单片机控制步进电机论文单片机控制交通灯论文

单片机控制步进电机论文单片机控制交通灯论文基于 Proteus 与单片机的步进电机控制设计摘 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件。采用AT89C52 单片机内部的定时器改变 CP 脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制,实现了电机调速与正反转的功能,并使用 EDA 软件 Proteus 对设计进行了仿真,同时还设计了硬件电路。结果表明,使用 Proteus 仿真结果与硬件电路实验结果基本一致。先采用 Proteus 仿真,再移植到相应的硬件电路,这种方式可以减小系统开发成本和周期,具有一定的推广价值。 关键词:步进电机;单片机;调速系统;Proteus 中图分类号:TP27 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)05-104-03 Design of Control System of Stepper Motor Based on Proteus and Single Chip Microcomputer YANG Hong,LI Guohui (Xian University of Post and Telecommunications,Xian,710061,China) Abstract:Stepper motor is the open-loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.The speed of stepper motor is controlled by turning the CP pulse frequency by the internal timer of AT89C52 single chip microcomputer,and its normal-reverse function is realized.The simulation is done by the Proteus software of EDA,and the hardware circuit is also designed.The results show that the simulation results by Proteus software and the hardware experimental results are basically consistent.The simulation is used firstly by Proteus,and it is transplanted into the corresponding hardware circuit.This way can reduce systems developing costs and cycle,and has a certain promoting value. Keywords:stepper motor;single chip microcomputer;speed regulating system;Proteus 0 引 言 步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入时步进电机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转动一定的角度1。步进电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处于定位状态,因此非常适合于单片机控制。步进电机作为一种高可控性的特种电机,利用其没有误差积累(精度为 100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。 英国 Labcenter electronics 公司推出了嵌入式设计仿真与开发平台Proteus,用户可以根据需要搭建开发平台,将编译好的目标代码加载到芯片中。目前支持的编译器有 Keil,GNU 以及 IAR 等。在 Proteus 软件中还可以查看多种调试信息,如源代码执行情况、CPU 寄存器信息、变量值以及 FLASH 与 RAM中的信息等。大量的元件库支持大型设计,而且在仿真中还可以观察各元件的状态。先通过 Proteus 仿真,再移植到相应的硬件电路,这种方式可以减小系统开发开支和周期,值得推广。 1 系统的总体方案 该设计如图 1 所示,将单片机 AT89C52 产生的驱动脉冲通过功率放大器放大,从而驱动步进电机。通过 4 个按键,实现步进电机的正转、反转、加速、减速等功能,通过软件与硬件相结合的控制方法,实现了运用单片机对步进电机的稳定控制,实现 grade 0grade 9 十级变速,转速分别是 3 r/min,5 r/min,8 r/min,10 r/min,12 r/min,15 r/min,30 r/min,40 r/min,60 r/min,120 r/min,变速范围较广,并采用 LCD1602 显示屏即时显示控制电动机的转动信息。系统软件编写遵循模块化设计的原则,代码具有良好的易维护性和可移植性。本系统操作方便,可靠性高,其设计精度可以满足一般工业控制的要求,能满足现代化生产的需要,实现了对步进电机的良好控制。 图 1 系统原理图 2 硬件设计 本系统的硬件设计主要包括单片机最小系统、步进电机驱动电路、LCD 显示电路、键盘电路等,系统电路图如图 2 所示。 图 2 系统电路图 2.1 驱动电路的设计 步进电机不能直接采用直流或者普通交流来供电,必须采用专门的步进电机驱动控制器,其驱动控制器一般包括脉冲发生与分配单元、功率驱动单元,闭环控制电路中还将加入反馈和保护单元。大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下,因为成本较低,并无须反馈,故本设计采用了开环控制方式。 (1) 脉冲分配器 脉冲分配器又称环形分配器。步进电机正常工作需要按照步进电机的励磁状态表所规定的状态和顺序依次对各相绕组进行通电或者断电控制,各相驱动信号来源于脉冲分配器。脉冲分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机驱动器的各相输入端,控制励磁绕组的导通或者截止。脉冲分配器是一种特殊的可逆循环计数器,只是这种计数器的输出不是一般的编码,而是步进电机激励磁状态要求的特殊编码。 由于单片机的硬件资源完全够用,采取软件实现环形脉冲分配器的功能,使得硬件设计更为简洁。 (2) 激励方式 二相六线永磁式步进电机的激励方式有一相、 二相、一至二相三种。一相激励方式是指每一时刻四相中只有一相接通,步进电机以此方式工作时,温升较高,电源功率功耗小,但是当速度较高时容易产生失步; 二相激励方式是指每一个时刻四相中有两相导通,然后按四相的顺序循环;一至二相激励方式使步进电机工作在半步状态,与整步工作状态相比较,半步状态振动较小,且控制更准确。本设计中选用一至二相激励方式驱动步进电机。 (3) 功率驱动单元 一般脉冲分配器输出的驱动能力有限,不能直接驱动步进电机,而需要经过 一级功率放大,即功率驱动电路。单极性和双极性是步进电机最常采用的两种驱动架构,本设计选用单极性功率驱动电路,将单片机产生的脉冲信号通过达林顿管 ULN2803 放大,然后驱动步进电机。 2.2 显示电路及控制按键 (1) 本设计的显示部分采用 RT1602 字符显示模块,与采用数码管相比,硬件连接和软件调试上都有优势。只要把要显示的内容放进液晶模块的显示存储器里面就可以直观地显示出指定的内容,操作方便。LCD 的数据端连接到AT89C52 的 P00P07 口上。 (2) 键盘采用独立式键盘,分别接到 AT89C52 的 P2.4P2.7 口而实现。通常按键所用的开关为机械弹性开关,因此机械触点断开、闭合时均会有一系列的抖动。 抖动时间长短由按键的机械特性决定,一般是 510 ms。为了确保 CPU 对键的一次闭合只做一次处理,必须去除键盘抖动。一般多采用软件消抖。软件消抖的方法是指,检测到有按键按下时,执行一个 10 ms 左右(具体时间可以调整)的延时程序产生延时,等电压稳定后再读取按键的状态,从而消除抖动。 3 软件设计 3.1 主程序设计 系统软件采用模块化程序设计,系统主程序主要完成的内容有:系统参数初始化、打开中断、启动电机等。系统主程序流程图如图 3 所示。可以看出,主程序是 一个死循环,在系统上电初始化完毕后,系统一直在不断的执行这个循环程序。在循环过程中,若产生中断,则程序就转去执行相应的中断服务程序。 图 3 主程序流程图 3.2 调速程序设计 (1) 电机正反转控制 步进电机正向转动时,单片机 P1 口输出序列为:0xf3,0xf1,0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2;将单片机脉冲反向输出即可实现步进电机的反向转动。 (2) 电机加减速控制 定时器初始值定义后,改变定时器循环次数,即可实现步进电机的加减速调节。输出频率延时序列为:40,24,15,12,10,8,4,3,2,1,对应的电机速度为:3 r/min,5 r/min,8 r/min,10 r/min,12 r/min,15 r/min,30 r/min,40 r/min,60 r/min,120 r/min。 4 Proteus 仿真结果和硬件电路实验结果及分析 4.1 Proteus 仿真结果 当连接好仿真图和载入 AT89C52 的执行文件后,单击 Proteus 的仿真启动按钮,则开始对本系统的仿真。其运行流程如下: (1) 首先进入启动界面,本系统每次启动后将进入待机界面,同时步进电机进入待机状态,如图 4 所示。 (2) 当按下 K1/启动停止键后,此时系统将开始驱动电机,电机将以 0 级速度 3 r/min 正转,如图 5 所示,LCD 的第一行显示的是系统的转速级别,第二行显示转速和转向。其中数字代表转速值,前面的正负号代表转向。 (3) 每按一次 K3/速度加后,电机的速度将提高 一个级别,当连续按下 7次后,电机将以 6 级速度30 r/min 正转,直到 9 级最高速 120 r/min。每按一次 K4/速度减后,电机的速度将降低一个级别,直到0 级最低速 3 r/min。在电机运行的任何时刻可以按下 K2/正反键,使电机在正反转动之间转换。 图 4 启动仿真后 LCD 显示 图 5 电机以最低速正转 (4) 在电机运行的任何时刻可以按下 K1/启动停止键,此时电机将暂停运行。再次按下 K1/启动停止键,步进电机将以暂停前的速度继续运行。 4.2 硬件电路实验结果 在 Proteus 软件平台仿真成功后,为了对比仿真设计和硬件电路实物的差别,还设计了硬件电路。硬件电路能够实现电机正反转控制、加减速控制。因篇幅限制,硬件实物图略。 4.3 结果分析 (1) 由于仿真是基于软件实现的,所以与在硬件实物上运行的真实系统比较,仿真系统在实时性上有所降低,尤其本系统采用中断方式控制转速,计时器功能与实际相比,存在一定延时和误差,故造成仿真中电机的转速与硬件实物的转速有较大的误差。 (2) 在仿真设计中,键盘不采用消抖设计对信息的采集不产生任何影响。而硬件实物的按键如果不消抖,则会出现按键不准确,对整体设计的稳定性有较大影响。 (3) 仿真设计中,电机在转速较高的场合下,会出现失步或抖动。而在硬件实物中,本设计电机控制的精度良好,没有出现失步或抖动。在本系统所要求的转速范围内,转速控制的精度还是达到了较好的效果。 5 结 语 本设计用单片机 AT89C52 及外部扩展设备实现对步进电机的转速控制,在硬件上采用了大功率达林顿管单极性驱动电路,解决了电机驱动的效率问题,在软件上也采用了较为合理的系统结构及算法,用软件编程完成了转速转向驱动,实现了对转速的最优化调节,提高了单片机的使用效率。同时还实现了转速的键盘输入控制,转速即时显示等功能。最后通过 Proteus 进行仿真,取得了良好的结果,与硬件实物结果基本一致。先采用 Proteus 仿真,再移植到相应的硬件电路,这种方式可以减小系统开发开支和周期,具有一定的推广 价值。 参考文献 1刘保延.步进电机及其驱动控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997. 2朱清慧,张凤蕊,翟天嵩,等.Proteus 教程电子线路设计、制版与仿真M.北京:清华大学出版社,2008. 3周润景,张丽娜.基于 Proteus 的电路及单片机系统设计与仿真M.北京:北京航空航天大学出版社,2006. 4代启化.基于 Proteus 的电路设计与仿真J.现代电子技术,2006,29(19):84-86. 5张军,吴教育,朱海兵.Proteus 软件仿真与 Keil 的单片机系统设计J.单片机与嵌入式系统应用,2009(1):74-75,78. 6宁成军,张江霞.基于