智能电路设计

智能电路设计课程题目：步进电机控制实验学院：大数据与信息工程学院专业：电子信息科学与技术班级：电科职112学号：1120020069学生姓名：月余指导教师：马老师2015年1月7日摘要步进电机是将电脉冲信号转变为机械角位移或线位移的开环控制机电元件，它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。因其具有成本低、易于精确控制、无累积误差等优点，在生产、生活中的很多领域有广泛应用。本控制系统的设计，由硬件和软件设计两部分组成。在这过程中，硬件设计主要由单片机最小系统，独立键盘控制模块，不进电机驱动模块，1602液晶显示模块，一体化红外线接收模块，蜂鸣器等构成。软件设计包括主程序以及各个子模块的控制程序构成。最终实现软件控制硬件的目的。关键字：步进电机；单片机；程序目录1、实验目的和要求………………………………………………2、步进电机控制的原理简介……………………………………3.电路中主要器件介绍………………………………………………3.1STC89C52RC芯片………………………………………………3.21602液晶显示屏…………………………………………………3.3独立键盘控制……………………………………………………3.4ULN2803A步进电机驱动器………………………………………4、硬件电路工作原理……………………………………………5、步进电机控制的系统设计……………………………………6、步进电机控制程序清单………………………………………7、心得体会…………………………………………………………8、参考文献…………………………………………………………一、实验目的和要求掌握单片机控制步进电机的硬件接口电路、掌握步进电机驱动程序的设计和调试方法、熟悉步进电动机的工作特性。按实验内容编写程序，并在实验仪上调试和验证。二、步进电机控制的原理简介步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。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7.5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1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。步进电机是机电一体化的关键部件之一，被广泛应用于需要精确定位、同步、行程控制等场合。一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。若每旋转一圈以200个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进1.8度，其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。二、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁,其中全步励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称1-2相励磁。图为步进电动机的控制等效电路，适应控制A、B、/A、/B的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断送出脉冲信号，即可步进电动机连续转动。分述如下：A、1相励磁法：在每一瞬间只有一个线圈导通。消耗电力小，精确度良好，但转矩小，振动较大，每送一个励磁信号可走1.8度。若欲以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。B、2相励磁法：在每一瞬间会有二个线圈同时导通。因其转矩大，振动小，故为目前用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走1.8度。若以2相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。C、1-2相励磁法：为1相与2相轮流交替导通。因分辨率提高，且运转平滑，每送一励磁信号可走0.9度，故亦广泛被采用。若以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励磁顺序：（A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A）。步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。下面介绍的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度。电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁方式。三步进电机控制系统框图一般一个完整的步进电机控制系统包括控制器,驱动器,电机三部分.其框图如下图所示.三、电路中主要器件介绍3.1STC89C52RC单片机芯片在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：①单片机的初级阶段：1974年~1978年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。其特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。②高性能阶段：1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。③微控制器化阶段：芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。其特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备、控制性能和可靠性高。体积小、价格低、易于产品化。如图所示：而STC89C52RC是采用8051核的ISP在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线、精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。3.21602液晶显示屏如图所示：1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如图所示：序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容3.3独立键盘控制如图所示：取一组合，概括起来就是（1，2）、（1，4）、（3，2）、（3，4）四种组合，都可以起到我们预期的开关作用。首先说明的是，上图的连法是不允许的，因为当按键按下之后，电源和地短接，会将导线直接烧毁。但是此处用作特例，假设导线不会烧毁。现在来提出一个问题，当按键按下以后，请问如果这时用万用表测量导线上任何一处的电压，GND，即表示测出的电压为0V。因为导线上，对于两端的电平是一种类似于程序语言逻辑运算里面的“与”，即对于导线两端：有零即为零，只有全为一是才为一。理解了这点，按键的工作前提就有了。键盘分为编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘。而靠软件编程来识别的键盘称为非编码键盘，在单片机组成的各种系统中，用的较多的是非编码键盘。非编码键盘又分为独立键盘和行列式键盘。在这一讲中我们介绍一下单片机中键盘使用。单片机的IO口既可作为输出也可作为输入使用，当检测按键时用的是它的输入功能，我们把按键的一端接地，另一端与单片机的某个I/O口相连，开始时先给该IO口赋一高电平，然后让单片机不断地检测该I/O口是杏变为低电平，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键与地相连，变成低电平，程序一旦检测到I/O口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应的指令。触式按键是靠机械的接触来实现开关作用的。这种接触方式就注定了它要经历一个“接触不稳定——正在稳定中——彻底稳定”的一种过程。就好比你用手抓紧一颗石头，即使你一开始就很用力的握紧，也不可能马上就达到最紧的状态，也要经历一个从握住到最紧握的过程。那么在这个过程里，接触式按键就处于一种徘徊在“闭合”与“断开”两者之间的状态。体现在电路中，就是在一小段时间内有非常多的“按下——抬起”动作。而这段抖动的时间，大概是10~20毫秒，依不同的环境条件而定。按键两片金属膜接触的时间大约为50ms左右，在按下瞬间到稳定的时间为5-10ms,在松开的瞬间到稳定的时间也为5-10ms，如果我们再首次检测到键被按下后延时10ms左右再去检测，这时如果是干扰信号将不会被检测到，如果确实是有键被按下，则可确认，以上为按键识别去抖动的原理。3.4ULN2803A步进电机驱动器如图所示为步进电机驱动器：ULN2803A8个NPN达林顿晶体管，连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路（例如TTL，CMOS或PMOS上/NMOS）和较高的电流/电压，如电灯，电磁阀，继电器，打印锤或其他类似的负载，广泛的使用范围：计算机，工业和消费应用。所有设备功能由集电极输出和钳位二极管瞬态抑制。该ULN2803是专为符合标准TTL，而制造ULN2804适合6至15V的高级别CMOS或PMOS上。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。1-8引脚：输入端、11-18引脚：输出端、9引脚：地端、10引脚：电源+四、硬件电路工作原理由单片机AT89S51作为主机，是整个系统的核心部件，其通过各引脚与各模块部件对应引脚相连，来实现功能。所以首先必须清楚管脚的分配。其连接如图所示；五、步进电机控制的系统设计这个设计主系统采用以STC89C52RC单片机为核心芯片的电路来实现，主要由STC89C52RC芯片、液晶显示、驱动电路(ULN2803A)、独立键盘电路所组成。系统的硬件电路设计框图；六、心得体会在这次智能电路设计中我学会keil软件的安装和使用keil软件来实现一些相关操作。并且在进行程序编写时怎么纠正错误。做了三周的课程设计，有很多的心得体会，有关于keil软件方面的，还有关于程序的烧录，功能的仿真等等，更多的是关于人与人之间关系方面的。因为我们是两人一组，所以同学之间的帮助是必不可少的，除了小组之间的互助外。我们还得到了很多其他同学的帮助。我想没有他们我可能都要放弃了，因为我本人对C语言也并不是很熟悉，学的东西好像它是它，