基于MCS51单片机步进电机的控制系统设计与实现.doc
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1、学校代码: 11509 学 号:1005073029 Hefei University 毕业设计(论文) BACHELOR DISSERTATION 论文题目:基于MCS51单片机步进电机的控制系统设计与实现学位类别: 工 学 学 士 学科专业: 10级自动化2班 作者姓名: 导师姓名: 完成时间: 2014年5月12日 基于MCS51单片机步进电机的控制系统设计与实现中 文 摘 要步进电机最早出现在十九世纪初期,经过一段时期的发展步进电机被广泛应用在各个领域,因为其具有良好的控制作用。所以对步进电机控系统进一步的探索有着更为深远的意义。本设计是基于单片步进电机的控制系统,硬件设计采用STC8
2、9C52单片机为控制核心;选取ULN2003作为驱动器提供脉冲频率,驱动步进电机运转;通过键盘的加减速按钮、正反转按钮和停止按钮来控制步进电机的速度、方向和停止,最后通过测试传感器将这几个参数显示在12864液晶显示器上。软件设计采用KEIL软件工具进行C语言编写,通过各个模块端口的定义,编写出了步进电机加减速控制和正反转的程序,最后通过各模块程序调试对硬件电路施行控制。本设计以经济实用为原则,通过软硬件结合的设计,实现了对步进电机转动速度和方向的有效控制。该系统具有控制性好,设计成本低等优点。关键字:STC89C52;步进电机;控制系统;测速传感器1Stepper motor control
3、 system design and implementation based on MCS51 microcontrollerABSTRACTThe stepping motorwas invented in the early 1800s, after a long period of development of the stepper motor is widely used in various fields, because it has good control effect. Therefore, the study of the stepper motor control s
4、ystem has a very important significance. This design is stepper motor control system based microcomputer, hardware design uses STC89C52 microcontroller as the control core; select ULN2003 as driver provides pulse frequency drive stepper motor rotation; through acceleration and deceleration button ke
5、yboard, forward and reverse button and stop buttons to control the stepper motor speed, direction and stops, Then these several parameters was displayed on the LCD monitor 12864 by the speed sensor. Software design using KEIL software tools for C language, defined each module port, and write a stepp
6、er motor control acceleration and deceleration and reversing the process. finally to control the hardware circuit through debugging. The design principle of economical and practical, through combination of software and hardware designed to achieve the effective control of the stepper motor rotation
7、speed and direction. The system has good controllability and low coat.Keywords: STC89C52; stepper motor; control systems; speed sensor目 录第一章 绪论11.1课题背景11.2课题研究的目的及意义21.3系统设计的主要任务2第二章 总体方案设计32.1系统总体设计与分析32.2各模块功能说明32.3本章小结4第三章 控制系统硬件分析与设计53.1.中央处理器模块53.1.1单片机53.1.2复位电路73.1.3振荡电路83.2显示模块83.3驱动模块93.3.1
8、步进电机103.3.2 ULN2003113.4电源模块123.5键盘模块123.6本章小结13第四章 控制系统软件分析与设计144.1 主程序流程图144.2 12864显示程序流程图154.3正反转程序流程图164.4加减速程序流程图174.5本章小结17第五章 系统的测试与结果分析185.1软件测试工具185.2测试数据与分析195.2.1圈数测试195.2.2速度测试195.3本章小结21第六章 毕业设计总结22参考文献23致谢24附录25附录一 系统电路仿真图25附录二 系统实物图26附录三 单片机端口分配表27附录四 系统程序28第一章 绪论本章简单的介绍了步进电机的发展史,步进电
9、机在各个领域的应用。论述了研究本课题的目的和意义,最后简要的叙述了本设计控制系统需要完成的几项任务。1.1课题背景在21世纪,电动机在我们社会中扮演着十分重要的角色,无论在工业、农业还是在我们日常生活中起着重要的作用。步进电机是一种特殊的可以控制的电动机,在现代社会的额各个领域有着广泛的应用。因为步进电机具有良好的控制作用,而且是当今机械电子工程的主要构件之一。因此步进电机大量地使用在各类不同的自动化设备及控制装置等领域 。早期的步进电机大约出现在十九世纪三十年代左右,在通电的情况下,有一种能够自由旋转的电磁铁,就是我们所说的早期步进电机,其工作原理和现在的步进电机本质上是相同的 。到了上世纪
10、初,由于出现大规模的战争,军工业和造船业等重工业的快速发展,步进电机的需求量被无线放大。同时期的西方报纸和期刊先后刊登了大量步进电机在军工业和造船业上应用的文章,那是的文章已经详细的介绍了不进电机电的设计方法和计算等。在后来的一段时期这些理论被用于实践指导步进电机的结构设计和批量的生产 。到了二十世纪八十年代后,步进电动机的控制方式开始变得更加多样化,主要原因是多用途模式的步进电机的产生。在微电子个计算机技术高速发展的情况下,直接引起了对步进电机的使用数量成爆炸式增长,在各国家的军事领域和国民经济领域都有着广泛的应用。步进电机实际上是一种将电脉冲转化为角位移的控制元件,它突出的优点是自身构造简
11、单,具有快速的启动、停止和反转响应,运行安全可靠。步进电机还有一些非常特殊的地方,它的步距值不会随着现场温度和电压的变化而改变,同时误差亦不会长时间积累,所以给实践的操作中带来了很大的方便 。步进电机大量使用在各类产品中,其中消费类产品包括打印机和照相机等;工业产品包括机器人、数字控制体系和纸带传送机构等。因此对步进电机的详细研究具有十分重要的意义。本文设计了一种以STC89C52单片机为核心元件的控制系统。1.2课题研究的目的及意义随着现代工业和农业的不断发展壮大,步进电机的使用量也成爆炸式增长。以前的步进电机的控制精度和控制效果已无法达到当今社会生产力的要求,因此如何更好的发展和应用步进电
12、机是非常值得思考的。本课题的设计就是对步进电机进行控制,其本身就具有一些突出的优点是快速的起动、停止和反转响应;由于其采用开环控制,从而自身构造更加简易化并且成本低 。在微电子个计算机技术高速发展的情况下,步进电机也朝着小型化矩形化发展以适应当前各种设备的需要,所以本课题对于步进电机控制的研究具有十分重要的意义。1.3系统设计的主要任务设计的该控制系统应完成以下几项任务:(1)步进电机的启动和停止控制;(2)步进电机的加速和减速控制;(3)步进电机的正反转控制;(4)步进电机的转速动态显示在液晶显示器上。第二章 总体方案设计2.1系统总体设计与分析本设计是使用STC89C52为控制元件,设计出
13、一种基于单片机步进电机的控制系统。该控制系统通过自有的键盘模块来实现对步进电机的运转进行有效的控制,并且将步进电机的转速显示在液晶显示器上,转动方向以文字的形式显示在液晶显示器上。下图是系统总体结构框图。图1 系统总体结构框图2.2各模块功能说明本设计控制系统有五个模块:中央处理器模块、12864液晶显示模块、步进电机驱动模块、电源模块和键盘模块。(1)中央处理器模块主要由振荡电路和复位电路构成。振荡电路是给最小系统模块提供给频率,单片机的运行速度就是一该频率为基准的,频率高单片机运行速度快。复位电路就是系统运行时在受到外部干扰,内部程序运行出错时,通过按下复位按钮可以让原程序重新开始运行,保
14、证了单片机的正常启动 。(2)本设计的显示模块采用12864液晶器来动态显示步进电机的转动速度和方向。 (3)本世纪的进电机驱动模块选用驱动器ULN2003为步进电机提供电脉冲信号,进而驱动步进电机转动。ULN2003的输入端与单片机的P1口相连。 (4)电源模块是通过整流桥将变压器降压过来的交流电压转化为直流5V供给其他四个模块。 (5)本设计的键盘模块包括了控制方向按钮键、加速按钮键、减速按钮键和启停按钮键,与单片机的P3口相连,通过这些键盘按钮可以对步进电机的转动状态进行有效的控制。 2.3本章小结本章首先简单的说明了该设计的思想,在控制低成本,且能完成该设计的情况下,通过综合考虑用了以
15、STC89C52单片机作为本设计系统的控制核心元件。第三章 控制系统硬件分析与设计3.1.中央处理器模块中央处理器系统就是用最少的电子元件搭建的单片机而且能够正常工作的系统,其最小系统包括了单片机,复位电路、振荡电路和外部扩展等部分组成。中央处理器模块电路图如下: 图2中央处理器模块电路图3.1.1单片机(1)概述单片机也就是微型处理器,世界上第一个位微处理器是因特尔公司研制出来的。因特尔公司的8051单片机是当时最成功的微处理器。基于这种单片机的操作系统在当代仍有使用。 单片机的主要组成部分包括运算器、控制器寄存器和输入输出设备。其中运算器的功能是执行各种算术的运算和逻辑比较;控制器的功能是
16、指令的存取以及控制CPU与和输入输出设备的数据交换。单片机相当于一个微型计算机,但是其没有计算机的外围设备 。单片机具有一些明显的有点,体积小、重量轻而且价格便宜,为学生的学习和研发人员提供了便利的条件。另外在学习单片机之后我们能够很轻松的接受复杂的计算机原理和结构的知识。单片机的出现首先应用在工业领域。 单片机在各个领域都有着广泛的应用,它的发展趋势是小型化和高度集中化。8051是一款饱受好评的单片机,它生产出来之后就被大量使用。这种单片机具有明显的优越性就是其体积小、简单可靠而且性能不错。经过无数次的发展,2000年ARM退出了32位的高端单片机,但是其价格比较昂贵,没有8051性价比高。
17、因此8051单片机一直在广泛使用这。在二十一世纪,单片机存在在各种电子器件产品中,最典型的我们周中使用的手机,电话,游戏机等,家庭的家用电器,笔记本电脑内部都有单片机。我们日常出门的交通工具汽车上就包含了几十个单片机,有的大型重工业控制系统上单片机的应用数量更多。单片机是世界上使用数量最多的处理器。(2)单片机的选择设计产品我们首先要考虑到经济性和可靠性,本设计采用STC89C52单片机足以满足我们设计的需要,其是一种单时钟的单片机,其拥有以下优点:运算速度高、功耗低、抗干扰能力强等。STC89C52的运算速度是早期8051的10倍左右。STC89C52主要特性如下:针对本系统,RAM和Fla
18、sh容量足够大,有定时器中断功能能实现实时温度的采集,提供有EEPROM,可以设置掉电保护,是之前设置的温度不丢失,全双工的工作方式是的系统更加可靠。 (3)引脚功能说明图3单片机引脚功能图VCC:电源电压。GND:接地。P0口(32脚39脚):通常被定义为数据/地址的低八位,适用于外部数据寄存器。P0口通常作为一个输入端口,使用时要接上上拉电阻。P1口(1脚8脚):是一个输入输出的端口,每个端口可以独立控制。P2口(21脚28脚):具有P0和P1的基本功能既可以做输入输出端口也可以做外部数据寄存器,每个端口也可以独立控制。P3口(10脚17脚):可以作为一个输入输出端口,也可以充当单片机的一
19、个特殊功能端口。下表是P3口个引脚功能说明如下 :表1.P3口引脚功能说明端口引脚功能P3.010串行输入口P3.111串行输出口P3.212外部中断0P3.313外部中断1P3.414计数器0外部输入P3.515计数器1外部输出P3.616外部数据存储器写选通P3.717外部数据存储器读选通3.1.2复位电路复位电路:其作用是把原有状态的电路初始化到一个确定的电路,单片机的复位端口接上适当的电阻和电容构成的电路就是所说的中央处理器系统的复位电路。复位电路一般包括上电复位和按键复位,本设计采用的按键复位,通过一个独立按键来手动控制电路的复位。复位电路图如下所示: 图4复位电路图3.1.3振荡电
20、路振荡电路:晶振是组成单片机系统的关键元件之一,晶振电路在单片机系统里存在着十分中重要的作用,晶振两端接在单片机的XTAL1 和 XTAL2引脚上。单片机的晶振的实质作用是给中央处理器提供时钟电路,单片机工作运行的速度与晶振提供的频率有关。本设计的晶振电路用了30pf的电容和 12MH的晶体振荡器作为核心元件。振荡电路图如下: 图5振荡电路图3.2显示模块本设计显示部分采用12864液晶显示器,通过各个端口的定义,在12864上动态的显示步进电机的速度和方向。显示模块电路图如下: 图6显示电路模块图(1)12864的基本特性12864是128*64点阵型液晶模块的点阵数简称,因为要更人性化显示
21、中文汉字,所以12864是最好的选择。 12864液晶显示器是一种内部含有简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其内部设置了大量的点阵和ASCII 字符集,可以完成数学、汉字和图形的显示。其串口借口引脚信号表如下 : 表2.12864串口接口管脚信号引脚号引脚名称引脚功能1VSS电源地2VDD电源正3V0对比度(亮度)调整4RS低电平时,数据显示高电平时,指令数据显示5R/W高电平时,数据读低电平时,数据写6E使能信号7-14DB0-DB7八位数据三态线15PSB高电平时,并口方式低电平时,串口方式16NC空脚17/RESET复位端,低电平有效18VRLCD驱动电压输出端3.3驱动模块本系统设计
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- 基于 MCS51 单片机 步进 电机 控制系统 设计 实现
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