單片機控制步進電機設(shè)計報告

1、引言步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機的轉(zhuǎn)動，停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和個數(shù)，而不受負載變化的影響。當(dāng)驅(qū)動器接到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個角度，稱為步距角。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度，從而達到調(diào)速的目的。目錄引言.11 設(shè)計任務(wù)及方案.3 1.1 設(shè)計任務(wù)及要求.3 1.2 設(shè)計方案.32 步進電機簡介.3 2.1 步進電機工作原理.3 2.2 步進電機勵磁方式選擇.4 2.2.1 步進電機勵磁方式.43

2、硬件電路設(shè)計.5 3.1 晶振電路設(shè)計.5 3.2 復(fù)位電路設(shè)計.5 3.3 按鍵電路設(shè)計.6 3.4 顯示電路設(shè)計.6 3.5 驅(qū)動電路設(shè)計.74 軟件程序設(shè)計.8 4.1 程序設(shè)計思路.8 4.2 程序設(shè)計分析.8 4.3 程序設(shè)計流程.95 系統(tǒng)的模擬仿真.106 參考文獻.13附錄 軟件程序.141 設(shè)計任務(wù)及方案 1.1 設(shè)計任務(wù)及要求 在實驗平臺上擴展一個四相步進電機，利用單片機通過開關(guān)控制步進電機的2擋轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，并在數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速擋次及轉(zhuǎn)動方向。 1.2 設(shè)計方案本次設(shè)計采用AT89C51單片機控制一個四相步進電機。單片機輸出脈沖序列，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，設(shè)置按鍵電路控制步

3、進電機的2擋轉(zhuǎn)速，即加速、減速，并在數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速等級，同時控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向，即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。設(shè)計方案總體框圖如圖1.2所示。圖1.2 總體框圖2 步進電機簡介 2.1 步進電機工作原理 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用

4、于各種開環(huán)控制。步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。 2.2

5、步進電機勵磁方式選擇 2.2.1 步進電機勵磁方式步進電機的勵磁方式主要分為全步勵磁和半步勵磁兩種，其中全步勵磁又有一相勵磁和二相勵磁之分，半步勵磁又稱一-二相勵磁。一相勵磁：在每一瞬間，步進電機只有一個線圈導(dǎo)通。每送出一個勵磁信號，步進電機旋轉(zhuǎn)1.8°，這是三種勵磁方式中最簡單的一種。其特點是：精確度好、消耗電力小，但輸出轉(zhuǎn)矩小，震動較大。二相勵磁：在每一瞬間，步進電機有兩個線圈同時導(dǎo)通。每送一個勵磁信號，步進電機旋轉(zhuǎn)1.8°。其特點是：輸出轉(zhuǎn)矩大，振動小。一-二相勵磁：為一相勵磁與二相勵磁交替導(dǎo)通的方式。每送一個勵磁信號，步進電機旋轉(zhuǎn)0.9°。其特點是：分辨率

6、高，運轉(zhuǎn)平滑。本次設(shè)計采用二相勵磁方式，勵磁順序表如下表所示。時序12345678A10011001B11001100C01100110D00110011表3 硬件電路設(shè)計 3.1 晶振電路設(shè)計AT89C51單片機各功能部件的運行都以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊，一拍一拍地工作。本次設(shè)計時鐘電路采用內(nèi)部時鐘方式。AT89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成震蕩器的高增益方向放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端引腳為XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。本次設(shè)計選擇振蕩頻率為12MHZ的石英晶體。如圖3.1所示。圖3.1 晶振電路 3.2 復(fù)位電路設(shè)計 AT89C

7、51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路實現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，本次設(shè)計采用上電復(fù)位方式。如圖3.2所示。圖3.2 復(fù)位電路 3.3 按鍵電路設(shè)計 本次設(shè)計采用按鍵電路來控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止。并且由單片機的P1口對其進行控制。電路如圖3.3所示。圖3.3 按鍵電路 3.4 顯示電路設(shè)計 本次設(shè)計采用兩個共陽極八段數(shù)碼管顯示，其中一個顯示轉(zhuǎn)速等級（一擋轉(zhuǎn)速顯示1，二檔轉(zhuǎn)速顯示2，

8、停止時顯示0），另一個顯示轉(zhuǎn)動方向（正轉(zhuǎn)顯示0，反轉(zhuǎn)顯示1），其對應(yīng)的二進制數(shù)如表3.4所示。數(shù)字二進制數(shù)000101000B111101011B200110010B表3.4電路如圖3.4所示。圖3.4 顯示電路 3.5 驅(qū)動電路設(shè)計 本設(shè)計采用ULN2003作為驅(qū)動器驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，把單片機輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為脈沖電流，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。如圖3.5所示。圖3.5 驅(qū)動電路4 軟件程序設(shè)計 4.1 程序設(shè)計思路根據(jù)外圍電路設(shè)計，單片機輸入為P1口的前五個引腳，輸出為P0口，P2口，P3口的前四個引腳。主程序部分首先向驅(qū)動電路輸出四路高電平，使電機停轉(zhuǎn)，然后設(shè)置定時器T0的工作方式以及給允許中

9、斷位置高電平，接下來進行按鍵掃描，如果由正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鍵按下，則跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序段，如果有停轉(zhuǎn)按鍵或沒有任何鍵按下，則跳轉(zhuǎn)到程序的初始部分。正轉(zhuǎn)部分，輸出起始脈沖，接下來進行按鍵掃描，判斷是否執(zhí)行加速、減速或停轉(zhuǎn)，然后調(diào)用給定時器T0賦初值子程序，最后左移累加器A中的數(shù)值，如此循環(huán)便可實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)亦然。加速和減速部分的程序設(shè)計，只要改變定時器的初始值，即改變定時時間便可實現(xiàn)。硬件電路原理圖如圖4.1所示。圖4.1 硬件原理圖 4.2 程序設(shè)計分析首先進行P3口及定時器的初始化，定時器工作于方式1，用JNB指令來掃描按鍵電路，按下則跳轉(zhuǎn)，沒有按下則繼續(xù)向下執(zhí)行。如果P1.0按下，則跳轉(zhuǎn)

10、到首地址為ZHENG的位置，先調(diào)用一個10ms的延時子程序來消除按鍵的抖動，然后通過累加器A輸出起始脈沖到P3口，隨后判斷加速、減速、停止按鍵是否按下，如果其中一個被按下，則跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序段，否則程序繼續(xù)向下執(zhí)行。接下來調(diào)用賦定時器初值子程序TIME，根據(jù)R0的數(shù)據(jù)不同，使用查表指令，來讀取TABLE1和TABLE2中的數(shù)據(jù)分別賦給定時器T0的兩個八位寄存器TH0和TL0，返回后，利用查詢法來等待T0的中斷，當(dāng)定時結(jié)束時跳出循環(huán)，并對中斷標(biāo)志位TF0清零。左移指令使累加器A中的數(shù)據(jù)循環(huán)左移一位，最后返回到ZHENG1的位置。如果按下P1.1，則執(zhí)行反轉(zhuǎn)程序，對脈沖信號循環(huán)右移，從而實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

11、加速子程序主要使R0內(nèi)的數(shù)據(jù)加1，即把速度提高一個級別，R0內(nèi)的數(shù)據(jù)還要與1相減，來確認(rèn)是否達到最高轉(zhuǎn)速，如果R0內(nèi)的數(shù)據(jù)大于1，則把1賦給R0，表示已達到最高轉(zhuǎn)速，不能再加速了。減速子程序主要使R0內(nèi)的數(shù)據(jù)減1，即把速度降低一個級別，如果R0內(nèi)的數(shù)據(jù)為0，即速度已為最低轉(zhuǎn)速，則直接跳過減一指令，保持這個最低轉(zhuǎn)速。賦定時器初值子程序，利用兩個查表指令來讀取預(yù)置的數(shù)據(jù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時，R0內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，這時賦給定時器的初值也發(fā)生了變化，改變了定時時間，即脈沖的時間間隔發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了電機變速。 4.3 程序設(shè)計流程圖圖4.3 程序流程圖5 系統(tǒng)的模擬仿真起初狀態(tài)仿真圖1擋反轉(zhuǎn)仿真圖1擋正轉(zhuǎn)

12、仿真圖2擋反轉(zhuǎn)仿真圖2擋正轉(zhuǎn)仿真圖停止仿真圖參考文獻1 謝輝.單片機原理及應(yīng)用M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20102 楊居義.單片機課程設(shè)計指導(dǎo)書M.北京：清華大學(xué)出版社，20093 張永楓.單片機應(yīng)用實訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，20084 姜志紅.51單片機技術(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，20085 張蔭等.單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)綜合實例. M.北京：清華大學(xué)出版社，20086 戴仙金.51單片機及其匯編語言程序開發(fā)實例.M.北京：清華大學(xué)出版社，2008附錄：軟件程序 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0030H MAIN: MOV P3,#0FFH M

13、OV R0,#00H MOV SP,#40H MOV TMOD,#01H MOV IE,#82H ACALL XIANS0 KEY: JNB P1.0,ZHENG JNB P1.1,FAN JNB P1.4,KEY SJMP KEY ZHENG: JNB P1.0,$ ACALL XIANS1 ACALL XIANSZ ACALL DELAY MOV A,#33H ZHENG1: MOV P3,A ；正轉(zhuǎn) JNB P1.1,FAN JB P1.2,KEEP ACALL JIASU KEEP: JB P1.3,KEEP1 ACALL JIANSU KEEP1: JNB P1.4,MAIN ACA

14、LL TIME LOOP1: JBC TF0,NEXT1 AJMP LOOP1 NEXT1: RL A AJMP ZHENG1 FAN: JNB P1.1,$ ；反轉(zhuǎn) ACALL XIANS1 ACALL XIANSF ACALL DELAY MOV A,#33H FAN1: MOV P3,A JNB P1.0,ZHENG JB P1.2,THEN ACALL JIASU THEN: JB P1.3,THEN1 ACALL JIANSU THEN1: JNB P1.4,MAIN ACALL TIME LOOP2: JBC TF0,NEXT2 AJMP LOOP2 NEXT2: RR A AJM

15、P FAN1 JIASU: JNB P1.2,$ ；加速 ACALL DELAY PUSH ACC ACALL XIANS2 INC R0 CLR C MOV A,R0 SUBB A,#1 JC NEXT3 MOV R0,#1 NEXT3: POP ACC RET JIANSU: JNB P1.3,$ ；減速 ACALL DELAY PUSH ACC ACALL XIANS1 MOV A,R0 JZ NEXT4 DEC R0 NEXT4: POP ACC RET TIME: PUSH ACC ；定時器賦初值程序 MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR M

16、OV TH0,A MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE2 MOVC A,A+DPTR MOV TL0,A SETB TR0 POP ACC RET DELAY: MOV R7,#14H ；10ms延時子程序 D1: MOV R6,#0FFH D2: DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D1 RET XIANS0: MOV R0,#00101000B ；顯示子程序 MOV A,R0 MOV P0,A LCALL DELAY1 RET XIANS1: MOV R0,#11101011B MOV A,R0 MOV P0,A LCALL DELAY1 RET XIANS2: MOV R0,#00110010B MOV A,R0 MOV P0,A LCALL