《基于电动机的单片机实验和C语言开发》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于电动机的单片机实验和C语言开发（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、能力拓展课程设计任务书学生姓名: 杨 柳 专业班级: 电信 1005 班 指导教师: 刘运苟 工作单位: 信息工程学院 题 目: 基于电动机的单片机实验和C语言开发初始条件:（1） 提供实验室机房；（2） 模拟、数字电子技术的基本理论学习。要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求):（1）设计一种简单的(步进)电动机(MOTOR)控制模块；（2）实现按键对步进电机的启动、转动、停止或调速等控制；（3）要求进行电路实验或仿真；（4）并使用C语言进行程序的开发；（5）对结果进行分析；（6）要求阅读相关参考文献不少于5篇；（7）根据课程设计有关规范，按时、独立完
2、成课程设计说明书。时间安排: (1) 布置课程设计任务,查阅资料,确定方案 四天； (2) 进行编程设计 一周； (3) 完成课程设计报告书 三天；指导教师签名: 年 月 日系主任(或责任教师)签名: 年 月 目录摘要I1.概论11.1 课题的来源11.2 课题研究的意义11.3 课题国内研究现状21.4 课题研究的主要内容22.系统设计原理32.1 系统原理框图32.2 系统工作原理32.3 系统流程图43.系统组成部分53.1 单片机模块53.2 步进电机模块53.3 驱动的工作原理63.4 液晶显示的工作原理73.5 键盘检测的工作原理74.系统原理图84.1 系统原理总图84.2 键盘
3、接口电路84.3 LCD显示电路94.4 步进电机以及驱动电路105.系统软件仿真115.1 步进电机转速控制仿真115.2 步进电机八四拍控制仿真115.3 步进电机转动方向仿真125.4 步进电机的启动和停止功能136.结果分析147.心得体会15参考文献16附件：程序代码17摘要随着微电子和计算机技术的发展，它的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用。本论文主要介绍了基于单片机的步进电机控制的规则、硬件结构、软件代码的编写及工作原理和液晶模块LCD1602的详细
4、介绍。模拟出单片机系统下的步进电机转速控制，具有任意转速选择、转动时间、正反转、加速和减速设置、系统低功耗、可实现在线调试等特点。本系统是以单片机为其控制核心，以有源晶振构成的电路作为时钟信号，通过键盘输入选择向单片机控制系统发出步进转动控制命令，控制系统接收命令后做出一系列必要的判断后，控制电机的转速、转向等。本设计已通过了实验仿真，运行稳定，达到了基本的设计要求。控制系统通过单片机控制器、I/O接口、中断、键盘、LCD显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相/八相步进电机的正反转，急停，加速/减速等功能。关键词
5、：单片机；步进电机；LCD 1602；按键控制1.概论1.1 课题的来源步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。
6、比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。1.2 课题研究的意义 对基于单片机控制的步进电机的转速控制进行设计的目的：一方面是对所学知识的综合运用，可以更好地
7、学习单片机的应用技术，巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力，培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力，以及通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。另一方面步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。1.3 课题国内研究现状 上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。到了80年
8、代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变
9、化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。1.4 课题研究的主要内容 本文针对步进电机控制的设计，首先介绍了选题的要求，之后详细叙述了软件和硬件的设计过程。 硬件部分是由中央处理器（AT89C51单片机），控制部分（独立式按键系统），显示部分（1602LCD液晶显示模块），驱动部分（ULN2003A芯
10、片）组成。软件部分的主要内容是通过对步进电机的控制、驱动程序进行编写和调试以实现步进电机的功能。通过硬件和软件调试，并针对问题分析修改后，步进电机系统可以稳定运行。步进电机系统中各个部分之间通过数据的传送最终完成了整个步进电机的运行、显示和进行按键的功能。 最后论文对设计进行了总结，对设计中可以进一步改善的地方提出了建议。2.系统设计原理2.1 系统原理框图本设计要分为两大块：一为硬件电路组成部分，一为软件程序设计部分。在硬件电路里主要包括晶振部分、键盘输入控制部分、电机驱动电路及液晶显示部分等与单片机控制模块；软件编程方面主要是子程序和主程序的编写，包括：初始化代码、液晶驱动代码、按键检测代
11、码、脉冲驱动代码、步进马达控制代码等。AT89C51单片机控制检测功能按钮晶振电路复位电路液晶显示电路步进驱动电路步进电机步进电机控制是一个比较精确的控制，本次选择用AT89C51单片机来控制ULN2003A驱动器来驱动步进电机，使步进电机能够有规律的进行起停、正转、反转、四相、八相等功能，同时显示当前运行状态。下面是步进电机控制原理框图2.1所示。图2.1 系统原理框图2.2 系统工作原理单片机采集按键的控制输入，通过扫描按键的状态来控制步进电机工作。启动/暂停键和控制步进电机转动的启动或暂停；正转/反转键控制步进电机的转动方向；八拍/四拍键控制步进电机的工作方式；加速键和减速键一起控制步进
12、电机的转动速度。最后将步进电机的转速和当前的状态（正反转、八四拍）显示出来，便于直观的观察。2.3 系统流程图变量、端口定义主函数LCD初始化While(1)电机转速处理电机信息显示键盘扫描脉冲驱动先初始化步进电机的速度，然后将速度显示在液晶上；接着一直扫描键盘的控制信息，根据对应的按键执行相应的功能；最后立即将其功能显示在LCD1602上。整个流程图如图2.2所示。图2.2 系统流程图3.系统组成部分3.1 单片机模块Atmel公司生产的AT89C51单片机是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的F
13、lash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。包括复位电路和晶振电路。 3.2 步进电机模块四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。1四相步进电机的工作原理：当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转
14、动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。2步进电机的静态指标及术语：相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。以四相电机为例，有四相四拍运行方式ABBCCDDAAB，四相八拍运行方式AABBBCCCDDDAA。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。四相运行时步距角zz x为=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度。静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。3四相步进电机的脉冲分配规律：目前，对步进电机的控制主要
