步进式搅拌机调速控制系统设计驱动模块设计说明1947.pdf

《步进式搅拌机调速控制系统设计驱动模块设计说明1947.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进式搅拌机调速控制系统设计驱动模块设计说明1947.pdf（44页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、智能仪器综合实训课程设计报告 标题:步进式混合机速度控制系统的设计 驱动模块的设计 学生:编号:职业:类别:讲师:目录 目录 I 摘要 II 第 1 章 概述 1 1.1 搅拌机简介 1 1.2 单片机控制步进电机概述 1 1.3 步进电机的概述 2 1.3.1 步进电机的应用 2 1.3.2 步进电机的研究与发展 3 1.4 步进电机的机构与工作原理 4 1.5 步进电机的分类 5 1.6 步进电机的特点 6 1.7 课题设计的意义 6 第 2 章 总体方案设计 7 2.1 步进电机的控制方案 7 2.2 基于单片机的控制 7 2.3 步进电机的驱动方案 7 2.4 总体方案设计 9 2.4

2、.1 总体方案方框图 9 2.4.2 总体方案功能说明与选型 9 第 3 章 硬件设计与仿真 11 3.1 单片机最小系统核心 11 3.1.1 单片机 AT89C51 简介 11 3.1.2AT89C51 单片机功能与特性 11 3.1.3 单片机最小系统原理图 13 3.2 电机驱动模块 13 3.2.1ULN2003 驱动芯片 14 3.2.2 驱动模块电路图 14 3.3 独立按键模块 15 3.4 显示模块 16 3.5 测速模块 17 3.6 总体原理图 18 第 4 章 软件设计 19 4.1 系统功能设计 19 4.2 主程序设计 19 4.2.1 主程序工作过程 19 4.2

3、.2 主程序工作流程图 20 4.3 驱动流程图 20 4.4 键盘流程图 21 第 5 章 调试与总结 22 5.1 软件调试 22 5.2 硬件调试 23 5.3 总结 23 附录 A：步进式搅拌机调速控制系统设计硬件原理图 26 LCD 显示部分：26 LED 显示部分：27 摘要 步进电机是数字控制系统中的执行元件，它能根据控制脉冲的要求快速启动、制动、正反转和加速。它具有步距角精度高的特点，因此在许多领域得到了广泛的应用。本文首先简要介绍了步进电机的发展、特点和工作原理。包括步进电机的控制方案和驱动方案，并给出了符合本系统特点和功能的系统设计总体方案。通过硬件和软件的设计与调试，步进

4、电机可以按照设定的参数自动加减速，并能精确控制步进电机的正反转、启动和停止。硬件是基于 AT89C51 单片机的控制电路，主要包括 LED/LCD 显示、键盘显示电路、步进电机驱动芯片等。软件采用 C 语言编程，包括键盘显示程序、步进电机速度控制程序、停机判断程序等。本文采用软件和硬件相结合的方法来实现对步进电机的最佳控制。关键词:步进电机控制系统；速度调节；单片微型计算机 第 1 章概述 1.1 混合器介绍 搅拌机是随着现代混凝土施工技术发展起来的一种机械设备。它是一种带叶片的轴，在圆筒或凹槽内旋转，以运送各种原料。Mixing 使其成为具有适当稠度的混合物或机器。近年来，随着科学技术的发展

5、和相关理论的完善和进一步成熟，混合器的设计和制造得到了迅速发展。但是，它也面临着严峻的挑战，必须满足合理利用资源、节约能源和保护环境的要求。搅拌器正变得越来越大，同时服从设备的规模经济和品种多样化。基于节能的要求，开发了变频电机、低抗剪切叶片、替代机械密封和填料密封的新型密封以及替代机械传动的磁力传动。基于降低产品整体成本、降低维修成本、增加设备平均维修间隔的要求，大大延长了设备的运行寿命，逐步采用以单片机为核心的智能搅拌机。搅拌机还广泛应用于化工、制药、食品和水工业、塑料工业等行业的生产过程中。设计搅拌器时，应根据工况要求考虑一定的余量。但在实际使用过程中，搅拌机并不一定要在最大转速下工作，

6、可以在非满载状态下工作很多时间。在某些应用中，由于密炼机配置和运行转矩大的特点，我们通常选择步进电机作为密炼机的驱动电机，这样既能保证密炼机的大转矩负载，又能保护电机不会因负载过大而损坏。1.2 单片机控制步进电机概述 单片机是现代电子技术和计算机技术的一个新领域。以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。通过使用嵌入式系统集成器件，将电机系统的设计从简单的硬件设计转变为智能的软硬件设计，使现代电子系统具有智能化、系统功能化、柔性化、激励化、运行化、响应化等特点。目前，单片机的价格很低，这使得它的应用更加广泛。因此，利用单片机控制各种电机来完成各种新颖、高性能的控制策略，尤

7、其是单片机对步进电机的控制，使步进电机的各种潜力和能力得到充分发挥，也使其各项性能更加符合现代技术的要求。一般步进电机控制器都是用硬件实现的，虽然电路可以实现高集成度，但是价格比较高，功能也比较简单，而且设计要求改变了，要改变整个硬件电路，比较麻烦。采用单片机软硬件结合的方式进行控制。利用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，灵活控制步进电机，实现其不同模式、步数、正反转、转速等的控制。如果需要改变控制要求，一般只需要改变软件来适应新的环境。而且在本设计中采用了动态扫描技术，将显示电路和键盘电路有机的结合在一起，可以实现一定的人机交流。而且 1.3 步进电机概述 步进电机又称脉冲

8、电机或步进电机，应用和发展至今已有80 年左右。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。一般来说，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机向设定的方向旋转一个固定的角度(即步进角)。你可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；同时，你可以通过控制脉冲频率来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。在无过载情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。同时，步进电机只有周期误差，没有累积误差，因此精度高。步进电机可以实现调速、快速启停、正反控制等。通过在宽频率范围内改变脉冲频率。也就是说，脉冲信号被施加到电机，并且电机转动一个步进

9、角度。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以高精度地控制旋转角度和速度。1.3.1 步进电机的应用 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种工业控制系统中。随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求量日益增加，并在国民经济的各个领域得到了应用。例如，它广泛应用于数控系统中。目前，世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的进步。我国已经能够自主研发适合我国数控机床发展的各种档次的数控系统。除了广泛应用于数控系统外，近年来，随着微型计算机的迅速发展，步进电机的控制也发生了革命性的变化。明显优势步进电机广泛应用于电子计算机的许多外围设备，如打印机、纸

10、带输送机构、读卡器、驱动轮的驱动机构和存储器存取机构等。步进电机还用于军事仪器、通讯和雷达设备、照相系统、光电组合器件、阀门控制、数控机床、电子钟、医疗设备和自动绘图仪、数字控制系统、机床控制、程序控制系统以及许多航空航天工业系统。因此，对步进电机控制的研究就显得尤为重要。1.3.2 步进电机的研发 虽然步进电机已经得到了广泛的应用，但步进电机不能像普通的DC 电机和交流电机那样常规使用。它必须由双环脉冲信号组成，功率可以使用驱动电路和其他控制系统。所以好好利用踩。电机但并不容易，涉及到机械、电机、电子、计算机等诸多专业知识。为了获得良好的控制性能，对步进电机控制的研究从未停止过，许多重要技术

11、已经实现。20 世纪 80 年代以来，由于多功能微机的出现，步进电机的控制方式变得更加灵活多样。原有的步进电机控制系统采用分立元件控制回路或集成电路，不仅调试安装复杂，而且消耗大量元器件。一旦定型，就必须重新设计电路，改变控制方案，不利于系统的改进和升级。基于单片机的控制系统通过软件控制步进电机，可以充分发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机已成为必然趋势，也符合数字化时代的发展要求。比如为了满足某些领域对高精度定位和运行稳定性的要求，出现了步进电机细分驱动技术，包括振荡器、圆形分配器控制的细分驱动、基于单片机的斩波恒流驱动、基于单片机的 DC 电压驱动等。除了上述三种步进电机驱动

12、方案，目前报道的驱动方案都是基于汇编语言或 C 语言的软件开发，通过串行或并行通信实现PC 机与步进电机控制器之间的数据通信，最终由PC 机直接控制步进。1.4 步进电机的机构和工作原理 步进电机在结构上与普通电机一样，由转子、定子和定子绕组组成。通常电机的转子是永磁体，定子绕组分为若干相。每相都有极齿，转子在轴上也有几个齿。当电流流过某一相的定子绕组时，对应的定子绕组分别形成N-S 极，产生一个矢量。磁场。这时，如果定子的小齿和转子的小齿没有对齐，磁场就会带动转子旋转一个角度，这样转子的一对磁场的方向就和定子的方向一致了。当定子的矢量磁场旋转一个角度时。转子也随着磁场旋转一个角度。脉冲发生器

13、由单片机控制产生一定频率的脉冲信号，脉冲分配器向驱动器输出一定规律的电脉冲，从而控制步进电机的转动。每输入一个电脉冲，电机就旋转一个角度再走一步。其输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电顺序，电机反转。因此，可以通过控制脉冲的数量和频率以及电机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的旋转。因此，控制电机转子的旋转，实际上就是按照一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转磁场。每个脉冲电压下，转子旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分布方式，依次切换步进电机各相绕组的电流。当提供连续脉冲时，它可以连续地步进旋转，从而使电机旋转。电机的电能转化为机械能，步进电机的电脉冲转化为特

14、定的旋转运动。图 1.1四相八拍步进电机原理图 图 1.2 四相八拍步进电机脉冲图 1.5 步进电机的分类 步进电机有很多种。从广义上讲，步进电机可分为机械式、电磁式和组合式。根据结构特点，电磁步进电机可分为三类:永磁型(PM)、反应型(VR)和混合型(HB)。按相数可分为单相、两相和多相。永磁步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5 度或 15 度；反应式步进一般为三相，可以实现大扭矩输出。踏角一般为1.5 度，但噪音和震动很大，因此在80 年代欧美等发达国家已被淘汰。混合式步进是指结合永磁体和反应式步进电机的优点，分为两相和五相。两相步进角一般为1.8 度，五相步进角一般为

15、0.72 度。目前广泛使用的是反应式步进电机和混合式步进电机。(1)可变磁阻(VR)VR 的转子由软磁材料制成，转子中没有绕组。其结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能差。有两种类型的反应式步进电机:单级和多级。(2)永磁步进电机(PM)永磁步进电机的转子由永磁材料制成，转子本身就是磁源。转子的极数与定子相同，所以一般步距角比较大。它具有输出转矩大、动态性能好、功耗低(与无功型相比)等优点，但起动和运行频率低，需要正负脉冲电源。(3)混合式步进电机(HB)混合式步进电机结合了电抗式和永磁式的优点。与传统的反应式相比，混合式电机在转子上有永磁体提供软磁材料的工作点，而定子励磁只需要提供

16、一个变化的磁场，不需要提供磁性材料工作点的能量消耗，因此电机效率高、电流小、发热低。由于永磁体的存在，电机具有很强的反电动势和自身的阻尼作用，使其在运行过程中稳定、低噪音、低频振动。因此被广泛使用。1.6 步进电机的特点(1)步进电机必须驱动才能运行，驱动信号必须是脉冲信号。没有脉冲时，步进电机是静止的。如果加上一个合适的脉冲信号，它会旋转一定的角度(称为步距角)。旋转速度与脉冲频率成正比。(2)三相步进电机的步距角为 7.5 度，360 度的一圈需要 48 个脉冲才能完成，因此可以计算出步进电机。(3)步进电机具有瞬时启动和快速停止的优越特性。(4)改变脉冲的顺序可以方便地改变旋转方向。因此

17、，目前打印机、绘图仪、机器人等都是由步进电机驱动的。1.7 项目设计的意义 在某些应用中，不需要高精度的控制，但控制系统应尽可能简单，成本低，同时满足一般的工作要求。功能更全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；该系统抗干扰能力强，可靠性高。这个设计就是基于这个想法。本设计课题是基于单片机控制步进电机来设计搅拌机的速度控制系统，所以对控制精度的要求不高。需要实现搅拌机的正反转，启动加减速，并通过光学编码器或光电编码器将速度反馈给单片机，通过LED 和 LCD 显示器显示步进电机的转速和设定值。通过调节 PID，自动调节测量值与设定值的偏差，从而实现步进电机的自动加减速。第二章总体

18、方案设计 2.1 步进电机控制方案 步进电机控制方案有很多种，但主要是电子电路系统控制、PLC 可编程控制器控制、单片机控制，通过操作是否方便、程序指令和逻辑是否正确合理、步进电机加减速控制的优化、抗干扰能力、电路设计、硬件质量等指标来衡量。在本设计中，我们采用单片机控制方案。一般步进电机控制器都是用硬件实现的，虽然电路可以实现高集成度，但是价格比较高，功能也比较简单，而且设计要求改变了，要改变整个硬件电路，比较麻烦。采用单片机软硬件结合的方式控制步进电机。利用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，可以灵活控制步进电机。另外，驱动芯片 ULN2003 可以实现不同模式、步数、正反

19、转、转速等的控制。如果需要改变控制要求，一般只需要改变软件来适应新的环境，本设计采用了动态扫描技术。显示电路和键盘电路的结合可以节省单片机的端口，实现一定的人机交换，并且为了抗干扰和提高可靠性，所以本设计就是基于这种思想。2.2 基于单片机的控制 单片机控制系统是一种软硬件结合的控制方法。步进电机每相驱动电路通过单片机的外部引脚线直接控制。并通过键盘作为外部中断源，设置步进电机正转、反转、停止、加速、减速等按键，利用程序查询方式调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制。由于单片机的强大功能，可以设计大量的外围电路，外接 LCD 和 LED 显示器，显示正转、反转、加减速等状态。单片机系统通过

20、自身功能和软件编程实现脉冲的分配。2.3 步进电机驱动方案 步进电机驱动技术是指利用步进电机驱动器的驱动级来导通和关断步进电机各相绕组，同时控制绕组所承受的电压和电流的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、斩波恒流功率驱动、升压频率驱动和细分驱动。(1)单电压电源驱动 该电路在单电压驱动技术的基础上，在电枢绕组电路中串联电阻，提高电路的时间常数，改善电机的高频特性。提高了步进电机的高频响应，降低了电机的谐振，可以产生更大的电磁转矩。这种驱动方式结构简单，成本低。缺点是串联电阻的做法会造成大量的能量损失，特别是工作在高频时，所以只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。(

21、2)高低压驱动 这个电路是指无论电机的工作频率是多少，都是在导通相的前沿用高电压供电来增加电流上升沿的斜率，前沿后用低电压维持绕组的电流，即增加绕组电流的注入量来增加输出，而不是提高电路的时间常数来提高矩频性能。但采用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的交界处呈凹形，导致电机输出转矩下降。(3)斩波恒流电源驱动 斩波恒流功率驱动的设计思想是，无论在锁定、低频还是高频运行时，都要尽量使导通相绕组的电流保持在一个固定值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前应用比较广泛，效果比较好的一种电源接口。这种电源接口的特点是:高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，消除了谐振现象，

22、但电路比较复杂，所以在本设计中没有使用。(4)升压频率和升压功率驱动。为了进一步提高驱动系统的高频响应，可以采用频率提升功率驱动接口。该接口向绕组提供的电压与电机的运行频率线性相关。它的主电路实际上是一个开关电源，利用频率电压转换器将驱动脉冲的频率转换成DC 电平，并利用这个电平来控制开关电源的输入，构成一个具有频率反馈的功率驱动接口。（5）集成动力驱动 目前，用于小功率步进电机的集成功率驱动芯片有很多种。在现代电子技术中，人们经常使用集成芯片来节省更多的空间，这大大简化了逻辑电路对驱动电路的要求，提高了驱动的可靠性，使驱动过程更加简单高效。驱动方案的确定:由于本设计中使用的步进电机是小功率步

23、进电机，所以对驱动路径的数量没有太大的要求。综合考虑制造工艺方便简单、成本和电路体积等因素，本设计采用集成功率驱动方案，采用现成的集成电路作为驱动电路，选用集成功率驱动芯片 ULN2003作为步进电机的驱动芯片。2.4 总体方案设计 基于步进电机控制系统设计的搅拌机是一个有机整体，由运动控制系统和运行控制系统组成。操作系统将操作者的操作转化为运动控制系统可接受的电信号，运动控制系统据此做出响应，完成规定的动作。步进电机不能直接接工频交流或DC 电源工作，必须使用专用的步进电机驱动芯片或驱动电路，由脉冲产生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。控制单元采用单片机，驱动单元直接与步进电机耦合。2

24、.4.1 总体方案框图 基于步进电机的控制系统设计主要由五部分组成:步进控制器、驱动芯片(放大控制器输出的脉冲驱动步进电机)、步进电机、LCD/LCD 显示器和键盘。不同的控制方案，步进控制器和驱动器也有不同的类型。单片机最小系统电机驱动芯片步进电机LED/LCD显示器光码盘测速模块独立按键模块图 2.1 总体方案框图 2.4.2 总体方案的功能描述和选型 通过对其他步进电机控制系统的分析，结合设计目的，以单片机为控制器，设计了基于步进电机的搅拌机控制系统。采用单片机控制步进电机，实现了软硬件结合的控制方法。采用 ULN2003 四相八拍步进电机驱动芯片作为驱动核心，结合单片机实现对步进电机的

25、最佳控制。采用 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机作为步进电机控制器的核心计算器件，利用单片机强大的计算能力和可编程特性，实现复杂的步进电机控制功能。并且适应性强，不需要改变硬件电路，只需对软件进行必要的修改，就可以适应不同的驱动芯片和控制要求。而且可以实现人机交流，通过键盘可以改变步进电机的运行状态，各种运行状态也有相应的指示，方便操作者随时了解电机的运行状态。由单片机构成的步进电机控制系统的优点是非常明显的。系统采用并行控制，通过单片机接口线控制 ULN2003驱动芯片。单片机通过软件的控制，依次给 ULN2003 不同频率的脉冲，控制电机的正反转，从而实现加速和减速。测速模块测量

26、步进电机的运行速度，并将测量值反馈给单片机。单片机通过软件编程进行 PID 数据计算处理，使测量值无限接近设定值，并通过 LED/LCD 显示设定值和测量值。考虑各种假设后，本设计各部分的功能如下:单片机(CPU)最小系统:脉冲产生、数据处理、PID 运算。电机驱动模块:负责放大单片机发送给步进电机的信号功率，从而驱动电机工作。串口下载模块:主要负责计算机与单片机之间的通信，将计算机中编写的程序下载到单片机芯片中。显示方式:我们采用LED/LCD显示，主要显示电机速度、电机方向、系统设定速度系统。测速模块:我们主要使用的是欧姆龙编码器E6A2-CW5C 200P/R，主要检测步进电机的实际速度

27、，最后将测得的信号转换后发送给单片机。按键:采用独立按键，适合一个按键占用一条接口线，每个按键电路独立。作为外部中断源，连接到单片机的端口，通过该端口设置电机的正转、反转、加速、减速、显示设定速度等功能。第 3 章硬件设计和仿真 硬件是整个系统的平台。各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的，所以硬件设计的合理性从根本上决定了整个系统的好坏。为了充分发挥单片机的优势，实现尽可能多的功能，系统成本尽可能低，工作更可靠，操作更具交互性。硬件设计选择如下。3.1 单片机最小系统-核心 最小单片机系统是整个控制系统的核心，主要产生步进电机运行时的脉冲，进行必要的数据运算和程序处理，主要由单片机、外

28、部复位电路和晶振电路组成。本设计选用 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机作为中央处理器，与外部电路构成最小系统模块。3.1.1 单片机 AT89C51 介绍 单片机自诞生以来，种类繁多，新品种层出不穷。从INTEL最初的MCS.51和PIC系列，到最近推出的AVR、ARM等。，品种繁多，功能各异。但目前来看，51 系列的MCU仍然是众多设计中的第一，尤其是 ATMEL公司的 89 系列FLASH MCU，应用非常广泛。而且还有很多技术参考。通过对本设计所需资源的分析，选择ATMEL公司的 8 位单片机AT89C51 作为主控芯片。AT89C51 是美国ATML公司生产的低功耗、高性

29、能CMOS8 位单片机，具有 4k字节的可编程闪存。该器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术生产，兼容MCS-51 标准指令系统和引脚。单片机的可擦写只读存储器可重复擦写 1000 次。由于ATMEL的AT89C51 将多功能 8 位CPU和flash存储器结合在一个芯片上，是一个功能强大、灵活性高、价格低廉的高效微控制器。3.1.2 at89c 51 单片机的功能和特点 AT89C51 提供以下标准功能:4k字节闪存、128 字节RAM、32 个I/O端口、两个 16 位定时器/计数器、一个 5 向量两级中断结构、一个全双工串行通信端口、片内振荡器和时钟电路。同时，AT89C51

30、可降至 0Hz静态逻辑运行，支持两种软件可选的省电工作模式。空闲模式停止CPU的工作，但允许RAM、定时器/计数器、串行通信端口和中断系统继续工作。掉电模式保存RAM的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其它元件工作，直到下一次硬件复位。主要特点:(1)CPU 内核完全兼容 MCS-51 系列，具备 MCS-51 单片机的所有功能。部分(2)集成了 4K 字节的在线可编程 FlashROM，可以满足大部分系统扩展的需要，编程器更快。(3)耐久性:1000 次书写和擦除。(4)工作电压范围为 2.7-6V。(5)能在 0 24 MHz 晶振频率范围内可靠工作，加快了系统的工作速度，可用于一些高速实

31、时处理控制系统。部分(6)有 128 字节的 RAM 和两个 16 位定时器，可以存储系统运行中的数据。(7)具有六个中断源，在总体设计上完全可以满足中断系统的扩展需求。(8)可编程串行UART通道；直接LED驱动输出；低功耗空载和关断模式。图 3.1 AT89C51 引脚图 3.1.3 单片机最小系统示意图 控制系统以 AT89S51 单片机为核心，其基本模块主要包括复位电路和晶振电路。最小单片机系统的原理图如图所示。图 3.2 单片机最小系统示意图 AT89C51 的 XTAL1 和 XTAL2 引脚是振荡器高增益反相放大器的输入和输出。外部应时晶体(或陶瓷谐振器)以及电容器 C1 和 C

32、2 连接在放大器的反馈回路中，以形成并联振荡电路。外部电容器 C1 和 C2 将稍微影响振荡频率、振荡器的稳定性、启动振荡的难度和温度稳定性。复位电路由按键、电阻和电容 C3 组成。当振荡器工作时，持续两个机器周期以上的高电平 RST 引脚将复位微控制器。3.2 电机驱动模块 由于本设计采用的小型步进电机对电流和电压的要求不高，用硬件设计驱动电路的方法会使电路复杂，不便于调试。此外，使用多个部件制造成本高且不方便。并且直接使用集成驱动芯片可以使电路稳定，成本低，易于控制，所以最终本设计直接使用芯片 ULN2003作为电机驱动部分的驱动芯片。ULN2003 驱动芯片 ULN2003A电路是美国德

33、州仪器公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路。它由七个硅NPN达林顿晶体管组成。具有电流增益高(电流可达 500mA)、工作电压高(可承受 50V电压)、温度范围宽、负载能力强等特点。适用于各种要求的高速大功率驱动系统。ULN2003 由七组达林顿晶体管阵列、相应的电阻网络和箝位二极管网络组成。每对达林顿晶体管与一个 2.7K的基极电阻串联。在 5V的工作电压下，可以直接连接TTL和CMOS电路，可以直接处理原本需要标准逻辑缓冲器处理的数据。同时具备驱动七组负载的能力。它是一款单片双极型高功率高速集成电路。其结构引脚电路如图所示。图 3.3 uln 2003 结构引脚电路

34、图 3.2.2 驱动模块电路图 因为 ULN2003 工作电压高，工作电流大，填充电流可达 500mA，关断状态下可承受 50V 的电压，输出可与高负载电流并联运行。完全可以驱动一个四相八拍电机。通过单片机 I/O 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，该信号通过芯片 ULN2003 驱动步进电机。图 3.4 驱动模块电路原理图 本设计的电机驱动部分由驱动芯片 ULN 及其外围电路组成，其中 ULN2003的输出端 1C、2C、3C、4C 依次连接到一个插座上，分别连接到步进电机的四根导线上。MCU 的 P1 端口的四个引脚通过非门依次与芯片的 1B、2B、3B、4B 引脚相连。通过这

35、种连接，实现了单片机与 ULN2003 和步进电机之间的串行控制。由于 ULN2003 驱动芯片中有七个非门，需要与非门的输入端相连，所以单片机输出的脉冲信号不会发生变化。在这里，ULN2003 芯片相当于继电器。当单片机的脉冲到来时，通过依次改变步进电机各相的导通来控制步进电机的运行。3.3 独立按键模块 键盘根据不同的情况选择不同的模式。这里用的是独立键，包含前进档、倒档、加速、减速、停止五个功能。与单片机的P2.0、P2.1、P2.3、P2.4 引脚相连，用于信号输入。因为是独立键，所以键的另一端普遍接地，在低电平“0”期间触发键盘启动脉冲。除了考虑是否有触发电平外，有必要在图中显示关键

36、电路。图 3.5 独立键盘电路 3.4 显示模块 因为设计需要LCD/LED显示，所以这部分显示模块采用了LCD显示和数码管显示。(1)LCD(液晶)显示模式 采用点阵液晶显示。单片机P0 接LCD的数据口作为数据口，LCD的VSS接地，VCD接高电平，命令数据线RS接P2.6，读写控制线R/W接P2.5，使能线E接p2.7，当命令数据线RS为 1 时，D0 D7 显示RAM数据；RS为 0 时，D0 D7 写数据；当R/W为 1 时，为读取模式；当R/W为 0 时，为写模式；当E从 1 变为 0 时，D0 D7 上的数据写入LCD。图 3.6LCD显示电路图 （2）LED(数码管)显示模式

37、LED显示模式有两种驱动方式:共阴极和共阳极。本设计采用普通阴极结构。在共阴极连接中，共阴极连接到低电平(通常接地)。当阳极是高电平时，相应的段被点亮。此外，显示器需要一个外部限流电阻，这会导致LED烧毁。同时显示方式采用静态显示，可以在每次显示输入后保持显示不变。只有当要显示的数字需要改变时，其数字显示的锁存容量才会更新。因为它是 4 段数码管，所以使用了四个 74LS164 串行输入和并行输出移位寄存器。接线原理如图所示。图 3.7 LED显示模式接线图 3.5 速度测量模块 由于光电编码器和编码器的测速原理相同，都是将旋转位移转换成一系列数字脉冲信号，传送给单片机，所以本设计采用了编码器

38、，提高了测量精度，其输出接单片机 P3.5 引脚。如图，是本设计编码器的实际图片。图 3.8 编码器物理图 3.6 总体示意图 通过对各个模块的梳理，再结合芯片数据，完成相应模块的硬件设计。在对上述单片机最小系统、LCD/LED 显示模块、电机驱动模块、电机测速模块和键盘模块进行设计和论证后，完成了整个硬件设计。系统的总体原理图见附录。第四章软件设计 4.1 系统功能设计 软件的主要功能是根据设定的转速实现单片机对步进电机的自动加减速控制，并通过LCD和LED显示步进电机的运行参数。其具体职能如下:当按下前进键时，步进电机正转；当按下反转按钮时，步进电机反转；当按下停止按钮时，步进电机停止运行

39、；键盘可用于输入所需的设定值。输入参数后，LCD/LED显示所需的步数和步进电机的运行状态。单片机根据输入的设定值判断是否需要加减速启动。当输入的步数小于5 r/min时，步进电机以最低速度5r/min运行。当输入的步数大于5 r/min时，步进电机从最低速度5 r/min开始加速。当步数仍大于5 r/min时，步进电机以设定的最大速度25 r/min恒速运行。当步数小于25 r/min时，步进电机开始减速。当速度降低到5 r/min时，步进电机以设定的最低速度5 r/min运行。4.2 主程序设计 流程图的设计遵循自上而下的原则，即从主体开始逐步细分各个模块的流程。在流程图中梳理清楚设计师的

40、控制流程。该程序主要由键盘程序、步进电机驱动程序、LCD/LED 显示程序和测速程序组成。主程序首先初始化所有变量，步进电机驱动的各个管脚输出一个高电平，然后进入待机状态，等待相应的操作输入。然后调用键盘程序，做出判断。如果按键被按下，调用键盘处理程序。流程图中详细描述了各种模式和方式的不同处理。4.2.1 主程序工作过程(1)系统初始化。系统初始化包括功能初始化、定时器 T1 初始化、步进电机工作状态初始化和 LCD/LED 初始化。步进电机初始化状态为低速正运行，数码管显示的步数为+5 r/min。(2)键盘扫描和按键处理。判断按键是否被按下，如果是，则进行按键处理。按键功能包括上下键、开

41、始键、停止键、前进键、后退键和复位键。(3)速度调节。根据输入的转速，判断是否需要自动调速。4.2.2 主程序流程图 主程序流程图如图 4.2 所示。整个控制系统的主程序工作流程简单反映在图中。图 4.1 主程序流程图 4.3 驱动流程图 由于本设计采用四相八拍步进电机，单片机产生的脉冲按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A和反方向D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D开启步进电机，通过改变各相的延时时间来调节步进电机的转速。开始程序初始化LED/LCD 初始化自动加、减速程序键盘扫描按键判断？按键程序处理NY 图 4.2 驱动脉冲产生流程图 4.4 键盘流程图 在这个设计中，按键的

42、一端接地，另一端连接到MCU的相应端口，所以当按键被按下时，MCU的相应端口的电平降低。所以编程时判断按键在低电平有效。流程图如图所示。图 4.3 按键流程图 开始设置脉冲个数延时返回脉冲数是否够？NY给入步进电机输出高电平延时输出低电平第五章调试与总结 调试是工程验证中不可或缺的一步。调试主要是指软硬件结合。调试的目的是检查软件和硬件的设计是否符合设计要求，能否达到预期的效果。如果达不到要求，就要更换软硬件。5.1 软件调试 本设计软件主要通过Proteus软件进行调试，这与其优秀的仿真特性是分不开的。所设计的程序可以在Proteus中使用。在完成仿真过程的同时，基本验证了所设计程序的正确性

43、，从而完成了系统开发中控制程序的设计部分。我们需要注意本设计软件的调试:（1）四相八拍步进电机能否正常启动、运行、加速、减速。（2）LED/LCD显示屏是否能按设计要求显示。（3）关键模块设计是否合理，电机控制是否有效。（4）电机是否能实现自动加减速。（5）电机转速上限和下限的设定是否满足电机的要求。（6）在测速模块中，采用的计算是否准确。通过 Proteus 软件的仿真，程序达到了预期的效果，并通过仿真实现了程序软件的调试过程。如图，是 LCD 软件的调试结果。图 5.1 软件模拟图 U1C1C2C3X100LCD1R2RP1U2RP25.2 硬件调试 硬件调试时，将设计好的程序下载到物理硬

44、件上，连接电路。为防止硬件损坏，硬件上电前要检查电路，包括检查芯片的焊接方向，检查芯片的引脚有无短路和短路。在上述检查无问题的情况下，通电，通电后检查电机是否正常运行，以实现设计要求的功能；如果不是，断电后检查电路连接问题。本设计应注意硬件调试:（1）通电后电机以最小5/s的速度运行，最大速度能否以25/s运行。（2）电机是否能通过按键的按下和反转来实现其功能。（3）按下加减速按钮，电机能否实现加减速。（4）当电机以一定速度运行时，电机能否实现自动加减速？（5）测速模块测量是否准确。（6）当电机达到一定转速时，电机是否会失步。（7）LCD/LED显示屏是否能准确显示，不会出现乱码。综上，设计符

45、合要求，显示符合要求，测速准确。具体的物理调试如图所示。图 5.2硬件调试图 5.3 总结 通过为期五周的智能仪器课程设计。最后，完成了基于单片机设计的搅拌机(步进电机)速度控制系统的软硬件研究与设计。通过本次设计，可以加深我们对单片机控制系统的理解。将所学的理论知识应用于实践。在这个课程设计中，虽然我们每个人都有明确的分工，但整体上我们是一个团队。在这个团队中，每个人负责的部分很重要，关系到整个设计的成败。这是因为我们在团队意识上有很强的团结精神。从开始查阅资料到最后的硬件调试，都需要讨论协商，确定最终的方案。这是一个相互学习的过程。通过系统的设计，达到了预期的设计目标，完成了所有的设计任务

46、。具体功能如下:整个系统的硬件设计和软件编程已经完成，可以通过键盘电路控制步进电机的速度控制，实现启动、正转、反转、加减速的控制，最小转速为 5 rpm，最大转速为 25 rpm。通过编程，用单片机输出的四相八拍脉冲控制序列控制步进电机，并用 LCD/LED 显示。在这次设计仿真中，我们使用了仿真软件Proteus7 和编译软件 keil4.0，这对我们的设计进度有很大的帮助，也让我更加熟练的掌握了这两个软件。终于感受到老师这么长时间的指导了！参考 1传友，小斌，I.传感技术与系统设计M.:科学，2004 年。许道。传感器与检测技术M。电子工业，2004。3杜仁。传感器原理及应用技术。:电子科

47、技大学，2003。4奥松电子。DHT11 指令.奥松.金。单线数字温度传感器的原理及应用J.电子技术应用，2000。6由孙岚编辑。数据采集与处理M。:能源，1987 年。褚亮，编。数据采集系统及其装置M。技术大学，1988 年。8欢迎来到新的一年。单片机原理、应用及接口技术。:国防工业。9郭天祥。单片机新概念 51 C 语言教程。:电子行业。10蔡主编。单片机课程设计。:华中科技大学。11王小明。电机的单片机控制。航空航天大学。12易纲。杰。MCS-51 单片机的原理及应用。:哈尔滨工业大学。2008。13贾振国，徐琳。智能仪器原理与应用:水利水电.2011.1 14尤德，涂世良，智英。单片机

48、原理、应用及实验(C51 版)复旦大学 15石智能仪表设计基础(第 2 版):电子工业.2012.9 16广飞、娄然淼、胡、等。单片机课程设计实例指导。:航空航天大学.2014.10 17凌雨华。单片机原理及应用系统设计。:中南大学.2006.2。18简海、大伟、凯、狄。数字PID 控制器在温度控制系统中的应用J 电子测量技术2009 年 4 月 19贾生。电机原理与拖动基础M。:邮电大学，2006 年。20马淑华，王，梅元。单片机原理与接口技术M。:邮电大学，2007 年。附录 A:步进搅拌机速度控制系统设计硬件原理图 LCD 显示部分:LED显示部分:附录 B:搅拌机速度控制系统源程序(步

49、进电机)LCD 显示部分:#include/包含头文件，#include#define uint unsigned int/预定义它#定义 uchar 无符号字符#定义数据端口 P0#define BUSY 0 x80/常量定义 void 显示()；/LCD 延迟子程序 void LCD _ wait(void)；/LCD 初始化子程序 void init LCM(void)；/LCD 检测忙子程序 void writecommandcm(uchar wcl cm，uchar busyc)；/向 ICM 子功能写入指令 void WriteDataLCM(uchar wd LCM)；/将数据写

50、入 LCM 子功能 void DisplayOneChar(uchar X，uchar Y，uchar DData)；/显示指定坐标的字符子函数 void DisplayListChar(uchar X，uchar Y，uchar code*DData)；/在指定坐标显示一串字符子函数 无效延迟(uint t)；void init_timer()。void PID _ cal()；uchar 码 FFW8=0 x01，0 x03，0 x02，0 x06，0 x04，0 x0c，0 x08，0 x 09；/四相八拍前向编码 uchar 代码版本8=0 x09，0 x08，0 x0c，0 x04，