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毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的步进电机控制系统


内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书(毕业论文)



目:基于 AT89C51 单片机的步进 电机控制系统

学生姓名: 学 专 班 号: 业:自动化 级:自动化 06-3 班

指导教师:

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基于 AT89C5

1 单片机的步进电机控制系统 摘要
步进电机是数字控制系统中的一种执行元件, 它能按照控制脉冲的要求, 迅速起动, 制动,正反转和调速。具有步距角精度高,停止时能自锁等特点,因此步进电机在自动 控制系统中,特别是在开环的控制系统中得到了日益广泛的应用。 本文以单片机和环形脉冲分配器为核心设计的步进电机控制系统, 通过软硬件的设 计调试,实现步进电机能根据设定的参数进行自动加减速控制,使控制系统以最短的时 间到达控制终点,而又不发生失步的现象;同时它能准确地控制步进电机的正反转,启 动和停止。硬件是以 AT89C51 单片机为核心的控制电路,主要包括:环形脉冲分配器、 键盘显示电路、步进电机的驱动电路等。软件部分采用 C 语言编程,主要包括键盘显示 程序、步进电机的调速程序、停止判断程序等。

关键词:步进电机控制系统;调速;单片机

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Based on AT89C51 Single-chip Computer Stepping Motor Control System Abstract
Stepping motor is a kind of digital control system components. It can achieve quick start-up, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be self-locking when it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied. This article mainly focuses on taking Single-chip Computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. Through the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motor’s acceleration and deceleration automatically, according to parameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achieve start-up, positive inversion and shutdown. Hardware takes AT89C51 as the core of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. Software part adopts the C language programming, mainly including keyboard and display program, stepping motor speed control program, stop judging program, etc.

Key words: Stepping motor control system; speed control; Single-chip Computer

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目录
摘要 ............................................................................................................................................. I Abstract ..................................................................................................................................... II 第一章 引言 .............................................................................................................................. 1 1.1 课题提出的背景和研究意义 ...................................................................................... 1 1.2 课题的主要研究内容 .................................................................................................. 2 1.3 本章小结 ...................................................................................................................... 2 第二章 步进电机控制系统设计 .............................................................................................. 3 2.1 步进电机的原理 .......................................................................................................... 3 2.1.1 三相单三拍通电方式 ........................................................................................ 3 2.1.2 三相双三拍通电方式 ........................................................................................ 5 2.1.3 三相六拍通电方式 ............................................................................................ 6 2.2 环形脉冲分配器 .......................................................................................................... 8 2.3 续流电路 .................................................................................................................... 12 2.3.1 二极管续流 ...................................................................................................... 13 2.3.2 二极管—电阻续流 .......................................................................................... 14 2.4 步进电机驱动电路 .................................................................................................... 15 2.5 步进电机的变速控制 ................................................................................................ 17 2.5.1 变速控制的方法 .............................................................................................. 19 2.6 步进电机在自动生产线中的应用 ............................................................................ 20 2.7 本章小结 .................................................................................................................... 22 第三章 控制系统硬件设计 .................................................................................................... 23 3.1 硬件系统设计原则 .................................................................................................... 23 3.2 控制系统组成 ............................................................................................................ 23 3.3 主要元件的选择 ........................................................................................................ 24 3.3.1 单片机的选择 .................................................................................................. 24 3.3.2 EPROM 的选择 ................................................................................................ 25 3.3.3 可逆计数器的选择 .......................................................................................... 27 3.4 控制系统接口电路的设计 ........................................................................................ 27
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3.4.1 环形脉冲分配器设计 ...................................................................................... 27 3.4.2 显示电路设计 .................................................................................................. 29 3.4.3 外部复位电路设计 .......................................................................................... 30 3.5 控制系统整体电路设计 ............................................................................................ 31 3.6 本章小结 .................................................................................................................... 31 第四章 控制系统软件设计 .................................................................................................... 32 4.1 软件系统设计原则 .................................................................................................... 32 4.2 步进电机控制系统功能设计 .................................................................................... 32 4.3 主程序设计 ................................................................................................................ 33 4.3.1 主程序工作过程 .............................................................................................. 33 4.3.2 主程序工作流程图 .......................................................................................... 34 4.3.3 定时器 T0 中断程序流程图 ........................................................................... 34 4.4 Proteus 仿真 ................................................................................................................ 37 4.5 显示程序设计 ............................................................................................................ 39 4.6 键盘程序设计 ............................................................................................................ 39 4.7 调速程序设计 ............................................................................................................ 41 4.7.1 20BY 步进电机参数 ........................................................................................ 41 4.7.2 步进电机转速与频率的关系 .......................................................................... 41 4.8 本章小结 .................................................................................................................... 42 第五章 结束语 ........................................................................................................................ 43 参考文献 .................................................................................................................................. 44 附录 .......................................................................................................................................... 46 附录 A 系统程序(C)................................................................................................... 46 附录 B 20BY 步进电机转速与定时器定时常数关系表 ................................................ 59 附录 C 控制系统电路图 ................................................................................................. 62 致谢 .......................................................................................................................................... 63

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第一章 引言
1.1 课 题 提 出 的 背 景 和 研 究 意 义
由 于 步 进 电 机 不 需 要 位 置 传 感 器 或 速 度 传 感 器 就 可 以 实 现 定 位 ,即 使 在 开 环 状 态 下 它 的 控 制 效 果 也 是 令 人 非 常 满 意 的 ,这 有 利 于 装 置 或 设 备 的 小 型 化 和 低 成 本 ,因 此 步 进 电 机 在 计 算 机 外 围 设 备 、数 控 机 床 和 自 动 化 生 产 线 等 领 域 中 都得到了广泛的应用。 对于一个步进电机控制系统而言,总希望它能以最短的时间到达控制终 点 。因 此 要 求 步 进 电 机 的 速 度 尽 可 能 地 快 ,但 如 果 速 度 太 快 ,则 可 能 发 生 失 步 。 此 外 ,一 般 步 进 电 机 对 空 载 最 高 启 动 频 率 都 是 有 所 限 制 的 。当 步 进 电 机 带 负 载 时,它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知, 启 动 频 率 越 高 ,启 动 转 矩 越 小 ,带 负 载 的 能 力 越 差 。当 步 进 电 机 启 动 后 ,进 入 稳 态 时 的 工 作 频 率 又 远 大 于 启 动 频 率 。由 此 可 见 ,一 个 静 止 的 步 进 电 机 不 可 能 一 下 子 稳 定 到 较 高 的 工 作 频 率 ,必 须 在 启 动 时 有 一 个 加 速 的 过 程 。从 高 速 运 行 到 停 止 也 应 该 有 一 个 减 速 的 过 程 ,防 止 步 进 电 机 因 为 系 统 惯 性 的 原 因 ,而 发 生 冲 过 终 点 的 现 象 。为 此 本 文 以 单 片 机 作 为 控 制 核 心 ,实 现 步 进 电 机 的 自 动 加 减 速 控 制 ,使 系 统 以 最 短 的 时 间 到 达 控 制 终 点 ,而 又 不 发 生 失 步 的 现 象 。因 为 步 进 电 机 的 转 速 正 比 于 控 制 脉 冲 的 频 率 ,所 以 调 节 步 进 电 机 的 转 速 ,实 质 上 是 调 节 单 片 机 输 出 的 脉 冲 频 率 【 1 】。 由 于 步 进 电 机 的 运 动 特 性 受 电 压 波 动 和 负 载 变 化 的 影 响 小 ,方 向 和 转 角 控 制简单, 并且步进电机能直接接收数字量的控制, 非常适合采用微机进行控制。 步 进 电 机 工 作 时 ,失 步 或 者 过 冲 都 会 直 接 影 响 其 控 制 精 度 。研 究 步 进 电 机 的 加 减 速 控 制 ,可 以 提 高 步 进 电 机 的 响 应 速 度 、平 稳 性 和 定 位 精 度 等 性 能 ,从 而 决
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定了步进电机控制系统的综合性能。

1.2 课 题 的 主 要 研 究 内 容
1、 步 进 电 机 的 工 作 原 理 通 过 查 阅 文 献 对 步 进 电 机 的 单 拍 运 行 、双 拍 运 行 、单 双 拍 运 行 等 各 种 运 行 方式进行研究,深入了解各种运行方式的特点和对步进电机控制性能的影响。 2、 环 形 脉 冲 分 配 器 的 设 计 研 究 环 形 脉 冲 分 配 器 的 作 用 和 构 成 ,并 设 计 出 可 靠 、灵 活 的 环 形 脉 冲 分 配 器电路。 3、 步 进 电 机 的 续 流 电 路 根 据 步 进 电 机 的 控 制 特 点 ,分 析 续 流 电 路 对 步 进 电 机 控 制 性 能 的 影 响 ,并 设计步进电机的续流电路。 4、 步 进 电 机 控 制 系 统 的 软 硬 件 设 计 根 据 步 进 电 机 的 原 理 和 控 制 特 点 ,对 步 进 电 机 控 制 系 统 的 软 硬 件 进 行 分 析 和设计。 5、 程 序 的 调 试 及 修 改 用 Keil 软 件 进 行 编 程 和 调 试 , 并 且 在 Proteus 环 境 下 进 行 系 统 仿 真 。

1.3 本 章 小 结
本 章 首 先 介 绍 了 课 题 研 究 的 背 景 ,提 出 设 计 的 思 路 。其 次 介 绍 了 课 题 研 究 的目的和意义,最后介绍了课题的主要研究内容。

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第二章 步进电 机控 制 系统 设计
2.1 步 进 电 机 的 原 理
反 应 式 步 进 电 机 的 工 作 原 理 是 与 反 应 式 同 步 电 机 一 样 ,也 是 利 用 转 子 横 轴 磁 阻 与 直 轴 磁 阻 之 差 所 引 起 的 反 应 转 矩 而 转 动 ,如 图 2.1 所 示 是 一 台 反 应 式 步 进 电 机 的 工 作 原 理 ,定 子 铁 心 为 凸 极 式 ,共 有 三 相 ,六 个 磁 极 ,不 带 小 齿 ,磁 极 上 装 有 控 制 绕 组 ,相 对 的 两 个 磁 极 串 联 连 接 ,组 成 一 相 控 制 绕 组 。转 子 用 软 磁 材 料 制 成 , 也 是 凸 极 结 构 , 只 有 两 个 齿 , 齿 宽 等 于 定 子 的 极 靴 宽 【 2 】。

2.1.1 三 相 单 三 拍 通 电 方 式 这 是 步 进 电 机 的 一 种 最 简 单 的 工 作 方 式 ,所 谓“ 三 相 ” ,即 三 相 步 进 电 机 , 具有三相定子绕组; “ 单 ”指 每 次 只 有 一 相 绕 组 通 电 ; “ 三 拍 ”指 三 次 换 接 为 一 个循环,第四次换接重复第一次情况。 当 A 相 绕 组 通 电 如 图 2.1 (a) 所 示 ,而 B 相 和 C 相 不 通 电 时 , A 相 的 两 个 磁 极 被 励 磁 ,一 个 呈 N 极 另 一 个 呈 S 极 ,由 于 磁 场 对 转 子 铁 心 的 电 磁 吸 力 ,使 转 子 轴 线 对 准 A 相 磁 极 的 轴 线 。这 种 现 象 也 可 以 这 样 来 理 解 ,A 相 通 电 时 ,转 子 对 定 子 的 相 对 位 置 不 同 ,则 磁 路 的 磁 阻 也 不 同 ,使 A 相 磁 路 的 磁 阻 为 最 少 的 转 子 位 置 ,就 是 该 时 的 稳 定 平 衡 位 置 ,即 转 子 稳 定 在 转 子 轴 线 和 A 相 磁 极 轴 线 相 重 合 的 位 置 。 同 样 道 理 , 当 A 相 断 开 , 接 通 B 相 时 , 如 图 2.1 (b) 所 示 , B 相 磁 极 对 转 子 的 电 磁 力 将 使 转 子 顺 时 针 转 过 60 °, 达 到 转 子 轴 线 和 B 相 磁 极 轴线相重合的位置,即转子走过一步,然后 B 相电源断开,同时接通 C 相如 图 2.1 (c) 所 示 , 同 理 将 使 转 子 按 顺 时 针 方 向 再 走 一 步 。 如 此 按 A-B-C-A 的 顺 序 使 三 相 绕 组 轮 流 通 电 ,则 转 子 依 顺 时 针 方 向 一 步 一 步 地 转 动 。如 果 改 变 三 相

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绕 组 的 通 电 顺 序 为 A-C-B-A 显 然 步 进 电 机 将 按 逆 时 针 方 向 转 动 。 上述三相三拍 运 行 ,表 示 三 种 通 电 状 态 为 一 个 循 环 ,即 三 次 通 电 状 态 改 变 后 ,又 恢 复 到 起 始 状 态 , 一 拍 对 应 转 子 转 过 的 角 度 称 为 步 距 角 , 通 常 用 θ s 表 示 , 图 2.1 中 转 子 每 步 转 过 的 步 距 角 为 60 °。

( a) A 相 通 电

( b) B 相 通 电 图 2.1 三 相 反 应 式 步 进 电 机 原 理

( c) C 相 通 电

如 果 将 上 图 的 反 应 式 步 进 电 机 的 转 子 制 成 四 极( 或 称 为 四 个 齿 )结 构 ,如 图 2.2 所 示 ,则 按 三 相 单 三 拍 运 行 时 ,转 子 的 步 距 角 也 将 发 生 变 化 。当 A 相 通 电 时 如 图 2.2 (a) 所 示 , 转 子 齿 1 、 3 对 准 A 相 磁 极 轴 线 重 合 , 当 B 相 通 电 时 如 图 2.2 (b) 所 示 ,转 子 将 逆 时 针 转 过 30 °,稳 定 在 转 子 齿 2 、 4 对 准 B 相 磁 极 轴 线 的 位 置 , 当 C 相 通 电 时 如 图 2.2 (c) 所 示 , 转 子 又 将 逆 时 针 方 向 转 动 30 °, 转 子 齿 1、 3 对 准 C 相 磁 极 轴 线 的 位 置 , 由 此 可 见 , 每 通 电 一 次 转 子 转 过 的 角 度 为 30 °即 每 步 转 过 的 步 距 角 为 30 °。

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(a) A 相 通 电

(b) B 相 通 电 图 2.2 转 子 为 四 极 的 三 相 步 进 电 机

(c) C 相 通 电

2.1.2 三 相 双 三 拍 通 电 方 式 如 果 将 步 进 电 机 的 控 制 绕 组 的 通 电 方 式 改 为 : AB-BC-CA-AB 或 AC-CB-BC-CA 。 这 种 通 电 方 式 每 拍 同 时 有 两 相 绕 组 通 电 , 三 拍 为 一 循 环 , 如 图 2.3 所 示 ,转 子 为 四 极 的 反 应 式 步 进 电 机 。图 2.3 (a) 为 AB 相 同 时 通 电 的 情 况 , 图 2.3 (b) 为 BC 相 通 电 的 情 况 , 可 见 转 子 每 步 转 过 的 角 度 为 30 °与 单 三 拍 运 行 方 式 相 同 ,但 其 中 有 一 点 不 同 ,即 在 双 三 拍 运 行 时 ,每 拍 使 步 进 电 机 从 一 个 状 态 转 变 为 另 一 个 状 态 时 ,总 有 一 相 绕 组 保 持 通 电 。例 如 由 AB 相 通 电 变 为 BC 相 通 电 时 , B 相 保 持 继 续 通 电 状 态 , C 相 磁 极 力 图 使 转 子 逆 时 针 转 动 , 而 B 相磁极却起阻止转子继续向前转动的作用,即起到一定的电磁阻尼作用, 所 以 步 进 电 机 工 作 比 较 平 稳 ,三 相 单 三 拍 运 行 时 ,由 于 没 有 这 种 阻 尼 用 ,所 以 转子到达新的平衡位置后会产生振荡,稳定性能远不如双三拍运行方式。

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(a) AB 相 通 电 图 2.3 三 相 双 三 拍 运 行 方 式

(b) BC 相 通 电

2.1.3 三 相 六 拍 通 电 方 式 这是一种将一相通电和两相通电结合起来的运行方式,其具体通电方式 为 : A-AB-B-BC-C-CA-A 或 A – AC-CB-B-BA-A , 即一相通电和两相通电间隔轮 流进行, 六种不同的通电状态组成一个循环, 这 时 步 进 电 机 的 工 作 情 况 如 图 2.4 所 示 ,图 2.4(a) 为 A 相 通 电 时 的 情 况 ,转 子 齿 1 、3 磁 轴 与 A 相 磁 极 轴 线 重 合 , 当 通 电 状 态 由 A 转 为 AB 时 , 步 进 电 机 的 状 态 如 图 2.4(b) 所 示 , 转 子 齿 1 、 3 磁 极 离 开 A 相 磁 极 轴 线 ,即 转 子 逆 时 针 转 过 15 °。通 电 方 式 由 AB 转 为 B 时 , 步 进 电 机 的 状 态 如 图 2.4(c) 所 示 ,转 子 齿 2 、 4 磁 极 轴 线 和 B 相 磁 极 轴 线 相 重 合 ,或 转 子 齿 1 、 3 磁 极 轴 线 离 开 A 相 磁 极 轴 线 30 °角 ,即 转 子 又 逆 时 针 方 向 运 行 了 一 步 , 相 应 的 角 度 为 15 °如 此 类 推 , 可 见 步 进 电 机 每 走 一 步 , 将 转 过 15 °, 恰 好 为 三 相 单 拍 或 双 三 拍 通 电 方 式 的 一 半 。 六 拍 运 行 方 式 与 双 三 拍 相 同 ,由 一 个 通 电 状 态 转 变 为 另 一 通 电 状 态 时 ,也 总有一相继续保持通电,同样具有电磁阻尼作用,工作也比较平稳。

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(a) A 相 通 电

(b) AB 相 通 电

(c) B 相 通 电 图 2.4 三 相 六 拍 通 电 方 式

(d) BC 相 通 电

通过分析可知一台步进电机可以有不同的通电方式,即可以有不同的拍 数 。拍 数 不 同 时 ,其 对 应 的 步 距 角 大 小 也 不 同 ,拍 数 多 则 步 距 角 小 。通 电 相 数 不 同 也 会 带 来 不 同 的 工 作 性 能 。此 外 ,也 可 以 看 到 同 一 种 通 电 方 式 ,对 于 转 子 磁 极 数 不 同 的 步 进 电 机 ,也 会 有 不 同 的 步 距 角 。步 距 角 θ s 可 由 式 (1-1) 求 得 【 3 】 θ s=360 ° /mKZ R 式中 m — 控制绕组相数;
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(1-1)

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ZR — 转 子 齿 数 ; K —与通电方式有关的状态系数, 当通电方式为单拍, 即拍数与相数相同, K=1 ; 为 双 拍 时 , 即 拍 数 为 相 数 的 两 倍 时 , K=2 。

2.2 环 形 脉 冲 分 配 器
要 使 步 进 电 机 正 常 工 作 ,必 须 按 照 该 种 步 进 电 机 的 励 磁 状 态 转 换 表 所 规 定 的 状 态 和 次 序 依 次 对 各 相 绕 组 进 行 通 电 和 断 电 控 制 。环 形 分 配 器 的 主 要 功 能 是 把 单 片 机 发 出 的 脉 冲 信 号 按 一 定 的 规 律 分 配 给 步 进 电 机 的 驱 动 电 路 ,控 制 绕 组 的 导 通 和 截 止 。同 时 步 进 电 机 有 正 反 转 的 要 求 ,所 以 环 形 脉 冲 分 配 器 的 输 出 既 有周期性又有可逆性。可以说环形脉冲分配器是一种特殊的可逆循环计数器, 但 它 输 出 的 不 是 一 般 的 编 码 , 而 是 步 进 电 机 励 磁 状 态 所 要 求 的 特 殊 编 码 【 4 】。 在 步 进 电 机 的 驱 动 系 统 中 ,控 制 器 与 驱 动 器 之 间 连 接 方 式 可 分 为 串 行 控 制 和 并 行 控 制 。串 行 控 制 时 ,控 制 器 输 出 脉 冲 信 号 和 方 向 电 平 ,环 形 脉 冲 分 配 器 把 它 转 换 成 并 行 的 驱 动 信 号 ,再 控 制 绕 组 的 导 通 和 截 止 。控 制 脉 冲 信 号 的 有 无 就 能 控 制 步 进 电 机 运 行 和 停 止 ,脉 冲 信 号 的 频 率 决 定 步 进 电 机 的 运 行 速 度 ,方 向 电 平 控 制 步 进 电 机 的 运 转 方 向 。并 行 控 制 时 ,控 制 器 直 接 输 出 各 相 绕 组 的 导 通 和 截 止 信 号 ,此 时 环 形 脉 冲 分 配 器 在 控 制 器 中 ,由 软 件 来 代 替 环 形 脉 冲 分 配 器的功能,不管是串行控制还是并行控制必须有环形脉冲分配器这个环节。 步 进 电 机 按 类 型 、相 数 来 划 分 种 类 繁 多 ,不 同 种 类 、不 同 相 数 、不 同 分 配 方 式 都 必 须 有 不 同 的 环 形 脉 冲 分 配 器 ,因 此 所 需 要 的 环 形 脉 冲 分 配 器 的 类 型 是 很 多 的 。如 果 全 部 用 硬 件 来 搭 成 ,结 构 是 相 当 复 杂 的 ,不 能 满 足 步 进 电 机 驱 动 系统的需要, 为 此 提 出 一 种 用 EPROM 搭 建 的 环 形 分 配 器 , 以满足不同的要求。 EPROM 存 储 器 是 一 种 紫 外 线 擦 除 的 可 编 程 只 读 存 储 器 , 存 储 器 的 内 容 可

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以 由 使 用 者 自 己 编 程 ,且 可 以 用 紫 外 线 照 射 后 重 新 使 用 。用 EPROM 可 以 搭 建 成各种环形脉冲分配器。其基本思想是:首先确定步进电机励磁状态转换表, 再 以 二 进 制 码 的 形 式 存 入 EPROM 存 储 器 中 ,只 要 按 照 地 址 的 正 向 或 反 向 顺 序 依次取出地址的内容, 那么存储器输出的就是各相绕组的励磁状态, 用 EPROM 搭 建 的 环 形 脉 冲 分 配 器 的 原 理 框 图 如 图 2.5 所 示 ,它 由 两 部 分 组 成 。前 面 是 一 个 可 逆 的 循 环 计 数 器 ,计 数 脉 冲 的 有 无 控 制 步 进 电 机 的 运 行 与 停 止 ,计 数 器 加 减控制端控制步进电机的正反转, 如果低电平时计数器加计数, 步进电机正转, 如 果 高 电 平 时 计 数 器 减 计 数 ,步 进 电 机 反 转 。计 数 器 的 计 数 长 度 应 等 于 步 进 电 机 运 行 一 个 周 期 的 拍 数 或 拍 数 的 整 数 倍 ,计 数 器 的 输 出 端 接 到 EPROM 的 地 址 线 上 ,并 且 使 EPROM 总 是 处 于 读 出 的 状 态 ,这 样 计 数 器 的 每 个 计 数 状 态 都 对 应 存 储 器 的 一 个 地 址 ,存 储 器 的 输 出 端 就 对 应 步 进 电 机 的 一 种 励 磁 状 态 。简 单 的 说 存 储 器 存 入 的 是 一 个 环 形 脉 冲 分 配 器 的 状 态 输 出 表 ,计 数 器 每 输 入 一 个 脉 冲 ,计 数 器 计 一 个 数 ,这 个 数 值 就 会 选 通 存 储 器 的 一 个 地 址 ,存 储 器 就 输 出 一 个 数 据 ,即 步 进 电 机 的 一 个 励 磁 状 态 。如 果 计 数 器 做 加 计 数 ,则 存 储 器 按 地 址 递 增 的 方 向 依 次 读 取 状 态 表 的 内 容 ,相 反 ,计 数 器 做 减 计 数 ,则 存 储 器 按 地 址 递减方向依次取出状态表的内容,从而控制步进电机的正反转。

图 2.5 含 有 EPROM 环 形 脉 冲 分 配 器

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用 EPROM 设 计 环 形 脉 冲 分 配 器 , 具 有 如 下 的 特 点 : 1、 线 路 简 单 。 由 可 逆 循 环 计 数 器 和 存 储 器 两 部 分 组 成 , 计 数 器 可 以 用 现 有 的 器 件 实 现 ,计 数 长 度 可 以 用 简 单 的 外 围 电 路 实 现 。对 EPROM 存 储 器 的 主 要工作是编程,存储状态表,所以工作量小。 2、 一 种 线 路 可 以 实 现 多 种 励 磁 状 态 方 式 的 分 配 , 只 要 在 不 同 的 地 址 区 域 存储不同的状态表,除软件工作之外,硬件无需改动。 3、 可 排 除 非 法 状 态 。 驱 动 电 路 输 入 非 法 状 态 可 能 会 损 坏 驱 动 电 路 。 存 储 器 中 存 储 的 内 容 ,除 了 在 选 通 的 地 址 存 储 所 需 的 状 态 表 之 外 ,其 他 没 用 的 地 址 都 存 储 各 相 截 止 的 信 号 。因 此 即 使 有 非 法 的 地 址 输 入 ,输 出 端 输 出 的 都 是 截 止 的信号,可以保护驱动器不受损坏。 由 于 励 磁 状 态 是 按 运 行 拍 数 循 环 的 ,所 以 存 储 器 输 出 的 状 态 也 必 须 按 拍 数 循 环 出 现 ,这 就 要 求 计 数 器 是 可 逆 计 数 器 ,同 时 计 数 长 度 是 运 行 循 环 拍 数 的 整 数 倍 。实 际 上 ,使 用 RPROM 设 计 的 环 形 脉 冲 器 是 一 种 软 硬 件 结 合 的 技 术 ,通 过软件的编程可以实现不同励磁方式的输出。 由 上 可 见 ,这 种 方 法 适 用 于 控 制 任 意 类 型 的 步 进 电 机 。对 于 不 同 的 步 进 电 机 及 不 同 的 励 磁 方 式 ,只 需 改 变 存 储 的 状 态 表 ,硬 件 不 需 要 做 任 何 的 变 化 。跟 软 件 的 方 法 相 比 , 需 要 增 加 硬 件 的 成 本 , 但 软 件 简 单 , 速 度 快 , 少 占 用 CPU 的 时 间 ,提 高 了 系 统 的 响 应 速 度 。软 件 方 法 的 优 点 是 节 省 硬 件 ,降 低 系 统 的 成 本 ,且 更 改 灵 活 ,有 利 于 系 统 的 小 型 化 ,其 主 要 的 缺 点 是 占 用 CPU 时 间 较 多 , 降低系统的响应速度。

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图 2.6 环 形 脉 冲 分 配 器 电 路

由 EPROM 与 可 逆 计 数 器 构 成 的 环 形 脉 冲 分 配 器 如 图 2.6 所 示 , 计 数 器 选 用 74LS191 ,74LS191 是 四 位 二 进 制 进 制 可 逆 计 数 器 ,时 钟 脉 冲 从 CP 端 输 入 , 计 数 器 的 输 出 QA~QD 直 接 接 到 EPROM 的 低 四 位 地 址 线 A0~A3 ,这 样 可 以 选 通 2716 的 十 六 个 地 址 ( 00H~0FH ) 。 74LS191 第 五 脚 为 加 减 法 输 入 控 制 端 , 该 输 入 端 作 为 方 向 输 入 的 控 制 信 号 ,当 低 电 平 时 做 加 法 计 数 ,为 正 转 状 态 。当 为 高 电 平 时 做 减 法 计 数 ,为 反 转 状 态 。 74LS191 数 据 输 入 端 A 、 B 、 C 、 D 各 管 脚 接 地 , 11 脚 是 置 数 端 , 当 它 为 高 电 平 时 74LS191 为 计 数 状 态 ,当 它 为 低 电 平 时 ,计 数 器 停 止 计 数 ,把 数 据 端 的 内 容 ( ABCD ) 装 入 计 数 器 。 2716 的 管 脚 OE 和 CE 分 别 为 输 出 允 许 和 片 选 端 ,使 它 接 地 让 它 一 直 处 于 选 通 状 态 。四 相 步 进 电 机 按 照 通 电 顺 序 的 不 同 ,可 分 为 单 四 拍 、双 四 拍 、八 拍 三 种 工 作 方 式 。单 四 拍 与 双 四 拍 的 步 距 角 相 等 ,八 拍 工 作 方 式 的 步 距 角 是 单 四 拍 与 双 四 拍 的 一 半 ,因 此 ,八 拍 工 作 方 式 既 可 以 保 持 较 高 的 转 动 力 矩 又 可 以 提 高 控 制 精 度 。因 此 本 文 选 择 步 进 电 机 八 拍 的 工 作 方 式 。 EPROM 的 存 储 内 容 如 表 2.1 所 示 。
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内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 表 2.1 四 相 步 进 电 机 八 拍 工 作 方 式 存 储 状 态 表

地址 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H

内容 01H 03H 02H 06H 04H 0CH 08H 09H 01H

DCBA 0001 0011 0010 0110 0100 1100 1000 1001 0001

励磁状态 A AB B BC C CD D DA A

2.3 续 流 电 路
步 进 电 机 的 控 制 性 能 ,与 各 相 绕 组 导 通 和 截 止 时 电 流 的 增 加 和 衰 减 速 度 有 关 ,对 于 加 速 度 大 、或 者 运 行 速 度 高 的 步 进 电 机 ,当 转 换 速 度 增 加 时 ,由 于 绕 组 电 感 的 作 用 ,电 流 经 常 不 能 立 即 升 到 额 定 值 ,同 样 在 绕 组 断 电 时 ,电 流 也 不 能 立 即 衰 减 到 零 。当 步 进 电 机 下 一 相 导 通 时 ,断 电 相 绕 组 中 的 衰 减 电 流 对 步 进 电机起制动作用。 如 图 2.7 所 示 为 一 相 励 磁 时 的 等 效 电 路 。 L 为 绕 组 电 感 , R 为 串 联 回 路 的 总 电 阻 , E 为 反 电 动 势 。当 步 进 电 机 为 锁 定 状 态 时 ,忽 略 T 管 的 压 降 ,则 绕 组 的 电 流 为 U/R 。如 果 T 断 电 ,绕 组 中 磁 场 能 量 将 极 力 保 持 原 有 电 流 的 方 向 。晶 体 管 上 的 管 压 降 将 随 Ldi/dt 正 比 的 增 加 ,这 个 峰 值 电 压 的 大 小 可 能 会 超 过 一 个 晶 体 管 的 最 大 耐 压 U ,造 成 晶 体 管 损 坏 。常 用 的 步 进 电 机 可 以 很 容 易 产 生 数 值
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比 步 进 电 机 外 加 电 压 大 的 峰 值 电 感 电 动 势 。这 个 电 感 电 动 势 必 须 控 制 在 晶 体 管 安 全 运 行 区 域 内 。所 以 驱 动 电 路 除 了 对 步 进 电 机 绕 组 提 供 导 通 回 路 外 ,还 必 须 提 供 一 个 绕 组 断 电 时 的 续 流 回 路 ,其 作 用 是 既 要 保 证 电 流 的 泄 放 的 速 度 ,同 时 又要抑制电感电势,保护晶体管不受感应电动势峰值的冲击。

图 2.7 一 相 励 磁 电 路

2.3.1 二 极 管 续 流 抑 制 电 势 的 最 简 单 的 形 式 是 用 二 极 管 跨 接 步 进 电 机 绕 组 的 两 端 , 如 图 2.8 所 示 。在 绕 组 导 通 期 间 ,二 极 管 处 于 反 向 截 止 状 态 。当 绕 组 断 电 时 ,绕 组 电 势 极 性 反 向 ,二 极 管 处 于 正 向 导 通 的 状 态 ,为 电 流 提 供 一 个 续 流 回 路 ,二 极 管 把 功 放 管 的 集 射 极 电 压 钳 位 到 电 源 电 压 +U 。 当 一 相 绕 组 断 电 时 ,存 储 在 绕 组 中 的 能 量 必 须 消 耗 在 电 路 的 电 阻 R 中 ,该 电 阻 包 括 绕 组 电 阻 , 串 联 电 阻 和 二 极 管 正 向 导 通 电 阻 , 衰 减 时 间 常 数 为 L/R 。 在 低 速 时 ,断 电 相 电 流 衰 减 缓 慢 是 允 许 的 ,但 高 速 时 ,就 会 影 响 步 进 电 机 的 控 制性能。
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图 2.8 二 极 管 泄 放 电 路

图 2.9 负 载 曲 线

2.3.2 二 极 管 — 电 阻 续 流 要 求 高 速 或 变 速 运 行 时 ,断 电 绕 组 的 能 量 必 须 尽 快 消 耗 ,这 可 以 通 过 增 加 一 个 与 二 极 管 串 联 的 电 阻 Rs , 以 减 少 泄 放 回 路 的 时 间 常 数 , 此 时 断 电 回 路 的 时 间 常 数 为 L/(R+Rs) 。 Rs 的 最 大 值 取 决 于 集 — 射 极 间 的 击 穿 电 压 Ucer 。 当 步 进 电 机 截 止 时 , 若 通 过 二 极 管 的 初 始 电 流 为 额 定 电 流 In , 即 In=U/R 则晶体管集—射极间的压降为 Uce=U+RsIn=U ( 1+Rs/R ) 这 样 为 使 Uce<Ucer 则 Rs<R(Ucer/U - 1)

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图 2.10 二 极 管 — 电 阻 续 流 回 路

图 2.11 负 载 曲 线

由以上分析可知续流电路的特点如下: (1) 断 电 相 的 磁 场 能 量 总 是 消 耗 在 回 路 的 电 阻 上 , 其 中 包 括 电 动 机 绕 组 自 身的电阻。 (2) 续 流 串 联 电 阻 的 大 小 因 需 要 保 护 功 放 管 的 安 全 而 受 到 限 制 。 (3) 衰 减 时 间 常 数 大 , 在 步 进 电 机 高 速 运 行 时 产 生 阻 转 矩 , 影 响 系 统 的 特 性。

2.4 步 进 电 机 驱 动 电 路
步 进 电 机 不 能 直 接 接 到 交 、直 流 电 源 上 工 作 ,而 必 须 使 用 专 用 设 备 — 步 进 电 机 驱 动 器 。步 进 电 机 驱 动 系 统 的 性 能 ,除 与 步 进 电 机 的 自 身 性 能 有 关 外 ,在 很 大 程 度 上 也 取 决 于 驱 动 器 的 优 劣 。步 进 电 机 的 驱 动 电 路 应 该 既 要 保 证 绕 组 有 足 够 的 电 压 电 流 ,同 时 又 要 保 证 驱 动 级 功 率 器 件 的 安 全 运 行 ,另 外 还 应 有 较 高 的效率、较小的功耗和较低的成本。 驱 动 级 的 功 率 放 大 器 件 有 中 功 率 晶 体 管 、大 功 率 的 晶 体 管 、达 林 顿 管 、可

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控 硅 以 及 各 种 功 率 模 块 。对 于 小 功 率 的 步 进 电 机 ,可 用 中 小 功 率 晶 体 管 进 行 驱 动, 晶体管具有放大倍数大、 线路简单等优点, 用于驱动小功率的步进电机 (绕 组电流在数百毫安) 。对 于 功 率 较 大 的 步 进 电 机 ,由 于 绕 组 所 需 要 的 电 流 较 大 、 电压高、反电动势也大,因此需要用大功率的的晶体管驱动。 步进电机驱动电路与一般电气设备驱动的不同点主要有: (1) 各 相 绕 组 都 是 工 作 在 开 关 状 态 , 多 数 电 动 机 的 绕 组 都 是 连 续 的 交 流 或 者 直 流 ,而 步 进 电 机 的 各 相 绕 组 都 是 脉 冲 式 供 电 ,所 以 绕 组 电 流 不 是 连 续 的 而 是离散的。 (2) 电 动 机 的 各 相 绕 组 是 绕 在 铁 心 上 的 线 圈 , 所 以 都 有 比 较 大 的 电 感 。 绕 组通电时电流上升率受到限制,因而影响电动机绕组电流的大小。 (3) 绕 组 断 电 时 , 电 感 中 磁 场 的 储 能 将 维 持 绕 组 中 已 有 的 电 流 不 能 突 变 , 结 果 使 应 该 截 止 的 相 不 能 立 即 截 止 。为 使 电 流 尽 快 衰 减 ,必 须 设 计 适 当 的 续 流 回 路 。绕 组 导 通 和 截 止 过 程 中 都 会 产 生 较 大 的 反 向 电 动 势 ,而 截 止 时 的 反 电 动 势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。 (4) 电 动 机 运 转 时 在 各 相 绕 组 中 将 产 生 旋 转 电 动 势 , 这 些 电 动 势 的 大 小 和 方 向 将 对 绕 组 电 流 产 生 很 大 的 影 响 。由 于 旋 转 电 动 势 基 本 上 与 电 动 机 转 速 成 正 比 ,转 速 越 高 ,电 动 势 越 大 ,绕 组 电 流 越 小 ,从 而 使 电 动 机 输 出 转 矩 也 随 着 转 速升高而下降。 (5) 电 动 机 绕 组 中 有 电 感 电 动 势 、 互 感 电 动 势 、 旋 转 电 动 势 。 这 些 电 动 势 与 外 加 电 源 共 同 作 用 于 功 率 器 件 ,当 其 叠 加 结 果 使 电 动 机 绕 组 两 端 电 压 大 大 超 过电源电压时,会使驱动级的工作条件更为恶化。 由 于 步 进 电 机 需 要 的 驱 动 电 流 比 较 大 ,所 以 单 片 机 与 步 进 电 机 的 连 接 都 需 要 专 门 的 接 口 电 路 及 驱 动 电 路 。接 口 电 路 可 以 是 锁 存 器 ,也 可 以 是 可 编 程 的 接

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口 芯 片 , 如 8255 、 8155 等 。 驱 动 器 可 以 用 大 功 率 复 合 管 , 也 可 以 是 专 门 的 驱 动 器 。本 系 统 为 了 抗 干 扰 ,或 避 免 一 旦 驱 动 电 路 发 生 故 障 ,造 成 功 率 放 大 器 中 的 高 电 平 信 号 进 入 单 片 机 而 烧 毁 器 件 ,因 而 在 驱 动 器 与 单 片 机 之 间 增 加 一 级 光 耦 隔 离 器 。 其 接 口 电 路 原 理 图 如 图 2.12 所 示 。

图 2.12 驱 动 电 路

电 路 工 作 原 理 :当 A 输 出 为 1 时 ,发 光 二 极 管 不 发 光 ,因 而 光 敏 三 极 光 截 止 ,从 而 使 达 林 顿 管 导 通 ,A 相 绕 组 通 电 。反 之 当 A 为 0 时 经 反 相 后 ,使 发 光 二 极 管 发 光 ,光 敏 三 极 管 导 通 ,从 而 使 达 林 顿 管 截 止 , A 相 绕 组 不 通 电 ,控 制 B、 C、 D 相 亦 然 。 总 之 , 只 要 按 一 定 的 顺 序 改 变 A、 B、 C、 D 通 电 的 顺 序 , 就 可 控 制 步 进 电 机 按 一 定 的 方 向 步 进 【 5 】。

2.5 步 进 电 机 的 变 速 控 制
对 于 大 多 数 的 任 务 而 言 ,总 希 望 控 制 系 统 能 尽 快 地 到 达 控 制 终 点 。因 此 要 求 步 进 电 机 的 速 度 尽 可 能 快 一 些 ,但 如 果 速 度 太 快 ,则 可 能 发 生 失 步 。此 外 一 般 步 进 电 机 对 空 载 最 高 启 动 频 率 都 是 有 所 限 制 的 。所 谓 的 最 高 空 载 启 动 频 率 是 指 步 进 电 机 空 载 时 ,转 子 从 静 止 状 态 不 失 步 地 进 入 同 步 状 态( 即 步 进 电 机 每 秒 钟 转 过 的 角 度 和 控 制 频 率 相 对 应 的 工 作 状 态 )的 最 大 控 制 频 率 。当 步 进 电 机 带

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负 载 时 ,它 的 启 动 频 率 要 低 于 最 高 空 载 启 动 频 率 。根 据 步 进 电 机 的 矩 频 特 性 可 知,启动频率越高,启动转矩越小,带负载的能力越差;当步进电机启动后, 进 入 稳 态 时 的 工 作 频 率 又 远 大 于 启 动 频 率 。由 此 可 见 ,一 个 静 止 的 步 进 电 机 不 可 能 一 下 子 稳 定 到 较 高 的 工 作 频 率 ,必 须 在 启 动 的 瞬 间 采 取 加 速 的 措 施 。一 般 来 说 ,升 频 的 时 间 约 为 0.1~1s 之 间 。系 统 运 行 起 来 之 后 ,如 果 到 达 终 点 时 立 即 停 止 ,可 能 会 因 系 统 惯 性 的 原 因 ,发 生 冲 过 终 点 的 现 象 ,使 点 位 控 制 发 生 偏 差 , 所 以 从 高 速 运 行 到 停 止 也 应 该 有 减 速 的 措 施 【 6 】。 为 此 ,提 出 一 种 变 速 控 制 的 程 序 ,该 程 序 的 基 本 思 想 是 ,在 启 动 时 ,以 低 于 响 应 频 率 fs 的 速 度 运 行 ; 然 后 开 始 慢 慢 加 速 , 加 速 到 一 定 频 率 fe 后 就 以 此 速 率 恒 速 运 行 。当 快 要 到 达 终 点 时 ,又 使 其 慢 慢 减 速 ,在 低 于 响 应 频 率 fs 的 速 率 下 运 行 ,直 到 走 完 所 规 定 的 步 数 后 就 停 止 运 行 。这 样 步 进 电 机 便 可 以 以 最 快 的速度走完所规定的步数,而又不发生失步的现象。因此在点位控制过程中, 运 行 速 度 需 要 有 一 个 加 速 — 恒 速 — 减 速 — 低 恒 速 — 停 止 的 过 程 ,上 述 的 变 速 控 制 过 程 如 图 2.13 所 示 。

图 2.13 点 — 位 控 制 的 加 减 速 过 程

对 于 一 个 非 常 短 的 距 离 ,如 在 数 步 范 围 内 ,电 动 机 的 加 减 速 过 程 没 有 实 际 意 义 ,只 需 要 按 起 动 频 率 运 行 即 可 。对 于 中 等 或 比 较 长 的 运 行 距 离 ,步 进 电 机

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加 速 后 应 该 有 一 个 恒 速 的 过 程 。系 统 在 工 作 过 程 中 ,都 要 求 加 减 速 的 时 间 尽 量 短 ,而 恒 速 时 间 尽 量 长 。特 别 是 在 要 求 快 速 响 应 的 工 作 中 ,从 起 点 到 终 点 的 时 间要求最短,这就必须要求加减速的过程最短而恒速时速度最高。 加 速 时 的 起 始 速 度 应 该 等 于 或 略 小 于 系 统 的 极 限 起 动 频 率 ,而 不 是 从 零 开 始 。减 速 过 程 结 束 时 的 速 度 一 般 等 于 或 略 低 于 起 动 速 度 ,再 经 数 步 低 速 运 行 后 停止。 升 速 的 规 律 一 般 有 两 种 ,一 是 按 直 线 规 律 升 速 ,二 是 按 指 数 规 律 升 速 。按 直 线 规 律 升 速 时 加 速 度 为 恒 定 ,因 此 要 求 步 进 电 机 产 生 的 转 矩 为 恒 值 。但 实 际 上 步 进 电 机 升 速 时 由 于 反 电 动 势 和 绕 组 电 感 的 作 用 ,绕 组 电 流 将 逐 渐 减 小 ,因 此 输 出 的 转 矩 会 有 所 下 降 ,按 指 数 规 律 升 速 时 ,加 速 度 是 逐 渐 下 降 的 ,接 近 步 进 电 机 输 出 转 矩 随 转 速 变 化 的 规 律 【 7 】。 由 于 步 进 电 机 的 速 度 正 比 于 脉 冲 频 率 ,控 制 步 进 电 机 的 速 度 实 际 上 就 是 控 制 脉 冲 频 率 。 用 单 片 机 对 步 进 电 机 进 行 加 减 速 控 制 , 即 控 制 CP 脉 冲 的 时 间 间 隔 。升 速 时 使 脉 冲 逐 渐 加 密 ,减 速 时 使 脉 冲 逐 渐 变 疏 。本 系 统 采 用 定 时 器 中 断 来 控 制 步 进 电 机 的 加 减 速 ,实 际 上 是 不 断 改 变 定 时 器 的 定 时 初 值 的 大 小 。在 运 行 的 过 程 中 用 查 表 的 方 式 查 出 所 需 的 定 时 初 值 , 从 而 减 小 占 用 CPU 的 时 间 , 提高系统的响应速度。 步 进 电 机 的 加 减 速 控 制 技 术 是 步 进 电 机 控 制 中 的 一 项 关 键 技 术 ,它 直 接 影 响 步 进 电 机 运 行 的 平 稳 性 、升 降 速 的 快 慢 、定 位 精 度 等 性 能 ,从 而 决 定 了 步 进 电 机 控 制 系 统 的 综 合 性 能 。采 用 步 进 电 机 的 加 减 速 控 制 可 以 有 效 地 克 服 步 进 电 机 启 动 过 程 中 出 现 失 步 的 问 题 , 提 高 系 统 的 响 应 速 度 和 精 度 【 8 】。

2.5.1 变 速 控 制 的 方 法

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1、 改 变 控 制 方 式 的 变 速 控 制 最 简 单 的 变 速 控 制 可 以 利 用 改 变 步 进 电 机 的 控 制 方 式 实 现 。例 如 ,在 三 相 步 进 电 机 中 , 启 动 或 停 止 时 , 用 三 相 六 拍 , 大 约 在 0.1 秒 后 , 改 用 三 相 三 拍 的 的 分 配 方 式 ,在 快 到 达 终 点 时 ,再 次 采 用 三 相 六 拍 的 控 制 方 式 ,以 达 到 减 速 的 目的。 2、 均 匀 地 改 变 脉 冲 时 间 间 隔 的 变 速 控 制 步 进 电 机 的 加 减 速 控 制 ,可 以 均 匀 地 改 变 脉 冲 时 间 间 隔 来 实 现 。例 如 在 加 速 控 制 中 ,可 以 均 匀 地 减 少 延 时 时 间 间 隔 ;在 减 速 时 ,可 以 均 匀 地 增 加 延 时 时 间间隔。具体地说,就是均匀地增加或减少延时程序中延时时间常数。 这 种 控 制 方 法 的 优 点 是 ,由 于 延 时 的 长 短 不 受 限 制 ,使 步 进 电 机 的 频 率 变 化范围比较宽,但它降低了单片机的实时处理能力。 3、 采 用 定 时 器 的 变 速 控 制 在 单 片 机 控 制 系 统 中 , 可 以 采 用 单 片 机 内 部 的 定 时 器 来 提 供 CP 脉 冲 。 其 方 法 是 将 定 时 器 初 始 化 后 , 每 隔 一 定 的 时 间 向 CPU 申 请 一 次 中 断 , CPU 响 应 中 断 后 便 发 出 一 个 脉 冲 。此 时 只 要 均 匀 地 改 变 定 时 器 时 间 常 数 ,即 可 达 到 均 匀 加 减 速 的 目 的 【 9 】。 这 种 方 法 的 优 点 是 减 少 占 用 CPU 的 时 间 , 提 高 控 制 系 统 的 效 率 和 实 时 处 理能力。为了提高单片机的实时处理能力,系统采用中断的方法进行调速。

2.6 步 进 电 机 在 自 动 生 产 线 中 的 应 用
由 于 步 进 电 机 的 运 动 特 性 受 电 压 波 动 和 负 载 变 化 的 影 响 比 较 小 ,方 向 和 转 角 控 制 简 单 ,并 且 步 进 电 机 能 直 接 接 受 数 字 量 的 控 制 ,非 常 适 合 采 用 微 机 进 行 控 制 。此 外 ,步 进 电 机 不 需 要 位 置 传 感 器 或 速 度 传 感 器 可 以 在 开 环 状 态 下 定 位

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或 同 步 运 行 ,有 利 于 装 置 或 设 备 的 小 型 化 和 低 成 本 ,因 而 在 软 盘 驱 动 器 、扫 描 仪 、 打 印 机 、 数 控 机 床 和 自 动 化 生 产 线 等 领 域 中 都 得 了 到 广 泛 的 应 用 【 1 0 】。 自 动 生 产 线 结 构 如 图 2.14 所 示 , 它 由 搬 运 站 、 供 料 站 、 加 工 站 、 装 配 站 和 分 拣 站 构 成 ,每 一 个 工 作 站 都 可 自 成 一 个 独 立 的 系 统 。搬 运 站 的 功 能 是 向 各 个 工 作 单 元 输 送 工 件 ,每 完 成 一 道 工 序 就 把 工 件 送 给 下 一 个 工 作 站 ,等 加 工 站 完 成 后 再 将 工 件 送 到 装 配 站 和 分 拣 站 整 个 自 动 生 产 线 的 加 工 过 程 就 完 成 。搬 运 站 的 整 体 运 动 采 用 步 进 电 机 驱 动 ,具 有 定 位 精 确 和 快 速 的 特 点 。该 步 进 电 机 驱 动 系 统 具 有 行 程 长 、多 定 位 点 的 特 点 ,是 一 个 典 型 的 一 维 位 置 控 制 系 统 。因 此 步进电机的运动控制在自动生产线中得到了广泛的应用。 为 了 提 高 系 统 的 响 应 速 度 ,需 要 步 进 电 机 的 速 度 尽 可 能 的 快 ,但 为 了 防 止 步 进 电 机 在 启 动 过 程 中 发 生 失 步 ,需 要 按 一 定 的 规 律 对 步 进 电 机 的 速 度 进 行 控 制 ,也 就 是 对 步 进 电 机 的 脉 冲 频 率 进 行 控 制 。当 停 车 时 ,由 较 高 的 频 率 突 然 降 为 零 频 率 ,使 步 进 电 机 立 即 停 止 ,可 能 会 由 于 系 统 惯 性 的 原 因 ,转 子 会 冲 过 终 点 ,结 果 使 停 车 不 准 确 ,因 此 停 车 也 必 须 有 一 个 降 频 的 过 程 。整 个 加 减 速 的 控 制,如本文所述的步进电机加减速控制。

图 2.14 自 动 生 产 线 结 构 示 意 图

步 进 电 机 传 动 组 件 由 齿 轮 传 动 , 每 转 一 圈 搬 运 站 移 动 55mm , 如 果 步 距 角 为 θ , 每 转 一 圈 需 要 走 的 步 数 N=360 ° / θ , 那 每 一 步 走 过 的 距 离 为 L=55/N 。
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由 此 可 以 算 出 每 个 站 点 之 间 的 需 要 走 的 步 数 ,即 需 要 总 的 脉 冲 个 数 。例 如 一 个 步 距 角 为 1.8 °的 步 进 电 机 , 从 供 料 站 到 加 工 站 的 距 离 为 470mm , 需 要 总 的 脉 冲 个 数 为 1709 个 【 11 】。 各 站 点 之 间 的 距 离 如 表 2.2 所 示 。

表 2.2 各 站 点 距 离 序号 1 2 3 4 站点 供料站—加工站 加工站—装配站 装配站—分拣站 分拣站—返回工作原点 距离 470mm 286mm 235mm 925mm

选 用 的 步 进 电 机 的 步 距 角 越 小 ,定 位 精 度 就 越 高 。步 进 电 机 需 要 走 的 步 数 可 以 根 据 不 同 距 离 预 先 计 算 好 ,然 后 在 单 片 机 程 序 里 设 定 好 ,也 可 以 通 过 上 位 机进行控制。

2.7 本 章 小 结
本 章 首 先 分 析 了 步 进 电 机 的 原 理 ,并 总 结 步 进 电 机 控 制 系 统 的 特 点 ;其 次 根 据 步 进 电 机 的 控 制 特 点 ,设 计 步 进 电 机 的 驱 动 电 路 和 环 形 脉 冲 分 配 器 ;为 了 使 控 制 系 统 快 以 最 短 时 间 到 达 控 制 终 点 ,并 根 据 步 进 电 机 的 矩 频 特 性 设 计 步 进 电 机 的 变 速 控 制 的 方 法 。最 后 根 据 步 进 电 机 的 优 点 ,介 绍 步 进 电 机 在 自 动 生 产 线中的应用。

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第三章 控制系 统硬件 设计
3.1 硬 件 系 统 设 计 原 则
系 统 的 扩 展 和 模 块 设 计 应 遵 循 下 列 原 则 【 1 2 】: ( 1) 尽 可 能 选 择 标 准 化 、 模 块 化 的 典 型 电 路 , 提 高 设 计 的 成 功 率 和 结 构 的灵活性。 ( 2) 硬 件 结 构 应 结 合 应 用 软 件 方 案 一 并 考 虑 。 硬 件 结 构 与 软 件 方 案 会 产 生 相 互 影 响 ,考 虑 的 原 则 是 :软 件 能 实 现 的 功 能 尽 可 能 由 软 件 来 实 现 ,以 简 化 硬 件 结 构 。但 必 须 注 意 ,由 软 件 实 现 的 硬 件 功 能 ,其 响 应 时 间 要 比 直 接 用 硬 件 的 长 , 而 且 占 用 CPU 时 间 。 所 以 选 择 软 件 方 案 时 , 要 考 虑 到 这 些 因 素 。 ( 3) 整 个 系 统 中 相 关 的 器 件 要 尽 可 能 做 到 性 能 匹 配 , 例 如 选 用 晶 振 频 率 较高时, 存贮器的存取时间有限, 应选择允许存取速度较高的芯片; 选 择 CMOS 芯片单片机构成低功耗系统时,系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。 ( 4) 可 靠 性 及 抗 干 扰 性 设 计 是 硬 件 系 统 设 计 不 可 缺 少 的 部 分 , 它 包 括 芯 片、器件选择,去耦滤波等。 ( 5) 单 片 机 外 接 电 路 较 多 时 , 必 须 考 虑 其 驱 动 能 力 。 驱 动 能 力 不 足 时 , 系统工作不可靠, 解决的办法是增加驱动能力, 增设线驱动器或减少芯片功耗, 降低总线负载。 ( 6) 系 统 的 扩 展 及 各 功 能 模 块 的 设 计 在 满 足 系 统 功 能 要 求 的 基 础 上 , 应 适当留有余地,以备将来修改、扩展的需要。

3.2 控 制 系 统 组 成
控 制 系 统 硬 件 电 路 主 要 由 键 盘 显 示 电 路 、工 作 状 态 显 示 电 路 、环 形 脉 冲 分

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配 器 、步 进 电 机 驱 动 电 路 、51 单 片 机 、电 源 及 复 位 六 部 分 组 成 。系 统 硬 件 框 图 如 图 3.1 所 示 。

图 3.1 系 统 硬 件 框 图

3.3 主 要 元 件 的 选 择
3.3.1 单 片 机 的 选 择 随着微电子工艺水平的提高,近十年来单片微型计算机有了飞速的发展。 在 MCS-51 系 列 单 片 机 系 列 内 核 8051/80C51 的 基 础 上 , Intel 公 司 、 Philips 公 司 、 Siemens 公 司 等 很 多 大 公 司 纷 纷 推 出 了 名 目 繁 多 的 派 生 芯 片 。 而 ATMEL 公 司 的 AT89C51 系 列 单 片 机 是 当 今 具 有 较 高 性 能 的 单 片 微 型 计 算 机 系 列 产 品 之 一 ,特 别 适 用 于 要 求 实 时 处 理 、实 时 控 制 的 各 类 自 动 控 制 系 统 ,如 工 业 过 程 控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电机控制系统等。 其主要特点有: ( 1 ) CPU 内 核 完 全 和 MCS-51 系 列 兼 容 ,具 有 MCS-51 系 列 单 片 机 的 一 切功能。

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( 2 ) 内 部 集 成 了 4K 字 节 的 在 线 可 编 程 FlashROM , 可 满 足 大 部 分 系 统 扩展的需求,编程方更快捷。 ( 4 ) 可 在 0 ~ 24MHz 的 晶 振 频 率 范 围 内 可 靠 工 作 ,加 快 了 系 统 的 工 作 速 度,可用在某些高速实时处理控制系统中。 ( 5 ) 内 部 具 有 256 个 字 节 的 RAM 和 3 个 16 位 定 时 器 ,可 以 存 放 系 统 运 行中的数据和满足定时或计数功能扩展的需要。 ( 6) 具 有 6 个 中 断 源 , 完 全 可 以 满 足 一 般 设 计 的 中 断 系 统 扩 展 需 要 。 因此, AT89C51 系 列 单 片 机 以 其 优 越 的 性 能 在 控 制 系 统 设 计 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 ,由 于 其 内 部 功 能 完 善 ,可 以 大 大 减 少 扩 展 系 统 外 围 电 路 ,而 且 性 能 稳 定 ,因 此 在 本 控 制 系 统 的 设 计 中 ,选 用 了 AT89C51 单 片 机 作 为 中 央 控 制 单 元 。

3.3.2 EPROM 的 选 择 只 读 存 储 器 (ROM) 的 特 点 是 :其 内 容 是 预 先 写 入 的 且 一 旦 写 入 ,使 用 时 就 只 能 读 出 不 能 改 变 , 掉 电 时 也 不 会 丢 失 , ROM 器 件 还 具 有 结 构 简 单 、 信 息 度 高,价格低,非易失性和可靠性高等特点。 EPROM 是 以 浮 栅 型 MOS 管 作 存 储 单 元 , 它里面存储的内容可以通过紫外 线光的照射而被擦除,而且又可再用电流脉冲对其重新编程写入程序或数据, 而 且 还 可 多 次 进 行 擦 除 和 重 写 , 故 称 为 可 擦 除 可 编 程 ROM , 因 而 EPROM 得 到了广泛的应用。 Intel 2716 是 2K × 8 的 EPROM 存 储 器 。 2716 的 管 脚 排 列 如 图 3.2 所 示 。 它 有 读 方 式 、未 选 中 方 式 、编 程 方 式 、程 序 检 验 方 式 、编 程 禁 止 方 式 5 种 工 作 方 式 如 表 3.1 所 示 【 13 】。

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图 3.2 2716 管 脚 排 列

2716 管 脚 定 义 如 下 : A0 — A10 : 地 址 线 , 11 位 ( 对 应 2K 存 储 单 元 ) 地 址 信 号 输 入 引 脚 ; O7 — O0 : 8 位 双 向 数 据 线 , 编 程 时 作 数 据 输 入 线 , 读 出 时 作 数 据 输 出 线 ;
CE : 片 选 允 许 输 入 端 , 低 电 平 有 效 ;
OE : 数 据 输 出 允 许 控 制 信 号 引 脚 , 低 电 平 有 效 ;

Vpp : +25V 电 源 , 用 于 专 用 装 置 上 进 行 写 操 作 ;

表 3.1 2716 工 作 方 式

引脚
方式

CE /PGN

OE

Vpp

O7 — O0

读出 未选中 编程 程序校验 编程禁止

低 高 正脉冲 低 低

低 X 高 低 高

+5V +5V +25V +25V +25V

程序读出 高阻 程序写入 程序读出 高阻

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3.3.3 可 逆 计 数 器 的 选 择 由 于 环 形 脉 冲 分 配 器 不 但 需 要 接 收 脉 冲 信 号 CP , 还 需 要 接 收 方 向 电 平 , 因 此 所 选 的 计 数 器 需 要 是 一 个 可 逆 的 计 数 器 。计 数 器 选 用 74LS191 ,这 是 一 种 单 时 钟 4 位 二 进 制 可 逆 计 数 器 ,时 钟 脉 冲 从 CP 端 输 入 ,加 / 减 脉 冲 由 同 一 端 输 入 ,加 / 减 控 制 线 的 高 低 电 平 控 制 加 减 计 数 。74LS191 是 单 时 钟 方 式 的 可 逆 计 数 器, 计 数 器 的 输 出 QA ~ QD 接 EPROM 的 低 四 位 地 址 线 , 这 样 可 以 选 通 EPROM 的 十 六 个 地 址 ( 00H ~ 0FH ) , 将 步 进 电 机 的 励 磁 状 态 从 EPROM 中 输 出 , 控 制 绕 组 的 导 通 和 截 止 。 74LS191 的 工 作 方 式 选 择 如 表 3.2 所 示 。 用 74LS164 的 clk 端 作 为 环 形 脉 冲 分 配 器 的 CP 脉 冲 信 号 输 入 端 , 加 减 计 数控制端作为正反转控制信号输入端。

表 3.2 74LS191 功 能 表

输入 置数 H H L H 使能 L L X H 加减 L H X X X X 时钟 工作模式 加计数 减计数 预置 保持

3.4 控 制 系 统 接 口 电 路 的 设 计
3.4.1 环 形 脉 冲 分 配 器 设 计 环 形 脉 冲 分 配 器 是 用 来 接 收 单 片 机 的 CP 脉 冲 , 并 根 据 步 进 电 机 的 励 磁 状 态 转 换 表 的 状 态 顺 序 输 出 各 相 绕 组 的 导 通 或 截 止 信 号 。 每 来 一 个 CP 脉 冲 , 环

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形 脉 冲 分 配 器 的 输 出 就 转 换 一 次 。因 此 ,步 进 电 机 转 速 的 高 或 低 、加 速 或 减 速 、 启 动 或 停 止 都 完 全 取 决 于 CP 脉 冲 的 有 无 和 频 率 。 同 时 , 环 形 脉 冲 分 配 器 还 必 须 接 收 控 制 器 发 出 的 方 向 电 平 信 号 ,从 而 决 定 其 输 出 的 状 态 转 换 是 按 正 序 转 换 还 是 反 序 转 换 , 于 是 就 决 定 了 步 进 电 机 正 反 转 。 接 收 来 自 控 制 器 的 CP 脉 冲 和 方向电平是环形脉冲分配器的最基本功能。 环 形 脉 冲 分 配 器 由 EPROM 和 可 逆 计 数 器 构 成 ,将 步 进 电 机 的 励 磁 状 态 以 二 进 制 的 形 式 存 入 EPOROM , 只 要 按 照 地 址 的 正 向 或 反 向 顺 序 依 次 取 出 地 址 内 容 , EPROM 的 输 出 就 是 步 进 电 机 的 励 磁 状 态 。 可 逆 计 数 器 的 输 出 作 为 EPROM 的 地 址 输 入 端 , 计 数 器 的 一 个 计 数 状 态 就 对 应 步 进 电 机 的 一 个 励 磁 状 态 , 控 制 计 数 脉 冲 CP 就 可 以 控 制 步 进 电 机 的 运 行 , 加 减 计 数 控 制 端 可 以 控 制 步 进 电 机 正 反 转 。 环 形 脉 冲 分 配 器 电 路 如 图 3.3 所 示 。

图 3.3 环 形 脉 冲 分 配 器 电 路

这 种 方 法 适 用 于 控 制 任 意 类 型 的 步 进 电 机 。对 于 不 同 类 型 的 步 进 电 机 及 不 同 的 励 磁 方 式 ,只 需 改 变 存 储 的 状 态 表 ,硬 件 不 需 要 做 任 何 的 变 化 。跟 软 件 的 方 法 相 比 ,需 要 增 加 硬 件 的 成 本 ,但 软 件 简 单 ,速 度 快 ,少 占 用 CPU 的 时 间 , 提 高 了 系 统 的 响 应 速 度 ,软 件 方 法 的 优 点 是 节 省 硬 件 ,降 低 系 统 的 成 本 ,且 更
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改 灵 活 , 有 利 于 系 统 的 小 型 化 , 其 主 要 的 缺 点 是 占 用 CPU 时 间 较 多 , 降 低 系 统的响应速度。 为了提高系统的响应速度, 本文采用硬件设计环形脉冲分配器。

3.4.2 显 示 电 路 设 计 单片机与显示电路的接法一般有如下两种方法: ( 1 ) 串 行 接 法 : 设 计 中 要 显 示 4 位 数 字 , 用 74LS164 作 为 显 示 驱 动 , 其 中 74LS164 带 锁 存 , 使 用 串 行 接 法 可 以 节 约 I/O 口 资 源 , 发送数据时容易控制。 ( 2 )并 行 接 法 :使 用 并 行 接 法 时 要 对 每 个 数 码 管 用 I/O 口 单 独 输 入 数 据 , 占用资源较多。 由于设计中用一块单片机进行控制,资源有限,故使用串行接法,另外, 74LS164 的 锁 存 作 用 也 起 到 节 约 资 源 的 作 用 。 数码管显示电路是通过串行口方式 0 扩展单片机的输出口, 在 “串入并出” 芯 片 74LS164 的 配 合 下 ,单 片 机 RXD 引 脚 接 74LS164 串 行 数 据 输 入 端 , TXD 引 脚 接 74LS164 移 位 脉 冲 输 入 端 CLK , 电 路 如 图 3.4 所 示 【 1 4 】。

图 3.4 数 码 管 显 示 电 路

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3.4.3 外 部 复 位 电 路 设 计 MCS-51 系 列 单 片 机 采 用 高 电 平 复 位 方 式 ,为 保 证 CPU 内 部 各 单 元 电 路 可 靠 复 位 , RST 引 脚 的 复 位 脉 冲 高 电 平 维 持 时 间 必 须 大 于 2 个 机 器 周 期 ( 即 24 个振荡周期) 。 单 片 机 外 部 的 复 位 电 路 如 图 3.5 所 示 , 该 电 路 具 有 手 动 复 位 和 上电复位的功能。

3.5 外 部 复 位 电 路

上 电 复 位 : 接 通 电 源 的 瞬 间 , 电 容 C 上 的 电 压 很 小 , RST 引 脚 为 高 电 平 。 在 电 容 充 电 过 程 中 , RST 引 脚 的 电 位 逐 渐 下 降 , 当 RST 引 脚 的 电 位 小 于 某 一 特 定 值 后 ,CPU 就 会 脱 离 复 位 状 态 ,只 要 电 容 C 的 容 量 足 够 大 ,就 能 保 证 RST 引 脚 高 电 平 时 间 大 于 24 个 振 荡 周 期 , 使 CPU 可 靠 复 位 。 二 极 管 V D 的 作 用 在 于 : 掉 电 后 给 电 容 C 提 供 放 电 回 路 , 保 证 再 次 上 电 时 RST 引 脚 为 高 电 平 , 使 CPU 可 靠 复 位 。 当 V CC =0 时 , V CC 端 与 地 等 电 位 , 电 容 C 通 过 V D 迅 速 放 电 。 放 电 回 路 为 C 正 极 、 电 源 Vcc 端 ( 与 地 等 电 位 ) 、 二 极 管 VD 正 极 、 二 极 管 VD 负 极 、 C 负 极 , 保 证 再 次 上 电 时 , RST 引 脚 为 高 电 平 , CPU 可 靠 复 位 。 手 动 复 位 :当 按 下 手 动 复 位 按 钮 时 ,电 容 C 通 过 R2 放 电 ,当 电 容 C 放 电

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结 束 后 , RST 引 脚 电 位 由 R2 、 R1 分 压 比 决 定 , 由 于 R2<<R1 , 因 此 RST 引 脚 为 高 电 平 , CPU 进 入 复 位 状 态 。 松 开 复 位 按 键 后 , 电 容 C 充 电 , RST 引 脚 电 位 下 降 , 使 CPU 脱 离 复 位 状 态 。

3.5 控 制 系 统 整 体 电 路 设 计
将各接口电路有机结合起来形成一个完整的电路,电路图如附录 C 所示。 它 是 以 单 片 机 为 核 心 的 控 制 电 路 ,可 以 实 现 步 进 电 机 根 据 设 定 的 步 数 进 行 自 动 加 减 速 控 制 ,使 控 制 系 统 以 最 短 的 时 间 走 完 所 规 定 的 步 数 而 又 不 发 生 失 步 的 现 象 。步 进 电 机 的 加 减 速 控 制 ,可 以 提 高 步 进 电 机 的 响 应 速 度 、平 稳 性 和 定 位 精 度等性能,从而决定了步进电机控制系统的综合性能。在系统工作的过程中, 数 码 管 显 示 步 进 电 机 需 要 运 行 的 步 数 , 并 通 过 LED 指 示 步 进 电 机 的 工 作 运 行 状态。

3.6 本 章 小 结
本 章 首 先 介 绍 了 硬 件 系 统 设 计 原 则 和 控 制 系 统 总 体 设 计 ,其 次 对 主 要 元 器 件 进 行 了 选 择 和 介 绍 。最 后 对 控 制 系 统 各 部 分 的 电 路 进 行 了 分 析 和 设 计 ,并 把 各模块有机组合起来形成一个较完整的电路,如附录 C 所示。

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第四章 控制系 统软件 设计
4.1 软 件 系 统 设 计 原 则
系 统 中 的 应 用 软 件 是 根 据 系 统 功 能 要 求 设 计 的 ,应 可 靠 地 实 现 系 统 的 各 种 功 能 。应 用 系 统 种 类 繁 多 ,应 用 软 件 各 不 相 同 ,但 是 一 个 优 秀 的 应 用 系 统 应 具 有 下 列 特 点 【 15 】: ( 1) 软 件 结 构 清 楚 、 简 洁 、 流 程 合 理 。 ( 2) 各 功 能 程 序 实 现 模 块 化 , 子 程 序 化 。 便 于 调 试 、 连 接 、 移 植 、 修 改 。 ( 3) 程 序 存 储 区 、 数 据 存 储 区 规 格 合 理 , 既 能 节 约 内 存 容 量 , 又 操 作 方 便 。 ( 4) 运 行 状 态 实 现 标 志 化 管 理 。 各 个 功 能 程 序 运 行 状 态 、 运 行 结 果 以 及 运 行 要 求 都 设 置 状 态 标 志 以 便 查 询 ,程 序 的 转 移 、运 行 、控 制 都 可 通 过 状 态 标 志 条 件来控制。 ( 5 )经 过 调 试 修 改 后 的 程 序 应 进 行 规 范 化 ,除 去 修 改“ 痕 迹 ” 。规 范 化 的 程 序 便于交流、借鉴,也为今后的软件模块化,标准化打下基础。 ( 6) 实 现 全 面 软 件 抗 干 扰 设 计 。 软 件 抗 干 扰 是 计 算 机 应 用 系 统 提 高 可 行 性 的 有力措施。 本系统的软件采用 C 语言编写,在此本文主要介绍软件的各个模块功能与 软 件 流 程 。本 系 统 软 件 设 计 主 要 包 括 主 程 序 ,定 时 器 T0 启 动 程 序 ,调 速 程 序 , 键盘显示程序,停止判断程序。

4.2 步 进 电 机 控 制 系 统 功 能 设 计
软件主要功能是单片机根据设定的步数,实现步进电机的自动加减速控 制 , 使 控 制 系 统 以 最 快 的 速 度 走 完 所 设 定 的 步 数 , 并 通 过 数 码 管 和 LED 显 示

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步进电机的运行参数。其具体功能如下: 按 正 转 按 键 时 ,步 进 电 机 正 转 ;按 反 转 按 键 时 ,步 进 电 机 反 转 ;按 停 止 按 键 时 ,步 进 电 机 步 进 电 机 停 止 运 行 ;通 过 键 盘 可 输 入 所 需 要 运 行 的 步 数 ,输 入 的 步 数 的 范 围 为 0 — 9999 步 ,当 输 入 参 数 完 毕 后 ,按 启 动 按 键 步 进 电 机 开 始 运 行 ,同 时 数 码 管 显 示 所 需 要 运 行 的 步 数 并 通 过 LED 显 示 步 进 电 机 的 运 行 状 态 。 单 片 机 根 据 所 输 入 的 步 数 判 断 是 否 需 要 进 行 加 速 启 动 , 当 输 入 的 步 数 小 于 100 时 ,步 进 电 机 以 最 低 速 度 25 r/min 运 行 。当 输 入 的 步 数 大 于 100 时 ,步 进 电 机 从 最 低 速 度 25 r/min 开 始 加 速 运 行 , 当 加 速 到 99 r/min 时 步 数 仍 大 于 100 时 , 步 进 电 机 以 设 定 的 最 大 速 度 99 r/min 恒 速 运 行 ,当 步 数 小 于 100 时 ,步 进 电 机 开 始 减 速 ,减 速 到 25 r/min 时 ,步 进 电 机 以 设 定 的 最 低 转 速 25 r/min 走 完 所 规 定 的 步 数 。当 步 数 为 0 时 ,步 进 电 机 停 止 运 行 。输 入 步 数 大 于 100 时 的 调 速 过 程 如 图 4.1 所 示 。

图 4.1 变 速 控 制 中 转 速 与 步 长 之 间 的 关 系

4.3 主 程 序 设 计
4.3.1 主 程 序 工 作 过 程 ( 1 ) 系 统 初 始 化 。 系 统 初 始 化 包 括 定 时 器 T0 初 始 化 , 步 进 电 机 工 作 状 态

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的 初 始 化 。 步 进 电 机 的 初 始 化 状 态 为 停 止 、 正 转 , 数 码 管 显 示 步 数 为 0。 ( 2) 键 盘 扫 描 及 按 键 处 理 。 判 断 是 否 有 按 键 按 下 , 若 有 则 进 行 按 键 处 理 。 按 键 功 能 包 括 数 字 按 键 ,启 动 按 键 ,停 止 按 键 ,正 转 按 键 ,反 转 按 键 、复 位 按 键等功能按键。 ( 3) 系 统 启 动 。 单 片 机 读 取 开 关 状 态 标 志 , 判 断 是 否 启 动 系 统 。 ( 4 )定 时 器 T0 启 动 。T0 的 中 断 服 务 程 序 主 要 用 于 根 据 步 数 ,产 生 一 个 频 率可以改变的脉冲信号,调节步进电机的加减速过程。 ( 5 )调 速 。根 据 输 入 的 步 数 判 断 是 否 需 要 进 行 调 速 ,使 控 制 系 统 以 最 短 的 时间走完所规定的步数。 ( 6 ) 步 数 为 0 判 断 。 判 断 是 否 已 经 走 完 所 设 定 的 步 数 ,若 步 数 为 0 ,则 单 片 机 停 止 产 生 脉 冲 信 号 , 让 步 进 电 机 停 止 转 动 , 即 T0 停 止 计 数 。

4.3.2 主 程 序 工 作 流 程 图 主 程 序 工 作 流 程 图 如 图 4.2 所 示 。在 图 中 简 单 的 反 映 出 了 整 个 控 制 系 统 的 主程序工作流程。

4.3.3 定 时 器 T0 中 断 程 序 流 程 图 T0 中 断 流 程 图 如 图 4.3 所 示 。 T0 中 断 程 序 的 主 要 功 能 是 能 根 据 设 定 的 步 数 产 生 一 个 频 率 可 调 的 脉 冲 信 号 ,从 而 控 制 步 进 电 机 的 转 速 ,并 将 调 速 范 围 控 制 在 25 ~ 99 r/min 。

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开始

初始化

键盘扫描程序

Y 有按键按下? N 读入开关状态 按键处理程序

Y

是否复位? N 正转? Y P0.1=0 P0.1=1 N

是否启动? Y 启动定时器T0

N

T0停止计数

图 4.2 主 程 序 流 程 图

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T0中断服务程序

由speedflag求定 时初值

重装定时初值

一个周期? Y 步数减1程序

N

步数显示程序

步数为0? N N 步数大于100? Y speedflag减 1r/min speedflag 加 1r/min

Y

T0停止 计数

Y

speedflag小于 25 r/min ? N

speedflag大于 99 r/min ? N speedflag为 计算值

Y

speedflag=25 r/min

speedflag为 计算值

speedflag=99 r/min

中断返回

图 4.3 T0 中 断 服 务 程 序 流 程 图

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4.4 Proteus 仿 真
由 于 Proteus 软 件 本 身 优 良 的 仿 真 特 性 , 所 设 计 的 程 序 能 用 于 Proteus 中 , 完 成 仿 真 过 程 的 同 时 ,即 基 本 验 证 所 设 计 程 序 的 准 确 性 ,从 而 完 成 系 统 开 发 中 的 控 制 程 序 的 设 计 部 分 。 Proteus 仿 真 步 进 电 机 的 界 面 如 图 4.4 所 示 【 1 6 】。

图 4.4 Proteus 仿 真 界 面

为 了 防 止 步 进 电 机 启 动 时 发 生 失 步 ,需 要 先 以 一 个 比 较 低 的 频 率 启 动 ,用 Proteus 仿 真 步 进 电 机 启 动 过 程 可 以 看 到 单 片 机 的 P0.0 产 生 一 个 频 率 逐 渐 变 大 的 脉 冲 信 号 , 启 动 时 的 脉 冲 信 号 如 图 4.5 所 示 。 只 要 剩 余 的 步 数 是 大 于 100 , 单片机产生的脉冲信号的频率就会不断的变大,直到脉冲频率为设定的最大 值 , 步 进 电 机 就 会 以 恒 速 运 行 , 这 时 脉 冲 频 率 如 图 4.6 所 示 。 通 过 Proteus 软 件 的 仿 真 , 所 编 写 的 程 序 达 到 了 预 期 的 效 果 , 仿 真 实 现 了 程序的调试过程。

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图 4.5 启 停 时 的 脉 冲 频 率

图 4.6 高 恒 速 运 行 时 脉 冲 频 率

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4.5 显 示 程 序 设 计
单片机与显示电路的接法一般有如下两种方法: ( 1 ) 串 行 接 法 : 设 计 中 要 显 示 4 位 数 字 , 用 74LS164 作 为 显 示 驱 动 , 其 中 74LS164 带 锁 存 , 使 用 串 行 接 法 可 以 节 约 I/O 口 资 源 , 发送数据时容易控制。 ( 2 )并 行 接 法 :使 用 并 行 接 法 时 要 对 每 个 数 码 管 用 I/O 口 单 独 输 入 数 据 , 占用资源较多。 由于设计中用一块单片机进行控制,资源有限,故使用串行接法。另外, 74LS164 自 带 锁 存 , 起 到 节 约 I/O 口 资 源 的 作 用 。 当 串 行 口 工 作 在 方 式 0 时 , 串 行 移 位 脉 冲 CLOCK 从 TXD 引 脚 输 出 , 频 率 是 系 统 时 钟 频 率 fosc 的 12 分 频 ( 在 “ 6 时 钟 / 机 器 周 期 ” 模 式 下 , 移 位 脉 冲 频 率 是 时 钟 频 率 fosc 的 6 分 频 ) ;而 8 位 的 串 行 数 据 从 RXD 引 脚 输 出 。在 发 送 中 断 标 志 TI 为 0( 即 无 效 )的 情 况 下 ,执 行 写 串 行 数 据 输 出 缓 冲 器 SBUF 指 令 即 可 将 SBUF 寄 存 器 中 的 内 容 由 低 位 到 高 位 依 次 输 出 到 RXD 引 脚 , 同 时 TXD 引 脚 输 出 移 位 脉 冲 , 使 外 接 的 “ 串 入 并 出 ” 芯 片 逐 一 接 受 来 自 RXD 引 脚 上 的 串 行 数 据 。当 8 位 数 据 发 送 结 束 后 ,发 送 中 断 标 志 TI 自 动 置 1 ,输 出 数 据( 即 SBUF 寄 存 器 的 内 容 )也 就 出 现 在 74LS164 芯 片 的 并 行 输 出 端 。这 样 在 执 行 写 SBUF 寄 存 器 操 作 后 ,通 过 查 询 TI 标 志 来 确 定 发 送 过 程 是 否 完 成 ,当 发 送 完 成 后 需 要 将 TI 清 零 , 以 便 输 出 新 的 串 行 数 据 【 1 7 】。 本 程 序 将 步 数 存 放 在 一 个 一 维 数 组 dispbuf[] 中 ,将 其 作 为 显 示 缓 冲 区 ,个 位 在 前 ,千 位 在 后 。显 示 程 序 只 需 要 将 数 组 中 的 内 容 一 个 个 送 入 SBUF 寄 存 器 中,就可以实现步数的显示。

4.6 键 盘 程 序 设 计
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键 盘 的 控 制 方 式 一 般 有 程 控 扫 描 法 、定 时 扫 描 法 和 中 断 扫 描 法 ,本 程 序 采 用 程 序 扫 描 法 编 程 。此 模 块 的 功 能 是 判 断 是 否 有 键 按 下 ,没 有 按 键 按 下 则 去 执 行 其 他 程 序 ,有 键 按 下 则 延 时 去 抖 动 ,返 回 键 值 ,送 键 值 给 按 键 处 理 函 数 ,再 根 据 键 值 执 行 相 应 的 功 能 ,系 统 有 15 个 按 键 ,分 别 数 字 键 、启 动 键 、停 止 键 、 正 转 键 、反 转 键 、复 位 键 。由 于 系 统 所 需 的 按 键 数 较 多 ,为 减 少 键 盘 电 路 占 用 I/O 引 脚 数 目 , 故 采 用 矩 阵 键 盘 。 本 程 序 采 用 行 、 列 对 应 的 二 进 制 码 来 确 定 按 键 功 能 , 例 如 让 P1 输 出 0FEH , 如 果 第 一 按 键 按 下 时 , P1.0 与 P1.4 交 叉 点 对 应 的 键 码 为 0EEH ,第 二 个 按 键 为 0DEH ,第 三 个 按 键 为 0BEH ,第 四 个 按 键 为 7EH 。 通 过 查 询 P1 口 的 状 态 就 可 以 确 定 哪 个 按 键 按 下 , 确 定 按 键 按 下 后 再 进 行 相 应 的 功 能 处 理 即 可 。 其 它 按 键 编 码 及 功 能 定 义 如 表 4.1 所 示 。

表 4.1 按 键 的 功 能 与 相 应 键 码 的 定 义

键号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

功能 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

键码 0EEH 0DEH 0BEH 7EH 0EDH 0DDH 0BDH 7DH 0EBH 0DBH

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10 11 12 13 14 15

启动 停止 正转 反转 复位 未定义

0BBH 7BH 0E7H 0D7H 0B7H 77H

按 键 功 能 说 明 :本 程 序 的 数 字 按 键 用 于 设 定 步 进 电 机 的 运 行 步 数 ;启 动 停 止 按 键 用 于 控 制 步 进 电 机 的 启 动 与 停 止 ;正 反 转 按 键 用 于 控 制 步 进 电 机 的 正 反 转;复位按键用于当输入参数有误时,可通过复位按键重新输入参数。

4.7 调 速 程 序 设 计
4.7.1 20BY 步 进 电 机 参 数

表 4.2 20 BY 步 进 电 机 参 数

工作电 压 4.5V

步距角

工作力矩

最大静 电流

空载启动 频率 400 pps

空载运行 频率 500 pps

18 °

1/150 mN.m/pps

80

mA

4.7.2 步 进 电 机 转 速 与 频 率 的 关 系 步 进 电 机 是 机 电 控 制 中 一 种 常 用 的 执 行 机 构 ,它 的 用 途 是 将 电 脉 冲 转 化 为 角 位 移 ,通 俗 地 说 :当 步 进 驱 动 器 接 收 到 一 个 脉 冲 信 号 ,它 就 驱 动 步 进 电 机 按 设 定 的 方 向 转 动 一 个 固 定 的 角 度( 步 进 角 )。通 过 控 制 脉 冲 个 数 即 可 以 控 制 角 位 移 量 ,从 而 达 到 准 确 定 位 的 目 的 ;由 于 步 进 电 机 的 速 度 与 脉 冲 频 率 成 正 比 关
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系,通过控制脉冲频率就可以控制步进电机转动的速度。 本 系 统 将 步 进 电 机 的 最 高 速 度 设 定 为 99 r/min , 最 低 转 速 设 定 为 25 r/min( 启 动 速 度 ) 。 由 于 所 选 的 步 进 电 机 的 步 距 角 为 18 °, 转 一 圈 需 要 360 ° /18 ° =20 个 脉 冲 ,设 转 速 为 N ,则 每 分 钟 需 要 的 脉 冲 个 数 为 20N 个 脉 冲 ,每 个 脉 冲 的 周 期 为 (单 步 时 间 )【 18】 : T=1/20N( min )=60/20N( s )=60 × 1000000/20N( us )=3000000/N( us ) 定 时 器 T0 的 定 时 时 间 为 : T1=T/2 T0 的 计 数 初 值 : Tx=65536-fosc × T1/12 =65536-12 × T1/12 =65536-T/2 =65536-1500000/N 由 上 式 可 以 算 出 每 个 转 速 对 应 T0 的 计 数 初 值 , 例 如 转 速 为 25 r/min 时 对 应 的 T0 的 计 数 初 值 为 Tx=65536-1500000/25=5536 ; 转 速 为 99 r/min 时 对 应 的 T0 计 数 初 值 为 Tx=65536-1500000/99=50384 ; 其 它 转 速 对 应 T0 的 计 数 初 值 如 附录 B 所示。 由 于 步 进 电 机 的 转 速 正 比 于 脉 冲 频 率 ,所 以 调 速 时 只 需 把 每 个 速 度 对 应 数 组 中 的 定 时 初 值 取 出 来 , 作 为 定 时 器 T0 的 计 数 初 值 , 这 样 就 可 以 让 单 片 机 输 出不同的频率,从而改变转速。

4.8 本 章 小 结
本 章 首 先 介 绍 了 软 件 设 计 原 则 , 其 次 介 绍 了 主 程 序 、 T0 中 断 程 序 、 调 速 程 序 、 显 示 程 序 等 程 序 的 设 计 。 编 写 出 详 细 的 C 语 言 程 序 , 并 用 Proteus 软 件 进行程序的调试。完整的程序如附录 A 所示。

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第五章 结束语
经 过 几 个 月 的 努 力 , 终 于 完 成 了 基 于 AT89C51 单 片 机 的 步 进 电 机 控 制 系 统 软 硬 件 的 研 究 和 设 计 。通 过 这 次 设 计 ,加 深 对 单 片 机 控 制 系 统 的 了 解 。将 所 学的理论知识应用到实践中,在系统的设计中做了如下的工作。 1、 查 阅 相 关 资 料 。 根 据 课 题 要 求 查 阅 资 料 , 然 后 在 老 师 的 指 导 下 , 有 针 对性地学习相关知识,对资料进行消化和吸收。 2 、根 据 系 统 的 要 求 确 定 控 制 系 统 的 总 体 设 计 方 案 。系 统 以 AT89C51 单 片 机 为 控 制 核 心 ,并 设 计 相 应 的 接 口 电 路 ,包 括 环 形 脉 冲 分 配 器 、键 盘 电 路 、显 示电路、步进电机的驱动电路等。 3、 编 写 应 用 程 序 。 软 件 是 根 据 控 制 系 统 的 要 求 设 计 的 , 包 括 主 程 序 的 设 计 、 T0 中 断 程 序 设 计 、 键 盘 显 示 程 序 设 计 、 调 速 程 序 设 计 等 程 序 的 设 计 。 4 、 用 keil 软 件 完 成 程 序 的 编 写 和 调 试 , 并 用 Proteus 软 件 进 行 系 统 仿 真 。 论 文 采 用 单 片 机 技 术 ,使 单 片 机 能 根 据 设 定 的 步 数 ,实 现 步 进 电 机 的 自 动 调 速 控 制 ,并 同 过 数 码 管 显 示 步 进 电 机 的 运 行 步 数 ,完 成 对 控 制 系 统 的 硬 件 电 路 和 应 用 软 件 设 计 。论 文 虽 然 完 成 了 系 统 的 设 计 ,但 由 于 开 发 经 验 不 足 ,系 统 一 定 存 在 不 妥 之 处 ,尤 其 是 步 进 电 机 的 应 用 方 面 有 待 进 一 步 的 研 究 和 探 讨 。论 文中的不足之处敬请老师批评指正。

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参考文 献
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14. 郭 天 祥 . 新 概 念 51 单 片 机 C 语 言 教 程 [M] , 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 ,2009. 15. 李 华 .MCS - 51 系 列 单 片 机 实 用 接 口 技 术 [M]. 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 1993 , 12-53. 16. 杨 宏 , 李 国 辉 . 基 于 Proteus 与 单 片 机 的 步 进 电 机 控 制 设 计 [J] , 现 代 电 子 技 术 , 2010 , (5) , 104-109. 17. 张 立 科 .8051 系 列 单 片 机 C 程 序 设 计 完 全 手 册 [M], 北 京 :人 民 邮 电 出 版 社 , 2006 , 543-546. 18. 张 大 明 . 单 片 微 机 控 制 应 用 技 术 实 操 指 导 书 [M] , 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 2007.

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附录
附 录 A 系 统 程 序 ( C) #include <reg52.H> unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71}; /***************** 转 速 表 步 距 角 为 18 °晶 振 为 12M*****************/ unsigned int code speed[]={ 5536,7844,9980,11965,13812,15536, 17149,18861,20081,21418,22679, 23869,24995,26062,27074,28036, 28951,29822,30652,31445,32203, 32927,33621,34286,34924,35536, 36124,36690,37234,37758,38263, 38750,39220,39674,40112,40536, 40946,41342,41726,42099,42549, 42809,43148,43477,43797,44107, 44409,44703,44988,45266,45536, 45799,46055,46305,46549,46786, 47017,47243,47464,47679,47889, 48094,48295,48491,48682,48869, 49052,49232,49407,49579,49747, 49911,50072,50230,50384}; //86-95 r/min //96-99 r/min //76-85 r/min //66-75 r/min //56-65 r/min //46-55 r/min //36-45 r/min //25-35 r/min // 包 含 头 文 件 REG52.H // 段 码

bit bit

state; rest;

// 停 止 启 动 标 志 位 // 复 位 标 志 位

sbit clk=P0^0; sbit zf=P0^1; sbit led1=P2^0;
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// 脉 冲 信 号 输 出 // 正 反 转 控 制 信 号 // 正 转 指 示 灯

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sbit led2=P2^1; sbit led3=P2^2; sbit led4=P2^3; sbit led5=P2^4; sbit led6=P2^5; unsigned char dispbuf[]={0,0,0,0}; unsigned char key; unsigned char keycount; unsigned char count,count1; unsigned char speedflag; unsigned char speedtemp;

// 反 转 指 示 灯 // 停 止 指 示 灯 // 启 动 指 示 灯 // 连 续 运 行 指 示 灯 // 单 步 运 行 指 示 灯 // 显 示 缓 冲 区 // 记 录 数 字 按 键 的 次 数 // 周 期 记 录 // 速 度 控 制

/****************************** 位 交 换 函 数 **************************/ // 用 于 从 键 盘 输 入 步 数 时 , 每 输 入 一 个 数 就 将 高 低 位 进 行 交 换 并 送 入 显 示 缓 区 void change(unsigned char *p,unsigned char count) { while(count>0) { *(p+count)=*(p+count-1); count--; } } /***************************Xms 延 时 函 数 *************************/ // 用 与 产 生 任 意 ms 延 时 时 间 void delay(unsigned int ms) { unsigned int i,j; for (j=0;j<ms;j++) for (i=0;i<120;i++); }

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/***************************** 显 示 函 数 ****************************/ void display(void) { unsigned char i; for(i=0;i<4;i++) { SBUF=table[dispbuf[i]]; while(!TI); TI=0; } } // 判 断 数 据 是 否 发 送 完 // 软 件 清 0 // 发 送 4 位 数 据

/************************** 初 始 化 函 数 ****************************/ // 功 能 :对 T0 、中 断 进 行 初 始 化 ,同 时 对 步 进 电 机 状 态 和 数 码 管 显 示 进 行 初 始 // 化 void init(void) { TMOD=0x01; TH0=(65536-60000) / 256; TL0=(65536-60000) % 256; dispbuf[0]=0; dispbuf[1]=0; dispbuf[2]=0; dispbuf[3]=0; IE=0x82; rest=0; state=0; keycount=0; speedflag=25; P2=0x00; zf=0; led1=1; led3=1;
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// 允 许 T0 、 INT0 和 INT1 中 断 // 不 复 位 // 停 止 // 允 许 输 入 步 数

// 正 转 控 制 // 正 转 指 示 灯 // 停 止 指 示 灯

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display(); }

// 初 始 化 状 态 显 示

/************************* 数 字 按 键 处 理 函 数 *************************/ // 功 能 : 判 断 是 否 为 数 字 按 键 , 若 为 数 字 按 键 则 调 用 位 交 换 行 数 , 并 送 显 示 缓 // 冲 区 void keypro(void) { if((key>=0)&(key<10)) { if(keycount<4) { change(dispbuf,keycount); dispbuf[0]=key; keycount++; display(); } else keycount=4; } } /************************** 判 断 按 键 是 否 松 开 ************************/ void keyloosen(void) { unsigned char temp; temp=P1; temp=temp&0xf0; while(temp!=0xf0) { temp=P1; temp=temp&0xf0;
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// 判 断 按 键 是 否 为 数 字 按 键

// 调 用 位 交 换 函 数

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} } /***************************** 键 盘 扫 描 函 数 *************************/ // 功 能 : 根 据 键 值 执 行 相 应 的 功 能 ,按 键 功 能 包 或 0 ~ 9 的 数 字 按 键 、启 动 按 键 、 // 停 止 按 键 、 正 转 按 键 、 反 转 按 键 、 复 位 按 键 ( 用 于 当 输 入 有 误 时 对 输 入 状 态 // 进 行 复 位 ) void keyscan(void) { unsigned char temp; P1=0xfe; temp=P1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) { delay(15); temp=P1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) { temp=P1; temp=temp&0xf0; switch(temp) { case 0xe0: key=0; break; case 0xd0: key=1; break; case 0xb0: key=2;
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//0

//1

//2

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break; case 0x70: key=3; break; default: key=20; break; } keypro(); // 调 用 数 字 按 键 处 理 函 数 // 多 个 按 键 同 时 按 下 时 该 次 按 键 无 效 //3

} keyloosen(); // 判 断 按 键 是 否 松 开

}

P1=0xfd; temp=P1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) { delay(15); temp=P1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) { temp=P1; temp=temp&0xf0; switch(temp) { case 0xe0: key=4;
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//4

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break; case 0xd0: key=5; break; case 0xb0: key=6; break; case 0x70: key=7; break; default: key=20; break; } keypro(); // 调 用 数 字 按 键 处 理 函 数 // 多 个 按 键 同 时 按 下 时 该 次 按 键 无 效 //7 //6 //5

} keyloosen(); // 判 断 按 键 是 否 松 开

} P1=0xfb; temp=P1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) { delay(15); temp=P1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) { temp=P1;
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temp=temp&0xf0; switch(temp) { case 0xe0: key=8; break; case 0xd0: key=9; break; case 0xb0: key=10; state=1; break; case 0x70: key=11; state=0; break; default: key=20; break; } keypro(); // 调 用 数 字 按 键 处 理 函 数 // 多 个 按 键 同 时 按 下 时 该 次 按 键 无 效 // 置 启 动 状 态 标 志 位 为 0 // 停 止 按 键 // 置 启 动 状 态 标 志 位 为 1 // 启 动 按 键 //9 //8

} keyloosen(); // 判 断 按 键 是 否 松 开

} P1=0xf7; temp=P1; temp=temp&0xf0;
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if(temp!=0xf0) { delay(15); temp=P1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) { temp=P1; temp=temp&0xf0; switch(temp) { case 0xe0: led1=1; led2=0; zf=0; break; case 0xd0: led1=0; led2=1; zf=1; break; case 0xb0: rest=1; break; case 0x70: break; } } keyloosen(); // 判 断 按 键 是 否 松 开 // 连 续 运 行 按 键 // 复 位 按 键 // 置 复 位 状 态 位 为 1 // 反 转 按 键 // 正 转 指 示 灯 灭 // 反 转 指 示 灯 亮 // 反 转 控 制 信 号 // 正 转 按 键 // 正 转 指 示 灯 亮 // 反 转 指 示 灯 灭 // 正 转 控 制 信 号

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} } /************************** 调 速 范 围 控 制 函 数 ************************/ // 功 能 : 调 速 范 围 控 制 在 25-99 r/min , 防 止 步 进 电 机 因 速 度 太 高 发 生 失 步 void speedrange(void) { if(speedflag<=25) speedflag=25; else { if(speedflag>=99) speedflag=99; } } /***************************** 调 速 函 数 *****************************/ // 功 能 : 根 据 输 入 的 步 数 是 否 大 于 100 , 再 确 定 是 否 需 要 进 行 调 速 , 若 步 数 大 // 于 100 ,则 加 速 ,当 步 数 小 于 100 后 就 减 速 ;当 输 入 步 数 小 于 100 ,则 以 最 低 // 设 定 的 最 低 速 度 运 行 void changespeed(void) { if((dispbuf[3]==0)&(dispbuf[2]==0)) // 判 断 千 位 和 十 位 是 否 都 为 0, 即 步 数 // 是 否 小 于 100 speedflag--; else speedflag++; speedrange(); } /*************************** 步 数 减 一 函 数 ***************************/
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// 步 数 小 于 100 减 速 // 步 数 大 于 100 加 速 // 判 断 是 否 超 出 调 速 范 围

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void stepdec(void) { if(dispbuf[0]==0) { if((dispbuf[1]!=0)|(dispbuf[2]!=0)|(dispbuf[3]!=0)) { dispbuf[0]=9; if(dispbuf[1]==0) { if((dispbuf[2]!=0)|(dispbuf[3]!=0)) { dispbuf[1]=9; if(dispbuf[2]==0) { if(dispbuf[3]!=0) dispbuf[2]=9; if(dispbuf[3]!=0) dispbuf[3]=dispbuf[3]-1; } else dispbuf[2]=dispbuf[2]-1; } } else dispbuf[1]=dispbuf[1]-1; } } else dispbuf[0]=dispbuf[0]-1; display(); } /******************* 停 止 判 断 函 数 , 判 断 步 数 是 否 为 0*******************/
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void stop(void) { if(dispbuf[3]==0) if(dispbuf[2]==0) if(dispbuf[1]==0) if(dispbuf[0]==0) { TR0=0; state=0; keycount=0; } } /**************************** 主 函 数 ********************************/ void main(void) { init(); while(1) { keyscan(); if(rest==1) init(); if(state==1) { TR0=1; led4=1; led3=0; // 启 动 定 时 器 T0 // 亮 启 动 指 示 灯 // 灭 停 止 指 示 灯
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// 判 断 千 位 是 否 为 0 // 判 断 百 位 是 否 为 0 // 判 断 十 位 是 否 为 0 // 判 断 个 位 是 否 为 0 // 定 时 器 T0 停 止 计 数 // 停 止 标 志 位 // 停 止 后 允 许 输 入 步 数

// 调 用 初 始 化 函 数

// 调 用 键 盘 扫 描 函 数 // 判 断 是 否 复 位

// 判 断 是 否 启 动

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} else { TR0=0; led3=1; led4=0; } } } /*********************** 定 时 器 T0 启 动 中 断 函 数 **********************/ void t0(void) interrupt 1 { speedtemp=speedflag-25; TH0=speed[speedtemp]/ 256; TL0=speed[speedtemp]% 256; count1++; clk=~clk; count++; if(count==2) { count=0; stepdec(); stop(); changespeed(); } } // 调 用 步 数 减 一 函 数 // 调 用 停 止 判 断 函 数 // 调 用 调 速 函 数 // 一 个 周 期 走 一 步 // 定 时 器 T0 停 止 计 数 // 亮 停 止 指 示 灯 // 灭 启 动 指 示 灯

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附 录 B 20BY 步 进 电 机 转 速 与 定 时 器 定 时 常 数 关 系 表
转速 r/min 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 120000 115384.6154 111111.1111 107142.8571 103448.2759 100000 96774.19355 93750 90909.09091 88235.29412 85714.28571 83333.33333 81081.08108 78947.36842 76923.07692 75000 73170.73171 71428.57143 69767.44186 68181.81818 66666.66667 65217.3913 63829.78723 62500 61224.4898 60000 58823.52941 57692.30769 56603.77358 55555.55556 周 期 T(us) 定时器计算初值 ( 65536-T/2 ) 5536 7843.692308 9980.444444 11964.57143 13811.86207 15536 17148.90323 18661 20081.45455 21418.35294 22678.85714 23869.33333 24995.45946 26062.31579 27074.46154 28036 28950.63415 29821.71429 30652.27907 31445.09091 32202.66667 32927.30435 33621.10638 34286 34923.7551 35536 36124.23529 36689.84615 37234.11321 37758.22222
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定时初值四舍五 入 5536 7844 9980 11965 13812 15536 17149 18661 20081 21418 22679 23869 24995 26062 27074 28036 28951 29822 30652 31445 32203 32927 33621 34286 34924 35536 36124 36690 37234 37758

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55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88

54545.45455 53571.42857 52631.57895 51724.13793 50847.45763 50000 49180.32787 48387.09677 47619.04762 46875 46153.84615 45454.54545 44776.1194 44117.64706 43478.26087 42857.14286 42253.52113 41666.66667 41095.89041 40540.54054 40000 39473.68421 38961.03896 38461.53846 37974.68354 37500 37037.03704 36585.36585 36144.57831 35714.28571 35294.11765 34883.72093 34482.75862 34090.90909

38263.27273 38750.28571 39220.21053 39673.93103 40112.27119 40536 40945.83607 41342.45161 41726.47619 42098.5 42459.07692 42808.72727 43147.9403 43477.17647 43796.86957 44107.42857 44409.23944 44702.66667 44988.05479 45265.72973 45536 45799.15789 46055.48052 46305.23077 46548.65823 46786 47017.48148 47243.31707 47463.71084 47678.85714 47888.94118 48094.13953 48294.62069 48490.54545
60

38263 38750 39220 39674 40112 40536 40946 41342 41726 42099 42459 42809 43148 43477 43797 44107 44409 44703 44988 45266 45536 45799 46055 46305 46549 46786 47017 47243 47464 47679 47889 48094 48295 48491

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89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99

33707.86517 33333.33333 32967.03297 32608.69565 32258.06452 31914.89362 31578.94737 31250 30927.83505 30612.2449 30303.0303

48682.06742 48869.33333 49052.48352 49231.65217 49406.96774 49578.55319 49746.52632 49911 50072.08247 50229.87755 50384.48485

48682 48869 49052 49232 49407 49579 49747 49911 50072 50230 50384

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附录 C 控制系统电路图

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致谢
在 论 文 完 成 之 际 ,谨 向 给 予 我 指 导 和 支 持 的 老 师 、同 学 表 示 我 最 真 挚 的 谢 意! 感谢尊敬的贾玉瑛老师,在她的精心指导下我的论文才得以顺利地完成。 贾 玉 瑛 老 师 工 作 认 真 ,知 识 渊 博 、治 学 严 谨 是 我 学 习 的 榜 样 。在 设 计 中 贾 老 师 给 予 我 很 多 宝 贵 的 指 导 意 见 ,使 我 对 单 片 机 的 学 习 有 了 突 飞 猛 进 的 提 高 ,对 课 题的顺利完成有很大的帮助。 同 时 忠 心 感 谢 学 校 和 在 大 学 期 间 教 导 我 的 每 一 位 老 师 ,在 他 们 的 耐 心 教 导 下我才能掌握好专业知识,学会为人处世的道理。 最 后 感 谢 我 的 父 母 ,在 他 们 的 关 怀 和 支 持 下 我 才 能 健 康 成 长 和 顺 利 完 成 学 业,父母的养育之恩永远记在我的心里。

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