毕业设计（论文）开题报告 -串行显示的步进电机单片机控制系统设计.doc

沈阳工业大学本科生毕业设计开题报告毕业设计题目：串行显示的步进电机单片机控制系统 学 院： 工程学院 专业班级： 电气工程及自动化 学生姓名： 指导教师： 2007年4月13日串行显示的步进电机单片机控制系统一、设计意义、任务要求及最后达到的目标1.课题的意义：现在很多领域中人们对电机的控制要求不只是转速和转矩，而是有了更高的要求。比如说打印机，绘图仪，机器人，等等设备要求能够控制电机转动的角度。在以前不论是支流电机还是交流电机都很难满足要求，而步进电机的特性使它完全满足要求。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。凭借这些特性使得步进电机在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。我的这个设计就是要做一个步进电机的控制系统。我使用的是单片机来控制步进电机。单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。弹片机是二十世纪七十年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集cpu、ram、bom、i/o接口和中断系统于同一硅片的器件。二十世纪八十年代以来，弹片机发展迅速，出现了许多高性能新型机种，已经成为工厂自动化和各控制领域的支柱。我国开始使用单片机是在1982年，短短五年时间里发展极为迅速。1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界，在2003年7月，91（91猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为何有这样的魔力？我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（cpu）、随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、输入/输出端口（i/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能ic卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达13亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。2.设计任务及要求：这个设计的主要任务是使用单片机控制步进电机的启动，加速，减速，停车等各种状态。3.课题达到的目的：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（及步进角）。而且调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速，因此非常适合于单片机控制。通过读取显示器上显示的正、反转命令，转速和转动步数后步进电机转动，转动步数减为零时停止转动。二、设计方案1.步进电机的特点步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称vr）、永磁式步进电机（简称pm）和混合式步进电机（简称hb）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为a-b-cd,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制a,b,c,d相的通断。 控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2.设计思想本设计采用8 位单片机8751对步进电机进行控制，通过io口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片驱动步进电机；同时，用 2x8的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74ls164作为5位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号。3.方案论证 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动。 使用多个功率放大器件驱动电机，这种方法的特点是驱动电路的设计简单，减少了芯片的使用数量。能够更稳定的驱动大部分型号的步进电机。 显示系统方案一：并行显示并行显示的特点是可以一次输出需要显示的一个数字，不易出现闪烁现象。但缺点是占用了太多的数据端口，使用静态显示每一位需要一个八位的数据端口，如果要显示五位数字据需要四十个引脚。使用动态显示也需要八个以上的引脚。方案二：串行显示串行显示的特点是节约cpu的引脚，只需要三个引脚就能显示少则几位多则十几位的数字。缺点是容易出现闪烁现象，但是可以使用特殊的电路链接了来避免。所以我选中了方案二。 键盘方案一：编码键盘编码键盘通过硬件电路产生被按键的键码和一个选通脉冲。选通脉冲可以作为cpu的中断请求信号，以通知cpu以中断方式接受所按按键的键码。这种键盘使用简单，但硬件电路复杂，常不采用。方案二：非编码键盘非编码键盘根据系统所需键的多少排列成xy的行列式矩阵，分别接到系统的i/o接口上，再配合软件的扫描方式进行工作，来确定是否有键按下。这种方法比较常用，所以我选择了这种键盘3.硬件设计框图图2 硬件结构框图上图是本次设计的硬件结构框图。由此图可知，这个控制系统使用了8751h作为cpu。通过端口扩展芯片8255链接了一个非编码键盘。使用串入并出的译码芯片74ls164作为显示译码芯片。4.软件设计流程图本程序主要由键盘程序、显示器程序、步进电机驱动程序三部份组成，主程序首先初始化各变量，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，然后调用键盘程序，并作判断，如果有键按下，则调用键盘处理程序，否则直接转下一步。下一步是将当前的转速值转换为bcd码，送入显示缓冲区。步进电机的驱动工作是在住程序中实现的，需要将p1.4p1.7依次接通，在主程序初始化时，该变量被赋予初值 11110111b，进入到定时中断以后，将该变量取出送acc累加器，并在累加器中进行左移，这样，该数值就变为1110 1111，然后将该数与p1 相“与”，此时，p1.4即输出低电平。不断循环这个过程就可以使步进电机转动。开始初始化各参量初始化8255起始转速送入计数器查看键盘程序 有键盘按下？ y y运行键盘扫描程序运行显示程序结束 图2 主程序流程图三、课题进度安排周 次课 题 安 排1熟悉设计任务，进行总体方案设计，英文资料翻译2开题报告3熟悉8155，完成8051与8155的连接4看门狗电路设计，上交外文翻译5熟悉步进电机控制系统，完成单片机和步进电机接口电路6显示系统设计、上交开题报告7键盘设计，电源电路设计8 主程序设计9键盘扫描程序设计10显示程序设计11数字键处理程序，功能键处理程序12软件综合调试13软件综合调试14撰写毕业设计论文15撰写毕业设计论文16上交材料，准备答辩参考文献1 胡汉才 单片机原理及其接口技术 m 北京：清华大学出版社 19962 余永权 汪明慧 黄英 单片机在控制系统中的应用 m 北京：电子工业出版社 19953 冯博琴主编 微型计算机原理与接口技术 m 北京：清华大学出版社 19914 徐惠德 安德宁 单片微型计算机原理、接口、应用 m 北京：北京邮电大学出版社 19905 黄正瑾 在系统编程技术及其应用 m 南京：东南大学出版社 19906 中国集成电路大全编委会 中国集成电路大全-ttl电路 m 北京：国防工业出版社 19777 中国集成电路大全编委会 中国集成电路大全-cmos电路 m 北京：国防工业出版社 19778 eannichols,k,r.musson 杨润生，何诚译.微型计算机数据通信 m 北京：人民邮电出版社 19899 高鹏 安涛 protel 99入