步进电机调速控制系统

物联网控制课程设计说明书 院（部） ： 信息与电气工程学院 专 业 ： 物联网工程 所在班级： 物联 121 姓 名 ： 李明钰 学 号 ： 20120815032 指导教师： 汪明 成 绩 ： 2015 年 7 月 1 目录 控制原理与技术课程设计 . 错误 !未定义书签。 摘 要 . 2 一、设计的目的与要求 . 2 设计目的 . 2 设计要求 . 2 二方案的设计 . 3 计分析 . 3 案选择 . 3 心单片机的选择 . 3 进电机选择 . 8 序流程图 . 10 构框图 . 12 序设计 . 12 结 论 . 16 致谢 . 16 参考文献 . 17 2 摘 要 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，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，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，称为“步距角”，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，从而达到准确定位的目的；同时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 本文应用单片机 步进电机驱动器等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通过 成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机的正反转控制和加减速控制。整个系统采用模块化设计，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作 方便，结构简单。 该系统可应用于步进电机 在机电一体化 控制 等 大多数场合。 一、设计的目的与要求 设计目的 （ 1）完成转速负反馈直流调速控制系统设计 （所设计系统可以是同学们自行选定的控制系统） ，要求运用已学过的各类传感器、执行器、微控制器、 I/O 接口等知识，完成该系统的硬件方案、设备选型和系统设计 . （ 2）通过课程设计，巩固和加深了对“微机原理与接口技术”课程中所学的理论知识和实验能力，基本掌握计算机接口应用电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。 （ 3）加深对计算机软硬知识的理解，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。 设计要求 按照 电路设计的一般规范、产品设计流程进行系统设计，做到“成本低、功能强、使 用方便、可靠性高”的基本要求。要求撰写设计说明书并绘制相关图纸。 3 二 方案的设计 计分析 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角 。本次课程设计所 设计的步进电机的控制系统 可通过键盘设定转速和方向，并能显示转速。 案选择 心单片机的选择 单片机选用 司的 司的 司生产的 8 位 控制器，储存器是 8K 容量，它拥有很高的性能，但是同时却只消耗很少的电能。 然也是采用经典的 51 内核，但是对其作了许多改进，使其相比传统 51 单片机的芯片，有更多实用功能。它的 8k 容量，足够为种类繁多的嵌入式控制应用系统提供特别灵巧、特别有效的解决方案。具备下列标准配置： 8k 字节 512 字节 32 位 I/O 口线，看 门狗定时器，内置 4位电路， 3 个 16 位定时器 /计数器， 4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ，全双工串行口。 此外 供两种软件可选择节电模式，原理是降至 0态逻辑操纵。空闲模式下， 止工作，允许 时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护模式下， 持原来的内容，振荡器不工作，直到下一个中断或硬件复位为止，单片机都不会工作。最高运行频率 246T/12T 可选。 片机内部结构： 片机是在一块芯片中集成了 时器 /计数器和多种功能的 I/O 线等一台计算机所需要的基本功能部件。 片机内包含下列几个部件： 一个 8 位 4 一个片内振荡器及时钟电路； 4K 字节 序存储器； 128 字节 据存储器； 两个 16 位定时器 /计数器； 可寻址 64K 外部数据存储器和 64K 外部程序存储器空间的控制电路； 32 条可编程的 I/O 线（四个 8 位并行 I/O 端口）； 一个可 编程全双工串行口； 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。 单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。 运算器 运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（ 4 位）、单字节等数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、加 1、减 1、 十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。 8051 运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。它是以进位标志位 C 为累加器的，可执行置位、复位、取反、等于 1 转移、等于 0 转移、等于 1转移且清 0 以及进位标志位与其他可寻址的位之间进行数据传送等位操作。也能使进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。 程序计数器 序计数器 来存放即将要执行的指令地址，共 16 位，可对 64K 程序存储器直接寻址。执行指令时， 容的低 8 位经 输出，高 8 位经 输出。 令寄存器 指令寄存器中存放指令代码。 行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。 定时与控制部件 振荡器及 定时电路 8051K 字节 28 字节 个 16 位定时器 /计数器 64K 总线扩展控制 可编程 I/O 可编程 串行口 5 时钟电路 8052 片内设有一个由反向放大器所 构成的振荡电路， 别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式时钟电路如图 2示。在 脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振可以在 12间选择，电容值在 5间选择，电容的大小可起频率微调作用。 时钟电路 外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将 地， 外部振荡器就行。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12方波信号。 时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号 单片机使用。 每一个状态 S 的前半部分有效， 每个状态的后半部分有效。 时序 型的指令周期（执行一条指令的时间称为指令周期）为一个机器周期，一个机器周期由六个状态（十二振荡周期）组成。每个状态又被分成两个时 相 以，一个机器周期可以依次表示为 ， 6常算术逻辑操作在 相进行，而内部寄存器传送在 相进行。 存储器 片机的程序存储器和数据存储器空间是互相独立的，物理结构也不同。程序存储器为只读存储器（ 数据存储器为随机存取存储器（ 单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、 I/O 口锁存器统一编址的方式。有关存储器的内容将在下一节中详述。 I/O 端口 6 I/O 端口又称为 I/O 接口，也叫做 I/O 通道或 I/O 通路， I/O 端口是 I/O 端口有串行和并行之分，串行 I/O 端口一次只能传送一位二进制信息，并行 I/O 端口一次能传送一组二进制信息。 并行 I/O 端口 片机设有四个 8 位双向 I/O 端口（ 每一条 I/为三态双向口，能带 8 个 路。 2、 为准双向口（在用作输入线时，口锁存器必须先写入“ 1”，故称为准双向口），负载能力为 4 个 路。 总线 片机属总线型结构，通过地址 /数据总线可以与 存储器（ 并行 I/O 接口芯片相连接。 在访问外部存储器时， 输出高 8 位地址， 输出低 8 位地址，由 址锁存允许）信号将 （地址 /数据总线）上的低 8 位锁存到外部地址锁存器中，从而为 接受数据作准备。 在访问外部程序存储器（即执行 令时， 部程序存储器选通）信号有效，在访问外部数据存储器（即执行 令时，由 自动产生读 /写（ 信号，通过 对外 部数据存储器单元进行读 /写操作。 2. 片机外部结构： 1)单片机的引脚分布及功能 引脚说明： 列单片机中的 8032、 8052 及 8752 均采用 40装的双列直接构，右图是它们的引脚配置， 40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根， 4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明： 7 引脚图 位信号复用脚，当 8052 通电，时钟电路开始工作，在脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器 向 0000H， 出口全部为高电平，堆栈指 针 写入 07H，其它专用寄存器被清 “0”。 高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。然而，初始复位不改变 括工作寄存器 状态， 8052 的初始态 。 1、 8 位微处理器和控制器 2、内部含有 4程序 3、 2 个 16 位的计数 /定时器。 4、内部时钟振荡器 5、全双工方式的串行接口（ 寻址方式。 6、最高时钟振荡频 率可达 12部分指令执行时间为 1s，乘、除指令为 4s。 号引脚介绍： 输出口线 址锁存控制信号 8 于控制把 口输出的底 8 位地址送入锁存器锁存 起来 ，以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于 以 十二 分之一 晶振频率 的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。 有效（低电平），以实现外部 元的读操作 读操作限 定在外部程序存储器；而当 信号为高电平时，则对 读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储 位信号 当输入的复位信号延续 2 个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。 接晶体引线端 当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 线 V 电源 进电机选择 步进电机选用 四相步进电机 。 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。 只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图 1 是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 9 四相步进电机步进示意图 开始时，开关 通电源， 开， B 相磁极和转子 0、 3 号齿对齐，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 通电源， 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 号齿就和 A、 D 相绕组磁极产生错齿。依次类推， A、 B、 C、 D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、 B、 C、 D 方向转动。 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。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此， 八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 b、 a. 单四拍 b. 双四拍 c 八拍 步进电机工作时 序波形图 10 序流程图 Y N Y Y N Y Y N Y 按键检测 减速按键是否按下 加速按键是否按下 查看正反转标志为 0 正转 判断是否为低速 判断是否为高速 正反转 标志取反 正 反转 是否按下 反转 速度标识减1 速度标识加1 N 11 Y Y N N Y N N Y 取正转码 是否为结束码 根据速度标识设定速度值得显示时间，从而以达到控制输出脉冲的频率来控制电机速度 数码管显示速度 显示时间是否结束 取正转码 取反转码 束码是否为结束码 根据速度标识设定速度值得显示时间，从而以达到控制输出脉冲的频率 数码管显示速度 显示时间是否结束 12 构框图 序设计 #26;/数码管显示段选 I/O 口定义 27; /数码管显示段选 I/O 口定义 36;/电机加速 I/O 口定义 37; /电机加速 I/O 口定义 35;/电机正反转 I/O 定义 ;/电机正反转标志位 ,; =0 /电机正反转 I/O 口的高低电平对应表 =0 9示电路 驱动电路 步进电机 传感器 反馈电路 按键电路 13 =0 =00(i) /延时函数 j,k; j=i;j0;k=125;k0; /显示函数 ; P0= ; ; ; ; ; ); P0=; ; ; ; ; ); ) /按键检测处理函数 if(0) ); /加速键按下，消抖 if(0) ; /速度表示加 1 14 if(4) ; /达到最大 3 则保持 0); /等待松开按键 if(0) ); /减速键按下 if(0) if(0) /速度标示减 1 ; /达到最小 0 则保持 0); if(0) ); /正反转按键按下 if(0) /正反转表示取反 0); /根据速度标识进行数据处理 : ; /数码管第一位显示的数字 ; /利用 据控制送给电机脉冲的频率，控制速度 : ; ; : ; 15 ; : ; ; if(0) ; / 0，正转 ; / 1,反转 /电机速度，和正反转控制 i,j; j=0+j4+j+) P1=j; /读取控制电机转动 I/O 口表 i=0;ii+) ; /利用显示函数起延时作用，控制电机速度 /这样也不影响数码管显示，一举两得 ) ; ; ; 16 结 论 本设计通过单片机 控制步进电机的 正反转，加减速 ， 以实现步进电机的控制。 本设计 实现了占用 间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速；提高了步进电机的步进精度等。再有，本设计过程考虑比较周全，系统中不仅采用光电隔离电路有效地抑制电磁干扰以提高系统的可靠性，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求，因此常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制（包括控制脉冲的产生和分配）使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也减低了成本。 基于单片机的步进电机控 制系统性能优于传统的步进控制器，具有相应快，控制方便可靠等一系列优点，在机电一体化、数模转换装置、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、印刷设备等中亦得到广泛地应用，发展前景广阔 。 更重要的是对单片机步进电机的设计，不仅让自己对自己学习的单片机有一个好的总结，更好的是通过对硬件电路的设计以及软件知识的应用来提升自己对单片机的认识，归纳各种单片机的应用，同时对软件的应用开发打下一个坚实的基础；为以后的硬件设计，软件开发提供更多的经验和方法。 总之，对于学好单片机，需要以正确的态度，持之以恒的毅力，科学的方 法来完成这门课程的学习，不管在理论上还是在实践上都要这种精神来学习，并且要以学到的知识来扩展自己的思维， 同时要不断看书，不断查阅资料来填补自己在专业知识的盲区；为自己以后在专业的发展