【正文】 e to Keil uVision3 integrated development environment for software development platform, precision stepper motor control and data detection. this paper describes stepper motor control system design and ponent selection, hardware design, software Proteus simulation and physical design and verification. The fourphase stepper motor system as the controlled object, including the stepper motor drive modules and stepper motor spindle physical object, through the control input port P1 microcontroller stepper motor drive pulse frequency, number and sequence, can be accurate speed, step angle and the direction。 本課題研究設計基于 89C51單片機控制的 4相步進電機系統(tǒng) [15]，由單片機產(chǎn)生驅(qū)動脈沖信號，通過鍵盤設定步 進電機的運行方向和步進速度，在液晶顯示器上顯示步進角，步進方向，和步進速度，并通過仿真 [6]軟件Proteus對系統(tǒng)進行仿真和測試。本人選擇該課題作為畢業(yè)設計，不僅可以提高自己的軟件編程和硬件電路設計能力，還可以提高自己動手解決實際問題的能力。 國外方面， 1952 年美國麻省工學院首先研制成三坐標銑床，傳統(tǒng)的電動機也已經(jīng)不能滿足要求，為了適應這些要求，研制了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中便有步進電機。 基于 89C51單片機的步進電機控制系統(tǒng) 單片機（ Single Chip Microcontroller， SCM），又稱為微控制器。步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件，步進電機的輸入脈沖與電機軸轉(zhuǎn)角成比例的特征，將脈沖轉(zhuǎn)變成角位移，因此非常適合于單片機控制。 89C51 單片機的控制方式由軟件完成，如需修改控制規(guī)律，只需修改程序即可，在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，直到滿意。 3) 可提供人機操作界面。 4) 此外，在進行系統(tǒng)設計時常用的 EDA 軟件如 Multisim、 Protel、OrCAD 等 [1214]對涉及單片機的電路系統(tǒng)無法進行仿真，利用 Proteus的虛擬仿真技術 [15]應用于單片機系統(tǒng)的設計中，具有明顯的經(jīng)濟性和很好的可移植性。與一般驅(qū)動器相比，除了不能細分之外，其它功能都可以實現(xiàn)，性價比很高。 研究內(nèi)容與安排 熟悉和掌握步進電機的工作原理及控制技術，然后通過仿真軟件設計步進電機的 ULN2021A 驅(qū)動電路模塊，并給出詳細的設計思路。 掌握和運用 C 語言編程設計，然后按設計要求 (啟 /停 ,正 /反轉(zhuǎn) ,速度等 )編制程序，完成鍵盤處理與 LCD 顯示。 觀察運行模式下仿真結(jié)果與設計要求是否相吻合。 熟悉運用 protel 設計制作 PCB 印刷電路。 4 第二章 系統(tǒng)設計方案與器件選型 引言 錯誤 !未找到引用源。先簡明地畫出系統(tǒng)總體設計框圖，然后列出各器件的使用說明，最后綜合各器件分析其合理性和可行性。硬件是整個系統(tǒng)的生命，軟件賦予了其靈魂，整個系統(tǒng)設計流程分三步：第一步，硬件設計，運用 Protel 軟件完成各個外圍電路與單片機的接口設計，包括各器件的型號，管腳分配，元器件的封裝形式。第三步，仿真和實物驗證， Proteus 軟件完成模擬仿真電路， Protel 軟件完成設計 PCB 印刷電路并制作實物。 圖 21 系統(tǒng)總體設計框圖 89 C 51電機驅(qū)動串口通信顯示輸出鍵盤輸入M 5 步進電機 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移或直線位移的執(zhí)行元件，步進電機突出的特點通過控制輸入脈沖的頻率達到精確的調(diào)速。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有的的位置處于定位狀態(tài)，因此非常適合于單片機 的控制。 X1/64，減速比 1： 64，是單極性直流供電的五線四相步進電機。 圖 22 步進電機通電繞組示意圖 89C51 單片機輸出的脈沖驅(qū)動能力有限，不能直接驅(qū)動步進電機，需要經(jīng)過一級功率放大，即功率驅(qū)動電路。 6 89C51 單片機 89C51 單片機一般采用 40 個引腳封裝的雙列直插（ DIP）方式，采用CHMOS 工藝制造的低功耗機型，在型號中 間加一個“ C”字母作為識別。除了 P1口為單一功能，其余的 3 個端口還分別具有各自不同的第二功能，本設計采用 P1 口低四位作為脈沖序列輸出端， P0 口作為 LCD 的數(shù)據(jù)信號端，P2 口前 4 位做 LCD 的控制使能端， P3 口作為按鍵輸入信號端。 復位 復位是單片機的初始化操作，只要給復位引腳 RST（ 9 引腳）加上兩個周期以上的高電平信號，就可以使 89C51 單片機復位，當程 序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，需要采用按鍵的方式進行復位。 89C51 復位是由外部復位電路來實現(xiàn)的，復位通常采用自動上電復位，按鍵復位兩種方式來實現(xiàn)的。 串口通信 89C51 單片機內(nèi)部有一個全雙工的通用異步接受發(fā)送器（ UART）用于串口通信， 發(fā)送端， 接收端，使用這個通信口實現(xiàn)串行異步通信，進行下載軟件等操作。 鍵盤 鍵盤實際上就是一個開關，連接到電源地，鍵盤閉合邏輯狀態(tài)為“ 0”，鍵盤斷開為“ 1”，本設計采用獨立式按鍵鍵盤， 4X2mil 封裝，軟件掃描按鍵與單片機接口電平的狀態(tài)，軟件延時消除按鍵抖動的方法實現(xiàn)鍵盤輸入功能。該液晶顯示器還可以自由調(diào)節(jié)亮度。為后面的硬件設計和軟件搭建理論框架，提供參考和基礎。 8 第三章 硬件設計 引言 錯誤 !未找到引用源。 驅(qū)動電路 如圖 31 所示， ULN2021 是高耐壓大電流達林頓晶體管陣列元器件，每一對達林頓管串聯(lián)一個 的基極電阻，在 5V 工作電壓下和 TTL 或CMOS 電路相連，經(jīng)過 ULN2021 放大驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。 圖 33 單片機最小系統(tǒng) 示意圖 LCD1602 電路 如圖 34 所示，單片機的 P0 口作為 LCD1602 液晶顯示單元的數(shù)據(jù)接口， 、 、 作為控制使能端。公共端接電源地，按鍵為常開觸點，按鍵閉合時接口邏輯電平置“ 0”。最好把所需要用到的元件放在一起，這樣方便下次調(diào)用元件。本章節(jié)內(nèi)容是運用Keil uVision3 集成開發(fā)環(huán)境進行程序設計，并采用 C 語言編寫軟件程序。 啟?？刂? 通過控制啟停標志位置“ 1”或置“ 0”，中斷響應輸出或關閉中斷。 while(K1==0)。 //啟停標志位，每次按鍵按下取反切換 motor_RUN()?？刂迫?shù)即可控制其步進角。 if(snum_dr==1) { snum++。 if(snum==0x14) { snum_dr=~snum_dr。 //圈數(shù)自減 1 snum1=snum。 } } } //K2 end 13 正、反轉(zhuǎn)控制 步進電機正轉(zhuǎn)時，單片機 P1 口輸出的驅(qū)動脈沖序列為從上到下；將單片機反向輸出該組序列即可實現(xiàn)步進電機的反轉(zhuǎn)。下面也是通過按鍵掃描后整定參數(shù)，中斷時執(zhí)行。 if(rate_dr==1) { rate++。} //速度標志位取反，速度減小 } else { rate。 } //速度標志位取反，速度增大 } } //K4 end 中斷服務程序 void motor_onoff() interrupt 1 { TL0 = 0x33。 q++。 } else { q=0。 //脈沖計數(shù) if(number==64) //64 個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈 { snum。 number1++。v++。 } } else { if(v8) {P1 = REV[v]。} //取數(shù)據(jù)，反轉(zhuǎn) if(v==8) { v=0。首先，程序開始運行時對 LCD 進行初始化設置，然后，載入定時器初值，其次，判斷 LCD 是否可 以寫入，不忙則進入下一步，依次顯示運行狀態(tài)、運行方向標志，速度、圈數(shù)。通過程序的片段說明如何實現(xiàn)該功能，附錄有詳細的代碼。 lcd_pos(0)。 while(cdis5[m] != 39。) { lcd_wdat(cdis5[m])。 } motor_DR()。 P0 =0x0f。 //設置顯示位置為第一行的第 1 個字符 m = 0。\039。 //STOP m++。 snum=snum1。 //清圈數(shù)計數(shù)器 } } 錯誤 !未找到引用源。因為 C 語言是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生緊湊代碼。所以 C 語言運用相對較好。養(yǎng)成良好的編程習慣可以事半功倍。然后焊接外圍電路完成實物制作，控制系統(tǒng)完成后，我們加 入一個控制對象（ DIY），實物演示步進電機的正反轉(zhuǎn)、加減速和精確控制步距角等，同時LCD1602 顯示器顯示所有的運行狀態(tài)。 19 結(jié)論 本畢業(yè)設計從 3 月 11 日開始歷時三個月左右的時間，我在這段時間里通過查閱相關文獻，寫開題報告，翻譯英文文獻等一系列畢業(yè)設計的前期工作，我學到了如何自己開始設計一樣屬于自己的東西。這種成功的感覺會讓我不斷的去學習和改進。簡要概述如下： 首先，電路原理圖運用 PORTEL 軟件設計，元件庫沒有的元件必須要自己建立，在設計 PCB 印刷電路圖時最好自己建立一個封裝庫，還有學會使用快捷鍵操作也是必要的，這樣在設計原理圖時會更有效率。按 鍵掃描采用的是順序結(jié)構(gòu)而不是選擇結(jié)構(gòu)，這點要清楚。 最后，制作實物時焊接有很多注意事項，最主要的是判斷器件的各個引腳是不是和原理圖是一樣的，不一樣就要按照實物的管腳接，焊接時還要注意焊接溫度，不要在同一焊點停留太久，以免燒毀元件。 20 參考文獻 [1] 盧 超 .基于 Proteus 的步進電機控制系統(tǒng)仿真設計 [J].實驗室研究與探索 .(6):5457. 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