畢業(yè)設(shè)計--基于pic單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 簡要介紹一下該模塊的功能。 OCMJ48C 液晶顯示模塊是肇慶金鵬電子有限公司 開發(fā)制造的 C 系列中文顯示模塊中的一種。 C 系列中文模塊可以顯示字母，數(shù)字符號，中文字型及圖形 ，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。提供三種控制接口，分別是 8 位微處理器接口，四位微處理器接口及串行接口。所有的功能，包括 顯示 RAM，字型產(chǎn)生器 在內(nèi) 都包含在一個芯片里面，只要一個最小的微處理器系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。 內(nèi)置 2M位中文字型 ROM 總 共提供 8192 個中文字型（ 16x16 點陣）， 16K位半寬字型 ROM（ CGROM）總共提供 126個符號字型（ 16x8 點陣）， 64x16 位字型產(chǎn)生 RAM（ CGRAM），另外繪圖顯示 畫面提供一個 64x256 點的繪圖區(qū)域 GDRAM，可以和文字畫面混合顯示。提供多功能指令：畫面清除（ Display clear）、光標(biāo)歸位（ Return home） 、顯示打開 /關(guān)閉（ Display on/off）、光標(biāo)顯示 /隱藏（ Cursor on/off）、顯示字符閃爍（ Display character blink）、光標(biāo)移位 （ Cursor shift） 、顯示移位（ Display shift） 、垂直畫面卷動 （ Vertical line scroll） 、反白顯示 （ By_line reverse display） 、待命模式 （ Standby mode） [10]。 四、 PIC 單片機 （一） PIC 系列單片機的特點 美國 Microchip 公司的 PIC 系列單片機主要有以下特點：（ 1）哈佛總線結(jié)構(gòu)；（ 2）指令單字節(jié)化；（ 3）尋址方式簡單；（ 4）精簡指令集（ RISC）技術(shù)；（ 5）代碼壓縮率高；（ 6）運行速度高；（ 7）功耗低；（ 8）驅(qū)動能力強，達到 20mA 的電流驅(qū)動能力；（ 9）自帶硬件看門狗電路；（ 10）外接電路簡單；（ 11）開發(fā)方便。這些特點使 PIC 系列單片機越來越受到中國用戶的青睞，在工業(yè)控制，智能儀表等不同領(lǐng)域得到廣泛的 應(yīng)用 [11]。 PIC16F87X 系列單片機是 Microchip 公司于 1998 年年底推出的新產(chǎn)品，可以實現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。本設(shè)計系統(tǒng)采用 PIC16F877 型號單片機作為控制芯片 來實現(xiàn)步進電機的旋轉(zhuǎn)，調(diào)速以及 LCD 顯示等功能，下面介紹一下該類型單片機的結(jié)構(gòu)及用到的各模塊。 基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 9 （二） PIC16F877 單片機的結(jié)構(gòu) 1． PIC16F877 單片機的基本功能模塊 首先對 PIC16F877 單片機的基本功能區(qū)域所包含的主要部件及其功能進行介紹，以便對其基本功能硬件有一個概要的認(rèn)識。基本功能區(qū)域的主要功能模塊包括以下 7部 分 ，它們是：程序控制區(qū)域，數(shù)據(jù)存儲區(qū)域， E2PROM 數(shù)據(jù)存儲 區(qū)域 ，算數(shù)邏輯運算區(qū)域，輸入 /輸出 端口模塊、多功能定時器模塊，核心模塊 [11]。 本設(shè)計沒有用到該類型單片機的專用功能模塊，在此將不再贅述。下面主要介紹 一下用到的輸入 /輸出端口模塊和多功能定時模塊。 2． 輸入 /輸出端口模塊 PIC16F877 單片機具有豐富的接口資源，共設(shè)置有 5 個輸入輸出端口，分別為 RA（ 6 位）、 RB（ 8 位）、 RC（ 8 位）、 RD（ 8 位）、 RE（ 3 位），合計共有 33 個引腳。大多數(shù)引腳除了具有 I/O 功能外，還配置有其它特殊功能。 通用 I/O 引腳可以看作是最簡單的外設(shè)， PIC 單片機通過 I/O 端口監(jiān)視和控制其它設(shè)備，為了增強器件的靈活性和功能，一些引腳被定義為多功能復(fù)用引腳 。這些功能由器件上相應(yīng)外設(shè)的特點決定。一般來說，當(dāng)相應(yīng)的外設(shè)使能時，其對應(yīng)的引腳不能作為通用 I/O 引腳使用。 圖 17 是一個典型的 I/O 端口，它沒有畫出 I/O 引腳復(fù)用的外設(shè)功能。讀 PORT 寄存器是讀取引腳上的電平狀態(tài)，而寫 PORT 寄存器是將數(shù)據(jù)寫入端口的數(shù)據(jù)寄存器。所有的寫操作都是讀 修改 寫入操作。因此對一個端口進行寫入操作意味著總是光讀取端口的引腳電平，在修改這個值，然 后再寫入端口的數(shù)據(jù)鎖存器 [12]。 基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 10 圖 17 典型的 I/O 端口 [12] 3． 定時器 /計數(shù)器 TMR0 定時器 /計數(shù)器模塊的正常工作一般表現(xiàn)為計數(shù)累計功能，通常是由時鐘脈沖來驅(qū)動 的 。該時鐘可以是單片機本身的工作時鐘，即使用內(nèi)部時鐘，稱之為定時器；也可以使用外部引腳輸入的時鐘，即使用外部的時鐘輸入來累計，稱之為計數(shù)器。 PIC16F877單片機配置 3 個定時器 /計數(shù)器模塊，分別為 TMR0， TMR1 和 TMR2。本控制系統(tǒng)主要利用 TMR0 的定時功能為 步進電機合理分配脈沖寬度以達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。下面主要介紹 TMR0 的功能特性及與該模塊相關(guān)的寄存器。 TMR0 定時器 /計數(shù)功能主要是基于一個 8 位累加定時 /計數(shù)寄存器 TMR0，采用時鐘信號的上升沿，下降沿觸發(fā)計數(shù)方式。 TMR0 在 RAM 數(shù)據(jù)寄存器中具有特定的地址001H 和 101H，可通過軟件指令進行讀 /寫操作。另外， TMR0 帶有一個 可編程預(yù)分頻器，可達到定時 /計數(shù)的擴展效果。在 TMR0 計數(shù)溢出時，相應(yīng)的溢出中斷標(biāo)志自動置位，可通過設(shè)置 TMR0 中斷使能狀態(tài)而產(chǎn)生溢出中斷 [12]。 該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖 18 所示 基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 11 圖 18 TMR0 結(jié)構(gòu)框圖 [12] 定時器 /計數(shù)器 TMR0 主 要設(shè)計有 4 個寄存器，它們分別是定時器 /計數(shù)器 TMR0，選項寄存器 OPTION_REG，中斷控制寄存器 INTCON，方向寄存器 TRISA。本控制系統(tǒng)主要是靠改變 TMR0 的計數(shù)初值以及 OPTION_REG 中的 分頻比 來調(diào)節(jié)脈沖的寬度，以達到精確調(diào)速的目的 [12]。 基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 12 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 一、控制系統(tǒng)總體概述 本控制系統(tǒng)采用 PIC16F877 單片機 作為控制核心，通過鍵盤輸入指令， 產(chǎn)生各種控制信號， 實現(xiàn) 步進電機的 轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)向 的 控制， 并可通過 LCD 顯示 系統(tǒng) 的 運行狀態(tài) 。系統(tǒng)電路由五部分組成，即輸入、顯示部分； PIC 單片機；驅(qū)動控制電路；直流電壓源及步進電機。 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。 該控制系統(tǒng) 可實現(xiàn)如下功能： 1． 通過鍵盤可以設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)（以整轉(zhuǎn)為單位）， 2． 通過鍵盤可以設(shè)定步進電機轉(zhuǎn)向， 3． 鍵盤所設(shè)置的參數(shù) 可以通過 LCD進行實時顯示。 由于本控制系統(tǒng)所控制的電機類型為兩相六線混合式步進電動機 ，因此 系統(tǒng)由PIC16F877 單片機的 PORTA 端口產(chǎn)生 A 和 A、 B 和 B 兩相信號 。 為提高系統(tǒng)的驅(qū)動能力，在單片機與步進電機之間增加控制驅(qū)動電路。 1 * 4 鍵 盤L C D顯 示 屏P I C單 片機控 制 驅(qū)動 電 路步 進電 機直 流 電 壓 源負(fù) 載 圖 21 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 二、控制系統(tǒng)的硬件電路 （一）控制系統(tǒng)總體電路 本控制系統(tǒng)硬件總體電路以單片機作為系統(tǒng)核心，主要由 PIC16F877 單片機及單片機工作外圍電路、步進電機控制驅(qū)動電路、 LCD 顯示屏接口電路、鍵盤輸入電路等組成。 在該系統(tǒng)中輸入由單片機接口電路構(gòu)成的 1*4 鍵盤完成，單片機根據(jù)輸入的鍵值控制步進電機的脈沖分配，輸出脈沖控制電動機的運行以及 LCD 顯示屏實時對步進電機的狀態(tài)進行相應(yīng)的顯示。 由于本設(shè)計所要控制的步進電機功率較小， 步距角也相對較小，所要求實現(xiàn)的控制精度要求也不是很高，因此 采用單極性驅(qū)動電路并且 省略了細(xì)分驅(qū)動電路，硬件電路相基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 13 對來說比較簡單。控制系統(tǒng) 電路圖如圖 22 所示。 圖 22 控制系統(tǒng)總體電路圖 基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 14 （二）單片機與步進電機接口驅(qū)動電路 本控制系統(tǒng)采用 PIC16F877 單片機產(chǎn)生脈沖控制信號。單片機內(nèi)部的 RAM 和 ROM即可滿足該設(shè)計的要求。步進電機控制信號將 PIC16F877 單片機的 PORTA 端口的 RARA RA RA5， 4 個引腳輸出的具有時序的高低電平作為步進電機的控制信號，用于作用在作為開關(guān)的三極管基極以導(dǎo)通三極管，使直流電壓源能直接向步進電機供電。 KP39HM2025 型混合 式 步進電動機 是兩相六線 制 步進電動機，導(dǎo)線顏色分別為紅色、紅色、黃色、橙色、黑色、棕色。其中兩根紅色導(dǎo)線為公共端，接 12V 穩(wěn)壓電源，黃色、橙色、黑色、棕色導(dǎo)線依次為電動機 A 相、 A 非相、 B 相、 B 非 相 。 由于單電壓驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單， 功率驅(qū)動 元件少，成本低，適 用于驅(qū)動小功率步進電動機或用于性能指標(biāo)要求不高的場合，基于上述特點與 本設(shè)計 的要求恰好符合故采用此驅(qū)動電路 對步進電機進行驅(qū)動。圖 23 為單電壓功率驅(qū)動電路 的原理圖（只畫出其中一相）。來自單片機的信號電壓經(jīng)過電流放大后加到三極管 VT 的基極，控制 VT 的導(dǎo)通和截止，從而控制相繞組的通電和斷電。 R 和 VD 構(gòu)成了相繞組關(guān)斷時的續(xù)流電路 [13]。 由于電感的存在，繞組的通電和斷電不能瞬時完成， 電流上升緩慢會導(dǎo)致電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩下降，因此應(yīng)縮短電流上升的時間常數(shù)，使電流前沿變陡。通常在繞組回路中串入電阻 Rs，使繞組回路的時間常數(shù)減小。 圖 23 單電壓驅(qū)動電路（其中一相） [13] （三）單片機與 LCD 顯示屏接口電路（ 8 位并行模式） 8 位并行模式下，模塊與單片機的接口電路如圖 24 所示。模塊的數(shù)據(jù)線可與單片機數(shù)據(jù)線直接相連 。 OCMJ48C 液晶模塊的讀寫控制信號 R/W 由 PIC16F877 單片機的基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 15 RB4 來控制， RB3 連接液晶模塊的片選信號 E， RB5 連接指令和數(shù)據(jù)通道選擇信號 RS（ CS）， RB2 連接液晶模塊的并行模式和串行模式的數(shù)據(jù)選擇信號 PSB， RB1 連接液晶模塊的復(fù)位信號 /RST，因此液晶模塊的復(fù)位有 PIC16F877 單片機的程序控制。 另外在本設(shè)計中我們使用 PORTD 作為單片機與液晶的數(shù)據(jù)接口。 圖 24 單片機與 LCD 顯示屏接口電路 （四）單片機與鍵盤接口電路 由于本控 制系統(tǒng)只用到四個按鍵，所以使用最簡單的方法即將按鍵直接與單片機 引腳相連，一個按鍵對應(yīng)一個引 腳。 單片機與鍵盤接口電路如圖 25 所示。單片機的 RC1與鍵盤的確認(rèn)鍵 S1 相連， RC2 連接鍵盤的電機方向設(shè)置鍵、速度設(shè)置鍵、轉(zhuǎn)數(shù)增 按 鍵S2， RC3 連接電機轉(zhuǎn)數(shù)減 按 鍵 S3， RC4 連接啟動鍵 S4。 基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 16 圖 25 單片機與鍵盤接口電路 三、步進電動機的選型 在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用 日本某 公司出產(chǎn)的兩相六線混合式步進電動機，其型號為 KP39HM2025。具體參數(shù)為：相電壓 12V； 相電流 ； 阻抗 63Ω；精度。 四 、開發(fā)平臺 MPLAB ICD 簡介 MPLABICD 是針對 MICROCHIP 公司的 PIC16F87X 系列 MCU 的廉價開發(fā)工具。MPLABICD 既是一個在線調(diào)試器，又是一個編程器。它工作于 MPLABIDE 集成開發(fā)環(huán)境下，利用了 MICROCHIP 公司的在線串行編程技術(shù)（ InCircuit Serial Programming?），在所仿真的 MCU（ PIC16F87X）中嵌入監(jiān)控程序來實現(xiàn)實時仿真。將其仿真頭直接連接到應(yīng)用系統(tǒng)的 MCU 插座中，就如同一片 PIC16F87X 一樣運行用戶的應(yīng)用程序。 MPLABICD 的主要功能： 在線調(diào)試功能 基于 PIC 單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設(shè)計 17 實時仿真調(diào)試源程序 實時、單步或斷 點運行程序 調(diào)試目標(biāo)板硬件系統(tǒng) 對目標(biāo)應(yīng)用控制器進行編程。 MPLABICD 使用的資源 由于仿真 MCU（ PIC16F87X）內(nèi)嵌調(diào)試監(jiān)控程序和使用 MICROCHIP“在線串行編程 ”功能， MPLABICD 將會占用仿真 MCU 中的以下資源： MCLR/VPP 腳（系統(tǒng)復(fù)位 /編程電壓腳） 禁止低電壓 “在線串行編程（ ICSP） ” RB6 和 RB7 保留為編程和在線調(diào)試用 六個通用文件寄存器保留給調(diào)試監(jiān)控程序（見表 21） 程序存儲器第一條指令（地址 0X0000）必須是空操作指令 NOP[14] 表 21 不 同芯片被占用的資源 處理器類型 被占用的通用寄存器 被占用的程序存儲器 PIC16F870/871/872 0x70,0x0BB0x0BF 0x06E00x07FF PIC16F873/874 0x70, 0x0EB0x0F0 0x0EE00x0FFF PIC16F876/877 0x70,0x1EB0x1EF 0x1F000x1FFF