基于单片机控制的步进电机控制器设计

1单片机原理与应用技术课程设计报告题目: 基于单片机控制的步进电机控制器专业班级：姓 名：时 间：指导教师：2014 年 12 月 12 日2步进电机控制器的课程设计任务书一设计目的与要求（一）基本功能1. 实现步进电机的正反转控制2. 实现步进电机的加速控制3. 实现步进电机的减速控制 如过载保护、欠压保护、短路保护和防飞车等功能。（二）扩展功能任意设定一点为圆心，实现一个直径为 10cm 的圆形轨迹运动。二计划完成时间 三周1第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。2第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。3第三周完成软件和硬件的联合调试。3目录1 引言12 总体设计方案12.1、设计思路12.2、2.2、单片机简介12.3、步进电机12.3.1、四相步进电机的工作原理22.3.2、四相步进电机的脉冲分配规律22.4、方案论证22.5、设计框图33 设计原理分析33.1、硬件设计33.1.1、最小系统33.1.2、控制电路43.1.3、显示电路43.1.4、驱动电路53.2、软件设计63.2.1、主程序设计63.2.2、定时中断设计63.2.3、外部中断设计74 结束语7参考文献8附录 1 电路原理图9附录 2 程序清单104基于单片机控制的步进电机控制器摘要：本系统由单片机系统、显示系统、驱动系统和步进电机组成。通过按键来控制单片机，通过 P1 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，使步进电机的转向与转速发生变化，达到对电机控制的目的。该设计具有结构简单、可靠性高、使用方便、可以实现较复杂的控制、具有较大的灵活性和适应性等特点。关键词： 步进电机 单片机 AT89C511 引言微型计算机的出现给人类生活带来了根本性的变化，使现代科学研究发生了质的飞跃，单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。同时，随着科技技术的快速发展进步，在工业过程控制及某些仪表中，经常会用到步进电机，其精度高，具有快速起/停能力，可对位移量、旋转角和转动速度等进行高精度控制，作为控制执行部件而广泛应用于自动控制领域和精密机械领域，从而实现对生产过程或设备的精确控制。本设计主要是设计一个由单片机控制的步进电机调速系统，操作者可通过系统的按钮和开关控制步进电机的旋转速度和方向，正反转速度要求变化，同时为了可以直观的看出电机的运行状态，其速度档位和旋转方向可以在数码管上显示出来。2 总体设计方案2.1、设计思路根据步进电机的工作原理可以知道，如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电路。就可以控制电机的转动。转动的角速度大小与施加的脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。常用的步进电机有三相、四相、五相和六相，相数越多，输出转距就越平稳。2.2、单片机简介单片计算机即单片微型计算机。 （Single-Chip Microcomputer ）,是集 CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。他体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产品和工业自动化上。而 51 单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。2.3、步进电机步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR ）和混合式（HB） ，步进电动机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动、反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于在开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电动机为数字/角度转换器。52.3.1、四相步进电机的工作原理该设计采用了 20BY-0 型步进电机，该电机为四相步进电机，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。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。2.3.2、四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍，和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图 1 a、b、c 所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定的程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉频率一定要控制在步进电机允许的范围内。图 1 步进电机工作时序波形图表 1 四相单四拍脉冲分配表 表 2 四相双四拍脉冲分配表2.4、方案论证从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向指示，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要 2 根口线，再加上一根方向线和一根启动信号线共需要 4 根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选用的是国产 20BY-0 型步进电机，它使用+5V 直流电源，步距角为 18 度的四相步进电机，该电机共有 4 相绕组，工作电压为5 伏，可以和单片机共用一个电源。步进电机的 4 相绕组用 P1 口的 P1.0P1.3 控制，由于 P1 口驱动能力不够，因而用一片 2003 增加驱动能力。用串口输出方式显示，外接串并转换芯片 74LS164 可以实现静态显示，减少了软件开销，同时只占两根口线，串口 P3.0、P3.1 外扩两片 74LS164 串6并转换芯片即可满足显示要求，选用共阳接法的数码管。2.5、设计框图图 2 总体设计框图3 设计原理分析3.1、硬件设计本设计的硬件电路主要包括最小系统、控制电路、显示电路、驱动电路四大部分组成。最小系统主要是为了使单片机正常工作；控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需求进行操作；显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速；驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。3.1.1、最小系统图 3 复位及时钟振荡电路单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对 51 系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、复位电路、晶振电路。复位电路通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路图 3 所示。上电后，由于电容C1 的充电作用，使 RST 持续一段时间的高电平，持续两个机器周期以上就将复位。单片机在运行当中时，按下复位键 S1 后松开，也能使 RST 为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作控制输入电路最小系统AT89C51单片机电机状态/转速显示电路电机C230PFC330PFC122uR21KR1200S1Y16MHzRST9XTAL218XTAL119GND20VCC 40AT89C51VCC驱动电路7晶振电路：8031 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器( 简称晶振) 或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 3 示。其电容值一般在 5-30pF。晶振频率的典型值为 12MH2，采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多3.1.2、控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制、换向控制、加速控制和减速控制按钮，分别是 K1、K2、S2、S3，控制电路如图 4 所示。通过 K1、K2 状态变化来实现电机的启动和换向功能，当 K1、K2 的状态变化时，内部程序检测 P3.4 和 P3.5 的状态来调用相应的启动和换向程序，实现系统的启动和电机的正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲的频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时器中断。在此电路中电机的转速的控制主要是通过定时器的中端来实现的，该电路控制电机加减速主要是通过 S2、S3 通过控制外部中断 0，外部中断 1，实现加速和减速的控制。通过 S2、S3 的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数） ，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。图 4 控制电路原理图3.1.3、显示电路在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的串行口，单片机 89C51 的串行口是一个全双工的串行通信口，可作为同步移位寄存器使用，其数据由 RXD（P3.0）端串行输出和输6M30PFC230PFC322uC11KR2200R1VCCK2 K1S2S3R91KR81KR71KR61KR410KR310KVCCS1EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U189C518入；而同步移位时钟由 TXD（P3.1 ）端串行输出，在同步时钟作用下，可实现由串行到并行的数据通信。该电路中，主要是利用串行口加外围芯片 74HC164 构成的电机状态及转速等级显示电路，第一个数码管显示电机状态，正转时显示“0” ，反转时显示“” 。第二个数码管显示电机的转速级别，共 7 级，显示数字从 17， “0”为停止。电路如图 5 所示，使用了共阳数码管。图 5 电机运行状态及转速显示电路3.1.4、驱动电路目前，步进电机的驱动方式有：单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动、双极性驱动。这里采用了集成电路驱动，从单片机的 P1 口输出电机的驱动脉冲送入功率驱动集成电路 ULN2003， ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅 NPN 达林顿管组成，该功率驱动继集成电路采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动步进电机。电路如图 6 所示：图 6 步进电机驱动电路12345678101112131415169ULN200320BY20型型型VCCEA/VP 31X1 19X2 18RESET 9RD 17WR 16INT0 12INT113T0 14T115P10 1P11 2P12 3P13 4P14 5P15 6P16 7P17 8P0039 P0138P0237 P0336P0435 P0534P0633 P0732P2021 P2122P2223 P2324P2425 P2526P2627 P2728PSEN29 ALE/P30 TXD11RXD10U189C51EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U189C51A1 B2QA 3QB 4QC 5QD 6CLK8 CLR9QE 10QF 11QG 12QH 13U274LS164A1 B2QA 3QB 4QC 5QD 6CLK8 CLR9QE 10QF 11QG 12QH 13U374LS164abfcgdeDPY76124910abcdefg5 dp dp38DS2abfcgdeDPY76124910abcdefg5 dp dp38DS1VCCD3D2D193.2、软件设计通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、减速信号和方向信号，因而用中断方式效率最高，这样总共要完成 4 个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断 0 及外部中断 1 中断部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。3.2.1、主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1 口送初值以决定脉冲分配方式、速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度、对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均设为 0，这意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“8” ，速度值显示 0，主程序流程如图 7 所示：图 7 主程序流程图3.2.2、定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进10电机才会旋转，时间间隔越短，步进电机的速度就越高。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数。因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图 8 所示。3.2.3、外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数） ，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮 S2 为 INT0 中断，其程序流程为读原数据，当值 7 时，不改变原数值返回，值7，数据1 返回；速度减少按钮 S3，当原数据不为 0，减 1 保存数据，原数据为 0 则保持不变。程序流程图如图 9 所示。图 8 定时中断程序流程图 图 9 外部中断程序流程图4 结束语本设计主要是体现了单片机在控制步进电机方面的应用。通过这次的课程设计使我在各个方面都有了很大的提高。首先，对步进电机的工作原理有了一定的了解，同时在设计的过程中使我感觉到整体电路的综合调试是非常重要的，仿真正确在实际电路中却有可能不能实现。再次要考虑到单片机不能直接控制步进电机，必须根据步进电机功率的大小合理的选择功率驱动器件。同时在含有多位数码管显示的系统中，用到的口线较多，采用串并转换的方式可以节省口线，可以节省很多的单片机资源。还有就是编程，学习中，小程序可以很快的编出来，通过这次实习，一次系统的编程所需要考虑到的问题，是我这次实习中的一个很大的收获。总之，通过这次实习，我学到了很多的知识，同时也找到了一些问题。这将为我以后的学习起到很大的帮助。11参考文献1 李朝青. 单片机原理及接口技术（第 3 版）. 北京: 北京航空大学出版社,2005 2 王晓明.电动机的单片机控制（第二版） .北京：北京航空航天大学出版社，20073 蒋辉平.周国雄.单片机原理及应用技术. 北京：北京航空航天大学出版社，20074 张大明.单片机控制实训指导及综合应用.北京：机械工业出版社，20075 张迎新.单片机初级教程（第二版） .北京：北京航空航天大学出版社，20066 刘玉宾.朱焕立.单片机原理及接口技术.北京：机械工业出版社，20047 谢自美.电子线路设计实验 测试（第三版）.武汉：华中科技大学出饭社，20068 童诗白.华成英. 模拟电子技术基础(第三版) .北京: 高等教育出版社,2001 9 万光毅.单片机实验与实践教程(第二版) .北京: 北京航空航天大学出版社,2006 年,第 2 版12附录 1 电路原理图C2 30PF C1 30PF C322uR71KR8200S5EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1 8051Y1 6MHz1 2 3 4 5 6 7 8910111213141516U5ULN2003GND1 2 3 4J1型型R1 10K R3 1KR210KR6 1KS1S2R4 1KR5 1K R10 5.1KR9 5.1KS3S4VCCVCC1J21Q61CK41K31Q71PR51CLR12J142Q102CK122K132Q92PR112CLR15U2 74LS109X2R11 10KC422UA1B2QA3QB4QC5QD6CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13U3 74LS164 A1B2QA3QB4QC5QD6CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13U474LS164a bfcgdeDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp3 8DS2a bfcgdeDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp3 8DS1D3D2D113附录 2 程序清单SPEED EQU 10HFX EQU 11HCOUNT EQU 12HORG 0000AJMP MAINORG 0003HAJMP UPORG 0013HAJMP DOWNORG 000BHAJMP ZDT0ORG 0030HMAIN: MOV SP, #60HMOV TMOD,#01HMOV TH0,#0CFHMOV TL0,#02CHMOV COUNT,#01HSETB ET0CLRIT0CLRIT1SETB EX0SETB EX1SETB EAM