完整版数电机床改进的毕业设计论文.docx
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完整版数电机床改进的毕业设计论文
优秀论文审核通过
未经允许切勿外传
论文标题:
数电机床的改进
学院:
电气工程学院
班级:
08计2W
学生姓名:
xxx
指导老师:
xxx
完成日期:
2011年4月11日
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
第二章方案比较2
第三章单片机概述3
3.2单片机的选择4
3.3单片机复位和中断7
第四章步进电机概述9
4.1步进电机简介9
4.2步进电机工作原理10
4.3步进电机分类11
4.4步进电机的指标概述11
4.4.1步进电机的静态指标11
4.4.2步进电机动态指标及术语12
第五章LED显示概述14
第六章步进电机控制的硬件设计16
6.3步进电机驱动电路设计17
6.4LED显示电路设计17
第七章步进电机控制的软件设计19
第八章设计体会28
参考文献29
附录:
设计原理图30
摘要
目前我国企业机床数控化比例极低,不到5%,各企业使用的绝大部分为传统老式机床,很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。
为节约成本,进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值,将大批传统老式机床改造利用是一种必然性。
在工业控制系统中,通常要控制机械部件的平移和转动,对位移和角度的控制要求较高,一般电机很难实现对位置和角度的精确控制,而步进电机可精确实现所设定的角度和转数,具有良好的步进特性。
步进电机以其独特的特点可以在无速度传感器和无位置传感器系统中实现精确的开环状态定位或同步运行。
我们通过调节发送给步进电机的步进脉冲个数来实现精确的位移或者角度定位,而调节发送的步进脉冲频率就可以实现速度调节,这些都有利装置或设备的小型化和低成本,因而在众多领域中得到广泛的应用。
步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法,通过AT89C51单片机及HT-335M驱动器完成步进电机各种运行方式的控制,实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。
整个系统采用模块化设计,结构简单、可靠,通过按键控制,操作方便,节省成本。
由此集成电路构成的数控系统通过简单的编程就可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制电机运行状态,并通过LED数码管显示。
关键字:
单片机、步进电机、驱动器、AT89C51、LED
Abstract
Atpresentourcountryenterprisenumericalcontrolmachinetoolproportionisextremelylow,lessthan5%,variousenterprisesusemostoftheoldmachineforthetraditional,itisdifficulttosatisfythebusinessenterpriseofdemandandproductionefficiency.Forcostsaving,furtherdeveloptheefficacyandoldtraditionalmachinepotentialvalueoftraditionaloldmachinereconstructionusingisanecessity.Inindustrialcontrolsystem,usuallytocontrolthemechanicalcomponentsoftranslationandrotationAngleofdisplacementandthecontrolrequirementsoftaller,generalmotorstodifficulttorealizeaccuratecontrolofthepositionandAngle,andstep-motoraccuracycanachieveasetofAngleandRPM,speedsensorlessandsensorlesssystemachievepreciseopen-loopstateorientationorsynchronizationoperation.WesendbyadjustingthesteppingmotorofsteppingpulsenumbertoachieveprecisedisplacementorAnglepositioningandtheadjustablesendsteppingpulsefrequencycanrealizespeedadjustment,thesearefavorabledeviceorequipmentminiaturizedandlowcost,soinmanyareaswidelyapplied.Steppingmotorcontrolsystemdevelopedthesoftwareandmethod,throughAT89C51and335Mdrive-HTfinishsteppingmotorvariousoperationmode,torealizethecontrolofthesteppermotorspeedcontrolandpositive&negativedisplaythedata.ThissystemUSESmodulardesign,simplestructure,reliable,throughthebuttoncontrol,convenientoperation,costsavings.ThusintegratedcircuitconsistingofCNCsystemthroughsimpleprogrammingcansetarbitrarysteppermotorspeed,rotationAngle,therotationfrequencyandcontrolmotorrunningcondition,andthroughLEDdigitalpipedisplay.
Keywords:
SingleChipMicrocomputer、thesteppingmotor、AT89C51、335Mdrive-HT、LED
第一章绪论
我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。
由于我国企业大部分数控机床和数控系统其中特别是大型设备还的依赖进口,由于种种原因企业承受不了巨额购置费,且易受国外的控制,另外数控机械设备维修力量薄弱,进口的备件维修成本高,设备完好率低,大部分进口机床数控系统已经崩溃,有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。
通过对我国现有的经济和科技状况来看,对老式机床设备的改造利用便成了一件迫在眉睫的事,于是怎么改,改那些,怎样最省钱这一系列的问题就摆在了我们面前,当拿到一台或多台老式设备时我们第一步该做的便是对老式设备的改造项目的可行性进行评估。
这种评估可以是对自己已有机床设备的评估,也可以是对将要购买的机床设备进行评估,只有这样才能确定这台机床设备是否有改造和利用的价值。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。
给一个电脉冲信号,步进电机就回转一个固定的角度,称为一步,所以成为步进电机。
作为一种数字伺服执行元件,步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点,广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。
本论文为了实现步进电机的简易运动控制,一般以单片机作为控制系统的微处理器,通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。
采用单片机为控制核心,利用其体积小、兼容性强、高速度、低价格、低工作电压、低功耗等特点,使键盘电路和显示电路有机的结合起来,组成一个操作方便,交互性强的控制系统,而且整个系统所包含的技术几乎包括了现学校控制专业所要求的知识,有利于实践教学取得最大效果。
键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术,节约了单片机资源。
该系统软件采用结构化设计,具有易维护性,根据用户新的请求,对软件系统进行少量的修改,使系统功能得到一定程度的提高。
所以基于单片机控制的步进电机系统控制精度高、运行稳定,在控制领域有着广泛的应用。
第二章方案比较
2.1控制方式的确定
步进电机控制虽然是一个比较精确的,步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点,在采用单片机的步进电机开环系统中,控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。
系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。
一种是延时,一种是定时。
延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序,待延时结束后再次执行换向,这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。
延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和,就是CP脉冲的周期,该方法简单,占用资源少,全部由软件实现,调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。
但占用CPU时间长,不能在运行时处理其他工作。
因此只适合较简单的控制过程。
综上,对于本次设计的控制方式,在此选用延时调速来实现步进电机的速度控制。
2.2驱动方式的确定
并于步进电机的驱动一般有两种方法,一种是通过CPU直接来驱动,这种方法一般不宜采用,因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动;别一种是通过CPU来间接驱动,就是把从CPU输出的信号进行放大,然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机,这种方法比较安全可靠。
固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。
HT-335M是采用当今最先进的细分型技术生产的高性能步进驱动器(M=Microstep),适合驱动中大型的任何两相或四相混合式步进机。
由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术,使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率。
其细分功能使步进电机运转精度提高,振动减小,噪声降低。
2.3基本方案的确定
为此本设计采用AT89C51MCU作为控制芯片忽略了传统时序方法,软件通过汇编语言编写,硬件方面规划由单片机应用电路、4×4矩阵按键电路、步进电机驱动电路﹑HT-335M高性能步进驱动器以及LED数码管显示电路组成,通过设定电机转速并在数码管中显示其转速大小,从而能智能化控制。
第三章单片机概述
3.1单片机简介
单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)简称单片机。
它把组成微型计算机的各功能部件:
中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、并行及串行输入输出IO接口电路、定时器计数器、中断控制器、等部件集成在一块半导体芯片上,构成一个完整的微型计算机。
随着大规模集成电路的发展,组成微型机算计的各功能部件:
中央处理器、储存器、串并输入输出接口、定是器计数器、中断控制器,以及许多特殊功能单元,如:
AD、DA转换器、高速输入输出部件、DMA、浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上,构成一个完整的微型算计机——单片机。
由于它具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、所以方便等特点,因此特别适合于工业控制有关的数据处理系统,愈来愈广泛地应用于自动控制、智能化仪器、仪表、数据采集、军工产品以及家用电器等各个领域。
由于其结构及应用特点,不同于通用的微型计算机,因此,了解单片机的原理及应用是非常必要的。
随着大规模集成电路的发展,组成微型计算机的各功能部件:
中央处理器、存储器、串并行输入输出接口,定时器计数器中断控制器,以及计多特殊功能单元,如AD、DA转换器、高速输入输出部件、DMA、浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上,构成一完整的微型计算机——单片机。
单片机出现的历史并不长,但发展十分迅猛。
它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步,自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来,它的发展到目前为止大致可分为5个阶段:
计出集成度为2000只晶体管片的四位微处理器Intel4004,并配有RAM、ROM和移位寄存器,构成第一台MCS-4微处理器,而后又推出了8位微处理器Intel8008,以及其它各公司相继推出的8位微处理器。
它们虽说还不时单片机,但从此拉开了研究单片机的序幕。
系列为代表,采用将8位CPU、8位并行IO接口、8位定时计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构,虽然其寻址范围有限(不大于4KB),也没有串行IO,RAM、ROM容量小,中断系统也比较简单,但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。
这种采用将CPU与计算机外围电路集成到一块芯片上的技术,标志着单片机与通用CPU的分道扬镳,在构成新型工业控制器方面取得了成功,为进一步发展单片机开辟了成功之路。
普遍带有串行口,有多级中断处理系统多个16位定时器计数器。
片内RAM、ROM的容量加大,个别片内还带有AD转换接口。
其典型为1986年Intel公司推出的MCS-51系列单片机,其它代表产品有Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。
这类单片机拓宽了单片机的应用范围,使之能用于智能终端、局部网络的接口等。
因而,它是目前国内外产品的主流,各制造公司还在不断地改进和发展它。
能的16位单片机MCS-96系列,由于其采用了最新的制造工艺,使芯片集成度高达12万只晶体管片。
CPU为16位,支持16位算术逻辑运算,并具有32位除16位的除法功能;片内RAM和ROM容量更进一步增大;除两个16位定时计数器外,还可设定4个软件定时器;具有8个中断源;片内带又多通道高精度AD转换和高速输入、输出部件(HSIO);运算速度和控制功能也大幅度提高,具有很强的实时处理能力。
第5阶段(90年代):
单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。
如:
CPU的位数有8位、16位、32位,而结构上更进一步采用双CPU结构或内部流水线结构,以及提高处理能力和运算速度;时钟频率高达20MHz,使指令执行速度相对加快;提供新型的串行总线结构,为系统的扩展与配置打下良好的基础;增加新的特殊功能部件(如:
PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输,调制解调器、通信控制器、浮点运算单元等);半导体制造工艺的不断改进,失芯片高集成化、低功耗发展等等。
以上这些方面的发展,使单片机在大量数据的实时处理,高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制,高级机器人以及局域网络方面得到大量应用。
3.2单片机的选择
本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片,AT89C51是美国ATMBL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMBL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,功能强大的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。
AT89C51主要包括算术逻辑部件ALU、累加器A、只读存储器ROM、随机存储器RAM、指令寄存器IR、程序计数器PC、定时器计数器、IO接口电路、程序状态寄存器PSW、寄存器组,此外还有堆栈寄存器SP、数据指针寄存器DPTR等部件。
这些部件集成在一块芯片上,通过内部总线连接,构成完整的微型计算机,下面按其部件功能分类予以介绍
1.主要特性:
·与MCS-51兼容
·4k字节可重擦写falsh闪烁存储器
寿命:
1000写擦循环
数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24MHz
·三级加密程序存储器
·128*8位内部RAM
·32可编程IO线
2个16位定时器计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
2管脚说明:
(1)主电源引脚
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
(2)输入输出引脚P0.0~P0.7、P10.~P1.7、P2.0~P2.7和P3.0~P3.7
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向IO口,也即地址数据总线复合口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可做为高阻抗输入端用。
P0用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向IO口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向IO口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向IO口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:
端口引脚
兼用功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
INT0(外部中断0)
P3.3
INT1(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0的外部输入)
P3.5
T1(定时器1的外部输入)
P3.6
WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
RD(外部数据存储器读选通)
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
(3).控制或与其它电源复用引脚RST、ALEPROG、PSEN和EAVpp
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALEPROG:
当访问外部存储器时,ALE(地址锁存允许)的输出电平用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的16。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲PROG。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
此外,该引脚被略微拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
EAVpp:
当EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
(4)外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
3.3单片机复位和中断
复位的实现通常用开机上电复位和外部手动复位
中断就是指由于外部活内部事件而改变原来CPU正在执行指令顺序的一种工作机制.AT89C51单片机共有3类中断源:
2个外部中断,2个定时器计数器中断,1个串行口中断。
1外部中断INT0和INT1
可根据寄存器TCON中的IT0和IT1位状态分别设置为电平或者边沿触发实际产生的中断标志是TCON中的位IE0和IE1当产生外部中断时如果是边沿触发进入中断服务程序后由硬件清除中断标志位如果中断是电平触发由外部请求源而不是由片内硬件控制请求标志。
2定时器0和定时器1中断
由TF0和TF1分别由各自的定时计数寄存器控制定时器0(工作在模式3时除外)产生,当产生定时器中断时进入中断服务程序后由片内硬件清除标志位。
3串口中断
由RI和TI的逻辑或产生进入中断服务程序后这些标志均不能被硬件清除。
实际上中断服务程序通常需要确定是由RI还是TI产生的中断然后由软件清除中断标志,所以这些产生中断的位都可通过软件置位或清零与通过硬件置位或清零的效果相同简而言之中断可由软件产生推迟或取消,每个中断源可通过置位或清零寄存器IE的相应位分别使能或禁止。
IE中还包含一个全局禁止位EA可以立即禁止所有的中断。
每个中断源都可通过编程中断优先级寄存器单独设置优先级一个中断服务程序可响应更高级的中断但不能响应同优先级或低级中断最高级中断服务程序不响应,其它任何中断如果两个不同中断优先级的中断源同时申请中断时响应较高优先级的中断申请,如果2个同优先级的中断源同时申请中断内部查询顺序将确定首先响应哪一个中断请求查询顺序,如下图
中断源
查询优先级
请求位
向量地址
外部中断(INT0)
1
IE0
0003H
定时器0(T0)
2
TF0
000BH
外部中断0(INT1)
3
IE1
0013H
定时器1(T1)
4
TF1
001BH
串行口
5
R1,T1
0023H
第四章步进电机概述
4.1步进电机简介
步进电机最早是在1920年由英国人所开发。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,这对于数字化的控制变得更为容易。
以后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、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
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