测控电路课程设计--步进电机控制器设计.docx

测控电路课程设计说明书步进电机控制器设计专业班级：姓 名：学 号：指导老师： 完成日期： 目录一 设计要求与目的 2二 系统原理方案设计 21 步进电机理论知识22.1 H桥双向驱动电路32.2 ULN2003A集成芯片驱动 43 单片机控制系统 5三 软件设计 61 程序流程图6 2实验源程序 6 3模拟仿真对程序调试 94绘制原理图及PCB图 10四 系统硬件设计制作11 1 器件选型检测 112 安装调试 123硬件调试中出现的问题及解决措施 12四 课程设计总结和心得体会12五 参考文献13一、 设计要求及目的设计完成一个步进电机的控制实验，要求采用H桥驱动方式，能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止。二、 系统原理方案设计1、步进电机原理知识步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。（1）步进电机种类 目前常用的步进电机有三类：1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。（2）步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机，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2.a、b、c所示：2、 步进电机驱动方案选择步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。步进电动机驱动控制器示例图1）H桥驱动方式，驱动电路如下： 其中V1,V2,V3,V4分别是步进电机四个相的控制端，分别接单片机的P1.0 ; P1.1 ; P1.2 ; P1.3端口，当单片机的相应口输出一个高电平时会使NPN型的三极管导通，D1，D2，D3，D4分别是四个续流二极管，因为步进电机是一个感性器件，在断电时会产生一个瞬间的高压，这不利于三极管，所以加入了续流二极管的保护电路。2）ULN2003A集成功率驱动芯片ULN2003的内部结构和功能ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5VTTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。 ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA.资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。uln2003的作用：ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下: 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。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统 ULN2003A原理框图为了提高动手能力和更多更好地了解步进电机的驱动原理和方法，所以决定H桥驱动和ULN2003芯片驱动两种方式进行试验，对单片机的控制输出口同时接上两个驱动电路，对不同驱动方式分别有自己单独的步进电机接口，这样就摆脱了单片机同时驱动两个电机功率不足的问题。3、单片机控制系统 采用AT89C52单片机AT89C52 ATMEL是一种低功耗，高性能CMOS 8位单片机片内含8K byTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准80C51指令系统及80C52 产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU ）和FLASH由存储单元，功能强大AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。主要性能参数：与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容。8字节可重擦写FLASH闪速存储器1000 次擦写周期全静态操作：0HZ-24MHZ 三级加密程序存储器256X8字节内部RAM 32个可编程I/0口线3个16 位定时计数器8个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式AT89C52 提供以下标准功能：8字节FLASH闪速存储器，256字节内部RAM , 32个I/O口线，3个16 位定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89c52可降至零赫兹的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时计数器串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位. 使用单片机来产生需要的控制信号从而实现对步进电机的驱动。三、 软件设计1、 程序流程图 2、实验源程序电路的基本功能有五个：程序控制采用四相八拍工作方式。正转；按下正转按钮单片机输出一个相序为A,B,C,D的时序信号，从而使电机正转。反转；按下反转按钮单片机输出一个相序为D,C,B,A的时序信号，从而使电机反转。停止；按下停止按钮，单片机的P1.0到P1.3输出一个全低电平，从而使电机停转。加速；当按下加速按钮时，通过程序减小时序的周期，从而加快时序的频率，从而实现加速目标。减速；当按下减速按钮时，加长时序的周期，从而减小时序的频率，从而实现减速的目的。源程序：#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code ZZ= 0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;uchar code FZ= 0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;sbit K1 = P30;sbit K2 = P31;sbit K3 = P32;sbit K4 = P33;sbit K5 = P34;uint b=30;uint a=3;void DelayMS(uint ms)uchar i;while(ms-) for(i=0;i30;i+);void STEP_MOTOR_ZZ() /正转 uchar j; P0 = 0xfe; for(j=0;j8;j+)P1=ZZj;DelayMS(b);void STEP_MOTOR_FZ() /反转 uchar j;P0=0xfd; for(j=0;j8;j+)P1=FZj;DelayMS(b);void STEP_MOTOR_STOP()/停转 P0=0xfb;P1=0x03; void main() while(1) if(K1=0) /正转 a=1; if(K2=0) /反转 a=2; if(K3=0) /停转 a=3; if(K4=0&a=1)/正加速 b=b-3; a=1; if(b=10) b=10; if(K4=0&a=2) /反加速 b=b-3; a=2; if(b=10) b=10; if(K5=0&a=1) /正减速 b=b+3; a=1; if(K5=0&a=2) /反减速 b=b+3; a=2; switch(a)case 1: STEP_MOTOR_ZZ();break; case 2: STEP_MOTOR_FZ();break;case 3: STEP_MOTOR_STOP();break;default: break; 3、模拟仿真及对程序调试利用proteus仿真软件绘制单片机控制步进电机的原理图，如下图示proteus仿真电路原理图 该原理图由机部分构成，晶振电路、驱动电路、开关按钮电路以及工作状态指示灯电路。完成原理图绘制后，将在编程软件中已经编写好的源程序文件生成Hex文件，利用软件自身的仿真功能进行仿真。通过实际操作，在刚开始时，电机一直在抖动无法实现连续转动，通过查阅资料，我了解到当单片机给出的信号频率大于电机自身的转动频率，电机发生了堵转，即所谓的不能完成连续转动而是不停抖动的状态。于是我改小源程序中信号的输出时间，重新仿真，果然电机的抖动变小，开始有大幅度转动。又通过多次的调试终于得到了电机的最佳工作频率，与资料上说明很接近。最后，结果是当按键按下后，对应的指示灯点亮，同时电机开始进入对应的工作状态，能够实现要求的功能，仿真成功。4、绘制原理图及PCB图 利用电路制做软件protel 99SE绘制电路原理图并生成PCB图。(1)PCB图（2）PCB立体图四、 系统硬件设计制作 1、器件选型检测，元器件列表名称数量（个）规格功能瓷片电容230PF电解电容110uf晶振111.0592 MHz提供单片机时钟信号电阻410K 200DIP16插座1固定芯片按键5NPN三极管80504构成H桥续流二极管4构成保护电路LED3指示电机工作状态单片机AT89C511步进电机28BYJ-4815VDIP40插座1固定芯片排针12ULN2003A芯片1驱动电机2、 安装调试检测按照要求正确安装电路，由于电路板上的焊盘发生虚焊，焊锡过多，从而导致断路或者短路；单片机，三极管，二极管等的引脚连接错误；单片机的程序编写发生错误等导致实验结果错误，所以在调试前必须进行硬件测试。硬件测试通电前的测试内容（1）确认电源电压正常（2）确认电源连接极性正确（3）确认极性电容未接反（4）确认电路电源未短路先用简单程序测试单片机是否运行程序若无法正常运行程序,按下述顺序检查（1）检查VCC(40脚)工作电压是否正常；（2）检查EA(31脚)是否已接高电平；（3）检查RST(9脚)是否为低,复位电路是否正常；（4）检查18、19脚晶振电路是否正常；（5）在单片机电源端加接滤波电容（100uF，0.1uF）；（6）若上述均无误,则单片机正常；3、硬件调试过程出现的问题及解决措施（1） 把C语言源程序烧入单片机中开始调试，发现指示灯不亮按键也不起作用，同时电机也不工作。检测发现按键的引脚接法错误。重新接好后可以实现工作。（2）从电机看不到有转动的现象，但是手拿着电机却能明显感觉到里面在剧烈运动，通过查资料知道是发生堵转。对程序进行修改，减小信号的输出频率，重新调试，可以看到转动，但无论怎么加速电机始终转的很慢。上网查阅了我们所用的电机的型号后发现是一个减速电机，减速比为1比64,。所以无论怎么加速外面看起开始终转的很慢，但内部却已经达到很高的转速。由于找不到合适的电机，只能用这个减速电机来试验，所以在实现电机加减速是很难观察到电机转速的明显变化。 （3）写说明书是遇到的像书写格式不懂、资料不全等一系列问提，通过上网查阅资料和参考别人的说明书格式，最终完成了说明书的编写。四、课程设计总结和心得体会经过以上步骤，课程设计所要求设计的电机驱动便成功完成了，它能准确的实现电机的正反转、加速减速以及停止的控制，同时指示灯指示正确。通过这次课程设计，我们对日常生活中司空见惯的电机带动系统的工作原理有了一个比较深入的了解，将书本中的知识更好地与实际生活中的应用结合在了一起。在这次电机驱动的课程设计中，我们用C语言编程，C语言中为我们提供了大量可重用代码，隐藏了程序设计中的许多复杂工作，在