智能化测控应用系统设计报告论文Word文档格式.docx
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单片机是高科技产品开发过程中不可或缺的关键手段。
它结合传感技术及计算机等高新技术，并综合应用了机械技术发展的新成果，不管是在民用工业，还是在国民经济建设中都有着极其广泛的应用前景，广泛应用于工业自动化，智能仪器仪表的设计制造中，消费电子产品领域，通信方面及武器装备等，含盖了生产、生活、军事各个领域，实现了电子产品的准确化、智能化、最优化和多功能化，发挥着越来越重要的作用，引起了各个国家的高度重视。
依靠单片机的控制技术作为现代高科技的重要组成部分，推动着自动化生产、计算机、材料加工、医疗、纺织等相关领域的发展。
是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。
正由于用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点，所以步进电机综合系统也采用了单片机为其各功能控制实现的核心。
1.1研究的意义
步进电机它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以再宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，启停、正反转、以及制动等。
并且用其组成的开环系统既简单、廉价、有非常可靠。
步进电机的转速由脉冲频率、转子齿数和拍数所决定。
在没有超载的情况下，脉冲信号的频率和脉冲数决定步进电机的转速和停止位置，不随所带负荷变化而变化，也就是说给电机施加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。
犹豫这个线性关系的存在，使得用步进电机来控制速度和位置变得非常的简单。
步进电机的角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。
在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度，因此，广泛应用于许多领域。
所以，研究设计高性价比的步进电机控制系统具有重要意义。
1.2论文的主要研究内容
步进电机单片机综合控制器设计中所选用的步进电机是两相四线步进电机，利用单片机来达到步进电机的综合控制。
当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，转子就旋转一个步距角，称为一步。
根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。
步进电机的加减速采用单片机控制，其实就是改变输出脉冲的频率。
单片机控制步进电机加减速方法有软件和硬件两种，软件方法是用延时程序来改变输出脉冲的频率，其中延时的长短是变化的，在电机控制中，要不间断地产生控制脉冲，占用大量CPU的时间，使单片机不能够同时进行其他方面的工作；
硬件方法是用单片机内部的定时器来完成的，当每次进入定时中断以后后，改变定时的时间常数，从而达到加速时脉冲频率逐步增大，减速时脉冲频率逐步减小，采用的这种方法CPU的占有时间较少，在不同单片机中都可以实现。
基于步进电机的工作原理，通过给出不同输入的键盘到单片机中实现控制电机的不同运行模式。
本课题内容属于硬件电路的设计与应用方面，实现过程包括总体方案的提出比较及选择、电路原理设计、元器件（芯片）选择、元器件（芯片）参数计算。
此次步进电机综合控制器设计就是通过单片机实现对步进电机的正转、反转，加速、减速、点动，以及当前电机的转速能够实时的显示出来的功能。
2总体方案设计
步进电机的调速控制方法多种，为了找到更合适的方案，我们选择了两种方案进行比较。
2.1步进电机控制原理
步进电机是一种数字控制电机，在步进电机中它是将脉冲信号转换成角位移，绕组每变化一次通电的方式，即称为一拍，每一拍转子就会转一个步距角，也就是上文说说的给一个脉冲信号，步进电机就随之转动一个角度，因此采用单片机控制非常和适。
步进电机和其他控制电机相互比较得出的最大特点是，它是由输入脉冲信号控制的，即电机所转动的角度由输入的脉冲决定，即电机的转速取决于脉冲信号频率。
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如2.1所示：
图2.1步进电机控制原理框图
步进电机的控制信号由单片机产生，它的驱动电路是根据控制信号来工作。
其基本原理作用如下：
（1）控制步进电机相序
所谓的脉冲分配就是指通电换相。
比如：
四相步进电机的四拍工作方式，它的通电顺序是A-B-C－D,所以它的通电控制脉冲也要按照这个顺序来控制各相的通断。
（2）控制步进电机转向
脉冲分配顺序决定步进电机的转向，若给出的工作方式为正序换相通电，那么步进电机就正转，反则步进电机反转，因此要改变步进电机转子的转向，只需颠倒脉冲的分配次序即可。
（3）控制步进电机的转速
每给步进电机一个控制脉冲，它就会转一步。
若脉冲频率越高，转速也就越快。
因此，步进电机的转速取决于脉冲的发送速度的快慢。
但是步进电机的转速也不能太快,因为它每走一步也需要一定的时间,若信号的频率太高,可能会导致步进电机失步,甚至只在原处颤动。
所以调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速，实现对步进电机的转速控制[9]。
2.2方案比较
方案一：
基于电子电路的控制方案
电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。
因为脉冲控制信号的驱动能力一般很弱，因此必须有功率放大电路。
步进电机和控制电路、功率放大电路组成一体，构成步进电机驱动系统。
此种控制电路设计简单，功能强大，可以实现一般步进电机的任务。
采用专用集成芯片PWM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器和SI-7300A两相或四相功率驱动器，组成四相步进电机功率驱动电路，步进电机控制结构框图如图2.2所示：
图2.2方案一结构框图
此种方案即可称为开环控制，也可称为闭环控制。
开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度。
采用闭环控制，即能够实现高精度，又能够实现无级调速。
该方案的功能相对来说比较单一，灵活性也不是很高。
方案二：
基于单片机的控制方案
基于STC89C52单片机的步进电机控制系统，实现了硬件和软件想结合的控制方法。
用软件实现环形分配器的功能，即用软件代替环形分配器，达到对步进电机很好的控制。
系统中采用单片机接口线直接控制步进电机驱动器的各相输入信号，系统直接向输出口输出对应电动机励磁状态字节。
键盘可实现对电机的正转、反转、停止等功能。
液晶1602显示当前的转速。
2.3方案二结构框图
单片机编程可以使复杂的控制过程实现自动化、简单化、精度高，避免了电机的失步、振荡对控制精度的影响。
用软件代替环形分配器，大大提高了接口电路的灵活性和通用性。
2.3方案选择
方案一中步进电机通过方波产生电路、脉冲环形分配电路和功率放大电路构成步进电机驱动器实现其控制电机的功能。
方波产生电路用555定时器组成，通过调节滑动变阻器的阻值来改变其频率，从而改变电机的转速。
脉冲环形分配电路由移位寄存器构成，通过改变移位寄存器的方向来控制电机的转动方向。
功率放大电路采用二极管，稳压管和电感组成来实现功率放大。
此方案只适用于特定型号的电机，且必须通过硬件调节才能实现不同的工作情况，具有很大的局限性。
方案二中STC89C52单片机内集成了数据存储、程序存储模块，可以直接发出PWM波，具有硬件电路简单，功耗低，功能多，体积小，代码执行效率高等优点，实践证明采用方案二控制步进电机工作可靠，控制灵活，且成本较低，对不同型号的电机进行控制时，不需要改变硬件电路，只需通过修改软件就能实现多种控制功能，具有较强的通用性和广泛的应用前景。
通过对以上两种方案的具体描述，最终选择了方案二作为步进电机综合控制的最终设计方案。
通过的单片机控制步进电机的系统框图如下图2.4所示。
图2.4系统总体框图
3单元模块设计
只有各个系统单元模块的有机结合，才可以构成一个完整的系统。
下面将介绍使用的一些特殊器件和具体的各功能模块电路组成。
单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的方向与输出的脉冲顺序有关。
与此同时，单片机将会把电机转速，通过液晶显示器显示出来，电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。
串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。
液晶显示模块就主要是显示电机转速，显示步进电机的实时信息。
独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速，显示电机转速等功能。
采用了中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成了对步进电机的较好的及时控制。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1步进电机电路模块设计
步进电机驱动技术指的是步进电机各相绕组的通电和断电是通过步进电机驱动器来完成，同时也是对绕组所承受的电压和电流进行控制的一种技术。
到现在为止，步进电机驱动技术的分类为：
单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。
单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。
多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。
使用多相步进电机，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多脉冲信号，再经功率放大后分别送到步进电机各个绕组。
每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；
连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电机能直接接受数字量和输入，所以特别适合于微机控制[1]。
步进电机的分类：
步进电机依其构造上的差异可分为三大类：
可变磁阻式（VR型）：
转子以软铁加工成齿状，当钉子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子的惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。
其步进角通常为15°
。
无保持转矩，所以定位性不好，应用场合不大。
永久磁铁式（PM型）：
转子由永久磁铁构成，其磁化方向为负向磁化，无激磁时有保持转矩。
依其转子的材质来区分，步进角有45°
、90°
及7.5°
、11.25°
、15°
和18°
等几种。
混合式（HB型）：
转子由轴向磁化的磁铁构成，磁极做成复极的形式，这就是可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角小。
目前市场上所使用的工业用步进电机，以混合式最为普遍[1]。
步进电机的工作原理
步进电机采用的是两相相四线步进电机，采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。
当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并于转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是使电机旋转的原因。
其原理如图3.9所示：
图3.9步进电机原理图
中间部分是转子，由一个永磁体组成，边上的是定子绕组。
当定子的一个绕组通电时，将产生一个方向的电磁场，如果这个磁场的方向和转子磁场方向不在同一条直线上，那么定子和转子的磁场将产生一个扭力将定子扭转。
依次改变绕组的磁场，就可以使步进电机正转或反转（如通电次序为A→B→C→D正转，反之则反转）。
而改变磁场切换的时间间隔，就可以控制步进电机的速度了，这就是步进电机的驱动原理[17]。
由于步进电机的驱动电流较大，单片机不能直接驱动。
L298驱动芯片进行驱动。
3.1.2步进电机的驱动原理
L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
图3.11是L298N的芯片管脚图，表3.8是L298N的逻辑功能表：
图3.11L298N管脚图
表3.8L298N逻辑功能表
IN1
IN2
ENA
电机状态
X
停止
1
顺时针
逆时针
各引脚说明：
SENA、SENB：
这两个引脚分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地。
可以达到恒流驱动步进电机；
0UT1、OUT2：
1Y1,1Y2输出端；
OUT3、OUT4：
2Y1,2Y2输出端，监测引脚15；
IN1—1N4：
输人标准1TL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开与关；
NA、NB：
使能端，输人标准TTL逻辑电平信号；
分别控制全桥式动器A与B的工作状态；
低电平禁止输出。
对于一个完整的驱动电路，一定有保护电路，如下图3.12。
图3.12二极管保护电路
L298内部的晶体管是工作在开关方式下：
在饱和导通与截止两个状态间切换。
但是，由导通状态向截止状态切换时，电感性负载上的电流是不能“突变”（“变化率”无限大）的，因为电感上的电流突变将产生无限高的感生电动势，必定会使本来应该截止的晶体管被击穿。
有了这些续流用的二极管以后，负载上的电流就可以不发生突变，而是沿着二极管提供的新通路继续。
这些二极管的常规的接法中，通常是使得电感的“续流”倒灌回了直流电源，等于是把电感中的一部分磁能转化为电能回送给了电源。
此时电源电压反向加在负载的电感上，迫使电流按照一定变化率减小，到零为止，起到了很好的续流保护作用。
对于一个步进电机驱动系统来说，应包括信号发生、信号分配、功率放大等几个模块。
驱动电路模块具体电路图如下图3.13所示：
本模块可分为单片机系统、L298芯片及外围电路、C语言程序。
图3.13步进电机驱动模块原理图
本模块主要选择了以L298N芯片为核心的驱动器设计，能把单片机的控制信息传递给步进电机回路，并通过8个二极管进行续流保护。
步进电机的能否运行要取决于步进电机驱动器，它将控制系统给出的脉冲信号加以放大达到驱动步进电机的功能。
步进电机的转速会随脉冲信号的频率变化而变化，它们是成正比的一种关系，因此控制脉冲信号的频率能够达到电机进行精确的调速，与此同时控制步进脉冲的个数能够达到对电机精确的定位。
步进电机的驱动控制系统主要由步进电机控制器，驱动器和步进电机组成。
单片机的P2.0~P2.3分别与L298的INPUT1-INPUT4相连,单片机的RA2和RA3接L298的使能端，脉冲信号由此端口进入驱动芯片。
IC8接口中，接口与步进电机相连接。
其中L298与步进电机的连接如下表3.6：
表3.9L298与步进电机的连接
L298输出端
步进电机输入端
OUT1
A
OUT2
/A
OUT3
B
OUT4
/B
步进控制器由单片机实现，驱动器将单片机输出的脉冲放大，以驱动步进电机。
3.1.3控制电路和驱动电路电源模块
控制电路电源模块采用的是三端集成稳压器,7812和7505组成的，其引脚图如图3.14，在使用三端集成稳压器时有以下几点注意事项：
（1）管脚不得接错，公共端不得悬空；
（2）稳压管输出端使用大电容，且输出电压高于6V时，输入之间应跨接保护二极管，防止输入端短路时，输出电容通过稳压器放电损害稳压器；
（3）三端大功率稳压器加散热器耗散功率可达7.5~15W;
输出
（4）一般固定集成稳压器的最大输入电压在35~40V之间，整流电路电压的峰值不得超过这个值。
图3.147812和7805引脚图
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路组成。
电源变压器的作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需要的交流电压V2。
整流滤波电路中单相桥式整流电路的作用是，将变换后的交流电压V2变成脉动的直流电压，再经滤波电容滤除纹波，输出直流电压。
稳压电路则完成当稳压器的输出负载变化时，输出电压V0应保持不变。
图中的电容C21、C22、C28、C29是靠近稳压器引脚处接入的，用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。
C19是电解电容，用以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。
D14和D15是保护二极管，当输入短路时，给输出电容器C19一个放电通路。
原理图如下图3.15所示：
模块主要由变压器、整流滤波电路和稳压电路组成。
图3.15控制电路电源模块原理图
单片机步进电机的控制电路电源，采用LM7805和LM7812稳压器，输出固定的正电压+12v和+5V。
输入端接电容可以进一步滤除纹波，输出端接电容能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。
由于电机驱动电路的驱动电压一般高于5V，所以我们用一个12V的直流电源对电机的驱动电路供电。
驱动电路电源模块如上图3.11所示。
驱动电路电源输出12V的电压，组成原理同控制电路电源的原理一样，只是他输出12V的直流电压。
3.1.4单片机小系统
由Intel公司生产的MCS-51系列的高性能STC89C52的8位单片机。
特别适用于实时的智能仪器仪表的控制领域，是现在的工业检测、控制领域中最理想的一种8位单片机。
它包含一个8位的CPU、RAM128个字节的,特殊功能寄存器（SFR）21个、8位并行I/O口4个、一个全双工的串行口，16位的定时器/计时器3个，4K的ROM作为程序存储器。
高性能、低功耗的89C52，始终频率高达20MHZ,芯片上的EEPROM允许在线（+5V）点擦除、电写入或采取通用的非易失存储编码器对程序存储器重复编程。
此外，MCS-51还支持有软件选择的两种掉电工作方式，非常适用于电池供电或者其他要求低功耗的场合[10]，下图3.1是STC89C52引脚图。
图3.1STC89C52单片机引脚图
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O端口。
作为输出得端口，每个能够驱动8个TTL逻辑电平。
P0端口写“1”时，表示引脚用高阻抗输入。
当你访问外部程序和数据存储器时，P0端口被作为低8位地址/数据复用功能端口。
在这种模式下，P0口内部具有上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序验证时，输出指令字节。
校验程序时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，P1口的输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。
P1端口写“1”，可以作为输入端口内部上拉电阻在这个时候拉。
作为输入，由于内部电阻，引脚被外部拉低，将输出电流（
）。
此外，P1.0和P1.2引脚的复用功能如表3.1所示。
表3.1P1.0和P1.1引脚复用功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）
P2口：
P2口是具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，P2口输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”，可以作为输入端口，内部上拉电阻在这个时候把端口拉高。
在访问外部程序存储器和16位外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令的执行情况）时，P2口会送出高8位的地址。
在访问8位外部数据存储器（如执行“MOVX@R1”指令）时，P2口（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间是不会被改变的。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3是一个
升级会员 