基于步进电机调速细分测速系统课设计方案报告

基于89C52步进电机调速、细分、测速系统课程设计报告 单位：小构成员：PengSir专业：班级：指引教师：成绩：目录TOC\o"1-3"\h\z摘要 1一系统简介 11.1步进电机工作原理简介 11.1.1步进电机基本参数 21.1.2步进电机细分简介 3二系统方案 42.1控制器选取 42.2电子驱动电路与细分方案选取 42.3显示屏选取方案 52.4转速信号采集方案 52.5开发软件选取 5三模块简介 53.1STC89C52RC型单片机最小系统 53.2TB6560AHQ驱动电路 63.3电源模块 73.4ADC0804模块 83.5光电开关模块 10四程序设计及流程 104.1系统电路示意图 104.2程序设计 11五实物图 12六心得体会 12参照文献 14附录 15摘要：在电气时代今天，电动机在工农业生产与人们寻常生活中都起着十分重要作用。步进电机作为最常用一种电机，作为一种数字伺服执行元件，步进电机具备构造简朴、运营可靠、控制以便、控制性能好等长处，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。为了实现步进电机简易运动控制，普通以单片机作为控制系统微解决器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机速度和位置定位控制。本系统采用STC公司STC89C52RC芯片为核心进行设计，并配合THB6016H驱动芯片，合理运用了该芯片上丰富资源，采用ADC0804做数据采集，作为输入指定转速。在数码管上対实时数据进行显示。单片机与74LS14用光耦连接，提高了抗干扰性，并且可以保护单片机。本系统完毕了题目所有基本规定和发挥某些规定，在整体上保证了设计任务超额完毕。核心词：步进电机PWM光电开关STC89C52RCTHB6016HADC0804一系统简介1.1步进电机工作原理简介步进电机属于实用典型机电一体化组件。它是一种将电脉冲信号转化为角位移或直线位移执行机构。又可称脉冲电机或阶跃电机，国外常称为Stepmotor、Steppingmotor、Steppermotor等等。当不见电机驱动器接受到一种脉冲信号，它就驱动步进电机按照设定方向转动一种固定角度（称为“步据角”），它旋转是以固定角度一步一步运营。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到拟定目；同步可以通过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度，从而达到调速目。步进电机可以作为一种控制用特种电机，运用其没有累积误差特点，广泛运用于各种开环控制。步进电机问世后来，不久拟定了自己应用领域，应用发展己有约30年历史。步进电机种类依照自身构造不同，可分为三大类：反映式(Ⅵt，也称磁阻式)、永磁式(PM)和混合式(HB)。永磁式步进电机普通为两项，转矩和体积较小，步进角普通为7.5度或15度；反映式步进电机普通为三相，可以实现大转矩输出，步进角普通为1.5度，但是噪声和震动较大。反映式步进电机转子磁路由软磁材料制成，定子上面有许多相磁力绕组，运用磁导变化产生转矩。混合式步进电机兼有反映式和永磁式双重长处，其自身阻尼作用较好，运营平稳，噪音低、低频振动小，当前混合式步进电机是应用最广泛电机之一。步进电机优缺陷如下：(1)在不失步前提下步进电机角位移与输入脉冲数严格成正比，因而不存在合计误差，具备良好跟随性。(2)步进电机动态响应快、易于启停、正反转及变速。(3)可用数字信号直接进行开环控制，容易构成简朴便宜但可靠数字控制系统。同步，在规定高时它也可以与角度反馈环节构成高性能闭环数控系统。(4)停止时具备自锁能力。(5)速度可在相称宽范畴内平滑调节。(6)无刷，电机本体部件少，可靠性高。(7)普通可以不用减速器而直接驱动负载。(8)带惯性负载能力较差。(9)由于步进电机存在振荡和失步现象，因而必要对控制系统和机械负载采用相应办法。(10)步进电机只能通过脉冲电源供电才干运营，它不能直接使用普通交直流电源驱动。1.1.1步进电机基本参数(1)电机固有步进角它表达控制系统每发出一种步进脉冲信号，电机所转动角度。电机出厂时给出了一种步距角值，如86BYG250A型电机给出值为0.9/1.8（表达半步工作时为0.9度，整步工作时为1.8度），这个步踞角可以称为“电机固有步踞角”，它不一定是电机实际工作时真正步进角，真正步进角和驱动器关于。(2)步进电机相数它是指电机内部线圈组数，当前惯用有二相、三相、四项、五相步进电机。电机相数不同，其步进角也不同，普通二相步进电机步进角为0.9/1.8、三相为0.75/1.5、无相为0.36/0.72.在没有细分驱动器时，顾客重要靠选取不同相数步进电机来满足自己步进角规定。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没故意义，顾客只需要在驱动器上变化细分数，就可以变化步进角。(3)保持转矩它是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子力矩。它是步进电机最为重要参数之一，普通步进电机在低速时力矩接近保持力矩。由于步进电机输出力矩随速度增大而不断衰减，输出功率也随速度增大而变化，因此保持力矩就成为衡量步进电机最重要参数之一。1.2步进电机细分简介随着步进电机在数控机械、自动化领域中应用越来越广泛，对小步距、低振动和低噪声步进电机规定愈来愈迫切。步距角公式式中一转子齿数；一运营拍数，普通等于定子相数或相数整数倍，即；一定子相数；一电机驱动方式。由上式看出，步距角大小由电机自身参数m、，和电机驱动方式k决定，受电机制造工艺限制，靠增长m和，来减小步距角受到一定限制，此时必要通过增大k来获得更小步距角。当步进电机工作于整步工作方式时，k=l；当步进电机工作于半步工作方式时，k=2；为了获得更大k，就必要采用细分控制办法。细分驱动技术可以大幅度减小步进电机步距角，并且步距角越小，进入稳定区域越容易，这样就增长了电机运营平稳性，还可以削弱甚至消除电机低频振荡和噪声，提高起动频率和高速下转矩，同步也可以提高电机定位辨别率和精度。二系统方案2.1控制器选取方案一：采用CPLD为控制核心，适合复杂逻辑控制和高速运算系统；方案二：使用51单片机为核心,适合系统控制。综合分析，本系统采用STC89C52RC单片机，STC89C52RC单片机与51单片机兼容同步可以通过下载线下载程序，以便了程序调试和运营。2.2电子驱动电路与细分方案选取方案一：由分立元件制作TA8435h驱动电路。长处是成本低廉、易于控制。缺陷是电路体积大,TA8435H在实体店很难购买，再者网购TA8435H大多数是拆机件很难保证芯片可用性和可靠性。方案二：使用THB6016H做驱动电路简朴，性能稳定，调试以便，并且芯片很容易购买，可靠性强。依照电路规定分析，本系统采用THB6016H做驱动电路2.3显示屏选取方案方案一：选用LED数码管显示电机转速各种信息，LED显示信息量小、功耗大，同步还需要制作相应硬件驱动电路。显示效果明显。方案二：选用字符点阵LCD模块显示小车各种信息，LCD信息量大、功耗低，，它提供原则并行或者串行接口，驱动简朴，使用以便。显示规定明显且显示信息量不大，因此采用方案一。2.4转速信号采集方案方案一：使用光译码盘。长处;测量比较精准。缺陷:调试很负载，程序量大。方案二：采用光电开关。有点：调试简朴，只需要MCU在单位时间内计算输入MCU脉冲数，就能通过简便程序计算出转速。缺陷：误差较大，码盘缺口很难控制宽度。综上，采用光电开关进行转速信号采集较为合理。2.2.4开发软件选取方案一：汇编语言。比较直接、简洁，不适合复杂运算。不易读。方案二：C语言。比较灵活，适合复杂判断和运算。依照实际，选取用KEILC进行编程。三模块简介3.1STC89C52RC型单片机最小系统单片机重要擅长系统控制，而不适合做复杂数据解决，在设计单片机最小系统时咱们选用STC89C528位DIP-40封装单片机作为MCU，本系统单片机最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路、外围总线接口等某些构成。图1为单片机最小系统构造框图。图13.2TB6560AHQ驱动电路THB6016H两相混合式步进电机驱动芯片，内置双全桥MOSFET驱动、温度保护及过流保护，采用HZIP25封装（尺寸：36.5×17mm），耐压40V、电流3.5A（峰值）、16细分，外围电路简朴。适配57mm机座及其如下所有两相混合式步进电机。TB6560AHQ驱动芯片优势：（1）电机振动小噪音低：由于芯片自带2、8、16细分可选，足够满足每分钟从几到近千转应用规定。（2）嵌入式驱动器发热少：芯片自带散热面积足以单独支持小电流驱动散热规定。（3）支持各种步进电机选型：客户可选取力矩稍大混合式或永磁式步进电机，使电机工作在容许最大转矩百分之30至50之间，电机成本几乎不变；芯片提供多档电流设立和电流衰减模式，支持相似动力指标下各种不同参数步进电机。总之，因TB6560AHQ芯片集成度很高，外围电路极其简朴，可靠性极高，支持57和某些86步进电机从每分钟几十到近千转宽调速应用，可使数控设备研发成本和生产成本双双下降。实物如图2：图2工作电流设立表3：表3静止时自动半流如表4：表4细分设立如表5表5衰减设立如表6：表63.3电源模块本系统规定有5V电源输入，因而咱们选用了LM317作为电源芯片。LM317作为输出电压可变集成三端稳压块，是一种使用以便、应用广泛集成稳压块。其应用电路如图7所示。图8为电源滤波电路。图7图8稳压电源输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。本系统中取R1为240n,R2取5K可调电位器。通过调节R2阻值大小，进而可以变化输出电压大小，实现电压可调，其可调范畴是Vo=1.25V—37V。在应用中，为了电路稳定工作，在普通状况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中电容放电时高压把317烧坏。3.4ADC0804ADC0804是一种初期A/D转换器，因其价格低廉而在规定不高场合得到广泛应用。ADC0804是一种8位、单通道、低价格A/D转换器，重要特点是：摸数转换时间大概100us；以便TTL或CMOS原则接口；可以满足差分电压输入；具备参照电压输入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0V～5V）输入信号电压范畴是0V～5V；不需要调零，等等。ADC0804是一种20引脚芯片，引脚排列如图9所示。图9CLK_R,CLK,GND之间用电阻和电容构成RC震荡电路，用来给ADC0804提供工作所需脉冲，其脉冲频率为1/（1.1RC）。端用两个电阻分压得到电压，即2.5v，将该电压作为AD芯片工作时内部参照电压。其电路图如图10：图103.5光电开关模块光电开关模块采用简易连接方式，在调节时候注意将R2和R4电阻调尽量小这样才干是产生信号可以达到TTl电平，从而让单片机辨认。其电路如图11：图11其整形电路，采用是74LS14，74LS14是集成施密特触发器，通过预设阀值将输入正弦波整形为方波这样才干是MCU外部中断能更好辨认下降沿，从而使计数达到精确。其内部电路如图12：图12四程序设计4.1系统电路示意图本次设计“步进电机控制“这一套系统，重要运用ADC0890实现数据采集，数据为05V电压，转换为0—255数字量，使单片机产生相应脉冲，数码管前2位显示步进电机抱负转速。单片机读取数字量变化步进电机转速，光电开关和74LS14采集由码盘旋转产生信号量，并将其转换为方波，输入MCU，通过MCU计算将实际转速用数码管后2位显示出来。其系统电路示意图如下：图134.2程序设计脉冲产生有T0和T1定期中断产生，之说以要用两个定期中断是为了是产生脉冲频率尽量低，由于步进电机只有在低速旋转时才具备它区别与直流电机意义，如果用一种定期器，就不能较好和前面电位器和ADC0804相结合，其大体程序如下，让TI滞后于T1定期器25ms，之后在使她们自动装载时间相等，这样就能产生较抱负脉冲。TMOD=0x01；TH0=(65536-50000)/256；//设立PWM波周期TL0=(65536-50000)%256；TH1=(65536-52500)/256;；//脉宽调节TL1=(65536-52500)%256;；ET0=1；//开定期器0中断ET1=1；//开定期器1中断TR0=1；//启动定期器0 TR1=1；//启动定期器1voidtimer0()interrupt1{TR0=0;TH0=(15536+180*adval)/256；TL0=(15536+180*adval)%256； CLK1=1； TR0=1；}voidtimer1()interrupt3{TR1=0;TH1=(15536+180*adval)/256；//重新装载TL1=(15536+180*adval)%256;CLK1=0；//结束输出 TR1=1;}计数是由外部中断0来实现，设立外部中断0下降沿触发，这样每来一种下降沿，num就自加，已达到对码盘空位计数。实际测速显示程序是由52单片机独有T2定期器来实现，在规定期间内产生中断，以计算此时码盘转过空隙数，来计算实际转速。由于咱们只采用T2定期器计时功能，故自需对RCAP2H和RCAP2L进行赋值就可以了。由于52单片机在上电后自动默认T2OMD和T2CON为0，故不用在去设立。在T2中断处必要规定TF2进行软件清零，由于这个标志位是硬件不能清零。其程序大体如下：voidtimer2()interrupt5//{a++；TF2=0；//复位中断标志位if(a>=10){a=0;TRU=(num*12)/35;num=0;}}五实物图图14六心体会本次综合设计是基于单片机步进电机调速、细分、测速实验。步进电机本是我从来没有接触过电机，本着挑战心态我选取来了这个从未做过实验，通过为期几种星期设计还真使我受益匪浅。所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”这句话还真不假，从开始设计实验框架就让我头疼，由于不理解怎么样通过AD和电位器给步进电机给定速度，整个实验就无从下手，目先后头看看此前想法还真比较幼稚，由于但是思考问题是分开考虑，没有将整个设计综合考虑，给定速度是通过调节输出脉冲个数，而输出脉冲个数是通过单片机来调节，而单片机是通过I/O收集来8位数据来进行运算从未通过中断来产生脉冲。另一方面到日后稳压电路制作，简简朴单一种电路我却耗费两天都没有调节出来，最后通过挨着排查才发现问题所在，为了防止稳压电路输入端正负极接错，我特意增长了一种发光二极管，然而发光二极管在导通是电阻特别大，以至于分担了诸多电压使输出电压始终达不到5V，阐明设计电路时候不能想固然，而是要通过理论推敲。再到日后就是细分实现浮现了很大问题，最重要是由于此前没有接触过步进电机不懂得怎么去控制它，最开始我使用了TA8435h去控制它，然而TA8435h这块芯片在市面上很少，并且在网上购买都不能买到新，且都是拆机，可靠性不能得到保障，以至于日后没有焊接成功驱动板，其实这些都应当归结于对细分原理没有完全弄清晰，概念没有吃透，导致选取芯片失误。日后通过教师指引才找到了适当芯片。调节程序还不叫顺利，就是在测量实际转速是，由于我采用了两个定期器去产生低频脉冲，以至于不能找到一种基准时间去衡量转速，最后还好是使用52单片机，其内部有一种特殊T2定期器，这样才解决这个问题。尚未解决就是在实际测量转速时候，由于步进电机在整步运营时，每走一步会产生抖动，这样就使得买盘没转动一种小格，本应产生一种脉冲即一种下降沿，却由于抖动产生各种脉冲，通过示波器观测到，最多时候产生9个脉冲，即外部中断就多计算了诸多次使得实际转速现实很不准。通过专业设计，使我学到了诸多知识，同步也锻炼了我动手能力。此前自己总是对动手操作这方面很忧心。可是通过了几周调试使我自己深深喜欢上了这一项活动。知识是无穷，只有咱们不畏艰辛，坚信学无止境念头，努力拼搏咱们才干获得更优秀成绩。固然也同步让我感觉到了不认真就会出错，咱们要以精益求精态度规定自己。让我感到很充实，我努力了，我付出了，我也得到了回报，由于咱们组实验成功了。感谢队友合伙，感谢教师指引。参照文献[1]张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程[M].北京:清华大学出版社,1997.[2]秦曾煌.电工学[M].北京:高等教诲出版社,1999.[3]常斗南,等.可编程序控制器原理、应用、实验[M].北京:机械工业出版社,1998.[4]于海生,等.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,1999.[5]王福瑞,等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.[6]陈理壁.步进电机及其应用[M].上海：上海科学技术出版社,1989.[7]刘保延,等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.[8]郭敬枢,庄继东,孔峰.微机控制技术[M].重庆:重庆大学出版社,1994.[9]刘国荣.单片微型计算机技术[M].北京:机械工业出版社,1996.[10]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998[11]潘新民等：单片微型计算机实用系统设计1北京：人民邮电出版社，1992.[12]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.[13]潘新民等：单片微型计算机实用系统设计1北京：人民邮电出版社，1992.[14]翟玉文梁伟艾学忠施云贵编著，电子设计与实践，中华人民共和国电力出版社，附录#include<reg52.h>#include<intrins.h> //调用intrins.h中得函数#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitCLK1=P3^1;sbitwei1=P0^0; sbitwei2=P0^1;sbitwei3=P0^2;sbitwei4=P0^3；sbitCSAD_=P0^5;sbitRD_=P0^6;sbitWR_=P0^7；uchara,b,adval,num,TRU;ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71};voiddelayms(uintxms){uinti,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}voiddisplay(ucharqian,ucharbai,ucharshi,ucharge){wei1=1;wei2=1;wei3=1;wei4=0;P2=table[qian];delayms(1)；wei1=1;wei2=1;wei3=0;wei4=1;P2=table[bai];delayms(1);wei1=1;wei2=0;wei3=1;wei4=1;P2=table[shi];delayms(1);wei1=0;wei2=1;wei3=1;wei4=1;P2=table[ge];delayms(1);} voidmain() { ucharA1,A2,A3,A4,Est,num; num=0; a=0；//计算实际显示所用时间计数 TRU=0; //用于实际显示TMOD=0x01；TH0=(65536-50000)/256；//设立PWM波周期TL0=(65536-50000)%256；TH1=(65536-52500)/256;；//脉宽调节TL1=(65536-52500)%256;； EX0=1；//打开外部中断0IT0=1；//下降沿触发ET0=1；//开定期器0中断ET1=1；//开定期器1中断TR0=1；//启动定期器0 TR1=1；//启动定期器1PX0=1;//外部中断0优先级高 CLK1=1; CSAD_=0;//ad转换使能RCAP2H=(65536-50000