课程论文基于单片机的步进电机控制系统.doc

淮南师范学院电气信息工程学院电子信息工程专业（2）班程园课程论文 成绩课程论文题 目： 基于单片机的步进电机控制系统 学生姓名： 程园 学生学号： 1114020206 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 电子信息工程 年 级： 2011级 任课教师： 王千春 电气信息工程学院制2013年12月1摘要22引言23程设计的任务与要求33.1课程设计的任务33.2 课程设计的要求33.3 课程设计的研究基础34 步进电机控制系统方案44.1 方案提出44.2 方案比较与论证54.3 方案选择55 系统整体电路结构55.1控制电路55.2驱动电路65.3 LCD显示电路75.4 系统整体电路图7该系统整体的电路图如图下图所示。76元器件的介绍86.1 L297控制器的介绍86.2 L298控制器的介绍87步进电机控制系统仿真和调试97.1 Proteu仿真软件介绍97.2 Keil软件介绍107.3系统仿真实现107.3 系统测试138总结138.1 设计小结138.2 发展前景13参考文献14附录14器件清单14源程序代码15基于单片机的步进电机控制系统学生：程园任课教师：王千春电气信息工程学院 电子信息工程专业1摘要步进电机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍是一种基于单片机的步进电机控制系统，用C语言编出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序通过AT89C51单片机，电机的驱动芯片ULN2003A，以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。本文内容介绍步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、软件电路。同时对软硬件进行调试，同时介绍了调试工程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了以上功能。关键字：步进电机 开环系统 单片机 驱动芯片2引言步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器，并结合AT89C52单片机进行控制，即可以实现用相对便宜的价格组成一个性能不错的步进电机驱动电路。3程设计的任务与要求3.1课程设计的任务基于Proteus设计一个步进电机控制系统，使其能实现对步进电机转速及加速、减速、正反转的控制。3.2 课程设计的要求设计一个步进电机控制系统，通过四个按键可以实现加速、减速、正转、反转功能。并通过LCD显示屏实时输出转速和运行状态（正转或反转）。当速度超过200r/min时，再按加速，蜂鸣器会报警。3.3 课程设计的研究基础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步进电机件。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，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，称为“步距角”，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。步进电机是将脉冲信号转换为角位移或线位移。一是过载性好。其转速不受负载大小的影响。二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。三是整机结构简单。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。 如果利用单片机控制脉冲发生器产生一定频率的脉冲信号，脉冲分配器将产生一定规律的电脉冲输出给驱动器，就可以控制步进电动机的转动。步进电动机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12。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。它提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5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，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。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34。4 步进电机控制系统方案4.1 方案提出方案一：以AT89C51单片机作为的控制单元。将脉冲从P1.4P1.7输出，用7路反向器电路ULN2003A来作为驱动，通过P1.4P1.7来控制各线圈的通断。开机时P1.4P1.7均为高电平，再依次换成低电平即可驱动电机运行。如要改变转速只要改变两次接通之间的时间，而要改变方向只要改变各线圈接通顺序。 单片机ULN2003A步进电机键盘输入模块液晶显示模块 图1步进电机控制系统结构框图方案二：用单片机编程来实现。该系统是单片机控制的4相步进电机系统，由单片机产生驱动信号，步进电机驱动器L297和L298收到驱动脉冲信号后，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的方向。电机的转速由脉冲信号频率来控制决定，可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到调速的目的。通过LCD液晶显示器来显示电机的速度和运行状态。单片机电机驱动电路步进电机液晶显示模块键盘输入模块 图2 步进电机控制系统结构图4.2 方案比较与论证方案二中的L297单片步进电机控制集成电路适用于双极性两相步进电机或四相单极性步进电机的控制，与驱动芯片L298组合，组成完整的步进电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器。种方式结合的优点是，需要的元件很少，可靠性高和占空间少，并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。4.3 方案选择通过比较和论证这两种方案，决定采用方案二的设计方法。5 系统整体电路结构5.1控制电路控制芯片选择AT89C51系列单片机。P3.2P3.5口接四个按键，其中P3.2口按键为加速键，P3.3口为减速键，P3.4口为电机正转按键，P3.5为电机反转按键。由步进电机工作原理可知，步进电机转速控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制其转速。对单片机来说，电机的转速控制可以通过定时器的中断来实现。本电路中，控制电机转速的方法就是通过判断P3.2和P3.3按键次数来改变定时器的中断次数，这样步进电机的输出脉冲频率就被改变了，转速自然就改变了。图3 控制部分电路5.2驱动电路通过L297和L298构成的驱动电路。P0.0口控制L297的CW/CCW，即电机方向控制端，P0.1控制步进时钟输入端。图4步进电机驱动部分电路5.3 LCD显示电路通过P1.0P1.7控制LCD显示步进电机的转速和转动方向。该部分电路设计图如图5。图5 LCD显示部分电路5.4 系统整体电路图该系统整体的电路图如图下图所示。 图6系统整体电路图6元器件的介绍6.1 L297控制器的介绍L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM 斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS 公司的模拟/数字兼容的I2L 技术，使用5V 的电源电压， 全部信号的连接都与TFL/CMOS 或集电极开路的晶体管兼容。 图7 L297引脚图及内部电路图L297能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。3种方式的驱动相序都可以很容易地根据变换器输出的格雷码的顺序产生，格雷码的顺序直接与四八拍(半步方式)相符合 ，只要在脚19输入一高电平即可得到。通过交替跳过在八步顺序中的状态就可以得到全步工作方式，此时需在脚19接一低电平，前已述及根据变换器的状态可得到四拍或双四拍2种工作模式34。6.2 L298控制器的介绍L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且 可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中用L297 来提供时序信号，节省了单片机I/O 端口的使用。L298N 之接脚如图9 所示，Pin1 和Pin15 可与电流侦测用电阻连 接来控制负载的电路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之间分别接2 个步进电机；input1input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。其引脚图和内部结构如图7。图8L298N引脚图及内部电路图 7步进电机控制系统仿真和调试 7.1 Proteu仿真软件介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。内置的8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。Proteus软件具有其它EDA工具软件的功能：原理布图、PCB自动或人工布线、SPICE电路仿真。但它具有以下的特点：互动的电路仿真；仿真处理器及其外围电路，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境5。7.2 Keil软件介绍Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。7.3系统仿真实现(1) 打开Proteus软件，新建一个模版，保存文件名为“步进电机控制.DSN”。然后添加所需的元件。放置好元件后，再单击工具箱中的元件终端图标，在对象选择器中选择POWER和GROUND放置电源和地。放置好后，布好线。双击各元件，设置相应的元件参数，完成电路图的设计。(2) 打开Keil软件，执行“Project”“New Project”创建新项目，并选择单片机型号为AT89C51。再执行“File”“New”创建文件，输入C语言源程序保存为“1.C”。在“Project”栏的File项目管理窗口中右击文件组，选择“Add Files to Group Source Group1”将源程序添加到项目中。然后执行“Project” “Options for Target Target1”,在弹出的对话框中选中“Create HEX File”。在“Debug”中，选中“Use:Proteus VSM Simulator”。(3) 执行“Project”“Build Target”,编译源程序。如编译成功会在“Output Window”窗口中显示没错误并创建了“步进电机控制.hex”文件。(4) 在Keil中执行“Debug”“Start/Stop Debug Session”进入调试状态。如没问题按F5运行程序。系统运行后，电机开始顺时针转动，LCD显示屏上显示“Speed(r/min):100 Run State:CW”，红灯亮。图9正转系统运行图当按下反转按钮后，电机开始逆时针转动，此时，LCD显示“Speed(r/min):100 Run State:CCW”,绿灯亮。图10反转系统运行图当按下几次加速按钮后，电机的转速会不断加快，LCD显示“Speed(r/min):230 Run State:CW”。图11 加速系统运行图当按下几次减速按钮后，电机的转速会变慢，LCD也会显示“Speed(r/min):088 Run State:CW”。图12 减速系统运行图如果转速超过200r/min后，要再按下加速按钮，则蜂鸣器会报警。7.3 系统测试 本次课程设计是在电脑上完成的，通过使用Proteus仿真软件，和Keil单片机开发系统对步进电机控制系统进行了仿真。结果基本符合设计要求。但由于条件原因，未能将其做成实物。以后会对其加以实物制作。8总结8.1 设计小结本次课程设计是基于单片机的步进电机控制系统的设计仿真。在步进电机控制中，实现电机的加减速的功能，是通过单片机的定时器中断来实现的，通过按键次数的增加来实现中断次数的增加，从而可以改变步进电机的输出脉冲频率，这样就可以改变步进电机的转速。实现LCD液晶显示屏上显示转速及运行状态是靠P0口实现的。通过仿真测试，可以较好实现对步进电机的加减速及转向的控制，并有实时显示的功能。虽然，设计中也存在一些小问题，但总的来说，是符合本次课程设计要求的。通过这次的课程设计，让我在实际中解决问题能力有了很大的提升。8.2 发展前景预计未来步进电机的研究还会持续深入下去，研究方向之一是电机与驱动的一体化，使步进电机体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的民用设备中批量化使用，如家庭机器人、民用智能化设备等；研究方向之二是在功率或机座号相对较大的步进电动机中，与属于BIDCM (稀土永磁无刷直流电机)的交流伺服电动机系统会合，具体来说可能会借鉴交流伺服系统的控制技术，但保留了部分步进电动机的特点，形成一种新的“步进伺服电动机”或“伺服步进电动机”，在克服低频振荡、高频过载能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性进展，从而在现代军事、精密机械加工、航空航天等领域的应用越来越深入。参考文献1房玉明，杭柏林等.基于单片机的步进电机开环控制系统J.电机与控制应用，2006.2袁任光，张伟武等.电动机控制电路选用与258实例M.北京：机械工业出版社，2005.3谢维成，杨加国等.单片机原理与应用及C51程序设计（第2版）M.北京：清华大学出版社，2009.7.4赵晓安.MCS-51单片机原理及应用.天津：天津大学出版社，2001.3.5侯玉宝，陈忠平等.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真M.北京：电子工业出版社，2008.9.附录器件清单表1 器件清单元件名称所属类个数AT89C51Microprocessor ICs1CRYSTALMiscellaneous1CAPCapacitors2CAP-ELECCapacitors1RESResistors8BUTTONSwitches & Relays5LED-GREENOptoelectronics1LED-REDOptoelectronics1L297Analog ICs1L298Analog ICs1MOTOR-BISTEPPERElectromechanical1SOUNDERSpeakers & Sounders1LM016LOptoelectronics1源程序代码#include reg51.hint delay();void inti_lcd();void show_lcd(int);void cmd_wr();void ShowState();void clock(unsigned int Delay) ;void DoSpeed(); void beep(); #define uchar unsigned char#define uint unsigned int #define RIGHT_RUN 1 #define LEFT_RUN 0 sbit RS=0xA0;sbit RW=0xA1;sbit E=0xA2;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;sbit P1_7=P17;sbit P3_4=P34;sbit P3_5=P35;sbit BEEP=P36;char SpeedChar=Speed(r/min):;char StateChar=Run State:;char STATE_CW=CW;char STATE_CCW=CCW;char SPEED3=050;unsigned int RunSpeed=60; unsigned char RunState=RIGHT_RUN; void t_0(void) interrupt 1 RunState=RIGHT_RUN; P0_0=1; P1=0x01; cmd_wr(); ShowState(); P0_2=P0_2; P0_3=P0_3; void t_1(void) interrupt 3 RunState=LEFT_RUN; P