步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制-課程設(shè)計(jì)

目錄第一章課程設(shè)計(jì)主旨………………..21設(shè)計(jì)內(nèi)容………………..........22設(shè)計(jì)背景………………..........2第二章課程設(shè)計(jì)背景1步進(jìn)電機(jī)……………………..22AT89C51單片機(jī)………..........438255A簡(jiǎn)介……………...........54ULN2003A簡(jiǎn)介……………..6第三章課程設(shè)計(jì)硬件電路及接線…………………..61AT89C51單片機(jī)連接及周邊電路…………..628255A并行接口電路………..73四個(gè)獨(dú)立鍵盤接線圖………..94ULN2003A電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路………………….95步進(jìn)電機(jī)接線圖……………10第四章課程設(shè)計(jì)原理圖及程序……………………101電路原理圖…………………102程序流程圖…………………113程序匯編及注釋……………124課程設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證…………………….14第五章課程設(shè)計(jì)心得……………17附錄一……………..18步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)摘要：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高且運(yùn)行可靠。它在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中起著非常重要的作用。本次設(shè)計(jì)中，采用基于AT89C51單片機(jī)為核心，包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。通過單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)，使之輸出信號(hào)進(jìn)入8255A來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，控制轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向等。并編寫正確的匯編程序，并使用仿真軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)AT89C518255A仿真課程設(shè)計(jì)主旨1.課程設(shè)計(jì)內(nèi)容：本次課程設(shè)計(jì)的要求是，實(shí)現(xiàn)利用8255的輸出來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并要求能撥動(dòng)開關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或正反轉(zhuǎn)。2.課程設(shè)計(jì)要求：提高綜合運(yùn)用于解決實(shí)際問題的能力，利用8255A并行接口微機(jī)和外設(shè)的通信，加深對(duì)8255A并行接口的理解和應(yīng)用能力，更熟練的掌握匯編語(yǔ)言根本指令和常用語(yǔ)句的應(yīng)用，體會(huì)從實(shí)際問題中抽象出模型，并利用模型解決實(shí)際問題的能力，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際動(dòng)手解決問題的能力。本實(shí)驗(yàn)要求在熟悉匯編語(yǔ)言根本和8255A工作原理的根底上，利用匯編程序輸出符合條件的脈沖信號(hào)，經(jīng)外電路放大后可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終到達(dá)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制的目的。通過本次試驗(yàn)了解步進(jìn)電機(jī)及其他類型電動(dòng)機(jī)的根本工作原理，以及根本參數(shù)和常用符號(hào)的意義，為以后的工作學(xué)習(xí)打下良好的根底。第二章課程設(shè)計(jì)背景1.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)。一般電動(dòng)機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)一步一步進(jìn)行的。每輸入一個(gè)脈沖電信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。通過改變脈沖頻率和數(shù)量，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速和控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移大小，具有較高的定位的精度，起最小步距角可達(dá)0.75度，轉(zhuǎn)動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)反響靈敏、可靠。在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理是通過它每相線圈的電流的順序切換來使用電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電路由脈沖來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，微控制器最適合控制步進(jìn)電機(jī)。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度還受驅(qū)動(dòng)功率的影響，當(dāng)脈沖的頻率大于某一值時(shí)，電機(jī)便不再轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)有以下幾個(gè)特性：①步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果參加適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。②不經(jīng)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。③改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過CPU直接來驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不采用，因?yàn)镃PU的輸出電流脈沖式特別小的，它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；另一張是通過CPU來簡(jiǎn)介驅(qū)動(dòng)，就是把CPU輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動(dòng)或是再通過光電隔離間接來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)分為機(jī)電式、磁電式及直線式三種根本類型。磁電式步進(jìn)電機(jī)主要有永磁式、反響式和永磁感應(yīng)子式3種形式。永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)有稱混合式步進(jìn)電機(jī)，是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的結(jié)合，并兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。這里著重介紹永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)〔如圖〕。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反響式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率干，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比擬好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比擬平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看做是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以做二相運(yùn)行。必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)，而反響式電機(jī)那么不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行〔A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A〕完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式。小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，未了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線〔四相〕，這樣使用時(shí)，既可以做四相電機(jī)使用，也可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)。三相電機(jī)，四相電機(jī)，五相電機(jī)等。使用?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)。不同的場(chǎng)合采用不同的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、上下壓驅(qū)動(dòng)。橫流。細(xì)分流等。2.AT89Ｃ５１單片機(jī)AT89C51單片機(jī)時(shí)把那些作為控制應(yīng)用所必須的根本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器〔CPU〕、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔ＲＡＭ〕、程序存儲(chǔ)器〔ＲＯＭ〕、并行Ｉ／Ｏ口〔４個(gè)八位Ｉ／Ｏ口〕、串行口、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能存放器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其根本結(jié)構(gòu)依舊是微處理器〔ＣＰＵ〕加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能存放器的集中控制方式，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。AT89C51單片機(jī)如下圖。引腳功能介紹：XTAL1(19引腳)：偏離振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器電路的輸出端。XTAL2(18引腳)：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。RST：復(fù)位引腳，高電平有效。EA：外部程序存儲(chǔ)器訪問允許控制端。ALE：低8位地址鎖存允許信號(hào)端。PSEN：讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)端。P0口：8位，漏極開路的雙向I/O口。P1口：8位，準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P2口：8位，準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P3口：8位，準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。3.8255A簡(jiǎn)介8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)先練的3個(gè)總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時(shí)具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程，所以必須具有邏輯控制局部，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個(gè)局部：與CPU連接局部、與外設(shè)連接局部、控制局部。8255的可編程外設(shè)接口電路具有24條輸入/輸出引腳、可編程的通用并行輸入/輸出接口電路。它是一片使用單一+5V電源的40腳雙列直插式大規(guī)模集成電路。8255A的通用性強(qiáng)，使用靈活，通過它CPU可直接與外設(shè)想連接。8255A在使用前要寫入一個(gè)方式控制字，選擇A、B、C三個(gè)端口各自的工作方式，共有三種：方式0：根本的輸入輸出方式，即無需聯(lián)絡(luò)就可以直接進(jìn)行的Ｉ／Ｏ方式。其中A、B、C口的高四位或低四位可分別設(shè)置成輸入或輸出。方式1：選通I/O，此時(shí)接口和外圍設(shè)備需聯(lián)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)，只要A口和Ｂ口可以工作在方式１，，此時(shí)Ｃ口的某些線被規(guī)定為Ａ口或Ｂ口與外圍設(shè)備的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，余下的線只有根本的I/O功能，即只工作在方式0。方式2：雙向I/O方式，只有A后可以工作在這種方式，該I/O線即可輸入又可輸出，此時(shí)C口有5條線被規(guī)定為A口和外圍設(shè)備的雙向聯(lián)絡(luò)線，C口剩下的三條線可作為B口方式1的聯(lián)絡(luò)線，也可以和B口一起做方式0的I/O線。4.ULN2003A簡(jiǎn)介ULN2003A是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，有七個(gè)硅NPN復(fù)合晶體管組成。它的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003A工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003A是大電流驅(qū)動(dòng)陣列，多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電中?？梢灾苯域?qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。課程設(shè)計(jì)硬件電路及接線AT89C51單片機(jī)連接及周邊電路單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，數(shù)字用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì)51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。使用了獨(dú)立式鍵盤，單片機(jī)的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計(jì)要求只需4個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制。晶振電路：8051單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器〔簡(jiǎn)稱晶振〕或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)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。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下列圖所示。其電容一般在5~30pf，晶振頻率的典型值為12MHz，采用6MHz的情況也比擬多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比擬穩(wěn)定，實(shí)用電路使用較多。8255A并行接口電路8255A是一個(gè)并行輸入、輸出器件，具有24個(gè)可編程設(shè)置的I/O口，包括3組8位的I/O為PA口、PB口、PC口，又可分為2組12位的I/O：A組包括A口及C口高4位，B組包括B口及C組的低4位。A口可以設(shè)置為方式0、方式1、方式2，B口與C口只能設(shè)置為方式0或方式1.其控制字應(yīng)該按如下方式設(shè)置：這是一個(gè)8位的控制字，代表的信息也很豐富。格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D01A組控制B組控制D7=1，為該控制字的標(biāo)志。B組由D2，D1，D0組成。其中D2為工作方式選擇；D1為輸入/輸出選擇；D0為C口低四位輸入/輸出選擇。如下所示：D2B口工作方式0工作方式01工作方式1表1D1輸入/輸出選擇0B口為輸出1B口為輸入表2D0輸入/輸出選擇0C口低四位為輸出1C口低四位為輸入表3在本系統(tǒng)中，僅使用8255A的B口，且設(shè)置其為輸入，故可選擇8255A的工作方式0.8255A在系統(tǒng)中的連線圖如下：四個(gè)獨(dú)立鍵盤接線圖本系統(tǒng)中，只需要用到四個(gè)控制按鈕，故可將這四個(gè)按鈕接成四獨(dú)立鍵盤的形式，這樣也滿足設(shè)計(jì)要求。該鍵盤接線圖如下所示：如上圖所示，當(dāng)四個(gè)按鈕都未被按下時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。按下電機(jī)啟停鍵時(shí)，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，默認(rèn)初始旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较颍聪路较蚩刂瓢存I后，電機(jī)反轉(zhuǎn)。速度調(diào)節(jié)那么按另兩個(gè)鍵盤，調(diào)節(jié)速度由按鍵次數(shù)決定，按鍵次數(shù)越多，速度越快。反之，依然。ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖如下：在Proteus仿真軟件中，該芯片電路連接如下列圖所示：默認(rèn)接電源地線。步進(jìn)電機(jī)接線圖在Proteus仿真軟件中，我們使用六線制步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行仿真，其與驅(qū)動(dòng)器ULN2003A的總接線圖如下：課程設(shè)計(jì)電路原理圖及程序1.電路原理圖由上述分析可得到系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)原理圖〔見附件一〕。程序流程圖根據(jù)硬件分析，可以得到軟件設(shè)計(jì)流程圖如下：開始開始初始方向設(shè)定讀取鍵盤狀態(tài)是否按鍵被按下啟動(dòng)鍵被按下方向鍵被按下速度鍵被按下啟停鍵被按下開始轉(zhuǎn)動(dòng)開始反轉(zhuǎn)停止轉(zhuǎn)動(dòng)速度增減程序匯編及注釋#include”reg51.h”bitRunState=0;bitDireflag=0;//方向狀態(tài)1，表示正轉(zhuǎn)sbitstart=P3^0;//電機(jī)啟動(dòng)按鍵sbitdirec=P3^1;//電機(jī)前進(jìn)sbitup=P3^2;//電機(jī)速度增sbitdown=P3^3;//電機(jī)速度減sbitRD-8255=P2^0;//8255讀信號(hào)，低電平有效sbitWR-8255=P2^1;//8255寫信號(hào)，低電平有效/*A0,A1,分別用來選擇A，B，C口和控制存放器*/sbitA0=P2^2;//sbitA1=P2^3;////電機(jī)正轉(zhuǎn)編碼CharcodeFFW[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};//電機(jī)反轉(zhuǎn)編碼CharcodeREV[]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//********延時(shí)函數(shù)********/Voiddelay_ms(unsignedintms){chari;While(ms--)For(i=110;i>0;i++);}//8255工作方式設(shè)置，PB為輸出，用于控制步進(jìn)電機(jī)//Voidmodeset8255(void){A0=1;A1=1;//選擇控制存放器P1=0x90;//WR_8255=0;//送出數(shù)據(jù)WR_8255=1;}//對(duì)8255PB端口輸出數(shù)據(jù){A0=1;A1=0;//選中PBP1=data;WR_8255=0;WR_8255=1;}//步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，輸入?yún)?shù)包括電機(jī)方向，電機(jī)速度voidDri(chardirection,intspeed){ chari; if(direction==1)//判斷當(dāng)前選擇電機(jī)的方向 { for(i=0;i<8;i++) { W8255_PB(FFW[i]); delay_ms(speed); } } elseif(direction==0) { for(i=0;i<8;i++) { W8255_PB(REV[i]); delay_ms(speed); } }}voidmain(void){ intSpeed=100;//電平速度控制字 ModeSet8255(); while(1) { if(start==0) { delay_ms(10); if(start==0) { RunState=~RunState; //啟動(dòng)按鍵按下，運(yùn)行標(biāo)志位置取反 while(start==0);//松手檢測(cè),其它不用加 } } if(direc==0) { delay_ms(10); if(direc==0) { DireFlag=~DireFlag; ///后退方向按鍵按下，方向標(biāo)志位為０ } }/***********速度控制，通過延時(shí)函數(shù)****************/ if(down==0) { delay_ms(10); if(down==0) { Speed+=20;//延時(shí)越高，那么步進(jìn)電機(jī)速度越慢 } } if(up==0) { delay_ms(10); if(up==0) { if(Speed>60) Speed-=10; //延時(shí)越低，那么步進(jìn)電機(jī)速度越快，但不能太低，否那么反而變慢 elseSpeed=50;// } } if(RunState==1) { Dri(DireFlag,Speed);//當(dāng)運(yùn)行位置位，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) } } }課程設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證在仿真軟件PROTEUS中，為51單片機(jī)裝載編譯完成的C語(yǔ)言文件，并開始仿真，可得到如下結(jié)果：所有按鈕都未按下時(shí)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)仿真結(jié)果如下：按下啟停鍵電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)仿真結(jié)果如下：按下速度加減