基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制-設(shè)計(jì)報(bào)告說明書和源程序文件

.../XXXX大學(xué)指導(dǎo)老師：張X課程設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械電子工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器XXXXXXxx20XX1年4日步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)［摘要］本課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是利用51單片機(jī),達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、兩檔速度和狀態(tài)顯示的目的,使步進(jìn)電機(jī)控制更加靈活。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用ULN2803,ULN2803具有大電流、高電壓,外電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。利用四位數(shù)碼管增設(shè)電機(jī)狀態(tài)顯示功能,各項(xiàng)數(shù)據(jù)更直觀。實(shí)測結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)、數(shù)碼管、51單片機(jī)、ULN2803一步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路1.1什么是步進(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(hào),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?？梢酝ㄟ^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。1.2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、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。1.3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。可在寬廣的頻率范圍內(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。1.4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：A—B—C—D或A—D—C—B。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)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：Lθ＝360P×N式中：Lθ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。1.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)混和步進(jìn)電機(jī)的工作原理在實(shí)際應(yīng)用中,最流行的還是混和型的步進(jìn)電機(jī)。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機(jī)相同。但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵(lì)磁通平行于X軸。一般來說,這類電機(jī)具有四相繞組,有八個(gè)獨(dú)立的引線終端,如圖2a所示。或者接成兩個(gè)三端形式,如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動(dòng),并且連接的極性要正確。圖3所示的電路為四相混和型步進(jìn)電機(jī)晶體管驅(qū)動(dòng)電路的基本方式。它的驅(qū)動(dòng)電壓是固定的。表1列出了全部步進(jìn)開關(guān)的邏輯時(shí)序。步數(shù)Q1Q2Q3Q41101021001301014011051010表1二方案設(shè)計(jì)與論證2.1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","啟停",由于按鈕較少,所以采用獨(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。2.2顯示電路設(shè)計(jì)如圖2.31,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。設(shè)計(jì)如下圖P00P00P01P02P03P04P05P06P07P25P26P27AT89C51StcP24IN1IN2IN3IN4OUT4OUT3OUT2OUT1ULN2803abfcgde[LED1]aabbcfdcegfdgeabfcgdeabfcgdeh[LED2][LED3][LED4]hhhh圖2.312.4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)〔圖3,采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式〔圖2.41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。本電路采用驅(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2.42。圖2.41圖2.42三電路設(shè)計(jì)3.1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和軟硬環(huán)境1、步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和軟硬件環(huán)境 步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制。即步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的控制可以用硬件,也可以用軟件通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。硬件方法是采用脈沖分配器芯片進(jìn)行通用換相控制；而軟件方法是用單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),這種方法可簡化電路,降低成本。在用軟件控制時(shí),主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：判斷旋轉(zhuǎn)方向；按相序確定控制字；按順序輸入控制字；確定控制步數(shù)和每一步的延時(shí)時(shí)間。由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流一般都比較小,不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作,所以單片機(jī)的I/O口輸出必須接驅(qū)動(dòng)電路,即功率驅(qū)動(dòng),才得以控制電機(jī)正常工作?？刂瓶驁D如下圖所示：控制按鈕控制按鈕單片機(jī)AT89c51功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)數(shù)碼管顯示模塊〔2、相關(guān)參數(shù)設(shè)定：這里采用四相六線步進(jìn)電機(jī),這款步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓12V,步進(jìn)角為7.5度.一圈360度,需要48個(gè)脈沖完成。其相序A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。所以其正轉(zhuǎn)控制脈沖為：01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h；反轉(zhuǎn)控制脈沖為：01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。單片機(jī)的晶振為12MHZ；〔3、系統(tǒng)電路圖：一、單片機(jī)最小系統(tǒng)的硬件原理接線圖：1、接電源：VCC〔PIN40、GND〔PIN20。加接退耦電容0.1uF2、接晶體：X1〔PIN18、X2〔PIN19。注意標(biāo)出晶體頻率〔選用12MHz,還有輔助電容20pF3、接復(fù)位：RES〔PIN9。接上電復(fù)位電路,以及手動(dòng)復(fù)位電路,分析復(fù)位工作原理4、接配置：EA〔PIN31。說明原因。二、單片機(jī)內(nèi)部I/O部件：<所為學(xué)習(xí)單片機(jī),實(shí)際上就是編程控制以下I/O部件,完成指定任務(wù)>1、四個(gè)8位通用I/O端口,對應(yīng)引腳P0、P1、P2和P3；2、兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；〔TMOD,TCON,TL0,TH0,TL1,TH13、一個(gè)串行通信接口；〔SCON,SBUF4、一個(gè)中斷控制器；〔IE,IP根據(jù)以上的方案比較與論證確定總體方案,確定硬件原理圖。原理圖如下：圖103.2主要器件資料AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器,AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·三級程序存儲(chǔ)器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路·壽命：1000寫/擦循環(huán)ULN2803步進(jìn)電機(jī)控制器ULN2803是一種大電流型高電壓器件,步進(jìn)電機(jī)控制器。內(nèi)部電路如圖11圖11四系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程圖4.1電機(jī)是否工作電機(jī)是否工作正反轉(zhuǎn)顯示正轉(zhuǎn)顯示反轉(zhuǎn)是否停機(jī)是否停機(jī)處理電機(jī)速度處理電機(jī)速度停機(jī)返回開始顯示清零NYNN反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)YYY開始始程序初使化串口是否發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用子程序結(jié)束圖4.14.2程序設(shè)計(jì)根據(jù)要求,可以將程序分為以下幾個(gè)部份：鍵盤輸入程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)使用的鍵盤較少,因此采用獨(dú)立式鍵盤接口設(shè)計(jì)。獨(dú)立式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較少的場合。獨(dú)立鍵盤工作原理：通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵,處于高電平狀態(tài),有鍵按下電平為低。在消除抖動(dòng)影響上是可以采用了軟件消抖方法：在第一次檢測到有鍵按下時(shí),執(zhí)行一段延時(shí)子程序后〔約5ms,再確認(rèn)電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平,如果保持閉合狀態(tài)電平,則確認(rèn)真正有鍵按下,進(jìn)行相應(yīng)處理工作,消除了抖動(dòng)的影響。〔2步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行步數(shù)控制程序此方案采用單相和雙相交差通電處理方式。此方法具有運(yùn)行速度穩(wěn)定,運(yùn)行步數(shù)準(zhǔn)確無誤等優(yōu)點(diǎn)。第五章調(diào)試總結(jié)5.1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：1、當(dāng)電機(jī)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)電機(jī)再啟停按鈕時(shí),步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；3、當(dāng)電機(jī)換擋按鈕時(shí),步進(jìn)電機(jī)速度快速轉(zhuǎn)動(dòng)；4、當(dāng)電機(jī)再換擋按鈕時(shí),步進(jìn)電機(jī)速度緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)；5、當(dāng)電機(jī)正反按鈕時(shí),步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；6、當(dāng)電機(jī)再正反按鈕時(shí),步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；5.2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(hào),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(hào),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。第一次燒寫程序時(shí)燒不進(jìn)去,不知如何解決。驅(qū)動(dòng)也裝好了,各方面都沒問題就是不知道問題出在哪里。5.3心得體會(huì)步進(jìn)電機(jī)的控制可以用硬件,也可以用軟件通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了軟件方法,即用單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),這種方比采用硬件方法,即采用脈沖分配器芯片進(jìn)行通用換相控制,電路更加簡單,成本更低。在做本次設(shè)計(jì)的過程中,我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善,查閱這方面的設(shè)計(jì)資料是十分必要的。在這次課程設(shè)計(jì)中,我們運(yùn)用到了以前所學(xué)的專業(yè)課知識(shí),如：C語言、模擬和數(shù)字電路知識(shí)等。雖然過去從未獨(dú)立應(yīng)用過它們,但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高,這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。設(shè)計(jì)結(jié)束了,但是從中得到的知識(shí)會(huì)讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實(shí)踐能力的提高都會(huì)受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。此次設(shè)計(jì)更鍛煉了我的毅力,我覺得做任何事情要善始善終,不要中途放棄,只要自己認(rèn)真的去對待,再難的問題也能找到辦法解決。最后感謝張老師在我遇到困難時(shí),給予我們的建議與鼓勵(lì)。附錄一:引用文獻(xiàn)1何麗民,《單片機(jī)初級教程》,北京航空航天大學(xué)出版社；

2沙占友,王彥朋,孟志永,《單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)》,電子工業(yè)出版社；

3童詩白,華成英,《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》,北京高等教育出版社；

4康華光,陳大欽,《電子技術(shù)基礎(chǔ)》,北京高等教育出版社；

5黃繼昌,張海貴,郭繼忠,《實(shí)用單元電路及其應(yīng)用》,人民郵電出社；

6謝宜仁,《單片機(jī)實(shí)用技術(shù)問答》,人民郵電出版社；

7張迎新《單片機(jī)初級教程——單片機(jī)基礎(chǔ)》,北京航空航天大。附錄二：單片機(jī)源程序/********************************************************************/*********************************//*AllCopyAight@2012黃繼鵬 *//*XX林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院*//*********************************/*************************我是分割線********************************* P0口控制段選p1步進(jìn)電機(jī)P2控制位選 獨(dú)立鍵盤P3.0~P3.2數(shù)碼管的第一位為正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位 0：正轉(zhuǎn) 1：反轉(zhuǎn)數(shù)碼管的第二位為速度標(biāo)志位 0：單八拍1：雙四拍數(shù)碼管的第三位為開關(guān)標(biāo)志位 0：關(guān)1：開 **********************我還是分割線*********************************#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintvoiddelay<uintxms>; //延時(shí)子函數(shù)voidkeyscan<>; //鍵盤檢測子程序voiddisplay<>;sbitkey1=P3^0; //正反轉(zhuǎn)選擇sbitkey2=P3^1; //速度選擇sbitkey3=P3^2; //執(zhí)行鍵ucharzx,k,sudu,bu;intn=0,m=4;ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,};//數(shù)碼管顯示編碼/******************************************************單雙八拍工作方式：**A-AB-B-BC-C-CD-D-DA<即一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn)3.75度>*******************************************************/ucharcodeFFZ[]={0x11,0x33,0x22,0x66,0x44,0xcc,0x88,0x99};//反轉(zhuǎn)ucharcodeFFW[]={0x99,0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0x33,0x11};//正轉(zhuǎn)/******************************************************單四拍工作方式：**A-B-C-D<即一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn)7.5度>*******************************************************/ucharcodeshuangz[]={0x88,0x22,0x44,0x11};ucharcodeshuangw[]={0x11,0x44,0x22,0x88};/******************************************************單四拍工作方式：**A-B-C-D<即一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn)7.5度>*******************************************************///ucharcodedanz[]={0x88,0x22,0x44,0x11};//ucharcodedanw[]={0x11,0x44,0x22,0x88};voidmain<>{TMOD=0x01;EA=1;ET0=1;TH0=-1000/256;TL0=-1000%256;TR0=1; while<1> { keyscan<>; display<>; //if<zx==1>qudong<>; //if<x==0>zx=0; }}voidkeyscan<>{ if<key1==0> //正反轉(zhuǎn)選擇 { delay<5>; if<key1==0> { k++; if<k==2>k=0; while<!key1>display<>; } } if<key2==0> //速度選擇 { delay<5>; if<key2==0> { sudu++; if<sudu==2>sudu=0; while<!key2>display<>; } } if<key3==0> //執(zhí)行鍵 { delay<5>; if<key3==0> { zx++; if<zx==2>zx=0; while<!key3>display<>; } }}voidtime0<>interrupt1{ TH0=-1000/256; TL0=-1000%256;if<zx==1>{if<n>=m>{ i