基于单片机的步进电机控制器设计毕业论文设计.doc

毕毕业业论论文文（设设计计） 基于单片机的步进电机控制器设计基于单片机的步进电机控制器设计 学 院 专 业 年 级 学生姓名 学 号 年 月 日 摘 要 本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型 LCD 和键盘，构建了集步进电机控制器和驱动 器为一体的步进电机控制系统。CPU 采用 89C51 作为步进电机的控制芯片；步进电机的应 选用三相三拍的步进电机；显示电路的用 LCD1602，分别用来显示步进电机的实际转速 与给定转速；键盘的连接一般有两种方式，一种是独立式键盘；一种是行列式键盘， 本次设计一共用 4 个键因此采用独立式键盘；电源电路用了+5V、+12V 电源，采用的是 78 系列的集成固定三端稳压管；由于系统中不可避免会从外界引入干扰，影响系统的 控制精度，使系统的稳定性变差，故采用了硬件和软件抗干扰措施。 软件的设计：包括显示子程序、键盘子程序、驱动程序、正反转程序、转速快慢 程序、以及定时中断程序。 关键词: 步进电机，液晶显示，L298 0 目目 录录 第第 1 1 章章 绪绪 论论 2 2 1.1 引言 2 1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 .3 1.2.1 常见的步进电机控制方法3 第第 2 2 章章 系统方案设计系统方案设计 5 5 2.1 步进电机的选择 5 2.2 单片机的选择 5 第第 3 3 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 9 9 3.1 单片机微控制器电路设计 9 3.1.1 AT89C51 微控制器特点 .9 3.1.2 AT89C51 单片机引脚功能 .9 3.1.3 晶振电路设计11 3.1.4 复位电路设计 12 3.2 电源模块设计 .12 3.3 步进电机驱动电路设计 .13 3.4 液晶显示电路 .14 第第 4 4 章章 系统软件实现系统软件实现 1616 4.1 系统软件主程序设计 .16 4.2 系统初始化程序设计 .17 4.3 电机驱动程序设计 .17 4.4 液晶显示程序设计 .19 第第 5 5 章章 系统测试系统测试 2020 5.1 运行结果20 5.2 仿真软件介绍21 总总 结结 2121 致致 谢谢 2222 参考文献参考文献 2323 程序附录程序附录 2424 1 第 1 章 绪 论 1.1 引言 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把 电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比， 位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋 转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一 矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与 定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就 是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压， 转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相 绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使 电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误 差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误 差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲 频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点1。 正是由于步进电机具有突出的优点，广泛应用在各种自动化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经 济领域都有应用2。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在 大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行 研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。近年来由于微型 计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步 进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机 构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪 器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子 钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及 2 许多航天工业的系统中得到应用3。因而，对于步进电机控制的研究也就显得 尤为重要了。 1.2 课题研究背景 电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作 用。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，原理是通过对它每相线圈中 的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。步进电机是将电脉冲信号转变为角 位移或线位移的执行机构。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，即给电机加一个脉冲 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，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控 制变的非常的简单，价钱比较低廉，所以其应用的越来越广泛，以后在速度、 位置等领域，利用单片机控制实现其控制效果，会陆续的占有一席之地。 1.3 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 1.3.1 常见的步进电机控制方法 1、基于电子电路的控制 步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元 器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功 率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步 进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的 细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、 功率放大驱动电路。系统组成如图 1.1 所示。 功 率 放 大 驱 动 电 路 脉 冲 控 制 器 环 形 分 配 器 步 进 电 机 图 1.1 基于电子电路控制系统 3 此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低， 设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实 现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过 反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令， 从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步4。该方案多通过一些大规模集成 电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方 案，必须需重新设计，因此灵活性不高。 2、基于单片机的控制 采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软 件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线 直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的 外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停 止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电 机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由 单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。 本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控 制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分 配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动， 大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键 盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性5。 4 5 第 2 章 系统方案设计 2.1 步进电机的选择步进电机的选择 方案一：选择反应式步进电动机（VR）。 采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角 可以做的相当小，但动态性能相对较差。 方案二：选择永磁式步进电动机（PM）。 转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定 子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是 7.50。它的出力大，动 态性能好；但步距角一般比较大。 方案三：选择混合步进电动机（HB）。 这是 PM 和 VR 的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为 齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出 力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多 用此类电机。 由于永磁式步进电机的动态性能比较好，而且结构相对比较简单，价格适 中，是电子业余爱好者中常用的步进电机。故在此选用永磁式步进电机。 2.2 单片机的选择单片机的选择 方案一：选择 ARM7TDMI S3C44BOX 单片机 S3C44BOX 单片机包含 ARM7TDMI 处理器。ARM7TDMI 处理器是 ARM 公司通用的 32 位微处理器家族的成员之一，是一种高性能、廉价、低功耗的 RISC 处理器，同时又具有非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。 方案二：选择 AT89S52 单片机 AT89S52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。它的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器 件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指 6 令集和输出管脚相兼容。由于 AT89S52 的结构简单、价格适中、高性能，故在 此选择 AT89S52 单片机。 2.3 步进电机驱动电路的设计步进电机驱动电路的设计 方案一：使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求， 放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四 路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时 运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 方案二：选用 L297，L298 芯片作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合 来驱动步进电机。 L297 芯片是具有 20 个引脚的双列直插式塑胶封装的步进电动机控制器(包 括集成的硬件环形分配器)。它可产生四相驱动信号，能用半步(八拍)和全步(四 拍)等方式驱动单片机控制两相双极或四相单极步进电机。该芯片内部的 PWM 斩波器允许在关模式下控制步进电动机绕组电流，由于相序信号也是由内部产 生的，因此它只需要时钟、方向和模式输入信号便能控制步进电动机，可减轻 微处理器和程序设计的负担。L297 单片步进电动机控制器集成电路的核心是脉 冲分配器，L297 还设有两个 PWM 斩波器来控制线绕组电流，实现恒流斩波控 制，以获得良好的转矩-频率特性。适用于双极性两相步进电动机或单极性四 相步进电动机的控制。L297 只需从上位机接受方向(正反转)，模式(半步基 本步距)，时钟(步进脉冲)3 个输入信号。它产生 3 种相序的信号，对应于 3 种 不同的工作方式：半步方式(四相八拍)；基本步距，单相激励方式(单相四拍)； 基本步距，两相激励方式(两相两拍)。其工作方式输出的波形如图 46 所示， 初状态(HOME)是 ABCD= 0101。L297 是 20 脚双列直插式塑料封装，常以+5V 供电。该单片步进电机控制器集成电路的核心是脉冲分配器，L297 还设有两个 PWM 斩波器来控制绕组电流，实现恒流斩波控制，以获得良好的转矩-频率特 性，实用于双极两相步进电机或者单极四相步进电机的控制。 L298 是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁 CMOS 技术，于 1990 年前后开发并且投放市场的，是一种双通道高压、高速的 7 功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧 MOSFET 或 IGBT 所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元 件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出 驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电 压比较高，可以达到 600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。高压侧驱动 采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变 压器和电容的数目，使得 MOSFET 和 IGBT 的驱动电路设计大为简化，而且它 可以实现对 MOSFET 和 IGBT 的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。与此 同时，L298 的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低 了产品成本和减少体积。 L297 加驱动器组成的步进电机控制电路具有以下优点：使用元件少，组件 的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且计算机(或单片机)硬件 费用 大大减少。L297 与 L298 配合使用控制双极步进电机工作电流可达 2.5A。本系 统最后采用 L297 来提供时序信号，节省了单片机 IO 端口的使用。采用 L298 来驱动步进电机的设计方案。 8 9 第 3 章 系统硬件电路设计 3.1 单片机微控制器电路设计单片机微控制器电路设计 3.1.1 AT89C51 微控制器特点微控制器特点 AT89C51 单片机是美国 Intel 公司的 8 位高档单片机系列。也是目前应用最 为广泛的一种单片机系列。其内部结构简化框图如下所示。AT89C51 系列单片 机主要有 CPU、存储器（包括 RAM 和 ROM）、IO 接口电路及时钟电路等部 分组成。 单片机的优点： 有优异的性能价格比。 集成度高，体积小，可靠性好。 控制能力强。 低功耗,低电压,便于生产便携式产品。 易扩展。 目前，应用广泛的主流机型是 80C51 系列 8 位单片机。该机型具有性能 价格比高；开发装置多；国内技术人员熟悉；芯片功能够用适用；有 众多芯片制造厂商加盟，可广泛选择等优点，此次我们采用美国 intel 公司生产 的 AT89C51 单片机，其中主要包括有 CPU、存储器（RAM 和 ROM）、IO 接 口电路及时钟电路等 3.1.2 AT89C51 单片机引脚功能单片机引脚功能 AT89C51 系列单片机的封装形式有两种：一种是双列直插方式封装；另 一种是方形封装。AT89C51 单片机 40 个引脚及总线结构图如下所示。其 CMOS 工艺制造的低地功耗芯片也有采用方形封装的。但为 44 个引脚，其中 4 个引脚是不使用的。由于 89C51 单片机是高性能的单片机。同时受到引脚数目 的限制，所以有部分引脚具有第二功能。如图 2-3 单片机引脚图。 1.主电源引脚 10 主电源引脚两根：VCC 接+5V 电源正端；VSS 接+5V 电源地端。 2.外接晶体引脚两根 XTAL1:接外部石英体和微调电源的一端。 XTAL2:接外部晶体和微调电容的另一端。 其中，对用外部时钟时，对于 HMOS 单片机,XTAL1 脚接地，XTAL2 脚作 为外部振荡信号的输入端。对 CHMOS 单片机 XTAL1 脚作为外部振荡信号的 输入端，XTAL2 脚空不接。 图 3-1 单片机引脚图 3. 引脚功能 IO 引脚共 32 根。 PO 口：P0.0-P0.7 统称为 PO 口是 8 位双向 I/O 口线。P0 口即可作为地址 /数据总线使用，又可作为通用的 I/O 口线。在不接片外存储器与不扩展 I/O 口 时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展 I/O 时，P0 口分时复 用为低 8 位地址总线和双向数据总线。 P1 口：P1.0-P1.7 统称为 P1 口。是 8 位准双向 I/O 口线。P1 口作为通用 的 I/O 口使用。 P2 口：P2.0-P2.7 统称为 P2 口。是 8 位准双向 I/O 口线。P2 口即可作为 通用的 I/O 口使用。也可作为片外存储器的高 8 位地址线。与 P0 口组成 16 位 片外存储器单元地址。 11 P3 口：P3.0-P3.7 统称为 P3 口。是 8 位准双向 I/O 口线。P3 口除作为准 双向口使用外。每个引脚还具有第二功能。P3 口的每一个引脚均可独立定义为 第一功能的输入输出或第二功能，P3 口的第二功能如下表所示： P3 口的第二功能 P3.0 RXD 串行口输入 P3.1 TX D 串行口输出 P3.2 外部中断 0 输入 0IM P3.3 外部中断 1 输入 1IM P3.4 T0 定时/计数器 0 计数输入 P3.5 T1 定时/计数器 1 输入 P3.6 片外 RAM 写选通信号（输出） WR P3.7 片外 RAM 读选通信号（输出） RD 4控制线 控制线共四根。 ALE/PROG 地址锁存有效信号输出率。 PSEN 片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。 RST/VPD 复位信号备用电源输入信号。 EA/VPP 片外程序存储器选用端。 3.1.3 晶振电路设计晶振电路设计 AT89C52 单片机的定时控制功能是用时钟电路和振荡器完成的，而根据硬 件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。本设计中采用内 部时钟方式。 单片机内部有一个反相放大器 XTAL1、XTAL2 分别为反相放大器的输入端 和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单 片机内部各元件。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度 12 也就越快。一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外界晶振 （或接陶瓷振荡器）和电容就可组成振荡器，如图 3-2 所示。加电以后延时一 段时间（约 10ms）振荡器产生时钟，不受软件控制，图中 X1 为晶振，震荡产 生的时钟频率主要由 Y1 确定。电容 C1，C2 的作用有两个：一是帮助振荡器起 振，二是对振荡器的频率起微调作用，典型值为 30pF。 图 3.2 晶振电路 3.1.4 复位电路设计复位电路设计 通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 STC89C51RC 单片机在时钟电路工作以后，在 RST/V端持续给出 2 个机器周 PD 期的高电平就可以完成复位操作（一般复位正脉冲宽度大于 10ms）。复位电路 分为上电复位和外部复位两种方式。上电复位是在单片机接通电源时，自动对 单片机复位。外部复位是通过外部手动进行的复位。在这里我们设计的复位电 路是上电/外部复位电路，既可以进行上电自动复位，也可以外部手动复位。 图 3.3 复位电路 13 3.2 电源模块设计电源模块设计 LM1117 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压 消费类产品。 LM1117 特性： 静态功耗低，约为 4mA，可用于电池供电； 工作电压范围宽，4V-12V 或 5V-18V； 外围元件少； 电压增益可调，20-200； 低失真度。 LM1117 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电 压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之 中。LM1117 内部电路原理图如图 3-4 所示。 图 3-4 电源模块电路图 3.3 步进电机驱动电路设计步进电机驱动电路设计 L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用 驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二 相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机， 内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑准 位信号，可驱动 46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电 压；此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中 用 L297 来提供时序信号，节省了单片机 IO 端口的使用。L298N 之接脚如图 3- 5 所示，Pin1 和 Pin15 可与电流侦测用电阻连 接来控制负载的电路； OUTl、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接 2 个步进电机；input1input4 输入 14 控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。 图 3-5 步进电机驱动电路 3.4 液晶显示电路液晶显示电路 对于本系统要有显示装置完成显示功能。显示器最好能够显示数据、图形。 考虑到同种LCD显示器的屏幕越大体积越大，功耗越大的特点，在同类产品中选 用了LCD1602液晶显示模块。该型号显示器消耗电量比较低，可以满足系统要求。 该类液晶显示模块采用动态的液晶驱动，可用5V供电。以下为液晶显示电路接 线原理图如图3-6所示。 15 图3-6 LCD1602液晶电路图 16 第 4 章 系统软件实现 本系统的软件设计主要分为系统初始化、延时子程序、按键响应程序，液 晶显示程序，驱动电机子程序及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧 密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机 AT89S51 通过软 件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行 质量。 程序流程图的设计遵循自顶向下的原则，即从主体遂逐步细分到每一个模 块的流程。在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。具体程序的讲解将在本 章各节做详细讲解。 4.1 系统软件主程序设计 当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初 始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便 调用并执行相应的子程序，其具体的主流程图 4.1 如下所示： 开始 系统初始化 Y N 按键判断 相应按键子程序 相应显示子程序 结束 图 4.