简易步进电机控制系统

1、科信学院课程设计说明书（2012 /2013 学年第 二学期）课程名称 ： 单片机原理及应用 题 目 ： 简易步进电机控制系统 专业班级 ： 自动化 1023 学生姓名 ： 李博 学 号： 100412315 指导教师 ： 设计周数 ： 2 设计成绩 ： 年 月 日目录一、单片机11.1 什么是单片机11.2 单片机的特点11、片内存储容量较小:12、可靠性高:13、便于扩展:14、控制功能强:15、实用性好:1二、步进电机12.1 什么是步进电机12.2 步进电机的种类12.3 步进电机的特点11精度高12过载性好13控制方便14整机结构简单12.4 步进电机的原理1三、方案设计与选择1方案

2、一、1方案二、1方案选择、1四、电路设计11、键盘设计12、显示电路设计13、驱动电路设计14、原理图1五、程序1六、系统仿真1操作控制：1设计过程中遇到的主要问题以及解决办法1七、心得体会1八、参考文献1附录一、原理图1附录二、仿真图1附录三、元件清单1简易步进电机控制系统课程设计目的：本次课程设计要求设计并制作一个以MCS-51单片机为核心的简易步进电机控制系统，包含键盘输入电路、显示电路并实现电机的正反转。一、 单片机1.1 什么是单片机单片机是续计算机出现之后，并随着电器时代大到来，人们借助电气技术想实现了自动控制机械，自动生 产线甚至自动工厂，但依靠计算机去完成每一个自动的过程，反而

3、有些复杂以及资源的乱费；所以用更方便，更微小，更智能的微型处理器来处理工业现场的测控领域，控制领域，有着重大意义；更何况目前，彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥 控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子。现在单片机主要按用途，大体上可分为两大类： 1-通用型单片机 2-专用型单片机。 专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修该的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。其生产成本很低。 通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应 用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设 备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。 现在单片机主

4、要包括：中央处理器、存储器、特殊功能寄存器。1.2 单片机的特点单片机就是将CPU,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机，其主要特点如下:1、片内存储容量较小: 原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB.2、可靠性高: 因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机.系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏.许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠.3、便于扩展: 片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行

5、和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统.4、控制功能强: 具有丰富的控制指令:如:条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令.5、实用性好: 体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.二、 步进电机2.1 什么是步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化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（及步进角）。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。2.2 步进电机的种类步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、

6、和混合式（HB）三种。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 或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。2.3 步进电机的特点1精度高 一般的步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反 转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点2过载性好 其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载

7、加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；3控制方便 步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；4整机结构简单 传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。2.4 步进电机的原理图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。图1 它的工作过程是这样的：当有一

8、相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：ABCD或ADCB。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应

9、用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：L360 P×N式中：L为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。三、 方案设计与选择方案一、以MCS-51单片机为核心，ULN2003达林顿管为驱动单元，数码管为显示电路。方案二、以MCS-51单片机为核心，桥式电路代替达林顿管，数码管为显示电路。方案选择、因方案一中，部分元件成本较高，所以，选择方案二。四、 电路设计1、键盘设计该系统中只运用到三个控制按钮，即 “正反”，“换挡”，“启停”，由于按钮较少，所

10、以采用独立键电路，这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单，更使人易懂。2、显示电路设计采用LED数码管动态显示数据与个项参数，方法简单，容易控制，成本低。3、 驱动电路设计驱动电路可分为：三极管直接驱动，采用斩波恒流驱动方式（图4.31）和芯片驱动电路等。驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。驱动芯片ULN2803。ULN2803是一种大电流高电压型器件，外电路简单（图4.32）。还有就是本电路采用桥式电路，成本较低。（如图4.33）图 4.31图4.32 图 4.334、 原理图五、 程序#include <reg51.h> /51芯片定义头文件#define

11、 uchar unsigned char#define unit unsigned int#define ON 0#define OFF 1sbit K0=P14 /定义按键sbit K1=P15SBIT K2=P16sbit MA=P25 /定义步进电机的控制端sbit MB=P26sbit MC=P27sbit MD=P28sbit A=P0 /sbit B=P1sbit C=p2sbit D=p3uchar np;/步进电机运行数据表const uchar motortb=0x11,0x99,0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0x33;void delay(uchar t

12、)/每步延时子程序uchar i;uint j;for (i=0;i<t;i+)for (j=0;j<900;j+);void a_step(uchar d,uchar t) /步进电机走一步，d=0正转，d=1反转 t越大走得越慢if (d&0x01)if (np=0)np=7;else np-;elseif (np=7)np=0;else np+;PORTC=motortbnp;delay(t);void a_turn(uchar d,uchar t)/步进电机走一圈uchar i;for (i=0;i<96;i+)a_step(d,t);void main(vo

13、id)DDRC=0xff;PORTC=0x44;np=4;while (1)if(K0=0) /如果K0按下 while(K0=0) /再次确认K0被安按下 MA=0;MB=1;MC=0;MD=1; /电机实现正转a_turn(1,1);if(K1=0) /如果K1按下while(K1=0) /再次确认MA=1;MB=0;MC=1;MD=0; /电机实现反转a_turn(1,1);if(K2=0) /如果K2按下while(K2=0)/再次确认MA=1;MB=1;MC=1;MD=1;/电机停止六、 系统仿真操作控制：本电路经调试符合题目要求，各项技术指标均达到设计的目的。具体操作控制方法如下：

14、1、当按下启停按钮时，步进电机根据制定默认状态开始转动；2、当再次按下启停按钮时，步进电机停止转动；3、当按下正转按钮时，步进电机正转；4、当按下反转按钮时，步进电机反转； 设计过程中遇到的主要问题以及解决办法1、仿真时数码管显示有闪烁，在程序中多加上几次display（）函数即可。2、步进电机在仿真调试的时候，出现往返转的情况，即不能正常转动，PROTEUS中的步进电机MOTOR -STEPPER，不知道具体型号，即不知道其内部接线结构，经过反复的调试，才得以解决问题。在仿真调试成功的前提下，进行硬件调试的时候，出现步进电机不转的情况，这是因为仿真的步进电机和硬件的步进电机是两个不同的型号，

15、不同步进电机所允许的最快转动速率是不同的，在设置延时程序的时间参数时，一旦超过此值，电机就不能启动。所以硬件调试时，需要重新设置延时程序的时间参数，问题才得以解决。七、 心得体会通过近两周的课程设计，我学到了很多东西，也知道了要想学到有用的知识，在上课时间学到的很少，学到有用的东西都是在工程实践中学习，我们一直都说要锻炼自己的动手能力，其实不是说老师怎么说你就怎么去做，而是在工程实践中发现问题，然后不断的去解决问题。在一个设计项目中都是一个团队协作，一个人的能力和知识都是有限的，要有较强的团队协作精神，组员之间互补，在课程设计的过程中，我们遇到过很多困难，包括步进电机的最高频率、程序优化等知识，但是我们通过网上找资料，图书馆查资料，请教老师，然后一个一个的去解决，感觉自己有很多收获。在这个过程中，老师的付出最多，给我们指导，为我们讲解，给我们检查错误，在此表示感谢，这次课程设计非常成功。八、 参考文献1姜志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选.M.北京：清华大学出版社，20082. 张永枫.单片机应用实训教程M.北京：清华大学出版社，20083. 张荫等.单片机应用系统开发综合实例. M.北京：清华大学出版社，20084. 赵建领，51单片机开发宝典，电子工业出版社，20085. 史敬灼， 步进电动机伺服控制技术M .2007年3月第2版：23-356.