测控专业课程设计报告步进电机角度控制

1、课程设计结题报告题 目 步进电机角度控制 姓 名 所在学院 自动化学院 专业班级 测控技术与仪器 学 号 指导教师 日 期 20 年 月 日 11 / 14文档可自由编辑打印摘要步进电机因其精度高、过载性好、控制方便等优点，在工业生产及控制领域得到了广泛的应用。对步进电机转动角度进行精确地测量与控制具有很高的应用价值。本次课程设计由小组七位成员合作完成，我在其中负责的是角度测控系统的软件设计。因此本报告中将对软件设计部分作详细阐述，系统硬件部分只作简单介绍，具体情况参见小组其他成员报告。使用软件通过光电编码器反馈环节获得当前转角并与预期角度进行比对，经过步长步频控制系统控制输出下一时刻转速。关

2、键词： 步进电机、89C51单片机、数码管AbstractStepper motor has been widely used in industrial production and control field because of its high precision, good overload ability and easy to control, etc. The precise measurement and control of the rotation angle of the stepper motor is of high value. This curriculum d

3、esign is completed by a team of seven members collaborating together, in which I was responsible for the monitoring and control system software design part. Therefore, this report will be focused mainly on software design, while system hardware only for a brief introduction. Refer to the reports of

4、other group members for specific details.Keywords: Stepper Motor、89C51 Microcontroller、Digital Tube目录一、设计目的1二、设计内容及要求1三、系统总体设计1四、系统硬件设计及原理2五、系统软件设计及流程图4六、收获及体会7参考文献8附录9步进电机角度控制系统设计一、设计目的设计基于单片机的步进电机角度测控系统。通过这个过程学习熟悉键盘控制和七段数码管的使用，掌握步进电机的角度控制和角度显示方法。二、设计内容及要求1. 具有显示功能，在显示器上显示任意四位十进制数。2. 具有按键输入和操作功能。3.

5、 实现：a) 键盘功能；b) 显示界面；c) 给出原理图；d) 给出控制算法及相应程序；e) 开发串口通信功能。三、系统总体设计本次课程设计要求实现用按键控制并用数码管显示步进电机转过的角度。一般情况下，要实现上述功能通常需要使用单片机来进行控制。按键可以输入一个数值，即目标角度。步进电机在驱动电路的驱动下转动，输出角位移；同时，步进电机上装有角度传感器，从而能够测量步进电机所转过的角度。单片机作为整个角度测控系统的中心控制单元，接收由按键输入的角度值、光电编码器测量所得到的角度。按键输入值为目标角度，光电编码器测量值为实际转动角度。当实际转动角度与目标角度之间存在差值时，该差值通过单片机内的

6、控制算法运算，转变成控制步进电机转动的电脉冲信号。同时，单片机将测量所得的实际转动角度输出到数码显示管上。只要差值存在，单片机就控制步进电机继续转动，直到步进电机转过的角度达到目标要求值。步速控制系统输入显示界面步进电机驱动程序步进电机输出角度1光电编码器D/A转换键盘转换器转换器输出显示界面_ 为便于表述，可将上述过程用下图表示：四、系统硬件设计及原理本角度测控系统中，使用到的器件及传感器主要有步进电机、电机驱动芯片、89C51单片机、键盘、带驱动芯片的数码显示管、光电编码器。由于硬件部分主要由小组内其他成员负责，在此只对这些器件及原理作简单介绍。4.1 步进电机及其驱动芯片步进电机是一种将

7、电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲就是，当步进驱动器接收到一个脉冲信号后，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。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；同时也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。步进电机具有精度高、过载性好、整机结构简单和控制方便的特点。我们小组电机选用的是混合式两相42HB44-056步进电机，具体参数如下：步距脚1.8度，电压12伏，电流0.4安，静转矩2000g.cm，六线的连接方式是A+，地，A-，B+，地，B-。步进角精度：5%，温升：75 Max，环境温度：-20+50。驱动芯片采用的

8、是L297+L298，其中L297是运动控制器，L298是驱动器。4.2 键盘键盘是一组按压式开关的集合，是微机系统不可缺少的输入设备，用于输入数据和命令。键盘的每一个按键都被赋予一个代码，称为键码。键盘系统的主要工作包括及时发现有键闭合，求闭合键的键码。根据这一过程的不同，键盘可以分为两种，即编码键盘和非编码键盘。编码键盘通过一个编码电路来识别闭合键，非编码键盘是通过软件来识别键码。由于非编码键盘的硬件电路简单，用户可以方便地增减键的数量，因此在单片机系统中应用广泛。4.3 数码显示管显示部分是由四位七段数码管显示转动的角度，精确到小数点后一位。为了便于使用，选择集成了驱动芯片的数码显示管，

9、从而单片机的输出和光电编码器返回的测量值可以直接显示到数码管上。4.4 光电编码器光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置组成。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式3种。本次课设采用的是增量式编码器，其直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。4.5 AT89C51单片

10、机目前世界上有很多单片枕制造公司，如美国的INTEL、ATMEL、MOTOROLA和ZILOG公司、德国的SIEMES公司、荷兰的PHILIP公司等。他们相继推出了各种类型的单片机，其中INTEL公司推出的一种高性能8位单片机MCS-51系列单片机以优越的性能，成熟的技术和高性价比迅速占领了工业测控和自动化工程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。除了INTEL公司外，PHILIP,ATMEL，ADM，SIEMES等公司纷纷推出了与MCS-51系列兼容的单片机，其中ATMEL公司的89系列单片机也称Flash单片机是以8031为核心构成的，它和INTEL公司的MCS-51系列单片机完全兼

11、容，它不但继承了MCS一51系列原有的功能，而且又扩展了它的功能。对于一般用户来说，89系列单片机存在下列很显著的优点：内部含Flash存储器；和AT80CSl插座兼容；静态时钟方式：错误编程亦无废品产生；可反复进行系统试验。使用方便是ATMEL公司89系列单片机被广泛应用的一个主要因素。一般的OTP产品，一旦错误编程就成了废品，而89系列单片枫内部采用了Flash存储器，所以，错误编程后仍可以重新编程，直到正确为止。其次是它可反复进行系统试验。用89系列单片枕设计的系统，可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优，而且还可以随用户的需要和发展进行修改

12、，使系统能不断追髓用户的最新要求。89系列单片机可分为标准型号，低档型号和高档型号。鉴于以上的优点，经过分析比较，根据本课题的特点，选用ATMEL公司89系列列标准型单片机AT89C51。五、系统软件设计及流程图步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。硬件方法是采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制；而软件方法是用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方法可简化电路，降低成本。本次课设中，我们采用89C51单片机来产生控制脉冲。本系统软件部分主要有以下四个功能：1.

13、 接收按键输入的值；2. 接收光电编码器的测量值；3. 对以上两个值进行处理，从而给出步进电机的控制脉冲；4. 将步进电机转过的角度输出显示到数码管上。本报告只对上述四个功能中的第三个进行详细说明，其他部分内容由小组其他成员来具体描述。5.1 步进电机控制脉冲的形成实现对步进电机的控制，单片机就能输出有一定周期的控制脉冲。先输出一个高电平，延时一段时间后，再输出一个低电平，然后再延时。改变延时时间的长短，即可改变脉冲的周期，脉冲的周期由步进电机的工作频率确定。5.2 步进电机的速度控制步进电机的转动是机械运动，如果转速改变过大，会出现所谓“失步”现象。当从静止开始启动时，启动频率越高，启动转矩

14、就越小，带负载能力下降，当转矩与负载相当时转速即为最高速运行频率。所以控制步进电机的运行速度，实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，即在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率逐渐减少。设键盘输入的目标角度值为 ，光电编码器测得的实际转动角度为 。单片机通过A/D接口从外围设备中读取到这两个角度值。由于本方案设定步进电机转动方向恒定，所以在步进电机工作时要控制其转过角度不能超过目标角度，故添加步长步频控制系统进行控制，以达到实际角度逼近目标角度而不超过的目的。计算差比值通过差比值 判断实际转过角度对目标角度的逼近情况，进而控制下一时刻步进电机的转速。 本设

15、计中将划分为三段，分别为加速阶段、恒速阶段、减速阶段，其中加速阶段采取线性关系，减速阶段采取抛物线关系，如下图所示： 转速30%70%采用该设计思路，目的在于步进电机刚启动时让电机加速转动以达到快速性的设计目的；中间段采用恒速，主要是考虑带负载是尽量保证电机的平稳运行；最后一段采用抛物线减速，以快速减速，使电机在短时间内降速并停止工作，不至于超过目标角度。程序流程图如下图所示：开 始 计算30%是线性加速70%是否恒速二阶减速否结果输入驱动程序结束六、收获及体会经过两个星期的辛苦努力，这次的课程设计终于得到了完成。从刚看到题目时的一头雾水，到现在对本次课设有了全面深入的理解，我的感触很深。首先

16、是与之前做过的电子课程设计不同，本次课程设计的题目要求更高。之前的课设主要用到的是数电和模电课上的知识，而本次课设涵盖的课程有自动控制原理、传感器原理、单片机原理及应用、C语言程序设计等等。复杂的题目要求不仅需要我们熟练掌握这些课程的知识，更需要我们学会将不同课程的内容综合起来，从而顺利的解决题目提出的要求。本次课设很好地提醒我们，要学会融合所学专业知识。其次是本次课设要求我们去查找大量的资料以得到想要的结果。教材上的东西毕竟是有限的，不可能把将来工作中遇到的问题一概囊括。本次课设中我们遇到的问题就是一个很好的例子。该角度测控系统用到了步进电机，而书上只介绍了步进电机的基本原理及主要特性，没有

17、覆盖如何选择步进电机的内容。为了明确选用哪个步进电机能符合相关电气参数，我们必须在网上查找相关资料，在大量的步进电机中筛选出满足电路要求的电机产品。这对我们查阅资料的能力是一个很好的锻炼。最后，本次课程设计让大家深深地体会到了团队合作的重要性。由于题目的要求较复杂，设计出来的角度测控系统也具有较复杂的结构，凭一个人的力量是很难在有限的时间内完成的，所以我们将系统设计按照功能拆分成了五个模块，然后分配到各个成员手中。为了保证系统的整体性，分别负责两个相连模块的成员必须保持沟通，不断协调，这样才能保证最终设计出来的系统是可行可靠的。如果大家各干各的，可能出现系统不能正常工作的情况，例如角度测量器测

18、得的信号不能被单片机接收并处理。两周的课程设计很快就要结束了，作为即将步入社会的大四学生，课程设计教会了我们很多教室里学不到的东西。通过此次课程设计，我认识到实际应用才是最能检验是否掌握了所学知识的办法。将来走上工作岗位，更应该学会灵活运用所学知识。同时，一个人的力量终究是有限的，团队合作能融合各人所长，集众人之力。参考文献1 何丽民，单片机初级教程，北京航空航天大学出版社.2 沙占友，王彦朋，孟志永，单片机外围电路设计，电子工业出版社.3 童诗白，华成英，模拟电子技术基础，北京高等教育出版社.4 姚燕南，微型计算机原理与接口技术，高等教育出版社.5 陆鑫、康建明，微机原理与接口技术，机械工业

19、出版社.6 黄继昌，张海贵，郭继忠，实用单元电路及其应用，人民邮电出社.7 谢宜仁，单片机实用技术问答，人民邮电出版社.8 张迎新，单片机初级教程单片机基础，北京航空航天大学出版社.附录程序代码主要部分#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table10 = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar refreshcon4=0x00,0x01,0x02,0x03;/* 名称 : Delay_1ms()* 功

20、能 : 延时子程序，延时时间为 1ms * x* 输入 : x (延时一毫秒的个数)* 输出 : 无*/void Delay_1ms(uint i)/1ms延时uchar x,j;for(j=0;ji;j+)for(x=0;x=148;x+); /* 名称 : Keyscan()* 功能 : 实现按键的读取。下面这个子程序是按处理 矩阵键盘 的基本方法处理的。* 输入 : 无* 输出 : 按键值*/uchar Keyscan(void)uchar i,j, temp, Buffer3 = 0xfe, 0xfd, 0xfb; /让矩阵键盘的每行分别为低电平for(j=0; j3; j+)P3 = Bufferj;temp = 0x10; for(i=0; i4; i+)if(!(P3 & temp) /判断P1口高4位某一行为低电平return (i+j*4); /返回键码temp = 1;/* 名称 : Main()* 功能 : 主函数* 输入 : 无* 输出 : 无*/void Main(void)uchar Key_Value; /读出的键值 uchar key_t