毕业设计（论文）-基于at89s52单片机的步进电机控制

题目简易步进电机控制步进电机控制摘要本设计采用ATMEL公司DIP40封装的AT89S52单片机实现对四相步进电机的手动和按键控制。由单片机产生的脉冲信号经过分配后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。转速的调节和状态的改变由按键进行选择，此过程由程序直接进行控制。通过键盘扫描把选择的信息反馈给单片机，单片机根据反馈信息做出相应的判断并改变输出脉冲的频率或转动状态信号。电机转动的不同状态由液晶LCD1602显示出来。而设计的扩展部分可以通过红外信号的发射由另一块单片机和红外线LED完成，用红外万能接收头接收红外信号，可以实现对电机的控制进行红外遥控。关键字四相步进电机单片机功率放大LCD1602目录步进电机控制1摘要1关键字1前言31系统总体方案设计及硬件设计411步进电机4111步进电机的种类4112步进电机的特点4113步进电机的原理512控制系统电路设计713液晶显示LCD1602714AT89S52核心部件及系统SCH原理图915LN2003A驱动102软件设计及调试1321程序流程1322软件设计及调试143扩展功能说明154设计总结165设计源程序166附录21参考文献22附2系统原理图及实物图23前言步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。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。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性大大降低软件环形分配器要占用主机的运行时间，降低了速度专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但其适应性受到限制，同时开发周期长、需求费用较高。步进电机是微特电机的一种，其作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,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。同时步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或线位移的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置于定位状态。步进电机以广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。1系统总体方案设计及硬件设计本设计系统中主要围绕AT89S52以实现四相步进电机的转动控制（步进电机正转、反转以及转动速度）以及液晶LCD1602的显示为目的11步进电机步进电机是数字控制电机，它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。步进电机可分为反应式步进电机VR、永磁式步进电机PM和混合式步进电机HB。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，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。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下1控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如混合式步进电机的工作方式，其各相通电顺序为ABCD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断，这就是所谓脉冲环形分配器。2控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。3控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。111步进电机的种类步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为75度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为15度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相两相步进角一般为18度而五相步进角一般为072度。这种步进电机的应用最为广泛。112步进电机的特点1精度高一般的步进电机的精度为步进角的35，且不累积。可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、正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点2过载性好其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；3控制方便步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；4整机结构简单传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。113步进电机的原理图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。图1它的工作过程是这样的当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1A中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的B，转子向反时针转过15。若是D相被激励，如图1中的C，则转子为顺时针转过15。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性ABCD或ADCB。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15。电机步长步距角是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数相数或极数转子齿数，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算L360PN式中L为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15，表示电机转一圈需要24步。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。图2四相步进电机步进示意图开始时，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。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3A、B、C所示A单四拍B双四拍C八拍图3步进电机工作时序波形图对步进电机四个绕组依次实现如下方式的循环通电控制单四拍运行正转ABCD；反转DCBA双四拍运行正转ABBCCDDA；反转DCCBBAAD单双八拍运行正转AABBBCCCDDDA12控制系统电路设计步进电机控制设计采用AT89S52单片机作为控制机构的核心（如图4）。通过对键盘的输入与操作实现对步进电机的控制。当电源开通的时候，步进电机就会按照默认设置的转速方式转动。步进电机的正反转及转速由按键控制选择，当按键按下，步进电机实现正转或反转及加速或减速状态。AT89S52单片机独立按键键盘步进电机驱动LCD1602显示扬声器（扩展红外发射电路扩展）时钟和复位电路图7控制系统13液晶显示LCD1602液晶LCD1602说明1简介工业字符型液晶，能够同时显示16X02即32个字符。（16列2行）注为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。2管脚功能1602采用标准的16脚接口，其中第1脚VSS为电源地第2脚VDD接5V电源正极第3脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。第6脚E或EN端为使能ENABLE端。第714脚D0D7为8位双向数据端。第1516脚空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。3操作控制操作控制表31操作读状态写指令读数据写数据32输入RS0，RW1，E1RS0，RW0，D07指令码，EH脉冲RS1，RW1，E1RS1，RW0，D07数据，EH脉冲注关于EH脉冲开始时初始化E为0，然后置E为1，脉冲大于05US，下降沿有效。4字符集1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。以下是1602的16进制ASCII码表地址读的时候，先读左边那列，再读上面那行，如感叹号的ASCII为0X21，字母B的ASCII为0X42（前面加0X表示十六进制）。编辑本段指令集1602通过D0D7的8位数据端传输数据和指令。显示模式设置初始化001100000X38设置162显示，57点阵，8位数据接口；显示开关及光标设置初始化00001DCBD显示1有效、C光标显示1有效、B光标闪烁1有效000001NSN1读或写一个字符后地址指针加1/判断LCD是否可以写入即忙否（P17）VOIDINTI_LCD/液晶LCD1602初始化VOIDSHOW_LCDINT/液晶读显示VOIDCMD_WR/LCD写控制程序VOIDSHOWSTATE/LCD状态显示即速度显示VOIDCLOCKUNSIGNEDINTDELAY/延时程序VOIDDOSPEED/计算速度VOIDMOTOR_CCW/电机正转VOIDMOTOR_CW/电机反转VOIDKEY/固定档位按键DEFINEUCHARUNSIGNEDCHAR/无符号字符定义UCHARCODECW40X01,0X02,0X04,0X08/正转表UCHARCODECCW40X08,0X04,0X02,0X01/反转表DEFINERIGHT_RUN1/正转值DEFINELEFT_RUN0/反转值SBITRS0XA0SBITRW0XA1SBITE0XA2/LCD1602RSRWE脚分别接于P20P21P22SBITP0_0P00SBITP0_1P01SBITP0_2P02SBITP0_3P03SBITP2_3P23SBITP1_7P17SBITP3_0P30/单片机的管脚定义DEFINESFRP10X90DEFINESFRP00X80/寄存器定义CHARSPEEDCHAR“SPEEDN/MIN“CHARSTATECHAR“RUNSTATE“CHARSTATE_CW“CW“CHARSTATE_CCW“CCW“/显示数组CHARSPEED3“050“/初始速度设定UNSIGNEDINTRUNSPEED50/初始速度值UNSIGNEDCHARRUNSTATERIGHT_RUN/运行状态MAIN/主程序/定时器设置/TMOD0X66/定时器0，1都为计数方式；方式2；EA1/开总中断开启TH00XFF/定时器T0初值FFH；TL00XFFET01/T0中断开启TR01/定时器T0开启TH10XFF/定时器T1初值FFH；TL10XFFET11TR11/T1中断开启IT01/脉冲方式EX01/开外部中断0加速IT11/脉冲方式EX11/开外部中断1减速INTI_LCDDOSPEEDSHOWSTATEWHILE1IFP2_31MOTOR_CW/电机正转ELSEIFP2_30MOTOR_CCW/电机反转/步进电机正转/VOIDMOTOR_CWUCHARIFORI0I12RUNSPEEDRUNSPEED2DOSPEEDP10X01CMD_WRSHOWSTATE/中断1减速程序VOIDSPEEDDOWMINTERRUPT2IFRUNSPEED0DELAYFORI0I124IVOIDDOSPEED/液晶上速度显示计算SPEED010006/RUNSPEED/10048SPEED110006/RUNSPEED100/1048SPEED210006/RUNSPEED10486附录61为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声步进电机有一个技术参数空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或停转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机速从低速升到高速）。62四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的07倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的14倍，因而电机发热较大。63如何确定步进电机驱动器的直流供电电源A电压的确定混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为1248VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和频率应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。B电流的确定供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果用线性电源，电源电流一般可取I的1113倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1520倍。参考文献1胡汉才，单片机原理及其接口技术，清华大学出版社；2沙占友，王彦朋，孟志永，单片机外围电路设计，电子工业出版社；3康华光，陈大钦，电子技术基础，北京高等教育出版社；4黄继昌，张海贵，郭继忠，实用单元电路及其应用，人民邮电出社；5张迎新单片机初级教程单片机基础，北京航空航天大学出版社。6CS51系列单片机实用接口技术北京航空航天大学出版社7电动机的单片机控制北京航空航天大学出版8单片机的C语言言应用程序设计北京航空航天大学出版社9单片机典型模块设计实例导航北京人民邮电出版社附2系统原理图及实物图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本账号发布文档来源于互联网和个人收集，仅用于技术分享交流，版权为原作者所有。如果侵犯了您的知识版权，请提出指正，我们将立即删除相关资料。免费格式转换请发豆丁站内信。网易博客HTTP/TURUIBLOG163COM/腾讯微博HTTP/TQQCOM/TURUIZX新浪微博HTTP/WEIBOCOM/HIYOHO直接联系QQ22181088236WNSK28XMKXMFHGJ477RL2QY0JQOHEP3GBQA5DH2ZKF7OEWQ4QEXPPQ9JN2RZXXTTTP7POYAR5PH6BKYC4EXL22XCBGWQ8VFGIVY5BDTDU3QJFF0NEZU7YZBFQ3FOEQDH15SOK1LYXFDHU8VPBWTZCOPMEWA9RX0ID4WJ4DGXFTILIGDSST4F2CAXAETEINRHW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