单片机控制步进电机正反转的设计.doc

泰 山 学 院本科毕业论文单片机控制步进电机正反转的设计专 业 名 称 电子信息科学与技术 申请学士学位所属学科 指导教师姓名、职称 2010年5月18日摘要摘 要目前，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电机的发展。在当今社会的各个领域步进电机无处不在，应用领域涉及机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、舞台灯光设备、印刷设备、计算机外部应用设备等等。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此，设计步进电机具有重要的现实意义和实用价值。本论文首先分析了步进电机的基本原理和特点，步进电机实现启停、加速、转向、位置控制的方案及WZM-2H042M混合式步进电机驱动电路，其次讲解了89C51单片机引脚功能及特点，接着综合地阐述了整个系统的设计思路及组成框图，然后逐步讲解了各模块电路的实现方法，最后设计了控制步进电机正反转的程序以实现论文目的。关键词：单片机89C51，步进电机，WZM-2H042MIABSTRACTABSTRACTCurrently, digital technology, computer technology and the rapid development of permanent magnet materials promote the development of a stepper motor. Today , stepper motors exist everywhere in all areas of society ,applications involving robotics, industrial electronics automation equipment, medical devices, advertising equipment, stage lighting equipment, printing equipment, computer peripheral application and so on.Although the stepper motor has been widely used, the stepper motor does not used like a normal DC motor, AC motor in the routine. It must be used before double-ring pulse signal drive circuit composed of control system. Therefore, the design of stepping motor has important practical significance and practical value.This design first analyzes the basic principles and characteristics of the stepper motor, start and stop, acceleration, steering, control programs of the position and WZM-2H042M hybrid stepper motor drive circuit, then explaines the functions and characteristics of the 89C51 microcontroller pin, followed,this design comprehensive represents the overall system design concept and composition of the diagram, and then gradually to explain the method of each module implementation of the circuit, finally design the process to control the stepper motor positiving reversion in order to achieve the design purpose.Key words: SCM 89C51，stepper motor，WZM-2H042MIII目录目 录1. 引 言11.1 步进电机的发展概况及现状11.2 单片机的发展概况及现状21.3 本论文的选题和研究内容32. 步进电机的工作原理32.1 步进电机常识32.2 步进电机的步进原理42.3 步进电机起动及加/减速控制42.4 步进电机的换向控制62.5 步进电机的位置控制82.6 WZM-2H042M混合式步进电机驱动器介绍82.6.1 产品特点82.6.2 电源说明92.6.3 控制信号92.6.4 细分数及相电流设定102.6.5 外形尺寸103. 单片机简叙103.1 什么是单片机103.2 80C51单片机引脚功能及运行介绍113.2.1 单片机引脚功能113.2.2 单片机正常工作所需基本连线124. 系统的设计思路124.1 系统的设计框架134.2 步进电机接线及其驱动电路模块134.3 数码管显示电路模块144.3.1 数码管显示电路的选用144.3.2 数码管显示电路的设计144.4 键盘电路模块154.5 程序设计165. 结果分析与总结20参考文献21致 谢22泰山学院本科毕业论文1. 引 言1.1 步进电机的发展概况及现状传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。现在步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.80.9（全步半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台。另外HB型电动机更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机。1.2 单片机的发展概况及现状单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:、单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时系统也更加稳定，目前该方向即是发展为SOC(片上系统)。、单片机抗干扰能力加强，使的它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景。、单片机提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。、在线编程目前有两种不同方式：、ISP ，具备ISP的单片机内部集成FLASH存储器，用户可以通过下载线以特定的硬件时序在线编程，但用户程序自身不可以对内部存储器做修改。这类产品如ATMEL8990系列。、IAP ，具备这种特性的单片机厂家在出厂时内部写入了单片机引导程序，用户可以通过下载线对它在线编程，用户程序也可以自己对内存重新修改。这对于工业实时控制和数据的保存提供了方便。这类产品如SST的89系列。、在线仿真变的容易。用户一旦开发一个比较大的系统，开发调试变的非常复杂，同时由于单片机资源有限，不能象PC一样直接调试自己的软件，于是出现了品种繁多的专业仿真器，为用户的开发提供了强大功能，加速了开发进程，降低了开发难度，同时这类仿真器也给中小型用户带来沉重的经济负担，目前已经有公司推出了可以在线调试的单片机，这类单片机采用标准JTAG接口，JTAG是一种标准(IEEE 1149。1)，是为测试芯片而制定的，目的是用TCK、TDI、TDO和TMS四个信号来测试芯片的内部状态.发展趋势:i.低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 ii.微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 1.3 本论文的选题和研究内容现今步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此，设计步进电机具有重要的现实意义和实用价值。本课题主要研究讨论，步进电机基本工作原理及用单片机实现步进电机启停、加速、转向、位置控制的方案。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助，同时希望利用单片机的自动化，提高生产力、生产安全和降低劳动强度。2. 步进电机的工作原理2.1 步进电机常识常见的步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。2.2 步进电机的步进原理步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角度或者前进一步，因此，步进电机也称脉冲电动机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速v由脉冲信号频率f决定，可用（公式1）表示。v=*f （公式1）其中由步进电机的步进角决定。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速启动、制动和反转。2.3 步进电机起动及加/减速控制速度控制中加/减控制是最基本的控制。电机由静止到达设定的最大的速度所需的时间是由调试决定的。加速度太大，电机甚至不能克服惯性而失步，加速度太少，则完成指定的运动耗费时间太多，加速度有两中方案：线性加/减速度控制和等步距加/减速度控制。前者规定从加速度开始，每一加速度周期指令电机速度递增相同的增量f；后者则是要求每一加速度周期电机走过相同的步数。等步距加/减速度控制的优点，在于加/减过程中电机走的步数可以非常精确的计算，这一点对于加/减的位置控制非常重要，但从电机要克服惯性力来看，线性加速方案好些。调试也方便。线性加/减控制曲线如图1： 图1 线性加速控制曲线其中f可以用公式（公式2）求出。f=(f2-f1)/n 3 （公式2）其中n为加速过程的台阶数，减速控制也类似，只是f为负值。步进电动机的最高起动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3-4KHz，而最高运行频率则可以达到N*102 KHz。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现“失步”现象，甚至无法起动。较为理想的起动曲线，应是按指数规律起动。但实际应用对起动段的处理可采用直线拟合的方法，即“阶梯升速法”。可按两种情况处理：已知突跳频率则按突跳频率分段起动，分段数为n=f/fq 3 （公式3）未知突跳频率，则按段拟合至给定的起动频率，每段频率的递增量（后称阶梯频率）f=f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中，将起始的速度（频率）分为n分作为阶梯频率，采用“阶梯升速法”将速度连续升到所需要的速度，然后锁定，按预置的曲线运行。如图2所示：图2 阶梯升速起动用单片机实现步进电机的加/减速控制，实际上就是控制发脉冲的频率，升速时，使脉冲频率增高，减速时相反。如果使用定时中断来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时器的初值。速度从V1V2如果是线性增加，则按给定的斜率升/降速；如果是突变，则按“阶梯升速法”处理。在此过程中要处理好两个问题： 速度转换时间应尽量短；为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值，控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的，并不占用中断时间，保证电机的高速运行。 保证控制速度的精确性；要从一个速度准确达到另外一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。 2.4 步进电机的换向控制一般来说，驱动器的输入共有3路，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过限流电阻接入光藕的负输入端，且电路形式完全相同，在这三路输入信号的共同的控制下，驱动器将输入合适的电流来控制步进电机完成指定的操作。另外，驱动器一般有一个接入端OPTO，该端口为三路信号的公共正端。三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，并在需要的情况下加限流电阻R，保证驱动器内部光藕提供合适的驱动电流。 步进脉冲信号CP步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置与速度，也就是说：驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机一个旋转的步距角，CP脉冲的频率改变则会使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。 方向电平DIR方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向，此端为高电平时，电机一个转向，此端为低电平时，电机转向另外一个方向，电机转相必须在电机停机后进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。 脱机电平信号FREE当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态（未施加CP脉冲时）或者运行状态（施加CP脉冲时），但当用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这时就可以用到此信号，当此信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态，当此信号为高电平时或悬空不接时，取消脱机状态。此信号用户可选用，如果不需要此功能，此端不接即可。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CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。如(图3)所示。对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度（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降速换向升速三个过程。4图3 转向信号起作用的时刻2.5 步进电机的位置控制步进电机的位置控制是指要求电机从当前位置转过一个给定的步数。电机不丢步数这一控制的实际。就是要求精确地发出定量的步进脉冲，例如，机器人再现工作时的启动信号后，要走到示教时给出的初始作业位置，就是用到位置控制。不过不带加/减速控制，位置控制很容易实现的。将发给电机的脉冲，用计数器通道计数，到最后通过CPU停发脉冲就是了。但是这种不带加/减速的位置控制，除非速度特别低，否则会在起停时造成器械冲击、失步。图4示出了带加减速控制的速度曲线，此曲线、跟T轴间包含的面积正比于电机走过的步数S，显然，电机走过的总步数S由三部分构成：加速阶段电机走的步数向阶梯段电机走过的步数和减速阶段电机走的步数。 图4 位置控制速度曲线2.6 WZM-2H042M混合式步进电机驱动器介绍2.6.1 产品特点a) 每相最大驱动器电流为1.0安培；b) 采用无过流专利技术；c) 采用国外进口电力电子元器件；d) 可选择电流半流；e) 细分数可选（1/2，1/4，1/8）；f) 对应的微步距角分别为（0.9度/一个脉冲、0.45度/一个脉冲、0.225度/一个脉冲）；g) 所有输入信号都经过光电隔离；h) 斩波频率f=40KHZ；i) 电机的相电流为正弦波；2.6.2 电源说明 直流18V40V （输入电压）。驱动电流：每相最大驱动器电流为1.0安培。图5 电源及驱动器连接图2.6.3 控制信号输入回路上输入电流为5mA20 mA,一般使用输入电流15 mA。脉冲信号（CP-），方向信号（CW-）输入回路上外部电阻（R）阻值由输入电压确定。如果输入电压超过5V，请参照表1，加装外接电阻R限流。表1 输入电压及对应外部电阻值2.6.4 细分数及相电流设定表2 细分数及相电流设定2.6.5 外形尺寸图6 WZM-2H042M外形尺寸3. 单片机简叙3.1 什么是单片机单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。113.2 80C51单片机引脚功能及运行介绍3.2.1 单片机引脚功能80C51单片机共有40个引脚，这40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。如图7所示。1、电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端；2、时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。3、控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。4、I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。7图7 80C51单片机引脚图及引脚功能3.2.2 单片机正常工作所需基本连线1、电源：单片机使用的是5V电源，其中正极接40管脚，负极（地）接20管脚。 2、振蒎电路：单片机是一种时序电路，必须供给脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶体震荡器，电容，连上即可。 3、复位管脚：按图8中画法连好，其中9号引脚即为RESET。 图8 复位管脚连接图4、EA管脚：EA管脚接到正电源端。至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。74. 系统的设计思路4.1 系统的设计框架图9 系统的设计框架图4.2 步进电机接线及其驱动电路模块电机型号：14H28-05-04；驱动器引脚：VCC - +12VGND - 地线A+ - 电机绕组(接黑线)A- - 电机绕组(接绿线)B+ - 电机绕组(接红线)B- - 电机绕组(接蓝线)CP+ - +5VCP- - P3.0CW+ - +5VCW- - P3.1驱动器的连接如图10所示。图10 驱动器接线图4.3 数码管显示电路模块4.3.1 数码管显示电路的选用方案一：串行接法设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，但要使用SIO，发送数据时容易控制。方案二：并行接法使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，选择了方案一。另外，使用锁存也起到节约资源的作用。4.3.2 数码管显示电路的设计数码管的显示驱动使用74LS164，通过SPCE061A的IOB0和IOB1口对DATA和CLK发送数据。其设计图如图11所示。图11 数码管显示电路设计图4.4 键盘电路模块键盘主要用来提供人机接口，在本设计中，使用了标准的4x4键盘，其电路图如下图所示。尽管设计中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，我们使用了4x4的键盘。键盘电路的设计图如图12所示。图12 键盘电路设计图4.5 程序设计 显示电路及键盘电路的设计思路已在前面给出，程序的设计不再赘述，现主要给出程序控制部分的程序设计：#include #include #include #include #include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit cp=P30;sbit cw=P31;sbit key0=P17;sbit key1=P16;sbit key2=P15;sbit key3=P14;uchar code H_35BY=180,220,250,254;uchar code L_35BY=255,255,100,100;uchar speed=4;uchar HBIT,LBIT,n;uchar start,end;uchar key;void work_way();uchar JP(void);void sub_speed();void add_speed();void main() uchar j; TMOD=0x11; TH1=0x8c; TL1=0xff; ET1=1; EA=1; cp=0; while(1) key=JP(); work_way(); if(start) TR1=1; if(end)TR1=0; cp=1;end=0; void work_way() switch(key) case 1: start+; if(start1) start=0; end=1; break; case 2 : n+; cw=0; if(n1) cw=1; n=0; break; case 3 : add_speed();break; case 4 : sub_speed();break; default : break; void add_speed() speed+; if(speed7) speed=7; TH1=H_35BY3; TL1=L_35BY3; else TH1=H_35BYspeed-4; TL1=L_35BYspeed-4; void sub_speed() speed-; if(speed4) speed=4; TH1=H_35BY0; TL1=L_35BY0; else TH1=H_35BYspeed-4; TL1=L_35BYspeed-4; uchar JP() uchar k=0; while(P1&0xf0)!=0xf0) if(key0=0) k=1; if(key1=0