单片机课程设计哈理工

1、 . . . 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印15 / 17目录第1章绪论11.1 课题背景11.1.1 引言1第2章二维步进电机控制系统的选择22.1 基于单片机的控制 22.2 步进电机的概述32.3 控制电路的设计图4第3章系统的硬件设计53.1 系统设计方案的简述53.2 基于80C51的步进电机执行结构与原理53.3 辅助控制电路6第4章系统的软件设计84.1 系统的主流程图94.2 汇编程序设计10结论12参考文献13千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1

2、.1 引言随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以与各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛

3、应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。本文应用单片

4、机、步进电机驱动芯片、和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。第2章 二维步进电机的控制系统的选择2.1 基于单片机的控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、

5、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器与时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性5。基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。2.2 步进电

6、机的概述2.2.1 步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机7。(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是

7、用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数一样，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；(3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的

8、，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以与控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机7。2.2.2 步进电机的工作原理步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据

9、电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。 步进电机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行的数模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,常用的则以四相为主。四相步进电机的工作方式有四相单三-四拍、四相双四拍和四相八拍3 种 ,而本次设计中我们研究的是二维四相步进电机的运动，其中X方向电机

10、采用8拍运行方式，Y方向电机采用双四拍运行方式。下面具体加以阐述。2.2.3 步进电机的控制 X轴运行方式：八拍励磁顺序：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A Y轴运行方式：双四拍励磁顺序：AB-BC-CD-DA-AB2.2.4 步进电机的换向控制 步进电机换向时 ,一定要在电机减速停止或降到突跳频率围之再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。脉冲序列的均匀度与高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速换向加速3 个过程。2.3 控制电路的设计图第3章 系统的硬件设计3.1 系统设计方案的简述本设计采用单片机80C51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了环形分

11、配器L297来控制脉冲分配与功率放大器L298与其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。其主体流程如下图：3.2 基于80C51的步进电机执行结构与原理单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。电机驱动模块（L297，L298）负责将单片机发

12、给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。具体80C51将控制脉冲从P3口的P3.4P3.6输出，经过环形分辨器L297和功率放大器使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速和停止等动作。其中P3.4口输出信号控制拍数，即电压控制，P3.5口为方向控制，P3.6口为脉冲输入控制。而步进电机中则设计为标准电压+12V，步进角为18度，每分钟最大转速为36000转。图中80C51选用频率6Hz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小80C51对输入脉冲信号周期的影响。3.3 辅助

13、控制电路3.3.1 复位电路3.3.2 时钟电路第4章 系统的软件设计本系统的软件设计主要分为系统初始化、延时子程序、按键响应程序，与控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机89C51通过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。程序流程图的设计遵循自顶向下的原则，即从主体遂逐步细分到每一个模块的流程。在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。具体程序的讲解将在本章各节做详细讲解。 本次设计采用汇编语言，应用伟福6000软件进行程序设计与其调试。仿真采用PROTUES仿真软件进行仿真调试。4.1 系统的主流程图

14、当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便调用并执行相应的子程序，其具体的主流程图如下所示：图 系统主程序图4.2 汇编程序设计系统控制程序如下：ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP INQP1ORG 001BHAJMP INQP2ORG 0020HINQP1: MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 CPL P3.2 RETIINQP2:MOV TH1,R2 MOV TL1,R3 CPL P3.6 RETIORG 0100HMAIN: MOV TMOD,#11H MOV 1

15、0H,#0FFH MOV 20H,#06H MOV 30H,#0FFH MOV 40H,#38H MOV R0,#0FFH MOV R1,#0FFH MOV R2,#0FFH MOV R3,#0FFH SETB ET0 SETB ET1 SETB PT0 SETB EA SETB P3.0 CLR P3.4 MOV P0,#0FFHSTART:JNB P0.0,XZ JNB P0.1,XF JNB P0.2,XJ JNB P0.3,XT JNB P0.4,YZ JNB P0.5,YF JNB P0.6,YJ JNB P0.7,YT AJMP STARTXZ: CLR P3.1 MOV R0,1

16、0H MOV R1,20H MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 SETB TR0 AJMP STARTXF:SETB P3.1 MOV R0,10H MOV R1,20H MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 SETB TR0 AJMP STARTXJ: CLR P3.1 MOV R0,30H MOV R1,40H MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 SETB TR0 AJMP STARTXT: CLR P3.1 CLR TR0 AJMP STARTYZ: CLR P3.5 MOV R2,10H MOV R3,20H MOV TH1,R2 MOV TL1,R3 SETB

17、TR1 AJMP STARTYF: SETB P3.5 MOV R2,10H MOV R3,20H MOV TH1,R2 MOV TL1,R3 SETB TR1 AJMP STARTYJ: CLR P3.5 MOV R2,20H MOV R3,30H MOV TH1,R2 MOV TL1,R3 SETB TR1 AJMP STARTYT: CLR P3.5 CLR TR1 AJMP START END千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。结论经过为期一星期的学习和努力，本次单片机课程设计顺利完成，具体结论如下： 1、采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和电机驱动电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的简单系统。2、 通过系统的设计实现了预期的设计目标，完成了全部的设计任务，具体功能如下：完成了整个系统的硬件设计和软件编程，能通过键盘电路控制步进电机的转速控制，能实现启动、正转、反转、加速、停止控制；通过编程实现了通过单片机能输出四相双四拍和四相八拍的脉冲控制序列。整个电机的转速，转动方向，检测到的电机电流的大小等都能通过步进电机的转动状态显示出