【正文】 哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 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》 .第九版 .高等教育出版社， [3]王德勝 .《電氣控制系統(tǒng)設計》 .電子工業(yè)出版社， [4]馬忠梅 .《單片機 C 語言應用程序設計》 .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》 .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》 .科學出版社， [9]韓建國 .《 Foundati。論文雖然完成了系統(tǒng)的設計，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。 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。 編寫應用程序。 根據(jù)系統(tǒng)的要求確定控制系統(tǒng)的總體設計方案。 查閱相關資料。通過這次設計，加深對單片機控制系統(tǒng)的了解。完整的程序如附錄 A 所示。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 44 本章小結 本章首先介紹了軟件設計原則，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計。 =20 個脈沖，設轉速為 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速對應 T0 的計數(shù)初值，例如轉速為 25 r/min 時對應的 T0 的計數(shù)初值為 Tx=655361500000/25=5536；轉速為 99 r/ min 時對應的T0 計數(shù)初值為 Tx=655361500000/99=50384；其它轉速對應 T0 的計數(shù)初值如附錄 B 所示。轉一圈需要 360176。 本系統(tǒng)將步進電機的 最高速度 設定 為 99 r/min，最 低轉 速設定 為 25 r/min(啟動速度 )。 1/150 步進電機轉速與頻率的關系 步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構，它的用途是將電脈沖轉化 為哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 43 角位移，通俗地說：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（步進角）。 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)設計 42 8 8 0EBH 9 9 0DBH 10 啟動 0BBH 11 停止 7BH 12 正轉 0E7H 13 反轉 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；正反轉按鍵用于控制步進電機的正反轉；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)。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。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)設計 41 鍵盤程序設計 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。 本程序將步數(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。當 8 位數(shù)據(jù)發(fā)送結束后，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。 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。 由于設計中用一塊單片機進行控制，資源有限， 故使用串行接法 。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 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)設計 40 顯示程序設計 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： 設計中要顯示 4 位數(shù)字，用 74LS164 作為顯示驅動，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。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。 Proteus 仿真步進電機的界面如圖 所示 【 16】 。 T0 中斷程序的主要功能是能根據(jù)設定的步數(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控制系統(tǒng)的主程序工作流程。判斷是否已經(jīng)走完所設定的步數(shù)，若步數(shù)為 0，則單片機停止產(chǎn)生脈沖信號，讓步進電機停止轉動，即 T0 停止計數(shù)。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)。 T0 的中斷服務程序主要用于根據(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。單片機讀取開關狀態(tài)標志，判斷是否啟 動系統(tǒng)。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動按鍵，停止按鍵，正轉按鍵，反轉按鍵、復位按鍵等功能按鍵。 （ 2）鍵盤掃描及按鍵處理。系統(tǒng)初始化包括定時器 T0 初始化，步進電機工作狀態(tài)的初始化。輸入步數(shù)大于 100 時的調(diào)速過哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 34 程如圖 所示。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，步進電機以設定的最低轉速 25 r/min 走完所規(guī)定的步數(shù)。其具體功能如下： 按正轉按鍵時，步進電機正轉；按反轉按鍵時，步進電機反轉；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)。本系統(tǒng)軟件設計主要包括主程序，定時器 T0 啟動程序，調(diào)速程序，鍵盤顯示程序，停止判斷程序。軟件抗干擾是計算機應用系統(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，標準化打下基礎。各個功能程序運行狀態(tài)、運行結果以及運行要求都設置狀態(tài)標志以便查詢，程序的轉移、運行、控制都可通過狀態(tài)標志條哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 33 件來控制。 （ 3）程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(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 程序實現(xiàn)模塊化，子程序化。 第四章 控制系統(tǒng)軟件設計 軟件系統(tǒng)設計原則 系統(tǒng)中的應用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計的，應可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 32 本章小結 本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設計原則和控制系統(tǒng)總體設計，其次對主要元器件進行了選擇和介紹。步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。 控制系統(tǒng)整體電路設計 將各接口電路有機結合起來形成一個完整的電路，電路圖如附錄 C 所示。 手動復位：當按下手動復位按鈕時，電容 C 通過 R2 放電，當電容 C 放電結束后， 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 入復位狀態(tài)。當 VCC=0 時， 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 RST 引腳的電位小于某一特定值后， CPU 就會脫離復位狀態(tài)，只要電容 C 的容量足夠大，就能保證 RST引 腳高電平時間大于 24 個振蕩周期，使 CPU 可靠復位。單片機外部的復位電路如圖 所示，該電路具有手動復位和上電復位的功能。 數(shù)碼管顯示電路是通過串行口方式 0 擴展單片機的輸出口，在“串入并出”芯片 74LS164 的配合下，單片機 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。為了提高系統(tǒng)的響應速度，本文采用硬件設計環(huán)形脈沖分配器。對于不同類型的步進電機及不同的勵 磁方式，只需改變存儲的狀態(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 和可逆計數(shù)器構成，將步進電機的勵磁狀態(tài)以二進制的形式存入 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 的輸出就是步進電機的勵磁狀態(tài)。同時，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)轉換是按正序轉換還是反序轉換，于是就決定了步進電機正反轉。每來一個 CP 脈沖，環(huán)形脈沖分配器的輸出就轉換一次。 用 74LS164 的 clk 端作為環(huán)形脈沖分配器的 CP 脈沖信號輸入端，加減計數(shù)控制端作為正反轉控制信號輸入端。 74LS191 是單時鐘方式的可逆計數(shù)器，計數(shù)器的輸出 QA～ QD 接 EPROM 的低四位地址線，這樣可以選通 EPROM的十六個地址（ 00H～ 0FH），將步進電機的勵磁狀態(tài)從 EPROM 中輸出，控制繞組的導通和截止。 圖 2716 管腳排列 2716 管腳定義如下： A0— A10：地址線， 11 位 (對應 2K 存儲單元 )地址信號輸入引腳； O7— O0： 8 位雙向數(shù)據(jù)線，編程時作數(shù)據(jù)輸入線，讀出時作數(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 程序寫入 哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 27 程序校驗 低 低 +25V 程序讀出 編程禁止 低 高 +25V 高阻 可逆計數(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，因此所選的計數(shù)器需要是一個可逆的計數(shù)器。 2716 的管腳排列如圖 所示。 EPROM 是以浮柵型 MOS 管作存儲單元，它里面存儲的內(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 得到了廣泛的應用。 因此， AT89C51 系列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設計中得到了廣泛的應用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設計中，選用了 AT89C51 單片機作為中央控制單元。 （ 5） 內(nèi)部具有 256 個字節(jié)的 RAM 和 3 個 16 位定時器，可以存放系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)和滿足定時或計數(shù)功能擴展的需要。 （ 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)擴展的需求，編程方更快捷。而 ATMEL公司的 AT89C51 系列單片機是當今具有較高性能的單片微型計算機系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(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)速電機控制系統(tǒng)等。 圖 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機的選擇 隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設計 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、步進電機驅動電路、 51 單片機、電源及復位六部分組成。驅動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅動能力，增設線驅動器或減少芯片功耗，降低總線負載。 （ 4）可靠性及抗干擾性設計是硬件系統(tǒng)設計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。硬件結構與