【正文】 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 45 參考文獻(xiàn) [1]唐任遠(yuǎn) .《特種電機(jī)原理及應(yīng)用》 .第二版 .機(jī)械工業(yè)出 版社， [2]邱阿瑞 .《電機(jī)與拖動(dòng)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(jì)》 .電子工業(yè)出版社， [4]馬忠梅 .《單片機(jī) C 語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》 .第五版 .北京航空航天大學(xué)出版社， [5]周國運(yùn) .《單片機(jī)原理及應(yīng)用教程》 .中國水利水電出版社， [6]王靜霞 .《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》 .電子工業(yè)出版社， [7]溫子琪 .《 51 單片機(jī) C 語言教程》 .北京航空航天大學(xué)出版社， [8]坂本正文 .《步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)》 .科學(xué)出版社 ， [9]韓建國 .《 Foundation and App。論文雖然完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但由于開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，系統(tǒng)一定存在不妥之處，尤其是步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用方面有待進(jìn)一步的研究和探討。 用 keil 軟件完成程序的編寫和調(diào)試，并用 Proteus 軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。 編寫應(yīng)用程序。 根據(jù)系統(tǒng)的要求確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。 查閱相關(guān)資料。通過這次設(shè)計(jì)，加深對單片機(jī)控制系統(tǒng)的了解。完整的程序如附錄 A 所示。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 44 本章小結(jié) 本章首先介紹了軟件設(shè)計(jì)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(jì)。 =20 個(gè)脈沖，設(shè)轉(zhuǎn)速為 N，則每分鐘需要的脈沖個(gè)數(shù)為 20N 個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的周期為 (單步時(shí)間 )【 18】 ： T=1/20N（ min） =60/20N（ s） =60 1000000/20N（ us） =3000000/N（ us） 定時(shí)器 T0 的定時(shí)時(shí)間為： T1=T/2 T0 的計(jì)數(shù)初值： Tx=65536fosc T1/12 =6553612 T1/12 =65536T/2 =655361500000/N 由上式可以算出每個(gè)轉(zhuǎn)速對應(yīng) T0 的計(jì)數(shù)初值，例如轉(zhuǎn)速為 25 r/min 時(shí)對應(yīng)的 T0 的計(jì)數(shù)初值為 Tx=655361500000/25=5536；轉(zhuǎn)速為 99 r/min 時(shí)對應(yīng)的T0 計(jì)數(shù)初值為 Tx=655361500000/99=50384；其它轉(zhuǎn)速對應(yīng) T0 的計(jì)數(shù)初值如附錄 B 所示。轉(zhuǎn)一圈需要 360176。 本系統(tǒng)將步進(jìn)電機(jī)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(dòng)速度 )。 1/150 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)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(jì) 43 角位移，通俗地說：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接 收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（步進(jìn)角）。 表 按鍵的功能與相應(yīng)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(jì) 42 8 8 0EBH 9 9 0DBH 10 啟動(dòng) 0BBH 11 停止 7BH 12 正轉(zhuǎn) 0E7H 13 反轉(zhuǎn) 0D7H 14 復(fù)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)；啟動(dòng)停止按鍵用于控制步進(jìn) 電機(jī)的啟動(dòng)與停止；正反轉(zhuǎn)按鍵用于控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；復(fù)位按鍵用于當(dāng)輸入?yún)?shù)有誤時(shí)，可通過復(fù)位按鍵重新輸入?yún)?shù)。通過查詢 P1 口的狀態(tài)就可以確定哪個(gè)按鍵按下，確定按鍵按下后再進(jìn)行相應(yīng)的功能處理即可。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。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 41 鍵盤程序設(shè)計(jì) 鍵盤的控制方式一般有程控掃描法、定時(shí)掃描法和中斷掃描法，本程序采用程序掃描法編程。 本程序?qū)⒉綌?shù)存放在一個(gè)一維數(shù)組 dispbuf[]中，將其作為顯示緩沖區(qū)，個(gè)位在前，千位在后。當(dāng) 8 位數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，發(fā)送中斷標(biāo)志 TI 自動(dòng)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。 當(dāng)串行口工作在方式 0 時(shí)，串行移位脈沖 CLOCK 從 TXD 引腳輸出，頻率是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 fosc 的 12 分頻（在“ 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期”模式下，移位脈沖頻率是時(shí)鐘頻率 fosc 的 6 分頻）；而 8 位的串行數(shù)據(jù)從 RXD 引腳輸出。 由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限， 故使用串行接法 。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 39 圖 啟停時(shí)的脈沖頻率 圖 高恒速運(yùn)行時(shí)脈沖頻率 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 40 顯示程序設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(jì)中要顯示 4 位數(shù)字，用 74LS164 作為顯示驅(qū)動(dòng)，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(shí)容易控制。只要剩余的步數(shù)是大于 100，單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號的頻率就會(huì)不斷的變大，直到脈沖頻率為設(shè)定的最大值，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)以恒速運(yùn)行，這時(shí)脈沖頻率如圖 所示。 Proteus 仿 真步進(jìn)電機(jī)的界面如圖 所示 【 16】 。 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(gè)頻率可調(diào)的脈沖信號，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將調(diào)速范圍控制在 25～ 99 r/min。在圖中簡單的反映出了整個(gè)控制系統(tǒng)的主程序工作流程。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(jī)停止產(chǎn)生脈沖信號，讓步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即 T0 停止計(jì)數(shù)。根據(jù)輸入的步數(shù)判斷是否需要進(jìn)行調(diào)速，使控制系統(tǒng)以最短的時(shí)間走完所規(guī)定的步數(shù)。 T0 的中斷服務(wù)程序主要用于根據(jù)步數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)頻率可以改變的脈沖信號，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的加減速過程。單片機(jī)讀取開關(guān)狀態(tài)標(biāo)志，判斷是否啟動(dòng)系統(tǒng)。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動(dòng)按鍵，停止按鍵，正轉(zhuǎn)按鍵，反轉(zhuǎn)按鍵、復(fù)位按鍵等功能按鍵。 （ 2）鍵盤掃描及按鍵處理。系統(tǒng)初始化包括定時(shí)器 T0 初始化，步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)的初始化。輸 入步數(shù)大于 100 時(shí)的調(diào)速過哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 程如圖 所示。當(dāng)輸入的步數(shù)大于 100 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)從最低速度 25 r/min 開始加速運(yùn)行，當(dāng)加速到 99 r/min 時(shí)步數(shù)仍大于 100 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最大速度 99 r/min 恒速運(yùn)行，當(dāng)步數(shù)小于 100 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)開始減速，減速到 25 r/min 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速 25 r/min 走完所規(guī)定的步數(shù)。其具體功能如下： 按正轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行；通過鍵盤可輸入所需要運(yùn)行的步數(shù)，輸入的步數(shù)的范圍為 0— 9999 步，當(dāng)輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動(dòng)按鍵步進(jìn)電機(jī)開始 運(yùn)行，同時(shí)數(shù)碼管顯示所需要運(yùn)行的步數(shù)并通過 LED 顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序，定時(shí)器 T0 啟動(dòng)程序，調(diào)速程序，鍵盤顯示程序，停止判斷程序。軟件抗干擾是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提高可行性的有力措施。規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為今后的軟件模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ)。各個(gè)功能程序運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求都設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志以便查詢，程序的轉(zhuǎn)移、運(yùn)行、控制都可通過狀態(tài)標(biāo)志條哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 件來控制。 （ 3）程序存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)規(guī)格合理，既能節(jié)約內(nèi)存容量，又操作方便。 （ 2）各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，子程序化。 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的，應(yīng)可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 本章小結(jié) 本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，其次對主要元器件進(jìn)行了選擇和介紹。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以提高步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì) 將各接口電路有機(jī)結(jié)合起來形成一個(gè)完整的電路，電路圖如附錄 C 所示。 手動(dòng)復(fù)位：當(dāng)按下手動(dòng)復(fù)位按鈕時(shí)，電容 C 通過 R2 放電，當(dāng)電容 C 放電結(jié)束后， RST 引腳電位由 R R1 分壓比決定，由于 R2R1，因此 RST 引腳為高電平， CPU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。當(dāng) VCC=0 時(shí)， VCC 端與地等電位，電容 C 通過 VD 迅速放電。在電容充電過程中， RST 引腳的電位逐漸下降，當(dāng) RST 引腳的電位小于某一特定值后， CPU 就會(huì)脫離復(fù)位狀態(tài)，只要電容 C 的容量足夠大，就能保證 RST引腳高電平時(shí)間大于 24 個(gè)振蕩周期 ，使 CPU 可靠復(fù)位。單片機(jī)外部的復(fù)位電路如圖 所示，該電路具有手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位的功能。 數(shù)碼管顯示電路是通過串行口方式 0 擴(kuò)展單片機(jī)的輸出口，在“串入并出”芯片 74LS164 的配合下，單片機(jī) RXD 引腳接 74LS164 串行數(shù)據(jù)輸入端， TXD引腳接 74LS164 移位脈沖輸入端 CLK，電路如圖 所示 【 14】 。 （ 2） 并行接法 ： 使用并行接法時(shí)要對每個(gè)數(shù)碼管用 I/O 口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本文采用硬件設(shè)計(jì)環(huán)形脈沖分配器。對于不同類型的步進(jìn)電機(jī)及不同的勵(lì) 磁方式，只需改變存儲(chǔ)的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。環(huán)形脈沖分配器電路如圖 所示。 環(huán)形脈沖分配器由 EPROM 和可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成，將步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)以二進(jìn)制的形式存入 EPOROM，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址內(nèi)容， EPROM 的輸出就是步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)。同時(shí)，環(huán)形脈沖分配器還必須接收控制器發(fā)出的方向電平信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序轉(zhuǎn)換還是反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。每來一個(gè) CP 脈沖，環(huán)形脈沖分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。 用 74LS164 的 clk 端作為環(huán)形脈沖分配器的 CP 脈沖信號輸入端，加減計(jì)數(shù)控制端作為正反轉(zhuǎn)控制信號輸入端。 74LS191 是單時(shí)鐘方式的可逆計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的輸出 QA～ QD 接 EPROM 的低四位地址線，這樣可以選通 EPROM的十六個(gè)地址（ 00H～ 0FH），將步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)從 EPROM 中輸出，控制繞組的導(dǎo)通和截止。 圖 2716 管腳排列 2716 管腳定義如下： A0— A10：地址線， 11 位 (對應(yīng) 2K 存儲(chǔ)單元 )地址信號輸入引腳； O7— O0： 8 位雙向數(shù)據(jù)線，編程時(shí)作數(shù)據(jù)輸入線，讀出時(shí)作數(shù)據(jù)輸出線； CE ：片選允許輸入端，低電平有效； OE ：數(shù)據(jù)輸出允許控制信號引腳，低電平有效； Vpp： +25V 電源，用于專用裝置上進(jìn)行寫操作； 表 2716 工作方式 引腳 方式 CE /PGN OE Vpp O7 — O0 讀出 低 低 +5V 程序讀出 未選中 高 X +5V 高阻 編程 正脈沖 高 +25V 程序?qū)懭? 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 程序校驗(yàn) 低 低 +25V 程序讀出 編程禁止 低 高 +25V 高阻 可逆計(jì)數(shù)器的選擇 由于環(huán)形脈沖分配器不但需要接收脈沖信號 CP，還需要接收方向電平，因此所選的計(jì)數(shù)器需要是一個(gè)可逆的計(jì)數(shù)器。 2716 的管腳排列如圖 所示。 EPROM 是以浮柵型 MOS 管作存儲(chǔ)單元，它里面存儲(chǔ)的內(nèi)容可以通過紫外線光的照射而被擦除，而且又可再用電流脈沖對其重新編程寫入程序或數(shù)據(jù)，而且還可多次進(jìn)行擦除和重寫，故稱為可擦除可編程 ROM，因而 EPROM 得到了廣泛的應(yīng)用。 因此， AT89C51 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴(kuò)展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了 AT89C51 單片機(jī)作為中央控制單元。 （ 5） 內(nèi)部具有 256 個(gè)字節(jié)的 RAM 和 3 個(gè) 16 位定時(shí)器，可以存放系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)和滿足定時(shí)或計(jì)數(shù)功能擴(kuò)展的需要。 （ 2） 內(nèi)部集成了 4K 字節(jié)的在線可編程 FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴(kuò)展的需求，編程方更快捷。而 ATMEL公司的 AT89C51 系列單片機(jī)是當(dāng)今具有較高性能的單片微型計(jì)算機(jī)系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的各類自動(dòng)控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)等。 圖 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機(jī)的選擇 隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計(jì)算機(jī)有了飛速的發(fā)展。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)硬件電路主要由鍵盤顯示電路、工作狀態(tài)顯示電路、環(huán)形脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 51 單片機(jī)、電源及復(fù)位六部分組成。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或減少芯片功耗，降低總 線負(fù)載。 （ 4）可靠性及抗干擾性設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。所以選擇軟件方案時(shí)，要考慮到