基于STM32的步进电机控制系统徐浩威组

课 程 设 计 报 告设计题目： 基于 STM32 的步进电机控制系统 学 院： 电子工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级：13 级电子信息科学与技术一班 学 号：201330310101、201330310109、 201330310126、201330310128 姓 名：白义霞、何婷芳、徐浩威、叶黎 电子邮件： 18637678173163.com 时 间： 2016 年 9 月 成 绩： 指导教师： 杨意 华 南 农 业 大 学电子工程学院 应 用 物 理 系课 程 设 计（报告）任 务 书学生姓名 白义霞、何婷芳、徐浩威、叶黎 指导教师 杨意 职称 讲师 学生学号 201330310101、201330310109、 201330310126、201330310128 专业 电子信息科学与技术 题目 基于 STM32 的步进电机控制系统 任务与要求1设计以 STM32 为核心的步进电机控制系统；2用键盘调整电机的速度值：按“+”键，电机速度增加。按“-”键，电机速度减少。没有按键按下时电机速度恒定；3按键按下的时候，用蜂鸣器表示按键音；4电机运转时，在液晶屏上显示其速度值；5设计硬件接口电路，编写裸机控制程序；6撰写课程设计报告。 开始日期 2016 年 9 月 2 日 完成日期 2016 年 9 月 30 日01. 引言电机(electric machine),是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。实现机械能转换成电能的称为发电机，在电路中用 G 表示；实现电能转换成机械能的称为电动机，在电路中用 M 表示。步进电机是一种能够将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给步进电机一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得步进电机在速度、位置等控制领域的控制操作非常简单 1。本设计以 STM32 嵌入式控制板为核心，设计了一款基于 STM32 的步进电机控制系统，该系统可通过按键进行控制，并实时检测步进电机的转速，通过LCD 液晶模块，可以显示步进电机的转动情况。2.系统的设计与理论分析图 1. 系统方案设计如图 1 所示，本系统由 STM32 核心版、ULN2003 驱动模块，步进电机模块、测速模块、按键控制模块、蜂鸣器模块和 LCD 速度显示模块组成。具体的工作方式如下：1）STM32 核心板通过 GPIOC 口与 ULN2003 驱动模块相连，保证1ULN2003 工作在正常状态；2）ULN2003 驱动模块与步进电机相连，驱动步进电机正常转动；3）测速模块与步进电机相连，对步进电机的转速进行实时测量，并将速度信号反馈回 STM32 核心板中；4）LCD 速度显示模块显示步进电机的转速；5）按键控制模块通过与 STM32 相连，进而控制步进电机的工作情况（加速、减速、正转、反转等），按键按下时，蜂鸣器模块发声，表示按键音。该方案的优点在于：1）结构简单，无需进行复杂的布线设计；2）使用方便，实现模块化，方便对电路进行焊接与错误调试；3）所需元器件数量少，成本较低。3. 硬件系统设计3-1. STM32 核心版本设计采用 STM32F103ZET6 作为 MCU ，它拥有的资源包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2 个基本定时器、4 个通用定时器、2 个高级定时器、2 个 DMA 控制器（共 12 个通道）、3 个 SPI、2 个 IIC、5 个串口、1 个USB、 1 个 CAN、3 个 12 位 ADC、1 个 12 位 DAC、1 个 SDIO 接口、1 个FSMC 接口以及 112 个通用 IO 口 2。MCU 的部分原理图如图 2 所示。 STM32F103ZET 采用 ARM Cortex-M3 的处理器，其内部资源十分丰富。相比于其他类型的 MCU，STM32F103ZET 优势在于：1）支持 ARM Thumb-2 指令集，充分融合了 ARM 指令和 Thumb 指令，减少了系统状态切换的时间开销，提高了代码效率；2）内部具有嵌套中断向量控制单元 NVIC，支持“咬尾中断机制” 和“晚到中断机制”，这使得系统的中断响应更加迅速，系统实时性更好，并且每个 I/O 口都可以作为中断输入，提高了硬件设计时的灵活性；3）支持复用 I/O 重映射功能。4）价格低，功能强大，具有丰富的外设资源；2图 2. MCU 部分原理图3-2. ULN2003 驱动模块功率电子电路大多要求具有大电流输出能力,以便于驱动各种类型的负载。因此，功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。ULN2003A 是一个 7 路反向器电路，即当输入端为高电平时 ULN2003A 输出端为低电平，当输入端为低电平时 ULN2003A 输出端为高电平。ULN2003A由 7 个达林顿管组成，每个达林顿管的结构如图 3 所示。因此，ULN2003A 可以作为一些器件，如步进电机的驱动电路。3图 3. ULN2003A 中的达林顿管结构图 4 是 ULN2003A 的芯片引脚图，由图可知，ULN2003A 芯片有 16 个引脚，通过查阅数据手册，可以查看各个引脚的功能，记录在表 1 中。图 4. ULN2003A 芯片引脚图4表 1 ULN2003A 各引脚功能引脚编号 引脚功能 引脚编号 引脚功能IN1 CPU 脉冲信号输入端 COM 内部 7 个续流二极管负极的公共端IN2 CPU 脉冲信号输入端 OUT7 脉冲信号输出端，对应 7 脚信号输入端。IN3 CPU 脉冲信号输入端 OUT6 脉冲信号输出端，对应 6 脚信号输入端。IN4 CPU 脉冲信号输入端 OUT5 脉冲信号输出端，对应 5 脚信号输入端。IN5 CPU 脉冲信号输入端 OUT4 脉冲信号输出端，对应 4 脚信号输入端。IN6 CPU 脉冲信号输入端 OUT3 脉冲信号输出端，对应 3 脚信号输入端。IN7 CPU 脉冲信号输入端 OUT2 脉冲信号输出端，对应 2 脚信号输入端。GND 接地 OUT1 脉冲信号输出端，对应 1 脚信号输入端。本设计使用 IN1IN4 输入，对应 OUT1OUT4 输出连接步进电机。电路连接方式如图 5 所示。图 5. ULN2003A 电路连接图本设计使用的 ULN2003A 为国产型号，其主要技术参数如下所示：表 2 ULN2003A 驱动模块主要技术参数参数名称 参数数值 参数名称 参数数值晶体管极性 NPN 型 封装类型 DIP晶体管类型 功率达林顿管 VCEO 50V5晶体管数 7 最大输入电压 5V针脚数 16 最大输出电压 50V工作温度范围 -20-70 最大输出电流 500mA3-3.步进电机步进电机可以将电脉冲转换成相应角位移或线位移，常见的步进电机有三线式、五线式和六线式。本设计采用的步进电机 28BYJ-48，属于四相五线式步进电机，图 7 是 28BYJ-48 的控制等效电路，其主要参数如表 3 所示。图 6. 28BYJ-48 步进电机图 7. 步进电机的等效控制电路6表 3 28BYJ-48 步进电机主要技术参数电机型号 电压/V 频率/Hz 直流电阻25牵入转矩/gf.cm 摩擦转矩/gf.cm 噪音/dB（A）28BYJ-48 5 100 507% 300 5001200 3528BYJ-48 12 100 2007% 450 8001800 35驱动方式 四相八拍旋转方向 CW/CCW步进角度 5.625 x 1/64减速比 1/64当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。在本设计中，28BYJ48 型四相步进电机以以下的通