基于单片机的步进电机控制系统的设计_毕业设计论文1.docx

基于单片机的步进电机控制系统的设计摘要步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，比如细分驱动技术，但是有的系统比较复杂，和一些相对比较简单的控制过程不相吻合，投入上也不经济有的系统在操作上不是很方便，交互性不强。因此本文的研究内容就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况、以及常见的控制系统采用的方案，常见的驱动技术，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机软件控制开发的流程。关键词步进电机单片机看门狗驱动技术ABSTRACTSTEPPINGMOTORISAKINDOFCONTROLLEDBYELECTRICALPULSESIGNALPHASEWINDINGCURRENTTOACHIEVEFIXEDANGLEROTATINGELECTROMECHANICALCOMPONENTS,COMPAREDWITHOTHERTYPESOFMOTORCONTROLWITHEASYTOOPENLOOPPRECISION,NOACCUMULATIONOFERROROFTHEADVANTAGES,HASBEENWIDELYUSEDINMANYFIELDSINORDERTOOBTAINGOODCONTROLPERFORMANCERESULTS,THEREHASBEENALOTOFSTEPPINGMOTORCONTROLSYSTEM,WHICHADOPTSSINGLECHIPASTHECONTROLOFTHECONTROLSYSTEMHASBEENWIDELYAPPLIEDALOTOFTHISCONTROLSYSTEMHASBEENINTHEDRIVEOFSTEPMOTORISVERYGOOD,SUCHASSUBDIVISIONDRIVINGTECHNOLOGY,BUTSOMEOFTHESYSTEMISMORECOMPLEX,ANDSOMERELATIVELYSIMPLECONTROLPROCESSDONOTCOINCIDE,INVESTMENTISNOTTHEECONOMYSOMESYSTEMSINTHEOPERATIONISNOTVERYCONVENIENT,DONOTHAVEASTRONGINTERACTIONSOTHERESEARCHCONTENTSOFTHISTHESISISTODESIGNASETOFHARDWARESYSTEMISSIMPLE,ECONOMIC,BUTTHEFUNCTIONISCOMPLETE,STRONGADAPTABILITY,CONVENIENTOPERATION,HIGHRELIABILITY,CANORGANICALLYINTEGRATEELECTRONICTECHNOLOGY,SINGLECHIPTECHNOLOGY,MOTORCONTROLTECHNOLOGYOFSTEPPINGMOTORCONTROLSYSTEMTHISPAPERBRIEFLYDESCRIBESTHEDEVELOPMENTOFTHESCHEME,THESTEPPERMOTORAPPLICATIONS,ASWELLASTHECOMMONCONTROLSYSTEM,DRIVINGTECHNOLOGYISCOMMON,BUTALSOANALYZEDTHEWORKINGPRINCIPLEOFSTEPPINGMOTOR,ANDTHENBYTHEMICROCONTROLLERTHEHARDWAREDESIGNSCHEMEOFTHESYSTEM,DETAILEDDESIGNONTHEBASISOFEACHMODULETHECIRCUIT,THENEXPOUNDSTHESTEPPINGMOTORCONTROLSOFTWAREDEVELOPMENTPROCESSKEYWORDSSTEPPERMOTORMICROCONTROLLERWATCHDOGDRIVERTECHNOLOGY目录摘要IABSTRACII第1章绪论111前言1111基于电子电路控制手段1112基于PLC/变频器控制手段2113基于单片机控制手段312国内外发展情况413步进电机驱动方式分类及比较6131单电压驱动6132高低压驱动7133自激式恒电流斩波驱动8134它激式恒电流斩波驱动8135细分驱动914研究的目的和意义1015论文安排11第2章步进电机概述1321步进电机的特点1322步进电机的分类14221反应式步进电机14222永磁式步进电机14223混合式步进电机1423步进电机的运行原理阐述15第3章步进电机控制系统概述1731步进电机控制系统简介1732本系统特点与功能20321本系统特点20322系统功能21第4章系统硬件设计2241系统组成2242系统核心AT89C51单片机22421主要特性23422管脚说明23423振荡器特性25424芯片擦除25425最小系统2643外围电路设计27431显示电路LCD160227432键盘电路34433看门狗复位电路36434驱动电路L298N38435电源电路41第5章系统软件设计4351系统软件主流程图4352系统初始化流程图4453步进电机运行模块主流程图4554系统显示流程图4655系统键盘流程图47551待机状态下键盘操作流程47552连续运行模式状态下键盘操作流程49第6章总结5261结论52参考文献54致谢56附录1部分系统程序清单57附录2系统图59CONTENTSABSTRACTIABSTRACTIICHAPTER1INTRODUCTION111PREFACE1111ELECTRONICCIRCUITCONTROLMETHODBASEDON1112BYMEANSOFCONTROLBASEDONPLC/INVERTER2113BASEDONMCUCONTROL312DOMESTICANDFOREIGNDEVELOPMENT413STEPPERMOTORDRIVEMODECLASSIFICATIONANDCOMPARISONOF6131SINGLEVOLTAGEDRIVE6132HIGHANDLOWVOLTAGEDRIVE7133SELFEXCITEDCONSTANTCURRENTCHOPPERDRIVE8134EXCITATIONTYPECONSTANTCURRENTCHOPPERDRIVE8135SUBDIVISIONDRIVE914THEPURPOSEANDSIGNIFICANCEOFTHESTUDY1015THEPAPER11CHAPTER2OUTLINESTHESTEPMOTOR1321STEPPERMOTORFEATURES1322STEPPERMOTORCLASSIFICATION14221REACTIONSTEPPINGMOTOR14222PERMANENTMAGNETSTEPPERMOTOR14223THEHYBRIDSTEPPINGMOTOR1423THESTEPOPERATIONOFTHEPRINCIPLEOFSTEPPINGMOTORON15CHAPTER3STEPPERMOTORCONTROLSYSTEMOVERVIEW1731STEPPERMOTORCONTROLSYSTEM1732THECHARACTERISTICSANDFUNCTIONOFTHESYSTEM20321CHARACTERISTICSOFTHESYSTEM20322SYSTEMFUNCTIONS21CHAPTER4HARDWARESYSTEMDESIGN2241SYSTEM2242SYSTEMAT89C51MCUCORE22421THEMAINCHARACTERISTICSOF23422THEPIN23423OSCILLATORCHARACTERISTICS25424CHIPERASE25425MINIMUMSYSTEM2643THEPERIPHERALCIRCUITDESIGN27431DISPLAYCIRCUITLCD160227432KEYBOARDCIRCUIT34433WATCHDOGRESETCIRCUIT36434THEDRIVECIRCUITOFL298N38435POWERSUPPLYCIRCUIT41CHAPTER5SYSTEMSOFTWAREDESIGN4351SYSTEMSOFTWAREFLOWCHARTOF4352SYSTEMINITIALIZATIONPROCESSINFIGURE4453THESTEPMOTORRUNNINGMODULEFLOWCHART4554SYSTEMSHOWSTHEPROCESSINFIGURE46551STANDBYKEYBOARDOPERATIONPROCESS47552CONTINUOUSOPERATIONMODETHEKEYBOARDOPERATIONPROCESS49CHAPTER6SUMMARIZES5261CONCLUSIONS52REFERENCE54THANKS56APPENDIX1SYSTEMPROGRAMINLISTING57APPENDIX2SYSTEMDIAGRAM59第1章绪论11前言步进电机在工业自动化装备、办公自动化设备中有着广泛的应用。近年来，控制技术、计算机技术及微电子技术的迅速发展，有力地推动了步进电机控制技术的进步，提高了步进电机运动控制装置的应用水平。步进电机的控制系统多种多样，但究其控制手段而言，主要可以分为以下几种111基于电子电路控制手段在一些控制应用不高的场合，采用简单数字定时集成芯片为步进电机提供脉冲控制信号，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。1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。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。图11基于电子电路控制步进电机系统112基于PLC/变频器控制手段在一些要求实现精确控制的场合，采用PLC或者变频器对步进电机进行控制是一个很好的选择。PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分浙江工业大学硕士学位论文配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力。2采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。脉冲控制器环形分配器驱动电路步进电机图12基于PLC控制步进电机系统图113基于单片机控制手段单片机在工业控制中以其高速、精准、成本低廉的特性得到了广大工程设计者的青睐，近几年，以单片机作为控制核心的工业控制系统不断被开发和应用在工业生产控制领域中，而以单片机作为核心的步进电机生产运行系统也成为了时下比较热门的研究课题。3单片机系统驱动电路步进电机机械装置外围电路图13基于单片机控制步进电机系统图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控制版面输入输出驱动电路步进电机负载制和精确控制，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。本课题的研究思路即为采用单片机作为控制核心，实现对步进电机的控制。12国内外发展情况步进电机问世以后很快就确定了开环高分辨率数控定位系统的应用领域，在工业上的应用发展至今己有几十年的历史，还没有找到更合适的替代产品，而且已经成为除了交直流电机外的第三大类电机。在其发展历程中，出现了多种类型步进电机，按照基本的构造和工作原理可分为三大类型即磁阻式、永磁式和混合式。在日本和西方等发达国家早期都是研制和应用磁阻式步进电机，但是由于固有的能量利用率低、振动和噪音大等缺点逐步被淘汰掉，目前在国外几乎没有了仅仅在某些场合例如在温度很高的核反应堆中或者需要电动机的不通电的情况下定位力矩为零的时候才使用永磁式步进电机则由于转子永磁体加工方面的限制步距角一般较大，相应的转动分辨率比较受限，但是由于采用了低成本的爪极式结构使得其制造工艺简单、价格较低，容易快速批量生产，因而广泛应用于对性能要求不高的场合混合式步进电机则具备了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，成为工业自动化等性能要求较高应用场合的主流，它刚开始和反应式步进电机一同发展起来，后来逐步用于替代反应式步进电机。在步进电机几十年的发展过程中，按照相数、步距角以及机座等划分，可以说出现过的步进电机的规格品种极其繁多，然而这种状态不利于步进电机产业的发展，随着时间的推移目前逐步形成了相应的主流产品，在西方可以明显看出最大量应用的是定子8极转子50齿的二相混合式步进电动机，其次是定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机。4在我国，步进电动机的研究始于1958年，当时只有清华大学，华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。60年代受苏联的影响，主要以三相磁阻式步进电机为主。70年代我国研制快走丝数控线切割机、数控机床等数控设备的需求对步进电机的发展起了很大的促进作用。当时受到苏联、日本等工业较发达国家的影响，国内开始自行研制磁阻式步进电机的系列产品。70年代末形成了以定子6个极、转子40齿的三相磁阻式电动机为主，另外还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机等共存的步进电机应用局面。但是由于我国工业起步较晚且发展之初广泛采用了磁阻式步进电机，产品更新换代没那么快，同时磁阻式步进电机虽然效率低、振动和噪音大但是由于坚固耐用、驱动控制技术成熟、价格较低，仍然很受国内中小企业的欢迎，因此我国步进电机的生产与国外不同仍然以反应式步进电机为主。13步进电机驱动方式分类及比较步进电机驱动方法的分类主要有恒电压驱动方式（单电压驱动、高低压驱动）、恒电流斩波驱动方式（自激式恒电斩波驱动、它激式恒电流斩波驱动）和细分驱动方式。以下是这几种驱动方式的比较。131单电压驱动图14单电压驱动原理图单电压驱动是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。如图14所示，L为电机绕组，VCC为电源。当输入信号IN为高电平时，提供足够大的基极电流使三极管T处于饱和状态，若忽略其饱和压降，则电源电压全部作用在电机绕组上。当IN为低电平时，三极管截止，绕组无电流通过。为使通电时绕组电流迅速达到预设电流，串入电阻RC；为防止关断T时绕组电流变化率太大，而产生很大的反电势将T击穿，在绕组的两端并联一个二极管D和电阻RD，为绕组电流提供一个泄放回路，也称“续流回路”。单电压功率驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后，功耗加大，整个功率驱动电路的效率较低，仅适合于驱动小功率步进电机。132高低压驱动为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了高低压驱动方式。图15高低压驱动原理如图15所示，TH、T1分别为高压管和低压管，VH、V1分别为高低压电源，IH、I1分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其控制电路较单电压复杂，可靠性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。7133自激式恒电流斩波驱动D/A输出预设值比较器D触发器功率放大器步进电机电流检测图16自激式恒电流斩波驱动框图把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D/A转换器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲，自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。8134它激式恒电流斩波驱动为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题，可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题，但仍然存在一些问题。比如当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时，该控制信号将丢失，一般可通过加大D触发器时钟频率解决。135细分驱动要了解步进电机驱动器的“细分”，先要弄清步进电机“步距角”这个概念它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为09/18（表示半步工作时为09、整步工作时为18），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关，参见下表（还以型86BYG250A电机为例）表11细分驱动步距角电机固有步距角所用驱动器类型及工作状态电机运行时的真正步距角09/18驱动器工作在半步状态0909/18细分驱动器工作在5细分状态03609/18细分驱动器工作在10细分状态01809/18细分驱动器工作在20细分状态009从上表可以看出步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动18；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了018，这就是细分的基本概念。10细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动器细分后的主要优点为1、完全消除了电机的低频振荡低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。2、提高了电机的输出转矩尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约3040。3、提高了电机的分辨率由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率是不言而喻的。以上这些优点，尤其是在性能上的优点，并不是一个量的变化，而是质的飞跃。14研究的目的和意义本课题研究的目的是综合运用所学的单片机原理及其接口技术理论知识，加强对所学知识的理解，锻炼设计单片机应用系统能力，以单片机为核心设计一个简单、经济，但功能较为齐全、适应性强，操作方便、交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。本课题研究的意义是了解单片机的内部结构、组成，学习单片工作原理及其内部工作状态，并熟悉不同时刻，单片机输入输出情况；了解步进电机的分类和用途，掌握步进电机内部结构及其工作原理，并学习使用单片机简单控制步进电机的正传、反转、加速、减速以及简单了解国内外步进电机的发展状况。15论文安排本论文首先简单介绍了步进电机的应用和发展的历史，然后介绍了步进电机常见的控制系统方案和常见的驱动方案，在这个基础上提出了自己的设计目的，即设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高，而且能在目前的职业教学中得到事半功倍的教学效果的步进电机控制系统。接着用较大的篇幅介绍了步进电机的特点、分类和工作原理，然后分别阐述了所要设计的系统的功能和操作、硬件设计、软件设计。具体安排如下第一章为绪论，介绍了步进电机的应用和发展的历史，然后介绍了步进电机常见的控制系统方案和常见的驱动方案，了解各种方案的优缺点，提出自己的思路和设计目的。第二章步进电机的概述，阐述步进电机的特点、分类和工作原理，为后面的硬件、软件设计提供必须的理论基础。第三章为步进电机控制系统概述，在框架结构上对整个系统进行介绍，而且重点阐述基于单片机的控制系统的一般框架，为自己的设计提供有力的支持。接着介绍了本论文要设计的控制系统的功能特点，及要实现的操作方式。第四章为系统硬件设计，先提出框架，然后分别阐述单片机端口分配、外围电路、驱动电路的设计。第五章为系统软件设计第2章步进电机概述步进电机指的是以数字脉冲信号作为电机线或教位移的控制信号，并以数字脉冲频率对电机的转速进行控制的动力控制系统。在负载正常范围的情况下，步进电机的运行状态只和数字脉冲发生器提供的信号的频率和脉冲占空比有关，一般情况下，电机的状态不受负载的影响。电机的运行角度只和每次所给予的脉冲信号强度有关，而电机的运行速度也只和脉冲信号的频率有直接关系。这种采用弱点控制强电的控制方式使得步进电机在速度、位移等控制领域有着普通电机不能比拟的优势。1121步进电机的特点步进电机具有自身的特点，归纳起来有1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价；2、位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，3、无刷，电机本体部件少，可靠性高；4、易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好；5、停止时，可有自锁能力；6、步距角选择范围大，可在几十角分至180O大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载；7、速度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行；8、步进电机带惯性负载的能力较差；9、由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化；10、不能直接使用普通的交直流电源驱动。22步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式VR、永磁式PM和混合式HB三大类按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目浙江业大学硕士学位论文前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。221反应式步进电机反应式步进电机简称VR反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。222永磁式步进电机永磁式步进电机简称PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小相比反应式，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。223混合式步进电机混合式步进电机简称HB混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机。1223步进电机的运行原理阐述图21四相步进电机原理图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，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SC接通电源，SB、SA、SD断开时，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。13第3章步进电机控制系统概述步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。典型的运动控制系统应由三部份构成控制部分、驱动部分、执行部分。如图31所示图31运动控制系统组成31步进电机控制系统简介在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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，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。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成步进控制器、驱动器把控制器输出的脉冲加以放大，来驱动步进电机、步进电机。不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。在本论文第一章，已经对此作了介绍。下面着重介绍以单片机为控制器的步进电机控制系统。步进电机是数控式电机，其最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。运动控制系统驱动部件运动执行部件机械装置采用单片机作为控制核心的控制系统如图32所示。图32单片机控制步进电机控制系统前面已经介绍过，驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。现在，脉冲分配器已经标准化、芯片化，市场上可以买到。但硬件方法结构复杂，成本也较高。使用单片机以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等，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，也降低了成本。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。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字一角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。以三相步进电机为例，电流脉冲的施加共有3种方式。1单相三拍方式按单相绕组施加电流脉冲ABC一正转ACB一反转。2双相三拍方式按双相绕组施加电流脉冲ABBCCA一正转ACCBAB一反转。3三相六拍方式单相绕组和双相单片机系统驱动电路步进电机机械装置外围电路绕组交替施加电流脉冲AABBBCCCA一正转AACCCBBBA一反转。整个系统以单片机为核心，设计出硬件系统。以其中的几个口控制驱动电路，由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培，而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开所以将光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。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，和单片机端口连接，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驱动电路按照控制要求有多种选择，在本论文的第一章就介绍了几种常见的驱动电路。待驱动、晶振、复位、键盘、LED显示各个电路的设计完成之后，进行硬件合成，就是一个完整的步进电机控制系统。系统的软件设计通常采用模块化结构，软件系统总体框架一般包括三部分主程序、中断服务子程序以及其他相应的辅助子程序包括正转子程序、反转子程序、键盘子程序、LED显示子程序以及延时子程序32本系统特点与功能321本系统特点通过对其它步进电机控制系统的分析，结合设计目的，本论文的控制系统采用基于单片机的控制方案。系统应用了一片ATMEL公司的AT89C51单片机作为步进电机控制器的核心运算器件，利用单片机强大的运算能力和可编程的特点，可以实现较为复杂的步进电机控制功能。且适应能力强，能够在不改变硬件电路的情况下，只需对软件进行必要的修改就可以适应不同的步进电机和控制要求。而且可以做到人机交换，使控制更加的直观和方便，各种运行状态也都有相应的指示，使操作者随时都能对电机的运行状况进行方便的了解。一个利用单片机来构成的步进电机控制系统的优点是十分明显的。本系统大致想达到以下几个特点1、系统硬件结构要简单，把成本降到最低；2、功能要较为齐全要能实现步进电机的正反转、变速以及控制显示功能；3、适应性强，一般情况下只需改变软件就可以适应新的要求；4、电机各种运行状态指示要一目了然，使操作方便；5、系统抗干扰和可靠性要高。为了达到以上特点，除了核心控制部件采用单片机外，在其它硬件的设计上也有一些综合的考虑。键盘电路扫描输出线与显示部分的扫描线采用单片机的同一组端口，大大节约硬件资源单片机控制的运行方式、模式和速度方面的控制基本涵盖步进电机的普通应用硬件上采用了专用的系统程序运行监控电路WTD看门狗。322系统功能1、运行模式有单步、连续和预置步数三种；2、可以预置转向或者在运行时改变转向；3、LCD显示运行速度；4、两个LED分别指示电机转向和运行方式；5、各种操作共有六个按键来输入，操作方便；6、设有强制复位键，当受到严重干扰，致使WTD也失效后，可以通过强制复位键进行手动强行复位；7、整个系统为5V低电压供电。第4章系统硬件设计41系统组成图41系统框图本系统由电源、显示指示、单片机MCU、按键电路、看门狗电路和电机驱动电路等组成。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。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，显示器及时显示转速度状态。1642系统核心AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性LCD按键电源1单片机电源2电机驱动电路复位电路步进电机能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造。15421主要特性1、与MCS51兼容；2、4K字节可编程闪烁存储器；3、寿命1000写/擦循环；4、数据保留时间10年；5、全静态工作0HZ24HZ；6、三级程序存储器锁定；7、32可编程I/O线8、1288位内部RAM；9、两个16位定时器/计数器；10、5个中断源；11、可编程串行通道；12、低功耗的闲置和掉电模式；13、片内振荡器和时钟电路。422管脚说明图42AT89C51管脚图1、VCC供电电压；2、GND接地；3、P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；4、P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流；5、P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流；6、P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。7、P3口还用于实现AT89C51的各种第二功能，如下表所列表41P3口功能引脚口功能P30RXD串行输入端口P31TXD串行输出端口P32INT0外中断0P33INT1外中断1P34T0定时器0外部输入P35T1定时器1外部输入P36WR外部数据存储器写选通P37RD外部数据存储器读选通8、P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。9、RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。10、ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。11、PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。12、EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。13、XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。14、XTAL2来自反向振荡器的输出。14423振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。424芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10MS来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。425最小系统单片机最小系统又称单片机最小化系统。单片机的最小化系统是单片机能正常工作所必须的外围元件,最小系统一般应该包括单片机、晶振电路、复位电路。17图43AT89C51最小系统电路1、采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平（PCB画板时已经接死），所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。2、复位电路由22UF的电容和1K的电阻组成，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。由图并结合“电容电压不能突变“的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。3、晶振电路典型的晶振取110592MHZ因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合/12MHZ产生精确的US级时歇,方便定时操作4、特别注意对于31脚EA/VPP,当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。43外围电路设计431显示电路LCD16021、优点1显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。3体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。4功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。2、液晶显示简介1液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。2液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（STATIC）、单纯矩阵驱动（SIMPLEMATRIX）和主动矩阵驱动（ACTIVEMATRIX）三种。3、液晶显示器各种图形的显示原理1线段的显示点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）FFH，（001H）00H，（002H）00H，（00EH）00H，（00FH）00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。2字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。3汉字的显示汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。4、1602字符型LCD简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。11602LCD主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM图44LCD16022LCD1602一般复位过程延迟15MS；写指令38H不检测忙信号；延迟5MS；写指令38H不检1234测忙信号；延迟5MS；写指令38H不检测忙信号；以后每次写指令、567读/写数据操作均检测忙信号；写指令38H显示模式设置；写指令08H89显示关闭；写指令08H显示关闭；写指令06H显示光标移动设置；写101112指令0CH显示开及光标设置。3引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2所示表42引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。31602LCD的指令说明1602液晶模块内部的控制器共有11条控