目錄 1 設(shè)計任務(wù)及要求 .1 2 方案比較及選擇 .1 2.1 電機驅(qū)動選擇方案 .1 2.2 LED 顯示選擇方案 .1 2.3 按鍵狀態(tài)的讀取 .2 3 系統(tǒng)實現(xiàn)的原理 .2 3.1 步進電機控制工作原理 .2 3.1.1 步進電機的啟?？刂?.2 3.1.2 步進電機的轉(zhuǎn)向控制 .2 3.2 系統(tǒng)設(shè)計思路 .2 3.3 系統(tǒng)的整體框圖 .3 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 .4 4.1 總體設(shè)計 .4 4.2 步進電機控制電路 .5 4.2.1 啟 /?？刂?、正 /反轉(zhuǎn)控制、工作模式控制電路分析 .5 4.2.2 步進電機控制電路 .5 4.3 顯示電路 .6 4.3.1 發(fā)光二極管顯示電路 .6 4.3.2 八段數(shù)碼管顯示電路 .7 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .8 5.1 總體設(shè)計 .8 5.1.1 步進電機的工作方式 .8 5.1.2 系統(tǒng)總體流程圖 .9 5.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計 .11 5.2.1. 三相步進電機模塊設(shè)計 .11 5.2.2 顯示模塊設(shè)計 .12 6 小結(jié)及體會 .13 附錄： .14 參考文獻 .16 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 1 三相步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 1 設(shè)計任務(wù)及要求 設(shè)計一個三相步進電機控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有如下功能：用 K0-K2 做為通 電方式選擇鍵，K0 為三相單三拍，K1 為三相雙三拍，K2 為三相六拍；K3 為啟 動/停止控制、K4 方向控制；用 4 位 LED 數(shù)碼管顯示工作步數(shù)。用 3 個發(fā)光二 極管顯示狀態(tài)：正轉(zhuǎn)時紅燈亮，反轉(zhuǎn)時黃燈亮，不轉(zhuǎn)時綠燈亮。 2 方案比較及選擇 2.1 電機驅(qū)動選擇方案 方案 1：使用功率三極管等電子器件搭建成功率驅(qū)動電路來驅(qū)動電機的運 行。優(yōu)點是電路簡單，但信號不夠穩(wěn)定，器件較大而不便電路的集成。 方案 2：使用專門的電機驅(qū)動芯片 ULN2004A 來驅(qū)動電機運行。其優(yōu)點是 便于電路的集成，且驅(qū)動簡單，驅(qū)動信號穩(wěn)定，不受外部干擾。 通過對方案的比較，我選擇使用電機驅(qū)動芯片來作為驅(qū)動。 2.2 LED 顯示選擇方案 方案 1：把所要顯示的數(shù)據(jù)通過專用的七段顯示芯片的轉(zhuǎn)換輸出給 LED 顯 示屏。其優(yōu)點是輸出簡單，可以簡化程序，但增加了芯片的費用。 方案 2：通過軟件把所要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為七段顯示的數(shù)據(jù)，直接通過單片機 接口來顯示，其優(yōu)點是簡化了電路，但增加了軟件編寫的負擔(dān)。 通過對方案的比較，我選擇通過軟件編寫來輸出顯示信號。 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 2 2.3 按鍵狀態(tài)的讀取 方案 1：把按鍵接到單片機的中斷口，若有按鍵按下，單片機接收到中斷信 號，再通過軟件編寫的中斷程序來執(zhí)行中斷，優(yōu)點是接線簡單，簡化了電路， 但軟件編寫較為復(fù)雜，不易掌握。 方案 2：不使用中斷，直接把開關(guān)分別接在單片機的接口上，通過查詢端口 信號來動作。其優(yōu)點是程序得到簡化，可讀性加強。 通過對方案的比較，我選擇通過查詢方式來讀取端口信號。 3 系統(tǒng)實現(xiàn)的原理 3.1 步進電機控制工作原理 3.1.1 步進電機的啟?？刂?步進電機由于其電氣特性,運轉(zhuǎn)時會有步進感 ,即振動感。為了使電機轉(zhuǎn)動 平滑 ,減小振動 ,可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波 ,可 以減小步進電機的步進角 ,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉(zhuǎn)時 ,為了 防止因慣性而使電機軸產(chǎn)生順滑 ,則需采用合適的鎖定波形 ,產(chǎn)生鎖定磁力矩 ,鎖 定步進電機的轉(zhuǎn)軸 ,使步進電機的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。 3.1.2 步進電機的轉(zhuǎn)向控制 如果給定工作方式正序換相通電 ,步進電機正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式 為三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通電換相 ,即則電機就反轉(zhuǎn)。 其他方式情況類似。 3.2 系統(tǒng)設(shè)計思路 此次我們所設(shè)計的是一個步進電機控制系統(tǒng)，主要由單片機 80C51，3 相步 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 3 進電機，7 段數(shù)碼管，及一些其他相關(guān)元件設(shè)計而成。可以通過開關(guān)來控制系 統(tǒng)的啟/停工作，當(dāng)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，用開關(guān)來控制方向，并使相應(yīng)的指示燈亮起， 同樣由開關(guān)來選擇工作模式。運轉(zhuǎn)時，用 4 位 7 段數(shù)碼管來輸出步數(shù)。最后根 據(jù)思路所設(shè)計出來的硬件圖設(shè)計相適應(yīng)的軟件。 3.3 系統(tǒng)的整體框圖 80c51 單 片機整體 控制 LED 顯示模 塊 開關(guān)選擇 電機工作 模式 LED 顯示 燈顯示電 機工作狀 態(tài) 三相步 進電機 模塊 圖 1 系統(tǒng)的整體框圖 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 4 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 4.1 總體設(shè)計 設(shè)計一個單片機三相步進電機控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有如下功能： (1) 用 K0-K2 做為通電方式選擇鍵，K0 為單三拍， K1 為雙三拍，K2 為 三相六拍； (2) K3、K4 分別為啟動和方向控制； (3) 正轉(zhuǎn)時紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時綠色指示燈亮； (4) 用 4 位 LED 顯示工作步數(shù)。 根據(jù)設(shè)計要求用 PROTEUS 所做的硬件連線圖如下圖 1： 圖 2 總體硬件連線 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 5 4.2 步進電機控制電路 4.2.1 啟/停控制、正/反轉(zhuǎn)控制、工作模式控制電路分析 原理圖如下： 圖 3 按鍵控制圖 （1）K3 為啟/?？刂崎_關(guān)，控制整個系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。 （2）K4 為正/反轉(zhuǎn)控制開關(guān)，控制步進電機的轉(zhuǎn)向。 （3）K0-K3 為工作模式控制開關(guān)，KO 接電時，為步進電機單三拍工作模式； K1 接電時，為步進電機雙三拍工作模式；K2 接電時，步進電機工作模式為三 相六拍。 4.2.2 步進電機控制電路 將 80c51 的 P1.0-P1.3 作為步進電機的輸出控制口。原理圖如下： 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 6 圖 4 步進電機的輸出控制口 4.3 顯示電路 4.3.1 發(fā)光二極管顯示電路 用 3 個不同顏色的發(fā)光二極管來作為指示燈顯示，將 P3.5 接紅燈，P3.6 接黃 燈，P3.7 接綠燈，正轉(zhuǎn)時紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時綠色指 示燈亮，并加上 3 個保護電阻。原理圖如下： 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 7 圖 5 指示燈接線圖 4.3.2 八段數(shù)碼管顯示電路 由 80c51 的 P0 口取出顯示碼，從 80c51 的 P2.0-P2.3 輸出位選碼，設(shè)計中我們 主要用到 4 位顯示步數(shù)既可。原理圖如下： 圖 6 LED 接線圖 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 8 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 5.1 總體設(shè)計 5.1.1 步進電機的工作方式 （1）三相單三拍工作方式 在這種工作方式下,A、B、C 三相輪流通電,電流切換三次 ,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn) 子向前轉(zhuǎn)過一個齒距角。因此這種通電方式叫做三相單三拍工作方式。這時步 距角 b (度 )為 b = 360 /mz (公式 1) 式中:m定子相數(shù); z 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 單三拍的數(shù)學(xué)模型： 控制位 步序 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 C 相 P1.1 B 相 P1.0 A 相 工作 狀態(tài) 控制 模型 1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H 2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H 3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H 表 1 （2）三相六拍工作方式 在這種工作方式下,繞組以 AABBBCCCAA 時序(或反時序)轉(zhuǎn) 換 6 次,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子前進一個齒距,每次切換均使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 1. 5,故這種 通電方式稱為三相六柏工作方式。其步距角 b 為: b = 360 /2mz = 180 /mz (公式 2) 六拍的數(shù)學(xué)模型： 控制位 步序 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 C 相 P1.1 B 相 P1.0 A 相 工作 狀態(tài) 控制 模型 1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H 2 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H 3 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H 4 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H 5 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H 6 0 0 0 0 0 1 0 1 CA 05H 表 2 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 9 （3）雙三拍工作方式 這種工作方式每次都是有兩相導(dǎo)通,兩相繞組處在相同電壓之下,以 AB BCCAAB (或反之)方式通電,故稱為雙三拍工作方式。以這種方式通電,轉(zhuǎn)子 齒所處的位置相當(dāng)于六拍控制方式中去掉單三拍后的三個位置。它的步距角計 算公式與單三拍時的公式相同。 極分度角/齒距角= R + k1/m 進一步化簡得齒數(shù) z: z = q (mR + k) (公式 3) 式中:m相數(shù); q每相的極數(shù); k (m - 1)的正整數(shù); R 正整數(shù),為 0、1、2、3。 雙三拍的數(shù)學(xué)模型： 控制位 步序 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 C 相 P1.1 B 相 P1.0 A 相 工作 狀態(tài) 控制 模型 1 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H 2 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H 3 0 0 0 0 0 1 0 1 CA 05H 表 3 5.1.2 系統(tǒng)總體流程圖 設(shè)計說明：首先復(fù)位單片機，然后從 P3 口讀出開關(guān)狀態(tài)，判斷是否啟動， 沒啟動綠燈亮重新確認(rèn)啟動。啟動后再次讀取 P3 口數(shù)據(jù)，判斷工作方式并將對 應(yīng)的用來存儲步進電機工作方式字的數(shù)組首地址值給 q。由 P3.4 口的雙向開關(guān) 來控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，如果是正轉(zhuǎn)則紅燈亮，反轉(zhuǎn)則綠燈亮。在電機每走 一步后，步數(shù)記數(shù)加 1，然后通過 LED 顯示把工作步數(shù)顯示出來。再從 P3 口把 狀態(tài)信息讀出來，與之前的 P3 口的狀態(tài)信息進行比較。如果狀態(tài)信息沒有改變， 電機繼續(xù)運行。如果狀態(tài)信息改變了，就需要重新返回程序的開端，對電機的 運行狀態(tài)進行判斷，讓電機重新以新的狀態(tài)運行。由此，開關(guān)的狀態(tài)在電機每 走一步都會查詢一遍，做到實時地反映。 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 10 N N Y Y 單片機 80c51 給步進電機復(fù)位 啟動？ 綠燈亮 N 判斷工作方式 q 存儲方式字地址指 針 b 正向控制模型指針 P3.4=1？ 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 紅燈亮 黃燈亮 延時，且模型地址加 1 總步數(shù)加 1 顯示總步數(shù) P3 口狀態(tài)是否改 變 b 反向控制模型地址 P1 口輸出控制模型 Y 重新啟動 P3.0=1? P3.1=1? P3.2=1? N N N Y 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 11 圖 7 總體流程圖 5.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計 5.2.1. 三相步進電機模塊設(shè)計 設(shè)計說明：在此設(shè)計中，采用的是三相步進電機，對于步進電機模塊的程序 設(shè)計采用循環(huán)程序設(shè)計方法。先把正反轉(zhuǎn)向的控制模型存放在內(nèi)存單元中，然 后再逐一從單元中取出控制模塊并輸出。首先啟動，選擇步進電機的拍數(shù)，輸 入步數(shù)，然后讀入正反轉(zhuǎn)的控制模型驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。 三相步進電機的流程框圖： 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 12 三相步進電機控制程序 是正轉(zhuǎn)嗎？ b反向控制模型地址 N 取控制模型 輸出控制模型 延時，模型地址+1 N Y N Y b正向控制模型指針 控制模型=00H？ 嗎 初始化 圖 8 三相步進電機的流程框圖 5.2.2 顯示模塊設(shè)計 設(shè)計說明：顯示模塊是用 4 位八段數(shù)碼管來顯示工作步數(shù)。先將顯示碼存入 數(shù)組中，指向最左邊一位，然后取出要顯示的數(shù)據(jù)，指向換碼表首地址，取出 顯示碼，從 P0 口輸出顯示碼， P2 口輸入位選碼，顯示出 4 位工作步數(shù)，最后 修改數(shù)組地址，求下一位位選碼繼續(xù)顯示。 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 13 動態(tài)顯示子程 序 取出要顯示的數(shù)據(jù) 求待顯示數(shù)據(jù)的顯示 碼 送位段碼到 P0 口輸出 送位顯碼到 P2.0-P2.3 輸出 延時 4 位顯示完了 嗎 返回 修改數(shù)組地址 求下一位選碼 圖 9 顯示模塊的程序框圖 6 小結(jié)及體會 經(jīng)過這個學(xué)期對微機的學(xué)習(xí)，我們對計算機這一以后會經(jīng)常接觸的現(xiàn)代化 工具有了更深的認(rèn)識，在本次課程設(shè)計中，通過老師的指導(dǎo)和從網(wǎng)上查閱資料， 和同學(xué)相互交流，我們從起初對課題的陌生開始一步步走向了完成的這一刻， 在本次課設(shè)中，我們接觸并了解了 Proteus 的應(yīng)用方法，并頂著程序隨時可能 崩潰的風(fēng)險及時保存并順利完成了布置的任務(wù)，對三相步進電機的原理及其控 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 14 制方法有了更多的了解，相信在這次課設(shè)學(xué)到的東西會對未來的工作起到很大 的作用。此外在此次課設(shè)中暴露了我單獨處理問題的能力有所欠缺，在以后的 學(xué)習(xí)中我會盡力克服這種缺陷當(dāng)好合格的大學(xué)生。 附錄： C 語言程序： #include #include void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0; main() char a,b,c,d,j,*q, done18=0 x01,0 x02,0 x04,0 x00,0 x01,0 x04,0 x02,0 x00, 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 15 done28=0 x03,0 x06,0 x05,0 x00,0 x03,0 x05,0 x06,0 x00, done314=0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x05,0 x00,0 x01,0 x05,0 x04,0 x06,0 x02,0 x03, 0 x00; P3=0 x20; /P3.5 口置 1，綠燈亮，不工作 delay1(); L: a=P3; while(!(a a=P3; delay1(); a=P3; /判斷工作模式 if(a if(a if(a if(a /P3.4 口為 1，電機正轉(zhuǎn)，紅燈亮 b=0; else P3=0 x40; /P3.4 口為，電機反轉(zhuǎn)，黃燈亮 if(a else b=4; d=b; while(1) c=*(q+b); /判斷電機步數(shù)是否走完 if(c=0)b=d; /步數(shù)走完，電機重新再走 else P1=c; /從 P1 輸出電機控制信號 b+; bs+; /總步數(shù)加 1 display(bs); /顯示步數(shù) j=a; a=P3; if(a!=j) /判斷 P3 口狀態(tài)信號是否改變 if(!(a /若為停止信號，總步數(shù)清零 goto L; /狀態(tài)信號改變，返回到開始，重新對電機控制 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 16 void delay1() int i,j; for(i=0;i200;i+) for(j=0;j300;j+); void display(int n) unsigned char tab10=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x67; unsigned char i,k,t,num4; num0=n%10; /將總步數(shù)的各位分別存在 num 數(shù)組中 num1=(n/10)%10; num2=(n/100)%10; num3=(n/1000)%10; for(t=0;t50;t+) /掃描 50 次 k=0 x08; /位選碼指向最左一位,第四位 for(i=0;i1; /求下一個位選碼 delay2(); void delay2() int i,j; for(i=0;i10;i+) for(j=0;j60;j+); 參考文獻 1 于海生編著 .計算機控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.2005 2 張義和、王敏男等編著.例說 51 單片機.北京：人民郵電出版社.2008 3 張靖武，周靈彬編著.單片機系統(tǒng)的 PROTEUS 設(shè)計與仿真. 北京：電 子工業(yè)出版社，2007. 4求是科技編著.單片機典型模塊設(shè)計實例導(dǎo)航.北京：人民郵電出版社， 2008 5頂明亮、唐前輝編著.51 單片機應(yīng)用設(shè)計與仿真：基于 keil 與 proteus. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 17 附件- 本科生課程設(shè)計成績評定表 姓 名 性 別 專業(yè)、班級 課程設(shè)計題目： 課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄： 武漢理工大學(xué)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 18 成績評定依據(jù)： 序號 評定項目 評分成績 1 選題合理、目的明確（10 分） 2 設(shè)計方案正確，具有可行性、創(chuàng)新性（20 分） 3 設(shè)計結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)建模、求解，仿真結(jié)果） （25 分） 4 態(tài)度認(rèn)真、學(xué)習(xí)刻苦、遵守紀(jì)律（15 分） 5 設(shè)計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于 5 篇） （10 分） 6 答辯（20 分） 總分 最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日