步进电机速度控制器的设计

学校代码：10128学号：学校代码：10128学号：专业综合训练题目：步进电机速度控制器设计学生姓名：学院：系别：专业：班级：指导教师：二〇一三年月日摘要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，电机那么转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用80C51型单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现了电机调速与正反转的功能，并使用EDA软件Proteus对设计结果进行了仿真。关键词：步进电机；单片机；调速系统；ProteusAbstractSteppingmotoristheelectricalpulsesignalintoangulardisplacementorlinedisplacementoftheopenloopcontrolelement.Intheoverloadofthecases,motorspeed,stoppositiondependsonlyonthepulsesignalfrequencyandpulsenumber,andnotaffectedbythechangeofloadeffects,whichgivemotorandapulsesignal,themotoristurnedastepAngle.Thislinethepresenceofsex,plusthesteppingmotoronlyperiodicerrorandnocumulativeerroretc.Makethespeed,positioncontrolfieldsusingsteppermotortocontrolthechangeisverysimple.Thestepmotorspeedcontrolisgenerallychangeinputstepmotorpulsefrequencytoachievethestepmotorcontrol,becauseeverystepmotortoapulsewillturnafixedAngle,whichcanthroughcontrollingthestepmotorapulsetothenextpulsetimeintervaltochangethepulsefrequency,thelengthofthedelaytospecificcontrolstepAngletochangethemotorspeed,soastorealizethestepmotorspeedcontrol.Inthisdesignschemewith80c51singlechipmicrocomputertypeinternaltimerchangeCPpulsefrequencysoastorealizethesteppingmotorspeedcontrol,realizedthemotorspeedcontrolandpositiveandnegativetransferfunction,anduseEDAsoftwaretodesignProteussimulationresults.Keywords:steppingmotor;SCM;Speedcontrolsystem;Proteus目录引言1第一章电路设计21最小单片机系统设计21、180C51单片机引脚功能介绍21、2时钟电路31、3复位电路42驱动电路的设计53显示电路的设计53、1LCD12864引脚功能54键盘电路的设计7第二章系统的仿真71、系统仿真图72、源程序83、系统仿真运行流程8总结12参考文献13附录一14附录二15引言随着大规模集成电路技术的开展，出现了单片机。单片机全称单片微型计算机〔SingleChipMicrocomputer〕，顾名思义，单片机是在单硅片上集成了微型计算机主要功能部件的集成芯片。由于其体积小、功能强、可靠行高、价格低、功耗小、指令简单、易于开发，同时由于嵌入式C语言的普及，单片机备受用户欢送，在新产品研发、工业自动化以及各种控制领域中被广泛采用。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机那么有定位和运转两种根本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转动一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的鼓励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，广泛应用在高精度、高响应性、高可靠性的机械系统中。步进电动机已经成为直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机，传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机作为一种高可控性的特种电机，利用其没有误差积累(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。近年来国外步进电机控制领域的研究很活泼，开展迅速，相继研究出一些高性能的微步驱动器。对步进电机进行单片机控制是步进电机控制技术的开展趋势，如何更好的使用单片机来控制步进电机正是本课题的研究所在。此外，英国Labcenterelectronics公司推出的嵌入式设计仿真与开发平台Proteus中，用户可以根据需要搭建开发平台，将编译好的目标代码加载到芯片中。目前支持的编译器有Keil、GNU以及IAR等。这些编译器都可以与Proteus软件整合，实现源代码级调试，即通过这些编译器在Proteus软件中调试程序。在Proteus软件中还可以查看多种调试信息，如源代码执行情况、CPU存放器信息、变量值以及Flash与RAM中的信息等。大量的元件库支持大型设计，而且在仿真中还可以观察各元件的状态。对于这样的仿真平台，从某种意义上讲，弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。第一章电路设计本系统设计主要包括最小单片机系统、步进电机驱动电路、LCD显示电路、键盘电路等设计。1最小单片机系统设计本次设计选用80C51作为步进电机的控制芯片。80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改良了8048的缺点，增加了如乘〔MUL〕、除〔DIV〕、减〔SUBB〕、比拟〔CMP〕、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。采用40引脚双列直插式DIP〔DualInLinePackage〕，内有128个RAM单元及4K的ROM。80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。1、180C51单片机引脚功能介绍图1-180C51引脚图电源:⑴VCC-芯片电源，接+5V；⑵VSS-接地端；时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。控制线:控制线共有4根，⑴ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址②PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。⑵PSEN:外ROM读选通信号。⑶RST/VPD:复位/备用电源。①RST〔Reset〕功能：复位信号输入端。②VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。⑷EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。①EA功能：内外ROM选择端。②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号〔属控制总线〕。1、2时钟电路图1-280C51时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比拟稳定，实际使用中常采用这种方式，如图1-2所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反应元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图1-2中外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30pF，晶振频率选12MHz。1、3复位电路图1-380C51复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能存放器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(1/0)端口存放器置为FFH，堆栈指针SP置为07H，SBUF内置为不定值，其余的存放器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。复位操作有两种情况，即电复位和手动(开关)复位。本设计采用手动复位方式。图1-3中电阻、有极性电容、开关组成手动复位电路，其值R取为10K，C取值为10uF，开关闭合，系统处于初始状态。2驱动电路的设计一般脉冲分配器输出的驱动能力有限，不能直接驱动步进电机，而需要经过一级功率放大，即功率驱动电路。本设计选用了单极性功率驱动电路，将单片机产生的脉冲信号通过达林顿管ULN2003放大，然后输出给步进电机。ULN2003也是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平，继电器得电吸合。功能特点：高电压输出50V输出钳位二极管输入兼容各种类型的逻辑电路应用继电器驱动器。连接图如图2-1。图2-1步进电机驱动电路图3显示电路的设计本系统的显示局部采用LCD12864液晶显示模块。选取Proteus中的AMPIRE128×64，它的液晶驱动器为KS0108。3、1LCD12864引脚功能引脚符号状态引脚名称功能CS1，CS2输入芯片片选端，都是低电平有效CS1=0开左屏幕，CS1=1关左屏幕CS2=0开右屏幕，CS2=1关右屏幕RS输入数据/命令选择信号RS=1为数据操作，RS=0为写指令或读状态RW输入读写选择信号R/W=1为读选通，R/W=0为写选通E输入读写使能信号在E下降沿，数据被锁存(写)入液晶，在E高电平期间，数据被读出DB0—DB7三态数据总线数据或指令的传送通道RST输入复位信号，低电平时复位复位时，关闭液晶显示，使显示起始行为0，可以跟单片机的复位引脚RST相连，也可以直接接VCC，使之不起作用V0液晶显示器驱动电压-Vout-10VLCD驱动负电压4键盘电路的设计图4-1键盘连接图键盘的连接一般有两种方式，一种是独立式键盘；一种是行列式键盘。独立式键盘就是各个键相互独立，每个键盘接一根输入线，通过检测输入线的电平状态来确定那个键按下。这种键盘的输入线较多，结构复杂，一般适用于按键较少操作速度较高的场合。而行列式键盘是由行线和列线交叉组成，一般用于按键较多的场合。本次设计一共16个键，因此采用行列式键盘，行列式键盘的示意图如4-1所示。第二章系统的仿真在控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。随着计算机仿真技术的出现和开展，可用计算机对系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，ProteusISIS是一个实时仿真软件，用来仿真各种嵌入式系统。它能对各种微控制器进行仿真，本系统即用ProteusISIS对步进电机控制系统进行仿真。1、系统仿真图见附录一2、源程序见附录二3、系统仿真运行流程当连接好仿真图和载入80C51的执行文件后，单击Proteus的仿真启动按钮，那么开始对本系统的仿真。其运行流程如下：1)首先进入启动界面，本系统每次启动后将进入待机界面，同时步进电机进入待机状态。如图5-1所示。如图5-4待机LCD显示2)当按下启动键后，此时系统将开始驱动电机，如图5-5所示，LCD的显示频显示旋转方向、转速、旋转时间三个数值。旋转时间开始倒计时。图5-5启动仿真后LCD显示3〕按设置键可对电机的旋转时间和转速进行直接设置，方便快捷，如图5-6。图5-6按下设置键LCD显示3)每按一次加速后，电机的速度将提高一个级别，每按一次减速后，电机的速度将降低一个级别，在电机运行的任何时刻可以按下正反转键，使电机在正反转动之间转换，如图5-7。图5-7电机速度变化总结通过本次设计，加强了对单片机应用知识的掌握，同时了解了目前工业生产中数字化系统的重要性，使我对使用单片机实现自动化控制的设计过程有了全面地了解。通过学习控制系统工作原理以及如何利用单片机控制步进电机，我查阅了大量相关资料，学会了许多知识，培养了我独立解决问题的能力。同时在对硬件电路设计的过程中，稳固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。当然在本次设计中还有需要完善的地方，比方可以设计一个UPS电源，防止在断电的情况下造成系统损害，保证生产的连续运行。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的根底。课程设计是一个理论联系实际，培养科研素质、科研能力的课题。因此，在此设计过程中必须将平时所学理论运用于实践，并在实践过程中不断学习，不断加深理解，解决大学阶段理论学习与实践的矛盾，到达锻炼动手能力的目的。在论文即将完成之际，我衷心的感谢所有指导、关心和帮助我的老师、同学和朋友。参考文献【1】蔡美琴张为民MCS-51系列单片机系统及应用，高等教育出版社，2004【2】周润景,张丽娜.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006:182-183【3】宁成军,张江霞.基于Proteus和Keil接口的单片机外围硬件电路仿真[J].现代电子技术,2006,18:142【4】陈理壁.步进电机及其应用[M].上海:上海科学技术出版社,1989.【5】房玉明,杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统[J].电机控制与应用．2006,33(4):61～63.附录一附录二//主函数voidmain(){TH0=0xec;TL0=0x78;TMOD=TR0=ET0=1;P3=Tab3[Step_Foot];P1=0xff;Zheng_Fan=1;Init();Clear();//固定字符显示Han_Zi(0,0,16,14);Han_Zi(0,0,32,15);Han_Zi(0,0,48,16);Han_Zi(1,0,0,17);Han_Zi(1,0,16,18);Han_Zi(1,0,32,19);Han_Zi(0,2,16,0);Han_Zi(0,2,32,1);Han_Zi(0,2,48,2);Han_Zi(1,2,0,3);Zi_Fu(1,2,16,11);Han_Zi(1,2,32,4);Han_Zi(1,2,48,1);Han_Zi(0,4,16,1);Han_Zi(0,4,32,6);Zi_Fu(0,4,48,11);Zi_Fu(1,4,8,0);Zi_Fu(1,4,32,0);Han_Zi(1,4,24,1);Zi_Fu(1,4,40,10);Han_Zi(1,4,48,12);Han_Zi(0,6,16,0);Han_Zi(0,6,32,1);Han_Zi(0,6,48,10);Han_Zi(1,6,0,11);Zi_Fu(1,6,16,11);Zi_Fu(1,6,48,0);Zi_Fu(1,6,56,12);while(1){for(Keyboard=0;Keyboard<=3;Keyboard++){P1=0xfe<<Keyboard|0xfe>>(8-Keyboard);if(P1_4==0){delay10ms();if(P1_4==0){while(P1_4==0); 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