毕业设计（论文）基于单片机的红外感应自动门控制系统设计

1、装订线吉林师范大学应用工程学院毕业论文摘 要随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。本论文介绍的自动门控制器使用简单、工作稳定、成本低廉，采用双速运行、动作迅速。除能实现自动开关门之外，还具有常开、常关、门禁、防误夹等多种功能。通过对“控制自动门系统”的研究和设计，精心撰写了控制自动门系统论文。本设计主要应用单片机8051作为控制核心，步进电机、热释电型红外传感器、电位器相结合的系统。充分发挥了单片机的性能。其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参

2、考价值。单片机主要组成部分：中央处理器cpu（central processing unit）、随机存储器ram（ramdom access memory）、只读存储器rom(read only memory)、中断系统、定时器/计数器以及i/o（input/output）口电路等部件。 单片机在控制领域的优点：体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。它能针对性的解决从简单到复杂的各类控制任务，抗干扰能力强，适用温度范围宽，可以方便的实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。本课题通过红外传感器感应到来人进出门时向单片机

3、送入一个高电平，后以单片机为控制核心对步进电机进行控制。系统实现简单，但功能强，能有效的对门进行开关控制。关键词：单片机,自动门,直流电机,红外传感器 ,转速测量abstractas it becomes more and more automatic and informational nowadays, the application of microcontroller also becomes more and more extensively. progress of with the development of the society, science and technolog

4、y and gradual improvement of peoples living standard, various kinds of help automatic control system in life begin to enter peoples life, the system of automatically-controll door taking one-chip computer as the core is one of them. indicate too that the automatic controlled field became a member in

5、 digitized era at the same time. its practicability is strong, multiple functional, modern techniques, make people believe this is an achievement of scientific and technological progress. it lets the mankind understand even more, the development in digital era will change humans life, will quicken t

6、he development of science and technology.through the research and design to the thing that the system of single chip controlled auto-door, i have written the computer and controlled the systematic thesis of automatically controlled door meticulously. thesis this is it rely mainly on one-chip compute

7、r to explain emphatically, dc motor and the measure of rotate speed central systems.it is uses 8051 as core of controlling, the dc motor, infrared sensor and electromagnetic switch combine together mainly to design originally. give full play to the performance of the one-chip computer. its advantage

8、 hardware circuit is simple, the software is with perfect function, the control system is reliable, higher characteristic of the sex price, and it has certain use and reference value.keywords ： microcontroller auto-door dc motor infrared sensor rotate speed- measure目 录第1章 课题研究的意义和目的5第2章 课题的功能概述6第3章

9、数字控制开关电源的设计73.1 总体设计方案73.2系统设计73.3基本设计电路73.4电路设计83.4.1 数字调压控制电路103.4.2 计数控制电路103.4.3 数模转换电路.103.4.4 比较器及pnm控制电路113.4.5 输出稳压电路12第4章 单片机的介绍和发展概况13第5章 单片机的工作原理145.1单片机的基本组成145.2 mcs-51的寻址方式155.3指令155.4计数初值的计算155.4.1计数的工作方式165.4.2定时的工作方式1655中断响应的条件175.6串行口工作方式及帧格式17第6章 步进电机的发展和应用18第7章 步进电机的工作原理21第8章 用单片

10、机和cpld实现步进电机的控制238.1 电机控制电路设计238.2 步进电机控制方案268.3 电机驱动器硬件结构278.4 cpld硬件电路设计278.5 控制的实现28第9章 红外热释电处理芯片biss000131第10章 红外接收和电机驱动电路配制方案3510.1 开门信号3710.2 门禁系统与非公共区域的自动门3710.3 解锁动作与开门动作之间的协调3810.4 集中控制38第11章逻辑运算电路设计39第12章 软件设计40第13章 其他问题41参考文献42结束语43致谢44附录45第1章 课题研究的意义和目的自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转

11、门、自动圆弧门和自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常庞大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，大家一般所说的自动门和感应门就是指自动平移门。自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加感应器，当人走近自动门时，感应器感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过门之后，再将门关闭。由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的第2章 课题的功能概述这次的毕业设计主要应用于通过微机程序对led点阵的显示顺序和步进电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制。在门的

12、两侧各有一个感应器，分别感应从里面出去和从外面进来的人。当有人或物品进入到感应器的扫描范围内，感应器就会做出感应，向中央处理器提出申请，中央处理器转而控制电机进行正转，实现了开门的过程。这其间，感应器不停的对其范围内的空间进行扫描，一旦两个感应器都无法扫描到其间的人或物品，也就说明人或物品已经离开，那么就开始执行关门程序。在感应器的选择方面是很灵活的，现在被广泛应用的感应器主要有微波感应器和红外感应器。我在设计时选择采用的是红外线感应器对是否有人进入感应区域进行感应，而没有采用微波感应器。这是因为微波感应器只能对其感应区域内运动的物体进行感应，虽说反应速度快，但对于其感应区域内不动的物体不能够

13、进行感应，便会根据程序所设定的步骤进行关门操作，容易出现门将人夹到的行为。而红外感应器是对存在的物体进行感应，只要在其感应区域内有物体，红外感应器就能够感应到，而无需辨别感应区域内的物体是否是运动的，也就避免了门将人夹到的行为。第3章 控制开关电源的设计3.1总体设计方案数字控制开关电源是一种基于数字信号控制调节其输出电压的、初步实现开关电源的数字化和智能化控制的电路系统。电压可调数字控制开关电源要求由按钮控制电压输出值在540v范围内的步加、步减调节，步进精度为0.2v，并随时可以调回最低值或预置为最高值，输出电压的精度不低于0.1v，最大输出功率不低于20w。3.2系统设计设计一种基于to

14、p234y的电压可调数控开关电源，利用pwm原理控制占空比，采用可逆计数器计数并经数模转换放大做控制信号，对输出电压进行相对较大范围的调节，由反馈电路确保电压的稳定性，数字芯片电源由内部电源提供。按功能系统可基本划分为两大部分，即开关电源的模拟部分和数字控制部分。模拟部分实现开关电源电压的整流、滤波、功率变换、限流保护等功能;数字控制部分主要是通过计数调压控制信号调节pwm占空比来改变电压输出值并控制反馈信号以保持电压输出值的稳定。3.3基本设计思路系统结构主要包括模拟开关电源、反馈电路、pwm及比较器控制和数字调压控制四大模块。其系统原理框图如图1所示。 图1电压可调数控开关电源系统原理框图

15、模拟开关电源部分对输入交流电进行滤波、抗电磁干扰处理、整流、功率变换和稳压等。数字器件要求提供的电源基本保持不变，但输出电压会随数控调节不断改变，所以开关功率变换次级输出只能在经过稳压处理才能用作内部电源，这里在电压不超过最大值的情况下采用三端稳压器。开关电源反馈采用输出电压的双向控制。调压控制信号和反馈信号采用比较器作比较放大后送pwm控制器，使两者不会产生冲突，也不会漏掉其中任一控制信号，两者同时控制开关脉冲的占空比来调节和稳定电压。控制信号的电压与输出电压的关系是由pwm控制器实现线性控制，故pwm控制器必须用线性pwm控制器件。在反馈电路中，若输出电压偏高，误差放大反馈信号进入比较器经

16、比较输出的电压也偏高。转化后的反馈信号电压与脉冲调制器前置的比较器的计数调压控制电压比较后的电压偏低，导致占空比的宽度变窄，引起输出电压下降;反之亦然。调压控制的原理与反馈控制原理相似，但这里集成在top芯片中。在数字调压控制模块，由按钮控制计数器的步加、步减、清零和预置为最大值，并由计数器输出一个相应的电压信号。计数器输出的信号为数字量，故须再经数模转换形成相应的控制电压，即数字调压控制信号。3.4电路设计topswitch-fx系列有三种封装形式，其中to-220-7b封装有5个引出端，它们分别是控制端c、多功能端m、源极s、开关频率选择端f和漏极d。多功能端主要有线路过压和欠压保护、利用

17、线路电压前馈来降低占空比dmax、从外部设定芯片的极限电流ilimit等功能。topswitch-fx主要由门驱动级和输出级、控制电压源、带隙基准电压源、频率抖动振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调整器等主要部分组成。它的工作原理是利用反馈电流ic来调节占空比dmax，达到稳定电压的目的。例如，当输出电压uo时，经过光耦合反馈电路使得icdmaxuo，最终使uo保持不变。topswitch-fx有一大特性，当控制端电流ic在规定范围内，而多功能端的输入电流im为定值时，脉宽调制器的输出占空比dmax与ic成反比。pwm的增益为：k=d/ic=22%/ma （3-1）即 d=kic=22% （

18、3-2） 由式可知，占空比随ic的增大而减小。实际上，占空比不仅与ic有关，还取决于im值。目前，在普通开关电源中可由多种方式进行输出反馈。在输出电压采样电路中，一般有钳位电路。基本原理是比较输出电压是高于还是低于钳位电压。但在电压可调的开关电源中，因为输出电压本身是要求变化的，所以不能用类似的反馈电路。为了克服这一难题，在电路反馈原理上不再采用单独的纵向比较，而是纵向、横向比较相结合。横向是比较两输出电路电压是否相同，而纵向比较是在另一路输出中加入延时操作，同时在调压时禁止反馈。具体的电路是在第二路输出经整流滤波后加延时器，再与第一路进行比较，从而实现纵向比较。而为了在调压时禁止反馈，反馈输

19、出后加脉冲控制反馈电路的通断，当有调压脉冲信号存在时，反馈通路中断，这里由压控继电器来实现。另外，由于电压的精度要求高，在电路反馈中必须对误差电压进行放大，中间加比较器放大器后进行反馈。同时在电路中对输出采用光耦合器件tl431隔离，提高电压调整率。 3.4.1数字调压控制电路该模块包括计数控制电路和数模转换电路。电源整体输出电压为5至40v，步长值设计为0.2v，总计数次数为175次，故须采用八位二进制计数器。从0开始计数，计数到175，即二进制数的10101111，输出信号送数模转换器，并进行功率放大。因为d与ic成反比，即占空比的变化与ic的变化成反比。当ic变大时，占空比减小，输出电压

20、降低，反之，当ic变小时，输出电压增大，所以在计数器的up引脚接步减控制按钮，而down引脚接步加按钮，计数器清零时输出电压最大，预置为最高时输出电压最小。3.4.2计数控制电路控制按钮为四键，分别用于步加、步减、清零和预置为最大值。可逆计数器采用两只74ls193级联形成八位二进制计数器。74ls193是一种双时钟4位二进制同步可逆计数器，具有预置、清零、加和减计数功能8。两片74ls193采用级联方式，第一片的clr通过电压置高开关接数字电源。ld接地，即预置功能在输出为最低时有效，预置数据均接高电平。up、down上拉为高电平，分别通过电压步减、步加开关按钮接振荡脉冲信号源。第一片的co

21、为0时，加计数进位，bo为0时，减计数借位。第二片的计数控制由ld执行控制功能，即co、bo分别取反后一起接ld，其它接法与第一片相同，组成一个八位二进制可逆计数器。当计数到175时，加无效，当计数为0时，减无效。即当输出为10110000时，计数器清零。当输出为00000000时，执行减操作则计数器预置为最大值。3.4.3数模转换电路数字调压控制电路输出送至数模转换器，这里因为没有要求其它附加功能，故采用一只adc6080作为数模转换，其转换信号提供给功率放大电路。数模转换电路如图2所示。图2数模转换电路图3.4.4比较器及pwm控制电路topswitch-fx系列芯片集成了保护电路、pwm

22、控制器及mosfet管，这里可直接采用to-220-7b型封装的top234y型fx芯片。其中接数控信号与接反馈信号进行比较放大后接控制端c，m端通过大电阻接电输入正极，top234y的外围电路如图3所示。图3 top234y的外围电路图3.4.5输出稳压电路输出分为两路，第一路经整流、滤波作开关电源输出;第二路为数字ic提供电源。在整个控制电路中，所有的数字芯片都需要恒压电源，但是在输出电压调节过程中，第二路输出也会随着占空比的变化而变化，所以要在该路输出加上恒压电路。为了设计简便，这里用集成三端稳压器。只要把正输入电压加到ua7805的输入端，ua7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片

23、标称正电压。在输入端和输出端与地之间要接大滤波电容，在芯片引脚根部还要接小容量电容（0.110uf）到地。第4章 单片机的介绍和发展概况单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（）、 取存储器（ram）、只读存储器（）、输入输出端口（）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯 片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网 络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些

24、东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做 出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达 3亿片，且每年以大约16的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片

25、机在我国是有着广阔的前景。第5章 单片机的工作原理5.1单片机的基本组成它由cpu、存储器（包括ram和rom）、i/o接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。输入/输出引脚p0、p1、p2、p3的功能：p0.0-p0.7：p0口是一个8位漏极开路型双向i/o端口。在访问片外存储器时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。在eprom编程时，由p0输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证程序时，要求外接上拉电阻。p0能以吸收电流的方式驱动8个lsttl负载。p1.0-p1.7（1-8脚）:p1是一上带内部上拉电阻的8位双向i/o口。

26、在eprom编程和验证程序时，由它输入低8位地址。p1能驱动4个lsttl负载。在8032/8051中，p1.0还相当于专用功能端t2，即定时器的计数触发输入端；p1.1还相当于专用功能端t2ex，即定时器t2的外部控制端。p2.0-p2.7（21-28脚）：p2也是一上带内部上拉电阻的8位双向i/o口。在访问外部存储器时，由它输出高8位地址。在对eprom编程和程序验证时，由它输入高8位地址。p可驱动4个lsttl负载。p3.0-p3.7（10-17脚）：p3也是一上带内部上拉电阻的双向i/o口。在mcs-51中，这8个引脚还用于专门的第二功能。p3能驱动4个lsttl负载。p3.0rxd（

27、串行口输入）p3.1txd（串行口输出）p3.2int0（外部中断0输入）p3.3int1（外部中断1输入）p3.4t0（定时器0的外部输入）p3.5t1（定时器1的外部输入）p3.6wr（片外数据存储器写选通）p3.7rd（片外数据存储器读选通）5.2 mcs-51的寻址方式：（1）、立即寻址如：mova，#40h（2）、直接寻址如：mova，3ah（3）、寄存器寻址如：mova，rn（4）、寄存器间接寻址如：mova，rn（5）、基址加变址寻址如：movca，a+dptr（6）、相对寻址如：sjmp08h（7）、位寻址mov20h，c 5.3指令： mov：片内ram传送movx：片外ra

28、m传送movc：rom传送xch：交换（和a交换）swap：a内半字节交换add：不带进位加addc：带进位加subb：带进位减inc：加1 dec：减1 mul：乘法div：除法daa：调整5.4计数初值的计算定时或计数方式下计数初值如何确定，定时器选择不同的工作方式，不同的操作模式其计数值均不相同。若设最大计数值为m，各操作模式下的m值为：模式0：m=213=8192模式1：m=216=65536模式2：m=28=256模式3：m=256，定时器t0分成2个独立的8位计数器，所以th0、tl0的m均为256。因为mcs-51的两个定时器均为加1计数器，当初到最大值（00h或0000h）时产

29、生溢出，将tf位置1，可发出溢出中断，因此计数器初值x的计算式为：x=m-计数值式中的m由操作模式确定，不同的操作模式计数器的长不相同，故m值也不相同。而式中的计数值与定时器的工作方式有关。5.4.1计数工作方式计数工作方式时，计数脉冲由外部引入，是对外部冲进行计数，因此计数值根据要求确定。其计数初值：x=m-计数值例如：某工序要求对外部脉冲信号计100次，x=m-1005.4.2定时工作方式定时工作方式时，因为计数脉冲由内部供给，是对机器周期进行计数，故计数脉冲频率为fcont=fosc1/12 (5.4.1-1)计数周期t=1/fcont=12/fosc定时工作方式的计数初值x等于： x=

30、m-计数值=m-t/t=m-（fosct）/12 (5.4.1-2)式中：fosc为振荡器的振荡频率，t为要求定时的时间。 定时器有两种工作方式：即定时和计数工作方式。由tmod的d6位和d2位选择，其中d6位选择t1的工作方式，d2位选择t0的工作方式。=0工作在定时方式，=1工作在计数方式。并有四种操作模式：1、模式0：13位计数器，tli只用低5位。2、模式1：16位计数器。3、模式2：8位自动重装计数器，thi的值在计数中不变，tli溢出时，thi中的值自动装入tli中。4、模式3：t0分成2个独立的8位计数器，t1停止计数。mcs-51有5个中断源，可分为2个中断优先级，即高优先级和

31、低优先级，中断自然优先级：外部中断0；定时器0中断；外部中断1；定时器1中断；串行口中断；定时器2中断（1）同级或高优先级的中断正在进行中；（2）现在的机器周期还不是执行指令的最后一上机器周期，即正在执行的指令还没完成前不响应任何中断；（3）正在执行的是中断返回指令ret1或是访问专用寄存器ie或ip的指令，换而言之，在reti或者读写ie或ip之后，不会马上响应中断请求，至少要在执行其它一要指令之扣才会响应。5.5中断响应的条件cpu响应中断的条件有：（1）有中断源发出中断请求；（2）中断总允许位ea=1，即cpu开中断；（3）申请中断的中断源的中断允许位为1，即没有被屏蔽。5.6 串行口工

32、作方式及帧格式mcs-51单片机串行口可以通过软件设置四种工作方式：方式0：这种工作方式比较特殊，与常见的微型计算机的串行口不同，它又叫同步移位寄存器输出方式。在这种方式下，数据从rxd端串行输出或输入，同步信号从txd端输出，波特率固定不变，为振荡率的1/12。该方式是以8位数据为一帧，没有起始位和停止位，先发送或接收最低位。方式2：采用这种方式可接收或发送11位数据，以11位为一帧，比方式1增加了一个数据位，其余相同。第9个数据即d8位具有特别的用途，可以通过软件搂控制它，再加特殊功能寄存器scon中的sm2位的配合，可使mcs-51单片机串行口适用于多机通信。方式2的波特率固定，只有两种

33、选择，为振荡率的1/64或1/32，可由pcon的最高位选择。方式3：方式3与方式2完全类似，唯一的区别是方式3的小组特率是可变的。而帧格式与方式2-样为11位一帧。所以方式3也适合于多机通信。第6章 步进电机的发展和应用把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。步进电动机分

34、为机电式及磁电式两种基本类型。机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。永磁式步进电动机由四相绕组组成。a相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向;a相断电、b相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。反应

35、式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩角可做到115，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。步进电机依其构造上的差异可分为三大类： 1） 可变磁阻式（vr型）。2) 转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15。 永久磁铁式（pm型）： 转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有45、90及7.5、11.25、15、18等几种。3） 混

36、和式（hb型）： 转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。 步进电机的特征 高精度的定位：步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例：其定位基本单位（分辨率）为0.72（全步级）/0.36（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在3分（0.05）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度） 位置及速度控制：步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周

37、波数（频率）成比例的回转速度。 具定位保持力：步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。 动作灵敏：步进电机因为加速性能优越所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。 开回路控制、不必依赖传感器定位： 步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（encoder、转速发电机）及位置传感器（sensor），就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。 步进电机的速度转矩特性 速度-转矩特性取决于电机及驱动器，尤其与所搭配的驱动器有着极大的影响；使用

38、的驱动器不同，特性上的差异也就会有明显的不同。 (1)激磁最大静止转矩：当运转脉冲速度等于0 hz时，曲线与y轴交接的点即称为激磁最大静止转矩。也就是指电机在通电但无输入脉冲信号的情况下，其所具备的保持转矩即称为激磁最大静止转矩。 (2)脱出转矩：又称最大转矩，为电机于运转时所能带动的最大负荷。 (3)最大响应频率：在无负载、负荷惯性为0时，电机所能够响应之最快的速度。 (4)最大自起动频率：电机在无载的状态下可以做到瞬时的起动而不失步的速度谓之最大自起动频率。 步进电机的驱动系统 步进电机在单单仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉波产生器提供位置（脉波数）、速度的脉波信号指令，以及驱动

39、器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转。所以欲使步进电机动作的必要系统组成有： 1.脉冲产生器：给予角度（位置移动量）、动作速度及运转方向之脉冲信号的电机驱动指令。 2.步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作。 3.步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。 所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器（encoder、转速发电机）、位置传感器（sensor），即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制。 步进电机的速度、位置控制 速度控制： 步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转

40、速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。 电机的运转速度（rpm）与脉冲速度（pps，又称hz）间的关系式如下： 电机的运转速度（rpm） 脉冲速度（pps或 hz） 60 步进电机分割数/圈 说明： 1.rpm为一般电机的速度单位，即 rev / min，为每分钟电机所转的圈数；pps为步进、伺服电机的速 度单位，即pulse per second，为每秒所送出的脉冲数。 2.由于rpm与pps的单位不同，所以于转换的过程中要先将pps的秒钟乘以60变为分钟 。 3.步进电机分割数/圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。 4.上述公式拆解后之单位表示为 rev/min

41、 = pulse/sec 60 1/分割数 实例：五相半步级角0.36时（即1000分割/圈） （1）电机的运转速度600rpm时，即相当于脉冲速度10000pps。 （2）脉冲速度3000pps，即相当于电机的运转速度180rpm。位置控制： 步进电机不需要位置传感器（sensor），就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确的送达指定位置点上。而移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数来决定。脉冲数（pulse）与移动量间的关系式如下： 位置移动量（ ） 步进电机分辨率（ ） 输入脉冲数 实例：二相全步级角1.8时 当输入1000个脉冲数（即1000pulse），此时之移

42、动量会是1800，刚好为5圈。第7章 步进电机的工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。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，

43、则转子会沿着a、b、c、d方向转动。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。基于at89c2051的步进电机驱动器系统电路。at89c2051将控制脉冲从p1口的p1.4-p1.7输出，经74ls14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管tip122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。l1为步

44、进电机的一相绕组。at89c2051选用频率22mhz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小at89c2051对上位机脉冲信号周期的影响。rl1-rl4为绕组内阻，50电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。d1-d4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(d1-d4)而衰减掉，从而保护了功率管tip122不受损坏。在50外接电阻上并联一个200f电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。

45、该驱动器根据拨码开关kx、ky的不同组合有三种工作方式供选择：方式1为中断方式：p3.5(int1)为步进脉冲输入端，p3.7为正反转脉冲输入端。上位机(pc机或单片机)与驱动器仅以2条线相连。方式2为串行通讯方式：上位机(pc机或单片机)将控制命令发送给驱动器，驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。方式3为拨码开关控制方式：通过k1k5的不同组合，直接控制步进电机。当上电或按下复位键kr后，at89c2051先检测拨码开关kx、ky的状态，根据kx、ky 的不同组合，进入不同的工作方式。在程序的编制中，要特别注意步进电机在换向时的处理。为使步进电机在换向时能平滑过渡，不至于产生错步，应在每

46、一步中设置标志位。其中20h单元的各位为步进电机正转标志位;21h单元各位为反转标志位。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值;在反转时也如此。这样，当步进电机换向时，就可以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步。第8章 用单片机和cpld实现步进电机的控制步进电机是一种将脉冲信号转换成角位移的伺服执行器件。其特点是结构简单、运行可靠、控制方便。8.1电机控制电路设计为了使电机的控制简便可靠,使用了电机专用控制芯片mc33033 ,该芯片是motorla 公司生产的一种高性能直流电机控制器,可对步进电机速度进行开环和闭环控制,亦可分别对电机正反转进行调速.mc3

47、3033 内含三个集电极开路的顶部驱动器和为mosfet驱动电源而设计的三个高电流推拉式底部驱动器.控制以及正反转的分别调速5 - 7 . mc33033 电机控制器的内部电路由转子位置译码器、基准电压源、振荡器、误差放大器、脉冲宽度调制器( pwm) 以及欠压锁定、过流限制、热关断和输出驱动电路组成. 若在传感器的输入端(pin4 ,pin5 ,pin6) 加上某个输入码,如 100 ,则当控制器的正转/ 反转引脚为逻辑1 时,输入码使输出2 ,15 产生驱动,当控制器的正转反转为逻辑0 时,输入码使输出20 ,17 产生驱动. mc33033该芯片内含转子位置译码器，并可为传感器工作提供带

48、有温度补偿的参考基准电压。mc33033的另一个特点是内含三个集电极开路的顶部驱动器和为mosfet驱动电源而设计的三个高电流推拉式底部驱动器，并具有电机过流检测和保护功能。此外，mc33033还具有如下特点： (1) 具有1030v的宽电源电压范围； (2) 具有欠压锁定功能； (3) 可提供6.25v带有温度补偿的基准电压源； (4) 带有为闭环控制提供的误差放大器； (5) 与mc33033组合可控制三相桥式高电流驱动器； (6) 具有周期周期电流限制功能； (7) 具有热开关断功能； (8) 可在60/120或120/240的传感器相位中任选；利用mc33033也可以设计出电机的速度控

49、制电路。如果在传感器的输入端加上某个输入码，如100，则当控制器的正转反转引脚为逻辑1时，输入码使左上角q和右下角q产生驱动;当控制器的正转反转为逻辑0时，输入码使右上角q和左下角q产生驱动。在通常情况下，控制器在pwm频率为25khz时就能正常工作，电机速度的控制可以通过调节误差放大器的同相输入电压来实现，同时它也为pwm提供基准和限幅电平。周期电流限制(3a电机电流)是由电阻r到地之间的100mv门限电压来完成的。过流保护电路能够防止电机启动和改变转向时损坏器件，可以保证整个电路的安全46。 mc33033应用到自动门的电机控制。将逻辑运算电路得出的停止、正转、反转作为三个输入信号，其中,

50、优先级高低顺序是停止、正转、反转(正常情况下三个信号中有且仅有一个有效)。正转和反转信号经过逻辑门接入mc33033的3端，如果该端为高电平时，mc33033将使at输出高电平，开关q1导通，同时cb端输出pwm调制波形，开关q4相应地动作，从而实现电机正转并进行速度调整；反之，mc33033将使ab输出高电平，开关q2导通，同时ct端输出pwm调制波形，开关q3相应地动作，从而实现电机反转并进行速度调整。低电平时，停止信号接入到mc33033的19端(使能端)，如果它为高电平时，芯片将停止正常工作，此时就能实现电机的停转。这就是电机部分如何实现电机正转、反转、停止以及正反转分别调速的原理。下

51、面将具体分析电路是如何实现调速的。当电机控制部分被输入正转信号时，在mc33033芯片的3端为高电平信号，u2a光电隔离不会导通，u2b光电隔离可以导通，此时l2发光二极管会发光，表示正转，高电平将通过rp2、二级管d2进入到mc33033的9端，其电压可以通过滑动变阻器rp2来调整，而mc33033的9端是振荡波，将会利用pwm原理对8与9进行比较来控制q4的输出脉冲波形，从而调整电动机正转时的端电压，实现电机正转调速。当电机控制部分被输入反转信号时，mc33033芯片的3端是低电平信号，在经过4011与非门后得出高电平，u2a光电隔离可以导通，u2b光电隔离不会导通，此时，l1发光二极管会

52、发光，表示反转，高电平将通过rp1、二级管d1进入到mc33033的9端，其电压可以通过滑动变阻器rp2来调整，控制q3的输出脉冲，从而调整电动机反转时的端电压，实现电机反转调速。通常的步进电机控制方法是采用cpu(pc机、单片机等)配合专用的步进电机驱动控制器来实现，这存在成本较高、各个环节搭配不便(不同类的电机必须要相应的驱动控制器与之配对)等问题。 cpld器件具有速度快、功耗低、保密性好、程序设计灵活、抗干扰能力强、与外围电路接口方便等特点，越来越多的应用于各种工控、测量、仪器仪表等方面。同时单片机非常适合应用于需要复杂的控制算法的场合。因此本设计采用的方法是：用单片机采集现场信号后计

53、算出步进电机运转所需的控制信息后，再传给cpld，cpld把接收到的信息转换成步进电机实际的控制信号(运转方向、运转速度)输出给电机的驱动电路。这样的好处是单片机与cpld各行其是。单片机可以专注于处理输入信号与输出信息之间的转换等复杂的算法.不必占用过多的cpu资源去直接控制电机，也减小了由此引入干扰的可能性;cpld只需把单片机传送过来的信息转换成电机的控制信号。这样就发挥了单片机和cpld两者的优点。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。我们使用的单极四相步进电机为例。其结构如图：四个绕组引出四相(相a1相a2相b1相b2)和两个公共线(接到电源的正机)。把绕组的某一相接到电源的地线。这样该绕组就会受到激励。我们采用四相八拍的控制方式，即1相与2相交替导通，这样可提高分辨率。若要求电机反转，