簡易步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

1、科信學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書（2012 /2013 學(xué)年第 二學(xué)期）課程名稱 ： 單片機(jī)原理及應(yīng)用 題 目 ： 簡易步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 專業(yè)班級 ： 自動(dòng)化 1023 學(xué)生姓名 ： 李博 學(xué) 號： 100412315 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計(jì)周數(shù) ： 2 設(shè)計(jì)成績 ： 年 月 日目錄一、單片機(jī)11.1 什么是單片機(jī)11.2 單片機(jī)的特點(diǎn)11、片內(nèi)存儲容量較小:12、可靠性高:13、便于擴(kuò)展:14、控制功能強(qiáng):15、實(shí)用性好:1二、步進(jìn)電機(jī)12.1 什么是步進(jìn)電機(jī)12.2 步進(jìn)電機(jī)的種類12.3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)11精度高12過載性好13控制方便14整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單12.4 步進(jìn)電機(jī)的原理1三、方案設(shè)計(jì)與選擇1方案

2、一、1方案二、1方案選擇、1四、電路設(shè)計(jì)11、鍵盤設(shè)計(jì)12、顯示電路設(shè)計(jì)13、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)14、原理圖1五、程序1六、系統(tǒng)仿真1操作控制：1設(shè)計(jì)過程中遇到的主要問題以及解決辦法1七、心得體會(huì)1八、參考文獻(xiàn)1附錄一、原理圖1附錄二、仿真圖1附錄三、元件清單1簡易步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)目的：本次課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)以MCS-51單片機(jī)為核心的簡易步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，包含鍵盤輸入電路、顯示電路并實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。一、 單片機(jī)1.1 什么是單片機(jī)單片機(jī)是續(xù)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后，并隨著電器時(shí)代大到來，人們借助電氣技術(shù)想實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制機(jī)械，自動(dòng)生 產(chǎn)線甚至自動(dòng)工廠，但依靠計(jì)算機(jī)去完成每一個(gè)自動(dòng)的過程，反而

3、有些復(fù)雜以及資源的亂費(fèi)；所以用更方便，更微小，更智能的微型處理器來處理工業(yè)現(xiàn)場的測控領(lǐng)域，控制領(lǐng)域，有著重大意義；更何況目前，彩電，冰箱，空調(diào)，錄像機(jī)，VCD，遙 控器，游戲機(jī)，電飯煲等無處不見單片機(jī)的影子?，F(xiàn)在單片機(jī)主要按用途，大體上可分為兩大類： 1-通用型單片機(jī) 2-專用型單片機(jī)。 專用型單片機(jī)是指用途比較專一，出廠時(shí)程序已經(jīng)一次性固化好，不能再修該的單片機(jī)。例如電子表里的單片機(jī)就是其中的一種。其生產(chǎn)成本很低。 通用型單片機(jī)的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應(yīng) 用程序就可完成不同的功能。小到家用電器儀器儀表，大到機(jī)器設(shè) 備和整套生產(chǎn)線都可用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。 現(xiàn)在單片機(jī)主

4、要包括：中央處理器、存儲器、特殊功能寄存器。1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)就是將CPU,RAM,ROM,定時(shí)/計(jì)時(shí)器和多種接口集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，其主要特點(diǎn)如下:1、片內(nèi)存儲容量較小: 原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部擴(kuò)展.通常ROM,RAM可分別擴(kuò)展至64KB.2、可靠性高: 因?yàn)樾酒前垂I(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的,故抗干擾的能力優(yōu)于PC機(jī).系統(tǒng)軟件(如:程序指令,常數(shù),表格)固化在ROM中,不易受病毒破壞.許多信號的通道均在一個(gè)芯片內(nèi),故運(yùn)作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠.3、便于擴(kuò)展: 片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件,片外有很多供擴(kuò)展用的(總線,并行

5、和串行的輸入/輸出)管腳,很容易組成一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng).4、控制功能強(qiáng): 具有豐富的控制指令:如:條件分支轉(zhuǎn)移指令,I/O口的邏輯操作指令,位處理指令.5、實(shí)用性好: 體積小,功耗低,價(jià)格便宜,易于產(chǎn)品化.二、 步進(jìn)電機(jī)2.1 什么是步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2.2 步進(jìn)電機(jī)的種類步進(jìn)電機(jī)分永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）、

6、和混合式（HB）三種。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。2.3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)1精度高 一般的步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積?？稍趯拸V的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反 轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)2過載性好 其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載

7、加大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進(jìn)電機(jī)使用在對速度和位置都有嚴(yán)格要求的場合；3控制方便 步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計(jì)算機(jī)控制帶來了很大的方便，反過來，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)也為步進(jìn)電機(jī)開辟了更為廣闊的使用市場；4整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單 傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進(jìn)電機(jī)后，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。2.4 步進(jìn)電機(jī)的原理圖1是一種四相可變磁阻型的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機(jī)定子上有八個(gè)凸齒，每一個(gè)齒上有一個(gè)線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個(gè)線圈進(jìn)行反相連接，如圖中所示。八個(gè)齒構(gòu)成四對，所以稱為四相步進(jìn)電機(jī)。圖1 它的工作過程是這樣的：當(dāng)有一

8、相繞組被激勵(lì)時(shí)，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負(fù)相齒，而其他六個(gè)凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫移動(dòng)，使最近的一對齒與被激勵(lì)的一相對準(zhǔn)。在圖1(a)中A相是被激勵(lì)，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個(gè)齒，與正向的A齒對準(zhǔn)。從這個(gè)位置再對B相進(jìn)行激勵(lì)，如圖1中的(b)，轉(zhuǎn)子向反時(shí)針轉(zhuǎn)過15°。若是D相被激勵(lì)，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時(shí)針轉(zhuǎn)過15°。下一步是C相被激勵(lì)。因?yàn)镃相有兩種可能性：ABCD或ADCB。一種為反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；另一種為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)15°。電機(jī)步長(步距角)是步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，不同的應(yīng)

9、用場合，對步長大小的要求不同。改變控制繞組數(shù)(相數(shù))或極數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù))，可以改變步長的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計(jì)算：L360 P×N式中：L為步長；P為相數(shù)；N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖1中，步長為15°，表示電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要24步。三、 方案設(shè)計(jì)與選擇方案一、以MCS-51單片機(jī)為核心，ULN2003達(dá)林頓管為驅(qū)動(dòng)單元，數(shù)碼管為顯示電路。方案二、以MCS-51單片機(jī)為核心，橋式電路代替達(dá)林頓管，數(shù)碼管為顯示電路。方案選擇、因方案一中，部分元件成本較高，所以，選擇方案二。四、 電路設(shè)計(jì)1、鍵盤設(shè)計(jì)該系統(tǒng)中只運(yùn)用到三個(gè)控制按鈕，即 “正反”，“換擋”，“啟?！?，由于按鈕較少，所

10、以采用獨(dú)立鍵電路，這種按鍵電路的按鍵結(jié)構(gòu)相對行列式按鍵電路更簡單，更使人易懂。2、顯示電路設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)與個(gè)項(xiàng)參數(shù)，方法簡單，容易控制，成本低。3、 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路可分為：三極管直接驅(qū)動(dòng)，采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式（圖4.31）和芯片驅(qū)動(dòng)電路等。驅(qū)動(dòng)電路的性能直接關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)走步的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803。ULN2803是一種大電流高電壓型器件，外電路簡單（圖4.32）。還有就是本電路采用橋式電路，成本較低。（如圖4.33）圖 4.31圖4.32 圖 4.334、 原理圖五、 程序#include <reg51.h> /51芯片定義頭文件#define

11、 uchar unsigned char#define unit unsigned int#define ON 0#define OFF 1sbit K0=P14 /定義按鍵sbit K1=P15SBIT K2=P16sbit MA=P25 /定義步進(jìn)電機(jī)的控制端sbit MB=P26sbit MC=P27sbit MD=P28sbit A=P0 /sbit B=P1sbit C=p2sbit D=p3uchar np;/步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)表const uchar motortb=0x11,0x99,0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0x33;void delay(uchar t

12、)/每步延時(shí)子程序uchar i;uint j;for (i=0;i<t;i+)for (j=0;j<900;j+);void a_step(uchar d,uchar t) /步進(jìn)電機(jī)走一步，d=0正轉(zhuǎn)，d=1反轉(zhuǎn) t越大走得越慢if (d&0x01)if (np=0)np=7;else np-;elseif (np=7)np=0;else np+;PORTC=motortbnp;delay(t);void a_turn(uchar d,uchar t)/步進(jìn)電機(jī)走一圈uchar i;for (i=0;i<96;i+)a_step(d,t);void main(vo

13、id)DDRC=0xff;PORTC=0x44;np=4;while (1)if(K0=0) /如果K0按下 while(K0=0) /再次確認(rèn)K0被安按下 MA=0;MB=1;MC=0;MD=1; /電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)a_turn(1,1);if(K1=0) /如果K1按下while(K1=0) /再次確認(rèn)MA=1;MB=0;MC=1;MD=0; /電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)a_turn(1,1);if(K2=0) /如果K2按下while(K2=0)/再次確認(rèn)MA=1;MB=1;MC=1;MD=1;/電機(jī)停止六、 系統(tǒng)仿真操作控制：本電路經(jīng)調(diào)試符合題目要求，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。具體操作控制方法如下：

14、1、當(dāng)按下啟停按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)制定默認(rèn)狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)；2、當(dāng)再次按下啟停按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；3、當(dāng)按下正轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；4、當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)； 設(shè)計(jì)過程中遇到的主要問題以及解決辦法1、仿真時(shí)數(shù)碼管顯示有閃爍，在程序中多加上幾次display（）函數(shù)即可。2、步進(jìn)電機(jī)在仿真調(diào)試的時(shí)候，出現(xiàn)往返轉(zhuǎn)的情況，即不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，PROTEUS中的步進(jìn)電機(jī)MOTOR -STEPPER，不知道具體型號，即不知道其內(nèi)部接線結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，才得以解決問題。在仿真調(diào)試成功的前提下，進(jìn)行硬件調(diào)試的時(shí)候，出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況，這是因?yàn)榉抡娴牟竭M(jìn)電機(jī)和硬件的步進(jìn)電機(jī)是兩個(gè)不同的型號，

15、不同步進(jìn)電機(jī)所允許的最快轉(zhuǎn)動(dòng)速率是不同的，在設(shè)置延時(shí)程序的時(shí)間參數(shù)時(shí)，一旦超過此值，電機(jī)就不能啟動(dòng)。所以硬件調(diào)試時(shí)，需要重新設(shè)置延時(shí)程序的時(shí)間參數(shù)，問題才得以解決。七、 心得體會(huì)通過近兩周的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西，也知道了要想學(xué)到有用的知識，在上課時(shí)間學(xué)到的很少，學(xué)到有用的東西都是在工程實(shí)踐中學(xué)習(xí)，我們一直都說要鍛煉自己的動(dòng)手能力，其實(shí)不是說老師怎么說你就怎么去做，而是在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題，然后不斷的去解決問題。在一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中都是一個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，一個(gè)人的能力和知識都是有限的，要有較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，組員之間互補(bǔ)，在課程設(shè)計(jì)的過程中，我們遇到過很多困難，包括步進(jìn)電機(jī)的最高頻率、程序優(yōu)化等知識，但是我們通過網(wǎng)上找資料，圖書館查資料，請教老師，然后一個(gè)一個(gè)的去解決，感覺自己有很多收獲。在這個(gè)過程中，老師的付出最多，給我們指導(dǎo)，為我們講解，給我們檢查錯(cuò)誤，在此表示感謝，這次課程設(shè)計(jì)非常成功。八、 參考文獻(xiàn)1姜志紅.51單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)案例精選.M.北京：清華大學(xué)出版社，20082. 張永楓.單片機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，20083. 張蔭等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)綜合實(shí)例. M.北京：清華大學(xué)出版社，20084. 趙建領(lǐng)，51單片機(jī)開發(fā)寶典，電子工業(yè)出版社，20085. 史敬灼， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)M .2007年3月第2版：23-356.