畢業設計--基于pic單片機的步進電機控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 限公司開發制造的 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，字型產生器 在內 都包含在一個芯片里面，只要一個最小的微處理器系統，就可以方便操作模塊。 內置 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 位字型產生 RAM（ CGRAM），另外繪圖顯示畫面提供一個 64x256 點的繪圖區域 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）、光標歸位（ Return home） 、顯示打開 /關閉（ Display on/off）、光標顯示 /隱藏（ Cursor on/off）、顯示字符閃爍（ Display character blink）、光標移位 （ 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）哈佛總線結構；（ 2）指令單字節化；（ 3）尋址方式簡單；（ 4）精簡指令集（ RISC）技術；（ 5）代碼壓縮率高；（ 6）運行速度高；（ 7）功耗低；（ 8）驅動能力強，達到 20mA 的電流驅動能力；（ 9）自帶硬件看門狗電路；（ 10）外接電路簡單；（ 11）開發方便。這些 特點使 PIC 系列單片機越來越受到中國用戶的青睞，在工業控制，智能儀表等不同領域得到廣泛的應用 [11]。 PIC16F87X 系列單片機是 Microchip 公司于 1998 年年底推出的新產品，可以實現在線調試和在線編程。本設計系統采用 PIC16F877 型號單片機作為控制芯片 來實現步進電機的旋轉，調速以及 LCD 顯示等功能，下面介紹一下該類型單片機的結構及用到的各模塊。 基于 PIC單片機的步進電機控制系統 設計 9 （二） PIC16F877 單片機的結構 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識。基本功能區域的主要功能模塊包括以下 7部分 ，它們是：程序控制區域，數據存儲區域， E2PROM 數據存儲 區域 ，算數邏輯運算區域，輸入 /輸出 端口模塊、多功能定時器模塊，核心模塊 [11]。 本設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， PIC 單片機通過 I/O 端口監視和控制其它設備，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用引腳 。這些功能由器件上相應外設的特點決定。一般來說，當相應的外設使能時，其對應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 引腳復用的外設功能。讀 PORT 寄存器是讀取引腳上的電平狀態，而寫 PORT 寄存器是將數據寫入端口的數據寄存器。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據鎖存器 [12]。 基于 PIC單片機的步進電機控制系統 設計 10 圖 17 典型的 I/O 端口 [12] 3． 定時器 /計數器 TMR0 定時器 /計數器模塊的正常工作一般表現為計數累計功能，通常是由時鐘脈沖來驅動 的 。該時鐘可以是單片機本身的工作時鐘，即使用內部時鐘，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，稱之為計數器。 PIC16F877單片機配置 3 個定時器 /計數器模塊，分別為 TMR0， TMR1 和 TMR2。本控制系統主要利用 TMR0 的定時功能為 步進電機合理分配脈沖寬度以達到調節電機轉速的目的。下面主要介紹 TMR0 的功能特性及與該模塊相關的寄存器。 TMR0 定時器 /計數功能主要是基于一個 8 位累加定時 /計數寄存器 TMR0，采用時鐘信號的上升沿，下降沿觸發計數方式。 TMR0 在 RAM 數據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 可編程預分頻器，可達到定時 /計數的擴展效果。在 TMR0 計數溢出時，相應的溢出中斷標志自動置位，可通過設置 TMR0 中斷使能狀態而產生溢出中斷 [12]。 該模塊的 結構框圖如圖 18 所示 基于 PIC單片機的步進電機控制系統 設計 11 圖 18 TMR0 結構框圖 [12] 定時器 /計數器 TMR0 主要設計有 4 個寄存器，它們分別是定時器 /計數器 TMR0，選項寄存器 OPTION_REG，中斷控制寄存器 INTCON，方向寄存器 TRISA。本控制系統主要是靠改變 TMR0 的計數初值以及 OPTION_REG 中的 分頻比 來調節脈沖的寬度，以達到精確調速的目的 [12]。 基于 PIC單片機的步進電機控制系統 設計 12 第二章 控制系統硬件設計 一、控制系統總體概述 本控制系統采用 PIC16F877 單片機 作為控制核心，通過鍵盤輸入指令， 產生各種控制信號， 實現 步進電機的 轉速和 轉向 的 控制， 并可通過 LCD 顯示 系統 的 運行狀態 。系統電路由五部分組成，即輸入、顯示部分； PIC 單片機；驅動控制電路；直流電壓源及步進電機。 控制系統總體結構框圖如圖 21 所示。 該控制系統 可實現如下功能： 1． 通過鍵盤可以設定步進電機的轉速及轉數（以整轉為單位）， 2． 通過鍵盤可以設定步進電機轉向， 3． 鍵盤所設置的參數 可以通過 LCD進行實時顯示。 由于本控制系統所控制的電機類型為兩相六線混合式步進電動機 ，因此 系統由PIC16F877 單片機的 PORTA 端口產生 A 和 A、 B 和 B 兩相信號 。 為提高系統的驅動能力，在單片機與 步進電機之間增加控制驅動電路。 1 * 4 鍵 盤L C D顯 示 屏P I C單 片機控 制 驅動 電 路步 進電 機直 流 電 壓 源負 載 圖 21 控制系統總體結構框圖 二、控制系統的硬件電路 （一）控制系統總體電路 本控制系統硬件總體電路以單片機作為系統核心，主要由 PIC16F877 單片機及單片機工作外圍電路、步進電機控制驅動電路、 LCD 顯示屏接口電路、鍵盤輸入電路等組成。 在該系統中輸入由單片機接口電路構成的 1*4 鍵盤完成，單片機根據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進行相應的顯示。 由于本 設計所要控制的步進電機功率較小， 步距角也相對較小，所要求實現的控制精度要求也不是很高，因此 采用單極性驅動電路并且 省略了細分驅動電路，硬件電路相基于 PIC單片機的步進電機控制系統 設計 13 對來說比較簡單。控制系統 電路圖如圖 22 所示。 圖 22 控制系統總體電路圖 基于 PIC單片機的步進電機控制系統 設計 14 （二）單片機與步進電機接口驅動電路 本控制系統采用 PIC16F877 單片機產生脈沖控制信號。單片機內部的 RAM和 ROM即可滿足該設計的要求。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的三極管基極以導通三極管，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。其中兩根紅色導線為公共端，接 12V 穩壓電源，黃色、橙色、黑色、棕色導線依次為電動機 A 相、 A 非相、 B 相、 B 非 相 。 由于單電壓驅動電路結構簡單， 功率驅動 元件少，成本低，適 用于驅動小功率步進電動機或用于性能指標要求不高的場合，基于上述特點與 本設計 的要求恰好符合故采用此驅動電路 對步進電機進行驅動。圖 23 為單電壓功率驅動電 路 的原理圖（只畫出其中一相）。來自單片機的信號電壓經過電流放大后加到三極管 VT 的基極，控制 VT 的導通和截止，從而控制相繞組的通電和斷電。 R 和 VD 構成了相繞組關斷時的續流電路 [13]。 由于電感的存在，繞組的通電和斷電不能瞬時完成， 電流上升緩慢會導致電機的動態轉矩下降，因此應縮短電流上升的時間常數，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減小。 圖 23 單電壓驅動電路（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。模塊的數據線可與單片機數據線直接相連 。 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 設計 15 RB4 來控制， RB3 連接液晶模塊的片選信號 E， RB5 連接指令和數據通道選擇信號 RS（ CS）， RB2 連接液晶模塊的并行模式和串行模式的數據選擇信號 PSB， RB1 連接液晶模塊的復位信號 /RST，因此液晶模塊的復位有 PIC16F877 單片機的程序控制。 另外在本設計中我們使用 PORTD 作為單片機與液晶的數據接口。 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與鍵盤的確認鍵 S1 相連， RC2 連接鍵盤的電機方向設置鍵、速度設置鍵、轉數增 按 鍵S2， RC3 連接電機轉數減 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 設計 16 圖 25 單片機與鍵盤接口電路 三、步進電動機的選型 在本控制系統的設計中，采用 日本某 公司出產的兩相六線混合式步進電動機，其型號為 KP39HM2025。具體參數為：相電壓 12V； 相電流 ； 阻抗 63Ω；精度。 四 、開發平臺 MPLAB ICD 簡介 MPLABICD 是針對 MICROCHIP 公司的 PIC16F87X 系列 MCU 的廉價開發工具。MPLABICD 既是一個在線調試器，又是一個編程器。它工作于 MPLABIDE 集成開發環境下，利用了 MICROCHIP 公司的在線串行編程技術（ InCircuit Serial Programming?），在所仿真的 MCU（ PIC16F87X）中嵌入監控程序來實現實時仿真。將其仿真頭直接連接到應用系統的 MCU 插座中，就如同一片 PIC16F87X 一樣運行用戶的應用程序。 MPLABICD 的主要功能： 在線調試功能 基于 PIC單片機的步進電機控制系統 設計 17 實時仿真調試源程序 實時、單步或斷點運行程序 調試目標板硬件系統 對目標應用控制器進行編程。 MPLABICD 使用的資源 由于仿真 MCU（ PIC16F87X）內嵌調試監控程序和使用 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（系統復位 /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試用 六個通用文件寄存器保留給調試監控程序（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 基于 PIC單片機的步進電機控制系統 設計 18 第三章 控制系統軟件設計 一