1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表綜合訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：步進(jìn)式攪拌機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：班 級(jí)：指導(dǎo)教師：目錄目錄i摘要ii第1章 概述11.1攪拌機(jī)簡介11.2單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)概述11.3步進(jìn)電機(jī)的概述21.3.1步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用21.3.2步進(jìn)電機(jī)的研究及發(fā)展31.4步進(jìn)電機(jī)的機(jī)構(gòu)及工作原理41.5步進(jìn)電機(jī)的分類51.6步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)61.7課題設(shè)計(jì)的意義6第2章 總體方案設(shè)計(jì)72.1步進(jìn)電機(jī)的控制方案72.2基于單片機(jī)的控制72.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案72.4總體方案設(shè)計(jì)92.4.1總體方案方框圖92.4.2總體方案功能說明及

2、選型9第3章 硬件設(shè)計(jì)與仿真113.1單片機(jī)最小系統(tǒng)核心113.1.1單片機(jī)at89c51簡介113.1.2at89c51單片機(jī)功能及特性113.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖133.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊133.2.1uln2003驅(qū)動(dòng)芯片143.2.2驅(qū)動(dòng)模塊電路圖143.3獨(dú)立按鍵模塊153.4顯示模塊163.5測速模塊173.6總體原理圖18第4章 軟件設(shè)計(jì)194.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)194.2主程序設(shè)計(jì)194.2.1 主程序工作過程194.2.2主程序工作流程圖204.3驅(qū)動(dòng)流程圖204.4鍵盤流程圖21第5章 調(diào)試與總結(jié)225.1軟件調(diào)試225.2硬件調(diào)試235.3總結(jié)23附錄a：步進(jìn)式攪拌機(jī)調(diào)速控

3、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件原理圖26lcd顯示部分：26led顯示部分：27摘要步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。具有步距角精度高特點(diǎn)，因此在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文首先簡單的介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況、特點(diǎn)及工作原理。包括步進(jìn)電機(jī)的控制方案和驅(qū)動(dòng)方案作了系統(tǒng)說明，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案，以及本系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能。通過軟硬件的設(shè)計(jì)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)加減速控制，同時(shí)它能準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，啟動(dòng)和停止。硬件是以at89c51單片機(jī)為核心的控制電路，主要包括：led/lcd顯示器、鍵盤顯示電路、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片等

4、。軟件部分采用c語言編程，主要包括鍵盤顯示程序、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速程序、停止判斷程序等。本文采用軟硬件結(jié)合的方法，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機(jī)ii第1章 概述1.1攪拌機(jī)簡介 攪拌機(jī)是隨著現(xiàn)代混凝土施工工藝發(fā)展起來的一種機(jī)械設(shè)備，是一種帶有葉片的軸在圓筒或槽中旋轉(zhuǎn)，將多種原料進(jìn)行攪拌混合，使之成為一種混合物或適宜稠度的機(jī)器。 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的完善和進(jìn)一步成熟，攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)和制造獲得了飛速發(fā)展。但是，它也面臨著必需滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。攪拌器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟(jì)化和品種多樣化的同時(shí)，正日趨大型化。基于節(jié)能要求，

5、開發(fā)出變頻調(diào)速電機(jī)、小剪切阻力槳葉、以新型密封代替機(jī)械密封和填料密封，以磁力驅(qū)動(dòng)代替機(jī)械驅(qū)動(dòng)。基于降低產(chǎn)品總體成本、減少維修保養(yǎng)成本和提高設(shè)備品均維修間隔時(shí)間的要求，大大提高設(shè)備運(yùn)行壽命，逐漸的采用以單片機(jī)為核心的智能化攪拌機(jī)。攪拌機(jī)在化工、制藥、食品水產(chǎn)業(yè)、塑料等行業(yè)的生產(chǎn)過程中應(yīng)用也很廣泛，攪拌機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)均是使用工況的要求考慮一定余量，而攪拌機(jī)在實(shí)際使用過程中，則不一定要在最大轉(zhuǎn)速下工作，有很多時(shí)間都可以工作在非滿載狀態(tài)。在某些應(yīng)用場合，由于攪拌機(jī)配置及運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，通常是在攪拌機(jī)電機(jī)的選用上我們采用步進(jìn)電機(jī)作為攪拌機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣我們既可以保證了攪拌機(jī)大力矩的負(fù)載，又可保護(hù)電機(jī)由于

6、太大負(fù)載毀壞。1.2單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)概述單片機(jī)是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的新興領(lǐng)域，以單片機(jī)為代表的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代電子系統(tǒng)時(shí)代的到來。采用嵌入式系統(tǒng)集成器件，將電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從單純的硬件設(shè)計(jì)變?yōu)橹悄芑挠病④浖O(shè)計(jì)，從而使現(xiàn)代電子系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，具有智能化、系統(tǒng)功能，具有柔韌性及激勵(lì)、運(yùn)行、響應(yīng)等特點(diǎn)。目前，單片機(jī)價(jià)格已很低廉，這使得單片機(jī)的應(yīng)用更為廣泛，因此就比較普遍地應(yīng)用單片機(jī)來控制各種電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，特別是單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，使步進(jìn)電機(jī)的各種潛力、能力得到充分的發(fā)揮，也使步進(jìn)電機(jī)的各種性能更符合現(xiàn)代工藝的要求。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電

7、路可以做到了高集成度，可價(jià)格較貴，功能相對(duì)較單一，并且設(shè)計(jì)要求有所改變，就得改變整個(gè)硬件電路，比較麻煩。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。1.3步進(jìn)電機(jī)的概述 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗

8、一點(diǎn)講：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（即步進(jìn)角）。您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)您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。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，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。1.3.1

9、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍

10、用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因而，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。1.3.2步進(jìn)電機(jī)的研究及發(fā)展雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。為了得到良好的控制性能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)80年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿

11、態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)。基于微型單片機(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動(dòng)三種常見驅(qū)動(dòng)方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案之

12、外，目前報(bào)道的驅(qū)動(dòng)方案還有根據(jù)匯編語言或c語言進(jìn)行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實(shí)現(xiàn)由pc機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法。1.4步進(jìn)電機(jī)的機(jī)構(gòu)及工作原理 步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上如同普通電機(jī)一樣，也是由轉(zhuǎn)子、定子和定子繞組組成，通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，定子繞組分若干相，每相的磁極上有極齒，轉(zhuǎn)子在軸上也有若干個(gè)齒。當(dāng)電流流過某相定子繞組時(shí)，相應(yīng)的定子繞組分別形成n-s極，產(chǎn)生一矢量磁場。如果這時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個(gè)角度。利用單片機(jī)控

13、制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，脈沖分配器將產(chǎn)生一定規(guī)律的電脈沖輸出給驅(qū)動(dòng)器，就可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。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)。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電

14、脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖1.1 四相八拍步進(jìn)電機(jī)原理圖 圖1.2 四相八拍步進(jìn)電機(jī)脈沖圖1.5步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為永磁式(pm)、反應(yīng)式(vr)、和混合式(hb)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大，在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相

15、步進(jìn)角一般為 0.72度，目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合事步進(jìn)電機(jī)。 (1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(variable reluctance，簡稱vr)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型；(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(permanent magnet，簡稱pm)永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電；(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(hybri

16、d，簡稱hb)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。混合式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。因而被廣泛應(yīng)用。1.6步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) （1）步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候， 步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)， 就會(huì)以一定的角度（稱為步距角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。 （2）三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5度，一

17、圈360度，需要48個(gè)脈沖完成，因而步進(jìn)電機(jī)是可以計(jì)算的。（3）步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。 （4） 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。 因此，目前打印機(jī)，繪圖儀，機(jī)器人，等等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。1.7課題設(shè)計(jì)的意義由于在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等要求。本設(shè)計(jì)就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)課題是基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)攪拌機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，因而對(duì)控制精度的要求并不高，要實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)

18、的正、反轉(zhuǎn)，啟動(dòng)加速、減速，并通過光碼盤或光電編碼器測速反饋到單片機(jī)，通過led、lcd顯示器來顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，和設(shè)定值。通過pid調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)測量值和設(shè)定值的偏差，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)加、減速。第2章 總體方案設(shè)計(jì)2.1步進(jìn)電機(jī)的控制方案 步進(jìn)電機(jī)的控制方案有很多種，但是通過操作是否方便、程序指令和邏輯是否正確合理、步進(jìn)電機(jī)加減速控制的優(yōu)化、抗干擾能力、電路的設(shè)計(jì)和硬件的品質(zhì)這些指標(biāo)來衡量，主要有電子電路系統(tǒng)控制、plc可編程控制器控制、單片機(jī)控制，在本設(shè)計(jì)中我們采用單片機(jī)控制方案。 一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價(jià)格較貴，功能相對(duì)較單一，并且設(shè)計(jì)要求有所

19、改變，就得改變整個(gè)硬件電路，比較麻煩。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，加上驅(qū)動(dòng)芯片uln2003可以實(shí)現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來，節(jié)約了單片機(jī)的端口，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，因此本設(shè)計(jì)就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2基于單片機(jī)的控制 單片機(jī)控制系統(tǒng)是采用軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。通過單片機(jī)外部引腳線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。并且通過鍵盤作為

20、一個(gè)外部中斷源，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等按鍵，采用程序查詢方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，外接lcd、led顯示器，來顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速速度等狀態(tài)。單片機(jī)系統(tǒng)通過自帶功能，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。2.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)級(jí)來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電，同時(shí)也是對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。到目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動(dòng)、 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。（1）單電壓功率驅(qū)動(dòng) 該電路是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上

21、為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、減少了電動(dòng)機(jī)的共振，并能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩。該驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡單、成本低。缺點(diǎn)是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗,尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重,因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。（2）高低壓驅(qū)動(dòng) 該電路是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時(shí)間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開

22、始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。（3）斬波恒流功率驅(qū)動(dòng) 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時(shí)均保持固定數(shù)值。使電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。這種功率接口的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜，因而在本設(shè)計(jì)中不被采用。（4）升頻升壓功率驅(qū)動(dòng) 為了進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，可采用升頻升壓功率驅(qū)動(dòng)接口。這種接口對(duì)繞組提供的電壓與電機(jī)的運(yùn)行頻率成線性關(guān)系。它的主回路實(shí)際上是一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源，利用頻率-電壓變換器，將驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平，并用此電平去控制開關(guān)穩(wěn)壓電

23、源的輸入，這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動(dòng)接口。（5） 集成功率驅(qū)動(dòng) 目前有多種用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的集成功率驅(qū)動(dòng)芯片可供選用。在現(xiàn)代電子工藝中，人們往往采用集成芯片來節(jié)約更多空間，大大的簡化了邏輯電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)的可靠性，也使驅(qū)動(dòng)的過程變的更為簡單、高效。驅(qū)動(dòng)方案確定： 由于本設(shè)計(jì)所采用的步進(jìn)電機(jī)是小功率步進(jìn)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)路數(shù)上并沒有多大的要求，考慮制作工藝方便、簡單、成本、電路的體積各方面綜合因素，本設(shè)計(jì)采用集成功率驅(qū)動(dòng)方案，應(yīng)用現(xiàn)成的集成電路作為驅(qū)動(dòng)電路，選用集成功率驅(qū)動(dòng)芯片uln2003，作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。2.4總體方案設(shè)計(jì) 基于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的攪拌機(jī)是一

24、個(gè)有機(jī)的完整的整體，由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能接受的電信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)隨之作出反應(yīng)，完成規(guī)定動(dòng)作。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片或驅(qū)動(dòng)電路，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。控制單元采用單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合。2.4.1總體方案方框圖基于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由五部分組成：步進(jìn)控制器、驅(qū)動(dòng)芯片(把控制器輸出的脈沖加以放大，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))、步迸電機(jī)、lcd/lcd顯示器、鍵盤。不同的控制方案，步進(jìn)控制器、驅(qū)動(dòng)器也有不同的類型。圖2.1總體方案方框圖2

25、.4.2總體方案功能說明及選型通過對(duì)其它步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合設(shè)計(jì)目的，本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制器設(shè)計(jì)的基于步進(jìn)電機(jī)的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)。采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。采用uln2003四相八拍步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為驅(qū)動(dòng)核心與單片機(jī)相結(jié)合，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)應(yīng)用了一片atmel公司的at89c51單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制器的核心運(yùn)算器件，利用單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和可編程的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制功能。且適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠在不改變硬件電路的情況下，只需對(duì)軟件進(jìn)行必要的修改就可以適應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)芯片和控制要求。而且可以做到人機(jī)交換，通過鍵盤來改變步進(jìn)電機(jī)的

26、運(yùn)行狀態(tài)，各種運(yùn)行狀態(tài)也都有相應(yīng)的指示，使操作者隨時(shí)都能對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行方便的了解，利用單片機(jī)來構(gòu)成的步迸電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機(jī)接口線控制uln2003驅(qū)動(dòng)芯片。通過軟件的控制，單片機(jī)按順序給uln2003不同頻率的脈沖，就可以控制電機(jī)的正、反，以及加、減速，并且通過測速模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，把所測值反饋到單片機(jī)，單片機(jī)通過軟件編程進(jìn)行pid數(shù)據(jù)運(yùn)算處理從而使測量值無限接近設(shè)定值，并通過led/lcd顯示設(shè)定值和測量值。綜合考慮各種設(shè)想之后，本設(shè)計(jì)各部分的功能如下：單片機(jī)（cpu）最小系統(tǒng)：產(chǎn)生脈沖，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、pid運(yùn)算。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：

27、負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。串口下載模塊：主要是負(fù)責(zé)實(shí)行計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信，將在計(jì)算機(jī)里面編寫好的程序下載到單片機(jī)芯片當(dāng)中。顯示模：我們采用led/lcd顯示，主要是顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)向，和系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。測速模塊：我們主要采用歐姆龍編碼器 e6a2-cw5c 200p/r ，主要是檢測步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，最后將所測信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后送給單片機(jī)。按鍵模塊：采用獨(dú)立式按鍵，適用于一鍵占用一條接口線，每個(gè)按鍵電路是獨(dú)立的。作為一個(gè)外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，通過它設(shè)置了電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速等功能。第3章 硬件設(shè)計(jì)與仿真硬件是整個(gè)系統(tǒng)的平

28、臺(tái)，各種功能的實(shí)現(xiàn)和軟件的運(yùn)行都是以硬件為基礎(chǔ)的，所以硬件設(shè)計(jì)的合理與否從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。為了充分發(fā)揮單片機(jī)的長處，實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能，使系統(tǒng)的成本盡量的低，工作得更可靠，操作更具備人機(jī)交互性。硬件選擇設(shè)計(jì)如下。3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)核心 單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其主要進(jìn)行產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的脈沖和進(jìn)行必要數(shù)據(jù)運(yùn)算和程序處理，主要由單片機(jī)和外接復(fù)位電路和晶體震蕩電路組成。在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用atmel公司生產(chǎn)的at89c51單片機(jī)作為中央處理器，并與外接的電路構(gòu)成最小系統(tǒng)模塊。 3.1.1單片機(jī)at89c51簡介 單片機(jī)從誕生至今已經(jīng)產(chǎn)生了許多種，新品種的也是層出不窮，從

29、最初intel的mcs51和pic系列，以及最近推出的avr，arm等，品種繁多，功能各異。但是就目前來說，51系列的單片機(jī)仍是許多設(shè)計(jì)的首先，特別是atmel公司的89系列flash單片機(jī)，運(yùn)用更是廣泛。而且各種技術(shù)參考資料相對(duì)也較多。通過對(duì)本設(shè)計(jì)所需資源的分析，選用atmel公司的8位單片機(jī)at89c51作為主控芯片。at89c51是美國atml公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes 的可系統(tǒng)編程的flash存儲(chǔ)器,該器件采用atmel 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容mcs-51標(biāo)準(zhǔn)指令系統(tǒng)及引腳。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。由于將多

30、功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，功能強(qiáng)大、靈活性高、價(jià)格低廉。3.1.2at89c51單片機(jī)功能及特性at89c51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32 個(gè)i/o 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止cpu的工作，但允許ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到

31、下一個(gè)硬件復(fù)位。主要特性：（1） cpu內(nèi)核完全和mcs-51系列兼容，具有mcs-51系列單片機(jī)的一切功能。（2） 內(nèi)部集成了4k字節(jié)的在線可編程flashrom，可滿足大部分系統(tǒng)擴(kuò)展的需求，編程方更快捷。（3）耐久性：1000寫、擦除。 （4）276v的工作電壓操作范圍。（5） 可在024mhz的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實(shí)時(shí)處理控制系統(tǒng)中。（6） 內(nèi)部具有128個(gè)字節(jié)的ram和2個(gè)16位定時(shí)器，可以存放系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)。（7） 具有6個(gè)中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計(jì)的中斷系統(tǒng)擴(kuò)展需要。（8）可編程串行uart通道；直接led驅(qū)動(dòng)輸出；低功耗空載和掉電方式。

32、 圖3.1 at89c51引腳圖3.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖采用at89s51單片機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖如圖所示。圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖at89c51單片機(jī)引腳xtal1 和xtal2 分別是內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器的輸入端和輸出端。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容cl、c2 接在放大器的反饋回路構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容cl、c2 的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。復(fù)位電路由按鍵、電阻、電容c3構(gòu)成，當(dāng)振蕩器工作時(shí)，rst 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片

33、機(jī)復(fù)位。3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由于本設(shè)計(jì)所用的小型步進(jìn)電機(jī)，對(duì)電流和電壓的要求并不是高，考慮要硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的方法會(huì)電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，而且采用多個(gè)元器件搭接，成本高，制作也不方便。而直接采用集成的驅(qū)動(dòng)芯片可以使電路穩(wěn)定，成本低，易于控制，所以最終本設(shè)計(jì)是直接采用芯片uln2003作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)芯片。3.2.1uln2003驅(qū)動(dòng)芯片uln2003a電路是美國texas instruments公司和sprague公司開發(fā)的高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，由七個(gè)硅npn 達(dá)林頓管組成，具有電流增益高（灌電流可達(dá)500ma）、工作電壓高（可承受50v的電壓）、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，

34、適用用于各大要求高速大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。uln2003由7組達(dá)林頓晶體管陣列、相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7k 的基極電阻,在5v 的工作電壓下它能與ttl 和cmos 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)，同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳電路如圖。 圖3.3uln2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳電路圖3.2.2驅(qū)動(dòng)模塊電路圖 由于uln2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500ma，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50v 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。完全可以驅(qū)動(dòng)四相八拍電機(jī)。信號(hào)通過單片機(jī)i/o

35、口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過芯片uln2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。圖3.4驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖 本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是由驅(qū)動(dòng)芯片uln及其外圍電路構(gòu)成，其中uln2003的輸出端1c、2c、3c、4c依次按順序連成一個(gè)插座，分別與步進(jìn)電機(jī)的四根線相連。單片機(jī)的p1口的4個(gè)管腳通過非門與芯片的1b、2b、3b、4b引腳依次與相連。通過這一連接實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與uln2003以及步進(jìn)電機(jī)的串聯(lián)控制。 由于uln2003驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部有7個(gè)非門需外接輸入端接非門，這樣才會(huì)使單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)不會(huì)改變。在這里uln2003芯片相當(dāng)于繼電器，當(dāng)單片機(jī)的脈沖來時(shí)，通過改變步進(jìn)電機(jī)各相依次導(dǎo)通

36、來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。3.3獨(dú)立按鍵模塊鍵盤電路根據(jù)不同情況，選擇不同模式。在這里所采用的是獨(dú)立按鍵，其中包括五個(gè)功能：正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止分別連接單片機(jī)的p2.0、p2.1、p2.2、p2.3、p2.4管腳進(jìn)行信號(hào)輸入，由于是獨(dú)立按鍵所以按鍵的另一端公共接地，鍵盤出發(fā)脈沖是以低電平“0”時(shí)期觸發(fā)，除了考慮其是否有觸發(fā)電平外，還要考慮是否是由于抖動(dòng)引起誤觸發(fā)，因此在軟件設(shè)計(jì)是均要有10ms左右的延時(shí)來去抖動(dòng)。按鍵電路如圖。圖3.5獨(dú)立鍵盤電路3.4顯示模塊 由于設(shè)計(jì)要求使用lcd/led顯示，所以在顯示模塊這部分用液晶顯示和數(shù)碼管顯示。 （1）lcd（液晶）顯示模式 采用點(diǎn)陣式lcd顯

37、示，單片機(jī)的p0作為數(shù)據(jù)口與lcd的數(shù)據(jù)端口相連，lcd顯示器的vss接地，vcd接高電平，命令數(shù)據(jù)線rs接p2.6，讀/寫控制線r/w接p2.5，使能線e接p2.7，當(dāng)命令數(shù)據(jù)線rs為1時(shí)，d0d7顯示ram數(shù)據(jù)；rs為0時(shí)，d0d7寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)r/w為1時(shí)是讀模式，此時(shí)使能線e應(yīng)為1，r/w為0時(shí)是寫模式，當(dāng)e從1變?yōu)?時(shí)， d0d7上的數(shù)據(jù)寫入lcd。 圖3.6lcd顯示電路圖（2） led（數(shù)碼管）顯示模式 led顯示模式的驅(qū)動(dòng)方式有共陰極和共陽極倆類型。本設(shè)計(jì)采用共陰極結(jié)構(gòu)形式，在共陰極接法中，公共陰極接低電平（通常接地），當(dāng)陽極上為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的段被點(diǎn)亮，另外顯示器需要外接限流電

38、阻，如果不限流將造成led燒毀。同時(shí)顯示方式采用靜態(tài)顯示，在每次顯示輸入后能夠保持顯示不變，僅在待顯數(shù)碼需要改變時(shí)，才更新其數(shù)字顯示其中鎖存的內(nèi)容。由于是4段數(shù)碼管，所以用四個(gè)74ls164串入并出的移位寄存器。其接線原理如圖。圖3.7led顯示模式接線圖3.5測速模塊由于光碼盤和編碼器的測速原理都一樣，都是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)傳輸給單片機(jī)，因而本設(shè)計(jì)采用的是編碼器，提高了測量精度，其輸出端與單片機(jī)的p3.5管腳相連。如圖是本設(shè)計(jì)編碼器實(shí)物圖。 圖3.8編碼器實(shí)物圖3.6總體原理圖 通過對(duì)對(duì)各個(gè)模塊的整理，然后結(jié)合芯片資料完成了對(duì)應(yīng)模塊的硬件設(shè)計(jì)。對(duì)以上的單片機(jī)最小系統(tǒng)，lcd

39、/led顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)測速模塊，鍵盤模塊各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)論證后然后銜接起來完成了整個(gè)硬件部分的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體原理圖見附錄。第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 軟件主要功能是單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)加減速控制，并通lcd和led顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。其具體功能如下： 按正轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行；通過鍵盤可輸入所需要運(yùn)行的設(shè)定值，當(dāng)輸入?yún)?shù)完畢后，lcd/led顯示所需要運(yùn)行的步數(shù)并通過lcd/led顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)根據(jù)所輸入的設(shè)定值判斷是否需要進(jìn)行加速、減速啟動(dòng)，當(dāng)輸入的步數(shù)小于5r/mi

40、n時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以最低速度5 r/min運(yùn)行。當(dāng)輸入的步數(shù)大于5 r/min時(shí)，步進(jìn)電機(jī)從最低速度5 r/min開始加速運(yùn)行，當(dāng)加速到25 r/min時(shí)步數(shù)仍大于5 r/min時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最大速度25 r/min恒速運(yùn)行，當(dāng)步數(shù)小于25 r/min時(shí)，步進(jìn)電機(jī)開始減速，減速到5 r/min時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速5 r/min運(yùn)行。4.2主程序設(shè)計(jì) 程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，即從主體遂逐步細(xì)分到每一個(gè)模塊的流程。在流程圖中把設(shè)計(jì)者的控制過程梳理清楚。本程序主要由鍵盤程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、lcd/led顯示程序、測速程序組成，主程序首先初始化各變量，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各引腳均輸

41、出高電平，便進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待鍵入相應(yīng)操作。然后調(diào)用鍵盤程序，并作判斷，如果有鍵按下，則調(diào)用鍵盤處理程序。各種模式和方式下的不同處理，在流程圖中均作出了詳細(xì)說明。4.2.1 主程序工作過程（1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化包括函數(shù)、定時(shí)器t1初始化，步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)的初始化、lcd/led初始化。步進(jìn)電機(jī)的初始化狀態(tài)為低速正運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示步數(shù)為+5 r/min。（2）鍵盤掃描及按鍵處理。判斷是否有按鍵按下，若有則進(jìn)行按鍵處理。按鍵功能包括加、減按鍵，啟動(dòng)按鍵，停止按鍵，正轉(zhuǎn)按鍵，反轉(zhuǎn)按鍵、復(fù)位按鍵等功能按鍵。（3）調(diào)速。根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速判斷是否需要自動(dòng)進(jìn)行調(diào)速。4.2.2主程序工作流程圖主程序工作流

42、程圖如圖4.2所示。在圖中簡單的反映出了整個(gè)控制系統(tǒng)的主程序工作流程。圖4.1主程序流程圖4.3驅(qū)動(dòng)流程圖 由于本設(shè)計(jì)所采用的是四相八拍步進(jìn)電機(jī)，因而單片機(jī)所產(chǎn)生的脈沖，對(duì)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)的通電次序依次是a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a，反轉(zhuǎn)d-dc-c-cb-b-ba-a-ad-d,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過改變每相通電延時(shí)時(shí)間來改變轉(zhuǎn)速的，其驅(qū)動(dòng)流程如圖。圖4.2驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生流程圖4.4鍵盤流程圖 在本設(shè)計(jì)當(dāng)中按鍵的一端接地，另一端接單片機(jī)的對(duì)應(yīng)端口，所以當(dāng)按鍵按下，既是將單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口電平拉低。所以在編程的時(shí)候判斷按鍵按下是低電平有效。其流程圖如圖。圖4.3按鍵流程圖第5章 調(diào)試與總

43、結(jié) 調(diào)試是工程驗(yàn)證不可缺少的一步，調(diào)試主要指軟件和硬件相結(jié)合進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的目地就是檢驗(yàn)軟件和硬件的設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)的要求，是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，如果沒有達(dá)到要求，需改變軟件和硬件。5.1軟件調(diào)試本設(shè)計(jì)軟件調(diào)試主要采用proteus軟件進(jìn)行調(diào)試，這與proteus軟件自身優(yōu)良的仿真特性離不開。所設(shè)計(jì)的程序能用于proteus中，完成仿真過程的同時(shí)，即基本驗(yàn)證所設(shè)計(jì)程序的準(zhǔn)確性，從而完成系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序的設(shè)計(jì)部分。對(duì)于本次設(shè)計(jì)軟件調(diào)試我們需要注意：（1） 四相八拍步進(jìn)電機(jī)是否能正常啟動(dòng)、運(yùn)行、加減速。（2） led/lcd顯示器是否能按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)顯示。（3） 按鍵模塊是否能設(shè)計(jì)合理，能否有

44、效的控制電機(jī)。（4） 電機(jī)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加、減速。（5） 電機(jī)的轉(zhuǎn)速上限、下限設(shè)定是否滿足電機(jī)的要求。（6） 在測速模塊，所采用的運(yùn)算是否準(zhǔn)確。通過proteus軟件的仿真，所編寫的程序達(dá)到了預(yù)期的效果，仿真實(shí)現(xiàn)了程序軟件調(diào)試過程。如圖是lcd軟件調(diào)試結(jié)果。圖5.1軟件仿真圖5.2硬件調(diào)試 硬件調(diào)試就把本設(shè)計(jì)的程序下載到實(shí)物硬件中，連接電路。為了防止硬件的損壞，在硬件上電之前進(jìn)行電路檢查，包括：對(duì)芯片的焊接方向進(jìn)行檢查，對(duì)芯片的引腳進(jìn)行短路和短路檢查。在經(jīng)過上述檢查沒有任何問題的情況下，進(jìn)行上電，上電后查看電機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求功能，如若不能，斷電檢查電路連接問題。本設(shè)計(jì)硬件調(diào)試需要

45、注意的：（1） 上電后電機(jī)按照最低轉(zhuǎn)速5/s運(yùn)行，最高轉(zhuǎn)速能否按照25/s運(yùn)行。（2） 按正、反轉(zhuǎn)按鍵電機(jī)能否實(shí)現(xiàn)其功能。（3） 按加、減速按鍵電機(jī)能否實(shí)現(xiàn)加減速。（4） 當(dāng)電機(jī)設(shè)定某一轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)能能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加、減速。（5） 測速模塊是否測量精準(zhǔn)。（6） 當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)是否會(huì)失步。（7） lcd/led顯示能否顯示準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)亂碼。綜上所述，設(shè)計(jì)符合要求，顯示符合要求，測速精確。具體的實(shí)物調(diào)試如圖。圖5.2硬件調(diào)試圖5.3總結(jié)通過這次為期五個(gè)星期的智能儀器的課程設(shè)計(jì)。終于完成了基于單片機(jī)設(shè)計(jì)攪拌機(jī)(步進(jìn)電機(jī))調(diào)速控制系統(tǒng)軟硬件的研究和設(shè)計(jì)。通過這次設(shè)計(jì)，加深對(duì)單片機(jī)控制系

46、統(tǒng)的了解。將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中。在這次課程設(shè)計(jì)，雖然我們每個(gè)都有明確的分工，但是我們整體是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中每個(gè)人負(fù)責(zé)的部分都是重要的，他關(guān)系這整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。這是我們在團(tuán)隊(duì)意識(shí)方面有了很強(qiáng)團(tuán)結(jié)精神，從一開始的查閱資料到最后硬件的調(diào)試，都需要大家進(jìn)行討論，進(jìn)行協(xié)商，確定最終的方案。這是個(gè)相互學(xué)習(xí)的過程。通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成了全部的設(shè)計(jì)任務(wù)，具體功能如下：完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，能通過鍵盤電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速最低5轉(zhuǎn)/秒，最高轉(zhuǎn)速25轉(zhuǎn)/秒；通過編程實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)能輸出四相八拍的脈沖控制序列控制

47、步進(jìn)電機(jī)，并通過lcd/led顯示。這次設(shè)計(jì)仿真我們用到了仿真軟件proteus7和編譯軟件keil4.0，這給我們的設(shè)計(jì)進(jìn)步有了很大的幫助，也使我對(duì)這倆個(gè)軟件更熟練的掌握。最后感謝老師這么長時(shí)間的指導(dǎo)！參考文獻(xiàn)1 孫傳友,孫曉斌,張一. 感測技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)m.北京：科學(xué)出版社，2004.2 徐科軍.傳感器與檢測技術(shù)m.北京：電子工業(yè)出版社，2004.3 劉篤仁.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.4 廣州奧松電子有限公司.dht11說明書.5 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用j.電子技術(shù)應(yīng)用,2000.6 沈蘭蓀編著.數(shù)據(jù)采集與處理m.北京：能源出版社，198

48、7.7 陶楚良編著.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其器件m .北京：北京理工大學(xué)出版社，1988.8張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社 .9郭天祥.新概念 51 單片機(jī) c 語言教程.北京：電子工業(yè)出版社 .10蔡明文 馮先成編著.單片機(jī)課程設(shè)計(jì).北京：華中科技大學(xué)出版社 .11王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制.北京航空航天大學(xué)出版社 .12張毅剛.劉杰.mcs-51 單片機(jī)原理及應(yīng)用.哈爾濱： 哈爾冰工業(yè)大學(xué)出版社. 2008.13賈振國，徐琳. 智能化儀器儀表原理及應(yīng)用 北京：水利水電出版社.2011.114張友德，涂時(shí)亮，趙志英. 單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)（c51版） 復(fù)旦大學(xué)

49、出版社15史健芳 智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第2版） 北京：電子工業(yè)出版社.2012.916李光飛，樓然苗，胡佳文等.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2014.1017凌玉華.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).長沙：中南大學(xué)出版社.2006.2.18李建海，張大為，張凱，劉迪.數(shù)字pid控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用j電子測量技術(shù) 2009.0419張家生. 電機(jī)原理與拖動(dòng)基礎(chǔ)【m】. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006. 20馬淑華，王鳳文，張美金. 單片機(jī)原理與接口技術(shù)【m】.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.附錄a：步進(jìn)式攪拌機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件原理圖lcd顯示部分：led顯示部

50、分：13附錄b：攪拌機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）調(diào)速控制系統(tǒng)源程序lcd顯示部分：#include /包含頭文件，#include#define uint unsigned int /預(yù)定義一下 #define uchar unsigned char #define dataport p0#define busy 0x80 /常量定義void display(); /lcd延時(shí)子程序void lcd_wait(void); /lcd初始化子程序 void initlcm( void); /lcd檢測忙子程序 void writecommandlcm(uchar wclcm,uchar busyc); /寫指

51、令到icm子函數(shù)void writedatalcm(uchar wdlcm); /寫數(shù)據(jù)到lcm子函數(shù)void displayonechar(uchar x,uchar y,uchar ddata); /顯示指定坐標(biāo)的一個(gè)字符子函數(shù)void displaylistchar(uchar x,uchar y,uchar code *ddata); /顯示指定坐標(biāo)的一串字符子函數(shù)void delay(uint t);void init_timer();void pid_cal();uchar code ffw8=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09; /四相

52、八拍正轉(zhuǎn)編碼uchar code rev8=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01; /四相八拍反轉(zhuǎn)編碼uchar code str0=setting: ;uchar code str1=measure: ;sbit k1 = p20; /正轉(zhuǎn)sbit k2 = p21; /反轉(zhuǎn)sbit k3 = p22; /停止sbit jia = p23;sbit jian = p24;sbit lcm_rs=p26; /lcdsbit lcm_rw=p25;sbit lcm_en=p27;uchar fleg;char k=20;uint celiangzhi =0,anjianzhi=5;uint set_vol =0;uint tcounter=0;uint qian;/*寫指令到icm子函數(shù)*/void writecommandlcm(uchar wclcm,uchar busyc) if(busyc)lcd_wait();dataport=wclcm; lcm_rs=0; / 選中指令寄存器 lcm_rw=0; / 寫模式 lcm_en=1; _nop_(); _