微型计算机论文-基于Protues的步进电机控制系统.doc

宜宾学院 物理与电子工程学院 微型计算机课程设计（论文）Yibin University电子信息科学与技术专业微型计算机课程设计报告题 目 基于Protues的步进电机控制系统 专 业 电子信息科学与技术 学生姓名 孙华山 （120303011） 年 级 2012级 班级 3班 指导教师 张 桐 职称 教 师 2015年 6 月 20 日摘 要 单片机以其较小的体积、低成本、高可靠性、高附加值等优点实现了过去一个很复杂的电路所能实现的功能，因而被广泛的应用，也取代了经典的控制系统；步进电机是一种将电脉冲转变为角位移的执行机构，可通过控制脉冲数来控制角位移量，从而达到准确的定位目的，也可通过控制脉冲的频率来控制电机的转速和加速度；本文通过protues的单片机仿真来实现其功能，并且能够在仿真中看见十分近似于真实的结果。步进电机是一种将电脉冲转变为角位移的执行机构，通俗一点讲：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。关键词：单片机；protues；步进电机IIAbstractSingle-chip microcomputer with its small volume, low cost, high reliability, the advantages of high added value achieved over the past a complex circuit can realize the function, which were widely used, can replace the classic control system;Stepper motor is a kind of electrical pulses into angular displacement of the actuator, angular displacement quantity could be controlled by controlling the pulse number, so as to achieve accurate positioning purposes, can also be used by controlling the pulse frequency to control motor rotation speed and acceleration;In this paper, on the basis of single chip microcomputer proteus simulation to realize its function, and can be seen in the simulation is very similar to the real results.Stepper motor is a kind of electrical pulses into angular displacement of the actuator, popular point: when the stepper driver receives a pulse signal, it is driving a stepper motor according to set the direction of a fixed Angle.Key words: single chip microcomputer; Protues; Stepper motor目 录摘 要IAbstractII第一章 电路基本理论及方案论证11.1 电路基本理论11.1.1 步进电机11.1.2 89C51单片机21.2 方案论证3第二章 硬件设计42.1 控制电路42.2 驱动电路52.2 显示模块52.4 总体电路图6第三章 软件设计63.1 主程序设计63.2 定时中断设计73.3 外部中断设计8结 论8参考文献9附 录9第1章 电路基本理论及方案论证1.1 电路基本理论1.1.1 步进电机 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。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，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即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，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时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。（1） 换相顺序的控制 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式 下，其各相通电顺序为 ABCA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别 控制 A、B、C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 ABBCCAAB，三相六 拍的通电顺序为AABBBCCCAA。 （2） 步进电机的换向控制 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 三相六拍，即 AABBBCCCAA。如果按反序通电换相，AACCCBBBAA，则电机就反转。其他方式情况类似。 （3） 步进电机的速度控制 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。两个脉冲的间隔越短，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试。 （4） 步进电机的起停控制 步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。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，跳过电机运行的平稳性。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，使步进电机转轴不能自由转动。（5）步进电机的换向控制 步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向， 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一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定 的脉冲宽度、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 实质包含了降速换向加速3个过程。步进电机有如下特点： 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。 步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。1.1.2 89C51单片机 Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机， 它采用 CMOS 和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容；片内的Flash ROM 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程 器来编程，内部除 CPU 外，还包括 256 字节 RAM，4 个 8 位并行 I/O 口，5 个中 断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、 灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。 1.2 方案论证基于单片机和proteus的步进电机控制电路的基本组成如图1所示步进电机控制台单片机LCD显示器图1.1 基于单片机和proteus的步进电机控制电路的原理框图从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线盒，一根启动信号线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选四相步进电机。如下图2所示图1.2 步进电机工作时序波形图 该电机共有四相绕组，工作电压为+5V，可以与单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组控制过程如下：P0.0口控制L297的方向控制端（CW/CCW），P0.1控制步进时钟输入端。使L297输出四相八拍工作所需的适当相序（A,B,C,D四相）。L297的四相输出接L298的IN0-IN4使其OUT0-OUT4输出放大后的四相驱动信号，驱动步进电机运行。用P1口的P1.0P1.7 控制LM016L显示步进电机的转速和转动方向。第二章 硬件设计本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路只要由开关和按键组成， 由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。 2.1 控制电路 图2.1控制电路原理图根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和 减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图1所示。通过 K1、K2 状 态变化来实现电机的启动和换向功能。当 K1、K2 的状态变化时，内部程序检测 P3.4 和 P3.5的状态来调用换向程序进行电机的正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入 电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3 的断开和闭合，从而控制外部中断根据 按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改 变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。2.2 驱动电路 图2.2步进电机驱动电路通过L297和L298构成驱动电路，电路图如图 2 所示。P0.0口控制L297的方向控制端（CW/CCW），P0.1控制步进时钟输入端。使L297输出四相八拍工作所需的适当相序（A,B,C,D四相）。L297的四相输出接L298的IN0-IN4使其OUT0-OUT4输出放大后的四相驱动信号，驱动步进电机运行。2.2 显示模块 图2.3显示模块通过P1口的P1.0P1.7 控制LM016L显示步进电机的转速和转动方向。2.4 总体电路图 把各个部分的电路图组合成总电路图，如图2.4所示。 图2.4总体电路图（包括显示电路图） 第三章 软件设计 通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成 4 个部 分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断 0 和外 部中断1部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测， 若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率， 它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变 速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。 3.1 主程序设计 主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种 开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初 始化定时器、外部中断；对 P1 口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初 值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内 容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均设为 0，就意味着步进电机按四相单八拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0”， 速度值显示“0”，主程序流程图如图3.1所示。 开始 显示 初始化停止计时器停止计时器启动计时器 延时启动开关为0？速度值为0？NNYY 图3.1 主程序流程图3.2 定时中断设计 步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通 入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个 时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、 发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。3.3 外部中断设计 外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该 数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变 了电机的转速。速度增加按钮 S2 为 INT0 中断，其程序流程为原数据，当值等于 7时，不改变原数值返回，小于 7 时，数据加 1 后返回；速度减少按钮 S3，当原数据不为0，减1保存数据，原数据为0则保持不变。结 论本设计采用51单片机AT89C51（晶振频率为12MHZ）对四相六线制步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L297驱动步进电机。L297 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。L297工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。通过L297构成步进电机的驱动电路，电路图如图1所示。51的25-28口接L297的1-4输入端。另外，用键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为2位单个数码管的显示驱动。74LS164带锁存，使用串行接法可以节约I/O口资源。其电路图如图2所示。通过51的TXD和RXD口对CLK和DATA发送数据参考文献设计的步进电机基本能实现预期目标，经过调试和修改，但还是存在问题，比如按开关的时候会出现不稳定情况，转速有时比较乱，显示有时也有些不理想，后面的工作就是在软件和硬件等方面进行修改，以完全达到预期目标。13参考文献1 谢自美电子线路设计实验测试M武汉：华中理工大学出版社，1992. 2 何立民单片机应用系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，1993. 3 楼然笛单片机开发M北京：人民邮电出版社，1994. 4 付家才单片机控制工程实践技术M北京：化学工业出版社 2004.3. 5 李光才单片机课程设计 实例指导M 北京：北京航空航天大学出版社 2004. 6 朱定华单片机原理及接口技术实验M北京：北方交通大学出版社2002.11. 7 刘湘涛江世明单片机原理与应用M. 北京:电子工业出版社,2006.8 周润景 等 Proteus入门实用教程M. 机械工业出版社，2007.9 附 录源程序代码#include AT89X51.hint delay();void inti_lcd();void show_lcd(int);void cmd_wr();void ShowState();void clock(unsigned int Delay) ;void DoSpeed(); /计算速度/正转值#define RIGHT_RUN 1/反转值#define LEFT_RUN 0sbit RS=0xA0;sbit RW=0xA1;sbit E=0xA2;char SpeedChar=SPEED(n/min):;char StateChar=RUN STATE:;char STATE_CW=CW;char STATE_CCW=CCW;char SPEED3=050;unsigned int RunSpeed=50;/速度unsigned char RunState=RIGHT_RUN; /运行状态main()/*定时器设置*/TMOD=0x66; /定时器0，1都为计数方式；方式2；EA=1;/开中断TH0=0xff;/定时器0初值FFH；TL0=0xff;ET0=1;TR0=1;TH1=0xff;/定时器1初值FFH；TL1=0xff;ET1=1;TR1=1; IT0=1;/脉