單片機畢業(yè)設計———步進電機調(diào)速課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 概述 …………………………………………… 2</p><p>　　1.1 單片機簡介 …………………………………… 2</p><p>　　1.2步進電機簡介 ………………………………………… 2</p><p>　　第二章

2、 設計目的與要求 ……………………………… 3</p><p>　　2.1設計目的 ……………………………………………… 3</p><p>　　2.2設計要求 ……………………………………………… 3</p><p>　　第三章 硬件電路設計 ………………………………… 4</p><p>　　3.1程序流程圖 …

3、………………………………………… 4 </p><p>　　3.2硬件電路圖 …………………………………………… 5</p><p>　　3.3系統(tǒng)工作原理 ………………………………………… 6</p><p>　　3.4功能說明 ……………………………………………… 6</p><p>　　第四章 軟件設計 ………

4、……………………………… 7</p><p>　　4.1 C語言程序 …………………………………………… 7</p><p>　　第五章 總結(jié)與體會 ………………………………… 26</p><p>　　第六章 參考文獻 …………………………………… 27</p><p><b>　　概述</b>

5、</p><p><b>　　1.1單片機簡介</b></p><p>　　單片機是單片微型計算機的簡稱，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集

6、成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。</p><p>　　單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。</p><p><b>

7、;　　1.2步進電機簡介</b></p><p>　　步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移的執(zhí)行器。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比。改變通電順序可改變步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向；改變通電頻率可改變步進電動機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時

8、供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算

9、機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。</p><p>　　1.3步進電機工作原理　　</p><p>　　一般電動機都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進電動卻是一步一步轉(zhuǎn)動的，故叫步進電動機。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM

10、）和混合式步進電機（簡稱HB）。</p><p>　　因此步進電動機是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。步進電動機的轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個脈沖信號，步進電動機的轉(zhuǎn)子就前進一步。由于輸入的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動機。隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進電動機的應用將逐漸擴大。</p><p>　

11、　步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號可以由單片機產(chǎn)生。</p><p>　　電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開

12、1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：(圖2所示)</p><p>　　圖1 是反應式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個磁極，磁極上繞有繞組。兩個相對的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。下面介紹反應式步進電動機單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。</p><p>　　一、單三拍通電方式的基本原理&

13、lt;/p><p>　　設A 相首先通電（B、C 兩相不通電），產(chǎn)生A-A′軸線方向的磁通，并通過轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時A、A′極就成為電磁鐵的N、S 極。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對齊A、A′極的位置（圖3a）；接著B 相通電（A、C兩相不通電），轉(zhuǎn)了便順時針方向轉(zhuǎn)過30°，它的齒和C、C′極對齊（圖3c）。不難理解，當脈沖信號一個一個發(fā)來時，如果按A→C→B→A

14、→…的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子便逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為單三拍方式。</p><p>　　二、六拍通電方式的基本原理</p><p>　　設A 相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A′對齊（圖4a）。然后在A 相繼續(xù)通電的情況下接通B 相。這時定子B、B′極對轉(zhuǎn)子齒2、4 產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是A、A′極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子的位置如圖4b

15、 所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位置順時針轉(zhuǎn)過了15°。接著A 相斷電，B 相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B′極對齊（圖c），轉(zhuǎn)子從圖(b)的位置又轉(zhuǎn)過了15°。其位置如圖3d 所示。這樣，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角15°。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個齒距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的順序通電，則

16、電機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為六拍方式。</p><p>　　三、雙三拍通電方式的基本原理</p><p>　　如果每次都是兩相通電，即按A、B→B、C→C、A→A、B→…的順序通電，則稱為雙三拍方式，從圖4b，和圖4d 可見，步距角也是30°。因此，采用單三拍和雙三拍方式時轉(zhuǎn)子走三步前進了一個齒距角，每走一步前進了三分之一齒距角；采用六拍方式時，轉(zhuǎn)子走六步前進了一個齒

17、距角，每走一步前進了六分之一齒距角。因此步距角θ 可用下式計算：</p><p>　　θ＝360°/Zr×m</p><p>　　式中Zr 是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m 是運行拍數(shù)。</p><p>　　一般步進電動機最常見的步距角是3°或1．5°。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只4 個齒（齒距角90°），而有40 個齒（齒距角為9

18、6;）。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，兩者的齒寬和齒距必須相等。因此，定子上除了6 個極以外，在每個極面上還有5 個和轉(zhuǎn)子齒一樣的小齒。步進電動機的結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。</p><p>　　由上面介紹可知，步進電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、精確度高、起動靈敏、停車準確等性能。此外，步進電動機的轉(zhuǎn)速決定于電脈沖頻率，并與頻率同步。</p><p>　　四、步進電動機的驅(qū)動電源</p>

19、<p>　　步進電動機需配置一個專用的電源供電，電源的作用是讓電動機的控制繞組按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅(qū)動電源。步進電動機及其驅(qū)動電源是一個互相聯(lián)系的整體，步進電動機的運行性能是由電動機和驅(qū)動電源兩者配合所形成的綜合效果。</p><p>　　四、步進電動機的驅(qū)動電源</p><p>　　步進電動機需配置一個專用的電源供電，電源的作用是

20、讓電動機的控制繞組按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅(qū)動電源。步進電動機及其驅(qū)動電源是一個互相聯(lián)系的整體，步進電動機的運行性能是由電動機和驅(qū)動電源兩者配合所形成的綜合效果。</p><p>　　1、對驅(qū)動電源的基本要求</p><p>　　（1）驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都要滿足步進電動機的需要；</p><p>　?。?）要

21、滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的要求；</p><p>　　（3）能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；</p><p>　?。?）工作可靠，抗干擾能力強；</p><p>　?。?）成本低、效率高、安裝和維護方便。</p><p><b>　　2、驅(qū)動電源的組成</b></p><p>　　步進

22、電動機的驅(qū)動電源基本上由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成，如圖6 所示。</p><p>　　第二章 設計目的與要求</p><p><b>　　2.1設計目的</b></p><p>　　通過具體小型測試系統(tǒng)設計，實踐單片機系統(tǒng)設計及調(diào)試的全過程，以加深對單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能和指令系統(tǒng)的理解，并進一步學習單片機

23、開發(fā)系統(tǒng)的應用及一些外圍芯片的接口和編程方法，初步掌握單片機系統(tǒng)的硬件、軟件設計技術(shù)及調(diào)試技巧。</p><p><b>　　2.2設計要求</b></p><p>　　1.由一個總開關(guān)按鈕控制步進電機的啟動和停止，并由一個LED燈指示電機狀態(tài)，亮表示電機運轉(zhuǎn)；滅表示電機停止。</p><p>　　2.由一個按鈕選擇電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，并由兩個LE

24、D燈指示電機旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其中一個亮表示正轉(zhuǎn)，另一個亮表示反轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.由三個按鈕實現(xiàn)三級調(diào)速功能，分別對應低速、中速、高速模式，并由三個LED燈指示電機速度模式。</p><p>　　第三章 硬件電路設計</p><p><b>　　3.1流程圖</b></p><p>　　3.2硬件電路圖(運用Pro

25、teus7.5sp3制作電路圖)</p><p><b>　　3.3系統(tǒng)工作原理</b></p><p>　　本系統(tǒng)由單片機主電路、步進電機及其驅(qū)動電路、開關(guān)鍵控制電路、步進電機狀態(tài)顯示電路幾部分組成。單片機的P0口與開關(guān)電路相連，P2口與LED指示燈相連，P1口與步進電機相連。工作時，CUP根據(jù)程序?qū)碜訮0口的瞬時值進行分析和處理，并決定將要采取的控制行為。根據(jù)得

26、出的控制決策適時地向P1口和P2口輸出相應信號，然后通過驅(qū)動電路，轉(zhuǎn)換成對步進電機的控制信號。 </p><p><b>　　3.4功能說明</b></p><p>　　“總開關(guān)”控制電源通斷。只閉合“總開關(guān)”，電機并不轉(zhuǎn)動，“電源指示燈”亮；斷開“總開關(guān)”后電機停止轉(zhuǎn)動，“電源指示燈”滅。</p><p>　　“正轉(zhuǎn)開關(guān)”閉合后電機正轉(zhuǎn)，“正

27、轉(zhuǎn)指示燈”亮。</p><p>　　“反轉(zhuǎn)開關(guān)”閉合后電機反轉(zhuǎn)，“反轉(zhuǎn)指示燈”亮。</p><p>　　“慢速開關(guān)”閉合后電機慢速旋轉(zhuǎn)，“慢速指示燈”亮。</p><p>　　“中速開關(guān)”閉合后電機中速旋轉(zhuǎn)，“中速指示燈”亮。</p><p>　　“快速開關(guān)”閉合后電機快速旋轉(zhuǎn)，“快速指示燈”亮。</p><p>　　

28、第四章 軟件設計（運用Keil uVision3運行程序）</p><p><b>　　4.1 C語言程序</b></p><p>　　#include "reg52.h"</p><p>　　sbit F1 = P1^0;</p><p>　　sbit F2 = P1^1;</p>

29、<p>　　sbit F3 = P1^2;</p><p>　　sbit F4 = P1^3;</p><p>　　sbit kaiguan = P0^0;</p><p>　　sbit zhengzhuan = P0^1;</p><p>　　sbit fanzhuan = P0^2;</p><p>　　

30、sbit mansu = P0^3;</p><p>　　sbit zhongsu = P0^4;</p><p>　　sbit kuaisu = P0^5;</p><p>　　sbit chaokuaisu = P0^6;</p><p>　　sbit kaiguanLED = P2^0;</p><p>　　sb

31、it zhengzhuanLED = P2^1;</p><p>　　sbit fanzhuanLED = P2^2;</p><p>　　sbit mansuLED = P2^3;</p><p>　　sbit zhongsuLED = P2^4;</p><p>　　sbit kuaisuLED = P2^5;</p>&l

32、t;p>　　sbit chaokuaisuLED = P2^6;</p><p>　　unsigned char ZZ[4] = {0x01,0x02,0x04,0x08};</p><p>　　unsigned char FZ[4] = {0x08,0x04,0x02,0x01};</p><p><b>　　//延時子程序</b>&l

33、t;/p><p>　　void delay(unsigned int t)</p><p>　　{ </p><p>　　unsigned int k;</p><p>　　while(t--)</p><p><b>　　{</b></p&g

34、t;<p>　　for(k=0; k<80; k++)</p><p><b>　　{; }</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//正轉(zhuǎn)子程序</b>&l

35、t;/p><p>　　void prun()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int i;</p><p>　　zhengzhuanLED = 0;</p><p><b>　　//正轉(zhuǎn)慢速</b></p><p&

36、gt;　　if(mansu == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　mansuLED = 0;</p><p>　　for (i=0; i<4; i++) </p><p><b>　　{</b></p><p>　

37、　P1 = ZZ[i];</p><p>　　delay(100); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　mansuLED = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　

38、　//正轉(zhuǎn)中速</b></p><p>　　if(zhongsu == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　zhongsuLED = 0;</p><p>　　for (i=0; i<4; i++) </p><p><b

39、>　　{</b></p><p>　　P1 = ZZ[i];</p><p>　　delay(80); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　zhongsuLED = 1;</p><p><b>　　}&

40、lt;/b></p><p><b>　　//正轉(zhuǎn)快速</b></p><p>　　if(kuaisu == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　kuaisuLED = 0;</p><p>　　for (i=0; i<4; i++)

41、 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1 = ZZ[i];</p><p>　　delay(40); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　kuaisuLED = 1

42、;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//正轉(zhuǎn)超快速</b></p><p>　　if(chaokuaisu == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　chaokuaisuLED = 0

43、;</p><p>　　for (i=0; i<4; i++) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1 = ZZ[i];</p><p>　　delay(10); </p><p><b>　　}

44、</b></p><p>　　chaokuaisuLED = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　zhengzhuanLED = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//反轉(zhuǎn)子程序&

45、lt;/b></p><p>　　void nrun()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int j;</p><p>　　fanzhuanLED = 0;</p><p><b>　　//反轉(zhuǎn)慢速</b></p>

46、;<p>　　if(mansu == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　mansuLED = 0;</p><p>　　for (j=0; j<4; j++) </p><p><b>　　{</b></p>&

47、lt;p>　　P1 = FZ[j];</p><p>　　delay(100); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　mansuLED = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p>&

48、lt;b>　　//反轉(zhuǎn)中速</b></p><p>　　if(zhongsu == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　zhongsuLED = 0;</p><p>　　for (j=0; j<4; j++) </p><p

49、><b>　　{</b></p><p>　　P1 = FZ[j];</p><p>　　delay(80); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　zhongsuLED = 1;</p><p><

50、b>　　}</b></p><p><b>　　//反轉(zhuǎn)快速</b></p><p>　　if(kuaisu == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　kuaisuLED = 0;</p><p>　　for (j=0; j&l

51、t;4; j++) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1 = FZ[j];</p><p>　　delay(40); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　kuai

52、suLED = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//反轉(zhuǎn)超快速</b></p><p>　　if(chaokuaisu == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　chaokuai

53、suLED = 0;</p><p>　　for (j=0; j<4; j++) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1 = FZ[j];</p><p>　　delay(10); </p><p><

54、;b>　　}</b></p><p>　　chaokuaisuLED = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　fanzhuanLED = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　/

55、/主程序</b></p><p><b>　　main() </b></p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>

56、;　　if(kaiguan == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　kaiguanLED = 0;</p><p>　　if(zhengzhuan == 0)</p><p><b>　　prun();</b></p><p>　　if(fan

57、zhuan == 0)</p><p><b>　　nrun();</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　kaiguanLED = 1;</p><p><b>　　}