旋转磁场仪硬件和软件设计及外文翻译_本科毕业设计论文(编辑修改稿)

旋转磁场仪硬件和软件设计及外文翻译_本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

步进电动机转动的条件是：按照一定顺序对其励磁绕阻进行通电即可实现其转动，通电的相序不同，其转动的方向也会不一样。 因此在理论上我们可以制造出任何相序的步进电动机，但是由于制造工艺、制造价格等多方面因素限制，市场上一般售卖的步进电动机相序以二至五相的居多。 感应子式步进电机一般可以按照机座号和相许数量进行细致分类。 按照机座号可 分为：42BYG、 57BYG、 86BYG、 110BYG (国际标准 )。 按照相序数量可分为：五相、四相、三相、二相电机等。 步进电机驱动的常用方式 使用变频器对步进电机进行驱动控制时，可以很好的解决步进电机在启动和停止时容易失步的问题，提高了系统的控制精度。 但是变频器的应用成本较高，结构和操作也比较复杂，无形中提高步进电机的控制难度。 西安工业大学毕业设计（论文） 6 使用 ABB、西门子、欧姆龙等国际知名 PLC生产制造商研发的系列 PLC产品可以实现对步进电机的理想化控制，但是基于 PLC核心的步进电机控制系统 成本高昂，且难以实现精确控制，在本系统中不太适合。 [23] 随着嵌入式系统在工业控制领域中的广泛应用，以单片机特别是 8051系列单片机作为控制核心的步进电机控制电路在生产生活领域得到了普及，单片机有着大规模数字集成电路和高成本控制芯片难以比拟的控制优势：体积小、价格便宜、通用性的接口以及编程简易。 这些优势使得单片机在各行各业的应用都达到了一个新的高度。 由于步进电机是典型的脉冲控制运转设备，而 8051系列单片机以其 I/O口多，体积小，成本低廉，外围电路连接方便，可编程控制等综合优势越来越 多的被引入到步进电机控制系统中使用，逐渐成为国内外控制步进电机的主流方式。 PROTEUS软件简介 英国 Lab center electronics 公司研发的 Proteus ISIS[24]软件一款用于电子分析和系统仿真的软件。 它不仅具有其它 EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。 它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。 虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 它可以对数字、模拟电路和嵌入式开发系统进行硬件和软件仿真且基于 Windows平台，其特性包括以下几方面 [25]：。 在其 ，包括： 8051系列、 AVR 系列、 Z80系列、 PIC系列、 HC11 系列以及各种接口电路。 具有数字电路和模拟电路、单片机及接口电路系统 SIMULATION、 KC和 SPI调试器、 RS232动态仿真、键盘和显示系统仿真的功能；软件内部还集成了电路监测仪器，如示波器、动态指针、信号发生器等。 PCB绘制功能于一身，对电路系统完成原理图设计后可直接进行印刷 电路板的绘制。 支持编译和调试环境软件 KEILC51与其的完美结合。 在嵌入式系统的仿真分析中，可将控制系统工作的高级语言 (C语言、汇编语言等 )与 PROTEUS中相对应的电路系统完美结合，实现同步连调。 KEILC51软件简介 KEILC51 是 美国 KEIL Software公司出品的 51 系列兼容 单片机 C语言软件开发系统，与汇编相比， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。 KEILC51 软件基于 Windows 平台，提供丰富的编程语言选择和强大的集成开发调试环境。 且使用 KEILC51进行软件开发时，生成语句快，代码紧凑，简单易懂。 在实际中可方便的应用于大型软件系统的开发中，是电子信息、计算机软件开发人员进行软件开发时很好的工具 [26]。 西安工业大学毕业设计（论文） 7 KEILC51 提供了包括 C 编译器 、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个 集成开发环境 将这些部分组合在一起。 如果你使用 C语言编程，那么 KEILC51几乎就是你的不二之选，即使不使用 C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 本章小结 通过查阅步进电机相关资料，了解了步进电机的运行原理及控制方式，并确定了本课题的控制方式。 本文所设 计的步进电机驱动控制系统是以 AT89C51单片机为核心的嵌入式开发控制系统。 并查阅软件资料，学习了相关软件，为后续设计的开展打下了基础。 3 系统设计方案规划 8 3 系统设计方案规划 设计内容概述 根据前文所述，本系统在研究中釆用硬件设计和软件编程相结合的手段对系统进行开发和设计。 硬件设计上釆用 AT89C51单片机为控制核心，结合外围电路的扩展和通讯实现电路结构的搭建，在软件设计上采用 C语言进行程序模块的编制 [24]，根据系统需实现的功能按照模块程序流程的编制思想，对系 统进行软件编程，整个系统以软件结合硬件的设计思路组建，通过电路原理图的绘制、 PCB 电路板的搭建和系统仿真等一系列步骤，完成对系统的研究和应用设计，该系统的硬件和软件仿真可在 WINDOWS环境下进行，在实际调试的过程中，可以根据程序模块的实际需求进行扩展和修改，并实现即时的更新功能。 综上所述，本文需要对以下几个方面内容进行研究：。 考虑到本系统的设计是基于毕业设计的，因此在设计中以毕业设计任务书要求为准。 同时，在实现系统功能的前提下要尽量考虑设计成本的缩减。 在 系统硬件芯片选择完成后，需要根据系统功能进行电路原理图的设计和绘制。 具体来说，应该尽量采用典型的电路模块，以适应大规模生产研发的要求，同时，本系统需要在 PROTEUS仿真平台下进行预测试，因此，在电路设计时要考虑到仿真元件的可移植性，以便于进行系统硬件仿真。 软件程序的编制要根据硬件电路的功能来进行，尽量采用模块化程序编制的方式进行，层次结构需要清晰可调，同时需要具备与上位机的通讯功能，程序也要具备良好的可移植性，保持严谨的软件开发框架。 PROTEUS软件完成系统 PCB电路板的绘 制和制作。 考虑到系统在设计完成之后需要出实物，因此需要完成对系统 PCB 电路板的绘制。 在系统设计完成之后，需要对其进行仿真，以验证系统的可行性和稳定性。 本系统在软件中采用 KEIL 软件仿真平台对系统进行仿真，同时根据 KEIL生成的 HEX文件，结合 PROTEUS 单片机系统仿真软件，完成对系统硬件的仿真运行。 系统功能概述 本系统基于毕业设计任务书要求，需要产生旋转磁场，将磁场强度不同的永久磁条，通过固定架固定在步进电机的转轴上，当步进电机转动时，其永久磁铁产生的磁场也跟着旋转，从而产生旋 转的磁场。 因而步进电机的转数决定旋转磁场的旋转频率，永久磁场的强弱决定旋转磁场的强度。 具体一点说就是，本系统利用 AT89S51单片机强大的控制功能，产生一定频率的脉冲序列精确控制功率 ULN2020A驱动芯片，从而控制步进电机的转速，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制步进电机的停止、正转、反转、加速和减速。 液晶显西安工业大学毕业设计（论文） 9 示器可以实时监控步进电机的状态；并通过串口实现与计算机的实时通信。 在综合考虑系统设计等各方面因素后明确系统应具备如下功能： 硬件部分： (1)单片机和步进电机运行所需的平稳电压； (2)液晶显示模块； (3)控制步进电机运行状态的键盘； (4)时钟电路与复位电路； (5)步进电机运行的驱动和功率放大电路设计； （ 6） 串口通讯模块； （ 7） 外扩程序存储模块； （ 8） 用 PROTEUS对整个系统进行硬件设计、仿真和对系统输出进行测试。 软件部分： (1)系统复位初始化； (2)键盘扫描与处理； (3)液品显示器初始化扫描程序； (4)定时器中断服务程序； (5)步进电机正转控制程序； (6)步进电机反转控制程序；(7)步进电机加速控制程序； (8)步进电机减速控制程序； (9)步进电机停转控制程序； (10)步进电机运行节拍控制程序。 系统原 理概述 本系统以 AT89C51单片机作为核心，通过外部扩展其他硬件完成对步进电机运行状态的显示。 (参见附录Ⅰ电路原理图 )AT89C51单片机有 40 个引脚，我们用 P1口的 引脚扩展步进电机运行状态控制键盘，设计完成后，包括停止、正转、反转、加速、减速一共五个按键。 ， ， ， 四个引脚分别和与非门芯片 7404 的输入端相连用于扩展步进电机运行的驱动控制芯片 ULN2020A。 P2口所有引脚和 P3 口的部分引脚用于外接 AMPIRE128*64液晶显示模块。 P2 口连接 AMPIRE128*64液晶显示模块的 DB0DB7，用于单片机和液晶显示模块的数据传输， ， ， 分别与 AMPIRE128*64 液晶显示模块的 RS， R/W， E相连完成数据的显示，具体来说： R/W为读写信号线， RS 为数据指令选择端， E端为使能端子。 在实际工作时，当 R/W为低电平， E为信号下降沿时锁存 DB0DB7的数据； R/W 为高电平， E 为信号上升沿时， DDRAM 的数据读到 DB0DB7 中。 ， 分别与液晶显示模块的 CS1 (左半屏片选端 )和 CS2 (右半屏片选端 )相连用于对液品模块的显示 进行编程设置。 步进电机驱动控制部分采用专用芯片 ULN2020A进行控制，其输出管脚 1C4C 连接四相六线步进电机的相序控制端。 COM端连接 +12V电源用于对其工作进行供电。 当然 ULN2020A在接入单片机控制脉冲时必须连接限流电阻，这已经在原理图上反映出来了。 系统总体硬件框图 本设计以 AT89C51单片机芯片作为核心，利用 AT89S51单片机强大的控制功能，产生一定频率的脉冲序列精确控制功率 ULN2020A驱动芯片，从而控制步进电机的转速，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制步进电机的停止、正转、反转、加速 和减速。 液晶显示器可以实时监控步进电机的状态；并通过串口实现与计算机的实时通信。 因此可总结系统框图如下所示： 西安工业大学毕业设计（论文） 10 图 系统总体硬件框图 本章小结 根据任务书要求，通过了解确定该课题所要研究的内容、系统所要实现的功能，以及明白本系统的原理。 并且制定了本系统的设计方案，接下来才可以选出合适的器件以及对系统进行具体的设计。 A T89S51 单片机 键盘模块 液 晶显示模块 晶振模块 外扩存储模块 驱动模块 串口模块 PC 步进电机 4 系统硬件部分设计 11 4 系统硬件部分设计 系统硬件设计说明 首先，在系统核心控制芯片的选择上，我们釆用 AT89C51 单片机。 ATMEL 公司生产的AT89C51单片机是一种低功耗 /电压、高性能的 8位单片机，它采用 CMOS和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都可以和 MCS51 系统兼容，片内的 Flash ROM允许在系统内改编程序或者用其他编程器件进行编程。 内部包含 256字节 RAM， 4个 8位并行 I/O口，多个中断源， 2个中断优先级， 2个定时计数器，因此， 89C51单片机是一种功能强大，速度快速，灵活性高而且价格便宜的控制芯片 [27]。 其次，由于单片机输出的脉冲信号非常微弱，不能直接用于驱动步进电 机运行，因此需要采用功率驱动芯片。 根据上文所述的硬件典型电路模块的设计方案，我们在本系统的设计中采用集成达林顿管 ICULN2020A作为系统的功率驱动芯片，该芯片是目前步进电机控制系统中驱动电机运行最常见的芯片，符合我们典型电路模块设计的要求。 再次，考虑到要对系统进行精确控制，因此需要采用人机对话的方式进行，具体来来说，需要采用按键控制实现。 在设计中采用 5个独立按键完成对系统步进电机运行的控制。 独立按键的设计可以很好的节约系统 I/O端子，同时在软件编程中也更易操作，达到了设计的要求。 在实际编程时，我们采用 按键扫描的方式进行按键程序的编写。 最后，通过液晶显示模块显示参数。 系统设计需要解决实时监控的问题，同时需要建立可操作的人机通讯液晶显示界面，本系统的液晶显示模块采用了能够显示中文字库的液晶显示器件 AMPIRE128*64。 系统主要器件选择 单片机的选择 本设计采用 AT89C51单片机， AT89C51 单片机由美国 ATMEL公司生产，具有低电压和高性能等特点，并且属于 CM0S8位单片机系列。 其内部含有容量为 4K的 PEROM和存储空间为 128比特的 RAM，并且还有通用的 8位中央处理器 (CPU)以及 Flash存 储单元。 该器件的生产技术具有集成度高、程序不容流失且保持时间长等存储有点，对 MCS51 指令系统也完全兼容 [26]。 由此可见， AT89C51 单片机的功能比其他同类别的单片机强，可应用场合多，性价比高，可灵活应用于生活生产等各种控制领域 [28]。 引脚排列如图 ： 西安工业大学毕业设计（论文） 12 图 AT89C51引脚结构图。