《直流电机控制原理及C程序（2020年8月）.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电机控制原理及C程序（2020年8月）.doc（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、一 寸 光 阴 不 可 轻 项目八 键盘控制电机方向和转速【教学目标】终极目标能利用AT89S52单片机及独立键盘，通过C语言程序实现键盘控制步进电机和直流电机的速度和方向，完成单片机输入输出控制系统的设计、运行及调试。促成目标1. 了解单片机产品开发的流程；2. 了解步进电机和直流电机结构和工作原理；3. 掌握步进电机和直流电机速度、方向控制关键技术；4. 掌握头文件的编写方法；5. 掌握电机速度、方向控制的电路设计和编程的方法；6. 会利用单片机I/O口实现电机速度、方向控制。8.1 单片机产品开发单片机产品开发是为完成某项任务而研制开发的单片机应用系统，是以单片机为核心，配以外围电路和软
2、件，能实现确定任务、功能的实际应用系统。根据不同的用途和要求，单片机产品的系统配置及软件也有所不同，但它们的开发流程和方法大致相同。8.1.1 单片机产品的结构单片机产品是由硬件和软件组成。硬件是指单片机、扩展的存储器、输入输出设备等硬件部件组成的，软件是各种工作程序的总称。一个典型单片机产品结构如图8-1所示。图8-1典型单片机产品结构从图8-1不难看出单片机产品所需要的一般配置： （1）单片机。如AT89C51、AT89C52、AT89S51以及AT89S52等单片机。（2）人机交流设备。输入设备有键盘和按键，输出设备有数码管、液晶显示模块和指示灯等。（3）信号采集的输入通道。如出租车的测
3、距、测速装置，温控系统的温度传感器、洗衣机的水位测量等设备。（4）向操作对象发出各种控制信号的输出通道。如空调启动压缩机的开关电路，控制彩电的频道切换、颜色、音量等的接口电路。（5）与其他计算机系统或智能设备实现信息交换，还需配置通信接口电路。如RS-232、RS-485等。（6）有时还需扩展外部RAM、EEPROM用于存放数据。如彩电遥控系统中存放系统数据的存储器。8.1.2 单片机产品开发流程1确定功能技术指标单片机产品开发流程是以确定产品的功能和技术指标开始的。首先要细致分析、研究实际问题，明确各项任务与要求，综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、经济效益，拟订出合理可行的技术
4、性能指标。2单片机产品总体设计在对单片机产品进行总体设计时，应根据单片机产品提出的各项技术性能指标，拟订出性价比最高的一套方案。首先，应根据任务的繁杂程度和技术指标要求选择机型。选定机型后，再选择产品中要用到的其它外围元器件，如传感器、执行器件等。在总体方案设计过程中，对软件和硬件进行分工是一个首要的环节。原则上，能够由软件来完成的任务就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构。同时，还要求大致规定各接口电路的地址、软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留区域及工作缓冲区等。总体方案一旦确定，系统的大致规模及软件的基本框架就确定了。3硬件设计硬件设计是指应用系统的电路设计，包括
5、主机、控制电路、存储器、I/O接口、A/D和D/A转换电路等。硬件设计时，应考虑留有充分余量，电路设计力求正确无误，因为在系统调试中不易修改硬件结构。硬件电路设计时应注意以下几个问题：（1）程序存储器一般可选用容量较大的EPROM芯片，如27128（16 KB）、27256（32 KB）或27512（64 KB）等。尽量避免用小容量的芯片组合扩充成大容量的存储器，程序存储器容量大些，则编程空间宽裕些，价格相差也不会太多。 （2）数据存储器和I/O接口根据系统功能的要求，如果需要扩展外部RAM或I/O口，那么RAM芯片可选用6116（2 KB）、6264（8 KB）或62256（32 KB），原
6、则上应尽量减少芯片数量，使译码电路简单。I/O接口芯片一般选用8155（带有256 KB静态RAM）或8255。这类芯片具有口线多、硬件逻辑简单等特点。若口线要求很少，且仅需要简单的输入或输出功能，则可用不可编程的TTL电路或CMOS电路。A/D和D/A电路芯片主要根据精度、速度和价格等来选用，同时还要考虑与系统的连接是否方便。（3）地址译码电路通常采用全译码、部分译码或线选法，应考虑充分利用存储空间和简化硬件逻辑等方面的问题。MCS-51系统有充分的存储空间，包括64 KB程序存储器和64 KB数据存储器，所以在一般的控制应用系统中，主要是考虑简化硬件逻辑。当存储器和I/O芯片较多时，可选用
7、专用译码器74S138或74LS139等。（4）总线驱动能力MCS-51系列单片机的外部扩展功能很强，但4个8位并行口的负载能力是有限的。P0口能驱动8个TTL电路，P1P3口只能驱动4个TTL电路。在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载能力的70%，以保证留有一定的余量。如果满载，会降低系统的抗干扰。在外接负载较多的情况下，如果负载是MOS芯片，因负载消耗电流很小，所以影响不大。如果驱动较多的TTL电路，则应采用总线驱动电路，以提高端口的驱动能力和系统的抗干扰能力。数据总线宜采用双向8路三态缓冲器74LS245作为总线驱动器，地址和控制总线可采用单向8路三态缓冲区74LS244作为单向总
8、线驱动器。（5）系统速度匹配MCS-51系列单片机时钟频率可在212 MHz之间任选。在不影响系统技术性能的前提下，时钟频率选择低一些为好，这样可降低系统中对元器件工作速度的要求，从而提高系统的可靠性。4抗干扰措施单片机产品的工作环境往往都是具有多种干扰源的现场，抗干扰措施在单片机产品设计中显得尤为重要。根据干扰源引入的途径，抗干扰措施可以从以下两个方面考虑。 （1）电源供电系统为了克服电网以及来自系统内部其它部件的干扰，可采用隔离变压器、交流稳压、线滤波器、稳压电路各级滤波等防干扰措施。（2）电路上的考虑为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施：1）大规模IC芯片
9、电源供电端VCC都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级供电节点还应加足够容量的退耦电容；2）开关量I/O通道与外界的隔离可采用光电耦合器件，特别是与继电器、可控硅等连接的通道，一定要采用隔离措施；3）可采用CMOS器件提高工作电压（+15 V），这样干扰门限也相应提高；4）传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强；5）电路应有合理的布线及接地方式；6）与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施。 5软件设计单片机产品的软件设计是产品研制过程中任务最繁重的一项工作，难度也比较大。对于某些较复杂的应用系统，不仅要使用汇编语言来编程，有时还要使用高级语言。单片机产品的软件主
10、要包括两大部分：用于管理单片机工作的监控程序和用于执行实际具体任务的功能程序。对于监控程序，应尽可能利用现成的监控程序。为了适应各种应用的需要，现代的单片机开发系统的监控软件功能相当强，并附有丰富的实用子程序，可供用户直接调用，例如键盘管理程序、显示程序等。因此，在设计系统硬件逻辑和确定应用系统的操作方式时，就应充分考虑这一点。 这样可大大减少软件设计的工作量，提高编程效率。对于功能程序要根据产品的功能要求来编程序。例如，外部数据采集、控制算法的实现、外设驱动、故障处理及报警程序等。单片机产品的软件设计千差万别，不存在统一模式。进行软设计时，尽可能采用模块化结构。根据系统软件的总体构思，按照先
11、粗后细的方法，把整个系统软件划分成多个功能独立、大小适当的模块。应明确规定各模块的功能，尽量使每个模块功能单一，各模块间的接口信息简单、完备，接口关系统一，尽可能使各模块间的联系减少到最低限度。这样，各个模块可以分别独立设计、编制和调试，最后再将各个程序模块连接成一个完整的程序进行总调试。6单片机产品调试单片机产品开发必须经过调试阶段，只有经过调试才能发现问题，改正错误，最终完成开发任务。实际上，对于较复杂的程序，大多数情况下都不可能一次性就调试成功，即使是资深设计人员也是如此。单片机产品调试包括硬件调试和软件调试。硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。软件调试是
12、利用开发工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬件故障。程序调试一般是一个模块一个模块地进行，一个子程序一个子程序地调试，最后联起来统调。利用开发工具的单步和断点运行方式，通过检查应用系统的CPU现场、RAM和SFR的内容以及I/O口的状态，来检查程序的执行结果和系统I/O设备的状态变化是否正常，从中发现程序的逻辑错误、转移地址错误以及随机的录入错误等。 也可以发现硬件设计与工艺错误和软件算法错误。在调试过程中，要不断调整、修改系统的硬件和软件，直到其正确为止。联机调试运行正常后，将软件固化到EPROM中，脱机运行，并到生产现场投入实际工作，检验其可靠性和抗干扰能力，直到完全
13、满足要求，单片机产品才算研制成功。8.2 工作模块21 步进电机控制系统设计与实现【工作任务】利用AT89S52单片机及独立键盘控制步进电机的速度和方向。独立键盘有反转按键、加速按键、减速按键和正转按键。步进电机电气参数：工作电压4.56.5，步进角是18。8.2.1 步进电机控制技术步进电机的结构及基本知识点在工作模块5中已经介绍过了，在这里只对实现步进电机速度和方向控制的关键技术进行介绍。1速度控制技术本工作模块使用的步进电机的步进角是18，由于步进电机旋转角度与输入脉冲数目成正比，所以输入20个脉冲信号，步进电机就会旋转20个步进角，且刚好转一圈（2018=360）。那么怎么控制步进电机
14、的转速呢？下面我们先分析如何实现步进电机转速为30转/分和转速为60转/分。（1）转速为30转/分旋转一圈的时间是60s/30圈=2s，旋转一个步进角的时间是2s/20=100ms（每圈20个步进角）。也就是说给一个脉冲信号，旋转一个步进角，延时100ms，再给一个脉冲信号，旋转一个步进角，延时100ms，这样就可以获得转速为30转/分。（2）转速为60转/分旋转一圈的时间是60s/60圈=1s，旋转一个步进角的时间是1s/20=50ms（每圈20个步进角）。和转速为30转/分比较，脉冲信号之间的延时时间为50ms，延时时间变短，转速提高了。根据以上分析，我们只要改变脉冲信号之间的延时时间，即
15、改变每步之间的延时时间，便可控制步进电机的转速。延时时间变短，转速提高，延时时间变长，转速降低。注意：步进电机的负载转矩与转速成反比，转速越快负载转矩越小，当转速快至其极限时，步进电机不再旋转。所以每走一步，必须延时一段时间。2. 方向控制技术本工作模块是采用1相励磁顺序，四种励磁状态为一个循环。只要改变励磁顺序，就可以改变步进电机旋转方向。（1）正转时，1相励磁顺序为：ABCD（2）反转时，1相励磁顺序为：DCBA8.2.2 步进电机控制系统电路设计按照工作任务要求，步进电机控制系统电路是由AT89S52单片机最小应用系统、步进电机驱动电路、键盘电路等模块构成。1键盘模块设计步进电机控制系统具有反转、加速、减速和正转个功能，可以用个按键实现。由于按键数目少，键盘模块设计采用独立键盘。这个按键分别接到P2口的P2.0、 P2.1 、P2.2和 P2.3引脚，为反转按键、加速按键、减速按键和正转按键。如图8-2所示。图8-2 键盘电路2步进电机驱动
