步进电动机的控制系统设计计算机控制系统课程设计.doc

计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 成绩评定表成绩评定表 设计课题设计课题 ： 步进电动机的控制系统设计步进电动机的控制系统设计 学院名称学院名称 ： 电气工程学院电气工程学院 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 设计地点设计地点 ： 设计时间设计时间 ： 指导教师意见： 成绩: 签名： 年 月 日 2 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 课程设计名称：课程设计名称： 步进电机的控制系统设计步进电机的控制系统设计 专专 业业 班班 级级 ： 学学 生生 姓姓 名名 ： 学学 号号 ： 指指 导导 教教 师师 ： 设设 计计 地地 点点 ： 课程设计时间：课程设计时间： 3 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目步进电机的控制系统设计 课题性质课题性质工程设计课题来源课题来源自拟课题 指导教师指导教师 主要内容主要内容 针对步进电机的控制功能要求，以单片机为核心设计一个计算 机控制系统，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制， 并且将步进电机的转动速度动态显示在 LED 数码管上. 任务要求任务要求 第 1 天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。 第 2 天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论 证，画出方框图，并简述工作原理。 第 3-4 天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路 图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论 述。 第 5 天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理 流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于 5000 字。 主要参主要参 考资料考资料 1 王晓明.电动机的单片机控制.M.北京:北京航空航天大学出版社， 2002 2 张大明.单片机控制实训指导及综合应用实例J. 北京: 机械工业 出版社 2007 3 赵影.电机与电力拖动M.北京:国防工业出版社，2006 4 周明安，朱光忠，宋晓华.步进电机驱动技术发展及现状J.机电 工程技术，2005 (2):16-17 审查意见审查意见 系（教研室）主任签字：系（教研室）主任签字： 年年 月月 日日 4 目目 录录 1 引言.5 1.1 课题背景 .5 1.2 系统功能及要求 .5 2 总体方案设计.6 2.1 方案论证计算机的选择 .6 2.2 系统硬件电路框图 .7 2.3 工作原理及控制策略 .8 3 硬件电路设计.8 3.1 单片机最小电路 .8 3.2 步进电机驱动电路 .10 3.3 键盘及显示电路 .11 4 软件设计.13 4.1 主程序流程图 .13 4.2 中断服务程序流程图 .13 4.3 驱动程序流程图 .14 5 总结.15 参 考 文 献.16 附录 系统总原理图.17 5 1 1 引言引言 1.11.1 课题背景课题背景 步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Stepmotor或Stepping motor, Pulse motor, Stepper servo, Stepper等.。我国步进电机的研究及制造始于上 世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为 研究一些装置而使用或开发少量产品，这些产品以多段结构三相反应式步进电 机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破，除反映在驱动器设计 方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平。 70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自 80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步 进电机及驱动器作为产品广泛利用。 随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱 动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打 印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产 品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控 制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进 电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控 制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编 程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 1.2 系统功能及要求系统功能及要求 本设计是采用 AT89C51 单片机对步进电机的控制，通过 IO 口输出的时序 方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片 ULN2003 驱动步进电机；同时， 用四个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 该步进电机控制系统主要具有以下功能：步进电机的启停控制；步进电机 的正反转控制；步进电机的加速控制；步进电机的减速控制；步进电机转速的 6 动态显示。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括 AT89C51 单 片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模 块、测速模块 6 个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。 软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模 块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电 机的转动速度动态显示在 LED 数码管上，对速度进行实时监控显示。本系统具 有智能性、实用性及可靠性的特点。 本控制系统的设计采用实验室中的试验箱单片机控制，通过人为按动各开 关实现步进电机的开关，以及电机的加速及减速功能，另外还增加可设正反转 的功能，具有灵活方便、适应范围广易懂的特点，能够满足实现自身实践动手 能力提高的需求。 2 总体方案设计总体方案设计 2.1 方案论证方案论证计算机计算机的选择的选择 （1）工业 PC 对于一个任务比较大的系统设计来说，工业 PC 是首选。它是专门考虑生 产现场环境条件差及各种干扰而设计的，可以长期可靠运行，可靠性和可维护 性都可达到要求。另外，除了有多种模块的主机系统板外看，还配备有多种接 口板，如多路模拟量输入输出板、开关量输入输出板、图形板，以及扩展用的 RS-232C、RS-422、RS-485、总线接口板和 EPROM 编程板等。总之，可扩充 性不成问题。此外，模拟量输入输出、开关量输入输出的接口很多，并有大量 的软件支持，如汇编、高级语言和中文等。 （2）单片机 现今的单片机正向着提高工业环境下控制系统的可靠性和灵活方便地构成 应用系统界面的方向发展，并且控制功能越来越丰富。在 CPU 芯片上，除嵌入 RAM、ROM、和 IO 外，还有 A/D、D/A、PWM、DMA、串行接口和定时器/ 计数器等，另外还有显示驱动、键盘控制、比较器和函数发生器等，能构成功 7 能强大的应用系统。 （3）PLC 早期处理顺序逻辑和开关信息量问题时一般采用继电器电路来实现。但当 信号较多、逻辑复杂时，使用继电器数量很大，造成线路设计和调试都相当困 难，可靠性也差。随着 PLC 的出现，他逐渐取代了继电器电路，随着计算机的 发展和渗透，PLC 技术也在不断提高和完善，它具有以下优点：实现成本低， 范围广，高速率，永远在线，便捷等。但当前国内 PLC 的价格比较高，也在一 部分程度上阻碍了它的发展。 通过比较论证，单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，它得到了 最多的应用。特别是它体积小，集成度高，性能稳定，可靠性高，有较高的性 价比。所以选用单片机 AT89C51 作为步进电机控制系统设计的控制器。 2.2 系统硬件电路框图系统硬件电路框图 系统的硬件组成框图如图 2.1 所示，它有以下几部分组成：单片机最小 电路，它又由电源电路、复位电路、晶振电路组成，电源电路为系统控制电路 运行提供电压，复位电路具有使单片机复位的功能，晶振电路采用 12M 的晶振， 实现 1us 的机器周期。单片机 AT89C51，对数据进行计算和处理，并让其显示。 键盘电路，键盘用于设置参数，设置给定。步进电机驱动电路，用于驱动电动 机的运行，对电机进行控制。 电源电路 复位电路 晶振电路 AT89C51 单片机 键盘显示电路 步进电机驱动电路 图 2.1 硬件电路框图 2.3 工作原理及控制策略工作原理及控制策略 工作原理： AT89C51 单片机通过 I/O 口输出的时序方波作为步进电机的控 8 制信号，信号经过芯片 ULN2003 驱动步进电机，同时，用四个按键来对电机的 状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速，从而实现对电机的控制。 通过分析控制器和执行器的关系，选用单片机控制作为控制系统的控制策 略。 3 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 单片机最小电路单片机最小电路 图 3.1 单片机最小电路 单片机最小电路如图 3.1 所示，单片机选用 AT89C51，它是一种带 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。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微 9 控制器，很适合我们的控制系统设计。 本次设计的单片机最小电路由电源电路、复位电路、晶振电路组成： (1)电源电路如图 3.2 中 C1（0.1uF 的电容） 、C2（47.uF 的电容）起滤波作 用，C1 过滤高频信号，C2 过滤低频信号。它位控制系统提供稳定的电源，使 其能够正常工作不损坏电路。 (2)复位电路如图 3.3 所示，它与单片机复位输入管脚 RST 相连。RST：复 位输入，当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。当 VCC 通电时，电容 C 充电，在 10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个 毫秒后，电容 C 充满，10K电阻上电流降为 0，电压也为 0，使得单片机进入 工作状态。工作期间，K1 闭合时，电容 C 放电；K1 断开时，电容 C 又充电， 在 10K电阻上出现电压，使得单片机复位。 (3)晶振电路如图 3.4 所示，它与单片机管脚 XTAL1 和管脚 XTAL2、GND 相连。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2： 来自反向振荡器的输出。GND：接地。该晶振电路采用 12M 的晶振，实现 1us 的机器周期。 Y1 CRYSTAL C2 20P C1 20P GND XTAL2 XTAL1 图 3.2 电源电路 图 3.3 复位电路 图 3.4 晶振电路 10 3.2 步进电机驱动电路步进电机驱动电路 图 3.5 步进电机驱动电路 步进电机驱动电路如图 3.5 所示，其主要由集成达林顿 ULN2003 来控制。 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。 它工作电压高，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下 并行运行。 ULN2003 是双列 16 脚封装,NPN 晶体管矩阵 ,最大驱动电压 为 50V,电 流为 500mA,输入电压为 5V,适用于 TTL 和 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 抵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， 可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱 动低压灯泡。 本次设计中它的输出端与电机相连，用于驱动电机的正常运行。 11 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。 3.3 键盘及显示电路键盘及显示电路 DB 0 12 DB 1 13 DB 2 14 DB 3 15 DB 4 16 DB 5 17 DB 6 18 DB 7 19 A0 21 C S 22 IR Q 4 R D 10 W R 11 C LK 3 VC C 40 R ES ET 9 S HIF T 36 C NTL/S 37 VS S 20 B D 23 R L0 38 R L1 39 R L2 1 R L3 2 R L4 5 R L5 6 R L6 7 R L7 8 S L3 35 OUTB 0 31 OUTB 1 30 OUTB 2 29 OUTB 3 28 OUTA0 27 OUTA1 26 OUTA2 25 OUTA3 24 S L0 32 S L1 33 S L2 34 8279 R 109 3K VC C IUAD0 IUAD1 IUAD2 IUAD3 IUAD4 IUAD5 IUAD6 IUAD7 A0 R D W R ALE A 1 B 2 C 3 G1 6 G2A 4 G2B 5 Y7 7 Y6 9 Y5 10 Y4 11 Y3 12 Y2 13 Y1 14 Y0 15 GND 8 VC C 16 74LS 138 S L0 S L1 S L2 VC C VC C 1 2 7 6 1 2 G0 G1 G2 1G 1 A1 2 Y1 18 A2 4 Y2 16 A3 6 Y3 14 A4 8 Y4 12 2G 19 A1 11 Y1 9 A2 13 Y2 7 A3 15 Y3 5 A4 17 Y4 3 74LS 244 S A S B S C S D S E S F S G DP 10K*8 R p1 R S T C S 8279 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 Y0 Y1 G f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 G f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 G0 G1 G f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 G2 图 3.6 键盘及显示电路 键盘显示电路如图 3.6 所示，它主要用到 8279 芯片、74LS244 芯片、 74LS138 芯片和 LED 数码管，8279 特点：(1)可同时进行键盘扫描及文字显示； (2)键盘扫描模式；(3)传感器扫描模式；(4)激发输入模式；(5)8 乘 8 键盘 FIFO(先进先出)；(6)具有接点消除抖动，2 键锁定及 N 键依此读出模式；(7)双 排 8 位数或双排 16 位数的显示器；(8)右边进入或左边进入，16 位字节显示存 储器。 8279 引脚说明及在该电路中的功能：DB0DB7：双向数据总线。在 CPU 与 8279 间做数据与命令传送。CLK：8279 的系统时钟，100KHz 为最 佳选择。RESET：复位输入线。输入 HI 时可复位 8279。：芯片选CS 择信号线。当这个输入引脚为低电平时有效 ，可将命令写入 8279 或读取 8279 的数据。A0：缓冲器地址选择线。A0=0 时，读写一般数据；A0=1 时，读 取状态标志位或写入命令。：读取控制线。=0 时，8279 输送数据到RDRD 外部总线。：写入控制线。=0 时，8279 从外部总线接收数据。WRWR IRQ：中断请求。平常 IRQ 为 LO，在键盘模式下，每次读取 12 FIFO/SENSOR RAM 的数据时，IRQ 变为 HI，读取后转为 LO；在传感器模式 下，只要传感器一有变化，就会使 IRQ 变为 HI，读取后转为 LO。SL0SL3：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式(16 对 1)或解码模式(4 对 1)。它与 74LS138 译码器相连，接收数字信号。 RL0RL7：键盘/传感器的返回线。无按键被按时，返回线为 HI；有按键 被按时，该按键的返回线为 LO。在激发输入模式时，为 8 位的数据输入。 SHIFT：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储 存(在 BIT6)，内部有上拉电阻，未按时为 HI，按时为 LO。CNTL/STB： 在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与 SHIFT 以及其它按键的状态同一储存， 内部有上拉电阻，未按时为 HI，按时为 LO。在激发输入模式时，作为返回线 8 位数据的使能引脚。OUTA0OUTA3：动态扫描显示的输出口(高 4 位)， 它与 74LS244 的管脚相连。OUTB0OUTB3：动态扫描显示的输出口(低 4 位)它也与 74LS244 相连。 74LS244 为 3 态 8 位缓冲器，一般用作总线驱动器。74LS244 没有锁存的 功能。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代 码暂存起来。它主要用于三态输出，作为地址驱动器，时钟驱动器和总线驱动 器，定向发送器等。在本次课程设计它的输入端和单片机相连，输出端与数码 管相连中，它用作驱动数码管显示。 led 数码管（LED Segment Displays）LED 实际上是由七个发光管封装在一 起组成的“8”字型器件，引线已在内部连接完成，加上小数点就是 8 个。这些段 分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的 段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。led 数码管广泛用于仪表，时钟， 车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。本次 试验就是用其来作为驱动电路的一部分，它的 8 个管脚与 74LS244 相连 13 4 软件设计软件设计 4.1 主程序流程图主程序流程图 开始 8279初始化 启动定时中断 等待1ms 电机控制程序 等待20ms 定时处理程序 Y Y NN 图 4.1 主程序流程图 主程序用于完成系统初始化及运行时的管理，程序流程图见图 4.1 所示.程 序运行后，8279 先进行初始化，然后启动定时中断，若等待时间为 1ms 则运行 电机控制程序，若等待时间为 20ms，则启动定时处理程序。通过中断处理对系 统进行处理，是运行电机控制程序还是继续处理程序。 4.2 中断服务程序流程图中断服务程序流程图 中断服务程序流程图如图 4.2 所示，主要用于判断电机处于何种运行状态， 当遇到中断时进行现场保护，判断若是 A 键按下，则电机正转，再判断是否为 A 键按下，若是则电机加速运行，若不是电机保持正转。现场保护后判断若是 B 键按下，则电机反转，再判断是否为 B 键按下，若是则电机减速运行，若不 是则电机保持反转状态。电机运行过程中若 C 键按下，则电机停止，现场恢复， 返回主程序。 14 入口 现场保护 是否为A键 电机正转电机反转 是否B键 速度减 是否A键 速度加 是否C键 是否为B键 Y 电机停止 现场恢复 Y 返回 Y N N Y N N 图 4.2 中断服务程序流程图 4.3 驱动程序流程图驱动程序流程图 入口 现场保护 扫描键盘 读缓存 速度显示 返回 图 4.3 驱动程序流程图 驱动程序流程图如图 4.3 所示，主要功能是在电机运行时扫描键盘，读 取缓存将速度显示出来，最后返回主程序。 15 5 总结总结 通过一个星期的课程设计，我对计算机控制技术这门课有了进一步的了解。 我更深一步掌握了 AT89C51 单片机的原理，了解了简单步进电机控制系统的组 成原理，并初步掌握了步进电机设计,提高了动手能力。电路知识也得到了巩固。 同时通过本次设计，巩固了已学的理论知识，将单片机的理论和实践相结合， 提高了将理论知识运用到实际中的能力，让我真正的掌握了微型计算机软件和 硬件相结合的设计方法。了解到步进电机各单元电路之间的关系及影响，从而 正确设计、计算定时计数的各个单元电路。初步掌握步进电机控制系统的设计 及测试方法，提高动手能力。 而且在写实验报告时用到了多种软件，如用 protel 画简单电路图，用 Vicio 画流程图等，这种要求对我们以后的毕业设计、科研中科技论文的撰写都有很 大帮助。最后要感谢我的计算机控制技术老师，是他教会了我们理论知识，能 让我们用自己的思路去进行课程设计，给了我们一次锻炼的机会，让我们真正 做到理论和实践相结合。 16 参参 考考 文文 献献 1 孟武胜,李亮.基于 AT89C52 单片机的步进电机控制系统J. 微电机 2007(3):64-66 2 郭威,崔群.基于单片机的步进电机控制系统的设计J. 安徽工程科技学 院学报.2006(3): 59-62 3 王鸿枉.步进电机控制技术入门J.上海:同济大学出版社，1999:71-92 4 王晓明.电动机的单片机控制.M.北京:北京航空航天大学出版社，2002 5 熊静琪.计算机控制技术M北京：电子工业出版社，2003 6 张晋格.计算机控制原理与应用M北京：电子工业出版社，2005 7 赵建领.单片机开发与应用技术详解J北京：电子工业出版社，2009 8 赵影.电机与电力拖动M.北京:国防工业出版社，2006 9 周明安，朱光忠，宋晓华.步进电机驱动技术发展及现状J.机电工程技 术，2005 (2):16-17 10 张大明.单片机控制实训指导及综合应用实例J. 北京: 机械工业出版 社 2007 17 附录附录 系统总原理图系统总原理图 D B 0 12 D B 1 13 D B 2 14 D B 3 15 D B 4 16 D B 5 17 D B 6 18 D B 7 19 A 0 21 C S 22 IR Q 4 R D 10 W R 11 C LK 3 V C C 40 R ES ET 9 S H IF T 36 C N TL/S 37 V S S 20 B D 23 R L0 38 R L1 39 R L2 1 R L3 2 R L4 5 R L5 6 R L6 7 R L7 8 S L3 35 O U TB 0 31 O U TB 1 30 O U TB 2 29 O U TB 3 28 O U TA 0 27 O U TA 1 26 O U TA 2 25 O U TA 3 24 S L0 32 S L1 33 S L2 34 8279 R 109 3K V C C IU A D 0 IU A D 1 IU A D 2 IU A D 3 IU A D 4 IU A D 5 IU A D 6 IU A D 7 A 0 R D W R A LE A 1 B 2 C 3 G 1 6 G 2A 4 G 2B 5 Y 7 7 Y 6 9 Y 5 10 Y 4 11 Y 3 12 Y 2 13 Y 1 14 Y 0 15 G N D 8 V C C 16 74LS 138 S L0 S L1 S L2 V C C V C C 1 2 7 6 1 2 7545P3 G0 G1 G2 1G 1 A 1 2 Y 1 18 A 2 4 Y 2 16 A 3 6 Y 3 14 A 4 8 Y 4 12 2G 19 A 1 11 Y 1 9 A 2 13 Y 2 7 A 3 15 Y 3 5 A 4 17 Y 4 3 74LS 244 S A S B S C S D S E S F S G D P 10K *8 R p1 G f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 D P 7 b 9 a 10 G f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 D P 7 b 9 a 10 G f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 D P 7 b 9 a 10 G 0 G 2 G 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 C LK out2/P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 R xD /TN T/P1.6 TxD /P1.7 R S T/P4.7 P1.5 R xD /TN T/P3.0 TxD /P3.1 TN T0/P3.2 TN T1/P3.3 C LK out0/T0/P3.4 C LK out1/T1/P3.5 W R /P3.6 R D /P3.7 X TA L1 X TA L2 G N D P2.0/A D 8 P2.1/A D 9 P2.2/A D 10 P2.3/A D 11 P2.4/A D 12 P2.5/A D 13 P2.6/A D 14 P2.7/A D 15 N A /P4.4 N A /P4.6 A LE/P4.5 P0.0/A D 0 P0.1/A D 1 P0.2/A D 2 P0.3