基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制-.doc

基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制摘要 本課程設(shè)計的內(nèi)容是利用51單片機(jī)，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、兩檔速度和狀態(tài)顯示的目的，使步進(jìn)電機(jī)控制更加靈活。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片采用ULN2803，ULN2803具有大電流、高電壓，外電路簡單等優(yōu)點。利用四位數(shù)碼管增設(shè)電機(jī)狀態(tài)顯示功能，各項數(shù)據(jù)更直觀。實測結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計的要求。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)、數(shù)碼管、51單片機(jī)、ULN2803一 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路1.1 什么是步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。1.2 步進(jìn)電機(jī)的種類步進(jìn)電機(jī)分永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）、和混合式（HB）三種。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。1.3 步進(jìn)電機(jī)的特點1精度高 一般的步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積?？稍趯拸V的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反 轉(zhuǎn)控制及制動等，這是步進(jìn)電動機(jī)最突出的優(yōu)點2過載性好 其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進(jìn)電機(jī)使用在對速度和位置都有嚴(yán)格要求的場合；3控制方便 步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計算機(jī)控制帶來了很大的方便，反過來，計算機(jī)的出現(xiàn)也為步進(jìn)電機(jī)開辟了更為廣闊的使用市場；4整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單 傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進(jìn)電機(jī)后，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。1.4 步進(jìn)電機(jī)的原理圖1是一種四相可變磁阻型的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機(jī)定子上有八個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個線圈進(jìn)行反相連接，如圖中所示。八個齒構(gòu)成四對，所以稱為四相步進(jìn)電機(jī)。圖1 它的工作過程是這樣的：當(dāng)有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負(fù)相齒，而其他六個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準(zhǔn)。在圖1(a)中A相是被激勵，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個齒，與正向的A齒對準(zhǔn)。從這個位置再對B相進(jìn)行激勵，如圖1中的(b)，轉(zhuǎn)子向反時針轉(zhuǎn)過15。若是D相被激勵，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時針轉(zhuǎn)過15。下一步是C相被激勵。因為C相有兩種可能性：ABCD或ADCB。一種為反時針轉(zhuǎn)動；另一種為順時針轉(zhuǎn)動。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15。電機(jī)步長(步距角)是步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，不同的應(yīng)用場合，對步長大小的要求不同。改變控制繞組數(shù)(相數(shù))或極數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù))，可以改變步長的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計算：L360 PN式中：L為步長；P為相數(shù)；N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖1中，步長為15，表示電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要24步。1.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 混和步進(jìn)電機(jī)的工作原理 在實際應(yīng)用中，最流行的還是混和型的步進(jìn)電機(jī)。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機(jī)相同。但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵磁通平行于X軸。一般來說，這類電機(jī)具有四相繞組，有八個獨立的引線終端，如圖2a所示?；蛘呓映蓛蓚€三端形式，如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動，并且連接的極性要正確。圖3所示的電路為四相混和型步進(jìn)電機(jī)晶體管驅(qū)動電路的基本方式。它的驅(qū)動電壓是固定的。表1列出了全部步進(jìn)開關(guān)的邏輯時序。步數(shù)Q1Q2Q3Q41101021001301014011051010表1二 方案設(shè)計與論證2.1鍵盤設(shè)計該系統(tǒng)中只運用到三個控制按鈕，即 “正反”，“換擋”，“啟停”，由于按鈕較少，所以采用獨立鍵電路，這種按鍵電路的按鍵結(jié)構(gòu)相對行列式按鍵電路更簡單，更使人易懂。2.2顯示電路設(shè)計如圖2.31，采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)據(jù)與個項參數(shù)，方法簡單，容易控制，成本低。設(shè)計如下圖 P00P01P02P03P04P05P06P07P25P26P27AT89C51StcP24IN 1IN 2IN 3IN 4OUT 4OUT 3OUT 2OUT 1ULN2803abfcgdeLED1aabbcfdcegfdgeabfcgdeabfcgdehLED2LED3LED4hhhh 圖2.31 2.4驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路可分為：三極管直接驅(qū)動（圖3），采用斬波恒流驅(qū)動方式（圖2.41）和芯片驅(qū)動電路等。驅(qū)動電路的性能直接關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)走步的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。本電路采用驅(qū)動芯片ULN2803。ULN2803是一種大電流高電壓型器件，外電路簡單（圖2.42）。 圖2.41圖2.42三 電路設(shè)計3.1、設(shè)計要點和軟硬環(huán)境1、步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計要點和軟硬件環(huán)境步進(jìn)電機(jī)和普通電動機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號的控制。即步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機(jī)實現(xiàn)。硬件方法是采用脈沖分配器芯片進(jìn)行通用換相控制；而軟件方法是用單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài)，這種方法可簡化電路，降低成本。在用軟件控制時，主要設(shè)計要點如下：l 判斷旋轉(zhuǎn)方向；l 按相序確定控制字；l 按順序輸入控制字；l 確定控制步數(shù)和每一步的延時時間。由于單片機(jī)的驅(qū)動電流一般都比較小，不能直接驅(qū)動電機(jī)工作，所以單片機(jī)的I/O口輸出必須接驅(qū)動電路，即功率驅(qū)動，才得以控制電機(jī)正常工作?？刂瓶驁D如下圖所示：控制按鈕單片機(jī)AT89c51功率驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)數(shù)碼管顯示模塊（2）、相關(guān)參數(shù)設(shè)定： 這里采用四相六線步進(jìn)電機(jī)，這款步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電壓12V，步進(jìn)角為 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 個脈沖完成。其相序A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。所以其正轉(zhuǎn)控制脈沖為：01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h；反轉(zhuǎn)控制脈沖為：01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。單片機(jī)的晶振為12MHZ；（3）、系統(tǒng)電路圖： 一、單片機(jī)最小系統(tǒng)的硬件原理接線圖：1、 接電源：VCC（PIN40）、GND（PIN20）。加接退耦電容0.1uF2、 接晶體：X1（PIN18）、X2（PIN19）。注意標(biāo)出晶體頻率（選用12MHz），還有輔助電容20pF3、 接復(fù)位：RES（PIN9）。接上電復(fù)位電路，以及手動復(fù)位電路，分析復(fù)位工作原理4、 接配置：EA（PIN31）。說明原因。二、單片機(jī)內(nèi)部I/O部件：(所為學(xué)習(xí)單片機(jī)，實際上就是編程控制以下I/O部件，完成指定任務(wù))1、 四個8位通用I/O端口，對應(yīng)引腳P0、P1、P2和P3； 2、 兩個16位定時計數(shù)器；（TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1）3、 一個串行通信接口；（SCON，SBUF）4、 一個中斷控制器；（IE，IP）根據(jù)以上的方案比較與論證確定總體方案，確定硬件原理圖。原理圖如下：圖103.2主要器件資料AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器 數(shù)據(jù)保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級程序存儲器鎖定 1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線 兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路壽命：1000寫/擦循環(huán)ULN2803步進(jìn)電機(jī)控制器ULN2803是一種大電流型高電壓器件 ,步進(jìn)電機(jī)控制器。內(nèi)部電路如圖11圖11四 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1程序流程圖4.1電機(jī)是否工作正反轉(zhuǎn)顯示正轉(zhuǎn)顯示反轉(zhuǎn)是否停機(jī)是否停機(jī)處理電機(jī)速度處理電機(jī)速度停機(jī)返回開始顯示清零NYN N反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)YYY開始始程序初使化串口是否發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用子程序結(jié)束 圖4.14.2程序設(shè)計根據(jù)要求，可以將程序分為以下幾個部份：（1） 鍵盤輸入程序設(shè)計 本系統(tǒng)使用的鍵盤較少，因此采用獨立式鍵盤接口設(shè)計。獨立式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較少的場合。獨立鍵盤工作原理：通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵，處于高電平狀態(tài)，有鍵按下電平為低。在消除抖動影響上是可以采用了軟件消抖方法：在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時子程序后（約5ms），再確認(rèn)電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)真正有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)處理工作，消除了抖動的影響。 （2） 步進(jìn)電機(jī)運行步數(shù)控制程序 此方案采用單相和雙相交差通電處理方式。此方法具有運行速度穩(wěn)定，運行步數(shù)準(zhǔn)確無誤等優(yōu)點。第五章 調(diào)試總結(jié)5.1操作控制：本電路經(jīng)調(diào)試符合題目要求，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計的目的。具體操作控制方法如下：1、當(dāng)電機(jī)啟停按鈕時，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)制定默認(rèn)狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動；2、當(dāng)電機(jī)再啟停按鈕時，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；3、當(dāng)電機(jī)換擋按鈕時，步進(jìn)電機(jī)速度快速轉(zhuǎn)動；4、當(dāng)電機(jī)再換擋按鈕時，步進(jìn)電機(jī)速度緩慢轉(zhuǎn)動；5、當(dāng)電機(jī)正反按鈕時，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；6、當(dāng)電機(jī)再正反按鈕時，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；5.2 設(shè)計過程中遇到的主要問題以及解決辦法1、仿真時數(shù)碼管顯示有閃爍，在程序中多加上幾次display（）函數(shù)即可。2、步進(jìn)電機(jī)在仿真調(diào)試的時候，出現(xiàn)往返轉(zhuǎn)的情況，即不能正常轉(zhuǎn)動，PROTEUS中的步進(jìn)電機(jī)MOTOR -STEPPER，不知道具體型號，即不知道其內(nèi)部接線結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，才得以解決問題。在仿真調(diào)試成功的前提下，進(jìn)行硬件調(diào)試的時候，出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況，這是因為仿真的步進(jìn)電機(jī)和硬件的步進(jìn)電機(jī)是兩個不同的型號，不同步進(jìn)電機(jī)所允許的最快轉(zhuǎn)動速率是不同的，在設(shè)置延時程序的時間參數(shù)時，一旦超過此值，電機(jī)就不能啟動。所以硬件調(diào)試時，需要重新設(shè)置延時程序的時間參數(shù)，問題才得以解決。3、 第一次燒寫程序時燒不進(jìn)去，不知如何解決。驅(qū)動也裝好了，各方面都沒問題就是不知道問題出在哪里。5.3 心得體會步進(jìn)電機(jī)的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機(jī)實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了軟件方法，即用單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài)，這種方比采用硬件方法，即采用脈沖分配器芯片進(jìn)行通用換相控制，電路更加簡單，成本更低。在做本次設(shè)計的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，查閱這方面的設(shè)計資料是十分必要的。在這次課程設(shè)計中，我們運用到了以前所學(xué)的專業(yè)課知識，如：C語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去從未獨立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計的又一收獲。設(shè)計結(jié)束了，但是從中得到的知識會讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力的提高都會受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。此次設(shè)計更鍛煉了我的毅力，我覺得做任何事情要善始善終，不要中途放棄，只要自己認(rèn)真的去對待，再難的問題也能找到辦法解決。最后感謝張老師在我遇到困難時，給予我們的建議與鼓勵。附錄一:引用文獻(xiàn)1 何麗民，單片機(jī)初級教程，北京航空航天大學(xué)出版社；2 沙占友，王彥朋，孟志永，單片機(jī)外圍電路設(shè)計，電子工業(yè)出版社；3 童詩白，華成英，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京高等教育出版社；4 康華光，陳大欽，電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京高等教育出版社；5 黃繼昌，張海貴，郭繼忠，實用單元電路及其應(yīng)用，人民郵電出社；6 謝宜仁，單片機(jī)實用技術(shù)問答，人民郵電出版社；7 張迎新 單片機(jī)初級教程單片機(jī)基礎(chǔ)，北京航空航天大。附錄二：單片機(jī)源程序/* /*/ /* All CopyAight 2012 黃繼鵬 */ /* 南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院 */ /*/*我是分割線* P0口控制段選 p1步進(jìn)電機(jī) P2控制位選獨立鍵盤 P3.0P3.2數(shù)碼管的第一位為正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位0：正轉(zhuǎn) 1：反轉(zhuǎn)數(shù)碼管的第二位為速度標(biāo)志位 0：單八拍 1：雙四拍數(shù)碼管的第三位為開關(guān)標(biāo)志位0：關(guān) 1：開 *我還是分割線*#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint xms);/延時子函數(shù)void keyscan();/鍵盤檢測子程序void display();sbit key1=P30;/正反轉(zhuǎn)選擇 sbit key2=P31;/速度選擇sbit key3=P32;/執(zhí)行鍵uchar zx,k,sudu,bu;int n=0,m=4;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,;/數(shù)碼管顯示編碼/* 單雙八拍工作方式： * A-AB-B-BC-C-CD-D-DA (即一個脈沖,轉(zhuǎn) 3.75 度)*/ uchar code FFZ=0x11,0x33,0x22,0x66,0x44,0xcc,0x88,0x99; /反轉(zhuǎn)uchar code FFW=0x99,0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0x33,0x11; /正轉(zhuǎn)/* 單四拍工作方式： * A-B-C-D (即一個脈沖,轉(zhuǎn) 7.5 度)*/ uchar code shuangz=0x88,0x22,0x44,0x11;uchar code shuangw=0x11,0x44,0x22,0x88;/* 單四拍工作方式： * A-B-C-D (即一個脈沖,轉(zhuǎn) 7.5 度)*/uchar code danz=0x88,0x22,0x44,0x11;/uchar code danw=0x11,0x44,0x22,0x88;void main() TMOD=0x01; EA=1; ET0=1; TH0=-1000/256; TL0=-1000%256; TR0=1;while(1)keyscan();display();/if(zx=1) qudong();/if(x=0) zx=0;void keyscan()if(key1=0)/正反轉(zhuǎn)選擇delay(5);if(key1=0)k+;if(k=2) k=0;while(!key1) display();if(key2=0)/速度選擇delay(5);if(key2=0)sudu+;if(sudu=2) sudu=0;while(!key2)