基于触摸屏的步进电机控制系统毕业设计说明书.docx

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基于触摸屏的步进电机控制系统毕业设计说明书

数字电子技术课程设计说明书

设计题目：

基于触摸屏的步进电机控制系统

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

数字电子技术课程设计任务书

学院（直属系）：

机械工程学院时间：

2016年1月11日

学生姓名

指导教师

设计（论文）题目

设计要求

用AltiumDesigner软件设计系统电路。

用Protues软件仿真电路。

焊接实体电路。

④编写程序使触摸屏正确显示并实现对步进电机的触摸控制。

要完成的任务

用AltiumDesigner和Protues软件设计电路并验证电路的可行性。

用Keil软件编写c语言程序并编译查看是否有语法或逻辑错误。

向实体系统中写入程序，上电运行查看效果，同时对系统和程序进行调整。

在系统实时运行过程中发现问题并加以解决。

引言

触摸屏技术在近几年来得到了较快的发展，特别是在手机制造的应用中，从传统的键盘按键控制转变成了纯触摸屏控制，这不仅可以最大化手机的显示界面，而且还让操作控制更加简便直接，大大提高了用户的使用感受。

随着其广泛的应用，又出现了电容式触摸屏，使触摸屏从电阻式的单点触控实现了电容式的多点触控，这也让触摸屏在一定程度上替代按键控制成为可能。

在很多的科幻电影中，比如《阿凡达》，我们都可以看见触摸屏的身影，它简便直观的操作方式给人留下了深刻的印象。

在触摸屏技术得到如此广泛应用的今天，我们有理由相信，使用触摸屏完全替代键盘实现对电脑的控制和各种工程控制，将是未来发展的一个大方向。

在很多工程控制中，比如医疗，对于控制的精度有很高的要求，而对于触摸屏，由于按键是由触摸屏显示虚拟出来的，没有像实体按键一样明显的分隔，容易造成误操作，也许对于手机、平板电脑这样的消费类电子产品，这样的误操作并不算什么，但在工程控制中，一次小小的误操作都可能造成无法挽回的损失。

这对触摸屏控制提出了更高的要求。

要应对以上的问题，不仅要在硬件上有技术的创新，而且在软件控制中也要引入更先进的算法，模糊控制，尽量避免误操作的发生。

本文设计的主要内容就是实现触摸屏对于步进电机的控制，模拟在机械行业的工程控制中对机械结构的精确控制，发现使用过程中出现的问题，并加以解决。

第一章电阻式触摸屏的介绍

1.1硬件介绍

ThinFilmTransistor（薄膜场效应晶体管），是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。

从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息。

目前在手机上TFT（外观如图1-1）使用最为广泛，中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕，分65536色及26万色，1600万色三种，其显示效果非常出色。

随着技术的进步，TFT不仅应用在手机上，许多智能仪表，工控人机界面也都在使用TFT取代之前的黑白屏。

图1-1手机触摸屏

1.1.1主要参数：

表1-1触摸屏的主要参数

类目

参数

模块尺寸（长*宽）

80mm*54mm

像素

320*240

颜色

26万色

驱动IC

ILI9328

触摸类型

电阻式

背光类型

LED

1.2功能介绍

2.8寸TFT模块电路共分为FPC接口电路、触摸控制电路、IO扩展电路、电源电路、TFT控制接口电路、SD接口电路等6部分。

1.2.1接口电路（见图1-2）

图1-2接口电路

1.2.2触摸控制电路（见图1-3）

图1-3控制电路

1.2.3IO扩展电路

为了节省IO资源，通过IO扩展仅需要使用8位控制器的IO口即可驱动16位数据模式，控制器的8位IO与锁存器的D0~D7连接，锁存器的输出与TFT的低8位数据口连接（见图1-4），当写16位数据时，先将16位数据的低8位送到D10~D17，此时通过控制LE管脚将数据锁存到TFT的低8位数据口，然后再将16位数据的高8位送到D10~D17，即完成16位数据送至TFT数据口的工作。

图1-4锁存器

1.2.4电源电路

由于TFT只能在3.3V电压下工作，所以当输入电压VIN为5V时，需要通过3.3V稳压IC降到3.3V电压，当输入电压为3.3V时，需要使用0欧电阻将J2短接，相当于不通过稳压IC直接给模块供电。

（见图1-5）

图1-5电源电路

1.3触摸工作原理

触摸屏结构工作时的导体层典型触摸屏的结构一般由三部分（见图1-6）组成：

两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。

触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络。

当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。

如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。

比如，在顶层的电极（X+,X-）上加上驱动电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极（X+）之间的距离关系，知道该处的X坐标。

然后，将驱动电压切换到底层电极（Y+,Y-）上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道Y坐标。

（见图1-7）

图1-6触摸屏结构

图1-7触摸屏电阻线路

计算触点的X，Y坐标具体分为如下两步：

1.通过触摸屏控制芯片ADS7843/XPT2046分别采集触点在X轴和Y轴上产生的电压数字量，（见图1-8）公式中的X值和Y值。

2．计算坐标

图1-8坐标公式

式中，X和Y分别为触点在X工作面和Y工作面上产生的电压的数字量的测量值；（X﹐Y）反映了触点在触摸屏上的坐标。

Xmin，Ymin，Xmax和Ymax分别为触摸屏上最小和最大坐标点在X轴和Y轴上产生的电压的数字量的实际测量值，它们是常量，可通过测量得到；（Xmin，Ymin）和（Xmax，Ymax）反映了触摸屏上最小、最大坐标点的坐标；W和H分别是LCD显示屏X轴和Y轴上的像素点总数，例如本2.8寸TFT，W为240，H为320；（XLCD，YLCD）为触点映射到LCD显示屏上的像素点坐标。

第二章步进电机的介绍

2.1基本介绍

步进电机（见图2-1）是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

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（即步进角）。

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。

图2-1步进电机

2.2主要分类

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。

最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。

该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。

由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。

同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

步进电机在构造上有三种主要类型：

反应式（VariableReluctance，VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（HybridStepping,HS）。

2.2.1反应式：

定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

2.2.2永磁式：

永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

2.2.3混合式：

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

2.3基本原理和构造

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。

绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。

铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。

步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

步进电机利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。

随着嵌入式系统（例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等）的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。

不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。

步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：

可变磁阻步进电机和永磁步进电机。

步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。

通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

2.4参数指标

2.4.1静态指标术语

1、相数：

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

2、拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或步进电机导电状态用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。

3、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*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）。

4、定位转矩：

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

5、静转矩：

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

2.4.2动态指标术语

1、步距角精度：

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示：

误差/步距角*100%。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步。

3、失调角：

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率：

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6、运行矩频特性：

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

7、电机的共振点：

步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

8、电机正反转控制：

当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（）时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB或（）时为反转。

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，采用小电感大电流的电机。

2.5主要特性

1、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2、步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

5、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。

转动的速度和脉冲的频率成正比。

6、三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。

7、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

8、改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

因此，打印机、绘图仪、机器人等设备都以步进电机为动力核心。

第三章单片机的介绍

3.1概述

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机（见图3-1）又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

它最早是被用在工业控制领域。

由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列单片机系统。

因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到现在基于8051的单片机还在广泛的使用。

在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。

事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

图3-1单片机

现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。

汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多。

3.2应用分类

单片机作为计算机发展的一个重要分支领域