步进电机控制系统 毕业设计.doc

信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目:_步进电机控制系统_ 专 业:_电子信息工程技术_ 班 级:_电信 07-2班_ 学 号:_ _ 姓 名:_ _ 指导教师:_ _ 2009年 12 月 26 日 信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学号 班级 电信 07-2班 专业 电子信息工程技术 设计（或论文）题目 步进电机控制系统 指导教师姓名 职 称 工作单位及所从事专业 联系方式 备 注 副教授 院电子信息工程技术专业教学 04 设计（论文）内容： 1、用单片机作为开发工具设计一个步进电机控制系统； 2、能够实现匀速运转、加速运转、减速运转、正反转切换功能； 3、可通过键盘选择步进电机的转速、方向； 4、能用 proteus软件进行仿真。 进度安排： 1、第 6-7周：确定设计任务，查找资料，拟定设计方案； 2、第 8-9周：软、硬件功能划分，系统硬件电路的设计； 3、第 10-11周：软件结构设计、设计软件流程图并编制相应的软件； 4、第 12-13周：系统工作原理分析，综合调试； 5、第 14-15周：整理资料，拟定毕业设计报告初稿； 6、第 16周：检查定稿，准备答辩； 7、第 17-18周：答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 樊明龙任丽静编单片机原理与应用m 化学工业出版社， 2005 2 徐爱卿编单片微型计算机应用和开发系统m 北京航空航天大学出版社， 1998 3 张伟编单片机原理及应用m 机械工业出版社 2003 4 胡汉才编单片机原理及接口技术m 清华大学出版社 2005 5 吴金戌编8051 单片机实践与应用m 清华大学出版社， 2003 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 目录 摘 要 .1 绪 论 .2 第 1 章 硬件系统设计 .3 11 最小应用系统设计 .3 111 at89c51 单片机 3 112 时钟电路 5 113 复位电路 6 12 功能电路设计 .6 121 键盘控制电路 6 122 步进电机电路 7 123 uln2003 电路 8 13 系统工作原理 9 第 2 章 软件设计 .11 21 步进电机 四相八拍工作方式 11 211 四相八拍工作方式 11 212 步进电机转向控制 12 22 步进电机控制系统工作流程 12 2 3 系统流程图 .14 总 结 .15 参考文献 .16 附 录 .17 附录 1 整机电路图 .17 附录 2 源程序 .18 摘 要 步进电机作为执行元件，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。 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。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。广泛应用于自动控制和精密机械等领 域，尤其在需要精确定位时应用得更为广泛。 本控制系统是采用单片机提供电脉冲信号通过驱动电路放大信号后，驱动步进 电机转动。通过软硬件结合使得步进电机可实现匀速运转、加速运转、减速运转、 正反转切换等功能。本系统硬件主要由最小应用系统、键盘控制电路和功能电路组 成。其中单片机采用 at89c51驱动，通过由 uln2003芯片组成的放大电路，驱使四 相八拍步进电机 35byj46型。 关键词：at89c51 单片机；步进电机；uln2003； 绪 论 随着经济建设和城市的迅速发展，步进电机控制系统在工业过程控制中得到了 广泛的应用，尤其在需要精确定位场合中应用得更为广泛。 步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置，也是一 种把输出机械位移增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。步进电机具有快速启停能 力，只要电机的负荷不超过它所能提供的动态转矩，就能通过输入脉冲来控制它在 一瞬间启动和停止。 步进电机控制系统是采用单片机提供电脉冲信号通过驱动电路放大信号后,驱 动步进电机转动。使电机能实现正向或反向运转，电机能加速运转、减速运转，并 能按给定速度匀速运转。系统设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括最 小应用系统、i/o 接口电路和功能电路的设计。软件设计包括流程图设计和程序设 计。程序主要包括步进电机正向、逆向控制程序，加速、减速控制程序，按给定速 度匀速运转程序，延时程序。 在本控制系统中，单片机采用 at89c51芯片,步进电机为 35byj46型。通过软 硬件结合使得步进电机可实现按给定速度匀速运转、加速运转、减速运转、正反转 切换等功能，可通过键盘选择步进电机的转速、方向，同时还考虑了系统的抗干扰 技术。 步进电机的步距角和转速只和输入的脉冲频率有关，与环境温度、气压、冲击 和振动无关，也不受电网电压的波动和负载变化的影响，它每转一周都有固定的步 数，步进精确和步距误差不会长期积累。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行 高精度的控制，因此，作为控制执行部件，步进电机在需要精确定位场合应用广泛。 第 1 章 硬件系统设计 11 最小应用系统设计 单片机的最小应用系统是指能够维持单片机运行的最简单的配置系统，如图 1-1所示。最小应用系统主要由 at89c51单片机、时钟电路和复位电路组成。 图 1-1 at89c51 最小应用系统 111 at89c51 单片机 at89c51单片机是片内无程序存储器的单片机。在其扩展片外程序存储器时， 由于 p0口是数据线、地址线分时复用的，故 p0口输出的低 8位必须经地址锁存器 进行锁存，提供地址总线的低 8位 a0a7。由于 p2口一直提供高 8位地址，故不 需要外加地址锁存器，直接提供地址总线的高 8位 a8a15。在本系统设计中，由 于扩展的是 eprom2716芯片，故 p2口直接提供地址总线的高 3位。ale 用于锁存 p0口输出的低 8位地址的控制线。psen 用于片外程序存储器的读控制。 at89c51是 40引脚双列直插式封装的集成电路芯片，基引脚排列如图 1-2所 示。4 个并行口共有 32根引脚，可以分别作地址线、数据线和 i/o线；2 根电源线； 2桶时钟振荡电路引脚和 4根控制线。 图 1-2 at89c51 单片机引脚排 列at89c51单片机引脚功能列表： 引脚 功能 引脚 功能 18 p1口 18 xtal2 9 rst/vpd 19 xtal1 10 p3.0/rxd 20 vss 11 p3.1/txd 2128 p2口 12 p3.2/into 29 pnse 13 p3.3/int1 30 ale/prog 14 p3.4/t0 31 ale/prog 15 p3.5/t1 3239 p0口 16 p3.6/wr 40 vcc 17 p3.7/rd 表 1-1 at89c51 引脚功能 1cpu cpu 也叫中央处理器，是单片机的核心部件，主要完成单片机的运算和控制功能。 其内部由运算器和控制器组成。 （1）运算器：包括算术逻辑单元 alu、布尔处理器、累加器 acc、寄存器 b、暂存 器 tmp1和 tmp2、程序状态字 psw寄存字 psw寄存器及十进制调整电路等。 （2）控制器：包括定时控制逻辑、指令寄存器、译码器以及信息传送控制部件等。 以实现控制功能。 2内部存储器 单片机内的存储器包括程序存储器和数据存储器，它们互相独立。 （1）程序存储器（rom）：为只读存储器，用于存放程序指令、常数及数据表格。 （2）数据存储器（ram）：为随机存储器，用于存放数据。数据存储器又可分为北 部数据存储器和外部数据存储器。 3定时器/计数器 mcs-51单片机内部有 2个 16位的定时器/计数器，用于实现北部定时或外部计数 的功能，并一起定时或者计数的结果来实现控制功能。 4中断系统控制 mcs-51单片机具有中断功能，以满足控制应用的需要。mcs-51 共有 5个中断源， 即外部中断 2个，定时器/计数器中断 2个，串行口中断一个。全部中断可分为高 级和低级两个优先级别。 5并行 i/o口 mcs-51单片机内部共有四个 8位的并行 i/o口，以实现数据的并行输入和输出。 6全双工串行口 mcs-51单片机还有一个全双工的串行口，以实现单片机与外部之间的串行数据传 送。 112 时钟电路 单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产 生单片机工作所需要的时钟信号。 mcs-51单片机的时钟信号通常用两种方式得到：内部振荡方式和外部振荡方 式。本系统设计采用内部振荡方式，如图 1-3所示。 图 1-3 时钟电路 mcs-51片内有个高增益的反相放大器，其输入端（xtal1）和输出端(xtal2) 用于外接石英晶体振荡器或陶瓷谐振器和微调电容，构成了稳定的自激振荡器，其 发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。电容 c1和 c2对频率有微调作用，电容值一 般取 30pf左右，振荡频率范围是 1.212mhz。mcs-51 在通常情况下，使用振荡频 率为 6mhz的石英晶体，而 12mhz频率的晶体主要在高速串行通信情况下使用。 振荡脉冲信号经过内部时钟发生器进行二分频之后，才可以成为单片机的时钟 信号。 113 复位电路 复位是单片机的初始化操作，其目的是使 cpu及各专用寄存器处于一个确定的 初始状态。如：把 pc的内容初始化为 0000h，使单片机从 0000h单元开始执行， 除了进入系统的正常初始化之外，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于 死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位以使其恢复正常工作状态。 rst端的外部复位电路有两种操作方式：上电自动复位和按键手动复位。按键手动 复位有电平方式和脉冲方式两种，本系统设计采用的是上电复位，如图 1-4所示。 图 1-4 复位电路 12 功能电路设计 121 键盘控制电路 键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人与计算机对话的纽带，在单片机 应用系统中常用独立式键盘与行列式键盘（矩阵式键盘） 。独立式键盘配置灵活， 软件结构简单，适合于按键数目较少的场合，故本系统设计中采用独立式键盘。 独立式键盘是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，当任何一个键按下时， 与之相连的输入数据线即被清 0（低电平） ，而平时该线为 1（高电平） ，键盘电路 接一个与门电路就组成了完整的键盘控制电路。如图 1-5、1-6 所示。 图 1-5 键盘电路 图 1-6 与门电路 122 步进电机电路 步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置，也是一 种把输出机械位移增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。步进电机具有快速启停能 力，只要电机的负荷不超过它所能提供的动态转矩，就能通过输入脉冲来控制它在 一瞬间启动和停止。步进电机的步距角和转速只和输入的脉冲频率有关，与环境温 度、气压、冲击和振动无关，也不受电网电压的波动和负载变化的影响，它每转一 周都有固定的步数，步进精确和步距误差不会长期积累。因此，步进电机在需要精 确定位场合应用广泛。本设计选用 35byj46型四相八拍步进电机。通常电机的转子 为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一个矢量磁场，该磁场会带动转 子旋转一定角度，使得转子的一对磁场方向与定子磁场一致。当定子的矢量磁场旋 转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个 角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。 改变绕组通电的顺序，电动机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电机 各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。电机四相绕组如图 1-7所示。 图 1-7 步进电机电路 123 uln2003 电路 at89c51单片机通过 uln2003芯片组成的放大电路来驱动四相八拍步进电机。 uln2003是高耐压、大电流达林顿陈列，有七个硅 npn达林顿管组成。 uln2003的每一对达林顿都串联一个 2.7k的基极电阻，在 5v的工作电压下它能与 ttl和 cmos电路直接相连。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 如图 1-8 所示。 uln2003 工作电压高、工作电流大，灌电流可达 500ma，并且能够在关态时承 受 50v的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 uln2003 采用 dip-16或 sop-16塑料封装。 图 1-8 uln2003 芯片 uln2003的特性如表 1-2、表 1-3所示。 表 1-2 uln2003 极限 表 1-3 uln2003 电特性表 13 系统工作原理 步进电机控制系统原理图如附录 1所示。由图可知，可通过键盘选择步进电机 的转速、转向。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（简称 vr） 、永磁式步进电机（简称 pm）和混合式步进电机（简 称 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：三相步进电机的三拍工作方式，其各 相通电顺序为 a-b-cd,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。 (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 (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。 两个机脉冲的间隔越短，步进电就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以 对步进电机进行调速。 第 2 章 软件设计 21 步进电机四相八拍工作方式 211 四相八拍工作方式 四相八拍方式单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲方式。以 at89c51的 p0口接步进电机的绕组，输出控制电流脉冲。 p0.3 p0.2 p0.1 p0.0 d c b a “1”通入电脉冲， “0”无电脉冲。 表 2-1 p0 口输 出 步序 p0.3 p0.2 p0.1 p0.0 绕组 角度 case0 0 0 0 1 a 225 case1 0 0 1 1 ab 180 case2 0 0 1 0 b 135 case3 0 1 1 0 bc 90 case4 0 1 0 0 c 45 case5 1 1 0 0 cd 0 case6 1 0 0 0 d 315 case7 1 0 0 1 da 270 212 步进电机转向控制 步进电机按四相八拍方式来工作，在 a、b、c、d 四相绕组上依次输入脉冲的 顺序如下所示。 步进电机正转： a ab b bc c cd d da 步进电机反转： a ab b bc c cd d da 由上图可见：只要控制脉冲输出的顺序改变就可以对步进电机正/反转的控制。 22 步进电机控制系统工作流程 以单片机为核心，设计步进电机控制系统，具有以下功能： 开机时电机不转动 1按下正转键，步进电机匀速正向旋转，然后重新获取按键情况； 2按下停止键，步进电机停止转动，然后重新获取按键情况； 3按下反转键，步进电机匀速反向旋转，然后重新获取按键情况； 4按下加速键，步进电机以当前方向加速旋转，然后重新获取按键情况； 5 按下减速键，步进电机在加速前提下减速到匀速旋转，然后重新获取按键 情况； 获取按键 正转 停止 反转 开始 加速 反转 匀速正向旋转 停止转动 匀速反向旋转 以当前方向加速旋 转 加速前提下减速到匀速旋转 23 系统流程图 开始 正转 扫描键盘 停止 反转 加速 减速 设置 标号 关闭 p0 口 设置 标号 缩短 延时 增加 延时 调用转步函数 ground(step_i ndex)开始转 动 调用转步函 数 ground(step_ index)开始 转动 继续 转步 函数 继续 转步 函数 while 循环 总 结 通过本次毕业设计步进电机控制系统的设计，使我从中学到许多知识。 在做毕业设计的这段时间里，通过上网、在校图书馆查找资料，整理资料，努 力认真的完成了毕业设计。本次所设计的步电机控制系统是采用 at89c51型单片机 驱动步进电机转动，主要由单片机最小应用进系统、扩展电路和功能电路组成。可 通过键盘控制步进电机的转速、方向，使电机能实现正向或反向运转的切换，电机 能加速运转、减速运转。使我对步进电机及其工作原理有了更深刻的认识。步进电 机可以对旋转角度和转动速度进行高精度的控制。作为控制执行部件，广泛应用于 自动控制和精密机械等领域，尤其在需要精确定位时应用得更为广泛。 在这期间通过我的努力和指导老师熊建云老师的耐心指导，以及在同学的帮助 下 顺利的完成了本次毕业设计，使我学会了综合性的运用三年内所学知识分析解 决问题，懂得了如何设计一个系统,拓展了知识面，动手动笔能力得到充分锻炼， 在以后的工作、学习中将受益非浅。 参考文献 1 樊明龙任丽静编单片机原理与应用m 化学工业出版社，2005 2 徐爱卿编单片微型计算机应用和开发系统m 北京航空航天大学出版 社，1998 3 张伟编单片机原理及应用m 机械工业出版社2003 4 胡汉才编单片机原理及接口技术m 清华大学出版社2005 5 吴金戌编8051 单片机实践与应用m 清华大学出版社，2003 附 录 附录 1 整机电路图 附录 2 源程序 #include #include #include #define uc unsigned char #define ui unsigned int uc scan_key1,scan_key2; /按键功能选择，00 停止，01 正转 10 反转 uc step1,step2; static step_index; ui count1,count2; /定时 uc butter; /按键 static speed; /速度参数 /函数声明 / /* void ground(step); /转步 void run1(); /正转 void run2(); /反转 void stop(); /停止 void delay(ui time); /* void main(void) step2=0; step1=0; p1=0xff; p0=0; ex1=1; ea=1; /开中断 speed=2010; while(1) if(scan_key1=1) delay(speed); step_index+; /大于 7，从头再来 if(step_index7) step_index=0; if(scan_key1=0) delay(speed); step_index-; if(step_index2500|speed=2500) /如果 小于了，就说明到饿低速，可以用 停止按键停止。 speed=2500; /低速运行 /* /*延时子程序* /* void delay(ui time) /延时程序 for (count1=0;count1time;count1+) /此处可以用中断进行准确定时。 for(count2=0;count23;count2+); /* /*按键处理程序* /* void key(void) interrupt 2 uc i; for(i=0;