《計算機控制技術》課程設計說明書基于89C51單片機設計二相電機控制系統(tǒng)設計

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1、武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書 目錄 摘 要 1 1. 設計任務及要求 2 2. 方案比較及選擇 2 2.1 LED顯示選擇方案 2 2.2按鍵狀態(tài)的讀取 2 3. 系統(tǒng)實現(xiàn)的原理 3 3.1系統(tǒng)設計思路 3 3.2步進電機工作原理 3 3.2.1步進電機的啟停控制 3 3.2.2步進電機的控制時序 4 3.3系統(tǒng)整體方框圖 6 4. 系統(tǒng)硬件設計 7 4.1總體電路設計 7 4.2電機模塊電路設計 8 4.2.1電機控制部分電路 8 4.2.2步進電機驅動電路 9 4.3 顯示模塊電路 10 4.3.1發(fā)光二極管顯示電路 10 4.3.

2、2七段數(shù)碼管顯示電路 11 5. 系統(tǒng)軟件設計 11 5.1系統(tǒng)總體流程圖 11 5.2 二相步進電機工作方式模塊程序設計 13 5.2.1四拍方式模塊程序設計 13 5.2.2八拍方式模塊程序設計 14 5.3 系統(tǒng)顯示程序模塊設計 15 6系統(tǒng)仿真結果 16 心得體會 17 參考文獻: 18 附錄 本設計所用的C程序清單 19 武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書 摘 要 基于89C51單片機設計二相電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)四拍和八拍方式轉動，并能進行調速和正反轉控制。同時由數(shù)碼管和LED顯示電機轉動步數(shù)和工作狀態(tài)。首先需要構建控制信號輸入和輸出顯示

3、器以及核心運算部分構成整個系統(tǒng)，然后畫原理圖并且用PROTUES軟件仿真。設計過程中用到單片機、雙極性H橋驅動電路、數(shù)碼管顯示電路等模塊電路。設計的系統(tǒng)通過循環(huán)掃描狀態(tài)信號，控制電機的運轉同時輸出狀態(tài)。 關鍵詞：單片機，H橋，PROTUES，數(shù)碼管 Abstract Based 89C51 microcontroller design two-phase motor control system, having four-beat and eight-beat way to turn, and can control the speed and reversing.

4、At the same time，The digital control and LED display motor rotation step and working condition. First need to build a control signal input and output display parts and the core computing system, and then draw the schematic and software simulation with PROTUES. Microcontroller used in the design proc

5、ess, bipolar H-bridge driver circuit, the digital display module circuit. Scan through the system design cycle status signals to control the motor running while the output state. Key words: Single-chip, H-bridge, PROTUES, digital

6、 二相步進電機控制系統(tǒng)的設計 1. 設計任務及要求 設計一個二相步進電機控制系統(tǒng)，電機有兩組帶中心抽頭的線圈，要求系統(tǒng)具有如下功能：采用雙極性（H橋）控制（不使用線圈的中心抽頭），用K0-K1做為通電方式選擇鍵，K0為四拍，K1為八拍， K2為啟動/停止控制；K3方向控制（正反轉）；K4速度控制（快慢兩檔）；用4位LED數(shù)碼管顯示工作步數(shù)。用3個發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉時紅燈亮，反轉時黃燈亮，不轉時綠燈亮。 2. 方案比較及選擇 2.1 LED顯示方案的選擇 方案1：把所要顯示的數(shù)據通過液晶

7、顯示屏顯示。其優(yōu)點是輸出簡單，可以簡化硬件和程序，但增加了芯片的費用。 方案2：通過軟件把所要的數(shù)據轉化為七段顯示的數(shù)據，直接通過數(shù)碼管來顯示，其優(yōu)點是簡化了電路，但增加了軟件編寫的負擔。 通過對方案的比較，選擇方案2通過數(shù)碼管顯示信號，比較簡單經濟。 2.2按鍵狀態(tài)讀取方案的選擇 方案1：把按鍵接到單片機的中斷口，若有按鍵按下，單片機接收到中斷信號，再通過軟件編寫的中斷服務程序來執(zhí)行中斷，優(yōu)點是接線簡單，簡化了電路，但軟件編寫較為復雜，不易掌握。 方案2：不使用中斷，直接把開關分別接在單片機的接口上，通過查詢端口信號來動作。其優(yōu)點是程序得到簡化。 通過

8、對方案的比較，選擇方案2通過查詢方式來讀取端口信號，相對來說編程和硬件電路都比較簡單。 3. 系統(tǒng)實現(xiàn)的原理 3.1系統(tǒng)設計思路 本設計是設計一個步進電機控制系統(tǒng)，主要由單片機80C51，二相四線步進電機，7段數(shù)碼管，雙極性H橋驅動電路設計而成?？梢酝ㄟ^單片機P2口讀入開關信號來控制系統(tǒng)的啟/停等各種工作，當系統(tǒng)運轉時，用開關來控制方向轉速，并使相應的狀態(tài)指示燈亮起，同樣由開關來選擇工作模式。運轉時，用4位7段數(shù)碼管來顯示電機轉動的步數(shù)。根據設計的硬件電路圖設計相應的軟件完成各項功能。 3.2步進電機工作原理 3.2.1步進電機的啟停控制 步進電機是將電

9、脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰频拈_關控制元件。電機的轉速，停止的位置指取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。如圖3-1為二相步進電機的工作原理圖。由圖可知，每個繞組都有一個中間抽頭。當電機的繞組通電后，其定子磁極產生磁場，當轉子吸合到相應的磁極處。若繞組的控制脈沖使定子在順時針方向輪流產生磁場，則電機可順時針轉動；通電方向與上相反，則電機可逆時針方向轉動。控制脈沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機轉動一步，脈沖頻率越高，電機轉動的也就越快。 圖3-1 二相步進電機原理圖 3.2.2步進電機的控制時序 根據步進電機的

10、工作原理，四拍工作方式下，當控制器給驅動器發(fā)出脈沖信號時，驅動器經過環(huán)形分配器和功率放大器后，給電動機繞組通電的順序為，其4個狀態(tài)按順序周而復始變化，電機正轉；若通電時序變?yōu)闀r，電機就逆向轉動。當八拍工作方式時，給電動機繞組通電的順序為時，電機正轉，反向通電時電機反轉。改變通電頻率時可相應的改變電機的轉速。 3.2.3步進電機的控制方式字 （1）二相四拍工作方式 在這種工作方式下, 、、、相輪流通電,電流切換四次,磁場旋轉一周,轉子向前轉過一個齒距角。因此這種通電方式叫做四拍工作方式。這時步距角θb (度)為 式中:m──定子相數(shù); z ──轉子齒數(shù)；每

11、次切換均使轉子轉動90角。 四拍方式的控制字如表1所示： 表1 四拍工作方式控制字 步序 控制位 工作 狀態(tài) 控制 模型 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0AH 2 0 0 0 0 1 0 0 1 09H 3 0 0 0 0 0 1 0 1 05H 4 0 0 0 0 0 1 1 0 06H

12、 （2）二相八拍工作方式 在此工作方式下,繞組以時序(或反時序)轉換8次,磁場旋轉一周,轉子前進一個齒距,每次切換均使轉子轉動45角,故這種通電方式稱為二相八拍工作方式。 八拍的控制方式字如表2所示： 表2 八拍工作方式控制字 步序 控制位 工作 狀態(tài) 控制 模型 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0f2H 2 1 1 1 1 0 1 0 AB 0faH 3

13、 1 1 1 1 1 0 0 0 B 0f8H 4 1 1 1 1 1 0 0 1 0f9H 5 1 1 1 1 0 0 0 1 0f1H 6 1 1 1 1 0 1 0 1 0f5H 7 1 1 1 1 0 1 0 0 0f4H 8 1 1 1 1 0 1 1 0 0f6H 3.3系統(tǒng)整體方框圖 設計的系統(tǒng)的總體方框圖如

14、圖3-2所示： 89c51 單 片 機 整 體 控 制 器 數(shù)碼管顯示模塊 開關控制單元模塊 LED顯示電機工作狀態(tài) H橋驅動電機模塊 圖3-2 系統(tǒng)的整體方框圖 由系統(tǒng)的整體方框圖可以看出，本系統(tǒng)主要由控制部分、顯示部分和執(zhí)行部分3大部分組成。這幾部分通過89C51組合成整個系統(tǒng)，單片機通過讀取系統(tǒng)狀態(tài)和控制信號，經過內部的運算把控制命令輸出給被控電機，同時把此時的工作狀態(tài)通過LED顯示，并通過數(shù)碼管顯示電機轉動步數(shù)。 4. 系統(tǒng)硬件設計 4.1總體電路設計 系統(tǒng)由單片

15、機控制著顯示部分和電機的運轉。電機由雙極性H橋驅動。用K0-K1做為通電方式選擇鍵，K0為四拍，K1為八拍。K2、K3分別為啟動和方向控制，K4為速度控制鍵。正轉時紅色指示燈亮，反轉時黃色指示燈亮，不轉時綠色指示燈亮。用數(shù)碼管顯示工作步數(shù)。 根據設計要求用PROTEUS畫出的硬件連線圖如下圖4-1所示： 圖4-1 系統(tǒng)總體硬件電路圖 4.2電機模塊電路設計 4.2.1電機控制部分電路 控制信號輸入部分電路圖如下圖4-2所示 圖4-2 按鍵控制部分電路圖 K3為電機轉動方向控制鍵。K4為速度控制開關，控制步進電機的轉速

16、。K0-K2為工作模式控制開關，K0接電時，為步進電機四拍工作模式；K1接電時，為步進電機八拍工作模式；K2啟動控制開關，控制整個系統(tǒng)的啟動和關閉，它們依次接單片機的P2.0-P2.3口。 4.2.2步進電機驅動電路 二相步進電機的驅動電路，如圖4-3所示： 圖4-3 步進電機驅動電路 電機的驅動電路部分由8個達林頓管來驅動2組相位。當步進電機運轉時，達林頓Q2和Q4導通時，線圈電流方向為；當達林頓管Q1和Q3導通時，線圈中電流方向為。可見，步進電機線圈中的電流方向在運轉過程中是不斷變化的。雙極性驅動電路的繞組線圈每次都有電

17、流通過，產生一個均勻的磁場，電機運轉的穩(wěn)定性更高。 4.3 顯示模塊電路 4.3.1發(fā)光二極管顯示電路 用3個不同顏色的發(fā)光二極管來作為電機工作狀態(tài)顯示燈，正轉時紅色指示燈亮，反轉時綠色指示燈亮，不轉時黃色指示燈亮。各個燈的亮與否不是軟件實現(xiàn)然后通過單片機完成的，而是控制信號通過邏輯電路搭接出來的。發(fā)光二極管顯示的部分電路圖如圖4-4所示： 圖4-4 狀態(tài)顯示部分電路圖 4.3.2 七段數(shù)碼管顯示電路 由89C51的P1口取出顯示碼，從89C51的P3.0-P3.3輸出位選碼

18、，設計中我們主要用到4位顯示步數(shù)既可。七段數(shù)碼管顯示部分的電路原理圖如圖4-5所示： 圖4-5 七段數(shù)碼管顯示部分的電路圖 5. 系統(tǒng)軟件設計 5.1系統(tǒng)總體流程圖 設計說明： 首先要復位單片機，然后從P2口讀出開關狀態(tài)，判斷是否啟動，沒啟動黃燈亮重新確認啟動。啟動后再次讀取P2口數(shù)據，判斷工作方式并將對應的用來存儲步進電機工作方式字的數(shù)組首地址值給另一數(shù)組。由P0口的雙向開關來控制步進電機的正反轉，如果是正轉則紅燈亮，反轉則綠燈亮。在電機每走一步后，步數(shù)累加1，然后通過數(shù)碼管把工作步數(shù)顯示出來。再從P2口把狀態(tài)信息讀出來，與之前的P2口的狀態(tài)信息進行比較。如果狀態(tài)信息沒有改變

19、，電機繼續(xù)運行。如果狀態(tài)信息改變了，就需要重新返回程序的開端，對電機的運行狀態(tài)進行判斷，讓電機重新以新的狀態(tài)運行。由此，開關的狀態(tài)在電機每走一步都會查詢一遍，做到實時地反映。系統(tǒng)總體流程圖如圖5-1所示： 開始 快慢K4? 重新啟動 N 黃燈亮 給單片機復位 啟動？ Y N N Y 置慢速標志 置快速標志 反 判斷轉向? 正 反轉 正轉 綠燈亮 紅燈亮 四拍方式? Y P0口指向八拍控制字數(shù)組 P0口指向四拍控制字數(shù)組 P0口輸出控制字 延時，步數(shù)加1，方

20、式字地址加1 數(shù)碼管動態(tài)顯示步數(shù) N 信號變化? Y 圖5-1 系統(tǒng)軟件總體流程圖 5.2 二相步進電機工作方式模塊程序設計 設計說明：在此設計中，采用的是二相步進電機，對于步進電機模塊的程序設計采用循環(huán)程序設計方法。先把正反轉向的控制模型存放在內存單元中，然后再逐一從單元中取出控制模塊并輸出。首先啟動，選擇步進電機的拍數(shù)，輸入步數(shù)，然后讀入正反轉的控制模型驅動步進電機轉動。 5.2.1四拍方式模塊程序設計 二相步進電機四拍工作的流程框圖如圖5-2所示： 開始

21、 N 是正轉嗎？ Y 四拍反向控制字數(shù)組地址 四拍正轉方式控制字數(shù)組 輸出控制模型 電機轉動 延時，模型地址+1 N 信號變化？ Y 圖5-2 二相步進電機四拍工作的流程框圖 5.2.2八拍方式模塊程序設計 二相步進電機八拍工作的流程框圖如圖5-3所示： 開始 是正轉嗎 N Y 八拍反向控制字數(shù)組地址 八拍正轉方式控制字數(shù)

22、組 輸出控制模型 電機轉動 延時，模型地址+1 N 信號變化？ Y 圖5-3 二相步進電機八拍工作的流程框圖 5.3 系統(tǒng)顯示程序模塊設計 設計說明：顯示模塊是用4位7段數(shù)碼管來顯示工作步數(shù)。先將顯示碼存入數(shù)組中，指向最左邊一位，然后取出要顯示的數(shù)據，指向換碼表首地址，取出顯示碼，從P0口輸出顯示碼，P3口輸入位選碼，顯示出4位工作步數(shù)，最后修改數(shù)組地址，求下一位顯示碼繼續(xù)顯示。顯示程序流程圖如圖5-4所示： 動態(tài)顯示子程

23、序 取出要顯示的數(shù)據 顯示數(shù)據的顯示碼 送位段碼到P0口輸出 送位顯碼到P3.0-P3.3輸出 延時 求下一位選碼 顯示數(shù)據的顯示碼 圖5-4 顯示模塊的程序流程圖 6系統(tǒng)仿真結果 當選擇電機工作在四拍，正轉的模式下，K0、K2置高電平，K1、K4置低電平，系統(tǒng)啟動，K3置高電平，電機開始四拍正轉。LED四位顯示屏顯示工作步數(shù)，LED指示燈紅燈亮顯示電機正轉的狀態(tài)。仿真圖如圖6-1所示： 圖6-1 系統(tǒng)仿真結果截圖 心得體會 真的很辛苦，不過終于我的設計完成了。這一刻不僅是高興，更多的是激動。

24、此刻我也真正的學到了很多東西。已經不知道去過圖書館多少次查閱資料，一次一次的仿真實驗，一次一次的方案設計，一次一次的編制程序。在經歷過無數(shù)次的失敗，我終于成功了。得到了理想的仿真結果?？粗约旱恼n程設計，真的無比的高興，心中充滿成就感。 通過本次課程設計，我得到了以往不曾有過的體會與經驗。將自己學到的理論知識通過本次課程設計應用到了實際應用當中，提高了自己各方面的能力。同時也加深了自己對于相關課程基礎理論知識的理解和掌握，學會了綜合運用所學知識。學會了應用所學的知識在實際硬件電路上編程完成所需功能。對單片機的應用有了進一步的掌握。懂得了如何去發(fā)現(xiàn)問題，思考問題，解決問題。通過這次計算機控制

25、的課程設計，我學會了靈活的運用單片機，更學會了異步電機的原理和如何去很好的控制異步電機工作。 最后，我最大的收獲就是: 失敗是成功之母，只要努力就會有收獲。 參考文獻: [1] 于海生編著.《計算機控制技術》.北京：機械工業(yè)出版社.2005 [2] 張義和、王敏男等編著.《例說51單片機》.北京：人民郵電出版社.2008 [3] 陳濤編著.《單片機應用及C51程序設計》.北京：機械工業(yè)出版社，2010 [4] 齊向東、劉立群編著.《單片機控制技術實踐》.北京：中國電力出版社，2009 [5] 張靖武，周靈彬編著.《單片機系統(tǒng)

26、的PROTEUS設計與仿真》. 北京：電子 工業(yè)出版社，2007. [6] 余炳雄,陳志玲,黎浩樑編寫.《二相步進電機驅動電路的設計》.廣州：華南師范大學學報，2009. 附錄 本設計所用的C程序清單 #include #define motor P0 #define led P1 #define kongzhi P2 #define deng P3 sbit led1=P3^0; sbit led2=P3^1; sbit led3=P3^2; s

27、bit led4=P3^3; sbit dansi=P2^0; sbit sudu=P2^1; sbit ba=P2^2; sbit qidong=P2^3; sbit fangxiang=P2^4; char table[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //共陽極數(shù)碼管編碼 a1[]={0x0a,0x09,0x05,0x06}; //四拍正轉 a2[]={0x06,0x05,0x09,0x0a}; //四拍反轉 b1[]={0xf2,0xfa,0xf8,0xf9

28、,0xf1,0xf5,0xf4,0xf6}; //八拍正轉 b2[]={0xf6,0xf4,0xf5,0xf1,0xf9,0xf8,0xfa,0xf2}; //八拍反轉 unsigned char aa; int i,j,qian,bai,shi,ge,temp; void delay(int x) //延時子程序1 { int c,j; for(c=0;c

29、 led3=0; led4=0; qian=temp/1000; //取千位 bai=temp%1000/100; //取百位 shi=temp%100/10; //取十位 ge=temp%10; //取個位 led4=1; //個位數(shù)碼管亮 led=table[ge]; delay(1); led4=0; led3=1; //十位數(shù)碼管亮 led=table[shi]; delay(1); led3=0; led2=1; //百位數(shù)碼管亮 led=ta

30、ble[bai]; delay(1); led2=0; led1=1; //千位數(shù)碼管亮 led=table[qian]; delay(1); led1=0; } void delay1(int x) //延時子程序2 { int c,j; for(c=0;c

31、emp++; if(i==4) {i=0;} } void dspfan(void) //四拍反轉子程序 { motor=a2[i]; i++; temp++; if(i==4) {i=0;} } void bpzheng(void) //八拍正轉子程序 { motor=b1[i]; i++; temp++; if(i==8) {i=0;} } void bpfan(void) //八拍反轉子程序 { motor=b2[i]; i++; temp++; if(i==8)

32、{i=0;} } void main(void) //主程序 { int i=0,j=0; dansi=0; ba=0; qidong=0; sudu=0; fangxiang=0; temp=0000; while(1) { while(qidong==0) { shumaguan(temp); //調用數(shù)碼管子程序 } while(qidong==1&&fangxiang==1&&dansi==1&&ba==0) { while(qidong==1

33、&&fangxiang==1&&sudu==1&&dansi==1&&ba==0) { dspzheng(); shumaguan(temp); delay1(40); } while(qidong==1&&fangxiang==1&&sudu==0&&dansi==1&&ba==0) { dspzheng(); shumaguan(temp); delay1(10);

34、 } } temp=0; while(qidong==1&&fangxiang==0&&dansi==1&&ba==0) { while(qidong==1&&fangxiang==0&&sudu==1&&dansi==1&&ba==0) { dspfan(); shumaguan(temp); delay1(40); } while(qidong==1&&fangxiang==0&&sudu==0&&dansi==1

35、&&ba==0) { dspfan(); shumaguan(temp); delay1(10); } } temp=0; while(qidong==1&&fangxiang==1&&dansi==0&&ba==1) { while(qidong==1&&fangxiang==1&&sudu==1&&ba==1&&dansi==0) { bpzheng(); shumaguan(temp); delay1

36、(40); } while(qidong==1&&fangxiang==1&&sudu==0&&ba==1&&dansi==0) { bpzheng(); shumaguan(temp); delay1(10); } } temp=0; while(qidong==1&&fangxiang==0&&dansi==0&&ba==1) { while(qidong==1&&fangxiang==0&&sudu==1&&ba==1&&dansi==0) { bpfan(); shumaguan(temp); delay1(40); } while(qidong==1&&fangxiang==0&&sudu==0&&ba==1&&dansi==0) { bpfan(); shumaguan(temp); delay1(10); } } temp=0; } } 26