自动化工程训练报告.doc

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1、自动化工程训练自动化工程训练 设计报告设计报告 学 院： 信息科学与工程学院 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 时间：2011 年 9 月 7 日 目录目录 一、设计课题名称及要求一、设计课题名称及要求1 1 二、设计思想和实施方案二、设计思想和实施方案2 2 2.1 硬件部分硬件部分.2 2.1.1 步进电机步进电机2 2.1.2 单片机及其他硬件电路单片机及其他硬件电路5 三、硬件电路原理图及分析三、硬件电路原理图及分析1010 四、典型程序模块及典型编程技巧分析四、典型程序模块及典型编程技巧分析1111 4.1 单片机程序分析单片机程序分析11 4.1.1 主程序步进电机控制模块

2、主程序步进电机控制模块11 4.1.2 DISPLAY数码管显示模块数码管显示模块12 4.1.3 KEYSCAN 键盘扫描模块键盘扫描模块12 4.1.4 定时器定时器 0 的初始化模块和中断服务子程序模块的初始化模块和中断服务子程序模块 12 4.1.5 串口的初始化模块和中断服务子程序模块串口的初始化模块和中断服务子程序模块12 4.1.6 DELAYMS软件延时模块软件延时模块.13 4.2 DELPHI程序分析程序分析.13 4.2.1 系统所用组件系统所用组件 13 4.2.2 应用软件的具体操作步骤应用软件的具体操作步骤17 五、设计中遇到的问题及解决方法五、设计中遇到的问题及解

3、决方法1919 六、程序清单和程序注释六、程序清单和程序注释2020 七、收获与体会七、收获与体会2020 八、参考文献八、参考文献2121 附录：附录：2222 附录附录 1：硬件电路图：硬件电路图.22 附录附录 2：单片机：单片机 C 语言程序清单语言程序清单 23 附录附录 3：汇编程序清单：汇编程序清单 .30 一、设计课题名称及要求一、设计课题名称及要求 1. 课题开发与设计方向 基于 SST89E554RC 单片机实验系统的综合实验应用开发与设计：要求在掌 握相关基础性实验项目的基础上，完成综合性实验项目，并在此基础上增加键 盘输入功能、数据显示功能和通信功能等。 2设计课题：基

4、于 Delphi 和单片机的串行通信的步进电机控制 3设计要求： （1）分别用 C 语言编程完成硬件接口功能设计； （2）基于单片机接口硬件电路设计调试； （3）控制功能要求：小键盘给定分段速度，数码管显示当前步进电机方向、 速度信息； （4）具有本地与远程（串行方式下）功能； （5）用 Delphi 设计人机交互界面，可通过人机界面在上位机上实现对步进 电机速度的控制。界面可显示当前电机速度信息。 4实验设备：PC 机一台、小型单片机试验箱（含 STC89C52RC 单片机、数码 管、独立键盘） 、步进电机。 二、设计思想和实施方案二、设计思想和实施方案 本次课程设计主要内容是步进电机的控制

5、和运行状态显示，硬件部分主要 的涉及的步进电机、小键盘、数码管和相关控制电路。软件包括下位机单片机 程序设计和上位机中 Delphi 设计的人机交互界面，二者互相协作实现串口通信。 本次设计的思路是由计算机操作 Delphi 制作的人机交互界面通过串口通信 向单片机发送 0 到 15 之间的两位十进制数据或者十六进制数据作为速度设定， 由单片机产生一系列脉冲信号实现对步进电机进行控制。单片机发出的脉冲信 号控制步进电机的运行速度。同时单片机把步进电机运行状况反馈给计算机， 由所编写的 DELPHI 组件显示步进电机的运行状况并进行监控。此外还可以通过 硬件的独立键盘发给单片机控制信号，实现控制

6、步进电机的启动、停止、转向 和速度等级，同时利用数码管显示步进电机当前的运转状态。 该设计实现了上位机对步进电机的控制。通过计算机与单片机通信发出脉 冲信号控制步进电机的启动停止运行。通过 C 语言编程，能够实现对步进电 机正反两个方向运行的控制，单片机控制板用来发送脉冲信号直接控制步进电 机各相线路电流的通断。根据计算机所发送的十进制数，再根据驱动电路的原 理和步进电机的特性说明来确定步进电机各相的具体通电步骤，同时控制板上 可以显示出步进电机的转向和速度等级。 2.1 硬件部分硬件部分 2.1.1 步进电机步进电机 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统 电动机作

7、为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关 键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能 满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求， 发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十 分广泛的一类便是步进电动机。 步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围 设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电 动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系 统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加 工机床、测量仪器、光学

8、和医疗仪器以及包装机械等。 步进电动机有如下特点： （1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一转后， 没有累计误差，具有良好的跟随性。 （2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价， 又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 （3） 步进电动机的动态响应快，易与起停、正反转及变速。 （4） 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转 矩， 因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。 （5） 步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流 电源和直流电源。 （6） 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统

9、和机械负载采取 相应的措施。 （7）步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 随着科学技术的进步，步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、 高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、 省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、 位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号, 步进电机就转动一个角度,因此非常适合对数字系统的控制。步进电机可分为反 应式步进电机(简称“VR”) 、永磁式步进电机(简称“PM”)和混合式步进电机 (简称

10、“HB”) 。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,通过输入脉冲信 号来进行控制,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信 号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由各类控制器来 产生。其基本原理作用如下: （1）步进电机的转动和转向控制 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和 脉冲数。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向 转动一个固定的角度，即步距角。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 通过控制脉冲个数来控制角位移量，可以达到准确定位的目的。通过控制脉冲 频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。

11、步进电机作为执行元 件, 广泛应用在各种自动化控制系统中。本次课程设计控制的是实验室提供的 四项八拍步进电机，电压时 DC12V，其励磁线圈及励磁顺序如图 2.1 和表 2.1 所示。 表表 2.12.1 四项八拍步进电机励磁顺序四项八拍步进电机励磁顺序 图图 2.12.1 四项八拍步进电机励磁线圈四项八拍步进电机励磁线圈 制换相顺序,通电换相。这一过程称为“脉冲分配” 。例如:四相步进电机的 单四拍工作方式,其各相通电顺序为 A B CD。通电控制脉冲必须严格按 照这一顺序分别控制 A、B、C、D 相的通断,控制步进电机的转向。如果给定工 作方式正序换相通电,则步进电机正转;如果按反序换相通

12、电,则电机就反转。 （2）步进电机的速度控制 如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。 两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率,就可 以对步进电机进行调速。 考虑到步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲，结 合单片机课程中所学的硬件知识，决定使用单片机 P1 向步进电机传送供电脉冲。 其中 P1.0 表示 A 相线路，P1.1 表示 B 相线路，P1.2 表示 C 相线路，P1.4 表示 D 相线路。当 P1.X=1 时，该相通电，当 P1.X=0 时，该相断电。通过控制 P1 口 的输出来控制步进电机的励磁顺序。设定步进

13、电机共有 18 个速度等级，数字越 大，电机转动速度越快。利用软件编程实现不同延时，得到不同的脉冲频率， 从而实现对步进电机的转速控制。 2.1.2 单片机及其他硬件电路单片机及其他硬件电路 1.单片机 步进电机的控制系统主要由单片机 STC89C52RC、数码管及其显示电路、独 立键盘、USB 芯片转串口芯片 PL2303 、电源和时钟电路等几个单元组成，单片 机系统如图 2.2 所示： 显示系统 单 片 机 通 信 系 统 驱动器 步进电机 图图 2.22.2 系统整体方案设计系统整体方案设计 本设计所用的 STC89C52RC 是一个低功耗，高性能 8 位单片机。STC89C52RC 具

14、有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 的随 机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先 级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看 门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。如图 2.3 所示。 图图 2.32.3 单片机单片机 STC89C52RCSTC89C52RC 示意图示意图 STC89C52RC 单片机中两条主电源引脚，两条外接晶体引脚，4 条控制电源 复位引脚，32 条 I/O 引脚。其中 19 脚、20 脚外接晶振 11.0592MHZ 及两个 30

15、P 电容，9 脚外接复位电路，40 脚、20 脚分别接电源正负极，31 脚接+5V 电源， 以上所述是保证单片机能正常工作的外接条件。 P0 口：共 8 条引脚，即 3932 脚，是双向 8 为三态 I/O 口。本次设计 P0 口为数据端口。由于本次设计采用的共阴数码管，所以 8 位输出信号为欲输出 的 0-9 的共阴极段选码。 P1 口：共 8 条引脚，即 18 脚，P1 口是一个带有内部上拉电阻的 8 为双 向 I/O 口。本次设计中其中 P0.0 到 P0.4 控制步进电机驱动器，通过 P0.0 发出 的时钟脉冲来控制步进电机的起停，通过控制 P0.0 口各脉冲的快慢来实现对步 进电机的

16、定速控制，通过 P0.0 时钟脉冲的次数来实现对步进电机的定位控制。 改变 P0.0 到 P0.4 输出脉冲的顺序来控制步进电机的正反转。 P3 口：共 8 条引脚，即 1017 脚。 P3 口的每个引脚都有各自的第二功能。 P3.0 口的第二功能时 RXD，既串行数据接收端，P3.1 口的第二功能是 TXD,既串 行数据发送端。因此 P3.0、P3.1 在系统中起着与计算机互传数据的作用，是步 进电机通信控制的主要端口。P3.2、P3.3 作为数码管显示电路锁存使能信号。 P3.2 为段锁存信号，P3.3 为位锁存信号。 2.串口通信 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线 Universal SerialBus 或者 USB 混淆） 。大多数计算机包含两个基于 RS232 的串 口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多 GPIB 兼容的设备也带有 RS-232 口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字 节（byt