步进电机运动系统设计方案与对策及对策

-.-.-可修编-可修编.步进电机运动系统案设计专业：09机电一体化XX：乐治后学号：3指导教师：余德艳设计时间：2011.5.27-6.1步进电机运动系统案设计一、概述是如此，于是基于P89C668单片机的步进电动机运动掌握系统的研发就成了本次毕业设计的课题。二、硬件的选型本设计硬件选型包括步进电动机选型和P89C668单片机的选型，现对它们的特点和功能分别描述如下。〔一、步进电动机1、步进电动机简介都有应用。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比众多的领域中并得以不断的进展，并实现机电一体化和自动化。低，为步进电机的推广应用打下了良好的根底。步进电动机的应用领域格外广泛，在机械、冶金、电力、电子、仪表、轻工，以至医疗、印刷等行业都有使用。例如：计算机的外设、等均有应用。一般都用在工作难度较高，工作条件较差，或要求速度快、精度高的场合。随着大功率器件品质的提高，步进系统正在稳步进入一般功率甚至大功率的工业领域。2、步进电动机的特点步进电动机具有转矩大，惯性小，响应频率高的优点。另外还有以下特点：的变化、温度动)的影响，只要在他们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；步进电机的步距角有误差，转子转过肯定步数以后也会消灭累计误差，但转子转过一转以后，其累计误差为“零掌握性能好。在起动、停顿、反转时不易“丢步。步进电动机通常不用反响就能对的机电一体化系统中，使系统简化，并牢靠地获得较高的位置精度。承受直接数字掌握性能好。步进电机是依据脉冲个数打算旋转角度的，单片机只需测模块，从而简化了设计。步进电机的特征：优 点不需要反响掌握，电路简洁简洁与微型机算计连接停顿时有保持转矩维护便，价格廉价

缺 点效率低简洁引起失步有时发生震荡现象步进电动机具有白锁力量(变磁阻式)和保持转距(永磁式)。步进电动机的动念H向应快，易于起停、证反转及变速。措施。3、步进电机的工作原理分析机分别有3个、4个、5个绕组，其他依此类推。绕组按肯定的通电挨次工作，这个通电挨次步距角转动，使转子发生转动。片机产生，其根本掌握式如下：相序掌握式步进电动机的通电换相挨次格依据步进电动机的工作式进展一过程称为脉冲安排。现以四相步进电动机为例分析四相步进电动机的工作式：“拍”的意思是电：而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫作一“拍四相单四拍步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理。又环形安排器送来的脉冲信号，对定子绕组轮番通电，设先对A相绕组通电，B、C、D三相都不通电。由于磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点，因此在A极四周的转子就只受到径向力的作用而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。此时B、C、D三相的定子齿则和转子齿在不同的向各错丌360。／(k*m*z)的角度，其中k表示通电式，当为单拍时取k=1，双拍时取k=2；m为定子绕组的相数；z为转子的齿数。随后A相断电，B相掌握绕组通电，则转子就和B相定予齿对齐，转子顺时针向旋转360。／(k*m*z)的角度。然后使B相断电，C相通电，同理转子又沿顺时针向旋转360。／(k*m*z)的角度。转子就依据A—B—C—D—A……的旋转挨次运动下去。四相双四拍工作式原理当步进电动机依据AB—BC—CD—DA—AB……的挨次通电，则就成了四相双四拍工作式。其工作原理与四相单四拍一样，此处不进展具体说明。四相单双八拍工作式原理当步进电动机依据AB—BC—CD—DA—AB式。其工作原理为：当A和B通电时转子稳定位置将会停留在A、B两定子磁极对称的中心2．转向掌握式F转；假设按相反的挨次通电换相，则电动机就反转。例如，步进电动机从前的工作式为A—B—C—D—A…此时，步进电动机按顺时针旋转。假设改为A—D—C—B—A…时，则步进电动机的转向与原来相反，即，逆时针旋转。步进电动机工作时的通电掌握脉冲掌握。4、步进电动机的驱动要使步进电动机输出足够的转矩等；驱动电源可以是单电压驱动、凹凸电压驱动、高频调压驱动、以及细分驱动等。下面介绍几种典型驱动电路：阻要有较大的功率容量，并且开关管也要有较高的带载力量。此种驱动电路中的电阻较多，功率消耗大，电源的效率低。凹凸电压驱动电路，为了改善步进电动机的频率响应，改善激磁电流的波形，一种法是提高电流上升时间段的激磁电压，当电流上升到肯定值后，再将激磁电压减为额定值。化、芯片化。步进电机掌握(包括掌握脉冲的产生和安排)也可以使用软件法，即用单片机实要串电阻，电源功率损耗较小。斩波型驱动电路，这种电路承受单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，掌握功放管的开和关，使电流在掌握脉冲持续期间始终在规定值上下，来使步进电动机工作。〔二、单片机选型(8031和增加型8051)比较适合。因此，有必要对他们作简要介绍，以选择其一。现对8031作简要介绍。1、803l单片机介绍8031单片机是MCS-5l系列单片机的一种根本产品，现对其进展简洁描述，如下：·8031单片机有一个8位的CPU，一个128字节RAM，21个特别功能存放器，4个8位并行I／0端口，1个全双工异步串行端口，2个16位定时器／计数器，5个具有优先级别的中断源。·在803l外接一片程序存储器后，就构成了一个具有完整功能的微机应用电路。8031的晶振频率为12MHZ1μs，绝大多数指令执行时间为1～2μs4μs。·大局部指令为1字节或2字节，最长3字节。·此外，8031所具有的乘除法指令，多种形式的位操作类指令和规律运算指令也是独具特色的。·8031单片机有4个存储器空间，分别安排4种不同功用的存储器：(1)部数据存储器，集成于片，统一编址。(2)特别功能存储器，集成于片，统一编址。(3)程序存储器，安排在片外，单独编址。(4)外部数据存储器，安排在片外，单独编址。2、P89C668〔．描述P89C660／662／664／668单片机带6KB／32KB／64KB／64KBFlash存储器，该存储器既可并行编程也可以串行在系统编程(ISP)。 在实际的成型产品中可通过ISP升级用户程序。在BootROM程序中，可通过一个默认的串行下载器(UART)对Flash存储器作ISP编程，而在FlashBootROM中的标Flash(IAP)。该器件在6个时钟期执行一条指令，是传统的80C51的两倍。一个0TP构造位让用户选择传统的12个时钟期。其指令集和80C51一样。它有四个8位I／0口，三个16位定时器／大事计数器，多中断源，四个优选级，可嵌套中断构造，一个增加型UART和片振荡器以准时序电路。P89C660／662／664／668增特性使其成为一个功能强大的单片机，为某些应用供给FWMI／0和加／减计数，如汽车掌握。2．特点使用80C51中心处理单元，具有片可ISP和IAP编程的Flash存储器，BootROM包括底层的Flash编程子程序用于经过UART下载，可IAP编程，可用兼容87C51硬件接口的并行编程器编程。每个机器期612个时钟期操作可选,在每个机器期6个时钟期下速度高达20MHz相当于40MHz性能在每个机器期12个时钟期下速度高达33MHz。完全静态操作，RAM可外部扩展到64K字节，4个中断优先级，8个中断源，4个8位I／O全双工增加型UAIH包括桢错误检测和自动地址识别。功耗模式掌握，包括时钟可被中止和连续，空闲模式，掉电模式。可编程的时钟输出，两个DPTR存放器，端口异步复位1，低EMI制止AIE，PC串行接口。可编程的计数器阵列PCA，包括PWM和捕获／比较两局部，格外适合IPMI应用。综合以上可知，选择增加型8051(P89C668)单片机较适合。现对P89C668单片机的重点功能描述如下。38定时器／计数器O和1：2个16位定时器／计数器：定时器0和定时器1。两者可配置成定时器或大事计数器。用作‘定时器’功能时，每经过一个机器期，存放器加l。因此，可以将一个机器期看作计数期。由于一个机器期由6个振荡期组成，所以，定时器的计数率为1／6振荡频率。用作‘计数器’功能时，每当外部计数管脚，T0或T1，发生一次1到O的跳变，存放器加1。此功能中，外部输入脚每个机器期被采样一次。当在一个期采样为高而下一个期采样为低时，计数值增加1。的计数值在检测到跳变的期的下一期消灭在存放器中。由于识别1到0的跳变，要占用2个机器期(12个振荡期)，因此最大计数速率为1／12器’或‘计数器’的选择外，定时器0和定时器1还有4种工作模式可供选择。‘定时器’和‘计数器’功能通过特别功能存放器TMOD的C/T位米选择。两个定时器／计4种工作模式，由TMOD(M1，M0)进展选择。〔三、ISP系统编程(ISP——InSystemProgrammingP89C668增加型8051单片机的特色之一。ISP是指电路板上的具有该功能的单片机〔例如：P89C668〕可以编程写入最终用户程序代码，而不需要从电路板上取下该器件。同时，已经编程的单片机也可以用：ISP式进展擦除并可以实现再次编程。在ISP模式下得电时，可以进展ISP操作，在ISP模式下单片机通过串行端口与外部主机如PC机或终端通信。单片机从主机接收命令和数据用于擦除和再编程代码存储区等等。当ISP操作完毕时，应重配置单片机这样才能正常进展下一次操作。ISP的工作，是通过两个特别的存放器：BootVector引导向量和StatusByte状态字节的配置来实现的。系统复位失败时．MCLJ检测StatusByte的容。假设StatusByte为0时，系统上电复位后执行从地址0000h处开头，用户应用程序当StatusByte的容大于0时，BootVector的值作为执行程序的地址高位字节，低位字节为00H。工厂的缺省设置是BootVector等于0FCH，也就是说，BootVector容工厂掩模ROM的ISPBootROM的地址为0FC00H，用BootROMBootVector留意：当擦除StatusByte或BootVectorStatusByte后必需对BootVector在复位失败时，bootloader在以下状况下也会被执行：PSENEAVIHP2.6和P2.7是高电平或是悬浮上电复位时ALE为高电或悬浮，非零的状况一样，这样可以使系统正常执行最终用户程序，也可手工迫使系统进入ISP操作。ISP的特性是可以使闪速EPROM通过串行端口进展编程。ISP允使用较宽围的波特率，而与振荡频率无关，因此可以通过检测接收一个字符的时ISPU)到P89C668ISP固件能在接收到字符后自动回应。“0”表示文件完毕标志。在P命令或数据。当P89C668接收到一个记录，记录中的信息则在部贮存起来，并且完成校验和的计算。接收到整个记录之后，才执行表示记录类型的操作。对于数据类型的记录(记录类型为00中的校验和相符，而且记录中全部字节都被成功编程的状况下，单片机才发送字符。三、 开发工具〔一、μVision2KeilC51μVision2KeilSoftware’Inc／KeilElektronikGmbH开发的基于80C51C编译工具μVision2支持全部的Keil80C51C51编译器、宏汇编器／定位器和目标文件至Hex格式转换器，μVision2可以自动完成编译、汇编、程序等操作。〔二、μvision2μvision2forWindows：是一个集成开发环境，它将工程治理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中：C51国际标准化C穿插编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块：A51宏汇编器：从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块：BL51器／定位器：组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成确定目标模块：μvision2的软件调试器：μvision2试。调试器包括一个高速模拟器，可以使用它模拟整个80C51系统，包括片上外围器件和外部硬件。当从器件数据库选择器件时，这个器件的属性会被自动配置：μvision2的硬件调试器：μvision2硬件调试器供给了几种在实际目标硬件上测试程序MON51Monit0r-51GDIμvisjon2调试器同类似于DP-51PR0单片机综合仿真试验仪或者TKS系列仿真器的硬件系统相连接，通过μvision2的人机交互环境指挥连接的硬件完成仿真操作：LIB51库治理器：从目标模块生成器可以使用的文件：OH51目标文件至HEX格式的转换器：从确定目标模块生成IntelHex文件：RTX-51实时操作系统：简化了简单的实时应用软件工程的设计。〔三、ProtelDXP2004我们在做设计的过程中，需要绘制大量的图纸，以电路设计为例；完成一个电子产品的设计就必需先把自己的思想用特有的语言 图形表达出来就需要绘制出电原理图印刷板图、元件排列图、阻焊剂图、工艺说明、明细表、元件表等图纸资料。而手工绘制这些图纸需要花费大量的时间，并且要修改这些图纸也格外的繁琐，还很简洁消灭不必要的错误，工作效率极其的低现在我们可以将以上图纸用计算机来进展设计治理工作效率和质量有了大幅度的提高。下面来分别谈论ProtelDXP2004的优点和功能和一般使用法。ProtelDXP2004的优点和功能：格外简洁修改，尤其式印刷幅员。设计好印刷幅员后，可以自动生产元件排列图，焊接剂图。改印刷板图，使用这项功能比人工校对可提高效率一百多倍。随时可以通过打印机得到抱负的图纸。设计完电路后就需要制作其他的设计文档。如：工艺说明、明细表、元件表等。我们虽然也可以用WPS等工具将其打印出来，但不能满足规化的文档要求。由于在舰化的文档当中，有拟制、审核、工艺、描图、校对等小栏目。它们的位置、字体、大小各有异同。而WPS等软件要想一模一样地打印出来是小可能的。入图形和连接数据库，排版功能也格外有限。四、系统硬件设计实现〔一、概述本次毕业设计的系统硬件总体上分为三大块：通信接口和ISP功能电路设计；键盘与为驱动电路局部效劳的。它们的构造框图如下所示：图4．1硬件系统构造框图〔二ISPISPISP模式下，不需要特定的振荡频率产生波特率或编程脉冲时序，用户需要供给应P89C668P89C668的在系统编程是通过标准RS-232C串口来完成的，它是一种嵌的在线可编程，只需要增加少量的电路板面积和元件。因此只要微机配备了RS-232C串口，就可以直接通ISP功能的单片机系统和一般单片机系RS-232C串口的设计上做一下小的变动即可，ISP，用到了5个管脚：TXD，RXD，Vss，Vcc和Vpp，对于P89C668来说，Vpp=5V，其硬件原理电4.11、电路原理和器件选择在这里列出图中的主要器件名称及其在电路中的主要功能：P89C668：单片机，掌握发光二极管的输入，产生肯定时间的延时。MAX232：单片机串口的电平转换芯片，它的部构造也是达林顿的，特地用来驱动继电器的芯片，其含有反电动势的二极管。2.接口信号MAX232是异步串行通讯中应用最广泛的标准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械面的规定，适用于数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之问的接口，其中DTE主要包DCE的典型代表是调制解调器(MO—DEM)。3.电气特性MAX2320”的电平高于-3V，规律“1”的电平低于+3V；对于掌握信号，接通状态(0N)即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3v．因此，实际工作时，应保证电平在+3V到±15V之间。ULN2003的输出端允通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压约为36V。用动继电器或固体继电器(SSR)。外接掌握器件，也可直接驱动低压灯泡。OSC12MHz的立式晶振。LEDl~LED4：发光二极管，用来显示步进电动机的状态。RI~R3：限流电阻，防止发光二极管过流烧毁。阻值330欧。4、地址安排和连接在此仅列出设计中单片机与各个模块管脚的连接。TxD：MAX232的11引脚，MAX232的TTL电平输入引脚，连接单片机的TXD，TTL串口输入信号。RxD:MAX232的12引脚，MAX232的TTL电平输出引脚，连接单片机的RXD，TTL串口输入信号。2的142的22的D，RS-232〔三、键盘和显示电路设计断开状态，当键按下时才闭合(短路)。消灭键抖动的状况，在此不予争论。盘，单片机对它的掌握通常有以下几种式：程序掌握扫描式，即利用程序连续地对键盘进展扫描。定时器扫描式，即单片机定时地对键盘进展扫描。中断扫描式，即键按下引起中断后，单片机对键盘进展扫描。的运行结果和运行状态等，设计中承受二极管来显示各种不同状况下相应的运行和掌握状ISP3．2键盘和显示电路原理图。(S1～S4)来掌握显示器件——发光二极管的状态。电路原理和器件选择在这里列出和本设计相关的关键局部的器件名称及其在电路中的主要功能。P89C668：单片机，掌握键盘的电平输出。LED0～LED3：发光二极管，用于显示键盘的输入状态。ULN2003A：该芯片包含多个高电压的有用型达林顿管，还封装了一系列的电阻器，部电路图如图3．3所示。图3.3ULN2003As1～s4：S1、S2是两个带有自锁功能的按钮，SlS3、S4是两个点动开关。2.地址安排和连接。P1.4～P1.7：与独立的键盘的输出管脚相连，掌握和检测键盘的输入。P1.0～P1.3：接上拉电排阻，掌握独立键盘的扫描线处于高电平。S1～S4：S1是与P1.4P1.42是与5为高电寻常，发光二极管循环闪耀和步进电动机反转；S3与P1.6用来掌握步进电动机的加速，同时二极管指示，当P1.6为低电寻常，步进电动机加速转动；S4是与P1.7相连用来掌握P1.7为低电寻常，步进电动机减速转动。〔四、步进电机驱动电路设计定位。典型的步进电机驱动掌握系统主要由三局部组成：1.步进掌握器，由单片机实现。驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。步进电动机。是执行元件，用于带动其他的工作元件来完成所需要的功能。上述的三局部在我们设计的过程中都集成到了芯片之中，是由芯片来进展掌握的，ISP可以直接下载。步进电动机驱动电路图见附录3.4图。设计的过程中用到了TLP521—4芯片。电路原理和器件选择在这早列出和本电路有关的、关键局部的器件名称及其在电路中的主要功能：P89C668：单片机，通过ULN2003对光电耦合器进展掌握。ULN2003A：使单片机串口的电平转换芯片。TLP521—4：光电耦合器。它将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离CTR，应留意通常其值为0.2～0.9。输入数字信号供给肯定的电流(5—10mA)时，光电隔离器才会把放大的数字电平输出。光电隔离器联结时应留意信号『F负规律。光电隔离器的输入、输出端两个电源必需单独供电，否则，假设使用同一电源外部干扰信号可通过电源串到系统中来。光电隔离器的工作原理是：当它的发光二极管工作时，光电管受光的影响有电流通过，增、减变化的光信号。部构造如图3.5所示。图3—5TLP521-4P89C668单片机的P0.0～P0.3连接驱动芯片ULN2003的输入口INl～IN4。当P0.0口消灭高电寻常，通过ULN2003转换芯片掌握U4，发光二极管发光，光电晶体管导通，进而掌握步进电动机的状态。其他端口均如此。〔五、系统硬件电路设计总图此系统硬件电路图是我们设计的总图，包括上述各局部的硬件电路：ISP硬件电路图，8051五、系统软件设计实现〔一、系统的软件构成在显示电路中显示出来。本设计的软件局部由键盘和显示电路的软件设计，步进电动机掌握的软件设计两大局部构成。系统构造框图可表示为：键盘扫描键盘扫描P89C668单片机步进电动机驱动程序键盘显示图4．1系统构造框图现对框图中各局部的功能作简要分析：P89C668发出，处理等。步进电动机驱动模块程序：步进电机的运动是靠脉冲驱动，单片机每一个脉冲，步进发生变化。和掌握整个系统运行的状态位，从而最终掌握步进电动机的运动状态。键盘显示功能：是指通过显示器(本设计中应用发光二极管)的亮与灭来提示，步进电动机的起、停、正、反转，加、减速等的运动状态。〔二、系统软件流程图及其说明软件的设计主要是掌握步进电机的运动状态，即掌握单片机发送的驱动脉冲的发送频率。可承受下面两种法实现：①承受软件定时，②承受硬件定时种法。主程序流程图如以下图所示：开头开头调用键盘扫描否QD=1?电机停转是电机运转JK=1?是加大定时初值否JM=1?是减小定时初值否图4．1主程序流程图主程序流程图的说明：程序开头，按K1，K2，K3，K4挨次逐步进展扫描，推断是否有按键按下。置状态位，通过对P89C668端口的掌握，假设P1口有按键按下，即使其保持低电平，则相应的P0口掌握的步进电机的线圈通电，使步进电机开头转动。假设P1口没键按下，则P0口线圈无电流通过，此时步进电机停顿转动。步进电机正反转掌握程序在中断中进展，此时不与考虑，下文有特地的介绍。推断是否进入步进电机的加减速状态，程序通过转变每次进入中断时，转变定时初值到达加速目的。减速也与此理论一样。入口N入口NP1.4=1YQD=0QD=1NP1.5=1YZX=0ZX=1P1.6=0YN延时消JK=1NP1.7=0返回Y延时JM=1返回主程图4.2键盘扫描程序流程图键盘扫描程序流程图说明：步进电动机运动状态掌握读取P1