单片机课程设计（论文）-步进电机控制设计.doc

第 页 步进电机控制设计 摘 要 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超 载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而 不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 步进电机控制系统以 8086 作为控制的核心元件，利用 8255 的 c 口控制步 进电机，同时获取控制转动方向（即正转和反转） ，a 口连接键盘，以选取不同 档的移动速度，b 口连接 led 显示器，以显示当前的速度档，8253 作为定时器， 提供必要的时钟信号。 本课程设计报告通过步进电机的基本介绍、系统的软硬件设计（包括最小 系统介绍、接口电路设计、延时程序设计、步进电机的驱动程序设计等几个主 要模块） 、完整的汇编语言程序等，我们完成了对步进电机系统的设计，并完成 了相应的任务，如正转、反转、显示步数及设定速度等，使我们进一步掌握了 汇编语言，也使我们能很好的把书本上的知识与实践相结合，大大提高了我们 的动手能力。 关键词：步进电机，脉冲信号，方向控制 ，时钟信号 第 i 页 目目 录录 1 绪论1 1.1 课题描述.1 1.2 步进电机控制工作原理.1 2 步进电机系统的总体设计2 2.1 系统设计方框图.2 2.2 方框图的描述.3 3 步进电机的软件设计6 3.1 主程序流程图.6 3.2 中断子程序流程图.7 3.3 步进电机系统程序.7 4 步进电机系统的总原理图及元器件清单9 4.1 系统总原理图.9 4.2 元器件清单.11 总 结12 致 谢13 参考文献14 第 0 页 1 1 绪论绪论 1.1 课题描述 步进电机将脉冲信号转换成的机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉 冲个数和脉冲频率成比例,通过改变电脉冲频率,可在大范围内调速,同时,该电 机还能快速起动、制动、反转.此外,步进电机易于实现与单片机机或其它数字 元件接口,适用于数字控制系统,并可取得较高的控制精度,系统硬件实施比较简 单。 这次数控原理的课程设计方案是基于单片机的步进电机运行控制系统。在 这个控制系统中，控制器是它的核心，因为它担负着产生脉冲，发送、接受控 制命令等任务。该系统的步进电机驱动控制电路,采用低价的 at89c51 为控制 器,可直接对步进电机进行控制,省去了昂贵的专用步进电机控制器,简化了硬件 线路,降低了成本,提高了系统的可靠性。 . 步进电机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，即给 一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。近几 十年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，为步进电机的应用开 辟了广阔的前景。 1.2 步进电机控制工作原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超 载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而 不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机 按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以 通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 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 第 1 页 定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 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。 如果给步进电机发一个控制脉冲 ,它就转一步 ,再发一个脉冲 ,它会再转 一步。2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲 频率 ,就可以对步进电机进行调速。 步进电机换向时 ,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向 ,以 免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲 结束后以及下一个方向的第 1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一 定的脉冲宽度(一般不小于 5s)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一 高速下的正、反向切换实质包含了减速换向加速 3 个过程。 2 步进电机系统的总体设计 2.1 系统设计方框图 图 1 系统总体框图 本系统是用单片机软件编程来产生脉冲分配信号,即把数字控制计数的高精 度等方面的优势有效地应用于步进电机控制系统,同时本系统设计的步进电机控 a at t8 89 9c c 5 51 1 第 2 页 制器硬件电路十分简单,成本低,使用方便。本系统硬件方案论证包括开关控制 电路、复位电路、时钟电路、显示电路、光电耦合电路、功率放大电路的选择 2.2 方框图的描述 单片机的选择：本次设计以 cpu 选用 at89c5l 作为步进电机的控制芯 片at89c51 的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以 上使用方便等优点。at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储 器的低电压，高性能 cmos8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚 相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且 价廉的方案。 at89c51 的引脚结构图如图 2 所示, 其管脚说明如下： p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5/mosi 6 p1.6/miso 7 p1.7/sck 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 u1 at89c51 图 2 at89c51 引脚结构图 vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。 当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据 存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。 第 3 页 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能 接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且 作为输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由 于内部上拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时，p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉 优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器 的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的 缘故。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电 平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可 用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据 存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上 置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外， 该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每 个机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /psen 信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h- 第 4 页 ffffh） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程期间， 此引脚也用于施加 12v 编程电源（vpp） 。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 复位电路的设计：本设计采用上电复位形式，微控制器上电后，系统时钟 启动，当 8051mcu 的脚复位引第 9 脚接高电平并且时间超过 2 个机器周期， 即可完成复位操作。如图 4 所示。 图 4 复位电路原理图 开关控制电路：89c51 单片机复位后 p0-p3 口初始状态为 0ffh，通过按钮 开关控制电机的换向和调速，系统不断检测 p3.2-p3.3 引脚的状态，按钮按下系 统检测到低电平，执行相关操作，否则在上拉电阻和+5v 电源作用下始终保持 高电平。如图 5 所示。 图 5 开关控制电路原理图 显示电路：显示电路有三个发光二极管分别显示电机的正转、反转、停止。 发光二极管采用共阳极接法，+5v 电源供电，分别接 p0.0p0.2。编程时由三个 引脚输出低电平控制通断。如图 6 所示。 第 5 页 r5 1k r6 1k r4 1k 停 停 停 v1 v2 v6 +5v p0.0 p0.1 p0.2 图 6 显示电路原理图 光电耦合电路：光电耦合电路将步进电机的强电信号与微机的弱电信号进 行隔离及电平转换。光电耦合器由发光源和受光器两部分组成。当有电流流过 发光二极管时，发光二极管发光。光敏三极管接受光照后即可导通，从而产生 电信号。使用光电耦合器时必须接外电路。主要考虑接驱动器和外接电阻。如 图 7 所示。 图 7 光电耦合电路原理图 功率放大电路：功率放大电路的功能是将环形分配器送来的弱电信号变为 强电信号，在这里采用单电压驱动电路。如图 8 所示。 图 8 功率放大电路 第 6 页 3 步进电机的软件设计 3.1 主程序流程图 步进电机系统主程序流程图如图 9 所示。 图 9 主程序流程图 3.2 中断子程序流程图 中断子程序流程图如图 10 所示。 图 10 中断子程序流程图 3.3 步进电机系统程序 第 7 页 org 0000h ljmp main org 0003h ljmp lp0 org 0013h ljmp lp1 org 0100h main: mov r7,#40h mov p0,#04h mov ie,#85h ; 外部中断 0、中断 1 开中断 mov sp,0030h tp: jnb p3.6,start2 ;p3.6 检测到反转负脉冲跳转 jb p3.4 tp ;p3.4 检测到正转脉冲，电机正转 start: mov p0,#00h setb p0.0 mov r0,#00h ;正转 start1:mov p1,#00h mov a,r0 mov dptr,#table movc a,a+dptr jz start ;对 a 的判断,当 a = 0 时则转到 start mov p1,a lcall delay inc r0 jb p3.5,start1 ;p3.5 无负脉冲是跳转，电机继续运转 mov p1,#00h lcall delay1 ljmp main start2:mov p0,#00h setb p0.1 mov p1,#00h ;反转 mov r0,#07 start3:mov a,r0 mov dptr,#table movc a,a+dptr jz start2 mov p1,a lcall delay inc r0 jb p3.5,start3 mov p1,#00h lcall delay1 ljmp main delay: mov r6,#248 第 8 页 djnz r6,$ djnz r7,delay ret delay1:mov r4,#20 ;2s 延时子程序 del2: mov r3,#200 del3: mov r2,#250 djnz r2,$ djnz r3,del3 djnz r4,del2 mov r7,#40 ;恢复 r6、r7 初始值 ret lp0: push a ;加速子程序 push psw mov a,r7 inc a jz lt0 inc r7 lt0: pop a pop psw reti lp1: push a ;减速子程序 push psw mov a,r7 jz li dec r7 lt1: pop a pop psw reti table: db 01h,03h,02h,06h,04h,05h ; 正转表 db 00 ;正转结束 db 01h,05h,04h,06h,02h,03h ;反转表 db 00 ;反转结束 end 4 步进电机系统的总原理图及元器件清单 4.1 系统总原理图 系统总原理图如图 11 所示。 第 9 页 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5/mosi 6 p1.6/miso 7 p1.7/sck 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 u1 at89c51 12 y1 12mhz 30pf c2 30pf c1 10k r7 10uf c3 r5 1k r6 1k r4 1k 停 停 停 s3 s4 s5 停停 停停 停停 s2 s1停停 停停 r9 1k r11 1k r18 1k r13 1k r14 1k r15 1k r12 1k r16 1k r10 2.2k r17 2.2k a停 r1 4.7k r3 4.7k +50v +5v +5v +5v +5v +12v a停 b停 c停 r8 2.2k v3v4v5 v1 v2 v6 u2 u3 u4 v7v8v9 +5v b停b停 r2 4.7k 图 11 系统总原理图 第 10 页 4.2 元器件清单 表 1 系统元器件清单 位 号规 格位 号规 格 c130pfr111kv7in3904 c230pfr121kv8in3904 c310ufr131kv9in3904 y112mhzr141ku1at9c51 r14.7kr151ku2pc817 r24.7kr161ku3pc817 r34.7kr172.2ku4pc817 r41kr181ks1 r51kv1dip20000s2 r61kv2dip20000s3 r710kv3in5400s4 r82.2kv4in5400s5 r91kv5in5400 r102.2kv6dip20000 第 11 页 总 结 通过这次课程设计，我对单片机有了更深一步的理解，提高了自己的动手 能力。在实验过程中，我会遇到各种问题，我觉得除了向老师和同学请教外， 我更应该学会自己解决问题。 在整个过程中，查阅了不少资料，例如步进电机如何工作，速度及方向的 控制等是通过自学完成。知道如何尽快读懂别人写的源程序,从中借鉴好的地方 来完善自己的程序。 在老师的悉心指导和严格要求下，我们终于完成了步进电机设计课程。从 书本上的知识到自己亲手的课程设计，每一步对我们来说无疑是巨大的尝试和 挑战，也成就了我们目前在大学期间独立完成的最大的项目。在刚接到这个课 题时，由于对相关知识不是很了解，我们都有些茫然不知所措。设计好一个步 进电机需要什么专业知识？带着这个疑问我们开始了地学习和实验：去查阅相 关资料、上网去了解相关的内容，渐渐头脑中的概念清晰了起来。在具体设计 的过程中，我们遇到了更大的困难。我们不断地给自己提出新的问题，然后去 论证、推翻，再接着提出新的问题。在这个循环往复的过程中，我们这篇稚嫩 的设计日臻完善。虽然我们的设计作品不是很成熟，即使借鉴前人的很多资料 仍然还有很多不足之处，但我仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我们实实在 在地走过了一个完整的设计所应该走的每一