单片机控制电动机的设计

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1、扬州高等职业技术学校学生毕业设计题系目：部：单片机控制电动机的设计电子系专业：电子信息工程学号：41班级：0813G姓名：+有 朱磊指导教师：陶忠完成日期：2013/5/22摘要步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移， 并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。有时从一些旧设备上 拆下的步进电机（这种电机一般没有损坏）要改作它用，一般需自己设计驱动器。本设计采用8051 对感应子式步进电机步进电机进行控制，通过 IO 口输出的 具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片 L298N 驱动步进电机； 同时，用 4X4 的键盘来对电机的状态进行控制，并用

2、数码管显示电机的转速， 采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用单片机 的语音功能播报电机的转速。最后对所设计的步进电动机驱动器进行了性能测试分析，结果表明：该驱 动器达到了系统设计前所提出的各项指标。系统运行安全、可靠、稳定。整个系 统电路简单实用、性能优良、通用性强。关键词：步进电机 ，单片机 ，数码管，只读存储器， I/O 接口目录第1 章 前言 第2 章 方案论证比较设计2.1 单片机概述 2.1.1 单片机微控制器嵌入式应用的概念 2.1.2 单片机的特点和应用2.2 步进电机概述 2.1.1 感 应 子 式 步 进 电 机 工 作 原理 2.2.2步进

3、电机的应用 2.3 单片机控制步进电机的设计思路第3 章 控制系统的硬件电路设计 3.1 MCS-5131.1 8051单片机内部结构 3.1.2 8051 单片机的 CPU 3. 1. 3芯片的引脚排列和说明 3.2 步进电机的驱动电路设计3.3 数码管显示电路的设计3.4 4X4键盘电路的设计第4章 控制系统的软件设计4.1 控制脉冲的产生4.2 语音报数第5 章 结论 致谢第 1 章 前言步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。1950 年后期晶体管的发明也逐 渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良， 使得今步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性

4、能、高响应性、信赖性 等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机 器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确 作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。随着微电子计算机技术的 发展，单片机控制步进电机的需求量与俱增，在各个国民经济领域都有应用。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状 态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转 过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上 与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序， 便可获得所需

5、的转角、转速及转动方向，因此非常适合于单片机控制。本设计主要是利用MCS-51对感应子式步进电机步进电机，控制的要求是开 机后，电机不转，按下启动键，电机旋转，速度为25 转/分，按下加 1 键，速度 增加，按下减 1 键，速度降低，最高速度为 100 转/分，最低转带为 25 转/分， 按下停止键，电机停转。速度值要求在数码管上显示出来，并利用语音功能播报 电机的转速。第 2 章 方案论证比较设计2.1 单片机的概述单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出 现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此， 计算机技术在两个重要领域通用计算机领域

6、和嵌入式计算机领域都得到了 极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。2.1.1 单片机微控制器嵌入式应用的概念1单片机概念所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器CPU、随 机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行 通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。因此单片机早期的 含义为单片微型计算机(single chip microcomputer)，直接译为单片机，并一 直沿用至今。单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，它有惟一的、专门为嵌入式 应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下 可

7、高速可靠地运行的特点，因此单片机又称之为嵌入式微控制器( embedded micro controller)。但是，在国内单片机的叫法仍然有着普遍的意义。我们已 经把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器，它是一个典型的嵌入式应用计算 机系统。目前按单片机内部数据通道的宽度，把它们分为 4 位、 8 位、 16 位及 32 位单片机。2单片机和微处理器随着大规模与超大规模集成电路技术的快速发展，微计算机技术形成了两大 分支：微处理器(micro processor unit, MPU)和单片机(micro controller unit， MCU)。微处理器MPU是微型计算机的核心部件，它的性

8、能决定了微型计算机的性能。通用型的计算机已从早期的数值计算、数据处理发展到当今的人工智能阶段。它 不仅可以处理文字、字符、图形、图像等信息，而且还可以处理音频、视频等信 息，并正向多媒体、人工智能、数字模拟和仿真、网络通信等方向发展。它的存 储容量和运算速度正在以惊人的速度发展。高性能的32位、64位微型计算机系 统正向中、大型计算机挑战。3单片机和嵌入式系统面向检测控制对象，嵌入到应用系统中去的计算机系统称之为嵌入式系统。 实时性是它的主要特征，对系统的物理尺寸、可靠性、重启动和故障恢复方面也 有特殊的要求。由于被嵌入对象的体系结构、应用环境等的要求，嵌入式计算机 系统比通用的计算机系统 应

9、用设计更为复杂，涉及面也更为广泛。从形式上 可将嵌入式系统分为系统级、板级和芯片级。系统级嵌入式系统为各种类型的工控机，包括进行机械加固和电气加固的通 用计算机系统，各种总线方式工作的工控机和模块组成的工控机。它们大都有丰 富的通用计算机软件及周边外设的支持，有很强的数据处理能力，应用软件的开 发也很方便。但由于体积庞大，适用于具有大空间的嵌入式应用环境，如大型实 验装置、船舶、分布式测控系统等。板级嵌入式系统则有各种类型的带CPU的主板及OEM产品。与系统级相比， 板级嵌入式系统体积较小，可以满足较小空间的嵌入式应用环境。芯片级嵌入式系统则以单片机最为经典。单片机嵌入到对象的环境、结构体 系

10、中去作为其中一个智能化的控制单元，是最典型的嵌入式计算机系统。它有惟 一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级的体积和 在现场运行环境下的高可靠性，它最能满足各种中、小型对象的嵌入式应用要求。 因此，单片机是目前发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式计算机系统。但是， 一般的单片机目前还没有通用的系统管理软件或监控程序，而只是放置由用户调 试好的应用程序。它本身不具备开发能力，常常需要专门的开发工具。2.1 单片机的特点和应用1单片机的基本组成单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成 一台功能独特的、完整的单片微型计算机。图 2-1 为单片机的典型

11、结构框图。图 2-1 单片机的典型结构框图下面简要介绍各组成部分。（1）中央处理器单片机中的中央处理器 CPU 和通用微处理器基本相同，由运算器和控制器组 成，另外增设了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法 运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。（2）存储器单片机的存储空间有两种基本结构。一种是普林斯顿结构（Princeton）,将 程序和数据合用一个存储器空间，即ROM和RAM的地址同在一个空间里分配不同 的地址。 CPU 访问存储器时，一个地址对应惟一的一个存储单元，可以是 ROM， 也可以是RAM,用同类的访问指令。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分 开，分别

12、寻址的结构，称为哈佛（Harvard）结构。CPU用不同的指令访问不同 的存储器空间。由于单片机实际应用中“面向控制”的特点，一般需要较大的程 序存储器。目前，包括 MCS-51 和 80C51 系列的单片机均采用程序存储器和数据 存储器截然分开的哈佛结构。 数据存储器（ RAM）在单片机中，用随机存取的存储器（RAM）来存储数据，暂存运行期间的数 据、中间结果、缓冲和标志位等，所以称之为数据存储器。一般在单片机内部设 置一定容量（64B256B）的RAM,并以高速RAM的形式集成在单片机内，以加 快单片机的运行速度。同时，单片机内还把专用的寄存器和通用的寄存器放在同 一片内RAM统一编址，以

13、利于运行速度的提高。对于某些应用系统，还可以外部 扩展数据存储器。 程序存储器（ ROM） 单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因 为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。单片机内部的程序存储器常有以下几种形式： 掩膜ROM （Mask ROM）它是由半导体厂家在芯片生产封装时，将用户的应用程序代码通过掩膜工艺制作到单片机的ROM区中，一旦写入后用 户则不能修改。所以它适合于程序已定型，并大批量使用的场合。 8051 就是采用掩膜ROM的单片机型号。 EPROM 此种芯片带有透明窗口，可通过紫外线擦除程序存储器的内容。 应用程序可通过专门的写入器脱机

14、写入到单片机中，需要更改时可通过 紫外线擦除后重新写入。8751就是采用EPROM的单片机型号。 ROMLESS 这种单片机内部没有程序存储器，使用时必须在外部并行扩展 一片EPROM作为程序存储器。8031就是ROMLESS型的单片机。 Flash ROM （MTP ROM）闪速存储器 这是一种可由用户多次编程写入的 程序存储器。它不需紫外线擦除，编程与擦除完全用电实现，数据不易 挥发，可保存 10 年。编程/擦除速度快， 4KB 编程只需数秒，擦除只需 10ms。例如AT89系列单片机，可实现在线编程，也可下载。这是目前大 力发展的一种ROM,大有取代EPROM型产品之势。（ 3）并行 I

15、/O 口单片机为了突出控制的功能，提供了数量多、功能强、使用灵活的并行 I/O 口。使用上不仅可灵活地选择输入或输出，还可作为系统总线或控制信号线，从 而为扩展外部存储器和 I/O 接口提供了方便。（4）串行 I/O 口高速的 8 位单片机都可提供全双工串行 I/O 口，因而能和某些终端设备进行 串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连接。（5）定时器/计数器 在实际的应用中，单片机往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数， 因而在单片机内部设置了定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动 处理。2单片机的特点单片机独特的结构决定了它具有如下特点。（1）高集成度、高可靠性 单片机将各

16、功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最 小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性 能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏， 许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。（2）控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件：分支转移能力、I/O 口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。（3）低电压、低功耗为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。（4）优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用

17、 RISC 流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB 和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使 用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极3单片机的应用由于单片机功能的飞速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算机 科学的领域。小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从实现数据采集、过程 控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，到处都离不开单片机。其主要的 应用领域如下。（1）在测控系统中的应用单片机可以用于构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。 例如，工业上的锅

18、炉控制、电机控制、车辆检测系统、水闸自动控制、数控机床 及军事上的雷达、导弹系统等。（2）在智能化仪器仪表中的应用 单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化、智能化、多功能化和 综合化等方向发展。单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修正、 线性化的处理等难题迎刃而解。（3）在机电一体化中的应用 单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化，控制走向智能 化，构成新一代的机电一体化产品。这是机械工业发展的方向。（4）在智能接口中的应用计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制管 理，单片机与主机并行工作，可大大提高系统的运行速度。例如，在大型数据采 集

19、系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可以对 数据进行预处理。如数字滤波、误差修正、线性化处理等。（5）在人类生活中的应用 单片机由于其价格低廉、体积小巧，被广泛应用在人类生活的诸多场合，如 洗衣机、电冰箱、空调器、电饭煲、视听音响设备、大屏幕显示系统、电子玩具、 信用卡、楼宇防盗系统等。单片机将使人类的生活更加方便舒适，丰富多彩。22 步进电机的概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载 的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受 负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性 关系的存在

20、，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流 电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方 可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许 多专业知识。221 感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次 分别与转子齿轴线错开。0、1/3疋、2/3 T,（相邻两转

21、子齿轴线间的距离为齿距以疋表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3 T, C与齿3向右错开2/3 T, A与齿5相对 齐，（A就是A,齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B, C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如 B 相通电， A， C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过1/3T，此时齿3与C偏移为1/3 T，齿4与A偏移（T-1/3 T） =2/3 T。 如C相通电，A, B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3 T, 此时齿4与A偏移为1/3疋对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子

22、又向右移过1/3 T这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电 机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每 脉冲）1/3疋，向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。 而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BC C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3疋改变为1/6疋。甚至于通过二 相电流不同的组合，使其1/3疋变为1/12 T，1/24疋，这就是电机细分驱动的 基本理论依据。不难推出：电机定

23、子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m（m-1）/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是 步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进 电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Q ）当转子与定子错开一定角度产生力f与（de/de）成正比xtvi其磁通量e =Br *SBr 为磁密， S 为导磁面积F与L*D*Br成正比L 为铁芯有效长度， D 为转子直径Br=N I/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁

24、密 成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大， 反之亦然。（二）感应子式步进电机1、特点：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体， 以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工 作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具 有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、 低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可 以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机 则不能如此。例如：

25、四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用 二相八拍运行方式不难发现其条件为C二耳，D=目.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相， 而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部 接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电 机绕组串联或并联使用。2、分类感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相 电机等。以机座号（电机外径）可分为： 42BYG（BYG 为感应子式步进电机代号）、 57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像 70BYG、90BYG

26、、130BYG 等均为国 内标准。3、步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过 一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用e表示。e=360度（转子 齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步 距角为e=360度/（50*4） =1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为e=360 度/（50*8）

27、=0.9 度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波 以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。 此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份 采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热 及机械噪音。4、步进电机动态指标及术语：1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误 差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行

28、时应在 15%以内。2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3 、失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直 接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩 频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图 所示：其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电

29、机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩 取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩 越大，即电机的频率特性越硬。如下图所示：其中，曲线 3 电流最大、或电压最高;曲线 1 电流最小、或电压最低，曲线与负 载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般 在 180-250pps 之间（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角为 0.9 度），电 机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向

30、上偏移， 反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均 应偏移共振区较多。8、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（AB -瓦日-瓦百-AE ）时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或（A百-瓦百-耳日-AB ）时为反转。222、步进电机的应用（一）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦 三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算 到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或 小于此角度。目前市场

31、上步进电机的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相电机）、 0.9 度/1.8 度（二、四相电机）、1.5 度/3 度 （三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静 力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单 一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种 负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。 一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座 及长度便能确定下来（几何尺寸）3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，

32、其运行特性差别很大，可依据矩 频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡 量，力矩与功率换算如下：P= Q MQ =2n n/60P=2n nM/60其P为功率单位为瓦，Q为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转 速，M为力矩单位为牛顿米P=2n fM/400（半步工作）其中 f 为每秒脉冲数（简称 PPS）（ 二）、应用中的注意点1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用

33、，可通过减速装置使其在 此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V夕卜，其他电 机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采 用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的 电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5 、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用 逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6 、高精度时

34、，应通过机械减速、提高电机速度 , 或采用高细分数的 驱动器来解决，也可以采用 5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少， 其被淘汰的说法是外行话。7 、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加 一些阻尼的解决。8 、电机在 600PPS（ 0.9 度）以下工作，应采用小电流、大电感、低 电压来驱动。9 、应遵循先选电机后选驱动的原则。2.3 单片机控制步进电机的设计思路本设计主要是利用MCS-51对感应子式步进电机步进电机，控制的要求是开 机后，电机不转，按下启动键，电机旋转，速度为25 转/分，按下加 1 键，速度 增加，按下减 1 键，速度降低，最高速度为 100

35、转/分，最低转带为 25 转/分， 按下停止键，电机停转。速度值要求在数码管上显示出来，并利用语音功能播报 电机的转速。第 3 章 控制系统的硬件电路设计3.1MCS-51 结构3.1.1 8051 单片机内部结构RAM地址锁存器RAM通道0驱动器一通道0锁通道驱动器通道2锁存器ROM/GND存器；EPROM程序地址寄存器B寄存器TMP -TMB1Ad缓冲器PSENALE _ EARST -定指指时令令和寄译ALUPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1BUF(TX/RX)堆栈指针SPPC递增器程序计数器PC数据指针DPTR振荡器XTALHQF通道i锁存器通道1驱动器通道3锁存

36、器P3.0P3.7illP1.0 P1.7图 3.1 8051 单片机内部结构3.1.2 8051单片机的 CPUCPU即中央处理器，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由 运算器和控制器两部分组成。（1）运算器运算器以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、暂存寄存器TMP和程 序状态字寄存器PSW等所组成OALU主要用于完成二进制数据的算术和逻辑运算, 并通过对运算结果的判断影响程序状态字寄存器PSW中有关位的状态。PSW：CYACF0RS1RS0OVP3.1.3 芯片的引脚排列和说明MCS-51系列单片机芯片均为40条引脚，HMOS工艺制造的芯片用双列直插（DIP）方

37、式封装，其引脚示意及功能分类如图3.1所示。P匚P匚1.1 IP1.2 口P1.3 匚 匚 匚匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚30440391.4P1.5P1.6P1.7RST/vPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT /P 03.2INT /P13.3T0/P3.4T1/P3.5wr/p363.6RD/P3.7XTAL2XTAL1 vSS5678910111213141516171819208051383736353433323130292827262524232221=lvCCnp.0.0 np .0.1 Ip .0.2 IP .0.3 IP .0.4 口 Pea/v 二 ALE

38、/PROG 二IPSEN K2.7 =lp .2.6 二卩 .2.5 二 P2.42.3 =IP2.2IP2.1IP2.0图3.2 8051 芯片的引脚排列各引脚功能说明如下：1. 主电源引脚Vcc（40脚）：接+5V电源正端。Vss（20脚）：接+5V电源地端。2. 外接晶体引脚 XTAL1（19 脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器 的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该引脚接地；对于 CHMOS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18 脚）：接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，它是片内振荡器的反相放大

39、器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部 振荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。2.输入/输出引脚（1）P0 口（3932脚）：P0.0P0.7统称为P0 口。在不接片外存储器 与不扩展I/O 口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O 口时， P0 口分时复用为低 8 位地址总线和双向数据总线。（2）P1 口（18脚）：P1.0P1.7统称为P1 口，可作为准双向I/O 口 使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器 2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

40、（3）P2 口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2 口，一般可作为准双向I/O 口 使用；在接有片外存储器或扩展I/O 口且寻址范围超过256字节时，P2 口用作 高8位地址总线。表3.1 P3 口第二功能引脚第二功能P3.0RXD串行口输入P3.1TXD串行口输出端P3.2INT0外部中断0请求输入端，低电平有效P3.3INT1外部中断 1 请求输入端，低电平有效P3.4T0定时器/计数器 0 计数脉冲输入端P3.5T1定时器/计数器 1 计数脉冲输入端P3.6WR外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效P3.7RD外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效（4）P3 口（1017脚

41、）：P3.0P3.7统称为P3 口。除作为准双向I/O 口使用 外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3 口的每一条引脚均可以独立定义为 第一功能的输入输出或第三功能。P3 口的第二功能如表2.1所示。4. 控制线（1）ALE/PROG（30 脚）：地址锁存有效信号输入端。 ALE 在每个机器周 期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出 的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用 于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此 时作为时钟输出就不妥了。对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲

42、PROG的输入端。（2）PSEN（29 脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。 当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通 过数据总线P0 口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不 再出现。（3）RST/VPD引脚（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚 为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续 两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时， 考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证 有效复位。当Vcc发生故障，降低到低电平规定值或

43、掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V） 为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。（4）EA/Vpp（31脚）：EA为片外程序存储器选用端。该引脚有效（低电 平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。 对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作21V编程电源Vpp的输入 端。综上所述， MCS-51 系列单片机的引脚可归纳为以下两点：（1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都有第二功能。（2）单片机对外呈现3总线形式，由P2、P0 口组成16位地址 总线；由 P0口分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3 口中的INTO、I

44、NTI、TO、Tl、WR、RD共10个引脚组成控制总线，如图2.1 (b)所示。由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到 64KB。3.2 步进电机的驱动电路设计这款步进电机是从废旧的洗衣机上拆下来的，其驱动电压12V，步进角为 7.5 度 . 一圈 360 度 , 需要 48 个脉冲完成。该步进电机有 6 根引线，排列次序如下：1:红色、 2:红色、 3:橙色、 4:棕色、 5:黄色、 6:黑色。 采用 51 驱动 ULN2003 的方法进行驱动。壬0B-S图 3.3 单片机控制 35BY48S03 型步进电机的电路原理图3.3、数码管显示电路的设计数码管的显示驱动使用74LS

45、164,通过SPCE061A的IOB0和IOB1 口对DATA和CLK发送数据。m n ri 才 A 9 q q h 口口 q 口Fi Th LD J口 口 Q： vccB CM 000L5J7N0SCC丽Q?GNDDAT占：ULK :Cl K R图 3.4 数码管显示电路3.4 4x4 键盘电路在设计中,使用了标准的 4x4 键盘,其电路图如图 35所示。单片机的 A 口低8位为键盘的接口。尽管设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控 制，但考虑到对控制功能的扩展，我们使用了 4x4的键盘。第 4 章 控制系统的软件设计4.1 控制脉冲的产生本系统的主要控制对象为步进电机。步进电机是一种

46、将电脉冲转化为角位移 的执行机构，因此产生符合系统要求的步进电机驱动脉冲为整个系统设计中的关 键。本系统的脉冲分频电路由图 2 所示。整个电路采用 3 片 8254来产生 X，Y， Z 三个轴的驱动脉冲信号，鉴于 Y ，Z 轴的电路与 X 轴相同，因此图中只表示了 X 轴脉冲数输出的电路原理。Inte18254 是可编程定时 / 计数器，片内包含 3 个独立通道，每个通道 均为功能相同的16 位计数器，每个计数器的工作方式和计数长度分别由软件编 程选择。8254 是 8253 的改进型，操作方式及引脚与 8253 完全相同。8253 计数 频率为2.6MHz, 8254的计数频率则更高，可达到

47、6MHz。本系统选择8254作为 脉冲分频电路的主控芯片。4.2 语音报数2、语音报数程序设计中语音报数使用的是SACMA2000,考虑到程序比较简单，首先使 用了自动报数方式，但发现不能进行连续报数，于是使用了非自动方式，流程 图如图 4 2 所示。= ilMi列览断是宙別 |：.二的讣也忆川. RES_Wir_24K_EA捉HMM2P_GetF兀 f irr4 .-ddt:_i填允iH畜队列SACH A：QOO FillQueue Ret 14/12 II Addr-JACM_A2QCO_lT；itceT : DAC1?*$*：1|：|H： 0,;:J F_FIQ_Service_SACM

48、 盟OOQE鮭取数据 i：那$SACW_A2OQ0_itQP 0第 5 章 结论控制电路如图 3 所示，开机后，电机不转，按下启动键，电机旋转，速度 为 25 转 / 分，按下加 1 键，速度增加，按下减 1 键，速度降低，最高速度为 100 转/分，最低转带为 25 转/分，按下停止键，电机停转。速度值要求在数码管上 显示出来。1要求分析按上面的分析，改变转速，只要改变 P1.0P1.3 轮流变低电平的时间即可达到要 求，这个时间不应采用延时来实现，因为会影响到其他功能的实现。这里以定时 的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。按要求，最低转速为 25 转/分，而上述步进电机的步距角为 7.

49、5，即每 48 个脉 冲为1周，即在最低转速时，要求为1200脉冲/分，相当于50ms/脉冲。而在最 高转速时，要求为100转/分，即48000脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。可以列 出下表表 4.1 步进电机转速与定时器定时常数关系速度 单步时间(us) TH1 TL1实际定时(us)25 50000 76 0 49996.826 48077 82 236 48074.1827 46296 89 86 46292.6128 44643 95 73 44640.155100 12500 211 0 12499.2 表中不仅计算出了 TH1和TL1,而且还计算出了在这个定时常数下，真实的定时

50、 时间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。表中 TH1 和 TL1 是根据定时时间算出来的定时初值,这里用到的晶振是 11.0592M。有了上述表格，程序就不难实现了，使用定时/计数器T1为定时器， 定时时间到后切换输出脚即可。2程序实现定义DSB-1A实验板的S1为启动键，S2为停止键，S3为加1键，S4为减1键， 程序如下：StartEnd bit 01H ;起动及停止标志MinSpd EQU 25 ;起始转动速度MaxSpd EQU 100 ;最高转动速度Speed DATA 23H ;流动速度计数DjCount DATA 24H ;控制电机输出的一个值，初始为1 1

51、1 1 0 111Hidden EQU 10H ;消隐码Counter DATA 57H ;显示计数器DISPBUF DATA 58H ;显示缓冲区ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHJMP DISPORG 001BHJMP DJZDORG 30HMAIN:MOV SP,#5FHMOV P1,#0FFHMOV A,#HiddenMOV DispBuf,AMOV DispBuf+1,AMOV DispBuf+2,AMOV DjCount,#11110111BMOV SPEED,#MinSpd ;起始转动速度送入计数器CLR StartEnd ;停转状态MOV TMOD,#000

52、10001B ;MOV TH0,#HIGH(65536-3000)MOV TL0,#LOW(65536-3000)MOV TH1,#0FFH;MOV TL1,#0FFHSETB TR0SETB EASETB ET0SETB ET1LOOP: ACALL KEY ;键盘程序JNB F0,m_NEXT1 ;无键继续ACALL KEYPROC ;否则调用键盘处理程序 m_NEXT1:MOV A,SpeedMOV B,#10DIV ABMOV DispBuf+5,B ;最低位MOV B,#10DIV ABMOV DispBuf+4,BMOV DispBuf+3,AJB StartEnd,m_Next2

53、CLR TR1 ;关闭电机JMP LOOPORL P1,#11110000Bm_Next2:SETB TR1 ;启动电机AJMP LOOP ;主程序结束D10ms:;延时程序,键盘处理中调用KEYPROC:MOV A,B ;获取键值JB ACC.2,StartStop ;分析键的代码,某位被按下,则该位为 1JB ACC.3,KeyStyJB ACC.4,UpSpdJB ACC.5,DowSpdAJMP KEY_RETStartStop:SETB StartEnd ;启动AJMP KEY_RETKeySty:CLR StartEnd; ;停止AJMP KEY_RETUpSpd:INC SPEE

54、D;MOV A,SPEEDCJNE A,#MaxSpd,K1 ;到了最多的次数？DEC SPEED ;是则减去 1，保证下次仍为该值K1:AJMP KEY_RETDowSpd:DEC SPEEDMOV A,SPEEDCJNE A,#MAXSPD,KEY_RET ;不等（未到最大值），返回MOV SPEED,#MinSpd;KEY_RET:RETKEY:获取键值的程序RETDjZd: ;定时器 T1 用于电机转速控制PUSH ACCPUSH PSWMOV A,SpeedSUBB A,#MinSpd ;减基准数MOV DPTR,#DjHMOVC A,A+DPTRMOV TH1,AMOV A,Spe

55、edSUBB A,#MinSpdMOV DPTR,#DjLMOVC A,A+DPTRMOV TL1,AMOV A,DjCountCPL AORL P1,AMOV A,DjCountJNB ACC.7,d_Next1JMP d_Next2 d_Next1:MOV DjCount,#11110111Bd_Next2:MOV A,DjCountRL AMOV DjCount,A ;回存ANL P1,APOP PSWPOP ACCRETIDjH: DB 76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12DjL: DB 0,236,86,73,212,0,214,96,163,

56、165DISP: ;显示程序POP PSWPOP ACCRETIBitTab: DB 7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBHDISPTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8E H,0FFHEND3程序分析本程序主要由键盘程序、显示器程序、步进电机驱动程序三部份组成， 主程序首先初始化各变量，将显示器的高 3位消隐，步进电机驱动的各引脚均 输出高电平，然后调用键盘程序，并作判断，如果有键按下，则调用键盘处理 程序，否则直接转下一步。下一步是将当前的转速值转换为BCD码，

57、送入显示 缓冲区；接着判断 StartEnd 这个位变量，是“1”还是“0”，如果是“1”，则开启 定时器T1,否则关闭定时器T1,为防止关闭时某一相线圈长期通电，因此，在 关闭定时器T1时，将P1.0P1.3均置高。至此，主程序的工作即结束。这里为 简便起见，这里没有做高位“0”消隐的工作，即如果速度为10转/分，则显示值 “010”。步进电机的驱动工作是在定时器T1的中断服务程序中实现的，由前述分 析，每次的定时时间到达以后，需要将P1.0P1.3依次接通，程度中用了一个 变量 DjCntr 来实现这一功能，在主程序初始化时，该变量被赋予初值 11110111B，进入到定时中断以后，将该变

58、量取出送ACC累加器，并在累加器中 进行左移，这样，该数值就变为 1110 1111，然后将该数与 P1 相“与”，此时， P1.4 即输出低电平，第二次进入中断时，先将该数取反，成为 0001 0000， 然后将该数与P1相“或”，这样，P1.4即输出高电平，关断了相应的线圈，然后 将该数重新取出，并作左移，即 1110， 1111右移成为11011111，将该数与P1相“与”，这样P1.5即输出低电平，依次类推，P1.7P1.4即循环输出低电平。 当这一数据变为0111 1111后，需要作适当的改动，将数据重新变回 1111 0111，进行第二次循环。定时时间又是如何确定的呢？这里用的是查

59、表的方法，首先用 Excel计算得出在每一种转速下的TH值和TL值，然后，分别放入DjH和DjL表中， 在进入T1中断程序之后，将速度值变量Speed送入累加器ACC，然后减去基数 25,使其基数从0开始计数，然后分别查表，送入TH1和TL1，实现重置定时 初值的目的。致谢在这次毕业设计的过程中，指导老师陶忠给予了我很大的帮助，提供了相关 的资料，对我的毕设作品给予了指导和支持。使我顺利圆满的完成了此次毕业设 计。在此，向陶忠和我的老师，张艳艳表示衷心的表示感谢！同时，也要感谢学 校提供计算机等设施，使我的设计能够调试寒窗几载，春花秋实。大专5 年是我一生的重要阶段，是学习专业知识及提高各方 面能力为以谋生发展的重要阶段。从跨入大学的校门的那一刻起我就把这一信念做为人生的 又一座右铭。大专 5 年里，在提高自己科学文化素质的同时也努力提高自己的思想道德素质，使自己 成为德智体诸方面全面发展适应21 世纪发展要求的复合型人才，做一有理想有道德有纪律 的社会主义建设者和接班人.