畢業設計-串行顯示的步進電機單片機控制系統設計-資料下載頁

【導讀】單片機是把主要的計算機功能部件都集成在一塊芯片上的微型計算機。自動化上，而51單片機是個單片機中最為典型和最有代表性的一種。信號頻率，進而實現對步進電動機轉速的控制。其控制方法也多種多樣。8751H為核心的微機控制調速器很好解決了各種控。整個系統結構簡單。通過改變軟件設計，可靈活地實現各種控制。以達到精確定位的目的。使8751H單片機并行口P1口高四位～分別與驅。的4、3、2、1四個勵磁線圈的引腳相連。步驟的進行正序旋轉或逆序旋轉。

　　

【正文】 及工作方式選擇，開關的狀態可根據需要來設置。 步進電動機的驅動 通過前面的原理介紹，我們知道了步進電動機是使用脈沖電源式作的，步進電動機的驅動方式有多種，下面介紹 4 種驅動： 單電壓驅動是步進電動機控制中最簡單的一種驅動電路在本質上是一個簡單的反相器。單電壓驅動電路的最大特點是結構簡單 ,但它的缺點是工作效率低 ,在高頻工作狀態時其效率尤其差。所以單電壓驅動電路一般只用于小功率步進電動機的驅動。 雙電壓驅動就是采用兩種電源電壓的驅動電路。由于這兩種電源電壓分別是高壓和低壓電源 ,故也稱之為高低壓驅動電路。 斬波驅動電路的缺點是在高低壓連接處電流出現谷點這樣必然引起力矩在谷點時下降 ,而斬波驅動電路可以克服這種缺點并且提高步進電動 機的效率和力矩。 斬波驅動電路有兩種，一種是斬波恒流驅動電路；另一種是斬波平滑驅動電路。較廣泛應用的是斬波恒流驅動電路。 斬波恒流驅動電路是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近，這種電路也稱為定電流驅動電路。 步進電動機是由脈沖電壓供電的，對應于一個電壓脈沖，轉子轉動一步。實現細分控制電路可分為兩類：一類是采用線性模擬功率放大的方法獲得階梯形電流，這種方法電路簡單，但功率管功耗大，效率低；另一類是用單片機采用數字脈沖調制的方法獲得階梯電流，這種方法需要復雜的計算來使細分后的步距角均勻一致。 本次設計中是采用單片機驅動。 WATCHDOG 自動產生中斷。使 CPU 備用沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 22 電源起作用，對 CPU 正在執行的數據進行保護。 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 23 第 5 章 硬件設計 步進電動機的單片機控制 圖 51 單片機與步進電機的接口 步進電動機的驅動電路根據控制信號工作。在步進電動機的單片機控制中，控制信號由單片機產生，其基本控制作用如下。 步進電動機的通電換相順序嚴格按照電動機的工作臺方式進行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進電動機的單三拍工作方式，其各相通電的順序為 ABCD(正轉 )或 DCBA(反轉 )，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A,B,C,D 相的通電和斷電。 通過前面介紹的步進電動機原理我們知道，如果按給定的工作臺方式正序通電換相，步進電動機就正轉；如果按反序通電換相，則電動機就反轉。 如果給定步進電動機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它就會再轉一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電動機就轉得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電動機的轉速。調整單片機發出 脈沖的頻率，就可以對步進電動機進行調速。 8751 B 相驅 動 C 相驅動 D 相驅動 A 相驅動 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 24 步進電動機的通電順序狀態表 本設計采用 4相控制，其狀態表為 31。表中， 1代表通電， 0代表斷電。 表 52步進電動機的正轉通電順序表 節拍 通電順序 控制模型 正 二進制 十六進制 1 A 1000 0000 80H 2 B 0100 0000 40H 3 C 0010 0000 20H 4 D 0001 0000 10H 表 53步進電動機的反轉通電順序表 節拍 通電順序 控制模型 反 二進制 十六進制 1 D 0001 0000 10H 2 C 0010 0000 20H 3 B 0100 0000 40H 4 A 1000 0000 80H 鍵盤和顯示設計 鍵盤 鍵盤是實現人機對話最常用的輸入設備，根據按鍵識別方法來區分，可分為全編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩大類。我們本次設計采用的是非編碼鍵盤，它有配置靈活和電路結構簡單的優點。編碼鍵盤通過硬件電路產生被按鍵的鍵碼和一個選通脈沖。選通脈沖可以作為 CPU 的中斷請求信號，以通知 CPU 以中斷方式接受所按按鍵的鍵碼。這種鍵盤使用簡單，但硬件電 路復雜，常不采用。非編碼鍵盤根據系統所需鍵的多少排列成 x y 的行列式矩陣，分別接到系統的 I/O接口上，再配合軟件的掃描方式進行工作，來確定是否有鍵按下。 我們選用的是按行逐列掃描， CPU 監測鍵盤是否有鍵按下， CPU 只要把全沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 25 “ 0”送到 8255B 口就可以在所有列線上得到 TTL 低電平，然后讀取 C 口的行值就可以判斷是否有鍵按下。若無鍵按下，則所有該行值必為 03H；若有鍵按下，則行值必因被按按鍵的行列線接通而不等于 03H。若 CPU 發現有鍵按下，則必須獲取被按按鍵的行值和列值。 CPU 獲取被按按鍵的行值和列值只要逐列對鍵盤掃描就行了，即輪流地使 A 口中每條列線變為低電平以及讀取和判斷 C 的行值。若行值為 0C0H，則表明被按按鍵不在本列；若行值不為 0C0H，則對應的列值和行值就是被按按鍵的列值和行值。 本次設計使用的是非編碼鍵盤，以 8255 為驅動芯片是 2 8 的行列是矩陣。將 8255 通過地址所存器 74LS373 鏈接到 8751H 上。 顯示 顯示也是人機對話的另一重要部分， LED 八段數碼管世單片機系統中用得最多得數字輸出顯示部件， LED 八段數碼管通常由構成數字顯示的 a,b,c,d,e,f,g,h七短發光線段及一個表示小數點的 圓點 dp 按一定位置排列組成， LED 八段數碼管可用于顯示 0~9 的數字和部分英文字母。所以我們設計采用 7 段數碼管。其特點是： ，小電流條件下發光。 。 ，重量輕，抗沖擊特性好。 ，可達 10 萬小時，成本低。 圖 54 中加了一個 PNP 型的三極管來控制數碼管的電源，是因為 164 沒有數據所存端，數據在傳送過程中，對輸出端是透明的。所以數據在傳送過程中數碼管有閃動現象，驅動的位數越多，閃動現象越明顯。為了消除這種現象在數據傳送過程中關閉 三極管使數碼管不顯示。數據傳送完后立即點亮數碼管，這樣就實現了所存功能。這種方法可以驅動十幾個數碼管而沒有閃動現象 [6]。 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 26 圖 54 74LS164 連接圖 電源電路設計 本次設計用了 +5V、 +12V 電源，采用的是 78 系列的集成固定三端穩壓管。78 系列集成穩壓器輸出穩定，漂移小，精度也比較高。其內部也有完善的保護電路。它有風部過流保護，保證輸出電流部會超出最大允許值；它有內部熱保護電路，如果輸出管的結溫達 到允許的最大值，它會知道減小輸出電流；它內部還有工作區限制電路。使穩壓器的工作臺不進入不安全區。因此，它的可靠性高。另外，它只有三條引腳，移位輸入，移位輸出，移位公共端，使用起來很簡單。 電源變壓器將 220V 的交流電壓變為所需的交流電壓值。因為在整流、濾波和穩壓電路中有一定的壓降，所以要使輸出電壓比所需電壓高 2V~3V。 整流電路將交流電壓變為脈沖的直流電壓，常用的整流電路有單相半波，全波，橋式和倍壓整流電路。這里采用單相橋式不可控整流電路。 濾波電路用 于濾去整流輸出電壓中的波紋，一般由電抗元件組成。如要負 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 27 載兩端并聯電容或與負載串聯電感 L。以及 C 和 L 組合而成的各種復式濾波電路。因為電容濾波電路簡單，負載直流電壓較高，波紋較小，所以我們采用的是電容式濾波。 穩壓的作用電當電網電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定。本設計采用三端集成穩壓器，常用的是 7800 系列和 7900 系列。前者是三端固定正輸出集成穩壓器，后者是三端固定負輸出極集成穩壓器，整流后的輸出波形與純直流相差甚遠，須經濾波才能作直流電源用。最常用的元件是電容。整流輸出的 電壓升高時，輸出的電流一面供給負載應用，一面給濾波電容充電。當整流輸出電壓開始下降時，電容向負載放電以維持輸出電壓，總的輸出電壓波形就平滑得多。 下面以電源 +12V 為例介紹一下電路的工作原理： 圖 55 +12 電源電路圖 220V， 50HZ 的交流電壓變壓后，輸出 +15V 左右的交流電壓其頻率仍為50HZ，交流信號經橋式整流電路進行全波整流，然后，經電解電容濾波。最后，經 CW7805（三端固定穩壓器）輸出的便是一個平穩的 +12V 的直流電壓信號。電容 C4 和 C5 的作用是濾高頻波和抑制自激振蕩。 抗干擾設 計 由于系統中不可避免會從外界引入干擾，影響系統的控制精度，使系統的穩定性變差，故采用了硬件和軟件抗干擾措施。 ： ①輸入系統：它使模擬信號失真，輸入數據信號出錯。 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 28 ②輸出系統：使各輸出信號混亂，不能反映微機系統的真實輸出量。從而導致一系列嚴重的后果，同時，還把現場的高電壓設備與主機隔離，防止出現高頻干擾現象。 ③微機控制的內核，使三總線上的數據信號混亂， CPU 得到錯誤的數據信息，使運算操作數失真。 ④電源系統：我們設計所采用的芯片都由直流穩壓電源供電。這些直流穩壓電 源都是由 220 伏轉化而來，有可能產生波動現象。使電源的壓降上升或下降，對主機運行產生干擾。 ： ①在電路排列方面，模擬電路和數字電路之間集中在一起，器件之間盡量縮短距離減小寄生電容。 ②在線路設計中，將所有器件的模擬地線和數字地線都區分開，兩者的地線不要混亂，分別與電源地線相連。 ③電源系統的干擾大部分是高次諧波，然后接穩壓器件，以保持電源穩定。 ④采用分散獨立功能模塊供電，在每塊系統功能模塊上用集成三端固定穩壓器如 780 781 781 7915 等穩壓源，而且也減少 了公共阻抗的相互耦合，大大提高了供電的可靠性。 （電源部分） WATCHDOG 本身能獨立工作，基本上不依賴于 CPU，當電源受干擾而掉電時， WATCHDOG 自動產生中斷。使 CPU 備用電源起作用，對 CPU 正在執行的數據進行保護。 看門狗電路 工業環境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現，而最終造成系統故障的多數現象為“死機”。究其原因是 CPU 在執行某條指令時受干擾的沖擊，使它的操作碼或地址碼發生改變，致使該條指令出錯。這時 ,CPU 執行隨機拼寫的指令，甚至將操作數作為操作碼執行，導致程 序“跑飛”或進入“死循環”。為使這種“跑飛”或進入“死循環”的程序自動恢復，重新正常工作，就是看門狗。若程序發生“死機”，則看門狗電路產生復位信號，引導單片機程序重新進入正常運行。 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 29 此外，工業現場由于諸多大型用電設備的投入或撤出電網運行，往往造成系統的電源電壓不穩定，當電源電壓降低或掉電時，會造成重要的數據丟失，系統不能正常運行。若設法在電源電壓降至一定的限值之前，單片機快速的保存重要數據，將會最大限度地減少損失。在掉電方式下單片機內所有運行狀態均被停止，只有片內 RAM 和 SFR 中的數據被保存起來。 在單片機系統可借助于一定的外部附加電路監測電源電壓，并在電源發生故障時及時通知單片機（本次設計是通過引發 INT0 中斷來實現的）快速保存重要數據，使電源恢復正常，取消掉電方式，通過復位單片機，使系統重新正常。 MAX813L 功能簡介 MAX813L 是美國 MAXIM 公司推出的微處理機系統監控集成芯片，該芯片的價格低，減少了器件個數，所構成的電路性能更可靠， MAX813L 提供如下四種功能： 、掉電以及供電電壓下降情況下的復位輸出，復位脈沖寬度典型值為200MS。 。如果看門 狗在 內未被觸發，其輸出將變為低電平。 門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或 +5V 以外的電源的監控間 [6]。 。 看門狗電路各引腳功能 （ MR）：當該端輸入低電壓保持 140ms 以上， MAX813L就輸出復位信號。輸入端的最小輸入脈沖寬要求可以有效的消除開關的抖動。 （ VCC）：接 +5V 電源。 （ GND）：接 0V 參考電平。 （ PFI）：當該端輸入電壓低于 時， 5 號引 腳輸出端的信號有高電平變為低電平。 （ PFO）：電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變為低電平。 （ WDI）：程序正常運行時，必須在小于 的時間間隔內向該輸入端發送一個脈沖信號，以清除芯片內部的看門狗定時器。若超過沈陽工業大學本科生畢業設計（論文 ） 30 該輸入端收不到脈沖信號，則內部定時器溢出， 8 號引腳由高電平變為低電平。 （ RST）：上電時，自動產生 200ms 的復位脈沖：手動復位端輸