裝配圖單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)（開題報告+論文+文獻綜述+外文翻譯+DWG圖紙）

裝配圖單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)（開題報告+論文+文獻綜述+外文翻譯+DWG圖紙）,裝配,單片機,實現(xiàn),步進,電機,機電,控制系統(tǒng),開題,報告,講演,呈文,論文,文獻,綜述,外文,翻譯,dwg,圖紙 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系系畢業(yè)論文(中英文資料) Modeling micro-controller peripherals for high-level co-simulation and synthesis Mapping a behavior on an embedded system involves hardware-software partitioning and assignment of software and hardware tasks to different components. In particular, software tasks in embedded controllers are mostly assigned to a micro-controller. However, some micro-controller peripherals are implemented with partly programmable components that can be regarded as very simple co-processors with limited instruction sets and capabilities. Embedded system designers are used to mapping some simple software tasks onto these simple co-processors, obtaining overall performances that can be orders of magnitude superior to the ones obtained mapping all software tasks to the micro-controller itself. In this paper, we propose a methodology to specify, simulate, and partition tasks that can be implemented on programmable micro-controller peripherals such as Timing Processing Units P U S ) . Following our general philosophy, we let the designer propose a partition, and we provide an environment 0 to efficiently simulate and evaluate a particular implementation choice 0 to automate downstream synthesis for software, hardware, as well as peripheral programming routines. 1 Implementation and Case Study We have implemented such a library for the 68hcll family of micro-controllers from Motorola . It includes: 0 The timer unit, implementing input capture and output compare functions, that measure time between input and 0 The ALII convert output events using a 16 bit free running counter. 0 The PWM generators present on a specific family member targeted for automotive applications. Each function of the timer unit and of the PWM generator is described both at the behavioral level, using the simulator timing functions to implement time, and at the Register Transfer level, using a cycle-accurate model of the hardware. The latter is also used for hardware and software synthesis, if the peripheral is not used. C routines are used to interface to the peripheral. The precision of the RTL model can be scaled, by dividing the clock. A single simulation parameter controls this scaling without affecting the overall behavior (apart from the loss of precision). We have specified the functionality of a complete dashboard controller, that uses the 68hcl1 peripherals. Note, with the standard co-design methods, using only fully programmable processors or hardware, all the tasks implemented by the peripherals could be implemented only as software tasks, thus yielding a less performing solution, or as hardware tasks, thus yielding a higher cost and less flexible solution. Hence the method presented here is required in order to obtain a solution quality comparable with manual design. The speed of the behavioral simulation was about 260,000 clock cycles per second. The speed of the RTL simulation ranged almost linearly from 2,000 clock cycles per second to 50,000 clock cycles depending on the clock scaling factor, from 1 to 32. The experiments were performed on a 60MHz ULTRAsparc. At synthesis time, the appropriate U 0 drivers are extracted from the library and customized by the co-design tools. We also synthesized a hardware implementation for the PWM generators of the dashboard controller, because they are not available on all members of the 68hcll family. We analyzed the cost trade-offs of using some small ASIC to implement that function. A hardware implementation, using XILINX FPGAs for rapid prototyping purposes required 374 CLBs (with 203 flip-flops) and 60 U 0 pads, that would fit on a XILINX 4010 chip. 2 Conclusion The proposed solution for high-level specification of micro-controller peripherals retains most of the advantages and flexibility of hardware software co-design (uniform modeling, fast co-simulation, formal verification, flexibility in target implementation,. The limit is that the designer has to decide on whether or not a function is implementable using a particular peripheral, and sometimes such a decision must be made about peripherals that may be only slightly different between different micro-controllers. Further research is still needed to develop mapping techniques from an unbiased specification to partially programmable devices. 模擬單片機外設(shè)的高級共仿真和綜合 映射在一個嵌入系統(tǒng)上的行為包括硬件-軟件區(qū)分和對于不同成分上硬件和軟件的任務(wù)。特別的,在嵌入控制上的軟件任務(wù)由單片機執(zhí)行。但是,一些單片機外圍設(shè)備一起實現(xiàn)部分可設(shè)計的成分,這些成分被當(dāng)作限制性的指令組合和能力的非常簡單的共處理器。嵌入系統(tǒng)設(shè)計者習(xí)慣于把一些簡單的軟件工作映射到這些簡單的共處理器,以獲得把大規(guī)模指令轉(zhuǎn)向獲得映射所有軟件任務(wù)的單片機本身。本文,我們打算一種方法去敘述,仿真,和區(qū)分那些可能是被用于可設(shè)計的單片機外圍設(shè)備,比如時間處理單元(TPUs)。通過我們的一般原理,我們讓設(shè)計者計劃分割,且我們提供一個環(huán)境去有效仿真和評估一個特殊執(zhí)行選擇。為軟件,硬件和外圍設(shè)備規(guī)劃常式自動化下游的綜合。 1、落實和個案研究 我們已經(jīng)實現(xiàn)了來自摩托羅拉的單片機68hcll系列。它包括:定時單元,實現(xiàn)輸入攝入輸出比較功能,使用16位自由運行計算器的輸入和輸出兩者間的測試時間。 A/D轉(zhuǎn)換器 PWM 產(chǎn)生器在一個特定的系列成員上為汽車的申請對準。 我們已經(jīng)敘述完全的儀表板控制器的功能性,這些控制器使用 68 hcl1 外圍設(shè)備。注意共設(shè)計方法的標準, 使用只有完全可設(shè)計的處理器或硬件,所有的被外設(shè)實現(xiàn)的工作能僅僅如軟件工作那樣實現(xiàn),如此產(chǎn)生一個更高的成本和更少靈活的方法。因此,在這里呈現(xiàn)的方法被要求為了獲得一個解決特性相比較手動設(shè)計。 行為模擬速度大約是260000時鐘循環(huán)每秒。RTL模擬速度范圍從2000時鐘循環(huán)每秒到5000時鐘循環(huán)每秒線性變化,依靠時鐘計數(shù)因素，從1到32。試驗在60MHZ的ULTRAsparc上被運行。 綜合時間,適當(dāng)?shù)腎/O驅(qū)動從圖書館和有共設(shè)計工具的客戶上被修改。我們也為儀表板控制器的 PWM 產(chǎn)生器綜合硬件實現(xiàn),因為他們在68hcll單片機系列所有成員不是適當(dāng)?shù)?。我們分析了使用一些小ASIC的稱本交換去實現(xiàn)這個功能。一個硬件實現(xiàn),使用XILINX FPGAs作為快速設(shè)計原型的目的要求374CLBs和60I/O Pads,這些將在XILINX4010芯片上使用。 2、結(jié)論 單片機外設(shè)的高級外設(shè)的提議解決方法保留了共設(shè)計硬件/軟件的大部分優(yōu)點和靈活性。局限是設(shè)計者不得不考慮一個功能是否要用一個特殊外設(shè)去實現(xiàn),且有時如此的決定必須作出有關(guān)不同單片機外設(shè)之間的微小差別。更進一步的研究仍然需要去發(fā)展映射技術(shù)從無偏見外設(shè)到局部可編程的裝置。 畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書 ?? 學(xué)生姓名 _韓安寶 指導(dǎo)教師_黃云龍、廖東進、朱秋琴 職稱副教授、助教、助教 系別_信息與電子工程系_專業(yè) 電氣 年級 03級___班級 課題名稱 單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計 任務(wù)與要求： 一、 設(shè)計（論文）要求： 本課題的主要任務(wù)是通過單片機控制系統(tǒng),實現(xiàn)對步進電機工作狀態(tài)的控制。具體設(shè)計方案如下：本設(shè)計采用凌陽16 位單片機SPCE061A對步進電機進行控制，通過IO口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片L298N驅(qū)動步進電機；同時，用4X4的鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管顯示電機的轉(zhuǎn)速，采用74LS164作為4位單個數(shù)碼管的顯示驅(qū)動，從單片機輸入信號；利用凌陽單片機的語音功能播報電機的轉(zhuǎn)速。 設(shè)計的主要內(nèi)容和要求： 1、 根據(jù)所選的課題，參考一些優(yōu)秀的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，完成該課題的建設(shè)。 2、 參與該課題的各位同學(xué)必須分工合作。在設(shè)計中既要有自己一定的工作量，同時具備良好的團隊合作精神。 3、 畢業(yè)設(shè)計論文體現(xiàn)了畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，所以各位同學(xué)必須在論文中體現(xiàn)自己在畢業(yè)設(shè)計中所采用的方法、思想以及設(shè)計策略。論文的格式包括：（1）中英文摘要（2）目錄（3）正文（4）致謝（5）參考文獻（6）附錄。論文書寫要求語言精練、簡潔，表達力求準確，字數(shù)12000以上，最后要求用A4開紙打印，并裝訂成冊，形成書目結(jié)構(gòu)。 4、 在整個設(shè)計當(dāng)中要嚴格按照學(xué)校和系部的各種規(guī)章制度和要求，按時完成所要求完成的任務(wù)。 二、 設(shè)計（論文）條件： 提供設(shè)計所需的書籍、計算機、單片機設(shè)計所需的設(shè)備等。 三、 設(shè)計（論文）資料： 提供步進電機、單片機設(shè)計等相關(guān)所需資料。 四、 設(shè)計（論文）教學(xué)要求：（可以同一專業(yè)相同） 要求同學(xué)們有較強的學(xué)習(xí)和自學(xué)能力，能根據(jù)需要查找資料，獨立思考和設(shè)計。 要求同學(xué)熟悉步進電機的工作原理并具有一定的單片機設(shè)計能力。 五、 設(shè)計（論文）進度安排：（可以同一專業(yè)相同） 第01周至第02周：查閱中文及英文資料（并翻譯一篇外文資料），了解步進電機的工作原理以及單片機設(shè)計內(nèi)容，收集相關(guān)資料； 第03周至第03周：完成畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告，并開始進行畢業(yè)設(shè)計； 第04周至第08周：完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計； 第09周至第12周：完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計； 第13周至第13周：軟件和硬件的調(diào)試； 第14周至第15周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文； 第16周至第16周：畢業(yè)設(shè)計（論文）小組答辯； 第17周至第17周：答辯。 六、 學(xué)生分組名單 ? 張加正、陳思宇、韓安寶 ? 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系 畢業(yè)設(shè)計（論文）課題申報表 課題名稱 單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng) 課題來源 模擬課題 課題類型 AW 對學(xué)生要求 對單片機應(yīng)用感興趣，且具有一定的編程能力，并要求學(xué)習(xí)有關(guān)步進電機的知識。 職稱 副教授 助教 助教 教研室 電氣自動化技術(shù) 所需學(xué)生數(shù) 2人 適用專業(yè) 電自、生自 往屆是否做過（若做過寫明次數(shù)及對本屆的新要求） 否 課題簡介（主要內(nèi)容、現(xiàn)有條件、時間安排、預(yù)期成果及表現(xiàn)形式。如要求學(xué)生人數(shù)超過1人，要說明每位學(xué)生的設(shè)計任務(wù)） 一、主要內(nèi)容：本設(shè)計采用凌陽16 位單片機SPCE061A對步進電機進行控制，通過IO口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片L298N驅(qū)動步進電機；同時，用4X4的鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管顯示電機的轉(zhuǎn)速，采用74LS164作為4位單個數(shù)碼管的顯示驅(qū)動，從單片機輸入信號；利用凌陽單片機的語音功能播報電機的轉(zhuǎn)速。 二、現(xiàn)有條件：由指導(dǎo)教師提供《凌陽十六位單片機原理及應(yīng)用》和相應(yīng)的實驗開發(fā)板。 三、時間安排： 第01周至第02周：查閱中文及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集步進電機控制資料； 第03周至第03周：完成畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告，并開始進行畢業(yè)設(shè)計； 第04周至第04周：完成方案論證與比較設(shè)計； 第05周至第05周：完成步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計； 第06周至第06周：完成數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計； 第07周至第07周：完成4x4鍵盤電路的設(shè)計； 第08周至第09周：完成雙機通訊軟件的設(shè)計； 第10周至第11周：完成語音報數(shù)軟件的設(shè)計； 第12周至第13周：完成硬件制作； 第14周至第15周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文； 第16周至第16周：畢業(yè)設(shè)計（論文）小組答辯； 第17周至第17周：答辯。 四、預(yù)期成果及表現(xiàn)形式：完成實物制作及軟件編制、系統(tǒng)調(diào)試，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）文檔。 五、學(xué)生人數(shù)：1位學(xué)生偏硬件設(shè)計，1位學(xué)生偏軟件設(shè)計。 教研室審批意見： 教研室主任簽字： 日 期： 年 月 日 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系畢業(yè)論文（文獻綜述） 單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng) —文獻綜述 一、引言 近十幾年來，單片機在生產(chǎn)過程控制、白動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室白動化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定}句、汽車火花控制、交通白動管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學(xué)科的領(lǐng)域，以及人們生活的各個方面。 單片機并沒有超脫馮·諾依曼原理下的計算機的結(jié)構(gòu)框架和工作原則，而是著眼于應(yīng)用到更廣闊的范圍:工業(yè)控制、數(shù)字顯示、智能儀表、電子設(shè)備、汽車電控、農(nóng)機、家電乃至兒童玩具的控制。它不求規(guī)模大，只求小而全。廠家在一個芯片上制成了CPU和一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器以及一定數(shù)量的輸入/輸出接口(Interface)。在一個大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)造了完整的計算機結(jié)構(gòu)，故稱之為單片機[5]。 MCS-51系列中的一片8751芯片，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計算機硬件系統(tǒng)。從CPU、存儲器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。只要寫入程序，就可完成中央控制或數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C，MCS-51單片機指令系統(tǒng)中為適應(yīng)控制的需要設(shè)有極強的位處理功能，具有加、減、乘、除指令;CPU時鐘高達12MHz，完成單字節(jié)乘法或除法運算僅需要4Ns;具有多機通信功能，可作為多機系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。 一般微處理器和有關(guān)元器件分軍用和民用兩級，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機房環(huán)境，工作溫度在0到700℃ ,軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，工作溫度在-65到+125℃;工業(yè)級產(chǎn)品的性能介于以上兩者之間，在-40到+85℃溫度環(huán)境可正常工作。工業(yè)產(chǎn)品可靠性比民用產(chǎn)品強，而價格較軍用品低。在單片機應(yīng)用中，可以根據(jù)實際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級芯片，保證系統(tǒng)可靠性。 近年來，在國際上出現(xiàn)了Mechanics和electronics復(fù)合成的Mechtronics這個新詞，我國譯為“機電一體化”。這種機械和電子技術(shù)、信息技術(shù)緊密結(jié)合的新的學(xué)科領(lǐng)域是先進制造技術(shù)研究和普及的結(jié)果。機電一體化產(chǎn)品要實現(xiàn)電器控制的實時性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。同時追求體積小、價格低，甚至低功耗等。正是針對上述種種要求而設(shè)計的單片機白然成為機電一體化控制器的最佳選擇。 單片機出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展與微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步，也經(jīng)歷了四個階段[6]: 第一階段:1971-}-1974年，4位微處理器工ntel 4004及8位微處理器工ntel 8008，這些計算機價格便宜、功能有限，只用于消耗類電子產(chǎn)品。 第二階段:1974-}-1978年，初級單片機階段，以工ntel公司的MCS-48為代表，8位單片機。 第三階段:1978-}-1983年，高性能單片機階段。以intel公司的MCS-51, Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等為代表。這一階段推出的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口，片內(nèi)RAM, ROM容量加大，尋址范圍可達64K字節(jié)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、外部設(shè)備控制、宏觀控制、局部網(wǎng)絡(luò)及家用計算機中。 第四階段:1983年至今，8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段。例如Mostek公司的MK6800、intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度為12萬只品體管/片，尋址范圍64K字節(jié)、5個8位并行口、一個全雙工串行口、4個16位定時器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器等，另外MCS-96指令能處理位、字節(jié)、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一塊單片計算機的功能可以和一臺多片系統(tǒng)機相媲美。單片機己經(jīng)進入一個嶄新的階段。 二、步進電機的概況 步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、動作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(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，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿陀嬎銠C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力，因此，用微型計算機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。步進電機控制技術(shù)和普通電動機控制技術(shù)的不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。早期的步進電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。 由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流與直流電源接通后，就會在間隙中形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進式的轉(zhuǎn)動，隨著接通切換頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)，現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。 步進電機廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在使用數(shù)控機床的生產(chǎn)制造中，因為步進電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應(yīng)用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應(yīng)用，步進電機也應(yīng)用在其他方面，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應(yīng)用在打印機和繪圖儀中等等。 步進電機的原理[7]：步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只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(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。為此,CS51測試網(wǎng)在騰龍開發(fā)套件中首次引入了步進電機技術(shù)，方便用戶應(yīng)用掌握。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，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。 三、控制系統(tǒng)的設(shè)計 單片機控制步進電機的程序的編制 步進電機控制程序設(shè)計的主要問題有三個: 第一，控制脈沖的產(chǎn)生; 第二，步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和時序脈沖的關(guān)系; 第三，步數(shù)的確定。 作為單片機控制步進電機的程序的構(gòu)成也是主要由這幾個問題，因此可以從這三個問題入手: 1、控制脈沖的產(chǎn)生 在單片機控制步進電機時，一般來講，控制脈沖是用軟件產(chǎn)生的。方法是先輸出一個高電平，然后延時，再輸出低電平，再進行延時。延時時間的長短由步進電機的土作頻率決定。 2、步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和時序脈沖的關(guān)系 步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序和通電方式有關(guān)?，F(xiàn)在常用的通電方式主要有三種: 1)三相單三拍:A-B-C-A; 2)三相雙三拍:AB-BC-CA-AB; 3 )三相六拍:A-AB-B-BC-C-CA-A。 按以上順序通電，步進電機正傳，按相反方向通電，步進電機反轉(zhuǎn)。 因此，產(chǎn)生時序脈沖的方法是: (1)利用單片機8751的P1端口，即用P1.0, P1.1, P1.2分別控制三相步進電機的A, B, C三相繞組; (2)根據(jù)控制模式寫出控制模型; (3)按控制模型的順序向步進電機輸入控制脈沖。 3、步數(shù)的確定 步進電機運行的步數(shù)可由步距角和需要轉(zhuǎn)過的角度來計算[7]:  式中：－步距角; －轉(zhuǎn)子齒數(shù); －拍數(shù)(一般三拍時=或六拍時=2); －控制繞組相數(shù)，=3。 4、步進電機的變速控制 上面給的程序流程圖是步進電機的恒速運轉(zhuǎn)方式。一般來講，步進電機的一個弱點，就是運行中丟步，為了使步進電機在運行中不出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，一般要小于或等于步進電機“響應(yīng)頻率”人，在該頻率下，步進電機可以任意啟動、停止或反轉(zhuǎn)而不發(fā)生失步現(xiàn)象。這個頻率通常比較低。當(dāng)步進電機走過的距離比較長時，需要低速啟動，高速運轉(zhuǎn)，然后降低速度，最后停止。這樣就解決了“快速而不失步”的矛盾。那么實現(xiàn)變速控制的基本思想是改變控制頻率。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，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。 步進電機的特性有： 1，步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動型號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。 2，騰龍版步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個脈沖完成 3，步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 4，改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。 四、結(jié)論 總而言之，用單片機來控制步進電機，它的優(yōu)點是體積小、重量輕、耗能省、價格也低，比起用PLC控制的可靠性高，通用靈活，方便簡潔，只需輸入程序來控制步進電機的狀態(tài)，自動化程度高，精度高，在生產(chǎn)制造中得到充分的應(yīng)用，是比較實用的一種控制系統(tǒng)。 參考文獻 [1] 《單片機基礎(chǔ)》 北京航空航天大學(xué)出版社 李廣弟 朱月 [2] 《單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社 周航慈編 [3] 《微型計算機控制技術(shù)》[M]北京：清華大學(xué)出版社，1999版。于海生等編 [4] 《MCS-51系列微型計算機原理與應(yīng)用》北京航空航天大學(xué)出版社 李巡編 [5] 《MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計》 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 張毅鋼編 [6] 《MCS-51/98單片機原理與應(yīng)用》 機械工業(yè)出版社 趙長德 李華 李東編 [7] 《步進電機應(yīng)用技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社 周航慈編 信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報告) 浙 江 工 業(yè) 大 學(xué) 浙 西 分 校 畢業(yè)設(shè)計 (論文)開題報告 信 電 系 電 氣 技 術(shù) 專業(yè)0 3 級 課題名稱：單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(論文)起止時間： 2006年2 月15 日～6 月2 日(共 16 周) 學(xué)生姓名： 韓安寶 學(xué)號： 10 指導(dǎo)教師： 黃云龍 廖東進 朱秋琴 報告日期： 3月7日 1．本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述 一、單片機的發(fā)展狀況[1] 十幾年來，單片機在生產(chǎn)過程控制、白動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室白動化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定}句、汽車火花控制、交通白動管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學(xué)科的領(lǐng)域，以及人們生活的各個方面。 單片機不求規(guī)模大，只求小而全。廠家在一個芯片上制成了CPU和一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器以及一定數(shù)量的輸入/輸出接口(工nterface)。在一個大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)造了完整的計算機結(jié)構(gòu)，故稱之為單片機 MCS-51系列中的一片8751芯片，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計算機硬件系統(tǒng)。從CPU、存儲器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。只要寫入程序，就可完成中央控制或數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C，MCS-51單片機指令系統(tǒng)中為適應(yīng)控制的需要設(shè)有極強的位處理功能，具有加、減、乘、除指令;CPU時鐘高達12MHz，完成單字節(jié)乘法或除法運算僅需要4Ns;具有多機通信功能，可作為多機系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。 一般微處理器和有關(guān)元器件分軍用和民用兩級，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機房環(huán)境，工作溫度在0到700℃ ,軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，工作溫度在-65到+125℃;工業(yè)級產(chǎn)品的性能介于以上兩者之間，在-40到+85℃溫度環(huán)境可正常工作。工業(yè)產(chǎn)品可靠性比民用產(chǎn)品強，而價格較軍用品低。在單片機應(yīng)用中，可以根據(jù)實際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級芯片，保證系統(tǒng)可靠性。 近年來，在國際上出現(xiàn)了Mechanics和electronics復(fù)合成的Mechtronics這個新詞，我國譯為“機電一體化”。這種機械和電子技術(shù)、信息技術(shù)緊密結(jié)合的新的學(xué)科領(lǐng)域是先進制造技術(shù)研究和普及的結(jié)果。機電一體化產(chǎn)品要實現(xiàn)電器控制的實時性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。同時追求體積小、價格低，甚至低功耗等。正是針對上述種種要求而設(shè)計的單片機白然成為機電一體化控制器的最佳選擇。 單片機出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展與微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步，也經(jīng)歷了四個階段[10]: 第一階段:1971-}-1974年，4位微處理器工ntel 4004及8位微處理器工ntel 8008，這些計算機價格便宜、功能有限，只用于消耗類電子產(chǎn)品。 第二階段:1974-}-1978年，初級單片機階段，以工ntel公司的MCS-48為代表，8位單片機。 第三階段:1978-}-1983年，高性能單片機階段。以工ntel公司MCS-51,Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等為代表。這一階段推出的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口，片內(nèi)RAM, ROM容量加大，尋址范圍可達64K字節(jié)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、外部設(shè)備控制、宏觀控制、局部網(wǎng)絡(luò)及家用計算機中。 第四階段:1983年至今，8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段。例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度為12萬只晶體管 片，尋址范圍64K字節(jié)、5個8位并行口、一個全雙工串行口、4個16位定時器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器等，另外MCS-96指令能處理位、字節(jié)、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一塊單片計算機的功能可以和一臺多片系統(tǒng)機相媲美。單片機己經(jīng)進入一個嶄新的階段。 二、步進電機的發(fā)展狀況[2] 步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、動作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(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，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿陀嬎銠C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力，因此，用微型計算機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。 步進電機廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在使用數(shù)控機床的生產(chǎn)制造中，因為步進電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應(yīng)用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應(yīng)用，步進電機也應(yīng)用在其他方面，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應(yīng)用在打印機和繪圖儀中等等。 2．設(shè)計(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法 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。步進電機可分為永磁式步進電機（簡稱PM）、反應(yīng)式步進電機（簡稱VR）和混合式步進電機（簡稱HB）：永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。 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。早期的步進電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。 由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流與直流電源接通后，就會在間隙中形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進式的轉(zhuǎn)動，隨著接通切換頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。 1、步進電機的控制方法及原理[4] 步進電機是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件,實質(zhì)上是一種數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器步進電機控制系統(tǒng)主要由步進控制器,功率放大器及步進電機等組成.步進控制器由緩沖寄存器,環(huán)形分配器,控制邏輯及正,反轉(zhuǎn)控制門等組成,能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖,以便控制步進電機,并能進行正反向控制.但由于步進控制器線路復(fù)雜.成本高.采用單片機控制,用軟件代替上述步進控制器,使得線路簡單,成本低,可靠性大大增加,靈活改變步進電機的控制方案,無需邏輯電路組成時序發(fā)生器.軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進電機勵磁序列來控制各種步進電機的運行方式并可實現(xiàn)一機控制多臺電機.提供靈活多樣的控制手段和提高控制精度對復(fù)雜繁瑣的控制易于實現(xiàn)。 在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只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(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。 (2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。 2、進電機的主要特性[6] （1）步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動型號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比. （2）步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 （3）改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。 （4）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 （5）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 單片機控制步進電機的設(shè)計思路[7] 步進電機控制系統(tǒng)的組成如圖4.1所示： 圖4.1 控制系統(tǒng)圖 3、本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路[8] 步進電機控制程序設(shè)計的主要問題有三個： 第一、控制脈沖產(chǎn)生； 第二、步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和時序脈沖的關(guān)系； 第三、步數(shù)的確定。 作為單片機控制步進電機的程序的構(gòu)成也是主要由這幾個問題，因此可以從這三個問題入手： （1）控制脈沖的產(chǎn)生 在單片機控制步進電機時，一般來講，控制是用軟件產(chǎn)生的。方法是先輸出一個高電平，然后延時，再輸出低電平，再進行延時。延時時間的長短由步進電機的工作頻率決定。 （2）步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和時序脈沖的關(guān)系 產(chǎn)生時序脈沖的方法是: 1 單片機的IO端口，分別控制三相步進電機的A, B, C三相繞組; 2 控制模式寫出控制模型; 2 制模型的順序向步進電機輸入控制脈沖。 （3）步數(shù)的確定 步進電機運行的步數(shù)可由步距角和需要轉(zhuǎn)過的角度來計算: 式中：－步距角; －轉(zhuǎn)子齒數(shù); －拍數(shù)(一般三拍時=或六拍時=2 ); －控制繞組相數(shù)，=3 4．完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實驗設(shè)備或?qū)嶒灜h(huán)境條件、某類市場調(diào)研、計算機輔助設(shè)計條件等等)及解決的辦法。 [1] 《電子線路設(shè)計、實驗、測試（第二版）》[M]武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000版. 謝自美編 [2] 《凌陽十六位單片機原理及應(yīng)用》[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003版. 薛鈞義，張彥斌，樊波等編 [EB/01] http://www.sunplus.com. [EB/02] http://www.21ic.com [3] 《微型計算機控制技術(shù)》[M]北京：清華大學(xué)出版社，1999版。于海生等編 [4] 優(yōu)質(zhì)電子元器件實用手冊(上) 電子工業(yè)出版社 [5] 優(yōu)質(zhì)電子元器件實用手冊(下) 電子工業(yè)出版社 [6] 《單片機實用接口技術(shù)》 王語 張盛誠 編 [7] 《單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》 北京航空航天大學(xué)出版社 何立民編 [8] 《單片機基礎(chǔ)》 北京航空航天大學(xué)出版社 李廣弟 朱月繡編 [9] 《MCS-51系列微型計算機原理與應(yīng)用》北京航空航天大學(xué)出版社 李巡編 [10] 《智能化測量儀表原理與設(shè)計》 北京航空航天大學(xué)出版社 徐愛均編 [11] 《MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計》 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 張毅鋼編 [12] 《單片微型機原理、應(yīng)用與實驗》 復(fù)旦大學(xué)出版社 趙志英 張友德編 [13] 《MCS-51/98單片機原理與應(yīng)用》 機械工業(yè)出版社 趙長德 李華 李東編 [14] 《單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社 周航慈編 5．設(shè)計(論文)完成進度計劃 第1、2 周：下達設(shè)計任務(wù)書，布置課題，借閱參考書，完成開題報告。 第3、、6、10周：方案的論證和確定 第4、5周：軟件硬件的選擇 第7、8 周：硬件電路的設(shè)計 第9、10周：軟件的設(shè)計 第11、12周：寫總的程序 第13、14周：設(shè)計總的圖紙 第15 周：論文的修改 第16 、17周：畫電路圖和打印圖紙 6．指導(dǎo)教師審閱意見 符合現(xiàn)實的需要，同意開題。 指導(dǎo)教師(簽字)：　　　　　　 年 月 日 7．教研室主任意見 教研室主任(簽字)：　　　　　 系(簽章) 年 月 日 說明： 1. 本報告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書”、正式開始做畢業(yè)設(shè)計(論文)的第2周或第3周末之前獨立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。 2.每個畢業(yè)設(shè)計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導(dǎo)教師、教研室主任審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查。