步進電機控制電路板設(shè)計方案

1、步進電機控制電路板設(shè)計方案1.1 整體思路步進電機是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，步進電 機控制系統(tǒng)主要由步進控制器，功率放大器及步進電機等組成。采用單片機控制， 用軟件代替上述步進控制器，使得線路簡單，成本低，可靠性大大增加。軟件編程可 靈活產(chǎn)生不同類型步進電機勵磁序列來控制各種步進電機的運行方式。本設(shè)計是采用at89c51單片機對步進電機的控制，通過io 口輸出的時序方 波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片 uln200w區(qū)動步進電機；同時，用4 個按鍵來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管動態(tài)顯示電機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。其中，硬件設(shè)計包括at89

2、c5仰片機的最小系統(tǒng)、電源模塊、鍵盤控制模塊、步進電機驅(qū)動（集成達林頓uln2003模塊、數(shù)碼顯示（sm420361瞰碼管）模塊、測速模塊（含霍爾片 ugn3020 6個 功能模塊的設(shè)計，以及各模塊在電路板上的有機結(jié)合而實現(xiàn)。軟件設(shè)計包括鍵盤 控制、步進電機脈沖、數(shù)碼管動態(tài)顯示以及轉(zhuǎn)速信號采集模塊的控制程序，最終 實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制，并將步進電機的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示 在led數(shù)碼管上，對速度進行實時監(jiān)控顯示。軟件采用在keil軟件環(huán)境下編輯*1.2 設(shè)計目的及系統(tǒng)功能本設(shè)計的目的是以單片機為核心設(shè)計出一個單片機控制步進電機的控制系 統(tǒng)。本系統(tǒng)采用at89c5”乍為控制單元，通

3、過鍵盤實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn) 動速度的控制，并且將步進電機的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在le四碼管上。圖1-1總體設(shè)計框圖2硬件部分2.1 步進電機2.1.1 步進電機概述步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，它實 際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功 率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅(qū)動，用 途很廣。使用多相步進電動機，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖 信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分 配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）正

4、常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定 頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓 波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適 合于微機控制。2.1.2 步進電機的特性步進電機轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長 處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)出了專用的ic驅(qū)動電路，今天，在 打印機、磁盤器等的oa裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之 一?？傮w上說，步進電機有如下優(yōu)點：1 .不需要反饋，控制簡單。2 .與微機的連接、速度控制（啟停和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡單。3

5、 .沒有角累積誤差。4 .停止時也可保持轉(zhuǎn)距。5 .沒有轉(zhuǎn)向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。6 .即使沒有傳感器，也能精確定位。7 .根樨給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機也有自身的缺點：1 .難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩2 .不宜用作高速轉(zhuǎn)動3 .在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。4 .超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。2.1.3永磁步進電機的控制原理在本設(shè)計以常用的永磁式步進電機為例，用單片機控制步進電機。圖 2-1是 cz-2801型永磁步進電機的外形圖，圖2-2是該電機的接線圖。圖2-1 cz-2801型永磁步進電機外形圖圖2-2 cz-2801型永磁步

6、進電機接線圖從圖中可以看出，電機共有四組線圈，四組線圈的一個端點連在一起引出， 這樣一共有5根引出線。要使用步進電機轉(zhuǎn)動，只要輪流給各引出端通電即可。 將com端標(biāo)識為c,只要ac、bc或/ac、/bc,輪流加電就能驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)， 加電的方式可以有多種，如果將com端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極 管），將a、b或/a、/b輪流接地。不難設(shè)計出控制電路，因其工作電壓為12v,因此用一塊開路輸出達林頓驅(qū)動器（這里用uln2003關(guān)于uln2003等在后面介紹）作為驅(qū)動，通過p1.0、p1.3 來控制各線圈的接通與切斷。開機時，p1.0、p1.3均為高電平，依次將p1.0、p1.2 （或

7、p1.1、p1.3反向）切換為低電平即可驅(qū)動步進電機運行。如果要改變 電機的轉(zhuǎn)動速度只要改變兩次接通之間的時間。改變轉(zhuǎn)速，只要改變p1.0、p1.2（或p1.1、p1.3反向）輪流變低電平的時間即可達到要求，因為不會影響到其 他功能的實現(xiàn)，這個時間可以用延時來實現(xiàn)，。這里以定時的方式來實現(xiàn)。下面首 先計算一下定時時間。按要求，最低轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/分，而上述步進電機的步距角為7.5 ,即每48個脈沖為1周，即在最低轉(zhuǎn)速時，要求為 960脈沖/分，相 當(dāng)于62.5ms/脈沖。而在最高轉(zhuǎn)速時，要求為 100轉(zhuǎn)/分，即48000脈沖/分， 相當(dāng)于12.5ms/脈沖?？梢粤谐鱿卤恚罕?-2步進電機轉(zhuǎn)速與定

8、時器定時常數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)速單步時間（ms）th0tl02062.51f02159.5238095229b62256.8181818233742354.347826093c592452.08333333448025504c02648.0769230852ec2746.296296359552844.642857145f499313.44086022cf9c9413.29787234d0209513.15789474d0a19613.02083333d1209712.88659794d19b9812.75510204d2149912.62626263d28b10012.5d30表中不僅計算出了 th0和

9、tl0,而且還計算出了在這個定時常數(shù)下，真實的 定時時間，可以根據(jù)這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。表中th0和tl0是根據(jù)定時時間算出來的定時初值， 這里用到的晶振是12.000m。有了上 述表格，程序就不難實現(xiàn)了，使用定時/計數(shù)器t0為定時器，定時時間到后切換 輸出腳即可。2.2步進電機控制系統(tǒng)的組成步進電機控制系統(tǒng)共分為五個模塊：單片機最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、 數(shù)碼顯示模塊、測速模塊、步進電機驅(qū)動模塊。1 .單片機最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機系統(tǒng) 提供可靠復(fù)位，使單片機能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機 個功能部件都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)

10、，有條不紊地一拍一拍地工作。2 .鍵盤控制模塊包括方向控制鍵、加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機 的p2.0、p2.1、p2.2和p2.3相連。實現(xiàn)對步進電機的控制。并且鍵盤上連接有 發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。3 .數(shù)碼顯示模塊采用共陰極數(shù)碼管來動態(tài)顯示步進電機的實際轉(zhuǎn)動速度。利 用i/o 口為數(shù)碼管的com端提供低電平。二號單片機的p1 口提供數(shù)碼管的段選信 號，p2.6和p2.7控制數(shù)碼管的位選信號。4 .測速模塊采用開關(guān)霍爾片對安放在步進電機轉(zhuǎn)盤上的小磁片的磁信號進行 檢測，步進電機轉(zhuǎn)盤每次帶動小磁片經(jīng)過霍爾片時，具都將有脈沖信號從霍爾片 輸出。單片機外部中斷口對信號進行采集。5 .

11、步進電機驅(qū)動模塊選用七個npn±林頓連接晶體管uln200吻步進電機提 供脈沖信號，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機的p1.0 p1.3相連。6 .電源模塊是通過將市電220v轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2v和直流5v分別供給驅(qū)動模塊 和單片機模塊。2.2.1 單片機最小系統(tǒng)at89c51單片機優(yōu)點：超低功耗超強抗干擾，超強抗靜電輸入輸出口多，最多有40個i/o速度快，1個時鐘/機器周期，可用低頻率晶振2.2.2 鍵盤控制電路鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人 工干預(yù)單片機的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機 械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作

12、用。一個電壓信號在機械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5- 10ms兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動 前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸 出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵按下與否。在本設(shè)計中，高電平表示按 鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否， 還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合 時，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。消 除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消

13、抖電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計 中沒有采用，在此不再詳細敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其 原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認該鍵電 平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有鍵按下，從 而消除了抖動的影響。其原理圖如圖 2-3所示：圖2-3鍵盤控制模塊原理圖2.2.3 led數(shù)碼顯示電路發(fā)光二極管led是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極 管類似。led數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的 1種新型顯示器件。在單 片機系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。led數(shù)碼顯示器是1種由led發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用 了 8個le

14、d發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點。le躁碼 顯示器有兩種連接方法：(1)共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極， 使用時公共 陽極接+5v,每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。 當(dāng)陰極端輸入低電平 時，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入高電平時則不點亮。(2)共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公共 陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極端輸入高電平 時，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入低電平時則不點亮。在本設(shè)計中所采用的是共陰極 led數(shù)碼顯示器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4所示:共朋 ？圖2-4 led數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖16這里

15、用四位一體數(shù)碼管 sm420361k型號：sm420361k-12p類別：4位一體共陰規(guī)格：長x 寬 x 高-30.1 x 14.1 x 7.3mm管腳標(biāo)號：12-9-8-6 公共腳、a-11、b-7、c-4 d-2、e-1、f-10、g-5、dp-3在本設(shè)計中采用數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，數(shù)碼顯示電路通過交替向p2.6和p2.7 輸出低電平，使得與這兩個端口連接的數(shù)碼管公共端交替為低電平，從而為數(shù)碼 管提供導(dǎo)通回路，通過對交替時間的控制實現(xiàn)數(shù)碼管在視覺上的不間斷顯示。通 過p1 口輸出段選信號，控制了數(shù)碼管顯示的內(nèi)容。如圖 2-5所示：2.2.4 測速電路介紹開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用開關(guān)型霍爾

16、傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具 有兩組對稱的施密特整形電路。圖 2-6是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件ugn3020勺功 能圖及輸出特性。uoj-u。 bp bop圖2-6 ugn3020功能特性曲線對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的s極接近傳感器的端面所形成的b值為正值。由圖2-6看出，當(dāng)b=0時，v0為高電平；當(dāng)外磁場增至bop寸，輸 出v0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由 bopw至brp時，輸出v0由低電平反向， brp 被稱為釋放點。對于 ugn3020 bop=0.022t brp=0.016

17、5t vol=80- 150mv voh=4v工作電壓為4.5v24v。ugn3020t組成轉(zhuǎn)速計探頭。i刻f頭由霍爾元件 ugn302m磁鋼組成測量電路。將具有10個齒的圓盤固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。 當(dāng)圓盤齒經(jīng)過測量磁路 的間隙時，霍爾元件輸出高電平，其他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周， 電路輸出10個脈沖，脈沖經(jīng)過分頻后，用頻率計即可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。本設(shè)計采用的測速電路原理圖如下圖所示:hepi溫n3巾電 - 820j8con2i na intic520pfz e tft (h u i )5 oirr2 14 out 3 13 ou i 4 u uirr 5 n out 6

18、 10 out 7q common frlt wheeling diooes圖2-7測速電路2.2.5 步進電機驅(qū)動電路本系統(tǒng)的設(shè)計目的為了高效控制步進電機的轉(zhuǎn)動，因此需要將單片機發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進角度，才能控制步進電機轉(zhuǎn)動，我們在這里采用uln200吻步進電機提供脈沖信號。uln2003fc npn±林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路 （如 ttl,cmose pmos/nmos口大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機錘和其他類 似負載間的接口的理想器件。廣泛用于計算機，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。所有器件 有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。uln2003勺設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)ttl

19、系列兼容。它的管腳連接圖如圖2-8所示：im 1 ein?空in .1 3 匚1x4in 5 5 cin 6 edin7 7cgnd n 匚圖2-8 uln2003管腳連接圖圖2-9 uln2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要特性為：表2-3 uln2003主要特性表極限值（若無其他規(guī)定，tamb=25c）參數(shù)名稱符號數(shù)值單位輸入電壓vin30v輸入電流iin25ma功耗pd1w工作環(huán)境溫度topr-20to +85c貯存溫度tstg-55to+150culn2003k片概述與特點：uln2003e片是高耐壓、大電流達林頓陣列，由 7組達林頓晶體管陣列和相 應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時驅(qū)

20、動7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便 于驅(qū)動各種類型的負載。功率驅(qū)動電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個重要組成 部分。uln200兆片高壓大電流達林頓晶體管陣列產(chǎn)品屬于可控大功率器件。步進電機驅(qū)動電路的工作過程是：首先從p1 口輸出00000001r由于單片機 與uln200建接只用到了 p1.0p1.3,所以uln2003f單片機連接的四個管腳中每時刻只有一個管腳處于導(dǎo)通狀態(tài)（采用單拍方式對步進電機控制），其他管腳處 于斷開狀態(tài)。這樣就使得與 uln200璀接的步進電機只有一個引出端導(dǎo)通。該系 統(tǒng)驅(qū)動原理圖如圖2-10:3軟件部分3.1

21、 程序設(shè)計前期準(zhǔn)備3.1.1 程序設(shè)計平臺考慮到程序的易讀性和簡練，程序設(shè)計采用 c語言。程序編輯平臺采用 keil3.1.2 程序設(shè)計思路步進電機控制系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進電機 轉(zhuǎn)動、控制數(shù)碼管動態(tài)顯示等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實現(xiàn)。在本設(shè)計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生， 若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功 能。定時器0中斷服務(wù)程序控制步進電機的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當(dāng)前顯示的速度進行鍵盤 手動改變t0定時時間常數(shù)，設(shè)置th0和tl0的值，達到對轉(zhuǎn)速精確控制的目的; 根據(jù)轉(zhuǎn)動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達到對轉(zhuǎn)動方向控制 的目的。說明如下：1 .單片機接受鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。2 .單片機輸出脈沖信號，控制步進電機轉(zhuǎn)動。3 .單片機根據(jù)步進電機實際轉(zhuǎn)動值，控制數(shù)碼管顯示。3.2程序流程圖3.2.1 主程序流程圖步進電機控制系統(tǒng)的主程序在對整個系統(tǒng)初始化后主要完成讀鍵盤和處理鍵 盤的功能，如圖3-2所示：初始化,端口，相關(guān)參數(shù)