步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計(jì)課程名稱： 數(shù)字控制技術(shù) 題目名稱: 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 任課教師： 年 月 日專心-專注-專業(yè)要求開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)（1） 以LPC2114處理器構(gòu)造數(shù)控系統(tǒng)并用Proteus仿真。采用2個(gè)4相8拍步進(jìn)電機(jī)分別控制X和Y軸進(jìn)給。分別用4個(gè)GPIO引腳通過軟件編程實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器功能；（2） 設(shè)計(jì)人機(jī)操作界面（鍵盤、LCD顯示器）。在鍵盤輸入數(shù)控程序，實(shí)現(xiàn)平面直線和圓弧圖形加工。（3） 設(shè)計(jì)譯碼程序，把數(shù)控程序命令和參數(shù)存入內(nèi)存（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或變量）；（4） 按照脈沖當(dāng)量計(jì)算X和Y軸步進(jìn)電機(jī)的坐標(biāo)脈沖；（5） 采用

2、逐點(diǎn)比較法編寫進(jìn)給插補(bǔ)程序得到X和Y軸的進(jìn)給脈沖并通過GPIO環(huán)形分配器輸出，經(jīng)過信號(hào)功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。（6） 在LCD顯示器顯示X和Y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)圖形、速度等。（7） 通過鍵盤輸入輔助操作命令，由GPIO管腳輸出給LED指示燈顯示。摘要數(shù)字控制簡(jiǎn)稱數(shù)控，采用數(shù)字指令自動(dòng)控制機(jī)械的動(dòng)作，控制位置、角度和速度等機(jī)械量，也包括溫度、壓力、流量等物理量，是電子信息技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)床技術(shù)相融合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。在當(dāng)今制造業(yè)中數(shù)控系統(tǒng)扮演著極其重要的角色，因此受到高度重視，是今年來發(fā)展最快的技術(shù)。目前，嵌入式技術(shù)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用在機(jī)床控制上，對(duì)新型嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行研

3、究和應(yīng)用具有十分重要的意義。本文提出的數(shù)控系統(tǒng)是基于由飛利浦的LPC2114芯片作為CPU，通過4X4矩陣鍵盤輸入G代碼控制X、Y軸方向的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行進(jìn)給，同時(shí)在LCD顯示屏上描繪軌跡。關(guān)鍵字：數(shù)字控制、嵌入式技術(shù)、CPU、LCD、矩陣鍵盤一、引言制造業(yè)是各種產(chǎn)業(yè)的支柱工業(yè), 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，直接影響到一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力,關(guān)系到一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略地位。發(fā)展數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前制造工業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)更新的必由之路。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)柔性制造和計(jì)算機(jī)集成制造的最重要基礎(chǔ)技術(shù)之一，也是制造系統(tǒng)最基本的加工單元。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和精密測(cè)量

4、技術(shù)的不斷發(fā)展和迅速應(yīng)用，在制造業(yè)中，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床不斷更新?lián)Q代，向高速度、多功能、智能化、開放型以及高可靠性等方面迅速發(fā)展。當(dāng)前柔性自動(dòng)化（單機(jī)和生產(chǎn)系統(tǒng)）是世界機(jī)械電子工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用、數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)量已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化程度和技術(shù)水平的重要標(biāo)志。數(shù)字控制技術(shù)主要朝著一下幾個(gè)方向發(fā)展：1.繼續(xù)向具有開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展2.向智能化方向發(fā)展3.向高速化、高精度和高自動(dòng)化發(fā)展4.向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展嵌入式系統(tǒng)作為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或用于工廠運(yùn)作的設(shè)備。與個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。根據(jù)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，

5、選擇用嵌入式技術(shù)研究數(shù)控系統(tǒng)，顯得非常必要。二、設(shè)計(jì)目的與意義及任務(wù)分析2.1 設(shè)計(jì)目的與意義本次課程設(shè)計(jì)力求實(shí)現(xiàn)題目所要求的功能后，盡可能的優(yōu)化系統(tǒng)功能。數(shù)字控制技術(shù)是一門對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)很關(guān)鍵的課程，通過數(shù)字控制技術(shù)的學(xué)習(xí)，可以清楚了解數(shù)字控制技術(shù)的原理和工作方式。而本次課程設(shè)計(jì)能夠讓我們使用所學(xué)的數(shù)控技術(shù)知識(shí)和加深以及鞏固對(duì)嵌入式系統(tǒng)，增強(qiáng)我們實(shí)踐能力。2.2 任務(wù)分析本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)，主要是通過protues軟件按照要求編程仿真來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。三、 部件功能簡(jiǎn)介3.1 LPC2114概述LPC2114/2124基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，

6、并帶有128/256 k字節(jié)（KB）嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。由于LPC2114/2124非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、PWM輸出、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機(jī)（POS）。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。特性 16/32位ARM7TDMI-

7、S核，超小LQFP64封裝； 16 kB片內(nèi)SRAM； 128/256 kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60 MHz工作頻率； 通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）。 Embedded ICE可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)使用片內(nèi)RealMonitor軟件對(duì)前臺(tái)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)運(yùn)行； 嵌入式跟蹤宏單元（ETM）支持對(duì)執(zhí)行代碼進(jìn)行無干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤； 4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44s；2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗； 多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C55

8、0工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口（400 kHz）以及2個(gè)SPI接口； 通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率； 向量中斷控制器。可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址； 多達(dá)46個(gè)通用I/O口（可承受5V電壓），9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳； 片內(nèi)晶振頻率范圍：1025 MHz； 2個(gè)低功耗模式：空閑和掉電； 通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒； 雙電源1. CPU操作電壓范圍：1.651.95 V（1.8 V± 0.15 V）；2. I/O操作電壓范圍：3.03.6 V（3.0 V± 10%），可承受5V電壓。引腳圖3.2 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變

9、為角位移或線位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。工作原理通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一定矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁

10、場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。原理圖3.3 矩陣鍵盤簡(jiǎn)介本次實(shí)驗(yàn)采用的是4x4矩陣鍵盤，當(dāng)按下按鍵是，CPU對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描獲取按鍵。原理圖3.4 L298簡(jiǎn)介L(zhǎng)298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用于連接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載（諸如繼電器、線圈、DC和步進(jìn)電機(jī)）。L298提供兩個(gè)使能輸入端，可以在不依賴于輸入信號(hào)的情況下，使能或禁用L298器件。L298低位晶體管的

11、發(fā)射器連接到一起，而其對(duì)應(yīng)的外部端口則可用來連接一個(gè)外部感應(yīng)電阻。L298還提供一個(gè)額外的電壓輸入，所以其邏輯電路可以工作在更低的電壓下。特性 L298工作電壓高達(dá)46V 總DC電流達(dá)4A 低飽和電壓 L298具有過溫保護(hù)功能 邏輯“0”輸入電壓高達(dá)1.5V(高抗噪性)引腳圖3.5 AMPIRE 128x64本系統(tǒng)使了AMPIRE 128x64來顯示進(jìn)給圖形。簡(jiǎn)介液晶顯示器件（LCD）獨(dú)具的低壓、微功耗特性使他在單片機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，常用的液晶顯示模塊分為數(shù)顯液晶模塊、點(diǎn)陣字符液晶模塊和點(diǎn)陣圖形液晶模塊，其中圖形液晶模塊在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛，因?yàn)闈h字不能像西文字符那樣用字符模塊即可顯示，

12、要想顯示漢字必須用圖形模塊。接口說明AMPIRE128×64接口說明表管腳號(hào) 管腳 電平 說明1 CS1 H/L 片選擇信號(hào)，低電平時(shí)選擇前64列2 CS2 H/L 片選擇信號(hào)，低電平時(shí)選擇后64列3 GND 0V 邏輯電源地4 VCC 5.0V 邏輯電源正5 V0 LCD驅(qū)動(dòng)電壓，應(yīng)用時(shí)在VEE與V0之間加一2K可調(diào)電阻6 RS H/L 數(shù)據(jù)指令選擇：高電平：數(shù)據(jù)D0-D7將送入顯示RAM；低電平：數(shù)據(jù)D0-D7將送入指令寄存器執(zhí)行7 R/W H/L 讀寫選擇：高電平：讀數(shù)據(jù)；低電平：寫數(shù)據(jù)8 E H/L 讀寫使能，高電平有效，下降沿鎖定數(shù)據(jù)9 DB0 H/L 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳10

13、 DB1 H/L 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳11 DB2 H/L 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳12 DB3 H/L 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳13 DB4 H/L 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳14 DB5 H/L 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳15 DB6 H/L 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳16 DB7 H/L 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳17 RST L 復(fù)位信號(hào)，低電平有效18 VOUT -10V LCD驅(qū)動(dòng)電源引腳圖3.6 LM016L簡(jiǎn)介L(zhǎng)M016L液晶模塊采用 HD44780控制器。 HD44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)、閃爍等功能。LM016L與單片機(jī) MCU（Microcontroller Unit）通訊可采用 8位或者 4位并行傳輸兩

14、種方式。 HD44780控制器由兩個(gè) 8位寄存器、指令寄存器（ IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）、忙標(biāo)志（BF）、顯示數(shù)據(jù) RAM（DDRAM）、字符發(fā)生器ROM（CGROM）、字符發(fā)生器 RAM（CGRAM）、地址計(jì)數(shù)器（ AC）。引腳說明管腳號(hào) 名稱 電平 功能描述 1 VSS 0V 2 VDD 5.0V 3 VEE 4 RS H/L H：數(shù)據(jù)線上為數(shù)據(jù)信號(hào)；L：數(shù)據(jù)線上為指令信號(hào) 5 RW H/L H：讀數(shù)據(jù)模式；L：寫數(shù)據(jù)模式 6 E H/L 使能信號(hào)端 714 DB07 H/L 數(shù)據(jù)線引腳圖四、仿真電路圖4.1 LPC2114接口P0.0為串行輸出接口（調(diào)試用）P0.1P0.11為L(zhǎng)M01

15、6L顯示屏接口P0.12P0.15 為X軸方向步進(jìn)電機(jī)接口P0.27P0.30 為Y軸方向步進(jìn)電機(jī)接口P0.16為連接4X4鍵盤的外部中斷P0.18P0.25為4X4鍵盤接口P1.16P1.28為AMPIRE 128x64顯示屏接口P1.29為外部按鍵NEXT接口P1.30 為外部按鍵BACK接口P1.31為外部按鍵CLEAR接口4.2 電機(jī)模塊4.3 顯示模塊4.4 輸入模塊4.5 虛擬終端（調(diào)試用）五、程序設(shè)計(jì)串口發(fā)送數(shù)組中的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)顯示差補(bǔ)信息判斷差補(bǔ)類型進(jìn)行譯碼讀取按鍵值鍵值為“確定”串口發(fā)送鍵值保存鍵值到數(shù)組中判斷中斷為真檢查是否抖動(dòng)開始各功能初始化顯示制作組信息等待NEXT按下顯示操作說明5.1主程序框圖5.2 顯示程序AMPIRE 128x64初始化及顯示程序LM016L初始化及顯示程序5.3 步進(jìn)電機(jī)程序5.4 串口發(fā)送程序（調(diào)試用）5.5 鍵盤掃描程序5.6 差補(bǔ)程序六、功能演示七、心得體會(huì)這次項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)很多，綜合性很強(qiáng)