基于单片机的步进电机运行控制系统设计论文

基于单片机的步进电机运行控制系统设计论文内容摘要：

步进电机驱动电路组成 12 图 2 4 步进电机驱动电路 由驱动系统的硬件控制图可以看出 ,单片机只是根据需要轮流给 , 端口发送步进脉冲来控制电机运行 ,则三相六拍的系统控制模型如附表所示 :在程序中 ,只要依次将 6个控制字送到 P1 口 ,步进电机就会转动一个齿距角。 每送一个控制字 ,就完成一拍 ,步进电机就转过一个步距角。 表 2 1 三相六拍的系统控制模型 液位信号的获取与放大 传感器选用细则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在 进行某个量的测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。 测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1. 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行 — 个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。 因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触 式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 13 2. 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。 因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。 但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。 因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串扰信号。 3. 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不 失真的测量条件，实际上传感器的响应总有 — 定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 4. 线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。 以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。 传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。 在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。 当所要求测量精度比较低 时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5. 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。 影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。 因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 6. 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。 传感器 的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。 这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。 自制传感器的性能应满足使用要求。 对获取的 液位信号 进行 放大 本系统要检测液位值，可选用液位传感器来检测液位值。 并对 检测的模拟信号经过 差动放大器处理。 差动放大器的基本电路如图 2 5 所示。 图 2 5 差动放大器的基本电路 图 2— 5 所示是差动放大器的基本电路。 两个输入信号 U1 和 U2 分别经 R1 和 R2 输入到运算放大器的反相输入端合同相输入端，输出电压则经 RF反馈到反相输入端，电路中要求 R1=R2， RF=R3。 14 差动放大器的输出电压可由下式确定，即： UOUT=（ U2－ U1） RF／ R1 差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。 共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号，理想的差动放大器队共模输入信号的 放大倍数为零。 在差动放大器中温度的变化和电源波动都相当于共模信号，因此能被差动放大器所抑制，可使差动放大器零点漂移最小。 来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号。 它们也会被差动放大器所抑制，所以说差动放大器的抗干扰能力极强。 模、数转换单元 ※ 模拟量转换成数字量（ A/D 转换）是计算机与外部环境进行联系的主要方式之一。 当计算机用于工程控制、实时数据采集等方面时，现场检测的模拟信号必须通过 A/D 转换变成数字量，送入计算机处理。 A/D 转换器的性能常用以下指标来衡量。 A/D 转换的转换精度常用分辨率和其他误差组成。 转换精度 =分辨率 +其 误差 A/D 转换的分辨率是指输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。 常以A/D 输出的二进制或 BCD 码的位数来表示。 如标明为位二进制数输出的 A/D 转换器，可将模拟电压分为 2n 个量化单位，每个量化单位为 1△。 例如，一个 10 位 ADC，当基准电压为5V 时，它的一个量化单位（分辨率） 1△ =210 5=。 其他误差包括非线性误差、零点误差、满刻度误差等，一般小于 VREF／ 2 2N。 当然， A/D 转换器得精度是有一 定条件的，若环境温度和电压情况恶劣，转换误差将明显增高，有可能超过器件所标明的转换精度。 A/D 转换速度取决从输入模拟信号到获得稳定的数字信号所需的时间，不同的 A/D 转换电路转换速度不一样。 如前面所述， A/D 转换最快的是并行式，其次是逐次比较式，最慢的是积分式。 A/D 转换器常由传感器、传输线、信号调理电路提供模拟信号。 许多情况下，工作于恶劣的电磁干扰中，故抗干扰能力往往成为选择 A/D 转换的一个重要依据。 就最普遍存在的工频干扰而言，双积分 A/D 的抗干扰能力是非常优秀的。 ※ 在选择 A/D 转换器时，除了要注意以上提到的 A/D 转换器的性能指标如：分辨率，转换精度，转换速度，抗干扰能力等；还要注意其输入模拟电压的范围，输出特性等。 例如，输出是二进制还是 BCD 码，有无转换结束信号，输出是否具有三态输出缓冲， A/D 转换的启动信号是电平信号还是脉冲信号等，掌握这些特性以便 A/D 与单片机接口。 ※ 在微机的控制的系统中，往往要检测和处理多个参量，而微机运行速度快，模拟量的变化速度 慢，为了简化系统结构，又能用一台微机处理多个参量，采用 多种含有逻辑控制多路开关的 A/D 转换器 ADC0809 将模拟 量转换成数字量。 ADC0809 芯片的内部结构及 引脚 功能 多通道 A/D 转换器 ADC0809 是一个 8 通道模拟量输入、 8 位数字量输出的，逐次逼近 15 A/D 转换器，由三部分组成，第一部分是一个 8 通道多路模拟开关和地址锁存、译码器，任务是选择并锁存由 ADDC、 ADDB、 ADDA 取值确定的、 8 个通道之一的模拟量的通道地址，并将该通道的模拟量 送入 A/D 转换器。 第二部分是一个逐次逼近型转换器，它由比较器、控制逻辑、逐次逼近寄存器、开关树及 256R 梯型解码网路组成，它的功能是启动转换起、按逐位逼近法完成模数转换 、协调转换过程中各种操作和发出转换结束信号。 第三部分是输出缓冲锁存器，它锁存着模数转换结束后的 8 位数字量，等待 CPU 发出命令将它读出。 ADC0809 主要的特性如下： ①分辨率 8 位； ②最大不可调误差小于 1LSB； ③单一 +5V 电源，输入模拟电压范围为 0—5V； ④具有锁存控制的 8 路模拟开关； ⑤功耗 15mW； ⑥不必进行零点和满度调整 ； ⑦可锁存三态输出，可与大多数的 8 位微处理器接口； ⑧转换速度取决于 芯片的时钟频率。 当时钟频率范围为 101280kHz 示，由外部时钟提供；当时钟为 500kHz 示， 转换速度为 128us。 ADC0809 的引脚如图 2 6 所示： 图 2 6 引脚功能如下： ▲ IN7—IN0:8 路模拟量输入端。 ▲ D7—D0:8 位数字量输出端。 ▲ START:A/D 转换启动信号，在此端输入一个正脉冲， A/D 转换开始。 ▲ ADDC、 ADDB、 ADDA：用于选择 8 路模拟通道的地址线。 ADDC ADDB ADDA 通道 0 0 0 0 通道 0 0 1 1 通道 0 1 0 2 通道 0 1 1 3 通道 1 0 0 4 通道 1 0 1 5 通道 1 1 0 6 通道 1 1 1 7 通道 ▲ ALE：地址锁存信号。 此信号的上升沿，将 ADDC、 ADDB、 ADDA 存入地址所存器。 16 ▲ EOC：转换结束信号，转换开始时 EOC=0， 转换结束时 EOC=1。 ▲ OE:输出允许信号，当 OE=1 时，打开伞态输出门。 ▲ CLOCK：时钟信号。 ▲ VREF（ +）、 VREF():参考电源正负端，一般（ +）接 +5V，（ ）接地。 ▲ VCC：电源电压 +5V。 ▲ GND：地。 ADDC、 ADDB、 ADDA 输入的通道地址在 ALE 有效时被锁存。 启动信号 START 启动后开始转换，但是， EOC 信号是在 START 的下降沿到来 10us 后才变为无效的低电平。 这要求查询程序待 EOC 无效后再开始查询，转换结束后由 OE 产生信号输出数据。 LED 显示接口技术 七段 LED 显示器简介 LED 显示器是由 8 个发光二极管构成。 其中， 7 个 LED 构成 7 笔字型， 1 个 LED 构成小数点（故有时称为八段显示器）如图所示 LED 显示器有两大类产品，一类是共阴极接法，另一类是共阳极接法，前者是高电平点亮，后者是低电平点亮。 七段 LED 显示器显示原理很简单，只要控制其中各段 LED 的亮与灭迹可显示相应的数字、字母或符号，控制七段 LED显示器进行显示信息称为七段码，如表 2—1 所示为共阴极接法的七段码。 (a)结构 (b)共阴极接法 (c)共阳极接法 图 2 7 七段码显示器的结构及接法 表 2— 2 七段码（字形码）表 显示字符 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 七段码 dp g f e d c b a 0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 1 0 0 0 0 0 1 1 0 06H 2 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH 3 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH 4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 5 0 1 1 0 1 1 0 1 6DH 6 0 1 1 1 1 1 0 1 7DH 7 0 0 0 0 0 1 1 1 07H 8 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH 9 0 1 10 1 1 1 1 1 6FH 17 A 0 1 1 1 0 1 1 1 77H B 0 1 1 1 1 1 0 0 7CH C 0 0 1 1 1 0 0 1 39H D 0 1 0 1 1 1 1 0 5EH E 0 1 1 1 1 0 0 1 79H F 0 1 1 1 0 0 0 1 71H P 0 1 1 1 0 0 1 1 73H U 0 0 1 1 1 1 1 0 3EH H 0 1 1 1 0 1 1 0 76H . 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 空白 0 0 0 0 0 0 0 0 00H LED 显示接口 动态显示：静态显示的亮度高，占用 CPU 的时间短，但它的成本高。 为了简化硬件电路，降低成本，在单片机应用系统中常采用动态稍描的方法，解决多位 LED 显示的问题。 动态稍描显示的硬件接口简单，只需一个 公共的七段码输出口（字形口），一个选择显示为的数位选择口（字位口 ），显示时，从左到右轮流点亮每位 显示器，只要保证稍描周期不超过一定的限度（一般在 20ms 以下）由于视觉的暂留，则可达到“同时”显示各位不同的数字或字符的目的。 动态显 示的优点是硬件。