word目录第1章 绪 论21.1 课题背景21.2 设计目的与系统功能2.2第2章 控制系统硬件分析与设计32.1 步进电机32.1.1 步进电机概述32.1.2 步进电机的特性32.1.3 步进电机的种类32.1.4 永磁步进电机的控制原理42.2 步进电机控制系统的组成52.2.1 单片机最小系统62.2.2 键盘控制电路62.2.3 LED数码显示电路72.2.4 测速电路介绍82.2.5 步进电机驱动电路92.2.6 电源设计11第3章 控制系统软件分析与设计113.1 程序设计思路11123.2.1 主程序流程图123.2.2 读键盘子程序流程图123.2.3 键盘处理子程序流程图133.2.4 电机控制中断程序流程图14第4章 调试与改良144.1 调试与改良144.2 运行结果15第五章 总结15参考文献17附 录18致 22第1章 绪 论1.1 课题背景当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的开展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(称为“步距角)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品打印机、照相机、雕刻机、工业控制数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片，它以其独特的低本钱，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。1.2 设计目的与系统功能本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向与转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。.AT89C51键盘控制模块电机驱动模块数码显示模块电源模块图1-1 总体设计框图设计的步进电机控制系统应具有以下功能：1. 步进电机的启停控制2步进电机的正反转控制3. 步进电机的加速控制4. 步进电机的减速控制5. 步进电机转速的动态显示第2章 控制系统硬件分析与设计2.1 步进电机2.1.1 步进电机概述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多一样步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度称为步距角。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。2.1.2 步进电机的特性步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成局部之一。总体上说，步进电机有如下优点：1不需要反响，控制简单。2与微机的连接、速度控制启停和反转与驱动电路的设计比拟简单。3没有角累积误差。4停止时也可保持转距。5没有转向器等机械局部，不需要保养，故造价较低。6即使没有传感器，也能准确定位。7根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点：1难以获得较大的转矩3在体积重量方面没有优势，能源利用率低。4超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。2.1.3 步进电机的种类目前常用的步进电机有三类：表2-1 步进电机分类类别结构步距力矩动态性能反响式步进电动机VR采用高导磁材料构成齿状转子和定子小小较差永磁式步进电动机PM转子采用多磁极圆筒形的永磁铁，其外侧配置齿状定子吸引和排斥力产生转动大大好混合步进电动机HB这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子如此为齿状的突起结构小大好2.1.4 永磁步进电机的控制原理在本设计以常用的永磁式步进电机为例，用单片机控制步进电机。图2-2是该电机的接线图。图2-2 CZ-2801型永磁步进电机接线图从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有 5根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将 端标识为C，只要 AC、BC或/AC、/BC，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将 端接正电源，那么只要用开关元件如三极管 ，将 A、B或/A、/B轮流接地。不难设计出控制电路，因其工作电压为 12V，因此用一块开路输出达林顿驱动器这里用ULN2003，关于ULN2003将在后面介绍作为驱动，通过 P1.0、 P1.3来控制各线圈的接通与切断。开机时，P1.0、 P1.3均为高电平，依次将 P1.0、 P1.2 或P1.1、 P1.3反向切换为低电平即可驱动步进电机运行。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间。改变转速，只要改变 P1.0、 P1.2 或P1.1、 P1.3反向轮流变低电平的时间即可达到要求，因为不会影响到其他功能的实现，这个时间可以用延时来实现，。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。 按要求，最低转速为 20 转/分，而上述步进电机的步距角为 7.5，即每 48 个脉冲为 1 周，即在最低转速时，要求为960脉冲/分，相当于 62.5ms/脉冲。而在最高转速时，要求为 100转/分，即 48000 脉冲/分，相当于 12.5ms/脉冲。可以列出下表：表2-2 步进电机转速与定时器定时常数关系转速单步时间(ms)TH0TL0201F02129B6223374233C5924448025504C02652EC275955285F4993CF9C94D02095D0A196D12097D19B98D21499D28B100D30表中不仅计算出了 TH0和 TL0，而且还计算出了在这个定时常数下，真实的定时时间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。 表中 TH0 和TL0 是根据定时时间算出来的定时初值，这里用到的晶振是 12.000M。有了上述表格，程序就不难实现了，使用定时/计数器 T0为定时器，定时时间到后切换输出脚即可。2.2 步进电机控制系统的组成步进电机控制系统共分为六个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、测速模块、步进电机驱动模块和电源模块。1.单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。2.键盘控制模块包括方向控制键、加速键和减速键、启停键，分别与单片机的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相连。实现对步进电机的控制。并且键盘上连接有发光二极管，以指示键盘状态。3.数码显示模块采用共阴极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利用I/O口为数码管的端提供低电平。二号单片机的P1口提供数码管的段选信号，P2.6和P2.7控制数码管的位选信号。4.测速模块采用开关霍尔片对安放在步进电机转盘上的小磁片的磁信号进展检测，步进电机转盘每次带动小磁片经过霍尔片时，其都将有脉冲信号从霍尔片输出。单片机外部中断口对信号进展采集。5.步进电机驱动模块选用七个NPN达林顿连接晶体管ULN2003为步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。该模块与单片机的P1.0P1.3相连。6.电源模块是通过将市电220V转变为直流12V和直流5V分别供应驱动模块和单片机模块。2.2.1 单片机最小系统近年，由于CHMOS技术的进步，大促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS金属栅氧化物半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS高密度、高速度MOS和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。单片机是通过部总线把计算机的各主要部件接为一体，其部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进展数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。考虑到经济和可靠性的要求，本设计中采用AT89C51单片机，它宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期1T的单片机。是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。1. AT89C51单片机参数：Flash程序存储器字节：4K定时器T0、T1：有中断优先级：22. AT89C51单片机优点：超低功耗超强抗干扰，超强抗静电输入输出口多，最多有40个I/O速度快，1个时钟/机器周期，可用低频率晶振2.2.2 键盘控制电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为510ms；两次抖动之间