步進(jìn)電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、SHANDONG畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)步進(jìn)電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院： 電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 陳建建 學(xué) 號(hào)： 0812104019 指導(dǎo)教師： 解紅軍 2012 年 6月摘 要摘 要本設(shè)計(jì)主要介紹了步進(jìn)電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的方法。全文主要分為原理介紹，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)。其中硬件電路包括：L298N驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)按鈕電路的設(shè)計(jì)、顯示電路的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、電源模塊的設(shè)計(jì)等。軟件包括：系統(tǒng)初始化及主程序的模塊設(shè)計(jì) 、顯示程序和鍵盤(pán)程序的模塊設(shè)計(jì)、中斷處理、定時(shí)器處理程序的模塊設(shè)計(jì)等控制模塊由鍵盤(pán)輸入啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速

2、、減速、停止等信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理再接L298N驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)光電編碼器轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)再放大輸入到單片機(jī)經(jīng)單片機(jī)處理再通過(guò)LED顯示器顯示轉(zhuǎn)速、狀態(tài)等。本文在設(shè)計(jì)過(guò)程是按照原理介紹，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)的順序進(jìn)行逐步的論證選擇設(shè)計(jì)的。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)，控制系統(tǒng)，硬件，軟件- 26 -AbstractAbstractThis design introduces the stepper motor control and speed detection system, microcontroller finished.the full text is divide

3、d into principle, hardware design, software design. Hardware circuit including: L298N driven stepper motor control system design, circuit design of the keyboard button, the display circuit design, the design of the speed detection circuit, power supply module design. Software includes: system initia

4、lization and the main program module design, showing the modular design of the program and keyboard procedures, interrupt handling, the modular design of the timer handler The control module consists of a keyboard input, start, forward, reverse, speed up, slow down, stop, etc. signal followed L298N

5、drive a stepper motor microcontroller-processing for the relevant functions. The motor running state conversion by the optical encoder for the re-amplification of the pulse signal input to the microcontroller via the microcontroller processing through the LED display shows speed, status, etc. In the

6、 design process in accordance with the principle, hardware design, software design sequence step-by-step demonstration of the selection of design.Keywords：Stepper motor，Microcontroller，Control system，Hardware software目 錄目 錄摘 要IAbstract（英文摘要）II目 錄III第一章 概 述11.1 引 言11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)11.2.1 課題的目的和要求11.2.2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)

7、容21.2.3 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)2第二章 步進(jìn)電機(jī)原理特點(diǎn)及控制技術(shù)42.1 步進(jìn)電機(jī)原理42.2 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)42.3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)7第三章 方案論證93.1 顯示電路的方案論證93.2 主控制器的選擇93.3 鍵盤(pán)電路的方案論證103.3.1 獨(dú)立按鍵式非編碼鍵盤(pán)103.3.2 矩陣鍵盤(pán)103.4 步進(jìn)電機(jī)控制模塊選擇123.5 確定設(shè)計(jì)的總體方案13第四章 硬件設(shè)計(jì)154.1 最小系統(tǒng)154.1.1 復(fù)位電路：154.1.2 時(shí)鐘電路：164.2 驅(qū)動(dòng)電路174.3 測(cè)速模塊184.3.1 反相器74LS14的作用184.3.2 光電編碼器184.4 濾波電路194.5 顯示

8、電路204.6 鍵盤(pán)電路214.7 電源電路224.8 整體電路23第五章 軟件設(shè)計(jì)255.1 主程序設(shè)計(jì)255.2 轉(zhuǎn)向控制275.3 轉(zhuǎn)速控制275.4 PID 控制原理程序流程28總 結(jié)30參考文獻(xiàn)31致 謝31附 錄A32部分程序32附 錄B PID控制算法36一、 創(chuàng)建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型36二、 位置式數(shù)字PID算法36附 錄C 整機(jī)圖38第一章 概述第一章 概 述1.1 引 言近年來(lái)，電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展帶動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)的飛速發(fā)展。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般要有將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的電磁裝置，步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)恰好符合此要求?？刂葡到y(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成

9、。因此它已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本高、費(fèi)時(shí)多，而且一旦定型后，電路就很難改動(dòng)，因此不得不完全重新設(shè)計(jì)控制器。自六十年代初期以來(lái)，單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)在各種電子產(chǎn)品中的應(yīng)用日趨廣泛，促使步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用得到很大的提高步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制工作元件。在正常的工作的前提條件下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、起停，取決于脈沖發(fā)送信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)目，而不能隨負(fù)載變化的而受到影響，即也就是給電機(jī)加上一個(gè)脈沖信號(hào)，則電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)一定的步距角。由這一線

10、性關(guān)系的存在，再加上步進(jìn)電機(jī)只能有周期性的誤差而沒(méi)有累積誤差的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)使得在速度、位置等自動(dòng)控制領(lǐng)域的控制變的很的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)調(diào)節(jié)輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)對(duì)速度的控制，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就能夠通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖連個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)改變脈沖的頻率，延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)具體控制步進(jìn)角的大小來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)對(duì)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的控制。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)1.2.1 課題的目的和要求1利用單片機(jī)檢測(cè)出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速減速目的。2.比較全面理解和掌握單片機(jī)的原理與應(yīng)用。利用所學(xué)的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)信號(hào)

11、的放大回路, 利用所學(xué)的電子檢測(cè)課程設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)回路。3通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固和深化所學(xué)理論知識(shí)，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，掌握電路實(shí)驗(yàn)的基本技能和方法。4掌握電子產(chǎn)品從設(shè)計(jì)，制定方案，元件購(gòu)買(mǎi)，檢測(cè)，外協(xié)加工，裝配到成品的全部生產(chǎn)過(guò)程。5熟練掌握萬(wàn)用表、示波器及單片機(jī)仿真軟件的使用。6熟練掌握電路原理圖的繪制,印刷電路板的制作。1.2.2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容1、步進(jìn)電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是以89C52為核心，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，顯示系統(tǒng)（1）對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)（2）顯示和鍵盤(pán)電路的硬件設(shè)計(jì)（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的硬件設(shè)計(jì)（4）電源電路的硬件設(shè)計(jì)2、步進(jìn)電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速檢測(cè)系

12、統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)初始化及主程序的模塊設(shè)計(jì)（2）顯示程序和鍵盤(pán)程序的模塊設(shè)計(jì)（3）中斷處理，定時(shí)器處理程序的模塊設(shè)計(jì)（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換處理程序的模塊設(shè)計(jì)1.2.3 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍 ： 0-1800轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速測(cè)量精度 ： 0.5級(jí)具有步進(jìn)電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，顯示功能。具有控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速減速功能。第二章 步進(jìn)電機(jī)原理特點(diǎn)及控制技術(shù)第二章 步進(jìn)電機(jī)原理特點(diǎn)及控制技術(shù)2.1 步進(jìn)電機(jī)原理步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)用電脈沖信號(hào)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，加減速控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動(dòng)機(jī)。說(shuō)通俗點(diǎn)，就是接收一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度或者前進(jìn)一步，因此，步進(jìn)

13、電機(jī)也可以叫做脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)與其他控制類的電機(jī)的最區(qū)別是，它是通過(guò)輸入的脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)的控制，也就是說(shuō)電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度或者角位移是由輸入的脈沖數(shù)目決定的，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由脈沖信號(hào)的頻率的高低來(lái)決定的。步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)輸入的脈沖信號(hào)來(lái)控制的，它可以把脈沖信號(hào)變成角位移或者線位移，所以它可以通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制，而且其兼容性也非常好。步進(jìn)電機(jī)的角位移或線位移量的大小與電脈沖的個(gè)數(shù)成正比，而它的轉(zhuǎn)速或線速度的大小與電脈沖頻率成正比。在正常工作范圍內(nèi)這些關(guān)系會(huì)保持穩(wěn)定而不會(huì)因負(fù)載大小、電源電壓、環(huán)境條件的等的波動(dòng)而變化。通過(guò)改變接收的脈沖頻率的高低，順序，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的大范圍的調(diào)速，并能使電機(jī)

14、快速啟動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。一般情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體構(gòu)成的，當(dāng)電流通過(guò)定子繞組時(shí)定子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)矢量磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，使得轉(zhuǎn)子與定子的磁場(chǎng)方向保持一致。接著當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)再旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也會(huì)隨著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)這個(gè)角度。所以電機(jī)沒(méi)接收到一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度向前進(jìn)一步。電機(jī)的輸出角位移大小與輸入得到脈沖個(gè)數(shù)成正比關(guān)系。如果改變繞組通電的先后順序，電機(jī)就會(huì)反向旋轉(zhuǎn)。因此可以控制輸入脈沖數(shù)量、頻率高低以及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電先后順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)速，以及正反轉(zhuǎn)。2.2 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種可以把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位

15、移的控制電動(dòng)機(jī)，它的正常工作需要一個(gè)專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的輸出信號(hào)跟隨外部的脈沖信號(hào)變化。每接收一個(gè)脈沖信號(hào)都可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度就稱為步距角。接收的脈沖的總數(shù)量決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率的高低決定了電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，改變繞組的通電先后順序可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。也就是說(shuō)步進(jìn)電機(jī)是一電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成線位移或者角位移的電執(zhí)行元件但是他不能直接接到交流電源上，必須要用專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源即步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器可以發(fā)出連續(xù)的脈沖頻率，一般從幾赫茲到幾千赫茲內(nèi)連續(xù)變化，步進(jìn)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本原

16、理如下：1、換相順序的控制步進(jìn)電機(jī)通電后換相的這一個(gè)過(guò)程叫做脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍下工作時(shí)，他的各相通電先后順序?yàn)锳BCA，步進(jìn)電機(jī)輸入電控制脈沖的時(shí)候必須要嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C各相的通斷。三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)锳BBCCAAB，三相六拍步進(jìn)電機(jī)的通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA，步進(jìn)電機(jī)通電控制脈沖的時(shí)候就必須要按照這一順序來(lái)控制A,B,C各相的通斷，否則步進(jìn)電機(jī)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2、步進(jìn)電機(jī)的換向控制在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)改變脈沖的先后順序，也就是改變勵(lì)磁繞組的通電先后順序來(lái)改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。假如給定的電機(jī)工作方式為正序換相時(shí)電，電機(jī)就會(huì)正轉(zhuǎn)。若步

17、進(jìn)電機(jī)為三相六拍的的勵(lì)磁方式的勵(lì)磁方式，則正序順序的序?yàn)锳ABBBCCCAA。如果通過(guò)反序通電順序換向，則AACCCBBBAA，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。類比可得到其他情況。3、步進(jìn)電機(jī)的起停控制由于步進(jìn)電機(jī)的電氣特性愿意，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感,及振動(dòng)。所以為了要使電機(jī)運(yùn)行能夠平滑，并且減小振動(dòng)，可以在步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖的上升沿和下降沿處應(yīng)用用細(xì)分的梯形波，用來(lái)縮小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，從而提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。而在步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為了預(yù)防慣性原因電機(jī)軸產(chǎn)生的順滑，則需要采用合適電流，產(chǎn)生能夠鎖定的波形，從而產(chǎn)生鎖定磁力矩，進(jìn)而能夠鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，從而使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由隨意的轉(zhuǎn)動(dòng)。4、步進(jìn)電機(jī)的加

18、減速控制如果給步進(jìn)電機(jī)傳送一個(gè)控制脈沖，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它就會(huì)再轉(zhuǎn)一步。因此兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)得越快。，所以可以通過(guò)改變輸入步進(jìn)電機(jī)上一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔長(zhǎng)短來(lái)改變脈沖的頻率，改變延時(shí)的長(zhǎng)短，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)加減速度的控制。具體的控制可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)需要通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加速減速控制，通過(guò)分析原理也就是改變改變輸出脈沖的時(shí)間間隔長(zhǎng)短。單片機(jī)可以通過(guò)軟件和硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加減速度的控制。軟件法，主要是編寫(xiě)延遲程序來(lái)改變脈沖的頻率，其中延遲的長(zhǎng)短是動(dòng)態(tài)的，軟件法在控制電機(jī)時(shí)要不斷的產(chǎn)生對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的脈

19、沖，占用了大量的CPU，使單片機(jī)沒(méi)有足夠的空間進(jìn)行其他工作；硬件法一般是依靠單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器控制脈沖完成速度的控制，在進(jìn)入中斷以后，改變內(nèi)部定時(shí)常數(shù)，使得加速的時(shí)候脈沖頻率能夠不斷增大，減速的時(shí)候脈沖頻率能不斷減小，這種方法對(duì)CPU的占用比較小，在單片機(jī)中比較實(shí)用，能完成多種控制，一般采用這種方法調(diào)速在步進(jìn)電機(jī)的控制過(guò)程中，在試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，假如信號(hào)變換的比較快，步進(jìn)電機(jī)會(huì)由于慣性的原因跟不上信號(hào)的變換，就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)有加速過(guò)程中，再停止的時(shí)候，會(huì)有減速的過(guò)程。不考了誤差的影響理想情況下加速曲線為指數(shù)曲線。再就是步進(jìn)電機(jī)減速過(guò)程應(yīng)該是加速過(guò)程的一個(gè)逆變換。所以要

20、選擇符合步進(jìn)電機(jī)升降過(guò)程規(guī)律的曲線，能夠發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)利用他的有效轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)快速，大大縮短升降占用的時(shí)間，還能有效防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象的發(fā)生。在控制系統(tǒng)中要根據(jù)時(shí)間負(fù)載情況來(lái)選擇哪種步進(jìn)電機(jī)。啟動(dòng)頻率是步進(jìn)電機(jī)能正常工作而且不失步的最高步進(jìn)頻率，停止頻率是系統(tǒng)控制的信號(hào)突然停止的情況下步進(jìn)電機(jī)正常停止且不沖過(guò)目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率，停止頻率和和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，通過(guò)這些量，才能對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有效的加速減速控制。一般情況下步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率為0.1KHZ4KHZ,而且步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率能夠達(dá)到n*102KHZ,但是如果以超過(guò)了最高頻率的頻率直接啟動(dòng)的步

21、進(jìn)電機(jī)的話就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。f/Hzfa fb0t/s圖2-1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中頻率變化曲線2.3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的角位移或線位移與輸入脈沖數(shù)目成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有非常好的跟隨性。由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路一起組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，不僅方便、廉價(jià)，而且非常可靠。而且他還可以通過(guò)反饋環(huán)節(jié)形成穩(wěn)定的閉壞控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，便于控制。步進(jìn)電機(jī)所具有的靈活性使得其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及進(jìn)行加速減速度的控制。步進(jìn)電機(jī)速度能夠在很大的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，在速度比較低的情況下仍能得到很大的轉(zhuǎn)矩，因此，步進(jìn)電機(jī)一般不會(huì)用減速器而是直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。步進(jìn)電機(jī)對(duì)電源的要

22、求比較高，而且只能通過(guò)脈沖電源供電，不能直接接到交流電源或直流電源上供電。步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。第三章 方案論證第三章 方案論證3.1 顯示電路的方案論證1、采用LCD顯示器LCD就是液晶顯示器，其顯示效果細(xì)致，工作穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品的顯示中。但是其價(jià)格比較貴，而且本設(shè)計(jì)用LCD過(guò)于浪費(fèi)，根本用不了這么多功能，綜合考慮不適合應(yīng)用與此設(shè)計(jì)中。2、采用LED顯示器件采用LED顯示器件，顯示平穩(wěn)、省電、美觀，更容易實(shí)現(xiàn)題目要求，對(duì)后續(xù)的功能兼容性高，只需將軟件做修改即可，可操作性強(qiáng)，也易于讀數(shù)。綜上所述，本設(shè)計(jì)選用LED顯示器件。3.2 主控制器的選擇方案一: 采

23、用可編程邏輯器件CPLD作為主控器，對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器接收到信號(hào)生成的電信號(hào)進(jìn)行處理與計(jì)算，然后經(jīng)過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)。因?yàn)镃PLD能夠完成各種復(fù)雜的邏輯功能而且規(guī)模大、穩(wěn)定性高、I O 資源豐富、體積小、密度高、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。CPLD采用并行的方式進(jìn)行輸入輸出，使系統(tǒng)的處理速度大大的提高，更能適合作為控制系統(tǒng)的控制核心。但是分析本設(shè)計(jì)系統(tǒng)知道系統(tǒng)不需要各種復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)接收的數(shù)據(jù)處理速度要求也不是很高，所以從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度和設(shè)計(jì)要求方面考慮不使用此方案。方案二：選用AT89C52單片機(jī)來(lái)作為主控制器把采集和接收到的信號(hào)進(jìn)行處理然后再輸出到4位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。AT89C52是一個(gè)功能

24、消耗低， 字長(zhǎng)為8 位的單片機(jī)。它一般由片內(nèi)8KB的ROM 、片內(nèi)256B的RAM、中央處理器、一個(gè)全雙工的串行口、三個(gè)1 6 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器、四個(gè)8 位的I / O 口（P 0 、P 1 、P 2 、P 3 ）、八個(gè)中斷源以及時(shí)鐘等組成。它的優(yōu)點(diǎn)有重量輕，體積小，對(duì)環(huán)境的要求不高， 抗干擾的能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，可靠性比較高，靈活性好。 綜上所述，選用單片機(jī)控制。系統(tǒng)方框圖單片機(jī)控制方框圖如下：89C52單片機(jī)復(fù)位電路及時(shí)鐘電路鍵盤(pán)控制電路L298N啟動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)顯示電路電源電路圖3-1 總體設(shè)計(jì)方框圖3.3 鍵盤(pán)電路的方案論證 3.3.1 獨(dú)立按鍵式非編碼鍵盤(pán)此種方式中各個(gè)按鍵相互獨(dú)立，

25、每個(gè)按鍵會(huì)占用一根I/O端口線，每根I/O端口線上按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)對(duì)其他I/O端口線上的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。所以，可以通過(guò)檢測(cè)輸入端線的電平狀態(tài)來(lái)進(jìn)行判斷是哪個(gè)鍵按下了。這種結(jié)構(gòu)的鍵盤(pán)電路具有配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是每個(gè)按鍵都會(huì)占用一個(gè)I/O端口，所以在按鍵數(shù)目較多時(shí)，需要較多的輸入口端線且電路結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜，故這種鍵盤(pán)一般用于按鍵次數(shù)較少或操作速度較高的情況。獨(dú)立式按鍵電路按鍵直接與單片機(jī)的I/O線相接，單片機(jī)通過(guò)程序?qū)υ摱丝谶M(jìn)行查詢。當(dāng)按下某鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)口線電平會(huì)變化，單片機(jī)會(huì)立刻判斷是哪個(gè)鍵按下，即可識(shí)別出按下的鍵盤(pán)。3.3.2 矩陣鍵盤(pán)在矩陣按鍵開(kāi)關(guān)中，通常將按鍵排列成矩陣形

26、式，每一條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。矩陣鍵盤(pán)的工作原理是按鍵設(shè)定在行線和列線交點(diǎn)上，行線列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行線通過(guò)上拉電阻連接到+5V電源上。常態(tài)下無(wú)按鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有鍵按下時(shí)行線狀態(tài)將由與此電平相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平為高。這是識(shí)別矩陣鍵盤(pán)是否被按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤(pán)中行列線多鍵共用，各鍵均影響該鍵所在的行和列的電平，因此各鍵將彼此相互影響。所以必須將行列線信號(hào)配合起來(lái)并作適當(dāng)處理，才能決定閉合鍵位置。通過(guò)行列顛倒掃描來(lái)識(shí)別閉合鍵。在掃描每一行時(shí)，讀列線；然后依次向列

27、線掃描輸出，讀行線。此種設(shè)計(jì)需要提供兩個(gè)可編程的雙向輸入/輸出端口。這樣一個(gè)端口就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比直接將按鍵線接入輸入端口多出了一倍的容量，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯。因此應(yīng)用最廣泛的是用R+L條口線來(lái)完成RL個(gè)按鍵的掃描鍵盤(pán)。和線性鍵盤(pán)進(jìn)行比較，掃描鍵盤(pán)大大提高了對(duì)I/O口線的利用率，在某種程度上把I/O口線引腳短缺的重要問(wèn)題解決了，但是他一直具有的在實(shí)現(xiàn)方案上的缺點(diǎn)是要MPU通過(guò)其相對(duì)應(yīng)的掃描控制程序來(lái)進(jìn)行配合的缺點(diǎn)。進(jìn)行響應(yīng)輸入，系統(tǒng)實(shí)際上是在一種叫做循環(huán)查詢的模式下進(jìn)行工作，這樣下來(lái)不僅把MPU處理時(shí)間來(lái)占用了，而且還增加了本系統(tǒng)的功能消耗。這樣在一些要進(jìn)行任務(wù)量大的處理過(guò)

28、程中、對(duì)功能消耗又要求嚴(yán)格的控制系統(tǒng)中，這是不能進(jìn)行的。一、可知通用的鍵盤(pán)的接口芯片(比如8279、HD7279A)功能消耗非常大，靈活性也比較差；二、在速度、功耗和規(guī)模等優(yōu)良性能方面可編程的邏輯器件已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了通用的邏輯芯片。對(duì)于矩陣式鍵盤(pán)，按鍵的位置有行號(hào)和列號(hào)唯一決定，所以分別對(duì)行號(hào)和列號(hào)進(jìn)行二位制編碼，所以將兩值合成一個(gè)字節(jié)，高四位是行號(hào)，低四位是列號(hào)。但這種編碼對(duì)于不同行的鍵，離散型大，并且的復(fù)雜度與鍵盤(pán)的個(gè)數(shù)成正比，因此不適合用在輸入量小的設(shè)計(jì)中。所以采用矩陣式鍵盤(pán)接口技術(shù)，該方法結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，占用資源少，通常用在按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)用到鍵盤(pán)相對(duì)較少，所以用獨(dú)立式鍵盤(pán)

29、。3.4 步進(jìn)電機(jī)控制模塊選擇 圖3-2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)電路原理圖AT89C52將控制脈沖信號(hào)通過(guò)P1口的P1.4P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后輸入到晶體三極管，經(jīng)晶體三極管得到信號(hào)放大后輸入光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，但經(jīng)過(guò)光電隔離之后，經(jīng)過(guò)功率管TIP122會(huì)把脈沖信號(hào)的電壓和電流進(jìn)行放大，然后再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組。從而使步進(jìn)電機(jī)可以跟著不同的脈沖信號(hào)分別進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止、啟動(dòng)等動(dòng)作。L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率增強(qiáng)。其持續(xù)工作電流為2A，峰值電流3A，最高的工作電壓可達(dá)到46V，能夠驅(qū)動(dòng)的感性負(fù)載有，步進(jìn)電

30、機(jī)，大功率直流電機(jī)，電磁閥等等，主要的是它的輸入端能夠與單片從而方便的直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制兩路電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，加減速，啟動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。 本模塊具有體積小，控制方便的優(yōu)點(diǎn)。采用此模塊定會(huì)使您的電機(jī)控制自如，可以應(yīng)對(duì)需要大功率直流電機(jī)的題目。 同時(shí)，我們提供帶有光耦隔離的驅(qū)動(dòng)模塊，利用這個(gè)模塊可以把單片機(jī)電源與直流電機(jī)電源隔離開(kāi)，從而可以避免直流電機(jī)對(duì)單片機(jī)的干擾，適合要求較高的控制及AD采樣場(chǎng)合。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)3.5 確定設(shè)計(jì)的總體方案通過(guò)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，可以選用三相三拍步進(jìn)電

31、機(jī)，單片機(jī)選用AT89C52作為控制器。選取用74LS248來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示電路。選用L298N作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。選用光電編碼器作為步進(jìn)電機(jī)的回饋元器件把的到的信號(hào)放大后送到單片機(jī)然后經(jīng)顯示電路顯示出電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)信息。通過(guò)分析該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的規(guī)定要求可得到，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入量為電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。圖3-3 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖系統(tǒng)原理框圖如下圖所示：AT89C52單片機(jī)復(fù)位電路鍵盤(pán)控制電路L298N啟動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)顯示電路電源及時(shí)鐘電路圖3-4 系統(tǒng)原理框圖第四章 硬件設(shè)計(jì)第四章 硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大部分。

32、最小系統(tǒng)主要是為了使單片機(jī)正常工作?？刂齐娐分饕砷_(kāi)關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作。顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。4.1 最小系統(tǒng)圖4-1 最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng) （最小應(yīng)用系統(tǒng)），通俗的講就是用最少的元件來(lái)組成單片機(jī)能夠工作的系統(tǒng)。單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。4.1.1 復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開(kāi)始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從

33、頭開(kāi)始執(zhí)行。使用了獨(dú)立式鍵盤(pán)，單片機(jī)的P1口鍵盤(pán)的接口。該設(shè)計(jì)要求只需4個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)控制功能的擴(kuò)展，使用了6路獨(dú)立式鍵盤(pán)。復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，所謂手動(dòng)復(fù)位，是指通過(guò)接通一按鈕開(kāi)關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用27PF的電容和12M晶體振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率。如圖4-1所示。4.1.2 時(shí)鐘電路： 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生方法有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。在引腳X1和X2外部接晶振電路器（簡(jiǎn)稱晶振），就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。這里選擇比較穩(wěn)定的內(nèi)部時(shí)鐘方式，最常用的方式是采用外接晶體和電容組成并聯(lián)諧振回路，如圖4-1所示。單片機(jī)允許的震蕩晶體可在1.224MH

34、z之間，這里選擇12MHz電容C1、C2的取值對(duì)震蕩頻率輸出的大小、起振速度，以及穩(wěn)定性有一定的影響,可在20100pF之間選擇，這里選擇27pF。4.2 驅(qū)動(dòng)電路L298N內(nèi)部包含4通道的邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)元件，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。其特點(diǎn)是工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。IN1、IN2引腳從單片機(jī)接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。如果信號(hào)端IN1接低電平IN2接高電平，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。QUT1、QUT2接步進(jìn)電機(jī)， ENA接控制使能端控制電

35、機(jī)的停轉(zhuǎn)，ISEN A接單片機(jī)接受脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，如果給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速。圖4-2 驅(qū)動(dòng)電路4.3 測(cè)速模塊4.3.1 反相器74LS14的作用反相器74LS14的作用是對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為較為理想的矩形波。4.3.2 光電編碼器光電編碼器的作用是測(cè)量轉(zhuǎn)速。它可以分為單路輸出方式和雙電路輸出方式兩種。主要的技術(shù)參數(shù)有每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)目（范圍從幾十個(gè)到幾千個(gè)）和供電的電壓等。輸出的是一組脈沖的光電編碼器叫做但電路輸出方式，輸出的是兩組相位差為90度的脈沖的是編

36、碼器是雙路輸出方式，用這兩組相位差為90度的脈沖不僅能夠測(cè)量步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以判斷出步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。通過(guò)信號(hào)原理光電編碼器可以分為增量脈沖編碼器（SPC）和絕對(duì)脈沖編碼器（APC），這兩種編碼器一般情況都是用于速度控制系統(tǒng)或者是位置控制系統(tǒng)作為檢測(cè)的元件。工作原理:由一個(gè)中心有軸的光電碼盤(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以

37、判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。另外，把輸入的一路信號(hào)通過(guò)整形后輸入到T1口，用來(lái)計(jì)脈沖的數(shù)目，從而確定轉(zhuǎn)速。測(cè)速模塊原理圖如下：圖4-3 測(cè)速電路4.4 濾波電路濾波電路經(jīng)常會(huì)用在過(guò)濾去整流器輸出的電壓中的起伏，一般情況下都是有電抗元件來(lái)組成，例如把電容C并聯(lián)在負(fù)載電阻的兩端，或者把電感器L串聯(lián)在負(fù)載上，或者是由電容，電感來(lái)組成在一起的各種復(fù)合的濾波電路。 而且在電路中電抗元件一般都會(huì)有儲(chǔ)存能量的作用，電容器C并聯(lián)在電源上，通過(guò)電源來(lái)給電容C供給的電壓提高時(shí)，就會(huì)把一部分的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在電源的電壓減小的時(shí)候，就會(huì)把儲(chǔ)存的能量來(lái)釋放出來(lái)，這樣就會(huì)使負(fù)載的電壓變

38、化比較平滑，也就是說(shuō)電容C能有平波的功能；和負(fù)載相串聯(lián)在一起的電感L,當(dāng)流經(jīng)電感L的電流增加（電源增壓）時(shí)，電感就會(huì)把這部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，但是當(dāng)電流減小后，他就會(huì)跟電容一樣把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，從而也使得電流變化比較平穩(wěn)，所以說(shuō)電感L也是具有平波的作用。濾波電路有很多種，為了掌握它的規(guī)律，一般能分為分為;1、電容輸入式一般會(huì)用在功率小的電源當(dāng)中；2、電感輸入式，跟電容的相反一般會(huì)用在功率比較大的電源當(dāng)中，電流很大的時(shí)候只用電感器和負(fù)載串聯(lián)就行。如下圖所示：一般是在每個(gè)電器元件旁邊來(lái)放置一個(gè)由104組成的防震蕩電路。圖4-4 濾波電路4.5 顯示電路圖4-5 顯示電路在步進(jìn)電機(jī)的控制設(shè)計(jì)中，要求

39、步進(jìn)電機(jī)可以進(jìn)行加速減速，也可可以正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，其中電機(jī)的轉(zhuǎn)速分為好幾檔，設(shè)計(jì)要求01800轉(zhuǎn)，為了能夠更方便的知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速等級(jí)，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等信息，需要設(shè)計(jì)一個(gè)顯示電路來(lái)顯示出電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速等信息。前四個(gè)七段顯示譯碼器顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后一個(gè)顯示電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。七段顯示譯碼器通過(guò)公共端與單片機(jī)的P2.2 ,P2.3 ,P2.4 ,P2.5 ，P3.4端口相接，通過(guò)控制其高低電平來(lái)控制是否顯示，然后a，b，c，d，e，f，g，dp段通過(guò)驅(qū)動(dòng)連接單片機(jī)的P10P17端口通過(guò)接收高低電平來(lái)控制顯示的數(shù)字。4.6 鍵盤(pán)電路 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，需要控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加 圖4-6

40、鍵盤(pán)電路速，減速，分別是S1,S2,S3,S4,S5,S6，控制電路如下圖所示。通過(guò)S1,S2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。當(dāng)S1,S2開(kāi)關(guān)變化時(shí)，系統(tǒng)程序檢測(cè)P0.0和P0.1端口的狀態(tài)來(lái)運(yùn)行相應(yīng)的啟動(dòng)和停止程序，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)控制。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以明白，要控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要通過(guò)控制輸入電機(jī)的脈沖的頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制。用單片機(jī)可以通過(guò)定時(shí)的中斷和軟件的延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，對(duì)于該電機(jī)的加減速度的控制是通過(guò)S3,S4,的斷開(kāi)與閉合，從而通過(guò)案按鍵的次數(shù)，改變速度之存儲(chǔ)區(qū)域中的速度數(shù)據(jù)，這樣就可以改變步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，進(jìn)而可以改變步進(jìn)電機(jī)的

41、轉(zhuǎn)速。4.7 電源電路圖4-7 電源電路橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成橋式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。1、供電變壓器：將交流電源提供的電壓變?yōu)楹线m交流電壓2、整流電路：把變壓器出來(lái)的交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)直流電壓3、濾波電路;把整流電路出來(lái)的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的的直流電壓4、穩(wěn)壓電路：防止電網(wǎng)輸出波動(dòng)、負(fù)載大小變化的影響，而使輸出電壓保持穩(wěn)定如上圖所示，通過(guò)電源變壓器將輸入的交流電源分別變成5伏和12伏的交流電壓，然后通過(guò)整流電路將交流電源變成了單向但是脈動(dòng)的直流電源，再通過(guò)濾波電路將整流電路出來(lái)的脈動(dòng)的直流電源變成

42、平滑的直流電源，最后再加上穩(wěn)壓電路將輸出電壓穩(wěn)定在5伏和12伏，而不隨電源的波動(dòng)，負(fù)載的變化而變化。4.8 整體電路如下圖所示圖4-8 整機(jī)電路圖第五章 軟件設(shè)計(jì)第五章 軟件設(shè)計(jì)通過(guò)以上的分析研究可以看出，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能可以采用很多種方法，而且由于隨時(shí)有可能要輸入加速、減速信號(hào)和方向信號(hào)，所以需要采用中斷方式這樣效率最高，這樣只需要完成四個(gè)部分的工作要求就能滿足設(shè)計(jì)的要求，也就是主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷0和外部中斷1四部分，而且主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置以及啟動(dòng)停止開(kāi)關(guān)的檢測(cè)，如果啟動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合則系統(tǒng)開(kāi)始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分是用來(lái)控制脈沖頻率，它主要決定了步

43、進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢的調(diào)節(jié)；兩個(gè)外部中斷程序可以改變速度這一功能。5.1 主程序設(shè)計(jì)主程序可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)判斷等。主程序流程圖如圖所示。 開(kāi)始 測(cè)速程序啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)判斷啟動(dòng)鍵是否按下 是 步進(jìn)電機(jī)停止正轉(zhuǎn)判斷停止鍵是否按下 測(cè)速程序 步進(jìn)電機(jī)加速正轉(zhuǎn)判斷加速鍵是否按下 測(cè)速程序判斷減速鍵是否按下 測(cè)速程序步進(jìn)電機(jī)減速正轉(zhuǎn)判斷反轉(zhuǎn)鍵是否按下 測(cè)速程序步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn) 顯示子程序圖5-1主程序流程圖5.2 轉(zhuǎn)向控制對(duì)于三相六拍而言，如果把表中的狀態(tài)控制字自上而下的順序依次送入P0口，步進(jìn)電機(jī)三項(xiàng)繞組的通電順序?yàn)锳B-B-BC-C-CA-A-AB,那么按自下

44、而上的順序依次送狀態(tài)字時(shí)，電機(jī)的通電順序?yàn)锳B-A-AC-C-CB-B-BA,電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，因此實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)框圖如下：置表底指針加1置表首指針減1 延時(shí)指針到表首？指針到表底？正？反？選狀態(tài)字 正反NNYY圖5-2 實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的程序流程圖5.3 轉(zhuǎn)速控制步進(jìn)電機(jī)每個(gè)通電狀態(tài)保持的時(shí)間的長(zhǎng)短，也就是狀態(tài)指針移動(dòng)的頻率決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。用單片機(jī)控制的方法主要有兩種：軟件延時(shí)法和中斷法。 初始化 停否YN 轉(zhuǎn)移狀態(tài)表指針 送狀態(tài)字P1.1=1?NYP1.2=1?P1.3.=1?YN Y N調(diào)TM2調(diào)TM0調(diào)TM1調(diào)TM3圖5-3 實(shí)現(xiàn)有級(jí)變速程序框圖5.4 PID 控制原理程序流程 在實(shí)際工程中

45、，應(yīng)用范圍最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律有比例控制、積分控制、微分控制，又簡(jiǎn)稱為PID控制，也可以叫做PID調(diào)節(jié)。如果被控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能被完全的掌握，或者得不出精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，而且控制理論中的其它技術(shù)不好采用時(shí)，則系統(tǒng)控制器具有的結(jié)構(gòu)和參數(shù)就必須要依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。報(bào)警及處理采樣時(shí)間到 N Y 采集速度 是否超限YN計(jì)算 Cn=Rn-YnN 計(jì)算Pp=KC（n）-C（n-1）計(jì)算Pi=KC(n)計(jì)算Pd=KdC(n)-2C(n-1) +C(n-2)P(n)=P(n-1)+Pp（n）+Pi（n）+Pd（n）C(n-

46、2) C（n-1）C(n-1)C（n）P(n-1) P(n)P(n-1) P(n)結(jié)果送單片機(jī)圖5-4 PID控制原理流程圖- 31 -總結(jié)總 結(jié)在這個(gè)充滿自動(dòng)化的社會(huì)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用更加向著精密化發(fā)展，由于其與單片機(jī)的良好兼容性以及優(yōu)越性開(kāi)始了本次設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)是通過(guò)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速，啟動(dòng)停止。設(shè)計(jì)中主要用到了顯示電路（主要用來(lái)顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)）、單片機(jī)（中心樞紐接受信號(hào)輸出到顯示電路和步進(jìn)電機(jī)）/步進(jìn)電機(jī)、按鍵電路（用來(lái)輸入信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)）電源電路（為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的電壓使系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的工作）、光電編碼器施密特觸發(fā)器（把步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變

47、成電子信號(hào)脈沖，并放大信號(hào)輸入到單片機(jī)）。本次設(shè)計(jì)主要是完成了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止，正轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)。外接通過(guò)加減速按鈕，啟停按鈕，正反轉(zhuǎn)按鈕，輸入信號(hào)，單片機(jī)接受信號(hào)后輸出脈沖到電機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，光電編碼器把電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)接收后變成光電脈沖回饋給單片機(jī)，單片機(jī)然后通過(guò)顯示電路顯示出電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)近一個(gè)學(xué)期16周的設(shè)計(jì),對(duì)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其測(cè)速系統(tǒng)有了一個(gè)很深的認(rèn)識(shí),對(duì)電子產(chǎn)品從設(shè)計(jì),制定方安,元件購(gòu)買(mǎi),檢測(cè),外協(xié)加工,裝配,到成品的全過(guò)程有了一個(gè)大概的掌握.使大學(xué)四年的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合起來(lái),做到了理論聯(lián)系實(shí)際,理論指導(dǎo)實(shí)踐,使自己的動(dòng)手能力得到了提高。參考文獻(xiàn)參

48、考文獻(xiàn)1 姜志海,黃玉清.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社，2005年4月2何希才，姜余祥.電動(dòng)機(jī)控制電路應(yīng)用實(shí)例.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1990 年3 潘新民,王燕芳.單片微型計(jì)算機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:人民郵電出版社，1992年7月4 涂時(shí)亮,張友德.單片機(jī)控制技術(shù).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1994年11月5 王錦標(biāo),方崇智.過(guò)程計(jì)算機(jī)控制.北京:清華大學(xué)出版社，1992年2月6 楊振江.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001年7 吳丙申,卞祖富.模擬電路基礎(chǔ).北京:北京理工大學(xué)出版社，1997年1月8 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 北京：清華大學(xué)

49、出版社 鄭學(xué)堅(jiān)著 9 胡壽松.自動(dòng)控制原理.北京:科學(xué)出版社，2000年6月10侯志林.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998年12月11 陶永華,尹怡欣,葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998年4月12 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社，1998年1月 13 范立南，李雪飛，尹授遠(yuǎn)單片微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京：人民郵電出版社，2004年14 先鋒工作室單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)例北京：清華大學(xué)出版社，2003年 15 余永權(quán)，汪明慧，黃英單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社，2003年16 王增福，魏永明新編常用穩(wěn)壓電源電路北京：電子工業(yè)

50、出版社，2005年17 劉道興.PID控制及程序?qū)崿F(xiàn)方法.內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，20（6）：202418 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制.北京航空航天大學(xué)出版社，2002年 19 K.Iizuka, H.Uzuhashi, M.Kano, T.Endo, K.Mohri, Microcomputer Control forsensorless Brushless Motor, IEEE Transactions Industry Application,vol.IA-21,no.4, May/June 1985, pp.595-601 20 Kuik D.P, Tamet, Linguiti

51、c PID controllers, Preprints of 11th IFAC World Congress,1990, 192197致 謝致 謝本論文是在解紅軍老師的精心指導(dǎo)下完成的，通過(guò)本次設(shè)計(jì)首先我要感謝解紅軍老師對(duì)我的細(xì)心指點(diǎn)，和深刻的講解，讓我能夠順利的完成這次設(shè)計(jì)。從論文課題的選定到實(shí)驗(yàn)方案的確立，從思想的產(chǎn)生到具體實(shí)現(xiàn)，以及對(duì)文章的詳細(xì)審定無(wú)不傾注了解老師辛勞。解老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，認(rèn)真細(xì)致的工作作風(fēng)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將激勵(lì)我在今后的工作學(xué)習(xí)中不斷努力進(jìn)取。在此特別向解紅軍老師表示衷心的感謝和誠(chéng)摯的敬意自己即將畢業(yè)即將踏進(jìn)社會(huì)，非常感謝自己的各位老師在學(xué)習(xí)生活中對(duì)我得教導(dǎo)，讓

52、我學(xué)到了如何處理事情，解決困難。讓自己明白了很多社會(huì)中的道理。在本次設(shè)計(jì)中自己學(xué)到了很多以前不明白的知識(shí)但是自己知道的還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且自己所做的工作也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這讓我明白了學(xué)習(xí)是永遠(yuǎn)達(dá)不到頂?shù)囊粋€(gè)過(guò)程，自己要學(xué)習(xí)的知識(shí)還有很多。這也給即將畢業(yè)的我提了一個(gè)醒，自己將來(lái)在工作中還差的很遠(yuǎn)，剛踏出校門(mén)的我還有太多的知識(shí)需要我來(lái)學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)是一個(gè)永遠(yuǎn)沒(méi)有畢業(yè)的過(guò)程，不管自己走到哪里都要自己不斷的學(xué)習(xí)來(lái)豐富自己，讓自己能夠完成自己的工作。最后，向畢業(yè)設(shè)計(jì)中所有給予我教誨和幫助的老師們、同學(xué)們表示衷心的感謝！- 38 -附 錄A附 錄 A部分程序一、轉(zhuǎn)向程序 正轉(zhuǎn)程序?yàn)椋海ū境绦蚴怯密浖?shí)現(xiàn)買(mǎi)成分配的程序

53、） CW : INC R0 ；正轉(zhuǎn)加1 CJNE R0,# 0AH,ZZ ；如果計(jì)數(shù)器等于10修正為0 MOV R0,#00H ZZ: MOVA,R0 ；計(jì)數(shù)器值送A MOV DPTR,#ABC ；指向數(shù)據(jù)存放首地址 MOVC A,A+DPTR ；取控制字 MOV P1,A ；送控制字到p1口 RET 反轉(zhuǎn)程序?yàn)椋?CCW : DEC R0 ；反轉(zhuǎn)減1 CJNE R0,#OFFH,FZ ；如果計(jì)數(shù)器等于FFH修正為9 MOV R0,#09H FZ : MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC ；指向數(shù)據(jù)存放首地址 MOVC A,A+DPTR ；取控制字 MOV P1,A ；送P1口 RET

54、2、 加減速程序 JAJ : CPL P1.0 ；改變p1.0電平狀態(tài) PUSH ACC ；保存現(xiàn)場(chǎng) PUSH PSW PUSH B PUSH DPTL PUSH DPTH SETB RS0 ；選用工作寄存器 JNB P1.0,JAJ10 ；p1.0=0時(shí)，半個(gè)脈沖 CLR EA ；關(guān)中斷 JNB P1.1,JAJ1 ；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到JAJ1 MOV R0,#32H ；正轉(zhuǎn)，指向絕對(duì)位置32H INC R0 ；絕對(duì)位置加1 CJNE R0,#00H,JAJ2 ；五進(jìn)位則轉(zhuǎn)向JAJ2 INC R0 ；指向33H INC R0 ；（33H）+1 CJNE R0,#00H,JAJ2 ；五進(jìn)位則轉(zhuǎn)向JAJ

55、2 INC R0 ；指向34H INC R0 ；（34H）+1 CJNE R0,#00H,JAJ2 ；無(wú)越界則轉(zhuǎn)向JAJ2 CLR TR0 ；發(fā)生越界則停電機(jī) LCALL BAOJING ；調(diào)報(bào)警子程序JAJ1: MOV R0,#32H ；反轉(zhuǎn)，指向絕對(duì)位置地位32H DEC R0 ；絕對(duì)位置減1 CJNE R0,#0FFH,JAJ2 ；無(wú)借位則轉(zhuǎn)向JAJ2 INC R0 ；指向33H DEC R0 ；（33H）-1 CJNE R0,#0FFH,JAJ2 ；無(wú)借位則轉(zhuǎn)向JAJ2 INC R0 ；指向34H DEC R0 ；（34H）-1 CJNE R0,#0FFH,JAJ2 ；無(wú)越界則轉(zhuǎn)向JAJ2 CLR TR0 ；發(fā)生越界則停電機(jī) LCALL