基于单片机的步进电机控制系统的设计【毕业论文】

本科毕业论文基于单片机的步进电机控制系统的设计摘要：步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流，实现规定角度转动的元件，它的优点是易于精确控制而且控制方法多种多样，由于其良好的性能但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高,能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。这套系统能使我们更好地理解《机电传动与控Abstract:SteppingmotorisacurrentbypulsesofelectricitycontrolphasewindingsrealizerotatingcomponentssetAngle.Itisegoodperformance,steppingmotorcanbewidemicrocontrollertocontrolthesteppingmotor,realizethecontrolmethodsoftware.usingsoftwareinsteadofbecausethattheintroductionofsometechnologiesinourspecializedtextbooksarealwitcannotcombinethetheorywithengineeringpracticeorganically.Asaresult,thpaperistodesignasetofhardwaresystemwhichisscomplete,multiused,convenientinoperatimicrocontrollertechnology,motorrelevantcoursesmoredeKeywords:SCM;steppingmotor;H-bri 11.1国内外的研究情况 11.2步进电机控制系统设计的意义 1.2.1基于单片机的步进电机控制系统 11.3本论文研究的主用工作和安排 22步进电机的概况 22.1步进电机的特点 22.2步进电机的类型 32.3六线四相混合式步进电机 33步进电机控制系统的概述 43.1步进电机控制系统简介 43.2本系统简介及特点 43.3本系统可实现功能 4系统硬件设计 54.1系统组成 54.2系统核心——AT89S52 64.2.1系统端口分配 64.3系统外围电路设计 74.3.1显示电路设计 74.3.2键盘电路设计 74.3.3复位电路 84.4驱动电路原理 85系统软件设计 95.1系统软件主流程 5.2端口定义 5.3各个模块流程 5.4系统软件运行仿真 6.1硬件制作 6.2程序烧入运行与调试 7总结与展望 7.1本项目取得成果 7.2研究展望 错误!未定义书签。 1由于步进电机的各项突出优点，使它成为了机电一体化产品中的关键先生，广泛应用于各种自动化控制系统中。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种功劳。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变化。优点突出的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。当今工业控制的主流系统，是以微处理器为核心的控制系统，这种系统已经取代了常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备的系统，并且具有高度复杂的计算方法和处理方法，被控制对象的各种动态过程都能按照规定的方式和要求来运行。一般的步进电机控制器都会用硬件来实现，现在在电子市场上能卖到的一些脉冲分配器专用集而基于单片机的步进电机控制系统就能很好地解决这些问题：采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行路，使步进电机可在智能化程序控制下完成正转、反转、加减速及细分等各种操作。文中所设计的双全桥驱动电路可使步进电机具有更高的性能，同时把数字电路与驱动电路隔离开，避免了步进电1.2.1基于单片机的步进电机控制系统达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、加速、减速、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进2电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性困；(3)单片机操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。并且这套系统能够有机地把电子技术、单片2步进电机的概况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)。您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；同时您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。在电机控制领域，步进电机具有电机控制的独特优势。这些电机通常用于测量和控制应用。其应用范围包括喷墨打印机，数控机床和各类泵。步进电机所共有的这些特性使它非常适用于这些场1.无刷——步进电机是无刷的。换向器和电刷是那些常规电机最容易发生故障的组成部分，它2.负载无关——步进电机在负载不超过电机额定扭矩的情况下，无论负载多大都不影响电机的3.开环定位——步进电机的转动是根据量化递增或按照步数运行的。只要当电机运行在它的扭5.优秀的响应启动，停止和正反转。3按结构特点电磁式步进电机可分为反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)(1)反应式步进电机(VariableReluctance,简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应(2)永磁式步进电机(PermanentMagnet,简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式),但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。(3)混合式步进电机(Hybrid,简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号4四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。本设计所用3步进电机控制系统的概述步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号机)、步进电机。不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。本设计采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字—角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率整个系统以单片机为核心，设计出硬件系统。以其中的几个口控制驱动电路，由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培，而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开。所以由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，和单片机端口连接，设置了步进电机正转、反转、速度、停止等功能，显示器及时显示正转、反转53.可在运行时设置速度(10—100转/分钟);5.四位共阳数码管显示速度(单位为：转/分钟);4系统硬件设计平台，各个功能的实现都是以硬件为基础的，为了充分发挥单系统组成方框图如图4-1所示：四位共阳数码管及运行电机驱动电路按键图4-1系统框图系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、开始、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服6cP0.45789系列，以及最近推出的AVR,ARM等，品种繁多，功能各异。但是就目前来说，51系列的单片机仍用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash,256字节RAM,32位I/0口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。4.2.1系统端口分配AT89S52单片机引脚结构如下图4-2所示：2.P1.4—P1.5正反转方向指示LE74.3系统外围电路设计4.3.1显示电路设计为了减少硬件开支，简化电路，便于理解，本设计采用的是动态扫描显示技术，动态扫描显示技术是利用人类视觉上的“视觉残留”的原理来实现的。比如要在个位显示数字“123”,则单片机零，则百位显示“1”,延时后再关闭百位显示个位。循环反复扫描，当扫描率16Hz时，人眼看起来就没有闪烁感是静态的一组数码了。4.3.2键盘电路设计8620pFP2.0820pF191开文s9图4-4键盘电路系统设计了6个按键，键盘作为一个外部中断源，分别设置了步进电机的启/停、正/反转、加/减速等功能，采用中断和查询相结合的方法调用中断服务程序，在开始运行之前可以先设定步进电机的转速，由四位数码管显示。4.3.3复位电路图4-5复位电路本设计所采用的是简单的手动按钮复位电路，其基本功能是：在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。4.4驱动电路原理9图4-6L298N驱动电路原理图L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A,最高电流4A,最高工作电压50V,可以驱动感性负载，如大功率直流电机，L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。内含二个H桥的高电压大电中所示，12脚和6脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。L298N的逻辑功能如下表4-1所列。表4-1L298N的逻辑功能电机运行情况HHL正转HHLH同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX5系统软件设计本系统的软件设计主要分为系统初始化、按键、显示处理及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非程序流程图的设计遵循自上而下的原则，从主体遂逐步细分到每个模块的流程。本程序主要由键盘程序、显示程序、步进电机驱动程序三部份组成，主程序首先初始化各变量，将显示器、指示灯消隐，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，便进入待机状态，等待键入相应操作。然后调用键||士反转处理图5-1主程序框图sbitS3=P3^4;//正转键5.3各个模块流程开始根据设定的参数和运行模式进行步进电机控制脉冲输出运行。程序中按照设定参数顺序输出控制脉冲是受定时器中断控制的。如下图5-2所示：√发送速度及转向信返回3.按键流程：在此运行模块中，在开启定时器后，便进入速度档位显示和允许操作键盘扫描判开始开始文返回Keil是由美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，在功能上、钟建键键钟建键键EileEditYiewBrojetFlgshPebugFe10深要对画数用深要对画数用msignedcharcodeSEG?[30]-10xC0//D相//D相转size:data-30.1xdata-0cod*HELLO“-0ErFDF(s),OWarning图5-5运用Keil运行程序在软件程序下载无误，硬件仿真成功的情况下，开始进行实物制作，我在电子市场买来电子元件，在实验室亲自动手制作步进电机控制系统的实物，由于条件的不足，制作的时完全是由个人焊设计这块内容并不熟悉，所以在实物制作时使用的是实验板，使用实验板所导致的后果就是经常在灯也能实现点亮，但是在经过仔细检测以后我发现了两个问题：1.电机的实际转速与设定值并不相符合；2.起初我所设定的转速范围是(10—100转/分钟)在使用加速按钮进行加速的过程中，上限显示能够达到100转，但是在减速按键按下进行减速时，下线并不能达到10转；发现问题以后，我图6-1硬件实物图当接入12V电源以后，数码管显示设置的最低速度10转/分钟，可以在此状态下按加速或者减速按钮来选择自己所需要的速度，范围为10—100转/分钟，选择好速度以后，按下ON按键，步进转的红色指示灯就会点亮，系统可在运转时利用加速和减速按钮选择所需速度，可以利用正转和反转按钮来选择步进电机转向，复位按钮则是对单片机进行复位作用，如果按下复位按钮，步进电机将停止转动，数码管显示转速将会变为初始值10转/分钟。在调试过程中如果出现问题，键盘、显示、以及步进电机无法实现各种功7总结与展望7.1本项目取得成果成一个操作方便，交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现在学校《机电传时断电相不产生负的转矩分量，其能量被输7.2研究展望本人深知自己所作的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待进一步提高，由于时间的原因，设备的原因，试验做的不全面，相关验证性的数据、信息不够丰富。可以肯定，随着技术的不断发展，步进电机的控制应用前景将越来越广阔，而其控制系不断吸取新的技术和方法，并将它们应用到本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取[4]杨刚《电子系统设计与实践》,电子工业出版社2004-01.[5]马忠梅，籍顺心.单片机应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，[6]刘振栋.步进电机接口电路的设计.1999年第9期电测与仪表.[7]马忠梅，等.单片机的C语言应用程序设计(第3版).北京航空航天大学出版社.[8]李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础(修订本).北京航空航天大学出版社.[9]何福庆，曹养书，罗小兵.可预置步进电机驱动器.成都大学学报(自然科学版),2002,21(1):[10]RestonCondit,MicrochipTechnologyInc.Dr.DouglasW.JonesSteppingMotorsFundamentalsr(DS00907A2004MiJointAutomaticControlConf.,v附录1:系统主体原理图附录附录2:系统程序清单/*两相四线制步进电机晶振12mhz*#include"intrins.h"//#defineucharunsignedchar//无符号字符(8位)#defineuintunsignedint//无符号整数(16位)unsignedcharcodeSEG7[10]={0xCO,OxA4,OxBA,Ox99,0x92,0x82,0xC8,OxF9,0x80,0×90};管0~9的字形码S1=P3^2;//开键S2=P3^3;//关键S5=P3^6;//加速键S6=P3^7;//减速键voidkey_K1(void);//启动变量定义voidkey_K2(void)voidkey_K3(void);//正转变量定义voidkey_K4(void);/voidkey_K6(void);ucharcnt_Z;//步进电机旋转计数器变量定义ucharcnt_F;//步进电机旋转计数器变量定义uintdedaM;//