11:MOVR1,#250</p><p>　　DPLOP:個位顯示</p><p>　　MOV,A,B_BIT</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR ;提取字模 </p><p><b>　　MOV P1,A

47、</b></p><p>　　CLR P2.2  ;開個位</p><p>　　ACALL DELAY1;調(diào)用掃描子程序 </p><p>　　SETB P2.2     ;十位顯示    MOV A,A_BIT]</p><p>　　MOVC A,@A+DP

48、TR ;提取字模 </p><p><b>　　MOV P1,A</b></p><p>　　CLR P2.3 ;開十位</p><p>　　ACALL DELAY1</p><p>　　SET P2.3     ;百位顯示</p><p>　　MO

49、V A,A_BIT</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR;提取字模 </p><p>　　MOV P1,Amov p1,a</p><p>　　CLR P2.4 ;開百位</p><p>　　ACALL DELAY1</p><p>　　SETB P2.4</p><

50、p>　　DJNZ R1,DPLOP</p><p>　　DJNZ R0,DP11</p><p><b>　　RET </b></p><p>　　INIT_RS232:                   

51、0;    ;rs232初始化設(shè)定 </p><p>　　MOV TMOD,#20H           ;1200bs </p><p>　　MOV TH1,#0E8H              </p>

52、<p><b>　　SETB TR1 </b></p><p>　　MOV SCON,#01010000B </p><p><b>　　RET </b></p><p>　　DELAY1:               &#

53、160;       </p><p>　　MOV  R7,#2 </p><p>　　D3:  MOV  R6,#25 </p><p>　　D4:  DJNZ R6,D4</p><p>　　DJNZ R7,D3 </p><p>&l

54、t;b>　　RET  </b></p><p>　　delay:  MOV R5,#20 </p><p>　　D2:MOV R6,#50 </p><p>　　D1:MOV R7,#250 </p><p>　　DJNZ R7,$ </p><p>　　DJNZ R6,D1 &l

55、t;/p><p>　　DJNZ R5,D2 </p><p><b>　　RET </b></p><p>　　TAB:    DB  0C0H,0f9H,0a4H,0b0h,99h ;"0","1","2","3","4&quo

56、t; </p><p>　　DB  92H,82H,0f8H,80H,90h    ;"5","6","7","8","9' </p><p>　　DB  88H,83H,46H,0a1H,86h    ;"a",

57、"b","c","d" ,"e" </p><p>　　DB  8eh ;"F" </p><p><b>　　END</b></p><p>　　第四章 結(jié) 束 語</p><p>　　本次課程設(shè)計是在學習

58、單片機課程后的一次實踐，通過查閱大量書籍、專業(yè)網(wǎng)站、論壇等，通過反復對比，采用技術(shù)較為成熟以及仿真效果的電路。在軟件設(shè)計方面，一部分參考文獻的已成程序進行修改編寫，一部分則是平時的經(jīng)驗積累。</p><p>　　應該說這次課程設(shè)計還是基本達到了設(shè)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，在參考有關(guān)文獻之后我將嘗試

59、使用兩塊單片機，通過雙機通訊來傳遞信號。 </p><p>　　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、更重要的是學會了程序出問題時調(diào)試的方法，并養(yǎng)成了遇到困難主動獨立尋找解決方案的信心和技巧。 </p><p><b>　　第5章 參考文獻</b></p><p>　　[1]謝自美，電子線路設(shè)計、實驗、測試（第二版）.