河南科技學(xué)院新科學(xué)院

1、-科技學(xué)院新科學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)控制器專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程時(shí) 間：20012.04.292021.05.18完成日期：20012年05月 18日基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)任務(wù)書1設(shè)計(jì)目的與要求設(shè)計(jì)出一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器，準(zhǔn)確的理解有關(guān)要求，獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求所涉及的電路具有以下功能：（1） 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制（2） 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加速控制（3） 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的減速控制2設(shè)計(jì)容 1畫出電路原理圖，正確使用邏輯關(guān)系；2確定元器件及組件參數(shù)；3進(jìn)展電路模擬仿真；4SCH文件生成與打印輸出；5PCB文件生成與打印輸出；6系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試。

2、3編寫設(shè)計(jì)報(bào)告寫出設(shè)計(jì)的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。4辯論在規(guī)定時(shí)間，完成表達(dá)并答復(fù)下列問(wèn)題。. z-基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)控制器摘要:本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。通過(guò)單片機(jī)的I/O來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，用Ll298來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，并且使用LED來(lái)作為正反轉(zhuǎn)，加速減速控制的標(biāo)志。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) AT89S51 發(fā)光二極管 轉(zhuǎn)動(dòng) 按鍵1 引言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精細(xì)執(zhí)行元件，由于步進(jìn)電機(jī)具有控制方便、體積小等特點(diǎn)，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速開展和微型計(jì)

3、算機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，既降低了硬件本錢又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性.而且步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。由于它是用電脈沖信號(hào)進(jìn)展控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率圍通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？尚?，因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增

4、，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)主要通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)的ABCD四相輸送穩(wěn)定的有頻率的脈沖信號(hào)，完成步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)分配功能。只需要簡(jiǎn)單的編程，便可通過(guò)調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和制動(dòng)。2 總體設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)主要通過(guò)三大塊來(lái)，包括驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、狀態(tài)顯示局部和按鍵局部設(shè)計(jì)。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和加速度，從而到達(dá)調(diào)速的目的 2.1設(shè)計(jì)思路步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，其最大特點(diǎn)就是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)

5、來(lái)進(jìn)展控制，即電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定，因此適合于單片機(jī)控制，單片機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，并送給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向控制。驅(qū)動(dòng)電路采用L298芯片對(duì)信號(hào)電流進(jìn)展處理，放大。這款芯片接線電路很簡(jiǎn)單，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)功能該芯片采用15引腳封裝，具有以下特點(diǎn)：具有信號(hào)指示，轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)，具有過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)，、可單獨(dú)控制兩臺(tái)直流電機(jī)，可單獨(dú)控制一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，PWM脈寬平滑調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，采用光電隔離?？偣蚕砹宋鍌€(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的各功能控制且是迷你型66按鍵

6、，因?yàn)榇税存I比擬小巧，占用電路板面積少，可以節(jié)省空間，電路板整體性增強(qiáng)，不過(guò)對(duì)按鍵的選擇沒有什么特殊要求，只要能工作就行，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際情況隨機(jī)采取。使用發(fā)光二極管來(lái)顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)、加減速為了能看清步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)的通電情況，所以在四相步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)上分別接了發(fā)光二極管，來(lái)顯示步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)的通電情況。在單片機(jī)的I/O口接了四個(gè)發(fā)光二極管來(lái)分別顯示正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速。 2.2 設(shè)計(jì)方案框圖AT89S51電源及時(shí)鐘電路復(fù)位電路 鍵盤控制電路 狀態(tài)顯示電路 驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速標(biāo)志圖1 設(shè)計(jì)流程框圖3設(shè)計(jì)原理分析3.1 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈

7、沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其根本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-CD,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻

8、率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)展調(diào)速。3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)局部是由驅(qū)動(dòng)芯片L298及其外圍電路構(gòu)成。L298N為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，部包含4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)。其中從L298的2、3腳和13、14腳即芯片的輸出端依次按順序分別與步進(jìn)電機(jī)

9、的四根線相連。而5、6、7、10、11、12腳就依次與單片機(jī)的P2口的管腳和電源相連。狀態(tài)顯示電路的二極管分別接在各項(xiàng)上，通過(guò)這一系列的連接實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與L298以及步進(jìn)電機(jī)的串聯(lián)控制。其圖如下：RST9*TAL218*TAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE(PROG)30EA(VPP)31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P

10、0.1(AD1)38P0.0(AD0)39P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0(R*D)10P3.1(T*D)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RO)17VCC40*AT89S51GND1KR3Res21KR4Res21KR2Res21KR1Res2D1LED0D2LED0D3LED0D4LED0VCCMB1Motor StepVCCGNDVCCSENSEA1OUT12OUT23VS4IN15ENA6IN27GND8VSS9IN412ENB11IN310O

11、UT313OUT414SENSEB15L298U1L298N圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及電機(jī)3.3鍵盤電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的獨(dú)立式非編碼鍵盤來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。共有5個(gè)按鈕，其中S1是停頓按鈕，其中S2電機(jī)正轉(zhuǎn)按鈕、S3為電機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕、S4為電機(jī)加速按鈕、S5為電機(jī)減速按鈕。當(dāng)按下各個(gè)按鈕時(shí)，會(huì)執(zhí)行各個(gè)鍵的功能，當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，電路會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)。其圖如下:RST9*TAL218*TAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE(PROG

12、)30EA(VPP)31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0(R*D)10P3.1(T*D)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RO)17VCC40*AT89S51GND1KR7Res21KR8Res21KR9Res21KR10Res21KR11Res2S2SW-PBS3SW-PBS4

13、SW-PBS5SW-PBS6SW-PBVCCGNDVCC圖3 鍵盤控制電路3.4復(fù)位電路設(shè)計(jì)和時(shí)鐘振蕩電路復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，所謂手動(dòng)復(fù)位，是指通過(guò)接通一按鈕開關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用30PF的電容和一12M晶體振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式電路得到：部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳*TAL1和*TAL2外部接晶振電路器簡(jiǎn)稱晶振或瓷晶振器，就構(gòu)成了部晶振方式。由于單片機(jī)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。部振蕩方式的外部電路如下列圖所示。其電容值一般在530pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6M

14、Hz的情況也比擬多。部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比擬穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。其圖如下：RST9*TAL218*TAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE(PROG)30EA(VPP)31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P

15、1.78P3.0(R*D)10P3.1(T*D)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RO)17VCC40*AT89S5112Y1*TAL100pFC2Cap100pFC1CapGNDGND1KR5Res21KR6Res2S1SW-PBGNDVCCC6ECVCC圖4 復(fù)位電路和時(shí)鐘振蕩電路3.5 正反轉(zhuǎn)、加速、減速標(biāo)志電路設(shè)計(jì)本電路采用的四個(gè)發(fā)光二極管來(lái)顯示。分別為D5、D6、D7、D8。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)D5發(fā)光，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)D6發(fā)光，當(dāng)電機(jī)加速時(shí)D7發(fā)光，當(dāng)電機(jī)減速時(shí)D8發(fā)光。其原理圖如下：RST9*TAL218

16、*TAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE(PROG)30EA(VPP)31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0(R*D)10P3.1(T*D)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3

17、.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RO)17VCC40*AT89S51GND1KR12Res21KR13Res21KR14Res21KR15Res2D5LED0D6LED0D7LED0D8LED0VCCVCC圖5 正反轉(zhuǎn)、加速、減速標(biāo)志電路4 系統(tǒng)主程序圖系統(tǒng)分為電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)、電機(jī)加速與電機(jī)減速的幾局部組成，其主程序框圖如下圖。開場(chǎng)初始化調(diào)按鍵子程序調(diào)按鍵子程序調(diào)用正反轉(zhuǎn)子程序調(diào)用加減速子程序停頓圖5 系統(tǒng)主程序圖5總結(jié)與體會(huì)采用單片機(jī)作為控制核心，利用其強(qiáng)大的功能，把鍵盤電路和LED燈顯示電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合起來(lái)，組成一個(gè)操作方便，交互性強(qiáng)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。

18、通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成了全部的設(shè)計(jì)任務(wù)，具體功能如下：完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，能通過(guò)鍵盤電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速控制，通過(guò)編程在開發(fā)板也實(shí)現(xiàn)了功能。對(duì)個(gè)人而言，短短的三周實(shí)習(xí)使我收獲了很多東西，使自己對(duì)課本上的知識(shí)可以應(yīng)用與實(shí)際，加深自己對(duì)課本知識(shí)的更好理解，同時(shí)也鍛煉了自己的動(dòng)手能力，能夠充分地利用圖書館去查資料，能夠很好的利用進(jìn)展搜索有用資料，讓我學(xué)到了許多書本上不曾接觸到的東西，對(duì)于我以后的開展有很大的幫助，對(duì)于我以后應(yīng)用單片機(jī)打下了很堅(jiān)實(shí)的根底。通過(guò)布線和仿真，到達(dá)了對(duì)Altium Designer D*P和protu

19、s進(jìn)展比擬熟練的操作，為此我要感在這次實(shí)習(xí)過(guò)程中，對(duì)我?guī)椭艽蟮膸孜唤處?，使我了解到我理論?lián)系實(shí)踐能力的缺乏，在以后的日子里我會(huì)注重于這方面的提高，讓自己的能力全方位的提高，這也是我們以后在工作中說(shuō)明自己能力的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)1友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)M.:復(fù)旦大學(xué)，2005.2夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制M.:機(jī)械工業(yè),1998.3王鴻鈺.步進(jìn)電機(jī)控制入門M.:同濟(jì)大學(xué),1990.4袁任光,偉武.電動(dòng)機(jī)控制電路選用與258實(shí)例M.:機(jī)械工業(yè),2005.5王秀和.永磁電機(jī)M.: 中國(guó)電力,2007.6房玉明,杭柏林.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)J.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，334：6

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21、微特電機(jī),2005，(10):29-31.13 康晶.采用反應(yīng)控制的步進(jìn)電機(jī)上下壓驅(qū)動(dòng)電路J.電力電子技術(shù),2003,37(1):61-62,65. 附錄1 總原理圖圖6 總原理圖附錄2C語(yǔ)言編程如下*include*define uint unsigned intsbit zz=P32;sbit fz=P33;sbit jias=P34;sbit jians=P35;sbit stop=P36;sbit ledzz=P10;sbit ledfz=P11;sbit ledjias=P12;sbit ledjians=P13;sbit F1 = P20;sbit F2 = P21;sbit F3 = P22;sbit F4 = P23;unsigned char code FFW8=0*fe,0*fc,0*fd,0*f9,0*fb,0*f3,0*f7,0*f6; /反轉(zhuǎn)unsigned char code FFZ8=0*f6,0*f7,0*f3,0*fb,0*f9,0*fd,0*fc,0*fe; /正轉(zhuǎn)void motor_ffw();uint rate,K1,K2