51單片機(jī)畢業(yè)論文.doc

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基于MCS-51單片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 摘 要 本文通過MCS-C51單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，主要介紹了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路和LED顯示電路的設(shè)計，包括硬件系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，系統(tǒng)為一自動控制系統(tǒng)，通過按鍵向單片機(jī)輸送控制信號，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中，重點(diǎn)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(diǎn)。采用MCS-C51單片機(jī)指令系統(tǒng)進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)軟件部分測試，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)上述功能。 關(guān)鍵詞：MCS-C51 步進(jìn)電機(jī) 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(jī)發(fā)展概述 1.1單片機(jī)的基本概念----------------------------------------4 1.2MS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)-------------------------------------4 1.3MS-51單片機(jī)引腳及功能-----------------------------------5 2步進(jìn)電機(jī)發(fā)展概述 2.1步進(jìn)電機(jī)簡介-----------------------------------------6 2.2步進(jìn)電機(jī)分類-----------------------------------------6 2.2反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理及結(jié)構(gòu) 2.2.1步進(jìn)電機(jī)基本原理--------------------------------7 2.2.2步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理----------------------------8 2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)----------------------------------8 3硬件電路設(shè)計 3.1單片機(jī)外圍電路---------------------------------------------9 3.2步進(jìn)電機(jī)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(shè)計-----------------------------------------------10 4軟件電路設(shè)計 4.1數(shù)碼管顯示設(shè)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(jìn)電機(jī)流程圖-----------------------------------------------12 總結(jié)-------------------------------------------------------------13 致謝-------------------------------------------------------------14 參考文獻(xiàn)---------------------------------------------------------15 前 言 步進(jìn)電機(jī)最早是在19世紀(jì)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(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)已廣泛應(yīng)用于繞線機(jī)、切片機(jī)、雕刻機(jī)、排線機(jī)、包裝機(jī)械、食品加工行業(yè)、復(fù)印機(jī)、雕刻機(jī)、排線控制器、醫(yī)療器械、舞臺燈光、自動化工程、機(jī)器人應(yīng)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(jī)器中，都有步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度，位置控制，需要精確操作各項(xiàng)指令動作靈活控制場合步進(jìn)電機(jī)用得最多。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計算機(jī)（單片機(jī)）的功能也不斷增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)出來。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動化和各個測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)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(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計第一階段的主要工作是，學(xué)習(xí)有關(guān)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的基本知識，了解單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上選擇了使用8051單片機(jī)作為核心設(shè)計，并學(xué)習(xí)74LS164數(shù)字電子技術(shù)等方面的知識。 第二階段是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，設(shè)計出具體的電路，并確定滿足具體技術(shù)指標(biāo)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(dǎo)和自己的努力，完成了畢業(yè)設(shè)計的各項(xiàng)任務(wù)，成功設(shè)計單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。 1單片機(jī)發(fā)展概述 1.1單片機(jī)的基本概念 單片機(jī)是把微型計算機(jī)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(jī)。因而被稱為單片微型計算機(jī)，簡稱單片機(jī)。 單片機(jī)按照用途可分為通用型和專用型兩大類。 （1） 通用型單片機(jī)的內(nèi)部資源豐富，性能全面，適應(yīng)能力強(qiáng)。用戶可以根據(jù)不同的需要設(shè)計各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。 （2） 專用型單片機(jī)是針對各種特殊場合專門設(shè)計的芯片。這種單片機(jī)的針對性強(qiáng)，設(shè)計時根據(jù)需要來設(shè)計部件。因此，它能實(shí)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(yīng)用中有很明顯的優(yōu)勢。 在單片機(jī)使用上注意以下幾個既有相同點(diǎn)也有區(qū)別的概念。 （1） 單板機(jī)：將微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口以及簡單的輸入/輸出設(shè)備組裝在一塊電路板上的微型計算機(jī)，稱為單板機(jī)。 （2） 單片機(jī)：將微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口和相應(yīng)的控制部件集成在一塊芯片上形成的微型計算機(jī)，稱為單片機(jī)。 （3） 多板機(jī)：在計算機(jī)組成中，如果組成計算機(jī)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(jī)稱為多板機(jī)。 1.2MS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖 1.3MS-51單片機(jī)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(fù)用接口，也可作為通用的I/O接口。 2．P1口 P1口是準(zhǔn)雙向口，它只能作通用的I/O口使用。 3.P2口 P2口也是準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)物圖 ALE： 地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴(kuò)展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實(shí)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(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 ：訪問程序存儲控制信號。當(dāng)信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當(dāng)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(fù)位信號。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 VSS：地線。 VCC：+5 V電源。 2步進(jìn)電機(jī)發(fā)展概述 2.1步進(jìn)電機(jī)簡介 步進(jìn)電機(jī)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(jī)構(gòu)）。 在正常情況下，電機(jī)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(fù)載變化的影響，但步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)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(yùn)行的，通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 2.2步進(jìn)電機(jī)分類 步進(jìn)電機(jī)的種類很多，一般按結(jié)構(gòu)區(qū)分，有反應(yīng)式、永磁式和永磁感應(yīng)式三種。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 永磁式步進(jìn)電機(jī) 永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 目前，我國使用的步進(jìn)電機(jī)主要是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。如圖所示，這是一臺典型的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。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(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 1. 永磁式步進(jìn)電機(jī) 永磁式步進(jìn)電機(jī)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； 永磁式步進(jìn)電動機(jī)輸出力矩大，動態(tài)性能好，但步距角大。 2. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動態(tài)性能差。 3. 混合式步進(jìn)電機(jī) 混合式步進(jìn)電動機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)電動機(jī)。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 2.2步進(jìn)電機(jī)原理及結(jié)構(gòu) 2.2.1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)基本原理 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。 　1、結(jié)構(gòu)： 　　電機(jī)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(yīng)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(yīng)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(jī)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(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)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(dǎo)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(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)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(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，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(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)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(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)力矩越大，反之亦然。 2.2.2步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理 電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)在僅給予電壓時，電機(jī)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(jī)內(nèi)線圈，依順序切換激勵磁相序的方式才能讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，欲使步進(jìn)電機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)方向等脈沖信號的電機(jī)驅(qū)動指令。（MCS-51） 2. 步進(jìn)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(jìn)電機(jī)動作。（ULN2003） 3硬件電路設(shè)計 3.1單片機(jī)外圍電路 3.2步進(jìn)電機(jī)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(shè)計 4軟件電路設(shè)計 4.1數(shù)碼管顯示設(shè)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(jìn)電機(jī)流程圖 總結(jié) 本論文首先簡要介紹了單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)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(chǔ)上，對控制系統(tǒng)電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，包括系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)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(diǎn)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(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計完成了任務(wù)書規(guī)定的各項(xiàng)要求，在學(xué)習(xí)C語言、單片機(jī)、CAD軟件等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，我進(jìn)一步學(xué)習(xí)了線路設(shè)計、安裝、檢錯等多種實(shí)用技術(shù)，既學(xué)習(xí)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(diǎn)。整個設(shè)計的過程，同時也是專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程，而且是更生動、更切實(shí)、更深入的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)： (1)一個設(shè)計是結(jié)合科研課題，把學(xué)過的專業(yè)知識運(yùn)用于實(shí)際，在理論和實(shí)際結(jié)合過程中進(jìn)一步消化、加深和鞏固所學(xué)的專業(yè)知識，并把所學(xué)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(shí)際的過程中，既可以印證學(xué)過的書本知識，又可以學(xué)到許多課堂和書本里學(xué)不到的活生生的新知識。 (3)我們在這種自己動手的設(shè)計中，對所學(xué)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(shè)計沒有用到位置和速度和位置檢測電路來實(shí)現(xiàn)速度和位置反饋控制 (2)設(shè)計中沒有考慮多個電機(jī)同時或分時自動運(yùn)作時的情況，這樣使設(shè)計更加完善。 由于該課題的實(shí)踐性較強(qiáng)，鑒于具體應(yīng)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(shí)踐的過程中進(jìn)一步完善。 致謝 近三年的學(xué)習(xí)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?dú)w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(dǎo)師侯XX師表達(dá)深深的敬意和無以言表的感謝。 感謝和我一起學(xué)習(xí)的XXXX靈活考慮問題的方式，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q問題的態(tài)度;XXX扎實(shí)的專業(yè)知識功底，認(rèn)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(shí)驗(yàn)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(hù)我成長的父母。每當(dāng)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(xué)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(dá)到目標(biāo)。 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(xiàn) [1] 涂時亮, 張友德. 單片微機(jī)MCS-51用戶手冊[M]. 復(fù)旦大學(xué)出版社, 1990. 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