【文章內(nèi)容簡介】 應(yīng)的控制信號由單片機來產(chǎn)生，根據(jù)需要通過鍵盤輸入電機的轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)動速率及運行轉(zhuǎn)數(shù)，并通過LCD顯示屏將電動機各種設(shè)置信息及運行狀態(tài)實時顯示，當各參數(shù)設(shè)置完畢時按下啟動鍵，使步進電機按要求進行工作。所以軟件部分共有4大模塊組成：系統(tǒng)監(jiān)控，鍵盤識別處理，LCD顯示程序，控制信號產(chǎn)生程序。本控制系統(tǒng)完全采用軟件的方式，按照給定的通電換向順序，通過單片機的I/O口向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖?？刂葡到y(tǒng)總流程圖如圖51所示。圖51 控制系統(tǒng)總流程圖在系統(tǒng)監(jiān)控中，應(yīng)完成系統(tǒng)的啟動，進行鍵盤掃描，得到相應(yīng)鍵值，完成對步進電機轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速，運行轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，使設(shè)置參數(shù)在LCD顯示屏動態(tài)顯示出來，并使步進電機按照要求進行工作。該模塊的流程圖如圖52所示。圖52 系統(tǒng)監(jiān)控模塊流程圖為增加控制的靈活性，鍵盤輸入數(shù)據(jù)及確認命令，啟動命令均采用中斷的方式實現(xiàn)。所以系統(tǒng)監(jiān)控模塊只完成對系統(tǒng)的初始化設(shè)置，通過鍵盤中斷，實現(xiàn)鍵盤掃描及處理程序的跳轉(zhuǎn)。 步進電機轉(zhuǎn)速模塊本步進電動機轉(zhuǎn)速設(shè)置共分為三個檔次，其中一檔為100轉(zhuǎn)/分，二檔為150轉(zhuǎn)/分，三檔為200轉(zhuǎn)/分，只用一個按鍵來實現(xiàn)各轉(zhuǎn)速之間的切換。步進電機的轉(zhuǎn)速是有單片機內(nèi)部定時器TMR0的中斷頻率決定的，改變定時器的裝載初值和分頻比就可以改變電機的運轉(zhuǎn)速度。因此當轉(zhuǎn)速檔次設(shè)置完畢后，相應(yīng)的定時初值和預(yù)分頻設(shè)置就會通過相應(yīng)子程序進行裝入，從而控制電機的運轉(zhuǎn)速率。 鍵盤識別處理模塊本模塊主要完成對按鍵的掃描識別，并對相應(yīng)的電機標志位進行置位，以保證系統(tǒng)監(jiān)控模塊的順利執(zhí)行。對PIC單片機進行初始化后由其掃描鍵盤，鍵盤消除抖動及控制，得到輸入的數(shù)據(jù)或命令，并通過INT中斷與單片機進行信息交換，單片機根據(jù)得到的不同信息執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，同時將處理結(jié)果送PIC單片機由其完成數(shù)據(jù)顯示的管理和LCD顯示屏的控制，顯示步進電動機的各種控制信息。該模塊的軟件流程圖如圖53所示。圖53 鍵盤識別處理軟件流程圖 LCD顯示模塊流程圖本模塊是采用將金鵬C系列的LCD顯示屏的所有驅(qū)動程序都以子程序的方式寫在一個C文件中，在需要時直接調(diào)用相應(yīng)子程序即可。本模塊采用并行通信，至少占有11個I/O口，并不涉及中斷。本控制系統(tǒng)軟件部分共用到字符模式清屏子程序LCD_clear(void)、打印字符子程序LCD_printer(unsigned char, unsigned char, unsigned char*)、黑屏待機子程序LCD_black(void)。（上述子程序名稱皆由用戶定義）根據(jù)LCD液晶顯示模塊與單片機接口的硬件電路和液晶顯示模塊的讀寫流程設(shè)計出液晶顯示模塊的軟件流程圖如圖54所示。在PIC單片機上電復(fù)位后，進行系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，液晶顯示模塊初始化后，PIC單片機對液晶顯示模塊OCMJ48C進行指令數(shù)據(jù)寫操作和讀數(shù)據(jù)操作。圖54 液晶顯示模塊的軟件流程圖 控制信號產(chǎn)生模塊本模塊主要是單片機根據(jù)步進電機的型號和鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖控制信號并由RA端口的RARARARA5的四個引腳輸出。RA端口的數(shù)據(jù)格式與步進電機的型號有關(guān)。步進電機有單拍、雙拍和多拍三種工作方式，由于本控制系統(tǒng)所應(yīng)用的步進電機為兩相步進電機，又經(jīng)實驗測定證明該步進電機在雙四拍工作方式下工作特性較好，因此在本系統(tǒng)中步進電機的工作方式為兩相四拍。這里列出KP39HM2025型步進電機在兩相四拍工作方式下的正向與反向勵磁方式，如表51，52所示。表51 PIC單片機RA端口引腳數(shù)據(jù)與步進電機（正向）勵磁方式對照勵磁方式勵磁相RA1RA5RA3RA2兩相四拍正向AB1010A(B)1001(A)(B)0101(A)B0110表52 PIC單片機RA端口引腳數(shù)據(jù)與步進電機（反向）勵磁方式對照勵磁方式勵磁相RA1RA5RA3RA2兩相四拍反向AB1010(A)B0110(A)(B)0101A(B)1001此處以步進電機在兩相四拍工作方式下正向勵磁為例，來說明單片機是如何發(fā)送脈沖對步進電機進行控制的，其處理程序如下。步進電動機反向勵磁與正向相似。該程序中A、NA、B、NB分別代表步進電機的A相、A非相、B相、B非相信號所連接的單片機引腳。 系統(tǒng)中斷模塊本系統(tǒng)中斷分為外部INT中斷和內(nèi)部定時器TMR0中斷。外部INT中斷已在第三節(jié)鍵盤處理模塊中詳細講述，由于步進電動機控制信號的頻率是由TMR0溢出中斷的定時初值和分頻比決定的，這里著重講述內(nèi)部定時器TMR0中斷。內(nèi)部定時器TMR0中斷服務(wù)程序流程框圖如圖55所示 圖55 內(nèi)部定時器TMR0中斷服務(wù)流程圖內(nèi)部定時器中斷主要是利用單片機的內(nèi)部定時器的TMR0模塊（8位計數(shù)方式）產(chǎn)生不同周期的定時信號，每次中斷都給步進電機兩個繞組一次脈沖，使得步進電機轉(zhuǎn)動一個節(jié)拍，因此步進電機的轉(zhuǎn)速是由單片機內(nèi)部定時器的中斷頻率來決定的，在不改變分頻器分頻比的情況下，不斷改變定時器的裝載初值就可改變電機的運轉(zhuǎn)速度。由于在不改變分頻比的情況下，定時器的定時范圍是有限的，并不能取到控制系統(tǒng)所想要的所有的控制信號頻率。因此為了使控制系統(tǒng)的運行盡可能精確，減小運行誤差，我們需要在每次進入中斷之前重新設(shè)置分頻比，通過改變上述兩個參數(shù)來改變電機的運轉(zhuǎn)速度，將會使步進電機盡可能接近理想轉(zhuǎn)速，以達到精確控制的目的。通過定時器中斷的方法產(chǎn)生硬件延時的效果，只需調(diào)整定時器的定時常數(shù)就可以實現(xiàn)調(diào)速。這種方法占用CPU時間較少，利用PIC單片機可以達到精確控制步進電機轉(zhuǎn)速的目的，是一種比較實用的調(diào)速方法。 步進電機加減速模塊在第一章控制系統(tǒng)實現(xiàn)原理中已對步進電機的加減速原理作過詳細的闡述，而且確定了本控制系統(tǒng)是以勻加減方法即直線規(guī)律來實現(xiàn)步進電機的加減速。本控制系統(tǒng)的加減速曲線如圖56所示。圖56 控制系統(tǒng)的加減速曲線本控制系統(tǒng)利用單片機控制步進電機加減速時，采用的是定時器中斷方式，實際上是改變定時器裝載值的大小，這在前面已經(jīng)說明。在加減速的控制過程中，不一定每步都計算定時器重裝值，可以采用階梯曲線來逼近加減速曲線如圖57所示。在加速過程中，速度不是連續(xù)變化，而是分檔變化，為了與要求的加速頻率相逼近，必須確定每個階段上的運行時間△t。時間△t越小，加速越快，反之越慢。程序執(zhí)行過程中，每次速度升一檔，都要計算這個臺階應(yīng)走的步數(shù)，然后以遞減方式檢查，當減至零時，該檔速度運行完畢，升入又一檔速度[15]。電機在加速過程中，對加速總步數(shù)進行遞減操作，當減至零時加速過程結(jié)束，轉(zhuǎn)入勻速運轉(zhuǎn)過程。減速過程的規(guī)律與加速相同只是按相反的順序進行。在此過程中，時間△t是通過一定的數(shù)學(xué)運算獲得的，由于PIC8位單片機的數(shù)學(xué)運算能力有限，建議使用數(shù)組的形式將各間隔時間作為常量事先存儲在單片機中，需要時直接調(diào)用即可。圖57 步進電機的加減速曲線在本控制系統(tǒng)中，軟件實現(xiàn)的方法是通過不斷修改定時器TMR0初值來實現(xiàn)的。首先應(yīng)根據(jù)輸出總脈沖數(shù)確定加速，恒速和減速的時間并確定下一的時間值，并將定時器的初值送給定時器TMR0，從電機啟動瞬間開始，每產(chǎn)生一個脈沖，通過查詢數(shù)組定時器初值增加某一定值，則相應(yīng)的脈沖周期減少，即脈沖頻率增加；若定時器初值逐步減少，則相應(yīng)的脈沖周期增加，即脈沖頻率減少。單片機控制步進電機加減速的軟件流程圖如圖58所示。圖58 步進電機加減速軟件流程圖（中斷部分）結(jié)論單片機控制系統(tǒng)設(shè)計的趨勢為單片化，即盡量發(fā)揮單片機的功效，使用盡量少的元器件與連線來構(gòu)成硬件，通過軟件來實現(xiàn)盡量多的功能。我們設(shè)計的步進電機控制系統(tǒng)大量使用了同步并行總線，簡化了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時使用模塊化設(shè)計思想提高了軟件的聚合度，利用按鍵進行設(shè)置以及LCD顯示屏及時顯示，實現(xiàn)了軟件編寫簡單，系統(tǒng)直觀易用，突出了在設(shè)計時的簡單、易用、實用性強的原則。由于該系統(tǒng)是用于作為控制步進電機的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速等各種狀態(tài)，所以在實際應(yīng)用中還有很多需要完善的地方。雖然真正的高精度的步進電機控制系統(tǒng)是相當復(fù)雜的，但是我們制作的控制系統(tǒng)作為原理性的說明已經(jīng)足夠了。通過對步進電機工作參數(shù)設(shè)置，LCD顯示，加減速控制等功能的實現(xiàn)，我們完成了對單片機控制步進電機的原理剖析，對步進電機加減速技術(shù)有了一定了解，加深了對PIC單片機應(yīng)用的認識，掌握了基于單片機的編程思想，為日后走向工作崗位積累了軟件開發(fā)設(shè)計及硬件制作方面的寶貴經(jīng)驗。致謝 感謝耿老師，他那嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗永遠是我現(xiàn)在以及今后學(xué)習(xí)的榜樣。在這次畢業(yè)設(shè)計中，老師總是能為我耐心、細心地解答疑問，之處不足之處，并給我提出了很多的設(shè)計思想和技巧，使我的畢業(yè)設(shè)計能夠圓滿的完成。同時，我也學(xué)到了很多新的理論知識和實踐經(jīng)驗。最后，向各位和我一樣面臨就業(yè)或考研壓力卻對我的畢業(yè)設(shè)計有所幫助的同學(xué)們表示衷心的感謝，同時也特別感謝學(xué)院和學(xué)校對我們畢業(yè)設(shè)計的大力支持。參考文獻[1] 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