單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 選擇“Options for Target ‘Target 1’”。，選擇“Output”按圖示，將箭頭所指的多選框勾上，點(diǎn)“確定”。現(xiàn)在再點(diǎn)擊重新編譯，系統(tǒng)提示：“creating hex file from first...”。便會(huì)在工程所在文件夾里生成HEX文件。 生成HEX文件 STCISP軟件介紹這里采用的單片機(jī)程序燒寫(xiě)軟件，是網(wǎng)友姚永平編寫(xiě)的“Easy 51Pro ”。這個(gè)軟件是完全開(kāi)源的，在這里也要感謝姚永平先生。這個(gè)軟件在網(wǎng)上流傳很廣，因?yàn)槠湎螺d線制作簡(jiǎn)單。被很多單片機(jī)愛(ài)好者采用。此軟件使用時(shí)還需要一個(gè)單片機(jī)下載線來(lái)把程序下載到單片機(jī)里，單片機(jī)下載線原理圖（如圖 ） 下載線原理圖 程序燒寫(xiě)過(guò)程：先從網(wǎng)站上下載到STCISP的軟件包，解壓后，打開(kāi)其中“軟件”文件夾，出現(xiàn)如下界面（）。 選單片機(jī)接下來(lái)插好下載線，接通開(kāi)發(fā)板電源。在左上角的芯片型號(hào)選擇列表框中選擇對(duì)應(yīng)的芯片型號(hào)，單擊檢測(cè)器件，如果軟件提示檢測(cè)到器件，則硬件電路沒(méi)有問(wèn)題，接下來(lái)就開(kāi)始往單片機(jī)里燒寫(xiě)程序了，單擊“打開(kāi)文件”出現(xiàn)所示對(duì)話框。將文件類型設(shè)為HEX，選擇建立工程的路徑。之后，再點(diǎn)下“自動(dòng)完成”，這樣，程序就燒寫(xiě)完成了。 打開(kāi)文件4 系統(tǒng)概述及設(shè)計(jì) 整體結(jié)構(gòu)此控制系統(tǒng)的硬件主要組成：51系列單片機(jī)、L298N、直流電壓源、鍵盤(pán)等。：由鍵盤(pán)發(fā)出電平信號(hào)，單片機(jī)接受并轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)發(fā)送給L298N。L298N主要作用連接步進(jìn)電機(jī)從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。在系統(tǒng)中按鍵的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的。直流電壓源中斷鍵盤(pán)步進(jìn)電機(jī)L298N控制信號(hào)AT89S52直流電壓源 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)作用本控制系統(tǒng)主要作用是通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，想要實(shí)現(xiàn)這一功能必須要對(duì)單片機(jī)軟件部分和硬件設(shè)計(jì)有很多的了解，軟件部分主要是通過(guò)C語(yǔ)言編譯而硬件部分是由單片機(jī)、L298N、直流電壓源、鍵盤(pán)等。完成硬件和軟件的設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)并控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)應(yīng)用基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制也是目前重要的一種手段，步進(jìn)電機(jī)本身就是離散型自動(dòng)化執(zhí)行元件，所以它特別適合采用單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)控制。單片機(jī)有更大的靈活性，更易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制策略。隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的性價(jià)比越來(lái)越高，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制將形成趨勢(shì)。5 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)原則本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一共有3部分組成，分別有MCU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、L298N驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和鍵盤(pán)的電路設(shè)計(jì)。通過(guò)這3部分的結(jié)合來(lái)控制和顯示步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有一些部分要注意，首先要了解單片機(jī)的工作原理，在L298N驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中要在驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的同時(shí)還要保護(hù)好L298N。電源部分是要將輸入進(jìn)來(lái)的電壓轉(zhuǎn)化為單片機(jī)工作電壓(單片機(jī)工作電壓為5V)。以下部分是對(duì)電路的主要組成部分進(jìn)行介紹講解。 MCU最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)51單片機(jī)的最小系統(tǒng)也叫MCU最小系統(tǒng)，也就是能讓單片機(jī)正常工作的最少配置，可以看出，在一個(gè)最小系統(tǒng)中，僅僅有一片單片機(jī)+時(shí)鐘電路+復(fù)位電路+下載程序接口。有了下面這么多電路，一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)就有了大腦和五臟，也就是有了生命，但還少五官和四肢，換句話說(shuō)，他還不可以和外界溝通。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路總體分為：上電復(fù)位、按鍵復(fù)位兩種。上電復(fù)位主要是一個(gè)是在系統(tǒng)加電的時(shí)候，能夠使單片機(jī)正常復(fù)位，并開(kāi)始從0000H處開(kāi)始執(zhí)行程序，而按鍵復(fù)位主要是在調(diào)試過(guò)程中，需要有一個(gè)復(fù)位按鍵，能夠方便的在運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。這個(gè)復(fù)位電路的原理很簡(jiǎn)單，就是利用RC電路的充電時(shí)間，使得RST端能夠保持在高電平一段時(shí)間。一般取經(jīng)驗(yàn)值R=10KΩ，C=10uF，Rs=200Ω。RST在高電平復(fù)位，低電平時(shí)正常工作10μF電容和10K電阻組成一個(gè)RC延時(shí)電路，為單片機(jī)提供上電復(fù)位，加入10μF電容目的是不會(huì)讓兩邊電壓發(fā)生突變。200Ω的電阻是使電容C19的放電電流不至于太大。本系統(tǒng)就是采用此種復(fù)位方式。 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)在這個(gè)最小系統(tǒng)中，采用的是最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，一般情況下，單片機(jī)選用的是12MHz晶振（在此頻率上，T1可以很容易的產(chǎn)生9600的波特率供串口使用）。再由兩只瓷片電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。事實(shí)上對(duì)外接電容并沒(méi)有嚴(yán)格的要求，典型值選用20PF30PF的電容。本電路中使用1個(gè)30 PF的電容，它的主要作用是為單片機(jī)提供工作時(shí)鐘。 時(shí)鐘電路 上拉電阻的作用P0口沒(méi)有上拉電阻，故作為普通IO口用的時(shí)候，須加上拉電阻。P2口內(nèi)部存在上拉電阻，但因?yàn)槠溆米骶仃囨I盤(pán)，為了得到較高的可靠性，故將其也再加上外部上拉。一般上拉電阻取值為1KΩ10KΩ。阻值越小，能提供的上拉能力也越強(qiáng)，但功耗也會(huì)隨之上升。 L298N驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)這部分電路作用是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的，電路中用到了8個(gè)續(xù)流二極管，它們的作用是給電機(jī)提供回流通路，同時(shí)也起到一個(gè)保護(hù)L298N的安全。C4和C3的作用是濾波。 L298N驅(qū)動(dòng)電路 L298N芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。L298N采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。PWM電路由四個(gè)大功率晶體管組成H橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，根據(jù)調(diào)整輸入控脈沖的占空比，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子工作只在飽合和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高。H型電路使實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制的簡(jiǎn)單化，且電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWN調(diào)整技術(shù)。L298N是雙H橋高電壓大電流集成電路。每個(gè)H橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻。Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開(kāi)與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來(lái)輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。 MAX232電路設(shè)計(jì)因?yàn)镸CS51單片機(jī)輸入、輸出電平為T(mén)TL電平，而PC機(jī)配置的是RS232C標(biāo)準(zhǔn)接口，二者的電氣規(guī)范不同，所以要加電平轉(zhuǎn)換電路。給出了采用MAX232芯片的PC機(jī)和單片機(jī)串行通信接口電路，與PC機(jī)相連采用9芯標(biāo)準(zhǔn)插座。 MAX232電路 MAX232 芯片簡(jiǎn)介MAX232芯片是美信公司專門(mén)為電腦的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5V單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分（）：第一部分是電荷泵電路。由6腳構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和12V兩個(gè)電源，提供給RS232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由11114腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R0IN）、12腳（R0OUT）、11腳（T0IN）、14腳（T0OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R1IN）、9腳（R1OUT）、10腳（T1IN）、7腳（T1OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T0IN、T1IN輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)從T0OUT、T1OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS232數(shù)據(jù)從R0IN、R1IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R0OUT、R1OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5V）。 鍵盤(pán)的電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是單片機(jī)十分重要的輸入設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶。鍵盤(pán)是由一組規(guī)則排列的按鍵組成，一個(gè)按鍵實(shí)際上就是一個(gè)開(kāi)關(guān)元件，即鍵盤(pán)是一組規(guī)則排列的開(kāi)關(guān)。根據(jù)按鍵結(jié)構(gòu)、原理的不同，主要分兩類：一類是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵，如機(jī)械開(kāi)關(guān)等；另一類是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)案件，如磁感應(yīng)按鍵等。前者造價(jià)低，后者壽命長(zhǎng)。目前，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常見(jiàn)的觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵。本系統(tǒng)中運(yùn)用的正是這種開(kāi)關(guān)按鍵。 鍵盤(pán)的特性鍵盤(pán)是由一組按鍵開(kāi)關(guān)組成的。通常，按鍵所用的開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)一般為常開(kāi)型。平時(shí)(按鍵不按下時(shí))，按鍵的觸點(diǎn)是斷開(kāi)狀態(tài)，按鍵被按下時(shí)，他們才閉合。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)從開(kāi)始按上至接觸穩(wěn)定要經(jīng)過(guò)一定的彈跳時(shí)間，即在這段時(shí)間里連續(xù)產(chǎn)生了多個(gè)脈沖，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)一下子斷開(kāi)，存在同樣的問(wèn)題，按鍵開(kāi)關(guān)在閉合及斷開(kāi)的瞬間，均伴隨有一連串的抖動(dòng)。抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5ms～10ms，而按鍵的穩(wěn)定閉合期的長(zhǎng)短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的，一般為十分之幾秒的時(shí)間。此種抖動(dòng)在對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，為消除這種抖動(dòng)，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)去抖動(dòng)模塊來(lái)加以解決。 按鍵的確認(rèn)按鍵的確認(rèn)就是判別按鍵是否閉合，反映在電壓上就是和按鍵相連的引腳呈現(xiàn)出高電平或低電平。如果高電平表示斷開(kāi)，那么低電平則表示閉合，所以通過(guò)檢測(cè)電平的高低狀態(tài)，便可以確認(rèn)按鍵是否按下。本次設(shè)計(jì)中，在鍵盤(pán)的部分采用四個(gè)按鍵，分別控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、加速、減速、啟動(dòng)停止。 鍵盤(pán)的工作方式鍵盤(pán)的工作方式有3種，即程序控制掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描方式。程序控制掃描方式程序控制掃描方式是指單片機(jī)在空閑時(shí)，才調(diào)用鍵盤(pán)掃描程序，并反復(fù)的掃描鍵盤(pán)，直到用戶從鍵盤(pán)上輸入命令或數(shù)據(jù)，而在執(zhí)行鍵入命令或處理鍵入數(shù)據(jù)過(guò)程中，CPU將不再影響鍵入要求，直到CPU重新掃描鍵盤(pán)為止。具體過(guò)程如下:(1)判別有無(wú)按鍵按下；(2)鍵掃描取得閉合鍵的行、列值；(3)用計(jì)算法得到鍵值；(4)判斷閉合鍵是否釋放，如果沒(méi)有釋放則等待；如果閉合鍵釋放，將閉合鍵的鍵號(hào)保存，并轉(zhuǎn)去執(zhí)行閉合鍵的功能；(5)返回；定時(shí)掃描方式定時(shí)掃描方式就是每隔一定時(shí)間對(duì)鍵盤(pán)掃描一次，它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間的定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到就產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷，CPU響應(yīng)中斷后對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)識(shí)別出該鍵執(zhí)行響應(yīng)的鍵功能程序。中斷掃描方式鍵盤(pán)工作在程序控制掃描方式時(shí)，當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)，CPU要不間斷的掃描鍵盤(pán)直到有按鍵按下為止。如果CPU要處理的事情很多，這種工作方式就不能適應(yīng)。定時(shí)掃描方式只要定時(shí)時(shí)間到，CPU就去掃描鍵盤(pán)，工作效率有了一定的提高。由此可見(jiàn)，這兩種方式常使CPU處于空掃描的狀態(tài)，而中斷掃描方式下，CPU可以一直處理自己的工作，直到有鍵閉合時(shí)發(fā)出中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行響應(yīng)的中斷服務(wù)，才對(duì)鍵進(jìn)行處理，從而提高了CPU的工作效率。本設(shè)計(jì)鍵盤(pán)使用的是簡(jiǎn)單的程序控制掃描方式。6 軟件設(shè)計(jì) 程序模塊整個(gè)系統(tǒng)軟件分為三個(gè)部分：正反轉(zhuǎn)，加減速，急停三個(gè)部分。通過(guò)調(diào)用兩個(gè)中斷程序，以及延時(shí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。系統(tǒng)采用模塊化編程，將各部分功能分別實(shí)現(xiàn)。開(kāi)始初始化 顯示N啟動(dòng)開(kāi)關(guān)為0?Y停止計(jì)時(shí)器 N速度之為0?Y停止計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)器延時(shí) 系統(tǒng)總體流程圖 中斷模塊中斷是通過(guò)硬件來(lái)改變CPU的運(yùn)行方向的。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)CPU以外的某種情況時(shí)，由服務(wù)對(duì)象向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，要求CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，待處理程序執(zhí)行完畢后，再繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)被中斷的程序。這種程序在執(zhí)行過(guò)程中由于外界的原因而被中間打斷的情況稱為“中斷”。引起中斷的原因，或能發(fā)出中斷申請(qǐng)的來(lái)源，稱為“中斷源”。本系統(tǒng)采用的中斷源為外部中斷源。89S52單片機(jī)僅有兩個(gè)外部中斷請(qǐng)求輸入端和。本系統(tǒng)中斷共有兩個(gè)，分別實(shí)現(xiàn)的功能是換向和暫停。這里僅以中斷換向?yàn)槔?jiǎn)單介紹。開(kāi)始初始化“換向”按下？ no yes打開(kāi)外部中斷執(zhí)行換向程序結(jié)束 中斷換向流程圖程序代碼如下：{TMOD=0x01。ET0=1。EA=1。EX0=1。EX1=1。TH0=0xcf。TL0=0x2c。} 結(jié)論隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出電動(dòng)機(jī)的潛力。因此，用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代趨勢(shì)。本文構(gòu)建了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件組成主要有：51系列單片機(jī)、L298N驅(qū)動(dòng)電路、直流電壓源工作。該系統(tǒng)在分析目前步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，確定步進(jìn)電機(jī)功能要求。針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的功能要求，提出了控制系統(tǒng)的詳細(xì)方案。在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，選用了51單片機(jī)作為控制工具，并對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的管腳進(jìn)行了分配，并給出了原理圖。并對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。達(dá)到了轉(zhuǎn)速的檢測(cè)要求，確定了經(jīng)濟(jì)而適用的鍵盤(pán)控制。論文設(shè)計(jì)符合步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的以下功能：正反轉(zhuǎn)、加減速、急停。本系統(tǒng)控制靈活，簡(jiǎn)單方便，制作成本低。同時(shí)也有不足的地方:比如說(shuō)轉(zhuǎn)速控制的精度還不算十分精確，另外還應(yīng)該加入轉(zhuǎn)速的顯示。參考文獻(xiàn)[1] [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1993：17158.[2] 吳中俊 （第2版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：2835.[3] [M]. 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