步进电机控制与转速检测系统设计

SHANDONG毕业设计说明书步进电机控制与转速检测系统设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 陈建建 学 号： 0812104019 指导教师： 解红军 2012 年 6月摘 要摘 要本设计主要介绍了步进电机控制与转速检测系统通过单片机来实现的方法。全文主要分为原理介绍，硬件设计，软件设计。其中硬件电路包括：L298N驱动的步进电机的控制系统的设计、键盘按钮电路的设计、显示电路的设计、转速检测电路的设计、电源模块的设计等。软件包括：系统初始化及主程序的模块设计 、显示程序和键盘程序的模块设计、中断处理、定时器处理程序的模块设计等控制模块由键盘输入启动、正转、反转、加速、减速、停止等信号，经过单片机处理再接L298N驱动步进电机实现相关功能。电机的运行状态经光电编码器转换为脉冲信号再放大输入到单片机经单片机处理再通过LED显示器显示转速、状态等。本文在设计过程是按照原理介绍，硬件设计，软件设计的顺序进行逐步的论证选择设计的。关键词：步进电机，单片机，控制系统，硬件，软件- 26 -AbstractAbstractThis design introduces the stepper motor control and speed detection system, microcontroller finished.the full text is divided into principle, hardware design, software design. Hardware circuit including: L298N driven stepper motor control system design, circuit design of the keyboard button, the display circuit design, the design of the speed detection circuit, power supply module design. Software includes: system initialization and the main program module design, showing the modular design of the program and keyboard procedures, interrupt handling, the modular design of the timer handler The control module consists of a keyboard input, start, forward, reverse, speed up, slow down, stop, etc. signal followed L298N drive a stepper motor microcontroller-processing for the relevant functions. The motor running state conversion by the optical encoder for the re-amplification of the pulse signal input to the microcontroller via the microcontroller processing through the LED display shows speed, status, etc. In the design process in accordance with the principle, hardware design, software design sequence step-by-step demonstration of the selection of design.Keywords：Stepper motor，Microcontroller，Control system，Hardware software目 录目 录摘 要IAbstract（英文摘要）II目 录III第一章 概 述11.1 引 言11.2 设计任务11.2.1 课题的目的和要求11.2.2 主要设计内容21.2.3 主要设计技术指标与参数2第二章 步进电机原理特点及控制技术42.1 步进电机原理42.2 步进电机控制技术42.3 步进电机的特点7第三章 方案论证93.1 显示电路的方案论证93.2 主控制器的选择93.3 键盘电路的方案论证103.3.1 独立按键式非编码键盘103.3.2 矩阵键盘103.4 步进电机控制模块选择123.5 确定设计的总体方案13第四章 硬件设计154.1 最小系统154.1.1 复位电路：154.1.2 时钟电路：164.2 驱动电路174.3 测速模块184.3.1 反相器74LS14的作用184.3.2 光电编码器184.4 滤波电路194.5 显示电路204.6 键盘电路214.7 电源电路224.8 整体电路23第五章 软件设计255.1 主程序设计255.2 转向控制275.3 转速控制275.4 PID 控制原理程序流程28总 结30参考文献31致 谢31附 录A32部分程序32附 录B PID控制算法36一、 创建系统数学模型36二、 位置式数字PID算法36附 录C 整机图38第一章 概述第一章 概 述1.1 引 言近年来，电子技术和微型计算机的不断发展带动了步进电机的飞速发展。在自动控制系统中，一般要有将数字信号转换为角位移或线位移的电磁装置，步进电机的工作特点恰好符合此要求。控制系统对步进电机的控制通过步进电机驱动器来完成。因此它已经被广泛的应用于自动控制系统中作为执行元件。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，实现起来成本高、费时多，而且一旦定型后，电路就很难改动，因此不得不完全重新设计控制器。自六十年代初期以来，单片机技术的快速发展，单片机在各种电子产品中的应用日趋广泛，促使步进电机的应用得到很大的提高步进电机是通过将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制工作元件。在正常的工作的前提条件下，电机的转速控制、起停，取决于脉冲发送信号的频率和脉冲数目，而不能随负载变化的而受到影响，即也就是给电机加上一个脉冲信号，则电机会转过一个一定的步距角。由这一线性关系的存在，再加上步进电机只能有周期性的误差而没有累积误差的特点。步进电机使得在速度、位置等自动控制领域的控制变的很的简单。步进电机是通过调节输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机对速度的控制，因为步进电机每接收一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就能够通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲连个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角的大小来改变步进电机的转速，从而实对现步进电机调速的控制。1.2 设计任务1.2.1 课题的目的和要求1利用单片机检测出步进电机的转速，控制步进电机正转，反转，加速减速目的。2.比较全面理解和掌握单片机的原理与应用。利用所学的电子技术课程设计信号的放大回路, 利用所学的电子检测课程设计温度检测回路。3通过设计进一步巩固和深化所学理论知识，提高分析问题、解决问题的能力，掌握电路实验的基本技能和方法。4掌握电子产品从设计，制定方案，元件购买，检测，外协加工，装配到成品的全部生产过程。5熟练掌握万用表、示波器及单片机仿真软件的使用。6熟练掌握电路原理图的绘制,印刷电路板的制作。1.2.2 主要设计内容1、步进电机控制与转速检测系统的硬件设计本系统是以89C52为核心，构成一个转速检测，显示系统（1）对转速传感器输出信号放大电路的设计（2）显示和键盘电路的硬件设计（3）模数转换电路的硬件设计（4）电源电路的硬件设计2、步进电机控制与转速检测系统的软件设计（1）系统初始化及主程序的模块设计（2）显示程序和键盘程序的模块设计（3）中断处理，定时器处理程序的模块设计（4）模数转换处理程序的模块设计1.2.3 主要设计技术指标与参数转速测量范围 ： 0-1800转转速测量精度 ： 0.5级具有步进电机控制与转速的检测，显示功能。具有控制步进电机正转，反转，加速减速功能。第二章 步进电机原理特点及控制技术第二章 步进电机原理特点及控制技术2.1 步进电机原理步进电机是通过用电脉冲信号进行正反转，加减速控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。说通俗点，就是接收一个电脉冲，步进电机就会转动一个固定角度或者前进一步，因此，步进电机也可以叫做脉冲电动机。步进电机与其他控制类的电机的最区别是，它是通过输入的脉冲信号来进行各项的控制，也就是说电机的总转动角度或者角位移是由输入的脉冲数目决定的，而电机的转速是由脉冲信号的频率的高低来决定的。步进电机是通过输入的脉冲信号来控制的，它可以把脉冲信号变成角位移或者线位移，所以它可以通过单片机来控制，而且其兼容性也非常好。步进电机的角位移或线位移量的大小与电脉冲的个数成正比，而它的转速或线速度的大小与电脉冲频率成正比。在正常工作范围内这些关系会保持稳定而不会因负载大小、电源电压、环境条件的等的波动而变化。通过改变接收的脉冲频率的高低，顺序，可以实现步进电机的大范围的调速，并能使电机快速启动，制动和反转。一般情况下电机的转子是永磁体构成的，当电流通过定子绕组时定子会产生一个矢量磁场，转子在磁场的作用下会旋转一个固定的角度，使得转子与定子的磁场方向保持一致。接着当定子的矢量磁场再旋转一个角度。转子也会随着该磁场旋转这个角度。所以电机没接收到一个电脉冲，电动机就会旋转一个固定角度向前进一步。电机的输出角位移大小与输入得到脉冲个数成正比关系。如果改变绕组通电的先后顺序，电机就会反向旋转。因此可以控制输入脉冲数量、频率高低以及电动机各相绕组的通电先后顺序来控制步进电机的转动的旋转角度，转速，以及正反转。2.2 步进电机控制技术步进电动机是一种可以把电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电动机，它的正常工作需要一个专门的驱动电源，驱动电源的输出信号跟随外部的脉冲信号变化。每接收一个脉冲信号都可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度就称为步距角。接收的脉冲的总数量决定了电机旋转的总角度，脉冲的频率的高低决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电先后顺序可以改变电机旋转的方向。也就是说步进电机是一电脉冲信号转变成线位移或者角位移的电执行元件但是他不能直接接到交流电源上，必须要用专门的驱动电源即步进电机控制驱动器。典型的步进电机控制系统步进电机控制驱动器可以发出连续的脉冲频率，一般从几赫兹到几千赫兹内连续变化，步进电机从结构上可分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：1、换相顺序的控制步进电机通电后换相的这一个过程叫做脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍下工作时，他的各相通电先后顺序为ABCA，步进电机输入电控制脉冲的时候必须要严格按照这一顺序分别控制A、B、C各相的通断。三相双三拍步进电机通电顺序为ABBCCAAB，三相六拍步进电机的通电顺序为AABBBCCCAA，步进电机通电控制脉冲的时候就必须要按照这一顺序来控制A,B,C各相的通断，否则步进电机就不能正常运转。2、步进电机的换向控制在步进电机转动的正常运转过程中通过改变脉冲的先后顺序，也就是改变励磁绕组的通电先后顺序来改变电机的正反转。假如给定的电机工作方式为正序换相时电，电机就会正转。若步进电机为三相六拍的的励磁方式的励磁方式，则正序顺序的序为AABBBCCCAA。如果通过反序通电顺序换向，则AACCCBBBAA，则电机就反转。类比可得到其他情况。3、步进电机的起停控制由于步进电机的电气特性愿意，电机运转时会有步进感,及振动。所以为了要使电机运行能够平滑，并且减小振动，可以在步进电机的控制脉冲的上升沿和下降沿处应用用细分的梯形波，用来缩小步进电机的步进角，从而提高电机运行的平稳性。而在步进电机停止转动时，为了预防惯性原因电机轴产生的顺滑，则需要采用合适电流，产生能够锁定的波形，从而产生锁定磁力矩，进而能够锁定步进电机的转轴，从而使步进电机转轴不能自由随意的转动。4、步进电机的加减速控制如果给步进电机传送一个控制脉冲，步进电机就会运转一步，再发一个脉冲，它就会再转一步。因此两个脉冲的间隔越短，步进电机就会运转得越快。，所以可以通过改变输入步进电机上一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔长短来改变脉冲的频率，改变延时的长短，从而控制电机的转速，进而实现对步进电机加减速度的控制。具体的控制可以通过软件实现。也就是说需要通过单片机来实现对步进电机的加速减速控制，通过分析原理也就是改变改变输出脉冲的时间间隔长短。单片机可以通过软件和硬件来实现对步进电机的加减速度的控制。软件法，主要是编写延迟程序来改变脉冲的频率，其中延迟的长短是动态的，软件法在控制电机时要不断的产生对步进电机控制的脉冲，占用了大量的CPU，使单片机没有足够的空间进行其他工作；硬件法一般是依靠单片机的内部定时器控制脉冲完成速度的控制，在进入中断以后，改变内部定时常数，使得加速的时候脉冲频率能够不断增大，减速的时候脉冲频率能不断减小，这种方法对CPU的占用比较小，在单片机中比较实用，能完成多种控制，一般采用这种方法调速在步进电机的控制过程中，在试验中可以发现，假如信号变换的比较快，步进电机会由于惯性的原因跟不上信号的变换，就会产生堵转和失步的现象。步进电机启动时，会有加速过程中，再停止的时候，会有减速的过程。不考了误差的影响理想情况下加速曲线为指数曲线。再就是步进电机减速过程应该是加速过程的一个逆变换。所以要选择符合步进电机升降过程规律的曲线，能够发挥步进电机的优点利用他的有效转矩，相应快速，大大缩短升降占用的时间，还能有效防止失步和过冲现象的发生。在控制系统中要根据时间负载情况来选择哪种步进电机。启动频率是步进电机能正常工作而且不失步的最高步进频率，停止频率是系统控制的信号突然停止的情况下步进电机正常停止且不冲过目标位置的最高步进频率。步进电机的启动频率，停止频率和和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，通过这些量，才能对步进电机进行有效的加速减速控制。一般情况下步进电机最高启动频率为0.1KHZ4KHZ,而且步进电机最高运行频率能够达到n*102KHZ,但是如果以超过了最高频率的频率直接启动的步进电机的话就会产生堵转和失步的现象。f/Hzfa fb0t/s图2-1 步进电机运行过程中频率变化曲线2.3 步进电机的特点步进电机的角位移或线位移与输入脉冲数目成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有非常好的跟随性。由步进电机和驱动电路一起组成的开环数控系统，不仅方便、廉价，而且非常可靠。而且他还可以通过反馈环节形成稳定的闭坏控制系统，使系统更加稳定，便于控制。步进电机所具有的灵活性使得其动态响应快，易于启停、正转反转以及进行加速减速度的控制。步进电机速度能够在很大的范围内平滑调节，在速度比较低的情况下仍能得到很大的转矩，因此，步进电机一般不会用减速器而是直接驱动负载。步进电机对电源的要求比较高，而且只能通过脉冲电源供电，不能直接接到交流电源或直流电源上供电。步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。第三章 方案论证第三章 方案论证3.1 显示电路的方案论证1、采用LCD显示器LCD就是液晶显示器，其显示效果细致，工作稳定，广泛应用于各种产品的显示中。但是其价格比较贵，而且本设计用LCD过于浪费，根本用不了这么多功能，综合考虑不适合应用与此设计中。2、采用LED显示器件采用LED显示器件，显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的功能兼容性高，只需将软件做修改即可，可操作性强，也易于读数。综上所述，本设计选用LED显示器件。3.2 主控制器的选择方案一: 采用可编程逻辑器件CPLD作为主控器，对旋转编码器接收到信号生成的电信号进行处理与计算，然后经过LED数码管显示出来。因为CPLD能够完成各种复杂的逻辑功能而且规模大、稳定性高、I O 资源丰富、体积小、密度高、易于进行功能扩展。CPLD采用并行的方式进行输入输出，使系统的处理速度大大的提高，更能适合作为控制系统的控制核心。但是分析本设计系统知道系统不需要各种复杂的逻辑功能，对接收的数据处理速度要求也不是很高，所以从经济实用的角度和设计要求方面考虑不使用此方案。方案二：选用AT89C52单片机来作为主控制器把采集和接收到的信号进行处理然后再输出到4位LED数码管进行显示。AT89C52是一个功能消耗低， 字长为8 位的单片机。它一般由片内8KB的ROM 、片内256B的RAM、中央处理器、一个全双工的串行口、三个1 6 位的定时计数器、四个8 位的I / O 口（P 0 、P 1 、P 2 、P 3 ）、八个中断源以及时钟等组成。它的优点有重量轻，体积小，对环境的要求不高， 抗干扰的能力强，价格低廉，可靠性比较高，灵活性好。 综上所述，选用单片机控制。系统方框图单片机控制方框图如下：89C52单片机复位电路及时钟电路键盘控制电路L298N启动电路步进电机状态显示电路电源电路图3-1 总体设计方框图3.3 键盘电路的方案论证 3.3.1 独立按键式非编码键盘此种方式中各个按键相互独立，每个按键会占用一根I/O端口线，每根I/O端口线上按键的工作状态不会对其他I/O端口线上的工作状态产生影响。所以，可以通过检测输入端线的电平状态来进行判断是哪个键按下了。这种结构的键盘电路具有配置灵活，软件结构简单的优点，但是每个按键都会占用一个I/O端口，所以在按键数目较多时，需要较多的输入口端线且电路结构变得比较复杂，故这种键盘一般用于按键次数较少或操作速度较高的情况。独立式按键电路按键直接与单片机的I/O线相接，单片机通过程序对该端口进行查询。当按下某键时，对应口线电平会变化，单片机会立刻判断是哪个键按下，即可识别出按下的键盘。3.3.2 矩阵键盘在矩阵按键开关中，通常将按键排列成矩阵形式，每一条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。矩阵键盘的工作原理是按键设定在行线和列线交点上，行线列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻连接到+5V电源上。常态下无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有键按下时行线状态将由与此电平相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。这是识别矩阵键盘是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行列线多键共用，各键均影响该键所在的行和列的电平，因此各键将彼此相互影响。所以必须将行列线信号配合起来并作适当处理，才能决定闭合键位置。通过行列颠倒扫描来识别闭合键。在扫描每一行时，读列线；然后依次向列线扫描输出，读行线。此种设计需要提供两个可编程的双向输入/输出端口。这样一个端口就可以构成4*4=16个按键，比直接将按键线接入输入端口多出了一倍的容量，而且线数越多，区别越明显。因此应用最广泛的是用R+L条口线来完成RL个按键的扫描键盘。和线性键盘进行比较，扫描键盘大大提高了对I/O口线的利用率，在某种程度上把I/O口线引脚短缺的重要问题解决了，但是他一直具有的在实现方案上的缺点是要MPU通过其相对应的扫描控制程序来进行配合的缺点。进行响应输入，系统实际上是在一种叫做循环查询的模式下进行工作，这样下来不仅把MPU处理时间来占用了，而且还增加了本系统的功能消耗。这样在一些要进行任务量大的处理过程中、对功能消耗又要求严格的控制系统中，这是不能进行的。一、可知通用的键盘的接口芯片(比如8279、HD7279A)功能消耗非常大，灵活性也比较差；二、在速度、功耗和规模等优良性能方面可编程的逻辑器件已远远超出了通用的逻辑芯片。对于矩阵式键盘，按键的位置有行号和列号唯一决定，所以分别对行号和列号进行二位制编码，所以将两值合成一个字节，高四位是行号，低四位是列号。但这种编码对于不同行的键，离散型大，并且的复杂度与键盘的个数成正比，因此不适合用在输入量小的设计中。所以采用矩阵式键盘接口技术，该方法结构相对比较复杂，占用资源少，通常用在按键数量较多的场合。因为本设计用到键盘相对较少，所以用独立式键盘。3.4 步进电机控制模块选择 图3-2 步进电机驱动器系统电路原理图AT89C52将控制脉冲信号通过P1口的P1.4P1.7输出，经74LS14反相后输入到晶体三极管，经晶体三极管得到信号放大后输入光电开关进行控制，但经过光电隔离之后，经过功率管TIP122会把脉冲信号的电压和电流进行放大，然后再驱动步进电机的各相励磁绕组。从而使步进电机可以跟着不同的脉冲信号分别进行正转、反转、加速、减速和停止、启动等动作。L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其持续工作电流为2A，峰值电流3A，最高的工作电压可达到46V，能够驱动的感性负载有，步进电机，大功率直流电机，电磁阀等等，主要的是它的输入端能够与单片从而方便的直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，加减速，启动停止，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。 本模块具有体积小，控制方便的优点。采用此模块定会使您的电机控制自如，可以应对需要大功率直流电机的题目。 同时，我们提供带有光耦隔离的驱动模块，利用这个模块可以把单片机电源与直流电机电源隔离开，从而可以避免直流电机对单片机的干扰，适合要求较高的控制及AD采样场合。综上所述，本设计采用L298N芯片驱动3.5 确定设计的总体方案通过分析系统设计的要求，可以选用三相三拍步进电机，单片机选用AT89C52作为控制器。选取用74LS248来驱动显示电路。选用L298N作为步进电机的驱动元件来驱动步进电机完成电机的运转。选用光电编码器作为步进电机的回馈元器件把的到的信号放大后送到单片机然后经显示电路显示出电机运行的相关信息。通过分析该设计系统的规定要求可得到，本设计系统的输入量为电机的速度和转动方向。图3-3 步进电机工作时序波形图系统原理框图如下图所示：AT89C52单片机复位电路键盘控制电路L298N启动电路步进电机状态显示电路电源及时钟电路图3-4 系统原理框图第四章 硬件设计第四章 硬件设计本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。最小系统主要是为了使单片机正常工作。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。4.1 最小系统图4-1 最小系统单片机的最小系统 （最小应用系统），通俗的讲就是用最少的元件来组成单片机能够工作的系统。单片机的最小系统包括：单片机、复位电路、时钟电路。4.1.1 复位电路：单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。该设计要求只需4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了6路独立式键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用27PF的电容和12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。如图4-1所示。4.1.2 时钟电路： 单片机的时钟信号产生方法有内部时钟方式和外部时钟方式。在引脚X1和X2外部接晶振电路器（简称晶振），就构成了内部晶振方式。这里选择比较稳定的内部时钟方式，最常用的方式是采用外接晶体和电容组成并联谐振回路，如图4-1所示。单片机允许的震荡晶体可在1.224MHz之间，这里选择12MHz电容C1、C2的取值对震荡频率输出的大小、起振速度，以及稳定性有一定的影响,可在20100pF之间选择，这里选择27pF。4.2 驱动电路L298N内部包含4通道的逻辑驱动电路，是电机的专用驱动元件，可驱动46V、2A以下的电机。其特点是工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。IN1、IN2引脚从单片机接输入控制电平，控制电机的正反转，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，步进电机正转。如果信号端IN1接低电平IN2接高电平，步进电机反转。QUT1、QUT2接步进电机， ENA接控制使能端控制电机的停转，ISEN A接单片机接受脉冲控制电机转速，如果给步进电机一个控制脉冲，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转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机调速。图4-2 驱动电路4.3 测速模块4.3.1 反相器74LS14的作用反相器74LS14的作用是对输入的脉冲信号进行整形，使之成为较为理想的矩形波。4.3.2 光电编码器光电编码器的作用是测量转速。它可以分为单路输出方式和双电路输出方式两种。主要的技术参数有每转的脉冲数目（范围从几十个到几千个）和供电的电压等。输出的是一组脉冲的光电编码器叫做但电路输出方式，输出的是两组相位差为90度的脉冲的是编码器是双路输出方式，用这两组相位差为90度的脉冲不仅能够测量步进电机的转速，还可以判断出步进电机的旋转方向。通过信号原理光电编码器可以分为增量脉冲编码器（SPC）和绝对脉冲编码器（APC），这两种编码器一般情况都是用于速度控制系统或者是位置控制系统作为检测的元件。工作原理:由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。另外，把输入的一路信号通过整形后输入到T1口，用来计脉冲的数目，从而确定转速。测速模块原理图如下：图4-3 测速电路4.4 滤波电路滤波电路经常会用在过滤去整流器输出的电压中的起伏，一般情况下都是有电抗元件来组成，例如把电容C并联在负载电阻的两端，或者把电感器L串联在负载上，或者是由电容，电感来组成在一起的各种复合的滤波电路。 而且在电路中电抗元件一般都会有储存能量的作用，电容器C并联在电源上，通过电源来给电容C供给的电压提高时，就会把一部分的能量储存起来，在电源的电压减小的时候，就会把储存的能量来释放出来，这样就会使负载的电压变化比较平滑，也就是说电容C能有平波的功能；和负载相串联在一起的电感L,当流经电感L的电流增加（电源增压）时，电感就会把这部分能量储存起来，但是当电流减小后，他就会跟电容一样把储存的能量释放出来，从而也使得电流变化比较平稳，所以说电感L也是具有平波的作用。滤波电路有很多种，为了掌握它的规律，一般能分为分为;1、电容输入式一般会用在功率小的电源当中；2、电感输入式，跟电容的相反一般会用在功率比较大的电源当中，电流很大的时候只用电感器和负载串联就行。如下图所示：一般是在每个电器元件旁边来放置一个由104组成的防震荡电路。图4-4 滤波电路4.5 显示电路图4-5 显示电路在步进电机的控制设计中，要求步进电机可以进行加速减速，也可可以正转反转，其中电机的转速分为好几档，设计要求01800转，为了能够更方便的知道电机的转速等级，正转反转等信息，需要设计一个显示电路来显示出电机的运行状态和转速等信息。前四个七段显示译码器显示电机的转速，最后一个显示电机的正转反转。七段显示译码器通过公共端与单片机的P2.2 ,P2.3 ,P2.4 ,P2.5 ，P3.4端口相接，通过控制其高低电平来控制是否显示，然后a，b，c，d，e，f，g，dp段通过驱动连接单片机的P10P17端口通过接收高低电平来控制显示的数字。4.6 键盘电路 根据系统的控制要求，需要控制步进电机的启动，停止，正转，反转，加 图4-6 键盘电路速，减速，分别是S1,S2,S3,S4,S5,S6，控制电路如下图所示。通过S1,S2的开关状态变化来实现步进电机的启动和停止。当S1,S2开关变化时，系统程序检测P0.0和P0.1端口的状态来运行相应的启动和停止程序，实现步进电机的启动和正反转控制。通过步进电机的工作原理可以明白，要控制步进电机的转速需要通过控制输入电机的脉冲的频率，从而实现对步进电机的转速的控制。用单片机可以通过定时的中断和软件的延时来实现控制，对于该电机的加减速度的控制是通过S3,S4,的断开与闭合，从而通过案按键的次数，改变速度之存储区域中的速度数据，这样就可以改变步进电机的输出脉冲频率，进而可以改变步进电机的转速。4.7 电源电路图4-7 电源电路桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成桥式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。1、供电变压器：将交流电源提供的电压变为合适交流电压2、整流电路：把变压器出来的交流电压变为单向脉动直流电压3、滤波电路;把整流电路出来的直流电压变为稳定的的直流电压4、稳压电路：防止电网输出波动、负载大小变化的影响，而使输出电压保持稳定如上图所示，通过电源变压器将输入的交流电源分别变成5伏和12伏的交流电压，然后通过整流电路将交流电源变成了单向但是脉动的直流电源，再通过滤波电路将整流电路出来的脉动的直流电源变成平滑的直流电源，最后再加上稳压电路将输出电压稳定在5伏和12伏，而不随电源的波动，负载的变化而变化。4.8 整体电路如下图所示图4-8 整机电路图第五章 软件设计第五章 软件设计通过以上的分析研究可以看出，要实现系统的功能可以采用很多种方法，而且由于随时有可能要输入加速、减速信号和方向信号，所以需要采用中断方式这样效率最高，这样只需要完成四个部分的工作要求就能满足设计的要求，也就是主程序部分、定时器中断部分、外部中断0和外部中断1四部分，而且主程序的主要功能是系统初始参数的设置以及启动停止开关的检测，如果启动开关闭合则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分是用来控制脉冲频率，它主要决定了步进电机转速的快慢的调节；两个外部中断程序可以改变速度这一功能。5.1 主程序设计主程序可以实现系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。主程序流程图如图所示。 开始 测速程序启动步进电机正转判断启动键是否按下 是 步进电机停止正转判断停止键是否按下 测速程序 步进电机加速正转判断加速键是否按下 测速程序判断减速键是否按下 测速程序步进电机减速正转判断反转键是否按下 测速程序步进电机反转 显示子程序图5-1主程序流程图5.2 转向控制对于三相六拍而言，如果把表中的状态控制字自上而下的顺序依次送入P0口，步进电机三项绕组的通电顺序为AB-B-BC-C-CA-A-AB,那么按自下而上的顺序依次送状态字时，电机的通电顺序为AB-A-AC-C-CB-B-BA,电机旋转方向相反，因此实现正反转框图如下：置表底指针加1置表首指针减1 延时指针到表首？指针到表底？正？反？选状态字 正反NNYY图5-2 实现正反转的程序流程图5.3 转速控制步进电机每个通电状态保持的时间的长短，也就是状态指针移动的频率决定电机的旋转速度。用单片机控制的方法主要有两种：软件延时法和中断法。 初始化 停否YN 转移状态表指针 送状态字P1.1=1?NYP1.2=1?P1.3.=1?YN Y N调TM2调TM0调TM1调TM3图5-3 实现有级变速程序框图5.4 PID 控制原理程序流程 在实际工程中，应用范围最为广泛的调节器控制规律有比例控制、积分控制、微分控制，又简称为PID控制，也可以叫做PID调节。如果被控制对象的结构和参数不能被完全的掌握，或者得不出精确的数学模型时，而且控制理论中的其它技术不好采用时，则系统控制器具有的结构和参数就必须要依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。报警及处理采样时间到 N Y 采集速度 是否超限YN计算 Cn=Rn-YnN 计算Pp=KC（n）-C（n-1）计算Pi=KC(n)计算Pd=KdC(n)-2C(n-1) +C(n-2)P(n)=P(n-1)+Pp（n）+Pi（n）+Pd（n）C(n-2) C（n-1）C(n-1)C（n）P(n-1) P(n)P(n-1) P(n)结果送单片机图5-4 PID控制原理流程图- 31 -总结总 结在这个充满自动化的社会中，步进电机的应用更加向着精密化发展，由于其与单片机的良好兼容性以及优越性开始了本次设计。本次设计是通过单片机对步进电机进行控制，控制电机的正反转，加减速，启动停止。设计中主要用到了显示电路（主要用来显示电机的运行状态）、单片机（中心枢纽接受信号输出到显示电路和步进电机）/步进电机、按键电路（用来输入信号控制电机的运转）电源电路（为整个电路提供稳定的电压使系统能够正常稳定的工作）、光电编码器施密特触发器（把步进电机的运行状态转变成电子信号脉冲，并放大信号输入到单片机）。本次设计主要是完成了对步进电机的转速的控制，步进电机的启动停止，正转与翻转。外接通过加减速按钮，启停按钮，正反转按钮，输入信号，单片机接受信号后输出脉冲到电机对电机进行控制，光电编码器把电机的运行状态接收后变成光电脉冲回馈给单片机，单片机然后通过显示电路显示出电机的运行状态。通过近一个学期16周的设计,对步进电机正反转及其测速系统有了一个很深的认识,对电子产品从设计,制定方安,元件购买,检测,外协加工,装配,到成品的全过程有了一个大概的掌握.使大学四年的专业理论知识和实践结合起来,做到了理论联系实际,理论指导实践,使自己的动手能力得到了提高。参考文献参考文献1 姜志海,黄玉清.单片机原理及应用.北京:电子工业出版社，2005年4月2何希才，姜余祥.电动机控制电路应用实例.北京:北京航空航天大学出版社，1990 年3 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