步进电机控制系统设计说明书

1、机电一体化强化训练单片机系统设计说明书步进电机控制系统设计院（系）机电系专业/方向 机械工程及其自动化班 级机械2班学生姓名 李指导老师姚超友2011年10月28日华南理工大学广州学院单 片机系 统设计 任务书兹发给08机械(2)班学生 李沛燃张滔李延庆陈晋林设计任务书, 内容如下：.设计题目： 步进电机控制系统设计.应完成的项目：课程设计任务书查找相关资料，确定设计方案；用 Altium Designer Winer 09绘制微机最小系统配置原理图和相关项目的接口原理图，并对其进行封装；用Keil uVision编写有关项目的程序，并进行调试；(4)按照相关项目内容要求，上机进行联调；(5)

2、编写课程设计报告。.参考资料及其说明：微机原理与接口技术课程设计 微机原理与接口技术微机原理与接口技术学习指导(1)李国栋 汪新中 陆志平 周盛华编著，微机原理与接口技术课程设计， 浙江 大学出版社，2007;(2)彭虎 周赔玲 傅忠谦编著，微机原理与接口技术，电子工业出版社，2009;(3)彭虎 周赔玲 傅忠谦编著，微机原理与接口技术学习指导，电子工业出版 2008;.本设计任务书于2011年10月28日发出，应于2011年11月4日前完成, 然后进行答辩。专业教研室、研究所负责人 审核2011年11月4日指导教师 签发2011年11月4_日设计评语:设计总评成绩：设计答辩负责人签字：年 月

3、 日目录摘要第一章绪论 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1设计任务及要求 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2方案比较及选择 5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 电机驱动选择方案 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document LED显示选择方案 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 按键状态的读取 6 HYPERLINK

4、 l bookmark30 o Current Document 3系统实现的原理 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 步进电机控制工作原理 6 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.1.1 步进电机的启停控制6 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 步进电机的转向控制6系统设计思路7 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 系统的整体框图 7 HYPERLINK l bookmark44 o Curre

5、nt Document 4系统的硬件设计 9 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 总体设计 9 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 步进电机控制电路 10 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析 10 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 步进电机控制电路 10显示电路11发光二极管显示电路 错误!未定义书签。 HYPERLINK l bookmark54 o C

6、urrent Document 八段数码管显示电路11 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 5系统软件设计 12 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 5.1 总体设计 12 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 5.步进电机的工作方式 125.1.2系统总体流程图 12 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 5.2关键模块设计 145.2.1. 三相步进电机模块设计 14 HYPERLINK l bookma

7、rk70 o Current Document 显示模块设计15 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 6小结及体会 16 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 附录： 18参考文献 20步进电动机可以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，并且用其组成的的开环系统既简单、廉价、又非常可 靠。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电

8、机的各相绕组的相序有关。所以 只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序.便可控制步进电机的输 出位移量、速度和转向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及 其它任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。本文主要介绍了步进电机控制系统的设计，针对四相五线步进电机的正反 转及调速控制，设计一简单的基于89S52芯片的单片机并设计程序对步进电机加 以程序控制，LED数码管显示状态。关键字：步进电机控制系统、四相五线、89S52芯片、单片机第一章绪论步进电机控制系统概述步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字执 行元件

9、，随着计算机应用投术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中 的普及与深入，步进电机的需求量越练越大。随着工业技术的不断发展，以及同类产品的不断出现，步进电机面临着前所 未有的挑战。但近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推 动步进电机的发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景，近几年来，步进电机需求量一直呈现出较快的增长速度，其中扫描仪、打印机、传真、 DVD-ROM/CD-ROM驱动器、空调及多功能自动化办公设备等应用对步进电机 的需求增长最强。此外由于 USB2.0的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售， 步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。步进电机有着方方面面重

10、要应用，如何对其进行有效控制，使其能够发挥最 大的优势是各个行业技术开发人员所共同关注的， 本文旨在设计一套较完整的通 用控制系统，对步进电机的转速、方向实行智能化控制，并能通过LED显示其转速。设计任务及要求设计一个四相五线步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：步进电机转速分为3缘 依次是30、120、240(r/min)。电机可实现正、 反转，可通过键盘输入项求的转速。(2)电机的正反转和转速用LED管显示出来。(3)电机启动时有升速过程。第二章方案比较及选择电机驱动选择方案方案1 ：使用功率三极管等电子器件搭建成功率驱动电路来驱动电机的运行。 优点是电路简单，但信号不够稳定，器件较大而

11、不便电路的集成。方案2:使用专门的电机驱动芯片ULN2004A来驱动电机运行。具优点是便 于电路的集成，且驱动简单，驱动信号稳定，不受外部干扰。通过对方案的比较，我选择使用电机驱动芯片来作为驱动。LED显示选择方案方案1:把所要显示的数据通过专用的七段显示芯片的转换输出给LED显示屏。具优点是输出简单，可以简化程序，但增加了芯片的费用。方案2:通过软件把所要的数据转化为七段显示的数据，直接通过单片机接 口来显示，具优点是简化了电路，但增加了软件编写的负担。通过对方案的比较，我选择通过软件编写来输出显示信号。按键状态的读取方案1：把按键接到单片机的中断口，若有按键按下，单片机接收到中断信 号，再

12、通过软件编写的中断程序来执行中断，优点是接线简单，简化了电路，但 软件编写较为复杂，不易掌握。方案2:不使用中断，直接把开关分别接在单片机的接口上，通过查询端口 信号来动作。具优点是程序得到简化，可读性加强。通过对方案的比较，我选择通过查询方式来读取端口信号。第三章系统实现的原理步进电机控制工作原理.1步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感，即振动感。为了使电机转动 平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ： 可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了 防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁

13、力矩： 锁定步进电机的转轴，使步进电机的转轴不能自由转动。步进电机的转向控制步进电机的正、反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转 向，四相双四拍步进电机通电顺为 AB-BC-CD-DA-AB时电机正转；当绕组按 AD-DC-CB-BA-AD顺序通电时电机反转.因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。3.1.2步进电机的速控制步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进 式旋转，驱动电脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可以改变步进电机 的转速。从图1可以看出，当改变输入

14、脉冲的周期时，ABCD四相绕组高低电平 的宽度将发生变化。这就导致通电和断电变化的速率发生变化， 使电机转速发生 变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度。系统设计思路此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机89S52, 4相5线步进电机，八段数码管，及一些其他相关元件设计而成。 可以通过开关来控制系 统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起， 同样由开关来选择工作模式。运转时，用4位八段数码管来输出步数。最后根据 思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。3.3系统的整体框图图1系统的整体框图第四章系统的硬件设计4.1总体设计设计一个单片

15、机四相五线步进电机控制系统要求系统具有如下功能:1、步进电机转速分为3级，依次是30、120、240(r/min)。2、电机可实现正、反转，可通过键盘输入要求的转速。3、电机的正反转和转速用 LED管显示出来。4、电机启动时有升速过程。根据设计要求用所做的硬件连线图如下图 1:图2总体硬件连线图3按键控制图4.2步进电机控制电路启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析原理图如下:RESET P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1 P3.6/WRP3.7/RD X2VI单片机采用89S521）键盘为4X4行列式键盘，按键设有1

16、0个数字键09,和6个功能键 依次是：正转、反转、回车、启动、停止、清屏。2）有4个LED管，1个用于显示正、反转标识，3个用于显示电机转速。步进电机控制电路将89S521进电机的输出控制口。原理图如下:图4步进电机的输出控制口O cl c】U2LED数码管四位七段数码管显示电路由89S52的P0 口取出显示码，从89S52的输出位选码，设计中我们主要用到 4 位显示步数既可。原理图如下：Ot OZ O d dCM图6 LED接线图共阳极将二极管的阳极连接在一起，接入 +5V的电压。一位显示器由8个发 光二极管组成，其中7个发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压 时，该段笔画即亮；不

17、加电压即暗。数码管显示器有两种工作方式，即静态显示 方式和动态扫描显示方式。为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方 式。本电路的“段控”和“位控”分别由 P0 口和P2 口控制，P2选中哪个数码 管，哪个数码管就亮，P0 口控制显示数字。第五章5系统软件设计5.1总体设计步进电机的工作方式这次选用的步进电机是4相5线步进电机，起工作电压为直流+4.5V,每相 电流为0.1A,电机线圈由四相组成，即：（N（BA）; 4 2（BB）;（I）3（BC）;小4（BD）, 驱动方式为二相激磁方式，各线圈通电顺序如下表：相 顺产小1小2小3小401100101102001131001逆时针方向回转

18、顺时针方向回转状态0状态3表中首先向小1线圈-小2线圈输入驱动电流，接着小2-（|）3, 313- 4 4,小4- （J）1,又返回到（J） 1- （J）式中：n步进电机的转速（转/分）；N 步进电机旋转一周需输出的字节数；（双四拍N=360/18=20）T 代表字节的输出变化周期。可通过不同长度延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种 步进速度。系统总体流程图设计说明：首先复位单片机，然后从P3 口读出键盘输入状态，判断是否启动。 启动后再次读取P3 口数据，判断工作方式并将对应的用来存储步进电机工作方 式字的数组首地址值给q。由P3.4 口的双向开关来控制步进电机的正反转，如 果

19、是正转则红灯亮，反转则绿灯亮。在电机每走一步后，步数记数加1,然后通过LED显示把工作步数显示出来。再从 P3 口把状态信息读出来，与之前的 P3 口的状态信息进行比较。如果状态信息没有改变，电机继续运行。如果状态信 息改变了，就需要重新返回程序的开端，对电机的运行状态进行判断，让电机 重新以新的状态运行。由此，开关的状态在电机每走一步都会查询一遍，做到 实时地反映。图7总体流程图5.2关键模块设计.四相五线步进电机模块设计设计说明：在此设计中，采用的是四相五线步进电机，对于步进电机模块的程序设计采用循环程序设计方法。先把正反转向的控制模型存放在内存单元中，然后再逐一从单元中取出控制模块并输出

20、。首先启动，选择步进电机的拍数，输入步数，然后读入正反转的控制模型驱动步进电机转动。四相五线步进电机的流程框图：图8四相五线步进电机的流程框图显示模块设计设计说明：显示模块是用4位七段数码管来显示工作步数。先将显示码存入数组中，指向最左边一位，然后取出要显示的数据，指向换码表首地址，取出显 示码，从P0 口输出显示码，P2 口输入位选码，显示出4位工作步数，最后修改 数组地址，求下一位位选码继续显示。图9显示模块的程序框图6小结及体会经过这一个学期学习，我对微机原理和接口技术这门课程有了一定的掌握。期末的这次课程设计，可以说是将课堂上学习的理论知识运用到实践中，帮助我 们更好地理解汇编程序设计

21、的原理和硬件接口的使用。课程设计中我们组的设计任务是步进电机的控制（实现转速与正反转的控制），我负责软件方面的工作。刚开始的几天，我们的主要任务是用AltiumDesigner Winter 09 绘制步进电机控制接口电路原理图和 Keil uVision3 的应 用方法。在这个过程中，通过自己的学习，掌握了绘制原理图的方法。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。这样，步进 电机控制速度，位置就很容易实现。步进电机的软件设计相对简单，但必

22、须搞清楚其工作原理，编程时一定要仔 细，一个小小的疏忽都要排查几次。这次课程设计每一组是分软、硬件的，很遗憾没有参加PCB板的焊接。还有就是步进电机的控制相对比较，而对于通过键值进行控制的方法，我现阶段的 所学知识还无法实现，所以还要对微机原理和接口技术这门课要继续巩固和深 化。附录：C语言程序：#include#includevoid delayl(void);void delay2(void);void display(int);int bs=0;main()char a,b,c,d,j,*q,done18=0 x01,0 x02,0 x04,0 x00,0 x01,0 x04,0 x02

23、,0 x00,done28=0 x03,0 x06,0 x05,0 x00,0 x03,0 x05,0 x06,0 x00,done314=0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x05,0 x00,0 x01,0 x05,0 x04,0 x06,0 x02,0 x03, 0 x00;P3=0 x20;delay1();L:a=P3;while(!(a&0 x08) P3=0 x20;a=P3;delay1();a=P3;if(a&0 x01)q=done1;if(a&0 x02) q=done2;if(a&0 x04)q=done3;if(a&0 x10) P3=0

24、x80;b=0;else P3=0 x40;/P3.5 口置1,绿灯亮，不工作/判断是否启动，若没启动则重新启动/判断工作模式/方式1模型/方式2模型/方式3模型/判断电机是否要正转P3.4 口为1,电机正转，红灯亮/P3.4 口为，电机反转，黄灯亮if(a&0 x04)b=7; else b=4;d=b;while(1) c=*(q+b);if(c=0)b=d;else P1=c;b+;bs+;display(bs);j=a；a=P3; if(a!=j) if(!(a&0 x08)bs=0; goto L; /判断电机步数是否走完/步数走完，电机重新再走/从P1输出电机控制信号/总步数加1/显示步数/判断P3 口状态信号是否改变/若为停止信号，总步数清零/状态信号改变，返回到开始，重新对电机控制void