（完整版）步进电机驱动运动工作台控制系统 - 设计毕业设计

成人高等教育毕业作业

学院(函授站）： 年级专业： 层 次： 专科 学 号： 姓 名： 李晓光 指导教师：

起止时间： 年 月 日～ 月 目 录

日

1 前言 ........................................................................................................................................

2 总体方案设计........................................................................................................................

2.1 总体分析 .......................................................................................................................................

2.2 方案框图 .......................................................................................................................................

3 单元模块设计........................................................................................................................

3.1 键盘与显示模块 ...........................................................................................................................

3.1.1 模块工作原理 ...................................................................................................................

3.1.2 芯片CH452介绍 ...............................................................................................................

3.1.2.1 特点 ...............................................................................................................................

3.1.2.2 显示驱动原理 ...............................................................................................................

3.2 单片机控制单元模块电路 ...........................................................................................................

3.2.1 控制原理 ...........................................................................................................................

3.2.2 光电耦合电路 ...................................................................................................................

3.2.3 芯片参数 ...........................................................................................................................

3.3 串行通信模块 ...............................................................................................................................

3.3.1 RS232通信协议 ................................................................................................................

3.3.2 串行通信电路 ...................................................................................................................

4 电机与电气控制电路设计 ...................................................................................................

4.1 步进电机模块 ...............................................................................................................................

4.1.1 步进电机的工作原理 .......................................................................................................

4.2.2 步进电机的步距角与工作拍数 .......................................................................................

4.3.3 步进电机的频率特性 .......................................................................................................

4.2 交流电机正反转控制原理 ...........................................................................................................

4.3 交流电机的星—三角形启动 .......................................................................................................

4.4 电气元件介绍 ...............................................................................................................................

5 致谢 ........................................................................................................................................

6 参考文献 ................................................................................................................................

附录Ⅰ：单片机控制系统电路原理图设计 ...........................................................................

附录Ⅱ:电气控制原理图1 ......................................................................................................

附录Ⅲ:电气控制原理图2 ......................................................................................................

机电一体化综合课程设计

摘 要：本设计是完成步进电机驱动运动工作台控制系统的

设计，其硬件部分共包括键盘操作、单片机控制、输入电路、控制电路、显示电路等组成部分。设计的思路是精确稳定地对电机及工作台进行控制。

位置信号和按键信息通过传输线传送给单片机和键盘接

口芯片，数据经过处理，将按键信息串行方式传送给单片机，单片机通过相应的程序，向控制回路发送控制信号，进而控制工作台的动作，实现对硬件设备的控制。

关键词：键盘操作，数码管显示，单片机控制。

1 前言

机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管

理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。

本设计中提到的微机数控机床是利用单板或单片微机对机床运动轨迹进行数控及对机床辅助功能动作进行程序控制的一种自动化机械加工设备。采用微机数控机床进行机械加工的最大优点是能够有效地提高中、小批零件的加工生产率，保证加工质量。此外，由于微型计算机具有价格低、体积小、性能可靠和使用灵活等特点，微机数控机床的一次性投资比全功能数控机床节省得多，且又便于一般工人掌握操作和维修。因此将专用机床设计成微机数控机床已成为机床设计的发展方向之一。本设计中用到的步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件，具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步，具有较高的重复定位精度，并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响，因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。

本设计完成了如下要求：

（1）单片机控制系统电路原理图的设计 （2）控制系统电路印制版的绘制

（3）利用单片机编程实现两坐标系统的手动、自动和回位等运动 （4）实现两坐标工作台极限移动的保护及显示、报警

（5）设计交流电机的点动、正反转控制和星-三角形启动的电气控制原理图

（6）电气控制电路有相应的保护电路（过载、过压、欠压等） （7）熟悉机电系统常用元器件（PLC、交流电机、直流电机、步进电机）

此次 “机电一体化课程设计”设计出数控机床系统，离真正数控机床有很大差距。经过讨论，拟设计两坐标步进电机驱动运动工作台控制系统和交流电机启停的电器控制系统，单元模块包括：单片机控制电路，键盘接口电路，键盘电路，显示电路，输入电路，控制电路，PC接口电路等。设计有不足，请指正。

2 总体方案设计

2.1 总体分析

本次设计实现的是一两座标步进电机驱动运动工作台控制系统的设计。设计采用单片机对系统进行控制，单片机的包括键盘与显示的控制、与PC机的串口通讯、以及电机输入输入输出信号的控制。电机的输入信号包含报警监测，在机床边缘运用一个接近开关即可实现此目的。

2.2 方案框图

单片机作为控制的核心，一方面对机床的运动方向和位移量进行控

制，另外还将与键盘对应的位移信息显示在LED上，并实现与PC机的通信以及对报警的处理。

三相交流 继电器控制 4*8键盘 HD7279A 单片机 光电隔离 功率接口 步进电机X 8LED显示 光电隔离 功率接口 步进电机Y 串行通信 至上位即 行程开关 图2.1 总体方案设计图

3 单元模块设计

3.1 键盘与显示模块

3.1.1 模块工作原理

本单元模块电路的功能是通过对单片机编程，使当前按键信息在8个LED上显示出来，由芯片CH452来对数码管进行驱动，并对键盘进行扫描。

图3.1为八位LED电路。同一时刻，如各位选线处于选通，8位LED将显示相同字符。若要各位LED能同时显示与本位相应的字符，必须动态显示，即某一时刻，某一位的位选线处于选通，其他位选线处于关闭，同时，段码线上输出相应位要显示的段码。同时刻，8位LED中选通那一位显示出字符，另一位则熄灭。在下一时刻使下一位位选线处于选通，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。如此循环，就可使两位分别显示将显示的字符。

这些字符是不同时刻出现的，在同一时刻，只有一位显示，其他熄灭，因人眼视觉作用，只要显示间隔短，就可造成同时亮的现象。

VCC2325C2220C10.114910H3L2GNDGNDVCCADDRSEG0SEG1SEG2SEG3SEG4SEG5SEG6SEG71516171819202122R66200CH45212RSTDIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG78×124INT2726SCLSDA12345678K8图3.1 显示单元模块电路图

3.1.2 芯片CH452介绍

CH452是数码管显示驱动和键盘控制芯片。CH452内置振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、段位寻址等功能；还可进行64键扫描；CH452通过4线串行或2线串行与单片机交换数据可以对单片机提供上电复位信号。

图3.2 CH452工作原理图

3.1.2.1 特点

1、显示驱动

? 内置电流驱动级，段电流不小于15mA，字电流不小于80mA。 ? 动态显示扫描控制，直接驱动8位数码管、64位发光管LED或64级

光柱。

? 可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者BCD 译码方

式。

? BCD译码支持自定义BCD码，用于显示一个特殊字符。 ? 数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。

? 各数码管的数字独立闪烁控制，可选快慢两种闪烁速度。 2、键盘控制

? 内置64键控制器，基于8×8矩阵键盘扫描。 ? 内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路。

? 键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出。 ? 提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。

? 支持按键唤醒，处于低功耗节电状态中的CH452 可以被部分按键

唤醒。 3、外部接口

? 同一芯片，可选高速的4 线串行接口或者经济的2 线串行接口。 ? 4 线串行接口：支持多个芯片级联，时钟速度从0 到2MHz，兼容

CH451 芯片。

? 2 线串行接口：时钟速度从500Hz 到200KHz，兼容两线I2C 总线，

节约引脚。

? 内置上电复位，可以为单片机提供高电平有效和低电平有效复位

输出。

3.1.2.2 显示驱动原理

CH452对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为DIG0 至DIG7，当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。CH452内部具有电流驱动级，可以直接驱动0.5英寸至1 英寸的共阴数码管，段驱动引脚SEG6～SEG0 分别对应数码管的段G～段A，段驱动引脚SEG7 对应数码管的小数点，字驱动引脚DIG7～DIG0分别连接8 个数码管的阴极；CH452 也可以连接8×8矩阵的发光二级管LED阵列或者64 个独立发光管或者64级光柱；CH452可以改变字驱动输出极性以便直接驱动共阳数码管（不译码方式），或者通过外接反相驱动器支持共阳数码管，或者外接大功率管支持大尺寸的数码管。

CH452内部具有8 个8 位的数据寄存器，用于保存8 个字数据，分别对应于CH452所驱动的8个数码管或者8 组每组8 个的发光二极管。CH452支持数据寄存器中的字数据左移、右移、左循环、右循环，并且支持各数码管的独立闪烁控制，在字数据左右移动或者左右循环移动的过程中，闪烁控制的属性不会随数据移动。

CH452 支持任意段位寻址，可以用于独立控制64 个发光管LED 中的任意一个或者数码管中的特定段（例如小数点），段位编址顺序与键盘编址一致，编址从00H 到3FH。当用“段位寻址置1”命令将某个地址的段位置1 后，该地址对应的发光管LED 或者数码管的段会点亮，该操作不影响任何其它LED 或者数码管其它段的状态。

CH452支持64级的光柱译码，用64 个发光管或者64级光柱表示65种状态，加载新的光柱值后，编址小于指定光柱值的发光管会点亮，而大于或者等于指定光柱值的发光管会熄灭。 3.1.2.2 键盘扫描原理

CH452 的键盘扫描功能支持8×8 矩阵的64 键键盘。在键盘扫描期

间，DIG7～DIG0 引脚用于列扫描输出，SEG7～SEG0 引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入。当启用键盘扫描功能后，4线串行接口中的DOUT 引脚的功能由串行接口的数据输出变为键盘中断输出以及按键数据输出。 CH452 定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。在键盘扫描期间，DIG7～DIG0 引脚按照DIG0至DIG7 的顺序依次输出高电平，其余7个引脚输出低电平；SEG7～SEG0引脚的输出被禁止。例如连接DIG3与SEG4的键被按下，则当DIG3输出高电平时SEG4 检测到高电平；为了防止因为按键抖动或者外界干扰而产生误码，CH452实行两次扫描，只有当两次键盘扫描的结果相同时，按键才会被确认有效。如果CH452检测到有效的按键，则记录下该按键代码，并通过4 线串行接口中的DOUT引脚或者2 线串行接口中的INT#引脚产生低电平有效的键盘中断（当INTM为1 时输出低电平脉冲中断，参考5.5 节和5.6节中的说明）。

CH452 所提供的按键代码为7 位，位2～位0 是列扫描码，位5～位3 是行扫描码，位6 是40H），其中，对应DIG3的列扫描码为011B，对应SEG4的行扫描码为100B。单片机可以在任何时候读取按键代码，但一般在CH452检测到有效按键而产生键盘中断时读取按键代码，此时按键代码的位6总是1，另外，如果需要了解按键何时释放，单片机可以通过查询方式定期读取按键代码，直到按键代码的位6为0。

下表是在DIG7～DIG0 与SEG7～SEG0之间8×8 矩阵的顺序编址，既是按键编址，也是数码管段位、发光管LED 阵列以及光柱的编址。由于按键代码是7位，键按下时位6总是1，所以当键按下时，CH452 所提供的实际按键代码是表中的按键编址加上40H，也就是说，此时的按键代码应该在40H到7FH之间。

表3.1 CH452按键编址

3.2 单片机控制单元模块电路

3.2.1 控制原理

本次设计是以单片机为核心进行设计的。在整个单片机控制系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是控制系统最关键的器件。本系统中选用与MCS-51系列完全兼容的AT89C52单片机，AT89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。

89C52的P2口输出的矩形脉冲信号直接控制步进电机的正反转，两台电机需4个控制信号，一根信号线备用。工作台上行程开关的检测信号经光电隔离器件后送到单片机，这样可以实现单片机与电机工作电路的隔离，起到了抗干扰和保护的作用，也有3个备用。工作台工作时的指示灯则由P14-P17和T0、T1控制，分别用于提示操作人员工作台是在哪个坐标上朝哪个方向运动。

12345678101112131415430PC330PC4P10P11P12P13P14P15P16P17RXDTXDINT0INT1T0AT89C51T1XTAL2P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27ALE5319VCCR252K3.3KR10R91K241K653VCCPFIMRGNDRESTWDIWDOPFO7685R262KP06U6R36200R272KP07U7R37200P05U5R35200PSENXTAL1RDEAWRRST3938373635343332212223242526272830291716R242KP04U4R3420012345678DriverINPUVCCR212KP01U1R31200U2P02R32200U3P03R33200R222KY112MR232KOUTPUTVCCU1A1P127407U2A1P137407U3A1P147407U4A1P157407U5A1P167407U6A1P177407222222R411KR421KR431KR441KR451KR461K12345678 1

图3.2 单片机控制单元模块电路

3.2.2 光电耦合电路

电机的那个输入信号先经光电耦合器后送至单片机处理，这是由于步进电机的大功率、高电平会对单片机产生较严重的干扰，不能直接把单片机产生的控制信号直接连在步进电机上，需要进行强弱电隔离。在实际运用中，对于强弱电隔离一般采用电子开关方法或光电隔离的方法，在这里我们采用光电隔离的方法，如图3.3所示。光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)集成在一起，通过光线实现耦合构成电--光和光--电的转换器件。

+5VR1R2274AHC1G14474041A2HONGWAI 图3.3 光电耦合电路 3.2.3 芯片参数

本次使用的单片机AT89C52是美国ATMEL公司生产COMS8位单片机，如图3.5基本外围电路图所示。

参数如下：8k Flash闪速，256字节RAM，32个IO，3个16位定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双通信口，并有省电模式。

图3.4 AT89C52基本外围电路图

AT89C52的内部逻辑框图如图3.6所示

图3.5 AT89C52的内部逻辑框图

(3)控制引脚：

此类引脚提供控制信号，有的引脚还有复用功能。 (4)IO口引脚：

P0口：双向8位三态IO口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

P1口：8位准双向IO口，可驱动4个LS型TTL负载。

P2口：8位准双向IO口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。

P3口：8位准双向IO口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。除此之外，P3口还有第二功能，如表3.2所示：

表3.2 P3口的第二功能

3.3 串行通信模块

串行通信有很多种，目前较常用的有RS232、RS422和RS485，根据本设计的实际情况，RS232串行通信可以满足要求，232电平与TTL电平的转换使用已广泛使用且效果良好的MAX232芯片。 3.3.1 RS232通信协议

（1）RS-232C标准介绍

串行通信接口标准中，RS-232C是目前最常用的一种串行通信接口。RS-232C标准的全称是EIA-RS-232C标准，该标准对串行通信的连接电缆和机械、电气特性、信号功能以及传输过程都进行了明确的规定，适合于数据传输速率在0-20kbs范围内的通信。

（2）RS232C中的引脚定义和电气特性

RS-232C中定义了20根信号线，使用25芯D型连接器DB25实现，后来为了简化串口的线路连接，出现了9芯D型连接器DB9，DB9引脚的分布和信号说明分别如图3.6和表3.3所示。

图3.6 DB9连接器引脚定义 表3.3 DB9连接器信号说明

引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号缩写 DCD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS 方向 输入 输入 输出 输出 输入 输出 输入 说明 数据载波检出 接受数据 发送数据 数据终端准备好 信号地 数据准备就绪 请求发送 允许发送 9 RI 输入 振铃提示 RS-232C标准的电气特性参数有带3-7KΩ时驱动器的输出电平、输出开路时接受器的输出逻辑、输入经300Ω接地时接收器的输出逻辑和驱动器转换速率等。不同于传统的TTL等数字电路的逻辑电平，RS-232C的逻辑电平以公共地为对称，其逻辑“0”电平规定在+3V-+25V之间，逻辑“1”电平规定在-3V—25V之间，因此需要使用正负极性的双电源供电。

本设计采用MAX232芯片实现单片机和上位机之间电平的转换，而且该芯片本身对电流具有一定的泵升的作用，因此广泛应用于串行通信中。 3.3.2 串行通信电路

RS-232C接口电路包括RS-232C接口电平转换部分和RS-232C总线连接部分。RS-232C标准的逻辑电平与TTL电平之间的转换用MAX232芯片实现，单片机的TXD、RXD分别连到MAX232的T2in、R1out端。在RS-232C的总线连接上采用最简单的三线连接模式，即连接DB9的TXD、RXD和GND三端。

VCCC50.10.1C6S?21V+C1+VCCGNDT1OUTC1-R1INC2+R1OUT56780.1C2-V-T2INR2OUTMAX232T1INR2INT2OUT161514131211910162738495J?DB9340.1C7C8 图3.7 RS-232C接口电路

4 电机与电气控制电路设计

4.1 步进电机模块

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。

图4.1 三相反应式步进电机工作原理图

4.1.1 步进电机的工作原理

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。

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，每送一励磁信号可走1.8 度。若欲以1 相

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