基于单片机的电动机正反转控制设计

淮南师范学院2013届本科毕业论文1基于单片机的电动机正反转控制设计学生：xxx（指导教师：xxx）（xxxxxx电气信息工程学院）摘要：基于单片机的基本理论，本文设计了一种步进电机控制系统。该系统通过软硬件的设计调试，实现步进电机能根据设定的参数进行开关加减速控制，使控制系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象；同时它能准确地控制步进电机的正反转，启动和停止。硬件是以AT89C51单片机为核心的控制电路，主要包括：开关输入电路、液晶显示电路、步进电机的驱动电路等。软件部分采用C语言编程，主要包括液晶显示程序、步进电机的正反转即快慢程序等。通过仿真验证了本文设计系统的实用性能。关键词：步进电机控制系统；调速；单片机ThedesignofmotorcontrolsystembasedonSCMStudent：ZhouTianhang（Supervisor：LiuYunxia）ElectricalandInformationEngineeringDepartmentofHuainanNormalUniversityAbstract:ThebasictheorybasedonSCM.thispaperdesignsakindofsteppingmotorcontrolsystem.Thesystemgoesthroughthedesignofsoftwareandhardware.Realizethesteppermotorcanswitchtheaccelerationanddecelerationcontrolaccordingtothegivenparameterswhichmakesthecontrolsystemintheshortesttimetofinishandnotoutofstep.Atthesametime,itcancontrolthereversingthesteppermotoraccurately,startandstop.ThehardwarecontrolcircuitAT89C51microcontrollerasthecoremainly.Include:switchinputcircuit,LCDdisplayingcircuit,steppermotordrivecircuit.ThesoftwareisprogrammedbyClanguage.Include:LCDdisplayprogramandthesteppermotorspeedprogram.Thepracticalperformanceofthedesignofthesystemisvalidatedbysimulation.Keywords:Steppingmotorcontrolsystem;speedcontrol;Single-chipComputer淮南师范学院2013届本科毕业论文21绪论1.1设计研究的目的和意义由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率[1-3]。由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。1.2步进电机的发展状况步进电机的机理是电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。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。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，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。我国步进电机的研究及制造起始于本世纪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从而开发少量产品。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。70年代中期至80年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机陆续被开发。自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大淮南师范学院2013届本科毕业论文3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[4]。1.3论文的主要内容1.3.1步进电机的工作原理通过查阅文献对步进电机的各种运行方式进行研究，深入了解各种运行方式的特点和对步进电机控制性能的影响。1.3.2步进电机控制的设计考虑到电动机有各种转动方式与转速大小的控制，设计符合逻辑的开关控制方式。1.3.3步进电机系统的硬件设计该部分主要介绍控制步进电机系统各个部分所使用的各种硬件，并且相对所选用的硬件设计其相对应的数学逻辑关系。1.3.4步进电机控制系统的软件设计根据步进电机的原理和控制特点，对步进电机控制系统的软件进行分析和设计。1.3.5程序的调试及修改用Keil软件进行编程和调试，并且在Proteus环境下进行系统仿真。本设计第一章介绍了系统的设计目的、意义及发展，第二章是系统的硬件设计，第三章是系统的软件设计，第四章是设计系统的仿真分析，第五章是结束语。2系统设计的相关理论2.1步进电机的介绍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。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[5]。2.2液晶显示器的介绍2.2.1液晶显示器的概述液晶显示器，或称LCD（LiquidCrystalDisplay），其本事是不发光的，是通过借助外界的光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。其分类方法有很多种如：按电光效应分类，按显示内容分类，按采光方式分类。淮南师范学院2013届本科毕业论文42.2.2液晶显示器的特点液晶显示材料的优点：无闪烁、驱动电压低、成本低廉、可靠性高、彩色显示、显示信息量大、生产过程自动化、功耗微小、对人体无危害、可以制成各种规格和类型的液晶显示器等。用液晶材料制成的计算机终端和电视可以大幅度减小体积等。液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展[6]。2.2.3液晶显示器的发展1850年普鲁士医生鲁道夫菲尔绍（RudolfVirchow）等人就发现神经纤维的萃取物中含有一种不寻常的物质。1877年德国物理学家奥托·雷曼（OttoLehmann）运用偏光显微镜首次观察到了液晶化的现象。1883年3月14日植物生理学家斐德烈·莱尼泽（FriedrichReinitzer）观察到胆固醇苯甲酸酯在热熔时有两个熔点。1888年莱尼泽反复确定他的发现后，向德国物理学家雷曼请教。当时雷曼建造了一座具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶之过程，而从那时开始，雷曼的精力完全集中在该类物质。1888年出版《分子物理学》，这是对这段时间他在材料物理领域知识的总结，特别值得一提的是，他在书中首次提出了显微镜学研究方法，通过对晶体显微镜和用它所作的观察。20世纪化学家伏兰德（D.Vorlander）的努力由聚集经验使他能预测哪一类的化合物最可能呈现液晶特性，然后合成取得该等化合物质，于是雷曼关于液晶的理论被证明。1922年法国人弗里德（G.Friedel）仔细分析当时已知的液晶，把他们分为三类：向列型（nematic）、层列型（smectic）、胆固醇（cholesteric）。1930-1960年在G.Freidel之后，液晶研究暂时进入低谷，也有人说，1930-1960年期间是液晶研究的空白期。究其原因，大概是由于当时没有发现液晶的实际应用。但是，在此期间，半导体电子工业却获得了长足的发展。为使液晶能在显示器中的应用，透明电极的图形化以及液晶与半导体电路一体化的微细加工技术必不可缺。随着半导体工业的进步，这些技术已趋向成熟。20世纪40年代开发出矽半导体，利用传导电子的n型半导体和传导电洞的p型淮南师范学院2013届本科毕业论文5半导体构成pn介面（pnjunction），发明了二极管和晶体管。在此之前，在电路中为实现从交流到直流的整流功能，要采用二极管，而要实现放大功能，要采用电子管。这些大而笨重的元件完全可以由半导体二极管和晶体管代替，不需要向真空中发射电子，仅在固体特别是极薄的膜层中，即可实现整流、放大功能，从而使电子回路实现了小型化。接着，藉由光加工技术实现了包括二极管、晶体管在内的电子回路图形的薄膜化、超微细化。这种技术简称为微影（photolithography）。20世纪60年代，随着半导体集成电路（integratedcircuit）技术的发展，电子设备实现了进一步的小型化。上述技术的进步，对于在液晶显示装置（display）中的应用是必不可少的，随着材料科学和材料加工技术的进一步发展，以及新型显示模式和驱动技术的开发，液晶显示技术获得了快速发展。20世纪60年代随着半导体集成电路（integratedcircuit）技术的发展，电子设备实现了进一步的小型化。1968年任职美国RCA公司的G.H.Heilmeier发表采用DS（dynamicscattering，动态散射）模式的液晶显示装置。在此之后，美国企业最早开始了数字式液晶手表实用化的尝试[7]。3基于AT89C51的步进电机转动方式的总体设计3.1系统设计的原理及组成3.1.1系统设计的工作原理本设计使用4个开关分别控制步进电机的开启、关闭，步进电机的正反转和步进电机的转速。1号开关控制其启动，当按下1号开关时，电动机开始转动；2号开关控制其转速快慢，没有按下开关是默认是慢速转动，当按下2号开关时电动机开始快速转动；3号开关控制电机正反转，没有按下开关时默认是正转，按下3号开关时电动机反向转动；4号开关控制使电动机停止转动。所有的动作都会显示在LED的显示屏幕上。分别是：Reverseslow（正向慢转），Reversefast（正向快转），Positiveslow（反向慢转），Positivefast（反向快转）。3.1.2系统的组成本文设计了一种基于以AT89C51单片机控制为核心的电动机正反转控制系统，系统主要从硬件设计和软件设计两方面来进行设计与研究。硬件部分主要从控制电路，输入电路及输出电路三方面进行设计，软件部分主要用C语言进行编程以实现设计要求。系统的总体设计框图如图1所示。淮南师范学院2013届本科毕业论文6图1系统设计框图3.2系统的硬件设计系统设计的硬件部分主要包括单片机控制模块、输入开关电路、步进电机及液晶显示器四大部分。3.2.1单片机控制模块的设计单片机控制模块即单片机最小系统：单片机、复位、晶振、串行通信电路、电源。3.2.1.1AT89C51单片机的介绍控制系统的核心元件是