計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)---步進(jìn)電機(jī)的角度控制設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　計(jì)算機(jī)控制技術(shù)</b></p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)課題 步進(jìn)電機(jī)的角度控制設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)院名稱 ： 電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) ：

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 ： </p><p>　　學(xué) 號(hào) ： </p><p>　　指導(dǎo)教師 ： </p><p>　　設(shè)計(jì)地點(diǎn) ：

3、 31-503 </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間 ： 2012-06-11～2012-06-15 </p><p>　　計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言4</b>

4、;</p><p>　　2 總體方案設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　2.1硬件組成4</b></p><p>　　2.2控制流程方框圖5</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.1 單片機(jī)及其外圍電路6</p><p>　　3.2 16

5、02LED顯示器7</p><p>　　3.3 ULN2003外圍電路8</p><p>　　3.4鍵盤接口電路9</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)10</p><p><b>　　5總結(jié)11</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></

6、p><p>　　附錄A 系統(tǒng)原理圖12</p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中具有很廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動(dòng)輪、電磁差分器或角位移發(fā)生器等。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電機(jī)，其機(jī)械位

7、移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成正比，每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度。脈沖的數(shù)量，決定了旋轉(zhuǎn)的總角度；脈沖的頻率，決定了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。 此次設(shè)計(jì)通過AT89C51對(duì)步電機(jī)進(jìn)行控制，用ULN2003為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主芯片，AT89C51對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)送到ULN2003輸出到LED顯示步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。</p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計(jì)</

8、b></p><p><b>　　2.1硬件組成</b></p><p><b>　?。?）步進(jìn)電機(jī) </b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖

9、信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就

10、是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。</p&

11、gt;<p>　　步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源都是采用單極性的直流電源。要使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)定子的各相繞組以適當(dāng)?shù)臅r(shí)序進(jìn)行通電。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)過程可以用圖來說明。圖是一個(gè)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子的每相都有一對(duì)磁極，每個(gè)磁極都只有一個(gè)齒，即磁極本身，故四相步進(jìn)電機(jī)有四對(duì)磁極共8個(gè)齒其轉(zhuǎn)子有6個(gè)齒，分別稱為0、1、2、3、4、5齒。直流電源U通過開關(guān)AS、BS、CS、DS分別對(duì)步

12、進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D相繞組輪流通電。</p><p><b>　?。?）顯示部分</b></p><p>　　LCD可以顯示出轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù),轉(zhuǎn)動(dòng)角度，轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在一開始就可以進(jìn)行鍵盤掃描，然后可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體是將要設(shè)置的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度都輸入進(jìn)去，按下設(shè)置鍵，接著再按下啟動(dòng)鍵，電機(jī)就會(huì)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，中途按下停止鍵的話，電機(jī)會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)還可以進(jìn)行清零操作

13、，方便連續(xù)設(shè)置。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中我選取的是1602LCD顯示器</p><p><b>　　（3）驅(qū)動(dòng)部分</b></p><p>　　選用ULN2003A作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。由于ULN2003A具有反相功能，因此單片機(jī)輸出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該為反相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過改變輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的順序，可改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向;通過改變

14、驅(qū)動(dòng)信號(hào)間延時(shí)的長(zhǎng)短,可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。</p><p>　　輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。</p><p>　　ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列,由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如下: UL

15、N2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。</p><p>　　ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。</p><p><b>　　(4)控制部分<

16、/b></p><p>　　微控制器采用AT89C51，多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。</p><p><b>　?。?）鍵盤部分</b></p><p>　　鍵盤電路

17、常用的有兩種，一種是獨(dú)立式鍵盤電路，另一種是矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤每個(gè)按鍵獨(dú)占一根I/O線。因此鍵識(shí)別軟件非常簡(jiǎn)單。對(duì)于只有幾個(gè)按鍵的系統(tǒng)，常采用這種電路。對(duì)于多按鍵系統(tǒng)來講，這種電路憂郁將占用更多的I/O線而變得無(wú)法實(shí)用。</p><p>　　矩陣式鍵盤電路將I/O口線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，這就構(gòu)成了行列式鍵盤。行列式鍵盤中按鍵的數(shù)量可達(dá)行線數(shù)n乘以列線數(shù)m。由此可

18、以看到行列式鍵盤在按鍵較多時(shí)，可以節(jié)省I/O線。按鍵開關(guān)的兩端分別接在行線和列線上。行線通過一個(gè)電阻接到+5V電源上，在沒有鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)。判斷是否有鍵按下的方法是向所有的列線I/O口輸出低電平，然后將行線的電平狀態(tài)讀入累加器中，若無(wú)鍵按下，行線仍保持高電平狀態(tài)，若有鍵按下，行線至少應(yīng)有一條為低電平。當(dāng)確定有鍵按下后，即可進(jìn)行求鍵碼的過程。其方法是依次從一條列線上輸出低電平，然后檢查各行線的狀態(tài)，若全為高電平，說明閉合鍵不

19、在該列若不全為1，則說明閉合鍵在該列，且在變?yōu)榈碗娖降男械慕稽c(diǎn)上。 在鍵盤處理程序中，每個(gè)鍵都被賦予了一個(gè)鍵號(hào)，由從列線I/O口輸出的數(shù)據(jù)和從行線I/O口讀入的數(shù)據(jù)可以求出閉合鍵的鍵號(hào)。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中我選擇了矩陣式鍵盤電路。鍵盤選用4×4（一個(gè)）。</p><p>　　2.2控制流程方框圖</p><p>　　圖2.2 控制流

20、程方框圖</p><p>　　圖2.2中主要由AT89C51控制部分﹑中間接口部分﹑驅(qū)動(dòng)部分﹑步進(jìn)電機(jī)部分，鍵盤部分，顯示部分等部分組成。C51是該系統(tǒng)的核心部分，電機(jī)的角度控制主要是通過它控制的，通過鍵盤可以設(shè)定要轉(zhuǎn)動(dòng)角度，由C51檢測(cè)哪個(gè)按鍵按下，實(shí)現(xiàn)設(shè)定值的修改，并通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示設(shè)定值以及測(cè)得的角度。</p><p><b>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)</b>&l

21、t;/p><p>　　3.1單片機(jī)及其外圍電路</p><p>　　微控制器采用AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可

22、擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。</p><p>　　主要特性：（1）與MCS-51兼容</p&g

23、t;<p>　　（2）4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器</p><p>　?。?）壽命：1000寫/擦循環(huán)</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年</p><p>　　（5）全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz</p><p>　?。?）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定</p><p>　?。?）128*8位內(nèi)部RAM<

24、/p><p>　?。?）32可編程I/O線</p><p>　?。?）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　?。?0）5個(gè)中斷源</b></p><p>　?。?1）可編程串行通道</p><p>　?。?2）低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　?。?3）片

25、內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p>　　圖3.1 單片機(jī)及其外圍電路</p><p>　　3.2 1602LCD顯示器</p><p>　　圖3.2 1602 LCD顯示器與與AT89C51單片機(jī)的連接圖</p><p>　　靜態(tài)顯示方式就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地或截止，直到顯示另一個(gè)字符為止。靜態(tài)顯示方式，顯示器

26、中的各位相互獨(dú)立，而且顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存的輸出將維持不變。正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示時(shí)的亮度較高。在多位LCD顯示時(shí)，為了節(jié)省I/O口線，簡(jiǎn)化電路，降低成本，一般采用動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示方式是一位一位地分時(shí)輪流各位顯示器，對(duì)每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間輪流點(diǎn)亮一次。</p><p>　　LCD可以顯示出轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù),轉(zhuǎn)動(dòng)角度，轉(zhuǎn)動(dòng)方向。</p><p>　　3.3 ULN2003外圍電路

27、</p><p>　　圖3.3 ULN2003外圍電路</p><p>　　單片機(jī)輸出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該為反相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過改變輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的順序，可改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向;通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)間延時(shí)的長(zhǎng)短,可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3.4 鍵盤接口電路</p><p>　　圖3.4 鍵盤電路</p>&

28、lt;p>　　鍵盤是一組按壓式開關(guān)的集合，是微機(jī)系統(tǒng)不可缺少的輸入設(shè)備，用于輸入數(shù)據(jù)和命令。鍵盤的每一個(gè)按鍵都被賦予一個(gè)代碼，稱為鍵碼。鍵盤系統(tǒng)的主要工作包括及時(shí)發(fā)現(xiàn)有鍵閉合，求閉合鍵的鍵碼。根據(jù)這一過程的不同，鍵盤可以分為兩種，即編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤通過一個(gè)編碼電路來識(shí)別閉合鍵，非編碼鍵盤是通過軟件來識(shí)別鍵碼。由于非編碼鍵盤的硬件電路簡(jiǎn)單，用戶可以方便地增減鍵的數(shù)量，因此在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。這里著重介紹行列式非編碼

29、鍵盤。 將I/O口線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，這就構(gòu)成了先烈式鍵盤。行列式鍵盤中按鍵的數(shù)量可達(dá)行線數(shù)n乘以列線數(shù)m。由此可以看到行列式鍵盤在按鍵較多時(shí)，可以節(jié)省I/O線。按鍵開關(guān)的兩端分別接在行線和列線上。行線通過一個(gè)電阻接到+5V電源上，在沒有鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)。判斷是否有鍵按下的方法是向所有的列線I/O口輸出低電平，然后將行線的電平狀態(tài)讀入累加器中，若無(wú)鍵按下，行線仍保持高電平狀態(tài)

30、，若有鍵按下，行線至少應(yīng)有一條為低電平。當(dāng)確定有鍵按下后，即可進(jìn)行求鍵碼的過程。其方法是依次從一條列線上輸出低電平，然后檢查各行線的狀態(tài)，若</p><p><b>　　功能如下：</b></p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖4.1程序設(shè)計(jì)流程圖</p><p&g

31、t;　　先把轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)和角度的控制模型存放在內(nèi)存單元中，然后再逐一從單元中取出控制模塊并輸出。首先啟動(dòng)，選擇步進(jìn)電機(jī)的角度，輸入次數(shù)，然后讀入轉(zhuǎn)動(dòng)的控制模型驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p><b>　　5總結(jié)</b></p><p>　　通過此次課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)課本專業(yè)知識(shí)的理解，平常都是理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計(jì)中，真正做到了自己查閱資料、自己解決問題。這

32、次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)步進(jìn)機(jī)有了更深的了解，對(duì)單片機(jī)也有了更高成次的了解。單片機(jī)的種類多，而型號(hào)雜，也是我們學(xué)習(xí)中遇到的困難。單片機(jī)編程是用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，也就需要我們對(duì)電路的分析，然后總結(jié)，查閱相關(guān)資料才能變成好的程序，編程講究的是多動(dòng)手寫，自己寫，用自己的思路，不怕寫錯(cuò)，寫錯(cuò)再改，懂得有新的思想這樣才能提高。通過解決課程設(shè)計(jì)的這些難點(diǎn)，與其說是增加了的知識(shí)，不如說培養(yǎng)了我們一個(gè)積極的心態(tài)。當(dāng)遇到困難時(shí)，端正態(tài)度，認(rèn)真地查資料，跟老師和同

33、學(xué)討論，以一個(gè)最積極的充滿信心的態(tài)度，最終總會(huì)解決問題。 </p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)，使我懂得了只有課堂知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的知識(shí)綜合起來，從理論中得出結(jié)論，提高自己獨(dú)立思考的能力，才會(huì)對(duì)自己的將來有幫助。在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計(jì)，把以前所學(xué)過的知識(shí)重新溫故，鞏固了所學(xué)的知識(shí)。 我們的《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》這本書雖然看起來很

34、薄，但里面的包含的知識(shí)很多，同時(shí)有些地方講的較簡(jiǎn)略，在自己獨(dú)立學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)遇到很大的困難。因此這本書在一個(gè)學(xué)期內(nèi)講完，學(xué)時(shí)太少，感覺學(xué)的太急，沒有能力消化。建議此書用兩個(gè)學(xué)期學(xué)完，在平時(shí)的教學(xué)過程中同時(shí)融入實(shí)際的訓(xùn)練，必將獲得更好的效果。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù)（第2版）[M].

35、北京：國(guó)防工</p><p><b>　　業(yè)出版社，2004</b></p><p>　　[2] 馮博琴，吳寧.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù). 清華大學(xué)出版社.2007 </p><p>　　[3] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 清華大學(xué)出版社.2004 </p><p>　　[4] 朱玉璽，崔如春，鄺小磊.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).

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