步进电机实验报告

课程设计课程名称：数字控制技术题目名称:步进电机开环数控系统学院：信息工程学院专业班级：学号：姓名：任课教师：年月日要求开环数控系统（1）以LPC2114处理器构造数控系统并用Proteus仿真。采用2个4相8拍步进电机分别控制X和Y轴进给。分别用4个GPIO引脚通过软件编程实现环形分配器功能；（2）设计人机操作界面（键盘、LCD显示器）。在键盘输入数控程序，实现平面直线和圆弧图形加工。（3）设计译码程序，把数控程序命令和参数存入内存（数据结构或变量）；（4）按照脉冲当量计算X和Y轴步进电机的坐标脉冲；（5）采用逐点比较法编写进给插补程序得到X和Y轴的进给脉冲并通过GPIO环形分配器输出，经过信号功率放大后驱动相应步进电机运动。（6）在LCD显示器显示X和Y轴进给运动图形、速度等。（7）通过键盘输入辅助操作命令，由GPIO管脚输出给LED指示灯显示。摘要数字控制简称数控，采用数字指令自动控制机械的动作，控制位置、角度和速度等机械量，也包括温度、压力、流量等物理量，是电子信息技术与传统机床技术相融合的机电一体化产品。在当今制造业中数控系统扮演着极其重要的角色，因此受到高度重视，是今年来发展最快的技术。目前，嵌入式技术已经开始广泛应用于工业控制领域，将嵌入式技术应用在机床控制上，对新型嵌入式系统进行研究和应用具有十分重要的意义。本文提出的数控系统是基于由飞利浦的LPC2114芯片作为CPU，通过4X4矩阵键盘输入G代码控制X、Y轴方向的步进电机进行进给，同时在LCD显示屏上描绘轨迹。关键字：数字控制、嵌入式技术、CPU、LCD、矩阵键盘一、引言制造业是各种产业的支柱工业,数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础，直接影响到一个国家的经济发展和综合国力,关系到一个国家战略地位。发展数控技术和数控机床是当前制造工业技术改造、技术更新的必由之路。数控技术和数控机床是实现柔性制造和计算机集成制造的最重要基础技术之一，也是制造系统最基本的加工单元。随着微电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的不断发展和迅速应用，在制造业中，数控技术和数控机床不断更新换代，向高速度、多功能、智能化、开放型以及高可靠性等方面迅速发展。当前柔性自动化（单机和生产系统）是世界机械电子工业发展的趋势。数控技术的应用、数控机床的生产量已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志。数字控制技术主要朝着一下几个方向发展：1.继续向具有开放式体系结构的数控系统发展2.向智能化方向发展3.向高速化、高精度和高自动化发展4.向网络化发展嵌入式系统作为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。根据数控技术的发展方向，选择用嵌入式技术研究数控系统，显得非常必要。二、设计目的与意义及任务分析2.1设计目的与意义本次课程设计力求实现题目所要求的功能后，尽可能的优化系统功能。数字控制技术是一门对测控技术与仪器专业很关键的课程，通过数字控制技术的学习，可以清楚了解数字控制技术的原理和工作方式。而本次课程设计能够让我们使用所学的数控技术知识和加深以及巩固对嵌入式系统，增强我们实践能力。2.2任务分析本次课程设计的任务，主要是通过protues软件按照要求编程仿真来实现设计要求。三、部件功能简介3.1LPC2114概述LPC2114/2124基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有128/256k字节（KB）嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。由于LPC2114/2124非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、PWM输出、46个GPIO以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机（POS）。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。特性•16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装；•16kB片内SRAM；•128/256kB片内Flash程序存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz工作频率；•通过片内boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。•EmbeddedICE可实现断点和观察点。当使用片内RealMonitor软件对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行；•嵌入式跟踪宏单元（ETM）支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪；•4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs；2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）、实时时钟和看门狗；•多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口（400kHz）以及2个SPI接口；•通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率；•向量中断控制器。可配置优先级和向量地址；•多达46个通用I/O口（可承受5V电压），9个边沿或电平触发的外部中断引脚；片内晶振频率范围：10~25MHz；•2个低功耗模式：空闲和掉电；•通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；•双电源1.－CPU操作电压范围：1.65~1.95V（1.8V±0.15V）；2.－I/O操作电压范围：3.0~3.6V（3.0V±10%），可承受5V电压。引脚图3.2步进电机简介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步进电机件。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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。工作原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一定矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一定角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。原理图3.3矩阵键盘简介本次实验采用的是4x4矩阵键盘，当按下按键是，CPU对键盘进行扫描获取按键。原理图3.4L298简介L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。特性•L298工作电压高达46V•总DC电流达4A•低饱和电压•L298具有过温保护功能•逻辑“0”输入电压高达1.5V(高抗噪性)引脚图3.5AMPIRE128x64本系统使了AMPIRE128x64来显示进给图形。简介液晶显示器件（LCD）独具的低压、微功耗特性使他在单片机系统中得到了广泛的应用，常用的液晶显示模块分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块，其中图形液晶模块在我国应用较为广泛，因为汉字不能像西文字符那样用字符模块即可显示，要想显示汉字必须用图形模块。接口说明AMPIRE128×64接口说明表管脚号管脚电平说明1CS1H/L片选择信号，低电平时选择前64列2CS2H/L片选择信号，低电平时选择后64列3GND0V逻辑电源地4VCC5.0V逻辑电源正5V0LCD驱动电压，应用时在VEE与V0之间加一2K可调电阻6RSH/L数据\指令选择：高电平：数据D0-D7将送入显示RAM；低电平：数据D0-D7将送入指令寄存器执行7R/WH/L读\写选择：高电平：读数据；低电平：写数据8EH/L读写使能，高电平有效，下降沿锁定数据9DB0H/L数据输入输出引脚10DB1H/L数据输入输出引脚11DB2H/L数据输入输出引脚12DB3H/L数据输入输出引脚13DB4H/L数据输入输出引脚14DB5H/L数据输入输出引脚15DB6H/L数据输入输出引脚16DB7H/L数据输入输出引脚17RSTL复位信号，低电平有效18VOUT-10VLCD驱动电源引脚图3.6LM016L简介LM016L液晶模块采用HD44780控制器。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。LM016L与单片机MCU（MicrocontrollerUnit）通讯可采用8位或者4位并行传输两种方式。HD44780控制器由两个8位寄存器、指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据RAM（DDRAM）、字符发生器ROM（CGROM）、字符发生器RAM（CGRAM）、地址计数器（AC）。引脚说明管脚号名称电平功能描述1VSS0V2VDD5.0V3VEE—4RSH/LH：数据线上为数据信号；L：数据线上为指令信号5RWH/LH：读数据模式；L：写数据模式6EH/L使能信号端7~14DB0~7H/L数据线引脚图四、仿真电路图4.1LPC2114接口P0.0为串行输出接口（调试用）P0.1~P0.11为LM016L显示屏接口P0.12~P0.15为X轴方向步进电机接口P0.27~P0.30为Y轴方向步进电机接口P0.16为连接4X4键盘的外部中断P0.18~P0.25为4X4键盘接口P1.16~P1.28为AMPIRE128x64显示屏接口P1.29为外部按键NEXT接口P1.30为外部按键BACK接口P1.31为外部按键CLEAR接口4.2电机模块4.3显示模块4.4输入模块4.5虚拟终端（调试用）五、程序设计5.1主程序框图串口发送数组中的数据驱动电机显示差补信息判断差补类型进行译码读取按键值键值为“确定”串口发送键值保存键值到数组中判断中断为真检查是否抖动开始各功能初始化显示制作组信息等待NEXT按下显示操作说明5.2显示程序AMPIRE128x64初始化及显示程序LM016L初始化及显示程序5.3步进电机程序5.4串口发送程序（调试用）5.5键盘扫描程序5.6差补程序六、功能演示七、心得体会这次项目涉及的知识点很多，综合性很强，对我的要求很高。在做项目的实验查阅了很多资料，也向周围的大神同学请教了很多，他们教会了我很多关于嵌入式系统的知识，感谢班里的大神给以的各种帮助，让我能在最后时刻将工程做了出来。在这次的项目中，很大程度上提升了我的能力，同时能够让我认识到复杂工程所需具备的专业素质，让我在今后对自己提出更大要求，去提升自己各方面的能力。参考文献•《数字控制技术》科学出版社主编：吴黎明•《Proteus电子电路设计及仿真》电子工业出版社主编：许维蓥，郑荣焕•《C语言程序设计》清华大学出版社主编：谭浩强