wifi的场测量系统空间定位与传感器指向机构软件(附件)
在电磁场与电磁波、声学、光学、热力学等学科的科学研究与教学中，经常需要对上述信号场进行测量。为了方便准确地进行场测量，本课题研究一种基于WIFI的场测量系统。该系统包括多自由度的空间定位与传感器指向机构、基于WIFI的信号传输及测量控制系统。本部分是空间定位与传感器指向机构的控制系统软件部分。
对于空间场信号的测量，需要解决在三维空间中对于测量点和测量角度的确定问题。在这里我们选用了步进电机，通过步进电机的运行来实现三维空间的测量、定位。
借助Keil 发平台，选用C语言完成对伺服系统各功能模块相应的程序的编写,具体有控制单元主程序、驱动信号的输出、键盘显示模块的输入输出及外部中断等。在Proteus 7.0与Keil联合仿真环境下，对各功能模块及整个系统进行仿真研究。
关键词 步进电机，定位，测量，仿真
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题选题的背景和意义 1
1.2 前人在本选题研究领域中的工作成果简述 1
1.3 本选题研究的主要内容和重点 2
2 步进电机概述 3
2.1 步进电机及其发展 3
2.2 步进电机的种类 4
2.3 两相混合式步进电机的工作原理 7
2.4 控制原理及控制系统分类 8
2.5 混合式步进电机的驱动方式及方案的确定 10
2.6 本研究的控制原理 11
2.7 技术路线 11
3 步进电机控制器 12
3.1 步进电机的定位控制 12
3.2 步进电动机伺服控制器的软件实现 15
4 步进电机伺服控制器的仿真及实物调试 19
4.1 步进电机伺服控制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
器的模拟仿真简介 19
5 结论与展望 23
5.1 结论 23
5.2 展望 24
致谢 25
参考文献 26
附录一： 28
附录二： 28
1 绪论
1.1 本课题选题的背景和意义
伺服系统，可以说它是在自动控制领域中一个特别重要的控制系统。随着科学技术的发展,伺服系统在现代工业、军事等领域发挥着日益重要的作用。对我们的生活、军事都产生了很大的影响。
我们所说的步进电机伺服系统，其实是用来精确地跟随或者复现某个过程的一种控制系统。而步进电机伺服系统则是由电机本体、驱动器和控制器来组成的。它们是密不可分的三个组成部分[1]。当步进电机选定之后,系统的性能是由驱动器和控制器的品质来决定。伴随着电子信息技术和自动化操作的不断发展,以单片机为控制器的步进电机伺服控制系统得到广泛应用。
本论文利用了步进电机的运行来完成三维空间的定位和测量工作。使用42BYGH101型号的两相混合式步进电机，设计一款伺服控制器，它能够用来实现速度调节、换向设定、启/停设定等功能，由此实现对场的测量工作。本文的研究具有一定的现实意义，也为智能伺服系统的设计提供了借鉴作用。
1.2 前人在本选题研究领域中的工作成果简述
经历了很多年的发展与改良，在步进电动机的控制方式中，最常用到的是开环步进驱动技术。除此之外，还有升频升压控制技术，恒流斩波控制技术，微步进细分控制技术以及位置、速度反馈控制技术。对于如何实现步进电机的精确定位和稳定的运转，他们大多由控制方式和步进电机驱动器的方面来研究分析[2]。例如闭环控制方式的运用，通过反馈保证步进电机的性能；还有的使用细分驱动器，将控制环节做出细分，改变其步距角以此来加强精确定位。这些方式，也能完成步进电机要求的精确性，但设备仪器的成本却也随之大提高，对于那些小型的设备仪表，这些方式就不合适使用了。 步进电机主要功能是由控制系统来实现的。目前最常见的是以下三种方法，由此方法完成对步进电机的控制和驱动：专用芯片；单片机；DSP。
1.2.1 专用芯片步进电机控制系统
目前技术条件下，想完成对步进电机的控制，使用专用芯片依旧是我们市场的主要方式。高性能集成化的专用芯片比比皆是，其中较为出名的有下面几种芯片：
(1)MC3479，它是由一家美国公司：MOTOROLA研制的专用IC，利用了双极方式驱动，特别适合二相混合式步进电机的使用。
(2)UC3770，它是由UNITRODE公司研制而成，是一种全桥驱动IC，使用了恒流斩波来操控，特别适合低功率步进电机 。
(3)STK672-020，它是由日本三洋公司研制的，是一种专业的芯片，并在其内部有一个环形分配器。特别适合四相步进电机的使用。
(4)HA13532T，它由日本日立公司研制而成，该芯片是一种高性能PWM集成芯片 ，一般适合三相混合式步进电机的使用。
(5)TB6560，它是由东芝公司研制出的。它具有低功耗、高集成的特点，是一种两相混合式步进电机驱动芯片。此外还有很多专用芯片，就不在不再一一陈述了。
1.2.2 单片机步进电机控制系统
伴随微处理器技术的高速发展，单片机凭借其超高的价格优势，在实现步进电机控制中它的使用正在成为一种潮流[3]。单片机的使用已经是越来越多，分布也越来越广泛。步进电机，它本来就是一种离散型的自动化执行元器件，根据接收到的控制脉冲来完成电机的运转。故而它更加可以利用单片机及嵌入式系统来操控它的运转。和专用芯片相比较，单片机具有更加全面的能力，依靠单片机去实现步进电机的控制运转，可以拥有更高的灵活性，相对而言更加容易去完成对步进电机的高难度的操控。
1.2.3 DSP 步进电机控制系统
DSP(数字信号处理器)是电机完成全数字控制的核心[4]。很多的生产开发商都研制出了很多款芯片，全都是分别针对不同电机进行控制的。DSP正在飞速发展，凭借其超高的计算能力、低廉的价格优势和亲和的研发环境等优点，目前一步步成为工程开发人员的新爱。利用数字信号处理器来完成对步进电机的操控具有很大的优势以及发展潜力。
1.3 本选题研究的主要内容和重点
本论文利用了步进电机的运行来完成三维空间的定位和测量工作。重点是完成对步进电机的控制和运转，在研制中，我们利用开环控制的方法，设计的首要目标就是42BYGH101型两相混合式步进电机。打算以单片机作为核心，依靠单片机实现对步进电机的控制,使它能实现启/停、速度调节和改变方向等能力，此外还利用了液晶显示器对运行状态进行同步显示，时刻能看到电机的运转情况，包括其方向和转速。利用操作步进电机的运转去完成空间定位工作和空间测量工作，主要研究内容有：
(1)根据所选两相混合式步进电机的工作原理及性能指标，选择其伺服控制器的设计方案，采用模块化设计方法完成各功能模块的硬件电路设计。
(2)借助Keil开发平台，选用C语言完成对伺服系统各功能模块相应的程序的编写,各个模块分别是控制单元的主程序、键盘模块以及显示模块，还有外部中断等内容。
(3)在Proteus 7.0与Keil一起仿真的环境下，分别各功能模块和整个系统进行联合仿真调试，并依据仿真的情况，硬件电路和软件程序进行全面的调试和检查,直到达到研究目的的要求。
(4)在结果理想的环境下，再使用Protel，并且依靠它来绘制系统的硬件电路的PCB图。然后分析42BYGH101型两相混合式步进电机，设计一种适合它的伺服控制器，及时的进行设计调试运行和改进工作。
3.1.1 位移控制和三维空间定位
1 绪论 1
1.1 本课题选题的背景和意义 1
1.2 前人在本选题研究领域中的工作成果简述 1
1.3 本选题研究的主要内容和重点 2
2 步进电机概述 3
2.1 步进电机及其发展 3
2.2 步进电机的种类 4
2.3 两相混合式步进电机的工作原理 7
2.4 控制原理及控制系统分类 8
2.5 混合式步进电机的驱动方式及方案的确定 10
2.6 本研究的控制原理 11
2.7 技术路线 11
3 步进电机控制器 12
3.1 步进电机的定位控制 12
3.2 步进电动机伺服控制器的软件实现 15
4 步进电机伺服控制器的仿真及实物调试 19
4.1 步进电机伺服控制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
器的模拟仿真简介 19
5 结论与展望 23
5.1 结论 23
5.2 展望 24
致谢 25
参考文献 26
附录一： 28
附录二： 28
1 绪论
1.1 本课题选题的背景和意义
伺服系统，可以说它是在自动控制领域中一个特别重要的控制系统。随着科学技术的发展,伺服系统在现代工业、军事等领域发挥着日益重要的作用。对我们的生活、军事都产生了很大的影响。
我们所说的步进电机伺服系统，其实是用来精确地跟随或者复现某个过程的一种控制系统。而步进电机伺服系统则是由电机本体、驱动器和控制器来组成的。它们是密不可分的三个组成部分[1]。当步进电机选定之后,系统的性能是由驱动器和控制器的品质来决定。伴随着电子信息技术和自动化操作的不断发展,以单片机为控制器的步进电机伺服控制系统得到广泛应用。
本论文利用了步进电机的运行来完成三维空间的定位和测量工作。使用42BYGH101型号的两相混合式步进电机，设计一款伺服控制器，它能够用来实现速度调节、换向设定、启/停设定等功能，由此实现对场的测量工作。本文的研究具有一定的现实意义，也为智能伺服系统的设计提供了借鉴作用。
1.2 前人在本选题研究领域中的工作成果简述
经历了很多年的发展与改良，在步进电动机的控制方式中，最常用到的是开环步进驱动技术。除此之外，还有升频升压控制技术，恒流斩波控制技术，微步进细分控制技术以及位置、速度反馈控制技术。对于如何实现步进电机的精确定位和稳定的运转，他们大多由控制方式和步进电机驱动器的方面来研究分析[2]。例如闭环控制方式的运用，通过反馈保证步进电机的性能；还有的使用细分驱动器，将控制环节做出细分，改变其步距角以此来加强精确定位。这些方式，也能完成步进电机要求的精确性，但设备仪器的成本却也随之大提高，对于那些小型的设备仪表，这些方式就不合适使用了。 步进电机主要功能是由控制系统来实现的。目前最常见的是以下三种方法，由此方法完成对步进电机的控制和驱动：专用芯片；单片机；DSP。
1.2.1 专用芯片步进电机控制系统
目前技术条件下，想完成对步进电机的控制，使用专用芯片依旧是我们市场的主要方式。高性能集成化的专用芯片比比皆是，其中较为出名的有下面几种芯片：
(1)MC3479，它是由一家美国公司：MOTOROLA研制的专用IC，利用了双极方式驱动，特别适合二相混合式步进电机的使用。
(2)UC3770，它是由UNITRODE公司研制而成，是一种全桥驱动IC，使用了恒流斩波来操控，特别适合低功率步进电机 。
(3)STK672-020，它是由日本三洋公司研制的，是一种专业的芯片，并在其内部有一个环形分配器。特别适合四相步进电机的使用。
(4)HA13532T，它由日本日立公司研制而成，该芯片是一种高性能PWM集成芯片 ，一般适合三相混合式步进电机的使用。
(5)TB6560，它是由东芝公司研制出的。它具有低功耗、高集成的特点，是一种两相混合式步进电机驱动芯片。此外还有很多专用芯片，就不在不再一一陈述了。
1.2.2 单片机步进电机控制系统
伴随微处理器技术的高速发展，单片机凭借其超高的价格优势，在实现步进电机控制中它的使用正在成为一种潮流[3]。单片机的使用已经是越来越多，分布也越来越广泛。步进电机，它本来就是一种离散型的自动化执行元器件，根据接收到的控制脉冲来完成电机的运转。故而它更加可以利用单片机及嵌入式系统来操控它的运转。和专用芯片相比较，单片机具有更加全面的能力，依靠单片机去实现步进电机的控制运转，可以拥有更高的灵活性，相对而言更加容易去完成对步进电机的高难度的操控。
1.2.3 DSP 步进电机控制系统
DSP(数字信号处理器)是电机完成全数字控制的核心[4]。很多的生产开发商都研制出了很多款芯片，全都是分别针对不同电机进行控制的。DSP正在飞速发展，凭借其超高的计算能力、低廉的价格优势和亲和的研发环境等优点，目前一步步成为工程开发人员的新爱。利用数字信号处理器来完成对步进电机的操控具有很大的优势以及发展潜力。
1.3 本选题研究的主要内容和重点
本论文利用了步进电机的运行来完成三维空间的定位和测量工作。重点是完成对步进电机的控制和运转，在研制中，我们利用开环控制的方法，设计的首要目标就是42BYGH101型两相混合式步进电机。打算以单片机作为核心，依靠单片机实现对步进电机的控制,使它能实现启/停、速度调节和改变方向等能力，此外还利用了液晶显示器对运行状态进行同步显示，时刻能看到电机的运转情况，包括其方向和转速。利用操作步进电机的运转去完成空间定位工作和空间测量工作，主要研究内容有：
(1)根据所选两相混合式步进电机的工作原理及性能指标，选择其伺服控制器的设计方案，采用模块化设计方法完成各功能模块的硬件电路设计。
(2)借助Keil开发平台，选用C语言完成对伺服系统各功能模块相应的程序的编写,各个模块分别是控制单元的主程序、键盘模块以及显示模块，还有外部中断等内容。
(3)在Proteus 7.0与Keil一起仿真的环境下，分别各功能模块和整个系统进行联合仿真调试，并依据仿真的情况，硬件电路和软件程序进行全面的调试和检查,直到达到研究目的的要求。
(4)在结果理想的环境下，再使用Protel，并且依靠它来绘制系统的硬件电路的PCB图。然后分析42BYGH101型两相混合式步进电机，设计一种适合它的伺服控制器，及时的进行设计调试运行和改进工作。
3.1.1 位移控制和三维空间定位
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