基于AVR单片机步进机驱动电路设计.doc

课程设计报告课程：基于AVR单片机步进机驱动电路设计 姓名： 班级： 教师： *大学一、 设计名称：基于AVR单片机的步进机驱动电路设计二、 步进机简介：步进电机是数字控制电机，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，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。步进机有以下优点：（1） 通常不需要反馈就能对位置和转速进行控制；（2） 位置误差不会积累；（3） 与数组设备兼容，能够直接接受数字信号；（4） 可以快速启停。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）。此外，按照电动机驱动架构又可分单极性和双极型步进电动机。步进电动机主要有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步距角1.8四相混合式步进电动机为例，在整步方式下，步进电动机每接受一个脉冲，旋转1.8，旋转一周，需要200个脉冲。在半步方式下，步进电动机每接受一个脉冲，旋转0.9，旋转一周，则需要400脉冲。本课程设计选择单极3相步进机，单极3相步进机有3个磁激励相，分别用A、B、C表示，每相有一个磁激励线圈。通过控制3个磁激励线圈电流通断的先后时间顺序和通断频率，就可以改变步进电机的旋转方向并控制转速。单极3相步进机工作在整步方式时，即工作在相拍时，每拍转动3，工作在半步方式时，即工作在相6拍时，每拍转动1.5。AABCCB 图1 单极3相步进电机原理图三、设计目的及要求 设计目的：1、通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识和掌握， 对单片机课程的应用进一步的了解；2、掌握步进电机基本知识，了解单片机对步进机控制的基本原 理；3、掌握控制步进机转动编程方法；4、掌握步进机和单片机的接口驱动方法 5、通过此次课程设计能够将单片机软硬件结合起来，对程序进 行编辑，校验。 设计要求：1、 能对三相步进电动机的转速进行控制。 2、 能对三相步进电动机的步长进行控制。四、设计原理 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。(1)控制步进电机的转向 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。(2)控制步进电机的速度 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。调整单片机发出的脉冲频率， (3)步进电机的步长步进机的步长，即步进机的步距角，步距角是控制系统每发出一个步进机脉冲信号电动机所转动的角度。步进电动机的控制精度与转子的极数和定子的位相成反比，如图2所示。因此当步进机确定之后，步进机的步长尽随步进机工作方式的改变而改变。单极3相步进机工作在整步方式时，即相拍时，每拍转动3，工作在半步方式时，即相6拍时，每拍转动1.5。所以步进机要实现步长的改变应工作在相3拍和相6拍两种工作方式下。 图2 步进机的定子与转子示意图（）3相3拍驱动时序图 （）3相6拍驱动时序图图3相步进机控制时序图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图所示： 图4 步进机控制系统的组成1、脉冲信号的产生脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大.2、信号分配 单机三相步进电机有两种工作方式，图给出了它们的控制时序图。相拍其各相通电顺序正转为A-B-C-A-B-C,反转为A-C-B-A-C-B，每拍转动3.三相六拍的六拍编码为：A,B,C,A，B,C用二进制表示为：0x04,0x02,0x01；相拍其各相通电顺序正转，反转为，每拍转动1.5。三相六拍的六拍编码为：A,AB,B,BC,C,CA，用二进制表示为：01H，03H，02H，06H，04H，05H，把次代码串，顺序循环发送，步进电机正转，反过来循环发送，步进电机反转。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C相的通断。3、功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 五、硬件设计步进机硬件原理图如图 图5 步进机硬件原理图ATmaga16将控制脉冲从PA0PA2输出，通过限流保护电阻与一片7位达林顿驱动芯片MC1413相连接。当PA0输出高电平1时，MC1413内部对应O0的达林顿管导通，电流从电源正极（+12V）通过步进机A相线圈，经O0端流入地线；输出为低电平0时，MC1413内部对应O0的达林顿管截止，A相线圈中无电流通过。R4R6将MC1413的3个控制位拉低，以保证步进电机在上电时不会产生误动作。Kx控制步进机的工作方式，K1控制3相3拍，K2控制3相6拍，K3控制转速变慢，K4控制转速变快。六、软件设计流程图：主程序流程图与中断程序流程图主程序流程中断开启开始口初始化设置定时常数，定时器工作方式。步长调节步进间隔时间调节按键扫描电机运转中断程序框图：中断入口保护现场中断次数1=0读方向指示发速度脉冲重送相关状态恢复现场中断返回YN源程序：#include #include unsigned char temp03=0x04,0x02,0x01;/3相3拍，每拍转动3度unsigned char temp16=0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x05;/3相6拍，每拍转动1.5度unsigned char flag1=0;/定时1秒时的标志位unsigned int i=0,j=0,n=0,k=50;void delay ()unsigned int m=0;for (m=0;m10000;m+);SIGNAL(SIG_OVERFLOW0)/溢出中断服务程序，定时500msTCNT0=177;n+;if(n=k)n=0;flag1=1;SIGNAL(SIG_INTERRUPT0)/INT0中断服务程序，控制时间转速变慢，k3开关控制 TCNT0=177;n=0;k=k+50;SIGNAL(SIG_INTERRUPT1)/INT1中断服务程序，控制时间转速变快，最快间隔500ms，k4开关控制TCNT0=177;n=0;k=k-50;if(k0)PORTB=(13);/当最快间隔为500ms,间隔再变小时，蜂鸣器响int main (void)DDRA=0XFF;/控制步进电机口PORTA=0X00;DDRB=0XFF;/控制蜂鸣器PORTB=(13);DDRD=0X00;/控制开关K1，K2，K3，K4PORTD=0XFF;TCNT0=177;/给初值TIMSK=0X01;/使能T/CO溢出中断TCCR0=0X05;/1024分频，固定8MHZMCUCR=(1ISC11)|(1ISC01)|(1ISC00);/INT1下降沿触发INT0上升沿触发GICR=(1INT0)|(1INT1);sei();while(1)for(i=0;i3;i+)PORTA=temp0i;while(!flag1);flag1=0;if (16)!=(PIND&(16)/开关k1，控制3相3拍，每拍转3度delay();if (16)!=(PIND&(16) while(1) for(i=0;i3;i+)PORTA=temp0i;while(!flag1);flag1=0;while(!(PIND&(16);delay(); if (17)!=(PIND&(17)/开关k2，控制3相6拍，每拍转1.5度 delay();if (17)!=(PIND&(17) while(1)for(j=0;i6;j+)PORTA=temp1j;while(!flag1);flag1=0; while(!(PIND&(17);delay(); 七、设计收获这次课程设计，由于时间紧促，以及涉及到许多没学过得地方，感觉有些生疏，但最终通过网络，书籍以及请教同学等各种方法，终于基本完成了老师布置的任务，过多天的奋战,我感受颇深，对此我总结如下：首先：认真审题，看懂题目的要求，选择适和自己能力的课题，做到既能把课题完成又能锻炼自己的能力；其次：选定题目之后根据课题要求，复习相关的知识并查阅相关的资料，准备实验课题。其中（1）根据课程设计的要求和自己所要增加的功能写好程序流程图，在程序流程图的基础上，根据芯片的功能写出相应的程序。然后再进行程序调试和相应的修改，以达到能够实现所要求的功能的目的。（2）还要根据实验的实际情况，添加些额外程序来使系统更加的稳定，如开关的消震荡（采用延迟）。（3）程序要尽量做到由各个子程序组成，在有些程序后面最好加注释，这样在程序出错的检查过程中可以更容易查找的到，也更简洁，更明白易懂。（4）该实验的程序可以参考DVCC系列单片机微机仿真实验系统实验指导书中的串并转换实验，也可自己根据自己熟悉的方法来编程。（5）在设计控制开关时，注意2个中断的打开和关闭的先后顺序，否则就会出错。最后，要根据课题要求在实验室对程序进行调试，记录其中的错误，积累经验。 我和吕雪梅两个人一起通过泡图书馆，上网查阅有关资料，以及向同学请教完成了这份报告。步进机的知识由陌生度99.9%到基本了解了它的基本知识包括