利用AT89C51单片机设计小型控制系统毕业设计.docx
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利用AT89C51单片机设计小型控制系统毕业设计
摘要
本文主要讨论了利用AT89C51单片机设计小型控制系统,同时使用步进电机,它作为控制系统的执行部件,通过硬件电路的设计以及相关软件的设计,达到控制步进电机的各种转动形式。
首先,论文介绍了一般控制系统的共性;其次,对控制系统中涉及的重要部件——AT89C51单片机和步进电机,作了较为详细的说明,而且对步进电机的软件控制方式也作了简要的说明;最后,介绍了整个控制系统的三部分主要电路的设计:
复位电路、驱动电路、直流稳压电源电路。
关键词:
单片机步进电机驱动电路
ABSTRACT
ThispaperreportsanapproachtodesigningMini-typeControlSystembyusingAT89C51singlechip,andSteppingMotor,whichisexecutioncomponentsofcontrolsystem.HardwarecircuitandSoftwarecancontrolsteppingmotorwheeling.First,thepaperillustratecontrolsystemcommonness;second,criticalcomponentofcontrolsystem,AT89C51singlechipandsteppingmotor,ispresentedparticularly,atthesametime,thepaperintroducessoftwarecontrolmode;intheend,thewholecontrolsystemconsistofthreesegments:
resettingcircuit、drivingcircuit、directcurrentstabilizationelectricalsourcecircuit.
KEYWORDS:
singlechip,steppingmotor,drivingcircuit
前言
随着集成电路技术的快速发展和广泛应用,一些脉冲分配专用集成电路以及步进电机的驱动电路集成块也应运而生,这些集成电路的特点是体积小,驱动效率高,系统控制较为稳定,可广泛用于要求高效率,高精度,高稳定性的设备中,如打印机,绘图仪,磁盘驱动器以及数控机床等,但是这类驱动模块也存在不足之处:
用户对驱动模块的控制机理较难掌握。
品种少,价格昂贵。
该类驱动模块的柔性控制性能较差,只能实现某种专用功能的控制。
所以在对步进电机的控制要求不高的情况下可以用其它电路替代这些集成模块。
本文将为你介绍一种利用AT89C51单片机作为控制器的小型多功能控制系统,它不仅能驱动步进电机等执行机构,而且还能用于驱动其它的控制部件,如彩灯的循环显示,汽车清洁机的动作等。
而且也达到一定的控制精度。
第一章控制系统的介绍
1.1控制系统的介绍
一般控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两种形式,图1.1为开环系统示意图。
由图可知,由于开环控制系统没有反馈,被控对象参数的异常变化(由于不可测干扰,器件参数或被控对象特性变化所引起)不能反回到控制器,因而不能自动纠正这种偏差。
但是开环系统结构简单,调试方便,在系统内外干扰很小的条件下,通过采取一定的措施可以获得较高的控制精度。
图1.1开环控制系统框图
图1.2为闭环控制系统示意图,它是反馈控制系统。
被控对象参数被反馈回控制器,并和输入信号比较,当有偏差时,控制器产生控制信号,自动减小这种偏差。
因此,闭环系统克服了开环系统的缺点。
在系统内外有不可测干扰的条件下,仍有可能达到精确控制,但闭环系统较开环系统复杂,成本高,调试也比较麻烦,因此实际工作中应视情况而定。
常常是将两者结合使用。
图1.2闭环控制系统框图
在整个控制系统中,控制器起着关键作用,系统中的大部分最原始的控制参数都是从控制器发出,而且受其控制。
所以一个系统的好坏,关键取决于控制器是否稳定。
1.2控制系统的介绍
在这里控制器可分为两种类型。
1)由硬件电路实现的控制器这种控制器可以达到很高的响应速度,但是它随控制规律的改变其硬件也需要随之改变,所以在应用中有一定的限制。
2)硬件和软件相结合的控制器这种控制器一般都由计算机或者可编程的单片机构成,这样就能把系统的控制规律以程序的形式出现,所以只需向计算机或单片机中写入控制程序即可。
在应用当中比较灵活。
在这次设计中,我们以步进电机为控制对象设计了一个小型控制系统,所以选择了第二种控制器。
第二章单片机系统的介绍
AT89C51是一种低功耗,高性能的片内有4KB快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的8位微控制器,使用高密度,非易失存储技术制造,并且与8051能完全兼容。
片内的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储器对程序存储器重复编程。
所以我们选用了AT89C51单片机。
2.1硬件结构
下图2.1为AT89C51的芯片图,从外观上和8051是相同的,唯一的区别在于其内部的可编程/擦写只读存储器(FPEROM)。
图2.1外部结构
图2.2为其内部硬件结构。
图2.2AT89C51内部结构
2.2引脚定义
1):
VCC(40脚)电源端
GND(20脚)接地端
以上这两个引脚通常应接高频和低频滤波电容。
2):
时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚)接外部石英晶体和微调电容一端,在片内它是振荡器的倒相放大器的输入,若使用外部时钟时,该引脚必须接地。
XTAL2(18脚)接外部石英晶体和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出,若使用外部时钟时,该引脚作为外部时钟的输入端。
3):
控制信号引脚ALE、、、和RST
ALE/(30脚)地址锁存允许信号输出端,在存取片外存储器时,用于锁存低8位地址,当单片机上电正常工作后,ALE端就周期性地以时钟振荡频率的1/16的固定频率向外输出正脉冲信号,ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL器件。
(此引脚的第二个功能为编程输入端。
(29脚)程序存储允许输出端,是片外程序存储器的读选通信号,低电平有效。
CPU从外部程序存储器取指令时,在每个机器周期中两次有效,但在访问片外数据存储器时,要少产生两次负脉冲信号。
/VPP(31脚)程序存储器地址允许输入端,当为高电平时,CPU执行片内程序存储器的指令,但当PC中的值超过0FFFH时,将自动转向执行片外程序存储器指令,当为低电平时,CPU只执行片外程序存储器指令,当片内FPEROM编程是,该端接21V编程电压。
RST(9脚)复位信号输入端,高电平有效。
4):
输入/输出引脚P0、P1、P2、P3
AT89C51单片机的P0、P1、P2、P3四个I/O口都是双向端口每个端口都包含一个锁存器、一个驱动器和一个输入缓冲器。
除了作为普通的I/O使用外,P0、P2端口还可以作为地址/数据总线使用。
这时P0端口输出地址总线的低8位字节,P2端口输出地址总线的高8位字节。
作为I/O口使用时,P1、P2和P3端口内部已经接上拉电阻。
P0则不同于其它端口,输出为漏极开路输出,与外部设备接口时要接上拉电阻。
当P0、P2作为地址/数据总线使用时,不可作为普通I/O口使用,另外,P0口做I/O口时,一定要外接10K的上拉电阻,这一点很重要。
还有当P1、P2、P3端口作为输入端使用,应首先将端口置1。
此外P3口除了作为一般准双向口使用外,每个引脚还有其它的功能,如下:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INT0(外部中断0输入口)
P3.3INT1(外部中断1输入口)
P3.4T0(定时器0外部输入口)
P3.5T1(定时器1外部输入口)
P3.6(写选通输出口)
P3.7(读选通输出口)
2.3AT89C51在系统中的运用
AT89C51在整个系统中作为控制器,在硬件电路上,AT89C51外接了一个MAX691芯片,起看门狗的作用,详细功能分析将在后续章节中作讨论;在软件编程接口上,用以定义P1口来确定步进电机运行的步距角,定义P3.0和P3.1口来控制步进电机是正转还是反转,而P3.3,P3.4和P3.5则用以定义控制电机转动的脉冲输入。
所以全面的理解单片机系统对这次设计至关重要,尤其对它各个引脚的功用的理解对硬件电路的设计很重要。
图2.3编程校验波形图
第三章步进电机的工作原理及工作方式
3.1步进电机概述
步进电动机本质上属于断续运转的同步电机。
它可作为数字控制系统中的执行组件,其功用是将输入的脉冲电信号变换为阶跃性的角位移或直线位移。
亦即给一个脉冲信号,电动机就转动一个角度或前进一步。
因为它输入的既不是正弦交流,又不是恒定直流,而是脉冲电流,所以又称它为脉冲电动机。
其具有精度高、惯性小的特点,特别适合于数字控制系统。
它既可用作驱动电动机,又可用作伺服电动机,并主要用于开环系统,也可用作闭环系统的控制组件。
如图3.1为步进电机功用图。
图3.1步进电机功用图
由于步进电机本身就具有相当高的精度,且惯性也比较小,主要用于开环控制系统,所以用它作为这次设计的被控对象。
并且用单片机控制步进电机有以下好处。
1)提高了步进电机的控制精度,且直观、有效。
2)提高了运行的可靠性、稳定性。
3)易于维修。
3.2步进电机的工作原理和方式
在实际运用当中,如果控制系统需要变换控制功能,假如都从硬件着手,就必须要重新设计硬件电路,这样一来,灵活性就显的比较差,而且成本又高。
所以大多数的控制系统都采用软硬结合的方法,使系统的控制功能加强,电路简化,从而达到提高可靠性和灵活性。
本次设计通过软件来控制步进电机的转向、转速、步距角等。
3.2.1控制步进电机的转向
步进电机的转向是通过送入电机绕组的脉冲顺序来控制的。
当采用三相六拍的方式时,如果通电顺序为A——AB——B——BC——C——CA——A时,电机正转,那么当通电顺序为A——AC——C——CB——B——BA——A时,电机将反转,其环行分配表如下表2.1
根据步进电机的转向与工作是绕组通电顺序变化规律,在内存ROM中存入励磁代号,设表头地址为TAB0,表尾地址为TAB7。
显然驱动信号按从TAB0开始,逐步加1的顺序变换,电机正转;如按TAB7开始,逐步减1的顺序变换,电机反转。
表3.1控制模式表
步序
工作状态
16进制
导电相
ORGTAB0
正转
反转
CBA
TAB0:
DB00H
↓
↑
101
111
110
210
200
301
01H
03H
02H
06H
04H
05H
A
A、B
B
B、C
C
C、A
DB00H
DB00H
DB00H
DB00H
DB00H
DB00H
TAB7:
DB00H
3.2.2控制步进电机的转速
步进电机的转速由脉冲信号的周期T决定。
而脉冲信号的周期由CPU通过延时子程序等方法确定。
延时子程序中可以设置控制信号的延时时间来控制电机的转速。
转速表达式为:
n=(转/分)
式中,N为电机转动一周应设定的控制字节数。
采用三相六拍工作时,步距角为1.5°,则有
N
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