基于单片机控制“航标灯”的控制系统设计与调试毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机控制“航标灯”的控制系统设计与调试毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场， 使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。 步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。 它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。 早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。 随着步进电动机技术的发展，步进电动 机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。 比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。 步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。 除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。 步进电机的原理 [7]：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，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 10 电机来控制变的非常的简单。 为此 ,CS51 测试网在腾龙开发套件中首次引入了步进电机技术，方便用户应用掌握。 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。 三、控制系统的设计 单片机控制步进电机的程序的编制 步进电机控制程序设计的主要问题有三个 : 第一，控制脉冲的产生。 第二，步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系。 第三，步数的确定。 作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以从这三个问题入手 : 控制脉冲的产生 在单片机控制步进电机时，一般来讲，控制脉冲是用软件产生的。 方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。 延时时间的长短由步进电机的土作频率决定。 步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系 步进电机旋转 方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。 现在常用的通电方式主要有三种 : 1)三相单三拍 :ABCA。 2)三相双三拍 :ABBCCAAB。 3 )三相六拍 :AABBBCCCAA。 按以上顺序通电，步进电机正传，按相反方向通电，步进电机反转。 因此，产生时序脉冲的方法是 : (1)利用单片机 8751 的 P1 端口，即用 , , 分别控制三相步进电机的 A, B, C 三相绕组。 (2)根据控制模式写出控制模型。 (3)按控制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。 步数的确定 步 进电机运行的步数可由步距角和需要转过的角度来计算 [7]: 式中： －步距角。 －转子齿数。 －拍数 (一般三拍时 = 或六拍时 =2 )。 －控制绕组相数， =3。 步进电机的变速控制 上面给的程序流程图是步进电机的恒速运转方式。 一般来讲，步进电机的一个弱点，就是运行中丢步，为了使步进电机在运行中不出现丢步现象，一般要小于或等于步进电机 “响应频率 ”人，在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或反转而不发生失步现象。 这个频率通常比较低。 当步进电机走过的距离比较长时，需要低速启动，高速运转，然后降低速度，最后 停止。 这样就解决了 “快速而不失步 ”的矛盾。 那么实现变速控制的基本思想是改变控制频率。 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。 11 步进电机的特性有： 1，步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。 转动的速度和脉冲的频率成正比。 2，腾龙版步进电机的步进角度为 度，一圈 360 度， 需要 48 个脉冲完成 3，步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 4，改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 四、结论 总而言之，用单片机来控制步进电机，它的优点是体积小、重量轻、耗能省、价格也低，比起用 PLC 控制的可靠性高，通用灵活，方便简洁，只需输入程序来控制步进电机的状态，自动化程度高，精度高，在生产制造中得到充分的应用，是比较实用的一种控制系统 12 一、 方案论证与 比较 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为四相六线制的步进电机（内阻 33 欧，步进 度，额定电压 12V） 方案一：使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。 但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 方案二：使用 L298N 芯片驱动电机 L298N 芯片可以驱动两个二相电 机（如图 1－ 1），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。 图 1－ 1 通过比较，使用 L298N 芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用 L298N 驱动电机。 而使用 L298N 时，可以用 L297 来提供时序信号，可以节省单片机 IO 口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，故选用后者。 数码管显示电路的设计 方案一：串行接法 设计中要显示 4 位数字，用 74LS164 作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约 IO 口资源，但要使用 SIO，发送数据时容易控制。 方案二：并行接法 使用并行接法时要对每个数码管用 IO 口单独输入数据，占用资源较多。 13 由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，选择了方案一。 另外，使用锁存也起到节约资源的作用。 二、步进电机控制原理 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。 步进电机可分为反应式步进电机（简称 VR）、永磁式 步进电机（简称 PM）和混合式步进电机（简称 HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。 其基本原理作用如下： (1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。 例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为 ABC－ D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A,B,C， D相的通断。 (2)控制步进电机的转向 如果 给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 (3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。 两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 三、理论设计 综和以上选取的方案，总的流程如图 3－ 2 所示。 图 3－ 1 步进电机驱动电路 通过 L298N 构成步进电机的驱动电路 ,电路图如图 3－ 2 所示。 14 通过单片机 SPCE061A 的 IOB8～ IOB13 对 L298N 的 IN1～ IN4 口和 ENA、 ENB口发送方波脉冲信号，起时序图如图 3－ 3 所示。 图 3－ 2 图 3－ 3 数码管显示电路的设计 数码管的显示驱动使用 74LS164，通过 SPCE061A 的 IOB0 和 IOB1 口对 DATA和 CLK 发送数据。 图 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 3－ 5 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。 图 3－ 5 四、程序设计 在进行程序设计的过程中，主要分为五个部分：双机通讯、语音报数、数字显示、步进电机驱动、键盘；其中双机通讯的实现和语音报时比较有特点，将其流程简要介绍如下，其他部分见附的程序。 双机通讯 15 图 4－ 1 我们在实现双机通讯的过程中使用了“三次握手”的方式，这是 Intle 网中成用的数据通讯确认协议，其流程图如图 4－ 1 所示。 语音报数 程序设计中语音报数使用的是 SACM－ A20xx，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。 图 4－ 2 五、结果分析与总结 应该说这次课程设计还是基本达到了设计的要求，但是也存在着未能解决的问题，由于在执行语音程序时对资源的消耗比较大，在语音报数的时候会中断步进电机驱动信号的输出，导致电机停转。 为此，我们修改了方案，使用了两块单片机，通过双机通讯来传递信号，遗憾的是问题仍然没有得到解决。 这次步进电机的综合实验我们学到了步进电机、数码管、 4*4 键盘、语音报数和双机通讯的使用，更重要的是学会了程序出问题时调试的方法，并养成了 Debug的习惯，学到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。 来源： 用单片机控制步进电机 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。 通过控制脉冲个数即可以控 制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 一、步进电机常识 常见的步进电机分三种：永磁式（ PM），反应式（ VR）和混合式（ HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 度或 15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 度，但噪声。