計算機控制課程設計---步進電機的角度控制設計

1、<p><b>　　計算機控制技術</b></p><p>　　課 程 設 計</p><p>　　設計課題 步進電機的角度控制設計 </p><p>　　學院名稱 ： 電氣工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級 ：

2、 </p><p>　　學生姓名 ： </p><p>　　學 號 ： </p><p>　　指導教師 ： </p><p>　　設計地點 ：

3、 31-503 </p><p>　　設計時間 ： 2012-06-11～2012-06-15 </p><p>　　計算機控制技術 課程設計任務書</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言4</b>

4、;</p><p>　　2 總體方案設計4</p><p><b>　　2.1硬件組成4</b></p><p>　　2.2控制流程方框圖5</p><p>　　3 硬件電路設計6</p><p>　　3.1 單片機及其外圍電路6</p><p>　　3.2 16

5、02LED顯示器7</p><p>　　3.3 ULN2003外圍電路8</p><p>　　3.4鍵盤接口電路9</p><p>　　4 系統軟件設計10</p><p><b>　　5總結11</b></p><p><b>　　參考文獻11</b></

6、p><p>　　附錄A 系統原理圖12</p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　步進電機在控制系統中具有很廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器或角位移發(fā)生器等。</p><p>　　步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖信號轉換成相應角位移的電機，其機械位

7、移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數和脈沖頻率成正比，每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度。脈沖的數量，決定了旋轉的總角度；脈沖的頻率，決定了電機運轉的速度。 此次設計通過AT89C51對步電機進行控制，用ULN2003為步進電動機驅動電路主芯片，AT89C51對步進電機的控制信號送到ULN2003輸出到LED顯示步進電機轉動角度。</p><p><b>　　2 總體方案設計</

8、b></p><p><b>　　2.1硬件組成</b></p><p><b>　?。?）步進電機 </b></p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖

9、信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，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轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 </p><p>　　步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就

10、是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，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、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。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。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。</p&

11、gt;<p>　　步進電機的工作就是步進轉動。在一般的步進電機工作中，其電源都是采用單極性的直流電源。要使步進電機轉動，就必須對步進電機定子的各相繞組以適當的時序進行通電。步進電機的步進過程可以用圖來說明。圖是一個四相反應式步進電機，其定子的每相都有一對磁極，每個磁極都只有一個齒，即磁極本身，故四相步進電機有四對磁極共8個齒其轉子有6個齒，分別稱為0、1、2、3、4、5齒。直流電源U通過開關AS、BS、CS、DS分別對步

12、進電機的A、B、C、D相繞組輪流通電。</p><p><b>　?。?）顯示部分</b></p><p>　　LCD可以顯示出轉動次數,轉動角度，轉動方向。在一開始就可以進行鍵盤掃描，然后可以進行參數設置，具體是將要設置的轉動方向，轉動次數，轉動角度都輸入進去，按下設置鍵，接著再按下啟動鍵，電機就會開始轉動，中途按下停止鍵的話，電機會停止轉動。同時還可以進行清零操作

13、，方便連續(xù)設置。</p><p>　　本次設計中我選取的是1602LCD顯示器</p><p><b>　?。?）驅動部分</b></p><p>　　選用ULN2003A作為步進電機的驅動芯片。由于ULN2003A具有反相功能，因此單片機輸出的步進電機驅動信號應該為反相的驅動信號。通過改變輸出驅動信號的順序，可改變步進電機的運轉方向;通過改變

14、驅動信號間延時的長短,可改變步進電機的轉速。</p><p>　　ULN2003是大電流驅動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡等控制電路中。可直接驅動繼電器等負載。</p><p>　　輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。</p><p>　　ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下: UL

15、N2003的每一對達林頓都串聯一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。</p><p>　　ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅動的系統。</p><p><b>　　(4)控制部分<

16、/b></p><p>　　微控制器采用AT89C51，多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p><b>　?。?）鍵盤部分</b></p><p>　　鍵盤電路

17、常用的有兩種，一種是獨立式鍵盤電路，另一種是矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤每個按鍵獨占一根I/O線。因此鍵識別軟件非常簡單。對于只有幾個按鍵的系統，常采用這種電路。對于多按鍵系統來講，這種電路憂郁將占用更多的I/O線而變得無法實用。</p><p>　　矩陣式鍵盤電路將I/O口線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設置在行線和列線的交叉點上，這就構成了行列式鍵盤。行列式鍵盤中按鍵的數量可達行線數n乘以列線數m。由此可

18、以看到行列式鍵盤在按鍵較多時，可以節(jié)省I/O線。按鍵開關的兩端分別接在行線和列線上。行線通過一個電阻接到+5V電源上，在沒有鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)。判斷是否有鍵按下的方法是向所有的列線I/O口輸出低電平，然后將行線的電平狀態(tài)讀入累加器中，若無鍵按下，行線仍保持高電平狀態(tài)，若有鍵按下，行線至少應有一條為低電平。當確定有鍵按下后，即可進行求鍵碼的過程。其方法是依次從一條列線上輸出低電平，然后檢查各行線的狀態(tài)，若全為高電平，說明閉合鍵不

19、在該列若不全為1，則說明閉合鍵在該列，且在變?yōu)榈碗娖降男械慕稽c上。 在鍵盤處理程序中，每個鍵都被賦予了一個鍵號，由從列線I/O口輸出的數據和從行線I/O口讀入的數據可以求出閉合鍵的鍵號。</p><p>　　在本次設計中我選擇了矩陣式鍵盤電路。鍵盤選用4×4（一個）。</p><p>　　2.2控制流程方框圖</p><p>　　圖2.2 控制流

20、程方框圖</p><p>　　圖2.2中主要由AT89C51控制部分﹑中間接口部分﹑驅動部分﹑步進電機部分，鍵盤部分，顯示部分等部分組成。C51是該系統的核心部分，電機的角度控制主要是通過它控制的，通過鍵盤可以設定要轉動角度，由C51檢測哪個按鍵按下，實現設定值的修改，并通過數碼管實時顯示設定值以及測得的角度。</p><p><b>　　3 硬件電路設計</b>&l

21、t;/p><p>　　3.1單片機及其外圍電路</p><p>　　微控制器采用AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可

22、擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p>　　主要特性：（1）與MCS-51兼容</p&g

23、t;<p>　　（2）4K字節(jié)可編程閃爍存儲器</p><p>　?。?）壽命：1000寫/擦循環(huán)</p><p>　?。?）數據保留時間：10年</p><p>　?。?）全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz</p><p>　?。?）三級程序存儲器鎖定</p><p>　?。?）128*8位內部RAM<

24、/p><p>　?。?）32可編程I/O線</p><p>　?。?）兩個16位定時器/計數器</p><p><b>　?。?0）5個中斷源</b></p><p>　?。?1）可編程串行通道</p><p>　　（12）低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　?。?3）片

25、內振蕩器和時鐘電路</p><p>　　圖3.1 單片機及其外圍電路</p><p>　　3.2 1602LCD顯示器</p><p>　　圖3.2 1602 LCD顯示器與與AT89C51單片機的連接圖</p><p>　　靜態(tài)顯示方式就是當顯示器顯示某一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定地或截止，直到顯示另一個字符為止。靜態(tài)顯示方式，顯示器

26、中的各位相互獨立，而且顯示字符一經確定，相應鎖存的輸出將維持不變。正因為如此，靜態(tài)顯示時的亮度較高。在多位LCD顯示時，為了節(jié)省I/O口線，簡化電路，降低成本，一般采用動態(tài)顯示方式。動態(tài)顯示方式是一位一位地分時輪流各位顯示器，對每一位顯示器來說，每隔一段時間輪流點亮一次。</p><p>　　LCD可以顯示出轉動次數,轉動角度，轉動方向。</p><p>　　3.3 ULN2003外圍電路

27、</p><p>　　圖3.3 ULN2003外圍電路</p><p>　　單片機輸出的步進電機驅動信號應該為反相的驅動信號。通過改變輸出驅動信號的順序，可改變步進電機的運轉方向;通過改變驅動信號間延時的長短,可改變步進電機的轉速。</p><p>　　3.4 鍵盤接口電路</p><p>　　圖3.4 鍵盤電路</p>&

28、lt;p>　　鍵盤是一組按壓式開關的集合，是微機系統不可缺少的輸入設備，用于輸入數據和命令。鍵盤的每一個按鍵都被賦予一個代碼，稱為鍵碼。鍵盤系統的主要工作包括及時發(fā)現有鍵閉合，求閉合鍵的鍵碼。根據這一過程的不同，鍵盤可以分為兩種，即編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤通過一個編碼電路來識別閉合鍵，非編碼鍵盤是通過軟件來識別鍵碼。由于非編碼鍵盤的硬件電路簡單，用戶可以方便地增減鍵的數量，因此在單片機系統中應用廣泛。這里著重介紹行列式非編碼

29、鍵盤。 將I/O口線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設置在行線和列線的交叉點上，這就構成了先烈式鍵盤。行列式鍵盤中按鍵的數量可達行線數n乘以列線數m。由此可以看到行列式鍵盤在按鍵較多時，可以節(jié)省I/O線。按鍵開關的兩端分別接在行線和列線上。行線通過一個電阻接到+5V電源上，在沒有鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)。判斷是否有鍵按下的方法是向所有的列線I/O口輸出低電平，然后將行線的電平狀態(tài)讀入累加器中，若無鍵按下，行線仍保持高電平狀態(tài)

30、，若有鍵按下，行線至少應有一條為低電平。當確定有鍵按下后，即可進行求鍵碼的過程。其方法是依次從一條列線上輸出低電平，然后檢查各行線的狀態(tài)，若</p><p><b>　　功能如下：</b></p><p><b>　　4 系統軟件設計</b></p><p>　　圖4.1程序設計流程圖</p><p&g

31、t;　　先把轉動的次數和角度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，選擇步進電機的角度，輸入次數，然后讀入轉動的控制模型驅動步進電機轉動。</p><p><b>　　5總結</b></p><p>　　通過此次課程設計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設計中，真正做到了自己查閱資料、自己解決問題。這

32、次課程設計使我對步進機有了更深的了解，對單片機也有了更高成次的了解。單片機的種類多，而型號雜，也是我們學習中遇到的困難。單片機編程是用匯編語言進行編程，也就需要我們對電路的分析，然后總結，查閱相關資料才能變成好的程序，編程講究的是多動手寫，自己寫，用自己的思路，不怕寫錯，寫錯再改，懂得有新的思想這樣才能提高。通過解決課程設計的這些難點，與其說是增加了的知識，不如說培養(yǎng)了我們一個積極的心態(tài)。當遇到困難時，端正態(tài)度，認真地查資料，跟老師和同

33、學討論，以一個最積極的充滿信心的態(tài)度，最終總會解決問題。 </p><p>　　這次課程設計，使我懂得了只有課堂知識是遠遠不夠的，只有把所學的知識綜合起來，從理論中得出結論，提高自己獨立思考的能力，才會對自己的將來有幫助。在設計的過程中發(fā)現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設計，把以前所學過的知識重新溫故，鞏固了所學的知識。 我們的《計算機控制技術》這本書雖然看起來很

34、薄，但里面的包含的知識很多，同時有些地方講的較簡略，在自己獨立學習時會遇到很大的困難。因此這本書在一個學期內講完，學時太少，感覺學的太急，沒有能力消化。建議此書用兩個學期學完，在平時的教學過程中同時融入實際的訓練，必將獲得更好的效果。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張迎新.單片微型計算機原理、應用及接口技術（第2版）[M].

35、北京：國防工</p><p><b>　　業(yè)出版社，2004</b></p><p>　　[2] 馮博琴，吳寧.微型計算機原理與接口技術. 清華大學出版社.2007 </p><p>　　[3] 于海生.微型計算機控制技術. 清華大學出版社.2004 </p><p>　　[4] 朱玉璽，崔如春，鄺小磊.計算機控制技術.

36、電子工業(yè)出版社.2010 </p><p>　　[5] 劉永華.微機原理與接口技術.清華大學出版社.2006 </p><p>　　[6] 黃海萍.匯編語言與微機接口技術實驗教程. 國防工業(yè)出版社.2007 </p><p>　　[7] 陸鑫、康建明.微機原理與接口技術.機械工業(yè)出版社,2005.9 </p><p><b>　　附