步进式搅拌机调速控制系统-测速模块设计说明书-本科论文.doc

智能仪表综合训练设计报告

内蒙古科技大学
智能仪表综合训练设计说明书

题 目：步进式搅拌机调速控制系统
——测速模块设计
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摘 要

步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
本文应用单片机AT89C51，步进电机驱动器等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通过AT89C51和ULN2003驱动器完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机的正反转控制和加减速控制。
整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。
实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能，更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件——步进电机。

关键词: 步进电机，单片机，正反转控制，加减速控制

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目 录

摘 要 2
目 录 3
第一章 绪论 1
1.1步进电机的概念 1
1.2 步进电机的特点 1
1.3 步进电机及其发展 2
1.4 步进电机在我国的发展应用及前景 3
1.4.1步进电机驱动技术 3
第2章总体设计方案 4
2.1系统设计方案 4
2.1.1控制器的选择 4
2.1.2电子驱动电路与细分的方案选择 4
2.1.3显示器的选择方案 4
2.1.4转速信号采集方案 4
2.1.5开发软件的选择 5
2.2系统的方案简述与设计要求 5
2.2.1 系统的组成及其对应功能简述 5
2.2.2 单片机最小系统 6
2.2.3 电机驱动模块 7
2.2.4 串口下载模块 7
2.2.5 数码管显示模块 7
2.2.6 独立按键 7
第三章 硬件设计与仿真 8
3.1 系统硬件组成及结构框图 8
3.2主要芯片的说明 9
3.2.1 AT89C51型单片机 9
3.2.2 ULN2003驱动芯片 10
第4章 软件设计 12
4.1系统软件主流程图 12

6

4.2系统初始化流程图 13
4.4按键子程序 13
结 论 15
参考文献 16

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第一章 绪论
1.1步进电机的概念
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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）。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们也可以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。
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电机来控制变的非常的简单。 
从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。
1.2 步进电机的特点
1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。
2. 步进电机外表不允许较高的温度。
　　步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3. 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
　　当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。
5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。
7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。
8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。
1.3 步进电机及其发展
步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。
步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、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、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

图1.1 步进电机的外观图
1.4 步进电机在我国的发展应用及前景
我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。至80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。
目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。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。
1.4.1　步进电机驱动技术
步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、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。

第2章　总体设计方案
2.1系统设计方案
2.1.1控制器的选择
方案一：采用CPLD为控制核心，适合复杂逻辑控制和高速运算系统；
方案二：使用51单片机为核心,适合系统控制。
综合分析，本系统采用AT89C51单片机，方便了程序的调试和运行。
2.1.2电子驱动电路与细分的方案选择
方案一：由分立元件制作TA8435h驱动电路。优点是成本低廉、易于控制。缺点是电路体积大,TA8435H在实体店很难购买，再者网购的TA8435H大多数是拆机件很难保证芯片的可用性和可靠性。
方案二：使用ULN2003做驱动电路简单，性能稳定，调试方便，而且芯片很容易购买，可靠性强。
根据电路要求分析，本系统采用ULN2003做驱动电路
2.1.3显示器的选择方案
方案一：选用LED数码管显示电机转速的各种信息，LED显示信息量小、功耗大，同时还需要制作相应硬件驱动电路。显示效果明显。
方案二：选用字符点阵LCD模块显示小车的各种信息，LCD信息量大、功耗低，，它提供标准的并行或者串行接口，驱动简单，使用方便。
2.1.4转速信号采集方案
方案一：光码盘测速方法是通过测出转速信号的频率或周期来测量转速的一种无接触测速发。光电码盘安装在转子轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个光源照射在码盘上，则可利用光电模块来接收到的光的次数就是码盘的编码数，使用光电码盘。优点;测量比较精确。
方案二：采用光电开关。优点：调试简单，只需要MCU在单位时间内计算输入MCU的脉冲数，就能通过简便的程序计算出转速。缺点：误差较大，码盘的缺口很难控制宽度。
综上，采用光电码盘开关进行转速信号采集较为合理。
2.1.5开发软件的选择
方案一：汇编语言。比较直接、简洁，不适合复杂运算。不易读。
方案二：C语言。比较灵活，适合复杂判断和运算。
根据实际，选择用C语言进行编程。

2.2　系统的方案简述与设计要求
本设计采用单片机AT89C51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片ULN2003及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。
2.2.1 系统的组成及其对应功能简述
整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载模块，数码管显示模块等模块组成。具体框图如图2.1所示

图2.1　系统总体框图

2.2.2 单片机最小系统
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，电机的转动方向，通过数码管显示出来。
2.2.3 电机驱动模块
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。

2.2.4 串口下载模块
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。
2.2.5 数码管显示模块
数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。
2.2.6 独立按键
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，显示电机电流等功能。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最佳的及时的控制。

第三章 硬件设计与仿真
3.1 系统硬件组成及结构框图
3.1.1系统硬件组成
1.AT89C51单片机
2.ULN2003A驱动芯片
3.1602LCD显示屏

3.1.2结构框图
3.2主要芯片的说明
3.2.1 AT89C51型单片机
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
主要性能参数： 
·与MCS-51产品指令系统完全兼容 
·4k字节可重擦写Flash闪速存储器 
·1000次擦写周期 
·全静态操作：0Hz－24MHz 
·三级加密程序存储器 
·128×8字节内部RAM 
·32个可编程I／O口线 
·2个16位定时／计数器 
·6个中断源 
·可编程串行UART通道 
·低功耗空闲和掉电模式
3.2.2 ULN2003驱动芯片
ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
3.2.3 1602LCD显示屏
1602LCD主要技术参数 
显示容量为16×2个字符；
芯片工作电压为4.5～5.5V； 
工作电流为2.0mA（5.0V）；
模块最佳工作电压为5.0V；
字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。 
 1、2组电源 一组是模块的电源 一组是背光板的电源 均为5V 供电。 
2、 VL 是调节对比度的引脚调节此脚上的电压可以改变黑白对比度 
3、 RS 是很多液晶上都有的引脚 是命令/数据选择引脚 该脚电平为高时表示将进行数据操作；为低时表示进行命令操作。 
4、 RW 也是很多液晶上都有的引脚 是读写选择端 该脚电平为高是表示要对液晶进行读操作；为低时表示要进行写操作。
5、 E 同样很多液晶模块有此引脚 通常在总线上信号稳定后给一正脉冲通知把数据读走，在此脚为高电平的时候总线不允许变化。
6、 D0—D7 8 位双向并行总线，用来传送命令和数据。 
7 BLA是背光源正极，BLK是背光源负极
3.2.3 1602液晶显示模块
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 
本设计中使用的是1602 液晶模块。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线，VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。
1602液晶模块内部的字符发生存储器 （CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

第4章 软件设计

本系统的软件设计主要分为系统初始化、延时子程序、按键响应程序，数码管显示程序，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机AC89C51通过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。
程序流程图的设计遵循自顶向下的原则，即从主体遂逐步细分到每一个模块的流程。在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。具体程序的讲解将在本章各节做详细讲解。
4.1　系统软件主流程图
当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便调用并执行相应的子程序，其具体的主流程图4.1如下所示：

图4.1
4.2　系统初始化流程图
对相应的系统参数进行初始化，系统中断设定，定时器设定，载入定时器初值和默认的工作参数等，具体流程图如图4.2所示。

图4.2　系统初始化流程图

4.3 按键子程序
图4.3是电机增速和减速的子程序框图

图4.3　增速减速子程序

4.5测速系统
系统中检测部分通过在电机的轴上连一个码盘，码盘均匀的打有孔，电机转动的时候，传感器的接受管就会不停的处于通、断的状态，从而在输出口输出不断变化的高低电平，将输出接到单片机的T1口，T1设置为计数，每来一个下降沿（检测到一个孔），计数值就累加一次。T0设置为定时，定时时间一到，统计脉冲的计数值，从而计算出当前的转速。最后计数值清零，重新计数，如此循环进行，不停的适时的显示电机的当前转速

结 论
经过为期五周的学习和努力，本次设计顺利完成，具体结论如下：
1、采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和数码管显示电路，电机驱动电路，电机电流检测电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的简单系统。
2、通过系统的设计实现了预期的设计目标，完成了全部的设计任务，具体功能如下：完成了整个系统的硬件设计和软件编程，能通过键盘电路控制步进电机的转速控制，能实现启动、正转、反转、加速、减速控制，整个电机的转速，转动方向，检测到的电机电流的大小等都能通过数码管显示出来；整个的成果形式是最终以步进电机控制电路板的形式展示出来了。
3、在本设计中作为电机正常工作比较重要的电机驱动模块，本设计中是采用驱动芯片ULN2003及其外围电路来实现的，其特点是成本低，可靠性高，出现问题容易维护，实现相对容易等特点。

参考文献
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