步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.doc_第1頁
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方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)1.1.1設(shè)計(jì)要求(1)用帶中斷行列式鍵盤作為數(shù)據(jù)和暫停等功能的輸入(2)七段數(shù)碼管顯示當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(3)采用集成芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路(4)使用PROTEUS軟件對(duì)程序進(jìn)行仿真和調(diào)試1.1.2設(shè)計(jì)任務(wù)(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求劃分功能模塊(2)編程實(shí)現(xiàn)模塊要求(3)根據(jù)模塊畫出總電路圖(4)畫出模塊程序流程圖(5)編寫整個(gè)源程序代碼(6)PROTEUS仿真與調(diào)試1.2方案設(shè)計(jì)與論證1.2.1總體方案論證與比較方案一、采用AT89C51單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元。以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路,采用模塊化的設(shè)計(jì)方案,使用行列式鍵盤作為數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)碼管做數(shù)據(jù)的輸出顯示、以L298作為驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī),實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、暫停、繼續(xù)。修改延時(shí)子程序可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在本系統(tǒng)中,行列式鍵盤起著人機(jī)交互的作用,是輸入電路的主要組成部分,行列式鍵盤是通過反轉(zhuǎn)法編程實(shí)現(xiàn)的,相對(duì)于行列的查詢法,更加簡單實(shí)用,容易理解。在行列式鍵盤的程序設(shè)計(jì)中,利用了中斷程序,更好的體現(xiàn)了控制的實(shí)時(shí)性,它既和硬件有關(guān),又和軟件有關(guān),使得步進(jìn)電機(jī)的控制更靈活,效率更高;利用四位一體的七段數(shù)碼管顯示輸入的步數(shù),并動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前剩余步數(shù);以L298數(shù)字芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,解決單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力不足的缺點(diǎn)。此系統(tǒng)比較靈活,采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分,使系統(tǒng)硬件簡潔化,各類功能易于實(shí)現(xiàn),具有高度的智能化、人性化,一定程度體現(xiàn)了智能,能滿足系統(tǒng)的要求。此方案的基本原理如圖1.1所示。AT89S51單片機(jī)鍵盤輸入模塊步進(jìn)電機(jī)顯示模塊 圖1.1 方案一原理框圖方案二、采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)數(shù)字芯片L297以及L298組合使用控制步進(jìn)電機(jī)。采用數(shù)字電路對(duì)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的信號(hào)進(jìn)行處理,由于L297以及L298的組合使用,能有效的減少單片機(jī)I/O口的使用,并大幅度的提高單片機(jī)的帶負(fù)載能力。但由于該課程設(shè)計(jì)可用的I/O口充足,如果過多的使用數(shù)字芯片,這樣必然帶來高成本、電路復(fù)雜等缺點(diǎn)。因此,本方案靈活性不高,效率低,不利于步進(jìn)電機(jī)的性能。同時(shí),對(duì)各路信號(hào)處理也比較困難。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn),方案一簡潔、靈活、可擴(kuò)展性好,能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,因此本設(shè)計(jì)采用方案一來實(shí)現(xiàn)。 第2章 電路設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)電路原理 系統(tǒng)電路圖如圖2.1所示 圖2.1 系統(tǒng)電路圖2.2主要元器件選擇單片機(jī)具有運(yùn)算能力強(qiáng)、功耗低、大尋址范圍以及廉價(jià)等特點(diǎn),基于單片機(jī)的上述優(yōu)越性,所以首選單片作為整個(gè)電路設(shè)計(jì)的核心控制器件。綜合單片機(jī)存儲(chǔ)器,驅(qū)動(dòng)能力,抗干擾能力等各個(gè)方面的要求選擇ATS89C51。顯示電路采用四位一體的七段數(shù)碼管既能夠滿足顯示的要求,同時(shí)相對(duì)于使用LCD作為電路顯示單元來說,從顯示效果上七段數(shù)碼管顯示具有字符大,亮度高等特點(diǎn),從硬件電路上七段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)也同樣簡單,并且七段數(shù)碼管的成本更低,更符合設(shè)計(jì)效益方面的要求。由于單片機(jī)最高輸出電壓為+5V,而步進(jìn)電機(jī)的額定工作電壓是+12V,所以必須采用外圍的驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路多種多樣,從設(shè)計(jì)的要求分析,我們可以采用單電源供電方式電路作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。兩相步進(jìn)電機(jī)工作在雙相四拍工作方式時(shí)需要四種不同狀態(tài)的時(shí)序脈沖,所以使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298能夠使電路的結(jié)構(gòu)更簡單,并且能夠提高電路的穩(wěn)定性和可靠性。2.3單元電路設(shè)計(jì) 2.3.1步進(jìn)電機(jī)控制原理 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī),它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移,即給一個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是,它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的,即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定,而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作,控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下: (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如:兩相步進(jìn)電機(jī)的雙相四拍工作方式,其各相通電順序時(shí)序如圖所示:通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B兩相的通斷。 圖2.2 步進(jìn)電機(jī)原理圖 圖2.3 步進(jìn)電機(jī)雙相四拍工作時(shí)序圖(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),如果按反序通電換相,則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個(gè)脈沖,它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率,就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。2.3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 步進(jìn)電機(jī)可以有多種驅(qū)動(dòng)方式,例如單電源供電方式,高低雙電源供電等,綜合該設(shè)計(jì)各方面的因素,采用單電源供電方式作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),電路結(jié)構(gòu)比較簡單,也具有一定的可靠性。但在高頻時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾,影響步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行。單電源供電方式原理圖如圖2.4所示:圖2.4 單電源供電方式原理圖采用數(shù)字芯片L298作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,L298引腳分布及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)從L298的In1-In4輸入,步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)從Out1-Out4輸出。 圖2.5 L298引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2.3.3數(shù)碼顯示管在此次課程設(shè)計(jì)中,為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,讓我們更好的控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),我們用四合一的8位數(shù)碼顯示管來顯示我們輸入的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù),并且通過程序讓步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次,數(shù)碼顯示管上的數(shù)相應(yīng)減少一,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)完我們需要其轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)時(shí),數(shù)碼顯示管上顯示的數(shù)字也減少到“0”,然后數(shù)碼顯示管會(huì)顯示英文單詞“OVER”,由此提醒人步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)完成,從而實(shí)現(xiàn)人們對(duì)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制。數(shù)碼顯示管是由二極管顯示字段的顯示器件,它由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成,通過不同的組合可以顯示0到9,A到F以及小數(shù)點(diǎn)等字符。數(shù)碼管通常有共陰極和共陽極兩種類型,共陰極數(shù)碼管陰極必須接低電平(一般為地),當(dāng)一個(gè)發(fā)光二極管的陽極連到高電平時(shí),此二極管亮;共陽極數(shù)碼管的發(fā)光二極管是陽極并接到高電平(一般為+5V),需點(diǎn)亮的發(fā)光二極管陰極接到低電平即可。顯然,要顯示一個(gè)字型就應(yīng)該使此字型的相應(yīng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮,實(shí)際上就是送一個(gè)不同電平的組合代表的數(shù)據(jù)到數(shù)碼管。在此次課程設(shè)計(jì)中,我們采用的使共陽極數(shù)碼顯示管,因?yàn)?,在?shù)碼顯示管于單片機(jī)相連接時(shí),若為共陰極,則必須接上上拉電阻,這樣數(shù)碼顯示管對(duì)單片機(jī)的壓力太大,而共陽極卻不要,所以為了減低單片機(jī)的壓力,減少成本,增大元器件的壽命,我們采用的使共陽極的數(shù)碼顯示管。2.3.4行列式鍵盤在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中,掃描鍵盤只是CPU的工作任務(wù)之一。在實(shí)際應(yīng)用中,要想做到既能及時(shí)響應(yīng)鍵操作,又不過多的占用CPU的工作時(shí)間,就要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中的忙閑情況選擇適當(dāng)?shù)逆I盤工作方式。鍵盤的工作方式一般有循環(huán)掃描和中斷掃描兩種。循環(huán)掃描方式是利用CPU在完成其它工作的空余,調(diào)用鍵盤掃描子程序,來響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時(shí),CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。鍵盤掃描程序應(yīng)具備以下4項(xiàng)功能:1,判斷鍵盤上有無按下。2,去除鍵的抖動(dòng)操作。3,掃描鍵盤,得到按下鍵的鍵號(hào)。4,判別閉合的鍵是否釋放。采用循環(huán)掃描鍵盤的工作方式,雖然也能響應(yīng)鍵入的命令或數(shù)據(jù),但這種工作方式不管鍵盤上有無按鍵按下,CPU總要定時(shí)掃描鍵盤;而應(yīng)用系統(tǒng)在工作時(shí),并不需要按鍵輸入,因此,CPU常處于空掃描狀態(tài)。中斷掃描工作方式可以提高CPU的工作效率,即只在鍵盤有鍵按下時(shí)發(fā)中斷請(qǐng)求,CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后,轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序,進(jìn)行鍵盤掃描,識(shí)別鍵碼。中斷掃描工作方式是一種簡易鍵盤接口電路,其直接有80C51P1口的高,低字節(jié)構(gòu)成4*4行列式鍵盤。鍵盤的列線與P1口的低四位相接,鍵盤的行線接到P1口的高四位。在中斷掃描方式中,有一個(gè)與門,其輸入端分別與各列線相連,而輸入端接單片機(jī)外部中斷輸入INT0。初始化時(shí),鍵盤行輸入口全部置0。當(dāng)有鍵按下時(shí),INT0端為低電平,向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求,若CPU開放外部中斷,則響應(yīng)中斷請(qǐng)求,進(jìn)入中斷服務(wù)程序。綜合以上所述,我們采用中斷工作方式。 第3章 程序設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)程序流程 3.1.1主程序流程圖 由于程序?qū)崿F(xiàn)的功能比較的多,為了能夠更清晰的體現(xiàn)設(shè)計(jì)思路,編寫合理規(guī)范的程序;同時(shí)也是為了能夠更好的協(xié)調(diào)各模塊的功能,提高程序的執(zhí)行效率和,所以一般首先畫出主程序的流程圖,然后在主程序流程圖結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下完成各個(gè)部分的功能。這種設(shè)計(jì)的思路充分的體現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)思想,因?yàn)槟K化的設(shè)計(jì)思想能夠使編寫的程序在以后的調(diào)試和修改的過程中也顯得比較的容易。主程序流程圖如圖3.1所示。 圖3.1 主程序流程圖3.1.2中斷服務(wù)程序流程圖 中斷服務(wù)程序主要實(shí)現(xiàn)鍵盤的功能并且把用戶從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。中斷服務(wù)程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2 中斷服務(wù)程序流程圖 3.1.2顯示子程序流程圖 數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描的顯示方法,從P2.0-P2.3口依次高電平選通需要顯示的數(shù)碼管,顯示數(shù)字的字形碼存放在60H到63H單元中。為了觀察到比較穩(wěn)定而且亮度高的顯示效果,延時(shí)子程序一般延時(shí)2-5ms。顯示子程序流程圖如圖3.3所示。圖3.3 顯示子程序流程圖 3.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP KEY ORG 0100;*程序初始化* MAIN:SS BIT 20H ;1代表開始 ZZ BIT 21H ;1代表正轉(zhuǎn) FF BIT 22H ;1反轉(zhuǎn) PP BIT 23H ;1表示暫停 JX BIT 24H ;1代表繼續(xù) BACK BIT 25H; MOV SP,#30H MOV P1,#0FH MOV IE,#81H MOV 60H,#00H MOV 61H,#00H MOV 62H,#00H MOV 63H,#00H SETB IT0;*控制主程序* START: JB SS,BEGIN LCALL DISP LJMP START ;沒有開始,則等待 BEGIN: JB ZZ,ZHENG JB FF,FAN LCALL DISP LJMP START;*步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)程序* ZHENG:SETB P2.4 SETB P2.5 CLR P2.6 CLR P2.7 LCALL DISP ;完成一步 LCALL CHECK JB BACK ,POS1 LJMP WAN POS1:CLR P2.4 SETB P2.5 SETB P2.6 CLR P2.7 LCALL DISP ;完成一步 LCALL CHECK JB BACK ,POS2 LJMP WAN POS2:CLR P2.4 CLR P2.5 SETB P2.6 SETB P2.7 LCALL DISP;完成一步 LCALL CHECK JB BACK ,POS3 LJMP WAN POS3:SETB P2.4 CLR P2.5 CLR P2.6 SETB P2.7 LCALL DISP ;完成一步 LCALL CHECK JB BACK ,ZHENG LJMP WAN;*步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)程序* FAN:SETB P2.4 CLR P2.5 CLR P2.6 SETB P2.7 LCALL DISP ;完成一步 LCALL CHECK JB BACK ,POSS1 LJMP WAN POSS1:CLR P2.4 CLR P2.5 SETB P2.6 SETB P2.7 LCALL DISP ;完成一步 LCALL CHECK JB BACK ,POSS2 LJMP WAN POSS2:CLR P2.4 SETB P2.5 SETB P2.6 CLR P2.7 LCALL DISP;完成一步 LCALL CHECK JB BACK ,POSS3 LJMP WAN POSS3:SETB P2.4 SETB P2.5 CLR P2.6 CLR P2.7 LCALL DISP ;完成一步 LCALL CHECK JB BACK ,FAN LJMP WAN;*步進(jìn)電機(jī)步數(shù)為0,暫停,繼續(xù)功能查詢子程序* CHECK:MOV R1,#60H DEC R1 CJNE R1,#0FFH,OV1 INC R1 DEC R1 MOV 60H,#09H CJNE R1,#0FFH,OV1 INC R1 DEC R1 MOV 60H,#09H MOV 61H,#09H CJNE R1,#0FFH,OV1 INC R1 DEC R1 MOV 60H,#09H MOV 61H,#09H MOV 62H,#09H CJNE R1,#0FFH,OV1 CLR BACK LJMP RETURN1 OV1:SETB BACK L2:JB PP,PAUSE1 ;等于1則跳轉(zhuǎn)到暫停 LCALL DISP LJMP RETURN1 PAUSE1:JB JX,L1 LCALL DISP LJMP L2 L1:LJMP L2 RETURN1:RET;*步數(shù)顯示子程序* DISP:MOV DPTR,#DAT SETB P2.0 CLR P2.1 CLR P2.2 CLR P2.3 MOV A,60H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY CLR P2.0 SETB P2.1 CLR P2.2 CLR P2.3 MOV A,61H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY CLR P2.0 CLR P2.1 SETB P2.2 CLR P2.3 MOV A,62H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY CLR P2.0 CLR P2.1 CLR P2.2 SETB P2.3 MOV A,63H MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY MOV P0,#0FFH RET DAT: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H DB 99H,92H,82H,0F8H DB 80H,90H;*鍵盤中斷服務(wù)程序* KEY: PUSH ACC PUSH PSW MOV P1,#0F0H ;高位輸出1,讀低四位的狀態(tài) MOV A,P1 ;送入A ANL A,#0F0H ;屏蔽低四位,保存高四位 MOV B,A MOV P1,#0FH ;低位輸出1,讀高四位狀態(tài) MOV A,P1 ANL A,#0FH ;屏蔽高四位,保存低四位 ORL A,B ;AB相或形成查表字符 MOV B,A MOV R0,#00H ;鍵碼保存在R0中 MOV DPTR,#TAB LOOP:MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR CJNE A,B,NEXT ;若相等則送鍵碼到80H8FH單元中,不相等則繼續(xù)查找 LJMP KEY1 NEXT:INC R0 CJNE R0,#10H,LOOP LJMP RETURN ; 查完沒有鍵按下則返回主程序 TAB:DB 0EEH, 0EDH, 0EBH, 0E7H DB 0DEH, 0DDH, 0DBH, 0D7H DB 0BEH, 0BDH, 0BBH, 0B7H DB 07EH, 07DH, 07BH, 077H KEY1:MOV A,R0 MOV DPTR,#TAB1 ADD A,R0 JMP A+DPTR TAB1:AJMP OPR1 AJMP OPR2 AJMP OPR3 AJMP OPRZZ AJMP OPR4 AJMP OPR5 AJMP OPR6 AJMP OPRFZ AJMP OPR7 AJMP OPR8 ;以上為09數(shù)字鍵的入口地址 AJMP OPR9 AJMP OPRPA AJMP OPRST AJMP OPR0 AJMP OPRGO OPR1:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#01H LJMP RETURN OPR2:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#02H LJMP RETURN OPR3:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#03H LJMP RETURN OPRZZ:SETB ZZ CLR FF LJMP RETURN OPR4:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#04H LJMP RETURN OPR5:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#05H LJMP RETURN OPR6:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#06H LJMP RETURN OPRFZ:SETB FF CLR ZZ LJMP RETURN OPR7:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#07H LJMP RETURN OPR8:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#08H LJMP RETURN OPR9:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#09H LJMP RETURN OPRPA:SETB PP CLR JX LJMP RETURN OPRST:SETB SS LJMP RETURN OPR0:MOV 63H,62H MOV 62H,61H MOV 61H,60H MOV 60H,#00H LJMP RETURN OPRGO:SETB JX CLR PP RETURN:POP PSW POP ACC RETI;*延時(shí)子程序* DELAY:MOV R7,#100 DE:MOV R6,#50 DJNZ R6,$ DJNZ R7,DE RET;*顯示提示信息OVER程序* WAN:MOV P2,#08H MOV P0,#0C0H LCALL DELAY MOV P2,#04H MOV P0,#0C1H LCALL DELAY MOV P2,#02H MOV P0,#86H LCALL DELAY MOV P2,#01H MOV P0,#88H LCALL DELAY LJMP WAN END第4章 系統(tǒng)仿真4.1系統(tǒng)仿真使用Proteus軟件畫出系統(tǒng)電路圖,然后加載程序文件。點(diǎn)擊開始按鈕,進(jìn)行系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果如圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)仿真圖4.2系統(tǒng)仿真結(jié)果分析從鍵盤輸入步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù),確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,然后按下開始鍵按鈕,從PROTEUS仿真中我們可

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