【正文】 步進電機控制系統(tǒng)功能設(shè)計 軟件主要功能是單片機根據(jù)設(shè)定的步數(shù)，實現(xiàn)步進電機的自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所設(shè)定的步數(shù)，并通過數(shù)碼管和 LED 顯示步進電機的運行參數(shù)。其具體功能如下： 按正轉(zhuǎn)按鍵時，步進電機正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時，步進電機反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時，步進電機步進電機停止運行；通過鍵盤可輸入所需要運行的步數(shù)，輸入的步數(shù)的范圍為 0— 9999 步，當輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動按鍵步進電機開始 運行，同時數(shù)碼管顯示所需要運行的步數(shù)并通過 LED 顯示步進電機的運行狀態(tài)。單片機根據(jù)所輸入的步數(shù)判斷是否需要進行加速啟動，當輸入的步數(shù)小于 100時，步進電機以最低速度 25 r/min 運行。當輸入的步數(shù)大于 100 時，步進電機從最低速度 25 r/min 開始加速運行，當加速到 99 r/min 時步數(shù)仍大于 100 時，步進電機以設(shè)定的最大速度 99 r/min 恒速運行，當步數(shù)小于 100 時，步進電機開始減速，減速到 25 r/min 時，步進電機以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速 25 r/min 走完所規(guī)定的步數(shù)。當步數(shù)為 0 時，步進電機停止運行。輸 入步數(shù)大于 100 時的調(diào)速過哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 34 程如圖 所示。 圖 變速控制中轉(zhuǎn)速與步長之間的關(guān)系 主程序設(shè)計 主程序工作過程 （ 1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化包括定時器 T0 初始化，步進電機工作狀態(tài)的初始化。步進電機的初始化狀態(tài)為停止、正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示步數(shù)為 0。 （ 2）鍵盤掃描及按鍵處理。判斷是否有按鍵按下，若有則進行按鍵處理。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動按鍵，停止按鍵，正轉(zhuǎn)按鍵，反轉(zhuǎn)按鍵、復位按鍵等功能按鍵。 （ 3）系統(tǒng)啟動。單片機讀取開關(guān)狀態(tài)標志，判斷是否啟動系統(tǒng)。 （ 4）定時器 T0 啟動 。 T0 的中斷服務(wù)程序主要用于根據(jù)步數(shù)，產(chǎn)生一個頻率可以改變的脈沖信號，調(diào)節(jié)步進電機的加減速過程。 （ 5）調(diào)速。根據(jù)輸入的步數(shù)判斷是否需要進行調(diào)速，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)。 （ 6）步數(shù)為 0 判斷。判斷是否已經(jīng)走完所設(shè)定的步數(shù)，若步數(shù)為 0，則單片機停止產(chǎn)生脈沖信號，讓步進電機停止轉(zhuǎn)動，即 T0 停止計數(shù)。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 35 主程序工作流程圖 主程序工作流程圖如圖 所示。在圖中簡單的反映出了整個控制系統(tǒng)的主程序工作流程。 定時器 T0 中斷程序流程圖 T0 中斷流程圖如圖 所示。 T0 中斷程序的主 要功能是能根據(jù)設(shè)定的步數(shù)產(chǎn)生一個頻率可調(diào)的脈沖信號，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)速，并將調(diào)速范圍控制在 25～ 99 r/min。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 36 初 始 化開 始鍵 盤 掃 描 程 序有 按 鍵 按 下 ？ 按 鍵 處 理 程 序讀 入 開 關(guān) 狀 態(tài)是 否 復 位 ？是 否 啟 動 ？啟 動 定 時 器 T 0NYYNNYT 0 停 止 計 數(shù)正 轉(zhuǎn) ？P 0 . 1 = 0 P 0 . 1 = 1NY 圖 主程序流程圖 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 37 由 s p e e d f l a g 求 定時 初 值重 裝 定 時 初 值步 數(shù) 減 1 程 序步 數(shù) 顯 示 程 序步 數(shù) 為 0 ?步 數(shù) 大 于 1 0 0 ?s p e e d f l a g 加1 r / m i ns p e e d f l a g 大 于9 9 r / m i n ?s p e e d f l a g 為計 算 值中 斷 返 回T 0 停 止計 數(shù)s p e e d f l a g 減 1 r / m i ns p e e d f l a g 小 于2 5 r / m i n ?s p e e d f l a g 為計 算 值s p e e d f l a g = 2 5 r / m i nT 0 中 斷 服 務(wù) 程 序s p e e d f l a g = 9 9 r / m i nYNYNNY YN一 個 周 期 ？NY 圖 T0 中斷服務(wù)程序流程圖 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 38 Proteus 仿真 由于 Proteus 軟件本身優(yōu)良的仿真特性，所設(shè)計的程序能用于 Proteus 中，完成仿真過程的同時，即基本驗證所設(shè)計程序的準確性，從而完成系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序的設(shè)計部分。 Proteus 仿 真步進電機的界面如圖 所示 【 16】 。 圖 Proteus 仿真界面 為了防止步進電機啟動時發(fā)生失步，需要先以一個比較低的頻率啟動，用Proteus 仿真步進電機啟動過程可以看到單片機的 產(chǎn)生一個頻率逐漸變大的脈沖信號，啟動時的脈沖信號如圖 所示。只要剩余的步數(shù)是大于 100，單片機產(chǎn)生的脈沖信號的頻率就會不斷的變大，直到脈沖頻率為設(shè)定的最大值，步進電機就會以恒速運行，這時脈沖頻率如圖 所示。 通過 Proteus 軟件的仿真，所編寫的程序達到了預期的效果，仿真實現(xiàn)了程序的調(diào)試過程。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 39 圖 啟停時的脈沖頻率 圖 高恒速運行時脈沖頻率 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 40 顯示程序設(shè)計 單片機與顯示電路的接法一般有如下兩種方法： （ 1）串行接法： 設(shè)計中要顯示 4 位數(shù)字，用 74LS164 作為顯示驅(qū)動，其中 74LS164 帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約 I/O 口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 （ 2） 并行接法 ： 使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用 I/O 口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 由于設(shè)計中用一塊單片機進行控制，資源有限， 故使用串行接法 。另外，74LS164 自帶 鎖存 ， 起到節(jié)約 I/O 口 資源的作用。 當串行口工作在方式 0 時，串行移位脈沖 CLOCK 從 TXD 引腳輸出，頻率是系統(tǒng)時鐘頻率 fosc 的 12 分頻（在“ 6 時鐘 /機器周期”模式下，移位脈沖頻率是時鐘頻率 fosc 的 6 分頻）；而 8 位的串行數(shù)據(jù)從 RXD 引腳輸出。在發(fā)送中斷標志 TI 為 0（即無效）的情況下，執(zhí)行寫串行數(shù)據(jù)輸出緩沖器 SBUF 指令即可將 SBUF 寄存器中的內(nèi)容由低位到高位依次輸出到 RXD 引腳，同時 TXD引腳輸出移位脈沖，使外接的“串入并出”芯片逐一接受來自 RXD 引腳上的串行數(shù)據(jù)。當 8 位數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，發(fā)送中斷標志 TI 自動置 1，輸出數(shù)據(jù)（即SBUF 寄存器的內(nèi)容）也就出現(xiàn)在 74LS164 芯片的并行輸出端。這樣在執(zhí)行寫SBUF 寄存器操作后，通過查詢 TI 標志來確定發(fā)送過程是否完成，當發(fā)送完成后需要將 TI 清零，以便輸出新的串行數(shù)據(jù) 【 17】 。 本程序?qū)⒉綌?shù)存放在一個一維數(shù)組 dispbuf[]中，將其作為顯示緩沖區(qū)，個位在前，千位在后。顯示程序只需要將數(shù)組中的內(nèi)容一個個送入 SBUF 寄存器中，就可以實現(xiàn)步數(shù)的顯示。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 41 鍵盤程序設(shè)計 鍵盤的控制方式一般有程控掃描法、定時掃描法和中斷掃描法，本程序采用程序掃描法編程。此模塊的功能是判斷是否有鍵按下，沒有按鍵按下則去執(zhí)行其他程序，有鍵 按下則延時去抖動，返回鍵值，送鍵值給按鍵處理函數(shù)，再根據(jù)鍵值執(zhí)行相應的功能，系統(tǒng)有 15 個按鍵，分別數(shù)字鍵、啟動鍵、停止鍵、正轉(zhuǎn)鍵、反轉(zhuǎn)鍵、復位鍵。由于系統(tǒng)所需的按鍵數(shù)較多，為減少鍵盤電路占用I/O 引腳數(shù)目，故采用矩陣鍵盤。本程序采用行、列對應的二進制碼來確定按鍵功能，例如讓 P1 輸出 0FEH，如果第一按鍵按下時， 與 交叉點對應的鍵碼為 0EEH，第二個按鍵為 0DEH，第三個按鍵為 0BEH，第四個按鍵為7EH。通過查詢 P1 口的狀態(tài)就可以確定哪個按鍵按下，確定按鍵按下后再進行相應的功能處理即可。其它按 鍵編碼及功能定義如表 所示。 表 按鍵的功能與相應鍵碼的定義 鍵號 功能 鍵碼 0 0 0EEH 1 1 0DEH 2 2 0BEH 3 3 7EH 4 4 0EDH 5 5 0DDH 6 6 0BDH 7 7 7DH 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 42 8 8 0EBH 9 9 0DBH 10 啟動 0BBH 11 停止 7BH 12 正轉(zhuǎn) 0E7H 13 反轉(zhuǎn) 0D7H 14 復位 0B7H 15 未定義 77H 按鍵功能說明：本程序的數(shù)字按鍵用于設(shè)定步進電機的運行步數(shù)；啟動停止按鍵用于控制步進 電機的啟動與停止；正反轉(zhuǎn)按鍵用于控制步進電機的正反轉(zhuǎn)；復位按鍵用于當輸入?yún)?shù)有誤時，可通過復位按鍵重新輸入?yún)?shù)。 調(diào)速程序設(shè)計 20BY 步進電機參數(shù) 表 20 BY 步進電機參數(shù) 工作電壓 步距角 工作力矩 最大靜電流 空載啟動頻率 空載運行頻率 18176。 1/150 步進電機轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系 步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 43 角位移，通俗地說：當步進驅(qū)動器接 收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（步進角）。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的 ；由于步進電機的速度與脈沖頻率成正比關(guān)系， 通過控制脈沖頻率 就可以 控制 步進 電機轉(zhuǎn)動的速度 。 本系統(tǒng)將步進電機的 最高速度 設(shè)定 為 99 r/min，最低轉(zhuǎn) 速設(shè)定 為 25 r/min(啟動速度 )。由于所選的步進電機的步距角為 18176。，轉(zhuǎn)一圈需要 360176。/18176。 =20 個脈沖，設(shè)轉(zhuǎn)速為 N，則每分鐘需要的脈沖個數(shù)為 20N 個脈沖，每個脈沖的周期為 (單步時間 )【 18】 ： T=1/20N（ min） =60/20N（ s） =60 1000000/20N（ us） =3000000/N（ us） 定時器 T0 的定時時間為： T1=T/2 T0 的計數(shù)初值： Tx=65536fosc T1/12 =6553612 T1/12 =65536T/2 =655361500000/N 由上式可以算出每個轉(zhuǎn)速對應 T0 的計數(shù)初值，例如轉(zhuǎn)速為 25 r/min 時對應的 T0 的計數(shù)初值為 Tx=655361500000/25=5536；轉(zhuǎn)速為 99 r/min 時對應的T0 計數(shù)初值為 Tx=655361500000/99=50384；其它轉(zhuǎn)速對應 T0 的計數(shù)初值如附錄 B 所示。 由于步進電機的轉(zhuǎn)速正比于脈沖頻率，所以調(diào)速時只需把每個速度對應數(shù)組中的定時初值取出來，作為定時器 T0 的計數(shù)初值，這樣就可以讓單片機輸出不同的頻率，從而改變轉(zhuǎn)速。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 44 本章小結(jié) 本章首先介紹了軟件設(shè)計原則，其次介紹了主程序、 T0 中斷程序、調(diào)速程序、顯示程序等程序的設(shè)計。編寫出詳細的 C 語言程序，并用 Proteus 軟件進行程序的調(diào)試。完整的程序如附錄 A 所示。 第五章 結(jié)束語 經(jīng)過幾個月的努力，終于完成了基于 AT89C51 單片機的步進電機控制系統(tǒng)軟硬件的研究和設(shè)計。通過這次設(shè)計，加深對單片機控制系統(tǒng)的了解。將所學的理論知識應用到實踐中，在系統(tǒng)的設(shè)計中做了如下的工作。 查閱相關(guān)資料。根據(jù)課題要求查閱資料，然后在老師的指導下，有針對性地學習相關(guān)知識，對資料進行消化和吸收。 根據(jù)系統(tǒng)的要求確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。系統(tǒng)以 AT89C51 單片機為控制核心，并設(shè)計相應的接口電路，包括環(huán)形脈沖分配器、鍵盤電路、顯示電路、步進電機的驅(qū)動電路等。 編寫應用程序。軟件是根據(jù)控制系統(tǒng)的要求設(shè)計的，包括主程序的設(shè)計、 T0 中斷 程序設(shè)計、鍵盤顯示程序設(shè)計、調(diào)速程序設(shè)計等程序的設(shè)計。 用 keil 軟件完成程序的編寫和調(diào)試，并用 Proteus 軟件進行系統(tǒng)仿真。 論文采用單片機技術(shù)，使單片機能根據(jù)設(shè)定的步數(shù)，實現(xiàn)步進電機的自動調(diào)速控制，并同過數(shù)碼管顯示步進電機的運行步數(shù)，完成對控制系統(tǒng)的硬件電路和應用軟件設(shè)計。論文雖然完成了系統(tǒng)的設(shè)計，但由于開發(fā)經(jīng)驗不足，系統(tǒng)一定存在不妥之處，尤其是步進電機的應用方面有待進一步的研究和探討。論文中的不足之處敬請老師批評指正。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 45 參考文獻 [1]唐任遠 .《特種電機原理及應用》 .第二版 .機械工業(yè)出 版社， [2]邱阿瑞 .《電機與拖動基礎(chǔ)》 .第九版 .高等教育出版社， [3]王德勝 .《電氣控制系統(tǒng)設(shè)計》 .電子工業(yè)出版社， [4]馬忠梅 .《單片機 C 語言應用程序設(shè)計》 .第五版 .北京航空航天大學出版社， [5]周國運 .《單片機原理及應用教程》 .中國水利水電出版社， [6]王靜霞 .《單片機應用技術(shù)》 .電子工業(yè)出版社， [7]溫子琪 .《 51 單片機 C 語言教程》 .北京航空航天大學出版社， [8]坂本正文 .《步進電機應用技術(shù)》 .科學出版社 ， [9]韓建國 .《 Foundation and Ap