【精品】步进电机研究报告

1、步进电机控制器1. 课题名称基于51单片机设计并实现步进电机的控制2. 内容介绍 用51单片机实现28byj48型四相八拍步进电机的控制。 使用单片机输出四路脉冲信号送到驱动电路uln2003,驱动步进电机的和 应绕组得电，即步进电机获得脉冲，而产生一定的角位移。单片机循序 不断的输出时序脉冲，就可以实现步进电机的旋转。 步进电机的控制主要通过6个按键來实现，这6个按键分别表示“正转”、“反转”、“加速”、“减速”、“消铃”和“停止”，从而实现电机的转向， 转速，停止，报警的控制。 通过加减速按键，对电机的转速进行控制，数码管显示转速的等级，一 共有8个转速等级。 当电机转速超过最高等级时，蜂

2、鸣器鸣叫，发出超速报警信号，同时自 动停止电机。再按卜减速键调节时，屯机又可以按设定转速自动转动。 当电机正转时，按下反转键，电机可以自动切换到反转状态，无需按下 停止键。3国内外现状随着计算机技术和数字控制技术的发展，步进电机的应用也日益广泛。 日前，步进电机应用于磁盘驱动器、数控机床、轧钢机、机器人、以及门动 化仪表等方面。近10多年來我国微电机市场一直吸引国内外企业投资。国内巨大的市场 潜力和丰富的资源、廉价的劳动力等优势，吸引了众多跨国公司和国内上市 公司的冃光。步进电动机国外早已发展高性能的混合式结构，我国混合式步进电机 90年代才开始发展，混合式电机的使用量近年也在不断增长。近年来

3、，为克服步进电机低速转动时振动和噪声人的缺点，通过步进电 机通过改变减速比等机械传动避开共振区；采用带有细分功能的驱动器；换 成步距角更小的步进电机，如三和或五和步进电机；换成交流伺服电机，几 乎可以完全克服震动和噪声；在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产 品，但机械结构改变较人，使得步进电机的发展更有前途。近年，又采用步进电机的细分技术，减弱或消除步进电机的低频振动， 更有利于减小噪声，同时提高电机的运转精度，使步进电机的控制更为精确。步进电机因其特有的工作方式，还是有很大市场的，尤其在精度比较高 的仪器上，做开环闭环控制上很实用，但是控制部分很少用到51单片机了， 51的资源和速度只足

4、以做简单的控制。本设计只是为了实现低速的电机控制，51单片机足以实现所需功能，考 虑到价格合理，设计简单，操作方便，接线简单等优势，由于经费问题，仍然 选用51芯片控制。4.创新之处可以直接在正反转z间进行切换，不需要小间按停止键，而且正反转z 间切换时间很短。当电机超速时，电机自动停止，发出报警信号，便于操作者进行降速的 调节，同时当转速调整后，电机可以恢复到原來的运转方向和状态。通过数码管显示转速的等级。采用lln2003控制电路，基本原理如门单片机输出四路脉冲信号,经过非门和限流电阻,送到uln2003a。由uln2003a放人后分给相应的绕组，步进电机的每相绕组并上一个二极管，口 的是

5、防止在三极管瞬间截止时，绕组电感所产生很高的感应电动势击穿三极 管。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距，此次采用八拍 控制，实现电机的转动控制。步进电机28byj48型四相八拍电机，屯压为dc5vo当对步进屯机施加一系 列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电 机的某一相或两和绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一 个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步 进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四 拍（a-b-c-d-a）,双（双相绕组通电）四拍（ab-bc- cd-da-ab

6、）,八拍 （a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a）；此次设计采用八扌控制，控制时序如下表。表3-1步进电机正转的旋转相序:橙黄粉蓝十六制（p1 口）10000x081100oxoc01000x0401100x0600100x0200110x0300010x0110010x09反转的旋转相序正好与之相反。14023933843753663573483393210311130122913281427152616251724182319222021t2pi.0t2expi.ip1.2p1.3p1.5p1.6p1.7rstrxd p3.0 txd p3.1into p3.2ikti p3.3t0

7、p3.4t： p3.5wrp3.6r15p3.7xtal2 xtal1gndlujijlujuljljljljljljljljljljlj 匸gpo.oro.po.po.po.popopo.p4alp4.p2.p2p2p2.p2p2p2p2 mnnrmnnnnnnnnnnnnn6 5 4 3 2 105具体过程5.1硬件电路设计5.1. 1单片机的最小系统1.单片机：本次设计使用单片机芯片stc89c51煦4kb的flash存储器擦写次数1000图 511stc89c51 引脚图次;内含128字节的ram；具有32根可编程i/o线;具有2个16位编程定时器stc89c51的工作特性：具有6个屮

8、断源，5个屮断矢量，2级优先权的屮断结构；具有1个全双工的可编程串行通信接口；具有1个数据指针dptr；具有可编程3级程序锁定位；-stc89c51的工作电源为5 (1±0.2) v且典型值为5v； stc89c51最高工作频率为24mh乙 stc89c51的编程频率为324mh乙 编程启动电流和启动电压分别为1ma、5或i2vo2晶振：本次设计釆用的是12m的晶振，电路图如下:y212mhzc930pfcio3opfgkid图51一2晶振电路两只电容在20pfloopf z间取值，其取值在60pf70pf时振荡器频率 稳定性较高，按照-般经验，外接晶体时两个电容的取值为3opf；外

9、接陶瓷振 荡器是两电容的典型值是47pfo3 复位电路：在时钟电路工作后，只要在单片机的rst引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2 个机器周期）以上的高屯平，单片机便可实现初始化状态服务。为保证应用系统 可靠的复位在设计复位电路时，通常使rst引脚保持4ms以上的高屯平，只要 rst保持高电平，mcs-51单片机就会循环复位；当rst从高电平变为低电平 时，mcs-51单片机就从0000h地址开始执行程序，在单片机复位的有效期间， ale、psen引脚输出高电平。本次设计采用的是手动复位，其电路图如下：rst±.c1 1lufrst图513复位电路4 电源电路：以usb接口作为电源接口5

10、.1.2步进电机驱动电路:由于单片机接口信号不够人需要通过uln2003放大再连接到相应的电机接 口，对电流进行放大，从而增加驱动力。由于uln2003不仅有放大信号作用，同时有将信号取反的功能，所以加 74ls04反和器，使得输入的脉冲信号与电机正反转所需的时序信号一致，便于 控制。从单片机输出四路脉冲信号,经过非门和限流电阻,送到uln2003ao由 uln2003a放大后分给和应的绕组，步进电机的每和绕组并上一个二极管，h的 是防止在三极管瞬间截止时，绕组电感所产生很高的感应电动势击穿三极管。非 门采用74ls04芯片，其内部共有六个独立的非门，这里只用了其屮的四个。uln2003驱动器

11、的管脚图:图514uln2003驱动器的管脚图步进电机驱动电路:r4|r3|k.714.7hr54.7k1r 12r 24r 45lln200316 mlis m214 m3hm42ttto匸td lr2r3r4r5r6r7rg1 2 3 4 5 6 7 c qqqqqqqcv uln2003+5+5 step mtrtm4ml1345图515步进电机驱动电路5.1.3键盘电路设计键盘含有16个键，有9个数字键，分为四行四列，四列分别对应p0.0,p0,p0.2,p0.3 口，二行分别对应 p0.4,p0.5, p0.6, p0.7 口。键盘连接电路图如下所示：图516键盘电路图按键分配为：k

12、ey0：屯机正转启动；key1：电机反转启动；key2：电机转动停止；key3：电机转动加速；key4：电机转动减速；key5：消铃键，当电机转速超过最高等级时，喇叭处丁讳响的状态，电机停止转动，此时按此键停止喇叭的蜂鸣。5.1.4蜂鸣器电路设计蜂鸣器电路由单片机芯片的p1.0 口驱动。蜂鸣器电路图如下：图517蜂鸣器电路当电机的转速己经达到最高等级，而此时仍然按动加速键，则蜂鸣器响，提 醒超速转动，发出警报，并停止电机的转动。5.1.5转速等级显示电路图518数码管显示电路利用74hc164芯片作为位码的移位控制，ab端输入1,而使位选信号流水 移动，确保每次只有一位选通，同时通过uln28

13、03芯片对驱动信号放人，确保 数码管有足够大的驱动电流。利用74hc574锁存器进行数码管段码的锁存。74hc164是8位串入、并出移位寄存器。74hc164是高速硅门cmos器件, 与低功耗肖特基型ttl (lsttl)器件的引脚兼容；是8位边沿触发式移位寄存 器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端(dsa或dsb)之一dsa1迴vccdsb2迴q7q0312 q6q14164tt| q5q25"lol q4q369| mrgnd7n cp图 51974hc164串行输入；任一输入端可以用作高电平使能 端，控制另一输入端的数据输入。两个输入 端或者连接在一起，或者把不用

14、的输入端接 高电平，一定不耍悬空。时钟(cp)每次由低 变高时，数据右移一位，输入到qo, q0是 対个数据输入端(dsa和dsb)的逻辑与， 它将上升时蚀沿z前保持一个建立时间的长度。主复位(mr)输入端上的一个低屯平将使其它所有输入端都无效，同时非同 步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。当直接利用74hc164的输出信号直接驱动数码管时，由于电流比较小，数码 管数值显示亮度不够，加uln2803芯片将信号放大。uln2803是高压、大电流 达林顿阵列，每一个包含8个开漏的集电极达林顿对，它们之间共发射极。每一 通道额沱电流为500ma,能够承受的最人漏电流为600 ma,内部集成抑制二

15、极 管用以感性负载，输入端接相反的输出端以简化电路板布局，输出电流(单输出) 最大500mao利用数码管显示电路显示电机转速的等级。5. 1. 6总体硬件电路5.1.7实物图:5. 2软件设计5. 2.1主程序流程图:图521主程序流程图5. 2. 2软件程序清单:# include<reg51.h>包含头文件# definedataport po定义数据端口# definezqd0设正向启动# definefqd1/设反向启动# definestop2/电机停止转动# definejiasu3/电机加速键值# definejiansu4/电机减速键值# definexiaolin

16、g 5喇叭提醒消铃键值/定义锁存使能端口段锁存/位锁存定义步进电机连接端口sbit latch 1=p1a6;sbit latch2=pia5;sbit hc164ab=p0a7;sbit laba=plao;sbit al=p2a0; sbitbl=p2al;sbit c1=p2a2;sbitdl=p2a3;#define coil.ab 1 al=0; b1=o;c1=1;d1=1; /ab 相通电，其他相断电#define coil.bcl al=l; b1=o;c1=o;d1=1; /bc 相通电，其他相断电 #define coil.cdl al=l; b1=1;c1=o;d1=o;

17、 /cd 相通电，其他相断电 #define coil_dai a1=o;b1=1;c1=1;d1=o; /da 相通电,其他相断电 #define coil_al a1=o;b1=1;c1=1;d1=1; /affl通电，其他相断电 #define coil_bl a1=1;b1=o;c1=1;d1=1; /b 相通电,其他相断电 #define coil_cl a1=1;b1=1;c1=o;d1=1;/c 相通电，其他相断电 #define coil_dl a1=1;b1=1;c1=1;d1=o; /d 相通电,其他相断电 #define coil_off a1 = 1;b1=1;c1 =

18、 1;d1 = 1; 全部断电unsigned char code duanma= ox3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/ 共阴,显示段 码值0funsigned char dengji=o;速度等级unsigned char speed=24;unsigned char keyval;键盘扌扌苗的键值us级延时函数声明ms级延吋数码管显示函数 键盘扫描转速过高的提解unsigned charzflag; 正向转动的标志 static unsigned char time

19、s,i;void delayus2x(unsigned char t); void delayms(unsigned char t); void display(unsigned char disval); unsigned char keyscan(void); unsigned char readkey(void);void baojing(void);关扬声器停止电机锁存第一个数码管*/void main (void)laba= 1;p2=0xff;th0=0xle;tl0=0x0c;tmod=0x 10;et0=l;et1 = 1;ea=1;hc164ab=1;latch2=1;lat

20、ch2=1;latch2=0;times=0;i=0；while (1)/主循环display(dengji);keyval=readkey();if(keyval!=oxff)switch (keyval)case zqd: tr1=1 ;重新赋值1ms重新赋值1mszflag=l;thl=(65536-1000)/256;tll=(65536-1000)%256; break; case fqd: tr1 = 1 ;zflag=o;th 1=(65536-1000)/256;tll=(65536-1000)%256; break;case stop: tri=0;p2=0xff;times

21、=0;i=0; break;)case jiasu:if(dengji<8)dengji+; speed=speed-3;elsebaojing();break;case jiansu:if(dengji>0)dengji-;speed=speed+3;break;default: break; us延时函数，含有输入参数unsigned chart,无返冋值 unsigned char是定义无符号字符变量，其值的范围是0255这里使用晶振12m,精确延时请使用汇编，大致延吋 长度如下t=tx2+5 us*/void delayus2x(unsigned char t)while(

22、t);ms延时函数，含有输入参数unsigned chart,无返冋值 unsigned char是定义无符号字符变量，其值的范鬧是 0255这里使用晶振12m,精确延时请使用汇编*/void delayms(unsigned char t)while(t)大致延时imsdelayus2x(245);delayus2x(245);显示函数，用于动态扫描数码管num表示需要显示的位数，如需要显示99两位数值则该值输入2*/void display(unsigned char disval)dataport=duanmaldisval% 10;/取显示的个位latch1 二 1;latch1=1;

23、/段锁存latch 1=0;按键扫描函数，返冋扫描键值*/ unsigned char keyscan(void) 键盘扫描函数，使用彳了列逐级打描法 unsigned char vai,keyport,tempkey,row,cow;dataport=0x0f;/高四位置高，低四位拉低if(dataport!=oxof)表示有按键按下delayms(lo); 去抖if(dataport !=oxof) row=0;cow=0;keyport=0xef;dataport=keyport;tempkey=dataportloxfo;while(tempkey=oxff)检测按键所在行row+;k

24、e yport=ke y port« 1;keyport=keyport 10x01;dataport=keyport; tempkey=dataportloxfd;1if( tempkey !=oxff)if( te mpke y=0xte) cow=0;else if(tempkey=oxfd) cow=l;else if(tempkey=0xfb) cow=2;else cow=3; / 检测按键所在列val=row*4+cow;elseval=0xff;return vai;读取键值函数*/unsigned char readkey(void)unsigned keynum;

25、keynum=keyscan();if(keynum!=oxft) while(keyscan() !=oxff); 等待按键松开return keynum;转速过高的报警子程序*/ void baojing(void)p2=0xff;tr1=o;/关闭电机times=0;i=0；tro=1;while(readkey() !=xiaoling);tr0=0;laba=l; 关扬声器定时器1中断子程序 */ void timero_isr(void) internipt 1 using 1 th0=0xle;tl0=0x0c;laba=-laba;定吋器中断子程序*/void timerl_i

26、sr(void) internipt 3 using 3 th1=(65536-1000)/256;重新赋值 1mstll=(65536-1000)%256;if(times=speed)times=o;if(zflag=l)switch(i)case 0: coil_a 1 ;i+;break;j case 1: coil_ ab 1 ;i+;break; case 2: coil_b 1 ;i+;break; case 3: coil_bc 1 ;i+;break;) case 4: coil_c 1 ;i+;break; case 5:coil_cdl;i卄;break; case 6:

27、 coil_d 1 ;i+;break; case 7: coil_da1 ;i+;break; case 8:i=0;break; default: break;) elseswitch(i)case 0: coil_a 1 ;i+;break; case 1: coil_dal ;i+;break; case 2: coil_dl;i+;break; case 3: coil_cd 1 ;i+;break; case 4: coil_c 1 ;i+;break; case 5: coil_bcl;i-h-;break; case 6: coil_b 1 ;i+;break; case 7:

28、 coil_ab 1 ;i+;break; case 8: i=0;break; default:break;elsetimes+;5. 2.3软件调试分析=| file edit view project debug flash peripherals tools sws lindw help_ | 占 x簡空后丹 您念xb 'ahl3必谢梯辻i 匕；xs|target 1project workspacexb lj 1& 臼 source group i 的 dcmtrtist c01 smclude<reg52. h>02 sbit keyjjp=p32: z

29、/iehlsbt03 sbit key.dow=p3-3;/h04 sbit key.stop二p3p;停止®t05 5bit zz二p0:/控制瑞06 sbit fz=pri;/|$制瑞07 sb讥 beep = p36: /«««!$制站口p36 06 unsigned char keyv, teapkeyv.12 3 k k k 曲餉的09 void de lay (unsigned mt n) 10e)unsigned mt ji; for/ for(jj=0：jj<125:jj+) ：dcitrtestbuild target '

30、target 11 compiling dcktrtest.c. linking mdmoprogram size: data»ll.0 xdata»0 code»170 creating hex file from "dcmtrtest” ,dcfrtest, - 0 error(s), 0 warning(s).build command findrfies /k«xl bonitor*51 drxvtt图5-2-2 keil软件调试界面图1. 无法编译成功：编译软件提醒未定义p2等变量，由丁使用c语言编写软件，直接使用 了单片机的端口名称，所以必须增加v reg51 .h>的头文件。增加语句：# include < reg51 ,h>/包含头文件2. 函数返冋值类型与参数类型不一致：修改了函数的入口参数，返凹值的类型，从而正确调用函数，使得返回 值与被赋值的参数类型一致。5. 3硬件调试分析5.3.1硬件电路基本检查：硬件调试主要是检