山东建筑大学计算机控制技术课程设计.doc

山东建筑大学信电学院课程设计说明书 目录目录 1 设计任务及要求 1 2 方案比较及选择 1 2 1 电机驱动选择方案 1 2 2 LED 显示选择方案 1 2 3 按键状态的读取 2 3 系统实现的原理 2 3 1 步进电机控制工作原理 2 3 1 1 步进电机的启停控制 2 3 1 2 步进电机的转向控制 2 3 2 系统设计思路 2 3 3 系统的整体框图 3 4 系统的硬件设计 4 4 1 总体设计 4 4 2 步进电机控制电路 5 4 2 1 启 停控制 正 反转控制 工作模式控制电路分析 5 4 2 2 步进电机控制电路 5 4 3 显示电路 6 4 3 1 发光二极管显示电路 6 4 3 2 八段数码管显示电路 7 5 系统软件设计 8 5 1 总体设计 8 5 1 1 步进电机的工作方式 8 5 1 2 系统总体流程图 9 5 2 关键模块设计 11 5 2 1 三相步进电机模块设计 11 5 2 2 显示模块设计 12 6 小结及体会 13 附录 14 参考文献 16 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 1 三相步进电机控制系统的设计 1 1 设计任务及要求设计任务及要求 设计一个三相步进电机控制系统 要求系统具有如下功能 用 K0 K2 做为通 电方式选择键 K0 为三相单三拍 K1 为三相双三拍 K2 为三相六拍 K3 为启 动 停止控制 K4 方向控制 用 4 位 LED 数码管显示工作步数 用 3 个发光二 极管显示状态 正转时红灯亮 反转时黄灯亮 不转时绿灯亮 2 2 方案比较及选择方案比较及选择 2 1 电机驱动选择方案电机驱动选择方案 方案 1 使用功率三极管等电子器件搭建成功率驱动电路来驱动电机的运 行 优点是电路简单 但信号不够稳定 器件较大而不便电路的集成 方案 2 使用专门的电机驱动芯片 ULN2004A 来驱动电机运行 其优点是 便于电路的集成 且驱动简单 驱动信号稳定 不受外部干扰 通过对方案的比较 我选择使用电机驱动芯片来作为驱动 2 2 LED 显示选择方案显示选择方案 方案 1 把所要显示的数据通过专用的七段显示芯片的转换输出给 LED 显 示屏 其优点是输出简单 可以简化程序 但增加了芯片的费用 方案 2 通过软件把所要的数据转化为七段显示的数据 直接通过单片机 接口来显示 其优点是简化了电路 但增加了软件编写的负担 通过对方案的比较 我选择通过软件编写来输出显示信号 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 2 2 3 按键状态的读取按键状态的读取 方案 1 把按键接到单片机的中断口 若有按键按下 单片机接收到中断信 号 再通过软件编写的中断程序来执行中断 优点是接线简单 简化了电路 但软件编写较为复杂 不易掌握 方案 2 不使用中断 直接把开关分别接在单片机的接口上 通过查询端口 信号来动作 其优点是程序得到简化 可读性加强 通过对方案的比较 我选择通过查询方式来读取端口信号 3 3 系统实现的原理系统实现的原理 3 1 步进电机控制工作原理步进电机控制工作原理 3 1 13 1 1 步进电机的启停控制步进电机的启停控制 步进电机由于其电气特性 运转时会有步进感 即振动感 为了使电机转动 平滑 减小振动 可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 可 以减小步进电机的步进角 提高电机运行的平稳性 在步进电机停转时 为了 防止因惯性而使电机轴产生顺滑 则需采用合适的锁定波形 产生锁定磁力矩 锁 定步进电机的转轴 使步进电机的转轴不能自由转动 3 1 23 1 2 步进电机的转向控制步进电机的转向控制 如果给定工作方式正序换相通电 步进电机正转 若步进电机的励磁方式 为三相六拍 即 A AB B BC C CA 如果按反序通电换相 即则电机就反转 其他方式情况类似 3 23 2 系统设计思路系统设计思路 此次我们所设计的是一个步进电机控制系统 主要由单片机 80C51 3 相步 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 3 进电机 7 段数码管 及一些其他相关元件设计而成 可以通过开关来控制系 统的启 停工作 当系统运转时 用开关来控制方向 并使相应的指示灯亮起 同样由开关来选择工作模式 运转时 用 4 位 7 段数码管来输出步数 最后根 据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件 3 33 3 系统的整体框图系统的整体框图 80c51 单 片机整体 控制 LED 显示模 块 开关选择 电机工作 模式 LED 显示 灯显示电 机工作状 态 三相步 进电机 模块 图 1 系统的整体框图 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 4 4 4 系统的硬件设计系统的硬件设计 4 1 总体设计总体设计 设计一个单片机三相步进电机控制系统要求系统具有如下功能 1 用 K0 K2 做为通电方式选择键 K0 为单三拍 K1 为双三拍 K2 为 三相六拍 2 K3 K4 分别为启动和方向控制 3 正转时红色指示灯亮 反转时黄色指示灯亮 不转时绿色指示灯亮 4 用 4 位 LED 显示工作步数 根据设计要求用 PROTEUS 所做的硬件连线图如下图 1 图 2 总体硬件连线 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 5 4 24 2 步进电机控制电路步进电机控制电路 4 2 14 2 1 启启 停控制 正停控制 正 反转控制 工作模式控制电路分析反转控制 工作模式控制电路分析 原理图如下 图 3 按键控制图 1 K3 为启 停控制开关 控制整个系统的开启和关闭 2 K4 为正 反转控制开关 控制步进电机的转向 3 K0 K3 为工作模式控制开关 KO 接电时 为步进电机单三拍工作模式 K1 接电时 为步进电机双三拍工作模式 K2 接电时 步进电机工作模式为三 相六拍 4 2 24 2 2 步进电机控制电路步进电机控制电路 将 80c51 的 P1 0 P1 3 作为步进电机的输出控制口 原理图如下 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 6 图 4 步进电机的输出控制口 4 34 3 显示电路显示电路 4 3 14 3 1 发光二极管显示电路发光二极管显示电路 用 3 个不同颜色的发光二极管来作为指示灯显示 将 P3 5 接红灯 P3 6 接黄 灯 P3 7 接绿灯 正转时红色指示灯亮 反转时黄色指示灯亮 不转时绿色指 示灯亮 并加上 3 个保护电阻 原理图如下 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 7 图 5 指示灯接线图 4 3 24 3 2 八段数码管显示电路八段数码管显示电路 由 80c51 的 P0 口取出显示码 从 80c51 的 P2 0 P2 3 输出位选码 设计中我们 主要用到 4 位显示步数既可 原理图如下 图 6 LED 接线图 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 8 5 5 系统软件设计系统软件设计 5 15 1 总体设计总体设计 5 1 15 1 1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式 1 三相单三拍工作方式 在这种工作方式下 A B C 三相轮流通电 电流切换三次 磁场旋转一周 转 子向前转过一个齿距角 因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式 这时步 距角 b 度 为 b 360 mz 公式 1 式中 m 定子相数 z 转子齿数 单三拍的数学模型 控制位 步序 P1 7P1 6P1 5P1 4P1 3P1 2 C 相 P1 1 B 相 P1 0 A 相 工作 状态 控制 模型 100000001A01H 200000010B02H 300000100C04H 表 1 2 三相六拍工作方式 在这种工作方式下 绕组以 A AB B BC C CA A 时序 或反时序 转 换 6 次 磁场旋转一周 转子前进一个齿距 每次切换均使转子转动 1 5 故这种 通电方式称为三相六柏工作方式 其步距角 b 为 b 360 2mz 180 mz 公式 2 六拍的数学模型 控制位 步序 P1 7P1 6P1 5P1 4P1 3P1 2 C 相 P1 1 B 相 P1 0 A 相 工作 状态 控制 模型 100000001A01H 200000011AB03H 300000010B02H 400000110BC06H 500000100C04H 600000101CA05H 表 2 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 9 3 双三拍工作方式 这种工作方式每次都是有两相导通 两相绕组处在相同电压之下 以 AB BC CA AB 或反之 方式通电 故称为双三拍工作方式 以这种方式通电 转子 齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置 它的步距角计 算公式与单三拍时的公式相同 极分度角 齿距角 R k 1 m 进一步化简得齿数 z z q mR k 公式 3 式中 m 相数 q 每相的极数 k m 1 的正整数 R 正整数 为 0 1 2 3 双三拍的数学模型 控制位 步序 P1 7P1 6P1 5P1 4P1 3P1 2 C 相 P1 1 B 相 P1 0 A 相 工作 状态 控制 模型 100000011AB03H 200000110BC06H 300000101CA05H 表 3 5 1 25 1 2 系统总体流程图系统总体流程图 设计说明 首先复位单片机 然后从 P3 口读出开关状态 判断是否启动 没启动绿灯亮重新确认启动 启动后再次读取 P3 口数据 判断工作方式并将对 应的用来存储步进电机工作方式字的数组首地址值给 q 由 P3 4 口的双向开关 来控制步进电机的正反转 如果是正转则红灯亮 反转则绿灯亮 在电机每走 一步后 步数记数加 1 然后通过 LED 显示把工作步数显示出来 再从 P3 口把 状态信息读出来 与之前的 P3 口的状态信息进行比较 如果状态信息没有改变 电机继续运行 如果状态信息改变了 就需要重新返回程序的开端 对电机的 运行状态进行判断 让电机重新以新的状态运行 由此 开关的状态在电机每 走一步都会查询一遍 做到实时地反映 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 10 N N Y Y 单片机 80c51 给步进电机复位 启动 绿灯亮 N 判断工作方式 q 存储方式字地址指 针 b 正向控制模型指针 P3 4 1 正转 反转 红灯亮 黄灯亮 延时 且模型地址加 1 总步数加 1 显示总步数 P3 口状态是否改 变 b 反向控制模型地址 P1 口输出控制模型 Y 重新启动 P3 0 1 P3 1 1 P3 2 1 N N N Y 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 11 图 7 总体流程图 5 25 2 关键模块设计关键模块设计 5 2 1 5 2 1 三相步进电机模块设计三相步进电机模块设计 设计说明 在此设计中 采用的是三相步进电机 对于步进电机模块的程序 设计采用循环程序设计方法 先把正反转向的控制模型存放在内存单元中 然 后再逐一从单元中取出控制模块并输出 首先启动 选择步进电机的拍数 输 入步数 然后读入正反转的控制模型驱动步进电机转动 三相步进电机的流程框图 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 12 三相步进电机控制程序 是正转吗 b 反向控制模型地址 N 取控制模型 输出控制模型 延时 模型地址 1 N Y N Y b 正向控制模型指针 控制模型 00H 吗 初始化 图 8 三相步进电机的流程框图 5 2 25 2 2 显示模块设计显示模块设计 设计说明 显示模块是用 4 位八段数码管来显示工作步数 先将显示码存入 数组中 指向最左边一位 然后取出要显示的数据 指向换码表首地址 取出 显示码 从 P0 口输出显示码 P2 口输入位选码 显示出 4 位工作步数 最后 修改数组地址 求下一位位选码继续显示 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 13 动态显示子程 序 取出要显示的数据 求待显示数据的显示 码 送位段码到 P0 口输出 送位显码到 P2 0 P2 3 输出 延时 4 位显示完了 吗 返回 修改数组地址 求下一位选码 图 9 显示模块的程序框图 6 6 小结及体会小结及体会 经过这个学期对微机的学习 我们对计算机这一以后会经常接触的现代化 工具有了更深的认识 在本次课程设计中 通过老师的指导和从网上查阅资料 和同学相互交流 我们从起初对课题的陌生开始一步步走向了完成的这一刻 在本次课设中 我们接触并了解了 Proteus 的应用方法 并顶着程序随时可能 崩溃的风险及时保存并顺利完成了布置的任务 对三相步进电机的原理及其控 制方法有了更多的了解 相信在这次课设学到的东西会对未来的工作起到很大 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 14 的作用 此外在此次课设中暴露了我单独处理问题的能力有所欠缺 在以后的 学习中我会尽力克服这种缺陷当好合格的大学生 附录 附录 C 语言程序 include include void delay1 void void delay2 void void display int int bs 0 main char a b c d j q done1 8 0 x01 0 x02 0 x04 0 x00 0 x01 0 x04 0 x02 0 x00 done2 8 0 x03 0 x06 0 x05 0 x00 0 x03 0 x05 0 x06 0 x00 山东建筑大学信电学院课程设计说明书 15 done3 14 0 x01 0 x03 0 x02 0 x06 0 x04 0 x05 0 x00 0 x01 0 x05 0 x04 0 x06 0 x02 0 x03 0 x00 P3 0 x20 P3 5 口置 1 绿灯亮 不工作 delay1 L a P3 while a a P3 delay1 a P3 判断工作模式 if a if a if a if a P3 4 口为 1 电机正转 红灯亮 b 0 else P3 0 x40 P3 4 口为 电机反转 黄灯亮 if a else b 4 d b while 1 c q b 判断电机步数是否走完 if c 0 b d 步数走完 电机重新再走 else P1 c 从 P1 输出电机控制信号 b bs 总步数加 1 display bs 显示步数 j a a P3 if a j 判断 P3 口状态信号是否改变 if a 若为停止信号 总步数清零 g