计算机控制技术课程设计

计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统1摘要本设计详细介绍了基于单片机的四相步进电机控制系统。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，因此，单片机通过向步进电机发送控制信号就能实现对步进电机的控制。单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，该系统采用80C51 单片机作为主控芯片，来完成对步进电机转动及 LED 显示的控制。 本设计主要由单片机 80C51，4 相步进电机，7 段数码管及一些其他相关元件设计而成，分为按键选择工作状态模块、步进电机工作模块、LED 二极管显示工作状态模块以及 4 位数码管显示步数模块。可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起，同样由开关来选择工作模式。运转时，用 4 位 7 段数码管来输出步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。 电路结构简单，设计思路清晰，同时利用 KEIL 和 Proteus 进行联调仿真，结果比较直观。仿真结果收到了预期的效果。 关键字：四相步进电机、单片机、PROTEUS 仿真 计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统21 设计任务及要求设计一个四相步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：用 SW11-SW13 作为通电方式选择键，SW11 为四相单四拍， SW12 为四相双四拍，SW13 为四相八拍；SW14 为启动/停止控制、SW1 方向控制；用 4 位 LED 数码管显示工作步数。用 3 个发光二极管显示状态；正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。2 方案论证2.1 设计思路与方案本次设计是一个对于四相步进电机的控制系统，而单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，此系统选用 51 单片机即可。 根据要求整个设计大体可分为四块：一是 5 个按键 SW11-SW13 将用户所需来选择步进电机的工作状态。我们将开关连入单片机的 P1 口，通过按键开关的高低电平状态来读入我们所需的控制信号。硬件上直接把开关分别接在单片机的接口上，通过查询端口信号来动作，将控制信号处理。 二是 3 个 LED 发光二极管的显示步进电机工作状态模块。在设计要求中步进电机正转是红灯亮，反转是黄灯亮，停止不转是绿灯亮。设计中将 3 个发光二极管分别接到单片机 P3 口受到单片机的输出信号控制。 三是步进电机的工作模块。要想步进电机按照我们想要的方式运转，将步进电机一端接到+12V 的电源，一端接到单片机 P3 口，受单片机的输出信号控制。四是 4 位数码管显示步数的模块。设计中主要是利用软件编程的算法来实现步数的累计和显示，同样，4 位数码管接到单片机的 P0 口和 P2 口受单片机输出信号的控制，在硬件上使用的是动态显示的接法。 由此可知所需要设计一个系统，可以通过不同按键来选择步进电机的工作方式，且有 LED 发光二极管来显示电机对应的工作状态，除此之外还能在数码管上显示出步进电机转动的步数。2.2 总体设计框图此系统主要由单片机、步进电机、步数显示模块、工作状态控制与显示模块组成。整体框图如图 1：计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统3图 1 系统整体框图3 系统实现的原理说明3.1 步进电机控制工作原理3.1.1 步进电机的工作原理步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。如图 2 所示，开始时，开关 SB 接通电源，SA、SC、SD 断开，B 相磁极和转子 0、3 号齿对齐，同时，转子的 1、4 号齿就和 C、D 相绕组磁极产生错齿，2、5 号齿就和 D、A 相绕组磁极产生错齿。 当开关 SC 接通电源，SB、SA、SD 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 1、4 号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 0、3号齿和 A、B 相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。依次类推A 、B、C、D 四相绕组轮流供电 则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。 8 0 C 5 1 单片机核心控制L E D 数码管显示步数模块步进电机工作模块按键选择工作状态模块L E D 显示工作状态模块计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统4四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。图 2 步进电机工作原理图3.1.2 步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴，使步进电机的转轴不能自由转动。3.1.3 步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为四相八拍，即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。 3.2 步数显示模块原理步数显示模块和工作状态显示模块，都是通过单片机输出信号控制发光二极管 LED 的亮灭。其中步数显示模块中 LED 构成数码管，要求显示 4 位十进制数故用到 4 位数码管。要控制多位的显示电路，需要有字段控制和字位控制。控制方式分为静态显示方式和动态显示方式。静态显示方式，每一位的显示器都需要配一个 8 位输出口来输出该字位的七段码，需要片外扩展输出口。而动计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统5态显示方式将各数码管的对应字段的引脚都并联在一起，线路简单，减少接口，不需片外扩展。这里选用动态显示方式。4 硬件设计4.1 系统总原理图图 3 系统总原理图根据设计要求用 PROTEUS 所做的硬件连线图如图 3。4.2 各部分硬件原理图设计4.2.1 单片机控制模块单片机选用最经典的 80C51，其 4 个 I/O 口都要用到，P3 接步进电机驱动XTAL218XTAL119ALE3031PSN29RST9P0./AD0390.1/138P0.2/AD2370.3/336P0.4/AD4350.5/534P0.6/AD630.7/732P2.7/A1528P2.0/A8212.1/92P2./A10232.3/124P2.4/A12252.5/13262.6/1427P1.011.2P1.231.34P1.451.56P1.671.78P3.0/RXD103.1/T1P3.2/INT0123./IT113P3.4/T014P3.7/RD173.6/W163.5/T115U180C51C115pfC215pfX1CRYSTALD1LED-REDD2LED-YELOWD3LED-GREN +5VSW1SW-SPDTSW1SW-SPDTSW13SW-SPDT14SW-SPDT2345678 1RP1RESPACK-723456781RP2RESPACK-71SW-SPDT+5V+5V+8.M1MOTR-BLDCM+12V+5V单 四 拍双 四 拍启 动 /停 止正/反 转 正 传反 转四 相 八 拍停 止计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统6电路及工作状态显示模块，P0 和 P2 分别接步数显示中对数码管的字段控制及数码管片选，P1 接工作状态控制电路，时钟用内部方式需外接晶体振荡器。硬件图如图 4 所示。 图 4 单片机模块原理图此设计中接的是 12MHZ 的晶振，故一个机器周期为 1/12us。根据经验数据，与晶振一起的两个电容设为 15PF。单片机的 VCC 和 GROUD 都隐藏了， 已自动接好，VCC 应设为+5V。 4.2.2 按键选择工作状态模块5 个按键开关一端通过电阻接高电平，另一端全部接到地，其中接高电平的一端对应也接到单片机的 P1 口分别为 P1.0P1.4。当开关断开，就是输入到单片机对应端口高电平，而开关闭合，是使端口接地，输入低电平。所以这个设计中开关断开时才是有效的。各按键功能： 计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统7（1）SW11SW13 为工作模式控制开关，SW11 接电时，为步进电机单四拍工作模式；SW12 接电时，为步进电机双四拍工作模式；SW13 接电时，步进电机工作模式为四相八拍。 （2）SW14 为启/停控制开关，控制整个系统的开启和关闭。 （3）SW1 为正/反转控制开关，控制步进电机的转向。图 5 按键模块原理图4.2.3 步进电机工作模块将四相步进电机四个端口直接接到单片机 P3.0P3.3 即可，另两个端口接到+12V 的高电平给步进电机供电。只需在软件编写上控制算法便可以调节这四个端口的高低电平来控制步进电机的开启与停止，正反转以及工作模式。步进电机硬件接线图如图 6 所示。计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统8图 6 步进电机模块原理图4.2.4 工作状态显示模块LED 发光二极管显示步进电机的工作状态，它们分别接到单片机的P3.5P3.7。 图 7 工作状态显示模块原理图计算机控制技术及工程应用步进电机控制系统94.2.5 4 位数码管显示步数模块LED 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的，加上小数点就是 8 个。这些段分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮 以形成我们眼睛看到的字样了。通过分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。 P0