裝配圖單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)（開題報(bào)告+論文+文獻(xiàn)綜述+外文翻譯+DWG圖紙）

裝配圖單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)（開題報(bào)告+論文+文獻(xiàn)綜述+外文翻譯+DWG圖紙）,裝配,單片機(jī),實(shí)現(xiàn),步進(jìn),電機(jī),機(jī)電,控制系統(tǒng),開題,報(bào)告,講演,呈文,論文,文獻(xiàn),綜述,外文,翻譯,dwg,圖紙 信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報(bào)告) 浙 江 工 業(yè) 大 學(xué) 浙 西 分 校 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)開題報(bào)告 信 電 系 電 氣 技 術(shù) 專業(yè)0 3 級(jí) 課題名稱：?jiǎn)纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)起止時(shí)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(hào)： 10 指導(dǎo)教師： 黃云龍 廖東進(jìn) 朱秋琴 報(bào)告日期： 3月7日 1．本課題所涉及的問題在國(guó)內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述 一、單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r[1] 十幾年來，單片機(jī)在生產(chǎn)過程控制、白動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計(jì)算、商業(yè)管理和辦公室白動(dòng)化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗能省、價(jià)格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定}句、汽車火花控制、交通白動(dòng)管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機(jī)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(gè)方面。 單片機(jī)不求規(guī)模大，只求小而全。廠家在一個(gè)芯片上制成了CPU和一定容量的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及一定數(shù)量的輸入/輸出接口(工nterface)。在一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)造了完整的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，故稱之為單片機(jī) MCS-51系列中的一片8751芯片，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。從CPU、存儲(chǔ)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(jī)，MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)中為適應(yīng)控制的需要設(shè)有極強(qiáng)的位處理功能，具有加、減、乘、除指令;CPU時(shí)鐘高達(dá)12MHz，完成單字節(jié)乘法或除法運(yùn)算僅需要4Ns;具有多機(jī)通信功能，可作為多機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)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(jí)，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機(jī)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(jí)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(qiáng)，而價(jià)格較軍用品低。在單片機(jī)應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級(jí)芯片，保證系統(tǒng)可靠性。 近年來，在國(guó)際上出現(xiàn)了Mechanics和electronics復(fù)合成的Mechtronics這個(gè)新詞，我國(guó)譯為“機(jī)電一體化”。這種機(jī)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(jìn)制造技術(shù)研究和普及的結(jié)果。機(jī)電一體化產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)電器控制的實(shí)時(shí)性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。同時(shí)追求體積小、價(jià)格低，甚至低功耗等。正是針對(duì)上述種種要求而設(shè)計(jì)的單片機(jī)白然成為機(jī)電一體化控制器的最佳選擇。 單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，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(gè)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(jì)算機(jī)價(jià)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(jí)單片機(jī)階段，以工ntel公司的MCS-48為代表，8位單片機(jī)。 第三階段:1978-}-1983年，高性能單片機(jī)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(jī)普遍帶有串行口，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)、16位定時(shí)器/計(jì)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(dá)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(jì)算機(jī)中。 第四階段:1983年至今，8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)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(wàn)只晶體管 片，尋址范圍64K字節(jié)、5個(gè)8位并行口、一個(gè)全雙工串行口、4個(gè)16位定時(shí)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(jì)算機(jī)的功能可以和一臺(tái)多片系統(tǒng)機(jī)相媲美。單片機(jī)己經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。 二、步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r[2] 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、動(dòng)作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機(jī)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(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)?；谖⑿陀?jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力，因此，用微型計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。 步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在使用數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無(wú)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(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也應(yīng)用在其他方面，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中等等。 2．設(shè)計(jì)(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱PM）、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱VR）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱HB）：永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。早期的步進(jìn)電機(jī)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(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。 由于勵(lì)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(huì)在間隙中形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著接通切換頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。 1、步進(jìn)電機(jī)的控制方法及原理[4] 步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件,實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器,功率放大器及步進(jìn)電機(jī)等組成.步進(jìn)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(jìn)電機(jī),并能進(jìn)行正反向控制.但由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜.成本高.采用單片機(jī)控制,用軟件代替上述步進(jìn)控制器,使得線路簡(jiǎn)單,成本低,可靠性大大增加,靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案,無(wú)需邏輯電路組成時(shí)序發(fā)生器.軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列來控制各種步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式并可實(shí)現(xiàn)一機(jī)控制多臺(tái)電機(jī).提供靈活多樣的控制手段和提高控制精度對(duì)復(fù)雜繁瑣的控制易于實(shí)現(xiàn)。 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，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)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(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。 (2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 2、進(jìn)電機(jī)的主要特性[6] （1）步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)型號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候， 步進(jìn)電機(jī)靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)， 就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比. （2）步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)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(dòng)的方向。 （4）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。 （5）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路[7] 步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路[8] 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)的主要問題有三個(gè)： 第一、控制脈沖產(chǎn)生； 第二、步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和時(shí)序脈沖的關(guān)系； 第三、步數(shù)的確定。 作為單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的程序的構(gòu)成也是主要由這幾個(gè)問題，因此可以從這三個(gè)問題入手： （1）控制脈沖的產(chǎn)生 在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，一般來講，控制是用軟件產(chǎn)生的。方法是先輸出一個(gè)高電平，然后延時(shí)，再輸出低電平，再進(jìn)行延時(shí)。延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由步進(jìn)電機(jī)的工作頻率決定。 （2）步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和時(shí)序脈沖的關(guān)系 產(chǎn)生時(shí)序脈沖的方法是: 1 單片機(jī)的IO端口，分別控制三相步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)輸入控制脈沖。 （3）步數(shù)的確定 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)可由步距角和需要轉(zhuǎn)過的角度來計(jì)算: 式中：－步距角; －轉(zhuǎn)子齒數(shù); －拍數(shù)(一般三拍時(shí)=或六拍時(shí)=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(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)環(huán)境條件、某類市場(chǎng)調(diào)研、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)條件等等)及解決的辦法。 [1] 《電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)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(yáng)十六位單片機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)用手冊(cè)(上) 電子工業(yè)出版社 [5] 優(yōu)質(zhì)電子元器件實(shí)用手冊(cè)(下) 電子工業(yè)出版社 [6] 《單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)》 王語(yǔ) 張盛誠(chéng) 編 [7] 《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 北京航空航天大學(xué)出版社 何立民編 [8] 《單片機(jī)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(jì)算機(jī)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(cè)量?jī)x表原理與設(shè)計(jì)》 北京航空航天大學(xué)出版社 徐愛均編 [11] 《MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)》 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 張毅鋼編 [12] 《單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)》 復(fù)旦大學(xué)出版社 趙志英 張友德編 [13] 《MCS-51/98單片機(jī)原理與應(yīng)用》 機(jī)械工業(yè)出版社 趙長(zhǎng)德 李華 李東編 [14] 《單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社 周航慈編 5．設(shè)計(jì)(論文)完成進(jìn)度計(jì)劃 第1、2 周：下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書，布置課題，借閱參考書，完成開題報(bào)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(jì) 第9、10周：軟件的設(shè)計(jì) 第11、12周：寫總的程序 第13、14周：設(shè)計(jì)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(shí)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(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書”、正式開始做畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的第2周或第3周末之前獨(dú)立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。 2.每個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題撰寫本報(bào)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(jì)(論文)課題任務(wù)的依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查。