基于单片机的步进电机运动控制系统的研发样本.doc
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1、摘 要 随着数字电子计算机广泛应用,单片机应用也已进一步到了社会领域各个方面。为此选本次毕业设计课题为:基于P89C668单片机步进电机运动控制系统研发,P89C668单片机属于Philips增强型8051系列。本设计是运用单片机来控制步进电机运转,通过键扫描,程序控制来实现步进电机起、停,正、反转,加、减速运动状态。本次设计应用到开发工具是:Protel DXP和uVision2,本系统是应用汇编语言进行控制。正文中一方面简朴描述了课题背景,开发环境和需要完毕功能;接着简介了系统方案设计,其中涉及硬件选型和开发工具两某些,阐述了本次毕业设计所应用各种设备功能及其工作过程,此某些为系统硬件设计
2、做作准备;最后详细简介了系统硬件设计,附有相应电路图,并给出了系统硬件设计总图。在正文中还简朴描述了增强型8051单片机电路接口硬件调试。核心词:单片机,步进电机,8051ABSTRACTAlong with the digital computer widespread application,the monolithic integrated circuit application also thoroughly arrived social domain each aspect,For this anthology graduation project topic is:Based on
3、 the P89C668 Single chip Microcomputer. Stepping Motor movement control system research and development,the P89C668 Single chip Microcomputer belongs to Philips the enhancement 8051 series. This design is controls a Stepping Motor revolution using Single chip Microcomputer,through the key scanning,t
4、he procedure control realizes Stepping Motor stops,the reverse,adds the state of motion which,decelerates,This design applies the development kit is Proter DXP andVision2,this system carries on the control using the assembly language.In the main text first simply described the topic background,the f
5、unction which the development environment and needs to complete;Then introduced the system plan design,including the hardware shaping and its the work process which this graduation project applies,this part for system hardware design,attaches the corresponding circuit diagram,and has produced the sy
6、stem hardware design assembly drawing. Also simply described the enhancement 8051 Single chip Microcomputer electric circuit connections hardware debugging in the main text.Keyword:Single chip Microcomputer,Stepping Motor,8051前 言本次毕业设计课题是基于P89C668步进电机运动控制系统设计,在设计阶段,对三极管,二极管,电阻,电容,发光二极管,P89C系列单片机,光电隔
7、离器,步进电动机驱动器等元器件有了比较好理解,并拟定了相应总系统设计。 在本次设计过程中,掌握了基本集成电路基本分类办法和功能查找办法,以及工作特性,掌握了实验开发板基本用法,掌握了固件开发集成环境Vision基本用法,对Protel DXP使用有了较好掌握,学会了实验开发板在线调试办法等,本设计可分为硬件设计,软件设计两个重要某些。其中,硬件某些,是对单片机做选型和解决步进电动机选用。对8031和P89C668两种单片机做了分析比较,拟定了使用:P89C668单片机。软件某些结合本设计特点和自己实际状况,用汇编语言完毕软件某些程序设计,并结合硬件进行了调试。 设计自身就是一项辛苦又有趣,并且
8、可以调动积极性活动。通过这次设计,使我学到了诸多新知识,使我把此前学习关于电子、控制以及单片机等课程知识加以综合运用。这次设计让我结识很深。第一章 绪论1.1 课题背景 步进电动机是一种能完毕增量运动电磁机械,它将输入数字脉冲信号转换成电机转轴输出角度。在开环方式下,步进电机输出步数总是和输入指令脉冲数相等,每个脉冲都使电机转轴迈进一种步进角,并依托它特有定位转矩将转轴精确地锁定在相应步距位置。但是,在开环控制方式下,步进电动机速度控制有着较大难度:在高速运营时,电机易丢失输入脉冲,导致失步;在低速时,步进电动机转速响应有较大波动,运营不平稳;特别是当电机负载变化时,电机转速波动更大,调节更不
9、容易。当输入脉冲频率很低时,步进电机转子就处在步进运营状态, 由于步进电机具备迅速启动和停止能力,它步距角和转速仅与脉冲频率关于而不受电压波动和负载变化影响,也不受环境条件影响,在不丢步状况下运营,其步距误差不会长期积累正是由于上述长处,它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件同步随着近年来大规模集成电路发展以及各种单片机迅速发展和普及,运用单片机与集成电路来控制步进电机不但灵活、以便、易于实现,并且它还具备成本低特点 步进电动机是本次毕业设计需要设计一种很重要元件,而单片机在本次毕业设计中也是一种需要解决十分重要元件。当前对单片机发展状况作相应简介: 1976年,首例4位8048微控制器
10、问世,1980年,首例8位MCS一51微控制器问世,掀起第一次嵌入式浪潮,各个微电子公司竞相研制自己微控制器。来老式微控制器更新,归纳如下几种方面: 1微控制器CPU仍以CISC(复杂指令集系统)为主,但向RISC(简朴指令集系统)演化。 2提高指令执行速度 提高8位振荡器频率或减少每机器周期包括振荡周期数,都可以提高指令执行速度,如Philips公司把12MHz805l从每机器周期所含振荡器周期数由12改为6,获得2倍速,因而,提高8位微控制器工作频率已经受到普遍注重。 3集成大容量片上FLASH存储器,实现ISP、IAP 近几年,8位微控制器竞相采用FLASH存储器,已成趋势,由于它集成密
11、度高、价格便宜、技术先进、可以取代PROM、EPROM、0TP和EEPROM等。Philips公司推出兼容于8051P89C668单片机是具备32KB64KB FLASH芯片,由于片上集成了1KB引导和擦除烧录取ROM固件,因此可以更好地支持ISP和IAP,顺便指出,P89C668还增长了片上RAM,最多到8KB。 4普遍使用混合信号集成技术 用CMOS工艺将数字和模仿电路集成于一种片上技术已经成熟,有力削减了片外附加器件,提高了性能并缩短了产品上市时间。 5增长可联网外设接口 当前,大量独立键盘,小型掌上电脑也使用了MCS一51系列83C51。因而规定将内嵌8位微控制器地设备接入Intern
12、et地呼声渐高。 6追求低电压、低功率、低价位、PLC(少腿芯片) 减少工作电压无疑可以成平方地减少功率,因此开始浮现多电压供电微控制器,CPU某些工作于15V25V,而I0口工作于33V5V。为实现低功耗,应尽量将片外器件集成于一种片上,这样便于一同暂停,一同休眠或某些运营。 当代(即第二代)嵌入式微控制器,主流状况如下: 1DSP与MPU相结合,协助解决网络与多媒体所需实时解决高速运算问题,DSP进入今日嵌入式芯核,与MPU构成芯核左右脑。 2今日嵌入式芯核MPU多是RISC构造,取其特有高速度,低能耗,小尺寸,低价位特点。 332位RISCDSP,双核构导致为今日嵌入式芯片主流形式。新一
13、轮32位嵌入式应用兴起,8位微解决器和32位微解决器相辅相成结合,构成了五彩斑斓实际应用系统。同步,也阐明了805l系列单片机软硬件机构至今仍有生命力,借助于操作系统威力,805l系列单片机仍可以继续在嵌入式系统发挥更大作用。8位微控制器因其价廉,指令短,易于开发使用,加上嵌入式C语言普及,片上FLASH存储采用和各种各样集成,将持续受到普遍欢迎。当今,8051系列单片机已经是一种在特性上与其她系列有较大差别,由不同厂家生产,各种型号芯片构成单片机人们庭,805l系列各种芯片超过了400种。Philips是最早获得MCS-5l技术授权公司,也是后继发展805l产品最多、最系统公司。该公司805
14、l增强核集中反映了最新技术对MCS-51核全面提高。在此基本上集中生产了3个基本系列主干产品,即:P89C51x252X54X258X2与P89C60X261x2系列(完全以8051增强核为基本);P89CRA2RB2RCRD2(增强+PCA)和P89C660662664668(8051增强核+PCA+I2C)。Philips公司单片机功能多,品种齐全,其中增强型8051系列功能更为强大,因而本课题拟采用该公司P89C668单片机作为控制芯片。1.2 课题研究意义 毕业设计是大学教学中重要环节,是大学生能力培养重要手段。是对基本知识和专业知识一次综合性考查,是大学生进入社会前一次提前练兵,对大
15、学生将来生活和工作起到非常重要作用。 本次设计课题是基于P89C668单片机步进电机运动控制系统研发。涉及系统方案设计,开发工具开发环境应用,系统硬件电路设计,系统软件设计四大某些。系统方案设计涉及总体方案设计和细节某些方案设计;本次设计用到开发工具是Protel DXP和Vision2;系统硬件设计涉及键盘和显示电路硬件设计,步进电机驱动电路设计;系统软件设计涉及键盘和显示电路软件设计,步进电机驱动电路软件设计等内容。详细详细内容在后来各章节中会一一详细简介。 在设计准备阶段,做了大量准备工作,认真学习了二极管,三极管作用,性能,极性辩识;电阻标记与辩识办法;电容标记与辩识办法,电容极性判断
16、;对集成电路基本分类,功能和不同集成电路工作特性有了比较全面理解。对万用表使用有了更好掌握;对Philips8051系列单片机有了比较全面理解,其中对P89(;668单片机有了全面掌握,为咱们设计工作奠定了坚实基本;步进电动机也是这次设计重要元件之一,因而对它工作原理和工作特性有了比较全面掌握。在本次设计中,咱们运用Protel DXP和 Vision2分别完毕硬件电路图绘制和程序调试工作。本设计还用到LED发光二极管,光电隔离器TLP521-4,驱动器ULNA等元器件。1.3 论文完毕任务 本设计重要完毕运用P89C668单片机通过软件和按键扫描来实现步进电动机起停、加减速、以及正反转控制。
17、并附以发光二极管来显示步进电动机各种运动状态。 本设计一方面进行了系统方案设计,涉及硬件选型和开发工具两大某些。硬件选型中重要简介了步进电动机特点,工作原理;P89C668单片机基本性能,特点和重点功能描述。开发工具重要简介了Vision功能和Protel DXF功能,用法。接着也就是第三章,是本设计重点:系统硬件电路设计,均给出了各功能电路原理图。重要涉及ISP功能电路设计,键盘和显示电路设计,步进电动机驱动电路设计和系统硬件电路设计总图。第四章是系统软件设计实现,简介了各功能模块作用,给出了系统软件构造框图和流程图。在正文背面带有附录,里面附有中英文对照和系统软件程序代码。第二章 系统方案
18、设计2.1 概述随着工业水平提高,市场竞争激烈,人民需求巨大变化,各行各业对其自己产品质量规定也更加严格,提高生产效率,扩大产品原材料来源,减少生产成本也是生产厂家非常注重方面。而生产效率提高,就必要在改进生产设备上来实现。对于制造行业来说更是如此,于是基于P89C668单片机步进电动机运动控制系统研发就成了本次毕业设计课题。2.2硬件选型 本设计硬件选型涉及步进电动机选型和P89C668单片机选型,现对它们特点和功能分别描述如下。2.2.1步进电动机一、步进电动机简介 步进电机作为执行元件,是机电一体化核心产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术发展,步进电机需求量与
19、同俱增,在各个国民经济领域均有应用。 步进电机又称电脉冲马达,它是将电脉冲信号转换成机械角位移执行元件。其特点是:转子角位移大小及转速分别与输入电脉冲数及其频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步,因而可以通过变化输入电脉冲频率来实现调速:由于其转轴输出角位移量与输入脉冲数成正比,于是可以通过控制脉冲个数来控制步进电动机角位移量。步进电动机有助于装置或设备小型化和低成本,并且很容易用微机实现数字控制。因而,广泛应用于众多领域中并得以不断发展,并实现机电一体化和自动化。 随着混合式步进电机产生和应用,其输出功率和力矩不断增长,成本与价格却不断减少,为步进电机推广应用打下了良好基本。步进电动机应用领域
20、十分广泛,在机械、冶金、电力、电子、仪表、轻工,以至医疗、印刷等行业均有使用。例如:计算机外设、办公自动化中打印机、传真机送纸机构、数控机床,记数批示装置,阀门控制,纺织机,等均有应用。普通都用在工作难度较高,工作条件较差,或规定速度快、精度高场合。随着大功率器件品质提高,步进系统正在稳步进入普通功率甚至大功率工业领域。 二、步进电动机特点 步进电动机具备转矩大,惯性小,响应频率高长处。此外尚有如下特点: 1步进电机工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压波动、电流大小不波形变化、温度动)影响,只要在她们大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前,就不影响其正常工作; 2步进电机步距角有误差,转子转
21、过一定步数后来也会浮现合计误差,但转子转过一转后来,其合计误差为“零”,不会长期积累,因而输出转角或位移精度高; 3控制性能好。在起动、停止、反转时不易“丢步”。步进电动机普通不用反馈就能对位移或速度进行精准控制,因而被广泛应用于开环构造(有时也在闭环机电控制系统中应用)机电一体化系统中,使系统简化,并可靠地获得较高位置精度。 4采用直接数字控制性能好。步进电机是依照脉冲个数决定旋转角度,单片机只需记住脉冲个数就能计算出电机旋转角度,从而计算出被控对象行进距离。省去了路程检测模块,从而简化了设计。出于可以用数字信号直接控制,因而很容易与微型机算计相连接实现机电一体化控制。步进电机特性:优 点缺
22、 点不需要反馈控制,电路简朴效率低容易与微型机算计连接容易引起失步停止时有保持转矩有时发生震荡现象维护以便,价格便宜5步进电动机具备白锁能力(变磁阻式)和保持转距(永磁式)。6步进电动机动念H向应快,易于起停、证反转及变速。 速度可在相称宽范畴内平滑调节,低速状况下仍能保证获得很大转矩,因而普通运用不用减速器而直接驱动负载。步进电动机只能通过脉冲电源供电才干运营,它不能直接使用交流电源和直流电源。步进电动机存在振荡和失步现象,必要对控制系统和机械负载采用响应办法。 三、步进电机工作原理分析 步进电机重要是有定子和转子构成。定子重要构造是绕组,三相、四相、五相步进电机分别有3个、4个、5个绕组,
23、其她依此类推。绕组按一定通电顺序工作,这个通电顺序称为“相序”。转子重要构造是磁性转轴,当定子中绕组在相序信号作用下有规律通电、断电工作时,转子周边就会有一种按此规律变化电磁场,因而一种按规律变化电磁力就会作用在转子上,转子总是力图转动到磁阻最小位置,正是这样,使得转子按一定步距角转动,使转子发生转动。 步进电动机工作状态由控制信号实现,在步进电动机单片机控制中,控制信号由单片机产生,其基本控制方式如下: 1相序控制方式 步进电动机通电换相顺序严格按照步进电动机工作方式进行,普通咱们是把通电换相这一过程称为脉冲分派。现以四相步进电动机为例分析四相步进电动机工作方式: 四相步进电动机工作方式有三
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