51單片機畢業(yè)論文.doc

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基于MCS-51單片機的 步進電機系統(tǒng) 摘 要 本文通過MCS-C51單片機對步進電機進行控制，主要介紹了步進電機控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路和LED顯示電路的設計，包括硬件系統(tǒng)設計和系統(tǒng)軟件設計，來實現(xiàn)步進電機的控制，系統(tǒng)為一自動控制系統(tǒng)，通過按鍵向單片機輸送控制信號，控制步進電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，在步進電機控制系統(tǒng)的設計中，重點闡述了脈沖產(chǎn)生電路以及對速度的控制，該系統(tǒng)具有成本低，控制方便的特點。采用MCS-C51單片機指令系統(tǒng)進行編程來實現(xiàn)軟件部分測試，系統(tǒng)能實現(xiàn)上述功能。 關(guān)鍵詞：MCS-C51 步進電機 控制系統(tǒng) Abstract In this paper, MCS-51 microcontroller to control the stepper motor, stepper motor control are introduced system, drive circuit and LED display circuit design, including hardware, system design and system software design, to achieve the stepper motor control system an automatic control system, key to the microcontroller through the delivery control signal to control the stepper motor speed and reversing, the stepper motor control system design, focuses on the pulse generator circuit and the speed control, the system is low cost and convenient control features. With MCS-C51 microcontroller instruction to implement software programming some of the test, the system can achieve these functions. Keywords: MCS-51 Stepping Motor Control system 目 錄 摘要-----------------------------------------------------------1 Abstract-------------------------------------------------------1 目錄-----------------------------------------------------------2 前言-----------------------------------------------------------4 1單片機發(fā)展概述 1.1單片機的基本概念----------------------------------------4 1.2MS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)-------------------------------------4 1.3MS-51單片機引腳及功能-----------------------------------5 2步進電機發(fā)展概述 2.1步進電機簡介-----------------------------------------6 2.2步進電機分類-----------------------------------------6 2.2反應式步進電機原理及結(jié)構(gòu) 2.2.1步進電機基本原理--------------------------------7 2.2.2步進電機轉(zhuǎn)速控制原理----------------------------8 2.3步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)----------------------------------8 3硬件電路設計 3.1單片機外圍電路---------------------------------------------9 3.2步進電機及驅(qū)動電路-----------------------------------------9 3.3數(shù)碼管及驅(qū)動電路-------------------------------------------10 3.4按鍵電路設計-----------------------------------------------10 4軟件電路設計 4.1數(shù)碼管顯示設計 4.1.1數(shù)碼管流程圖------------------------------------------11 4.1.2數(shù)碼管程序--------------------------------------------11 4.2步進電機流程圖-----------------------------------------------12 總結(jié)-------------------------------------------------------------13 致謝-------------------------------------------------------------14 參考文獻---------------------------------------------------------15 前 言 步進電機最早是在19世紀20年代由英國人開發(fā)的，50年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用于步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛應用于繞線機、切片機、雕刻機、排線機、包裝機械、食品加工行業(yè)、復印機、雕刻機、排線控制器、醫(yī)療器械、舞臺燈光、自動化工程、機器人應用等高精度、高質(zhì)量工業(yè)上。在生產(chǎn)過程中要求自動化，省人力，效率高的機器中，都有步進電機的蹤跡，尤其以重視速度，位置控制，需要精確操作各項指令動作靈活控制場合步進電機用得最多。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計算機（單片機）的功能也不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。 此次畢業(yè)實習、畢業(yè)設計第一階段的主要工作是，學習有關(guān)單片機控制步進電機系統(tǒng)的基本知識，了解單片機控制步進電機系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并在此基礎上選擇了使用8051單片機作為核心設計，并學習74LS164數(shù)字電子技術(shù)等方面的知識。 第二階段是在指導教師的指導下，設計出具體的電路，并確定滿足具體技術(shù)指標的軟件，掌握電路中各個驅(qū)動器件的使用方法。 通過教師的悉心指導和自己的努力，完成了畢業(yè)設計的各項任務，成功設計單片機控制步進電機系統(tǒng)。 1單片機發(fā)展概述 1.1單片機的基本概念 單片機是把微型計算機中的微處理器、存儲器、I/O接口、定時器/計數(shù)器、串行接口、中斷系統(tǒng)等電路集成到一片集成電路芯片上形成的微型計算機。因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。 單片機按照用途可分為通用型和專用型兩大類。 （1） 通用型單片機的內(nèi)部資源豐富，性能全面，適應能力強。用戶可以根據(jù)不同的需要設計各種不同的應用系統(tǒng)。 （2） 專用型單片機是針對各種特殊場合專門設計的芯片。這種單片機的針對性強，設計時根據(jù)需要來設計部件。因此，它能實現(xiàn)系統(tǒng)的最簡化和資源的最優(yōu)化，可靠性高、成本低，在應用中有很明顯的優(yōu)勢。 在單片機使用上注意以下幾個既有相同點也有區(qū)別的概念。 （1） 單板機：將微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口以及簡單的輸入/輸出設備組裝在一塊電路板上的微型計算機，稱為單板機。 （2） 單片機：將微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口和相應的控制部件集成在一塊芯片上形成的微型計算機，稱為單片機。 （3） 多板機：在計算機組成中，如果組成計算機的各個功能部件是由多塊電路板連接而成的，那么這樣的計算機稱為多板機。 1.2MS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖 1.3MS-51單片機引腳及功能 1.P0口 P0口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址/數(shù)據(jù)分時復用接口，也可作為通用的I/O接口。 2．P1口 P1口是準雙向口，它只能作通用的I/O口使用。 3.P2口 P2口也是準雙向口，它的用途有兩個：通用I/O接口和高8位地址線。 4.P3口 P3口是準雙向口以外每個口都還具有第二種功能，如圖所示。 P3口引腳 第二功能 P3.0 RXD 串行輸入端 P3.1 TXD 串行輸出地 P3.2 INT0 外部中斷0低電平有效 P3.3 INT1 外部中斷1低電平有效 P3.4 T0 定時計數(shù)器0外輸入端 P3.5 T1 定時計數(shù)器1輸入端 P3.6 WR 外部存儲器寫信號0有效 P3.7 RD 外部存儲器讀信號0有效 實物圖 ALE： 地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。 ：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部ROM時，有效(低電平)，以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 ：訪問程序存儲控制信號。當信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。 RST：復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作。 VSS：地線。 VCC：+5 V電源。 2步進電機發(fā)展概述 2.1步進電機簡介 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（也稱為執(zhí)行機構(gòu)）。 在正常情況下，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，但步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（也稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度逐步運行的，通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 2.2步進電機分類 步進電機的種類很多，一般按結(jié)構(gòu)區(qū)分，有反應式、永磁式和永磁感應式三種。 反應式步進電機 永磁式步進電機 永磁感應式步進電機 目前，我國使用的步進電機主要是反應式步進電機。如圖所示，這是一臺典型的三相反應式步進電機。它的定子和轉(zhuǎn)子是用硅鋼片和其他軟磁材料制成的。定子上共有六個磁極，每個磁極上都有許多小齒。在徑向相對的兩個磁極上的線圈串聯(lián)起來組成一相繞組，沿周圍也有許多小齒。根據(jù)工作要求，定子磁極上的小齒的齒距與轉(zhuǎn)子磁極上的小齒必須相等，而且轉(zhuǎn)子上齒數(shù)有一定的限制。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。 1. 永磁式步進電機 永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 永磁式步進電動機輸出力矩大，動態(tài)性能好，但步距角大。 2. 反應式步進電機 反應式步進電機一般為三相，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。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 反應式步進電動機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角小；但動態(tài)性能差。 3. 混合式步進電機 混合式步進電動機綜合了反應式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應子式步進電動機。這種步進電機的應用最為廣泛。 2.2步進電機原理及結(jié)構(gòu) 2.2.1反應式步進電機基本原理 反應式步進電機原理 由于反應式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應式步進電機原理。 　1、結(jié)構(gòu)： 　　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） 　　2、旋轉(zhuǎn)： 　　如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關(guān)系。而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 3、力矩： 電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比S其磁通量Ф=Br*SBr為磁密，S為導磁面積F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑Br=NI/RNI為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。 2.2.2步進電機轉(zhuǎn)速控制原理 電機每轉(zhuǎn)動1圈需要脈沖數(shù)為：，則每轉(zhuǎn)一圈要240個脈沖，若要求25轉(zhuǎn)/分，則每秒要產(chǎn)生脈沖數(shù)為： 為此我們得出轉(zhuǎn)速與每秒產(chǎn)生的脈沖個數(shù)關(guān)系為： 式中V為要控制的速度，N為所需脈沖個數(shù)。 有了上述關(guān)系我們就不難推出定時時間與速度之間的關(guān)系： 若定時器控制位TMOD=01H，那么定時器的計數(shù)初值與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為： 式中foc為晶振頻率。 2.3步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng) 步進電機在僅給予電壓時，電機是不會動作的，必須透過脈沖產(chǎn)生器提供位置（脈波數(shù)）、速度的脈沖信號指令，以及驅(qū)動器電流流過電機內(nèi)線圈，依順序切換激勵磁相序的方式才能讓電機運轉(zhuǎn)。所以，欲使步進電機動作的必要系統(tǒng)組成如下： 1. 脈沖產(chǎn)生器：產(chǎn)生角度（位置移動量）、動作速度及運轉(zhuǎn)方向等脈沖信號的電機驅(qū)動指令。（MCS-51） 2. 步進驅(qū)動器：依控制器所投入的脈沖信號指令提供電流，驅(qū)動步進電機動作。（ULN2003） 3硬件電路設計 3.1單片機外圍電路 3.2步進電機及驅(qū)動電路 3.3數(shù)碼管及驅(qū)動電路 3.4按鍵電路設計 4軟件電路設計 4.1數(shù)碼管顯示設計 4.1.1數(shù)碼管流程圖 判定1ms NO YES 重裝數(shù)據(jù) END 4.1.2數(shù)碼管程序 void display（char i） {charshuzhu[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7, 0xef,0xdf,0xbf,0x7f} if（ms==1） {ms=0； P2=i; If(k==0) {k=1; P0=0xfe; } else {k=0； P0=0xfd； } } } 4.2步進電機流程圖 總結(jié) 本論文首先簡要介紹了單片機、步進電機的基礎知識，然后討論了對系統(tǒng)所用的硬件的介紹。在前面兩個部分的基礎上，對控制系統(tǒng)電路進行了詳細設計，包括系統(tǒng)硬件設計、軟件設計等。接下來簡要介紹了工作原理和編程語言。針對該控制系統(tǒng)本身的特點和對系統(tǒng)的功能要求，選用8051芯片作為控制芯片，七段顯示譯碼器。 總的來說，此次畢業(yè)實習及畢業(yè)設計完成了任務書規(guī)定的各項要求，在學習C語言、單片機、CAD軟件等內(nèi)容的基礎上，我進一步學習了線路設計、安裝、檢錯等多種實用技術(shù)，既學習了不少新的知識和技術(shù)，也改變了原來看問題比較片面的缺點。整個設計的過程，同時也是專業(yè)知識的學習過程，而且是更生動、更切實、更深入的專業(yè)知識的學習： (1)一個設計是結(jié)合科研課題，把學過的專業(yè)知識運用于實際，在理論和實際結(jié)合過程中進一步消化、加深和鞏固所學的專業(yè)知識，并把所學的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為分析和解決問題的能力。 (2)在搜集材料、調(diào)查研究、接觸實際的過程中，既可以印證學過的書本知識，又可以學到許多課堂和書本里學不到的活生生的新知識。 (3)我們在這種自己動手的設計中，對所學專業(yè)的某一側(cè)面和專題作了較為深入的分析。！ 但是本論文還存在以下問題，需要在后續(xù)的研究中解決： (1)該設計沒有用到位置和速度和位置檢測電路來實現(xiàn)速度和位置反饋控制 (2)設計中沒有考慮多個電機同時或分時自動運作時的情況，這樣使設計更加完善。 由于該課題的實踐性較強，鑒于具體應用環(huán)境和本人的知識背景，尚有不足之處，有待于在理論和實踐的過程中進一步完善。 致謝 近三年的學習和科研工作，不僅使我的知識結(jié)構(gòu)和科研能力上了一個新臺階，更重要的是，各方面的素質(zhì)得到了提高。而這一切，都要歸功于候曄老師的深切教誨與熱情鼓勵。值此論文順利完成之際，我首先要向我尊敬的導師侯XX師表達深深的敬意和無以言表的感謝。 感謝和我一起學習的XXXX靈活考慮問題的方式，嚴謹?shù)慕鉀Q問題的態(tài)度;XXX扎實的專業(yè)知識功底，認真的科研態(tài)度都給我留下了深刻的印象。 感謝和我一個實驗室的XXXXXX。沒有他們無私的幫助，我是無法完成論文工作的。 感謝我的摯友XXXX等等。他們在一起度過了很多快樂，開心的日子。在他們的幫助下，我順利的解決了生活中遇到的各種困難。 最后深深的感謝呵護我成長的父母。每當我遇到困難的時候，父母總是第一個給我鼓勵的人?；仡?0多年來走過的路，每一個腳印都浸滿著他們無私的關(guān)愛和諄諄教誨，10年的在外求學之路，寄托著父母對我的殷切期望。他們在精神上和物質(zhì)上的無私支持，堅定了我追求人生理想的信念。父母的愛是天下最無私的最寬厚的愛。大恩無以言報，惟有以永無止境的奮斗，期待將來輝煌的事業(yè)讓父母為之驕傲。我亦相信自己能達到目標。 最后，向所有關(guān)心我的親人、師長和朋友們表示深深的謝意 參考文獻 [1] 涂時亮, 張友德. 單片微機MCS-51用戶手冊[M]. 復旦大學出版社, 1990. 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