单片机接口及C程序设计实习指导书.docx
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单片机接口及C程序设计实习指导书
广东机电职业技术学院自编教材
《单片机接口及C程序设计实习》指导书
查鸿山、李建波、万加福主编
李建俊、高立新主审
计算机与信息工程系
智能电子教研室
2007.12
注意事项
一严禁光脚或穿拖鞋进入实训室，实训指导教师发现，可以命令其离开实验室，并登记旷课；
二严禁随意开合电源开关：
实验时，合上电源开关前必须知会有关实训指导教师；实训告一段落、操作完毕、讨论问题、离开岗位或实验结束时，必须断开电源；一旦发生事故，实训教师或其他同学应立即断开实验室总电源，迅速抢救或拨打120急救电话，事后记录发生原因、追究当事人责任。
三实训前应知事项
1、实训前必须了解本次实验内容
2、进入实训室前，必须上交实训预习报告
3、班级安排的值日生提前10分钟进入实验室，协助实训管理教师检查设备是否齐全，并签字；如果设备不齐全，请记录，否则下个班级值日生清点，发现缺少了设备，由本次实验班级负责赔偿。
四实训中
实训为带电设备，时刻注意桌面清理，防止实验电路板短路。
人为原因引起电路板烧毁、实验芯片烧毁或仪器损坏，由进行实验的人员按价赔偿。
所以实习前，仔细检查实验用品是否良好，分清责任；
五实训结束
1、各组成员进行桌面清洁、按规定摆放键盘鼠标椅子等；
2、每个学生必须独立完成实验报告。
3、值日生协助教师，检查各组设备是否齐全，关窗锁门，并签字。
目录
注意事项2
综合设计1步进电机的控制4
1设计任务4
2设计原理4
3编写程序11
4结论12
综合设计2电机转速测量与显示13
1设计任务13
2设计原理13
3编写程序16
4结论16
综合设计1步进电机的控制
1设计任务
1、按键控制步进电机
2、制定串口协议，由PC机控制步进电机
3、通过定时器中断实现PWM脉宽调制，控制步进电机转速
2设计原理
2.1步进电机
步进电机是常见的一种控制电机。
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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
一个基于单片机的步进电机控制系统。
本设计要求以8051系列单片机为CPU核心，由单片机按一定的模式向电机驱动器发送控制指令，驱动器对指令译码后控制和驱动电机工作，实现对电机转速、方向的控制。
（一）反应式步进电机原理
由于反应式步进电机工作原理比较简单。
下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1、结构：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：
2、旋转：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て
这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。
如按A，C，B，A……通电，电机就反转。
由此可见：
电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。
甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出：
电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……（m-1）/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩：
电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力
F与（dФ/dθ）成正比
S
其磁通量Ф=Br*S
Br为磁密，S为导磁面积
F与L*D*Br成正比
L为铁芯有效长度，D为转子直径
Br=N·I/R
N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。
力矩=力*半径
力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）
因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
（二）感应子式步进电机
1、特点：
感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。
因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。
一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。
（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。
例如：
四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=
D=
.
一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。
2、分类
感应子式步进电机以相数可分为：
二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。
以机座号（电机外径）可分为：
42BYG（BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。
3、步进电机的静态指标术语
相数：
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
2.2驱动控制系统组成
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：
1、脉冲信号的产生。
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
2、信号分配
感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：
二相四拍为
步距角为1.8度；二相八拍为
步距角为0.9度。
四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,（步距角为0.9度）。
3、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。
平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：
说明：
CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）
OPTO 接CPU+5V
FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作
DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转
VCC 直流电源正端
GND 直流电源负端
A 接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B 接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线
步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。
步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。
电压对力矩影响如下：
4、细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
3编写程序
3．1程序编写与调试
要求分别以汇编语言和C语言编写以下程序
（1）按键控制电机驱动、停止、加速、减速、正转、反转
（2）串口实现PC机控制电机
（3）控制定时器延时控制电机转速
3.2绘制电路图
Protel原理图并生成PCB图，条件允许的情况下可制版。
4结论
通过综合设计，可以学习步进电机的工作原理，系统掌握中断和串行通信在单片机控制中的应用，掌握应用C程序编写单片机接口程序的一般方法。
综合设计2电机转速测量与显示
1设计任务
设计出测量电动机转速、转动圈数，并显示的仪器。
2设计原理
2.1转速概念
电气控制中常常遇到电机控制问题。
给直流电机加载直流电，电机就会转动。
改变电压的正负可以改变电机的转动方向，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转；改变电压的高低可以改变电机的转速，电压高则转动速度快，电压低则转动速度慢。
转速是工程上的一个常用参数。
转速通常以每秒种或每分钟的转数来表示，因此单位为r/s或r/min。
有时也用角速度表示，这时的单位相应为rad/s。
2.2、电机转速的测量方法
单片机能够处理二进制数字信号，而电机的转速是物理量，非电量信号，需要中间电路把转速转换成单片机可以处理的信号。
传感器是把外界信号转换成电信号的器件，是检测和控制系统中最关键的部分，在当代科学技术中，传感器占据了及其重要的地位。
目前，集成技术在传感器技术中的成功应用，使传感器小型化、长寿命和低成本，是现代传感器的发展方向之一。
霍尔器件是一种磁传感器，是半导体材料制成的一种薄片，它是一种磁敏感器件，当它处于磁场中时，会产生电动势。
在垂直磁场平面方向上施加外磁场、在沿平面上加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的的两个侧面之间产生霍尔电势，霍尔电势的大小和外磁场以及电流大小成正比。
用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHz），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。
取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。
按照霍尔器件的功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量。
按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:
直接应用和间接应用。
前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。
本实习传感器部分采用磁钢和44E型霍尔开关器件，引脚1接电源（电压4.5V~24V），引脚2接地线，引脚3接为数字信号输出端接单片机。
将磁铁用一定手段放置在电机转动轴上（钻孔或502胶水），调整霍尔元件位置，使满足磁铁与霍尔元件最近距离在5mm左右。
这样当电机转动时，转动轴带动磁铁转动，产生变化的磁场；在变化磁场作用下，霍尔元件产生变化的电动势；与磁铁距离远时霍尔元件的数据引脚为高电平变化。
当接近时引脚由高电平变为低电平，为下降沿，利用外部中断0，下降沿中断请求，可以实现数据加1。
2.2、数据处理
数据处理部分采用单片机。
电机转动时产生变化的磁场，霍尔元件与磁铁超过一定的距离时其数据引脚为低电平，霍尔元件与磁铁在一定的距离范围内其数据引脚为高电平（有效距离大约5mm）。
一定时间（比如1秒）内脉冲的个数，即为转速。
2.3、电机转速的显示
显示部分采用8位数码管，2位显示速度、5位显示圈数，分割符“”用一位，例如“１２－３４５６７”。
3编写程序
3.1主程序部分————————负责显示转速；
3.2外部中断初始化——————负责外部中断中断方式设定；
3.3定时中断初始化——————负责外部中断中断方式设定；
3.2外部中断0服务程序————负责每次中断加1功能；
3.3定时器0中断服务程序———负责1秒的定时；
4结论
通过综合设计，可以学习控制系统的前向通道测量、后向通道显示、CPU数据处理，进而为电机控制以及其他单片机应用系统打下基础。
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