步进式搅拌机调速控制系统设计驱动模块设计-大学论文.doc

内蒙古科技大学智能仪表课程设计报告
内蒙古科技大学
智能仪表综合训练课程设计报告

题 目：步进式搅拌机调速控制系统设计
——驱动模块设计
学生姓名：
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专 业：
班 级：
指导教师：

目录
目录 I
摘要 II
第1章 概述 1
1.1搅拌机简介 1
1.2单片机控制步进电机概述 1
1.3步进电机的概述 2
1.3.1步进电机的应用 2
1.3.2步进电机的研究及发展 3
1.4步进电机的机构及工作原理 4
1.5步进电机的分类 5
1.6步进电机的特点 6
1.7课题设计的意义 6
第2章 总体方案设计 7
2.1步进电机的控制方案 7
2.2基于单片机的控制 7
2.3步进电机的驱动方案 7
2.4总体方案设计 9
2.4.1总体方案方框图 9
2.4.2总体方案功能说明及选型 9
第3章 硬件设计与仿真 11
3.1单片机最小系统——核心 11
3.1.1单片机AT89C51简介 11
3.1.2AT89C51单片机功能及特性 11
3.1.3单片机最小系统原理图 13
3.2电机驱动模块 13
3.2.1ULN2003驱动芯片 14
3.2.2驱动模块电路图 14
3.3独立按键模块 15
3.4显示模块 16
3.5测速模块 17
3.6总体原理图 18
第4章 软件设计 19
4.1系统功能设计 19
4.2主程序设计 19
4.2.1 主程序工作过程 19
4.2.2主程序工作流程图 20
4.3驱动流程图 20
4.4键盘流程图 21
第5章 调试与总结 22
5.1软件调试 22
5.2硬件调试 23
5.3总结 23
附录A：步进式搅拌机调速控制系统设计硬件原理图 26
LCD显示部分： 26
LED显示部分： 27

摘要
步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照控制脉冲的要求，迅速起动，制动，正反转和调速。具有步距角精度高特点，因此在众多领域中获得了广泛的应用。
本文首先简单的介绍了步进电机的发展概况、特点及工作原理。包括步进电机的控制方案和驱动方案作了系统说明，给出了系统设计的总体方案，以及本系统的特点和功能。通过软硬件的设计调试，实现步进电机能根据设定的参数进行自动加减速控制，同时它能准确地控制步进电机的正反转，启动和停止。硬件是以AT89C51单片机为核心的控制电路，主要包括：LED/LCD显示器、键盘显示电路、步进电机的驱动芯片等。软件部分采用C语言编程，主要包括键盘显示程序、步进电机的调速程序、停止判断程序等。本文采用软硬件结合的方法，达到了对步进电机的最佳控制。

关键词：步进电机控制系统；调速；单片机

II

第1章 概述
1.1搅拌机简介
搅拌机是随着现代混凝土施工工艺发展起来的一种机械设备，是一种带有叶片的轴在圆筒或槽中旋转，将多种原料进行搅拌混合，使之成为一种混合物或适宜稠度的机器。
近年来，随着科学技术的发展和相关理论的完善和进一步成熟，搅拌机的设计和制造获得了飞速发展。但是，它也面临着必需满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护要求的严峻挑战。搅拌器在服从装置规模经济化和品种多样化的同时，正日趋大型化。基于节能要求，开发出变频调速电机、小剪切阻力桨叶、以新型密封代替机械密封和填料密封，以磁力驱动代替机械驱动。基于降低产品总体成本、减少维修保养成本和提高设备品均维修间隔时间的要求，大大提高设备运行寿命，逐渐的采用以单片机为核心的智能化搅拌机。搅拌机在化工、制药、食品水产业、塑料等行业的生产过程中应用也很广泛，搅拌机在设计时均是使用工况的要求考虑一定余量，而搅拌机在实际使用过程中，则不一定要在最大转速下工作，有很多时间都可以工作在非满载状态。
在某些应用场合，由于搅拌机配置及运行转矩大的特点，通常是在搅拌机电机的选用上我们采用步进电机作为搅拌机的驱动电机，这样我们既可以保证了搅拌机大力矩的负载，又可保护电机由于太大负载毁坏。
1.2单片机控制步进电机概述
单片机是现代电子技术、计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。采用嵌入式系统集成器件，将电机系统的设计从单纯的硬件设计变为智能化的硬、软件设计，从而使现代电子系统软硬件结合，具有智能化、系统功能，具有柔韧性及激励、运行、响应等特点。目前，单片机价格已很低廉，这使得单片机的应用更为广泛，因此就比较普遍地应用单片机来控制各种电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，特别是单片机对步进电机的控制，使步进电机的各种潜力、能力得到充分的发挥，也使步进电机的各种性能更符合现代工艺的要求。
一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。
1.3步进电机的概述
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等。即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。
1.3.1步进电机的应用
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种工业控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。
1.3.2步进电机的研究及发展
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现ｐｃ机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。
1.4步进电机的机构及工作原理
步进电机在结构上如同普通电机一样，也是由转子、定子和定子绕组组成，通常电机的转子为永磁体，定子绕组分若干相，每相的磁极上有极齿，转子在轴上也有若干个齿。当电流流过某相定子绕组时，相应的定子绕组分别形成N-S极，产生一矢量磁场。如果这时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。利用单片机控制脉冲发生器产生一定频率的脉冲信号，脉冲分配器将产生一定规律的电脉冲输出给驱动器，就可以控制步进电机的转动。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。

图1.1　 四相八拍步进电机原理图

图1.2　 四相八拍步进电机脉冲图
1.5步进电机的分类
步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为永磁式(PM)、反应式(VR)、和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，目前使用最为广泛的为反应式和混合事步进电机。
(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；
(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；
(3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。因而被广泛应用。
1.6步进电机的特点
（1）步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步距角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。
（2）三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成，因而步进电机是可以计算的。
（3）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
（4） 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。
因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。
1.7课题设计的意义
由于在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本设计就是采用这个思路进行设计。
本设计课题是基于单片机控制步进电机设计搅拌机调速控制系统，因而对控制精度的要求并不高，要实现搅拌机的正、反转，启动加速、减速，并通过光码盘或光电编码器测速反馈到单片机，通过LED、LCD显示器来显示步进电机的转速，和设定值。通过PID调节自动调节测量值和设定值的偏差，从而实现步进电机自动加、减速。

第2章 总体方案设计
2.1步进电机的控制方案
步进电机的控制方案有很多种，但是通过操作是否方便、程序指令和逻辑是否正确合理、步进电机加减速控制的优化、抗干扰能力、电路的设计和硬件的品质这些指标来衡量，主要有电子电路系统控制、PLC可编程控制器控制、单片机控制，在本设计中我们采用单片机控制方案。
一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，加上驱动芯片ULN2003可以实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，节约了单片机的端口，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，因此本设计就是采用这个思路进行设计。
2.2基于单片机的控制
单片机控制系统是采用软件与硬件相结合的控制方法。通过单片机外部引脚线直接去控制步进电机各相驱动线路。并且通过键盘作为一个外部中断源，设置步进电机正转、反转、停止、加速、减速等按键，采用程序查询方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，外接LCD、LED显示器，来显示正转、反转、加速、减速速度等状态。单片机系统通过自带功能，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。
2.3步进电机的驱动方案
步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、 斩波恒流功率驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
（1）单电压功率驱动
该电路是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，并能产生较大的电磁转矩。该驱动方式结构简单、成本低。缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗,尤其是在高频工作时更加严重,因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。
（2）高低压驱动
该电路是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。
（3）斩波恒流功率驱动
斩波恒流功率驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂，因而在本设计中不被采用。
（4）升频升压功率驱动
为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。
（5） 集成功率驱动
目前有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动芯片可供选用。在现代电子工艺中，人们往往采用集成芯片来节约更多空间，大大的简化了逻辑电路对驱动电路的要求，同时提高了驱动的可靠性，也使驱动的过程变的更为简单、高效。
驱动方案确定：
由于本设计所采用的步进电机是小功率步进电机，在驱动路数上并没有多大的要求，考虑制作工艺方便、简单、成本、电路的体积各方面综合因素，本设计采用集成功率驱动方案，应用现成的集成电路作为驱动电路，选用集成功率驱动芯片ULN2003，作为步进电机的驱动芯片。
2.4总体方案设计
基于步进电机控制系统设计的搅拌机是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。
步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动芯片或驱动电路，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。控制单元采用单片机，驱动单元与步进电动机直接耦合。
2.4.1总体方案方框图
基于步进电机控制系统设计主要由五部分组成：步进控制器、驱动芯片(把控制器输出的脉冲加以放大，来驱动步进电机)、步迸电机、LCD/LCD显示器、键盘。不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。

图2.1总体方案方框图
2.4.2总体方案功能说明及选型
通过对其它步进电机控制系统的分析，结合设计目的，本设计以单片机为控制器设计的基于步进电机的搅拌机控制系统。采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。采用ULN2003四相八拍步进电机驱动芯片为驱动核心与单片机相结合，达到了对步进电机的最佳控制。系统应用了一片ATMEL公司的AT89C51单片机作为步进电机控制器的核心运算器件，利用单片机强大的运算能力和可编程的特点，可以实现较为复杂的步进电机控制功能。且适应能力强，能够在不改变硬件电路的情况下，只需对软件进行必要的修改就可以适应不同驱动芯片和控制要求。而且可以做到人机交换，通过键盘来改变步进电机的运行状态，各种运行状态也都有相应的指示，使操作者随时都能对电机的运行状况进行方便的了解，利用单片机来构成的步迸电机控制系统的优点是十分明显的。系统中采用并行控制，用单片机接口线控制ULN2003驱动芯片。通过软件的控制，单片机按顺序给ULN2003不同频率的脉冲，就可以控制电机的正、反，以及加、减速，并且通过测速模块对步进电机的运行转速进行测量，把所测值反馈到单片机，单片机通过软件编程进行PID数据运算处理从而使测量值无限接近设定值，并通过LED/LCD显示设定值和测量值。综合考虑各种设想之后，本设计各部分的功能如下：
单片机（CPU）最小系统：产生脉冲，进行数据处理、PID运算。
电机驱动模块：负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。
串口下载模块：主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。
显示模：我们采用LED/LCD显示，主要是显示电机转速，电机转向，和系统设定转速系统。
测速模块：我们主要采用欧姆龙编码器 E6A2-CW5C 200P/R ，主要是检测步进电机实际转速，最后将所测信号进行转换处理后送给单片机。
按键模块：采用独立式按键，适用于一键占用一条接口线，每个按键电路是独立的。作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速，显示设定转速等功能。

第3章 硬件设计与仿真
硬件是整个系统的平台，各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的，所以硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量。为了充分发挥单片机的长处，实现尽可能多的功能，使系统的成本尽量的低，工作得更可靠，操作更具备人机交互性。硬件选择设计如下。
3.1单片机最小系统——核心
单片机最小系统是整个控制系统的核心，其主要进行产生步进电机运行时的脉冲和进行必要数据运算和程序处理，主要由单片机和外接复位电路和晶体震荡电路组成。在本设计中单片机选用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为中央处理器，并与外接的电路构成最小系统模块。
3.1.1单片机AT89C51简介
单片机从诞生至今已经产生了许多种，新品种的也是层出不穷，从最初INTEL的MCS．51和PIC系列，以及最近推出的AVR，ARM等，品种繁多，功能各异。但是就目前来说，51系列的单片机仍是许多设计的首先，特别是ATMEL公司的89系列FLASH单片机，运用更是广泛。而且各种技术参考资料相对也较多。通过对本设计所需资源的分析，选用ATMEL公司的8位单片机AT89C51作为主控芯片。AT89C51是美国ATML公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes 的可系统编程的Flash存储器,该器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容MCS-51标准指令系统及引脚。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，功能强大、灵活性高、价格低廉。
3.1.2AT89C51单片机功能及特性
AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
主要特性：
（1） CPU内核完全和MCS-51系列兼容，具有MCS-51系列单片机的一切功能。
（2） 内部集成了4K字节的在线可编程FlashROM，可满足大部分系统扩展的需求，编程方更快捷。
（3）耐久性：1000写、擦除。
（4）2．7—6V的工作电压操作范围。
（5） 可在0～24MHz的晶振频率范围内可靠工作，加快了系统的工作速度，可用在某些高速实时处理控制系统中。
（6） 内部具有128个字节的RAM和2个16位定时器，可以存放系统运行中的数据。
（7） 具有6个中断源，完全可以满足一般设计的中断系统扩展需要。
（8）可编程串行UART通道；直接LED驱动输出；低功耗空载和掉电方式。

图3.1　 AT89C51引脚图
3.1.3单片机最小系统原理图
采用AT89S51单片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。单片机最小系统的原理图如图所示。

图3.2 单片机最小系统原理图
AT89C51单片机引脚XTAL1 和XTAL2 分别是内部振荡器的高增益反相放大器的输入端和输出端。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2 接在放大器的反馈回路构成并联振荡电路。对外接电容Cl、C2 的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。复位电路由按键、电阻、电容C3构成，当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
3.2电机驱动模块
由于本设计所用的小型步进电机，对电流和电压的要求并不是高，考虑要硬件设计驱动电路的方法会电路复杂，调试不方便，而且采用多个元器件搭接，成本高，制作也不方便。而直接采用集成的驱动芯片可以使电路稳定，成本低，易于控制，所以最终本设计是直接采用芯片ULN2003作为电机驱动部分的驱动芯片。
3.2.1ULN2003驱动芯片
ULN2003A电路是美国Texas Instruments公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路，由七个硅NPN 达林顿管组成，具有电流增益高（灌电流可达500mA）、工作电压高（可承受50V的电压）、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用用于各大要求高速大功率驱动系统。ULN2003由7组达林顿晶体管阵列、相应的电阻网络及钳位二极管网络构成，每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，同时具有驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。其内部结构引脚电路如图。

图3.3ULN2003内部结构引脚电路图
3.2.2驱动模块电路图
由于ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行等优点。完全可以驱动四相八拍电机。信号通过单片机I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。

图3.4驱动模块电路原理图
本设计的电机驱动部分是由驱动芯片ULN及其外围电路构成，其中ULN2003的输出端1C、2C、3C、4C依次按顺序连成一个插座，分别与步进电机的四根线相连。单片机的P1口的4个管脚通过非门与芯片的1B、2B、3B、4B引脚依次与相连。通过这一连接实现了单片机与ULN2003以及步进电机的串联控制。
由于ULN2003驱动芯片内部有7个非门需外接输入端接非门，这样才会使单片机输出的脉冲信号不会改变。在这里ULN2003芯片相当于继电器，当单片机的脉冲来时，通过改变步进电机各相依次导通来控制步进电机的运行。
3.3独立按键模块
键盘电路根据不同情况，选择不同模式。在这里所采用的是独立按键，其中包括五个功能：正传、反转、加速、减速、停止分别连接单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4管脚进行信号输入，由于是独立按键所以按键的另一端公共接地，键盘出发脉冲是以低电平“0”时期触发，除了考虑其是否有触发电平外，还要考虑是否是由于抖动引起误触发，因此在软件设计是均要有10ms左右的延时来去抖动。按键电路如图。

图3.5独立键盘电路

3.4显示模块
由于设计要求使用LCD/LED显示，所以在显示模块这部分用液晶显示和数码管显示。
（1）LCD（液晶）显示模式
采用点阵式LCD显示，单片机的P0作为数据口与LCD的数据端口相连，LCD显示器的VSS接地，VCD接高电平，命令数据线RS接P2.6，读/写控制线R/W接P2.5，使能线E接P2.7，当命令数据线RS为1时，D0～D7显示RAM数据；RS为0时，D0～D7写入数据，当R/W为1时是读模式，此时使能线E应为1，R/W为0时是写模式，当E从1变为0时， D0～D7上的数据写入LCD。

图3.6LCD显示电路图

（2） LED（数码管）显示模式
LED显示模式的驱动方式有共阴极和共阳极俩类型。本设计采用共阴极结构形式，在共阴极接法中，公共阴极接低电平（通常接地），当阳极上为高电平时，对应的段被点亮，另外显示器需要外接限流电阻，如果不限流将造成LED烧毁。同时显示方式采用静态显示，在每次显示输入后能够保持显示不变，仅在待显数码需要改变时，才更新其数字显示其中锁存的内容。由于是4段数码管，所以用四个74LS164串入并出的移位寄存器。其接线原理如图。

图3.7LED显示模式接线图
3.5测速模块
由于光码盘和编码器的测速原理都一样，都是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号传输给单片机，因而本设计采用的是编码器，提高了测量精度，其输出端与单片机的P3.5管脚相连。如图是本设计编码器实物图。

图3.8编码器实物图
3.6总体原理图
通过对对各个模块的整理，然后结合芯片资料完成了对应模块的硬件设计。对以上的单片机最小系统，LCD/LED显示模块，电机驱动模块，电机测速模块，键盘模块各个部分进行设计论证后然后衔接起来完成了整个硬件部分的设计，系统的总体原理图见附录。

第4章 软件设计
4.1系统功能设计
软件主要功能是单片机根据设定的转速，实现步进电机的自动加减速控制，并通LCD和LED显示步进电机的运行参数。其具体功能如下：
按正转按键时，步进电机正转；按反转按键时，步进电机反转；按停止按键时，步进电机停止运行；通过键盘可输入所需要运行的设定值，当输入参数完毕后，LCD/LED显示所需要运行的步数并通过LCD/LED显示步进电机的运行状态。单片机根据所输入的设定值判断是否需要进行加速、减速启动，当输入的步数小于5r/min时，步进电机以最低速度5 r/min运行。当输入的步数大于5 r/min时，步进电机从最低速度5 r/min开始加速运行，当加速到25 r/min时步数仍大于5 r/min时，步进电机以设定的最大速度25 r/min恒速运行，当步数小于25 r/min时，步进电机开始减速，减速到5 r/min时，步进电机以设定的最低转速5 r/min运行。
4.2主程序设计
程序流程图的设计遵循自顶向下的原则，即从主体遂逐步细分到每一个模块的流程。在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。本程序主要由键盘程序、步进电机驱动程序、LCD/LED显示程序、测速程序组成，主程序首先初始化各变量，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，便进入待机状态，等待键入相应操作。然后调用键盘程序，并作判断，如果有键按下，则调用键盘处理程序。各种模式和方式下的不同处理，在流程图中均作出了详细说明。
4.2.1 主程序工作过程
（1）系统初始化。系统初始化包括函数、定时器T1初始化，步进电机工作状态的初始化、LCD/LED初始化。步进电机的初始化状态为低速正运转，数码管显示步数为+5 r/min。
（2）键盘扫描及按键处理。判断是否有按键按下，若有则进行按键处理。按键功能包括加、减按键，启动按键，停止按键，正转按键，反转按键、复位按键等功能按键。
（3）调速。根据输入的转速判断是否需要自动进行调速。
4.2.2主程序工作流程图
主程序工作流程图如图4.2所示。在图中简单的反映出了整个控制系统的主程序工作流程。

图4.1主程序流程图
4.3驱动流程图
由于本设计所采用的是四相八拍步进电机，因而单片机所产生的脉冲，对步进电机正转的通电次序依次是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，反转D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D,步进电机的转速调节是通过改变每相通电延时时间来改变转速的，其驱动流程如图。

图4.2驱动脉冲产生流程图
4.4键盘流程图
在本设计当中按键的一端接地，另一端接单片机的对应端口，所以当按键按下，既是将单片机对应端口电平拉低。所以在编程的时候判断按键按下是低电平有效。其流程图如图。

图4.3按键流程图
第5章 调试与总结
调试是工程验证不可缺少的一步，调试主要指软件和硬件相结合进行调试，调试的目地就是检验软件和硬件的设计是否符合设计的要求，是否能实现预期的效果，如果没有达到要求，需改变软件和硬件。
5.1软件调试
本设计软件调试主要采用Proteus软件进行调试，这与Proteus软件自身优良的仿真特性离不开。所设计的程序能用于Proteus中，完成仿真过程的同时，即基本验证所设计程序的准确性，从而完成系统开发中的控制程序的设计部分。对于本次设计软件调试我们需要注意：
（1） 四相八拍步进电机是否能正常启动、运行、加减速。
（2） LED/LCD显示器是否能按照设计要求进显示。
（3） 按键模块是否能设计合理，能否有效的控制电机。
（4） 电机能否实现自动加、减速。
（5） 电机的转速上限、下限设定是否满足电机的要求。
（6） 在测速模块，所采用的运算是否准确。
通过Proteus软件的仿真，所编写的程序达到了预期的效果，仿真实现了程序软件调试过程。如图是LCD软件调试结果。

图5.1软件仿真图
5.2硬件调试
硬件调试就把本设计的程序下载到实物硬件中，连接电路。为了防止硬件的损坏，在硬件上电之前进行电路检查，包括：对芯片的焊接方向进行检查，对芯片的引脚进行短路和短路检查。在经过上述检查没有任何问题的情况下，进行上电，上电后查看电机是否正常运转，能实现设计所要求功能，如若不能，断电检查电路连接问题。本设计硬件调试需要注意的：
（1） 上电后电机按照最低转速5/s运行，最高转速能否按照25/s运行。
（2） 按正、反转按键电机能否实现其功能。
（3） 按加、减速按键电机能否实现加减速。
（4） 当电机设定某一转速运行时，电机能能否实现自动加、减速。
（5） 测速模块是否测量精准。
（6） 当电机达到一定转速时，电机是否会失步。
（7） LCD/LED显示能否显示准确，不会出现乱码。
综上所述，设计符合要求，显示符合要求，测速精确。具体的实物调试如图。

图5.2硬件调试图
5.3总结
通过这次为期五个星期的智能仪器的课程设计。终于完成了基于单片机设计—搅拌机(步进电机)调速控制系统软硬件的研究和设计。通过这次设计，加深对单片机控制系统的了解。将所学的理论知识应用到实践中。
在这次课程设计，虽然我们每个都有明确的分工，但是我们整体是一个团队，在这个团队中每个人负责的部分都是重要的，他关系这整个设计的成败。这是我们在团队意识方面有了很强团结精神，从一开始的查阅资料到最后硬件的调试，都需要大家进行讨论，进行协商，确定最终的方案。这是个相互学习的过程。
通过系统的设计实现了预期的设计目标，完成了全部的设计任务，具体功能如下：完成了整个系统的硬件设计和软件编程，能通过键盘电路控制步进电机的转速控制，能实现启动、正转、反转、加速、减速控制，实现转速最低5转/秒，最高转速25转/秒；通过编程实现了通过单片机能输出四相八拍的脉冲控制序列控制步进电机，并通过LCD/LED显示。这次设计仿真我们用到了仿真软件Proteus7和编译软件keil4.0，这给我们的设计进步有了很大的帮助，也使我对这俩个软件更熟练的掌握。
最后感谢老师这么长时间的指导！

参考文献
[1] 孙传友,孙晓斌,张一. 感测技术与系统设计[M].北京：科学出版社，2004.
[2] 徐科军.传