单片机课程设计报告-三步进电机联动控制的设计与实现.doc

单片机综合课程设计沈航北方科技学院课程设计说明书课程名称 单片机课程设计 教 学 部 工学一部 专 业 计算机科学与技术 班 级 2 学 号 学生姓名 指导教师 2011年 12 月课程设计任务书教 学 部 工学一部 专 业 计算机科学与技术 课程设计题目 三步进电机联动控制的设计与实现 班 级 B841102 学 号 B84110211 姓 名 姜 嵩 课程设计时间 2011 年 11 月 28 日至 2012 年 12 月 5 日课程设计的内容及要求：（一） 主要内容 将三台试验箱的串口用导线连接并实现通信，编写步进电机正反转、调速程序，完成根据开关选择情况两个步进电机或正或反、或快或慢同时或者独立转动。（二）基本要求1 必须用实验室有的仪器完成；2 调试后通过老师当场验收；3 交出完整的课程设计报告。（三）主要参考书1.李刚民，曹巧媛，陈忠平编 单片机原理及实用技术高等教育出版社20052.刘和平 单片机原理及应用重庆大学出版社20023. 雷思孝等 单片机原理及实用技术西安电子科技大学出版社2004 4.陈忠平等 单片机原理及接口 清华大学出版社2005（四）评语 （五）成绩 指导教师 年 月 日负责教师 年 月 日目录摘 要11.1功能需求12硬件设计22.1电路设计22.2 步进电机图33 系统工作原理33.1步进电机工作原理33.2 基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理43.3 四项八拍正向励磁顺序53.4 四项八拍反向励磁顺序64 线路连接65 软件设计75.1 软件设计思路75.2 主程序流程图75.3 延迟模块流程图86 调试分析97结论98结束语9参考文献10附录一1115单片机综合课程设计摘 要步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（即步进角）。您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；同时您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。关键词：步进电机，51单片机，脉冲信号1 绪论 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2 腾龙版步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度， 需要48 个脉冲完成。3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。4 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。1.1功能需求编写步进电机正反转、调速程序，完成根据开关选择情况两个步进电机或正或反、或快或慢同时转动。2硬件设计2.1电路设计此程序为3个步进电机分别调速，分别调方向的控制程序。P1.0-P1.2步进电机1的速度开关，P1.3步进电机2的转向开关，P1.4-P1.7接步进电机1的A-D；P2.0-P2.2步进电机1的速度开关，P2.3步进电机2的转向开关，P2.4-P2.7接步进电机2的A-D；P3.0-P3.2步进电机1的速度开关，P3.3步进电机2的转向开关，P3.4-P3.7接步进电机3的A-D。图1 电路设计图2.2 步进电机图图 2 步进电机实物图图3 步进电机原理图3 系统工作原理3.1步进电机工作原理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3是该四相反应式步进电机工作原理示意图。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6.a、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图6.步进电机工作时序波形图3.2 基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理步进电机驱动器系统电路原理如图8： 图8 步进电机驱动器系统电路原理图AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4-P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。图8中的RL1-RL4为绕组内阻，50电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1-D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D1-D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。在50外接电阻上并联一个200F电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。3.3 四项八拍正向励磁顺序AABBBCCCDDDASETPABCD11000211003010040110500106001170001810013.4 四项八拍反向励磁顺序ADADCDCBCBABSTEPABCD11000210013000140011500106011070100811004 线路连接此程序为3个步进电机分别调速，分别调方向的控制程序。P1.0-P1.2步进电机1的速度开关，P1.3步进电机2的转向开关，P1.4-P1.7接步进电机1的A-D；P2.0-P2.2步进电机1的速度开关，P2.3步进电机2的转向开关，P2.4-P2.7接步进电机2的A-D；P3.0-P3.2步进电机1的速度开关，P3.3步进电机2的转向开关，P3.4-P3.7接步进电机3的A-D。图9 电路设计图5 软件设计5.1 软件设计思路此程序为3个步进电机分别调速，分别调方向的控制程序。P1.0-P1.2步进电机1的速度开关，P1.3步进电机2的转向开关，P1.4-P1.7接步进电机1的A-D；P2.0-P2.2步进电机1的速度开关，P2.3步进电机2的转向开关，P2.4-P2.7接步进电机2的A-D；P3.0-P3.2步进电机1的速度开关，P3.3步进电机2的转向开关，P3.4-P3.7接步进电机3的A-D。5.2 主程序流程图图10 主程序流程图5.3 中断服务模块流程图图11 中断服务模块流程图6 调试分析在课程设计中，遇到了不少问题。开始时两台机器没有接地，导致从电机不能稳定工作。还有程序的设计上也出现了点问题，就是旋转方向的判断，刚开始是送一个脉冲判断一次，结果不行，于是改为送完一个周期的脉冲后在判断两个电机的旋转方向。单片机指令书写格式也错了很多，比如JNZ RET,只有一个操作数，还有CJNE 第一个操作数只能是Rn或A,发现这些错误后一个一个改正过来啦。7结论 本次课程设计难点重重，不但要运用到实验仪器所鲜有的P2口，还要在程序中引入中断服务子程序及定时器技术。在周期性运转实现过程中，测试结果连带很多疑问。需要经过多次尝试来判断问题指向。例如变速的独立性和转向变换独立性等。8结束语本次课设是我自己独立设计开发，购件，组装，焊接电路，最后测试而成的在参考程序基础上，将参考程序实现的双电动机联动同事控速升级为三电动机联动独立控速。其中引入中断服务程序及内部定时器等技术，较双电动机联动更为复杂。为期两周的课程设计让我锻炼了独立设计能力，以及解决问题，难题的能力。从要求出发，从根本出发，将问题细分，运用之前学习掌握的知识，将理论与实践结合，开发出课程设计所需的完美作品。参考文献1汪道辉. 单片机系统设计与实践.电子工业出版社，2006年2 何宏.单片机原理与接口技术.国防工业出版社，2006年3 李鸿.单片机原理与应用.湖南大学出版社，2005年4李恩林，陈斌生.微机接口技术300例.机械工业出版社，2003年附录一 程序代码清单SPD1EQU30HSPD2EQU31HSPD3EQU32HTIM1EQU33HTIM2EQU34HTIM3EQU35HFX1EQU20H.0FX2EQU21H.1FX3EQU22H.2T0TIMLEQU0B0H;T0方式1，100ms中断的数据=3CB0H(6M晶振）T0TIMHEQU3CHORG0000HLJMPSTARTORG000BH;T0中断向量LJMPTCL0;T0中断ORG0100HSTART: MOVA,#50HMOVSP,A;50H定义为堆堆栈区LCALLT0_INIT;初始化T0,为T0中断做准备MOVA,#00MOVR0,A;电机1指针清零MOVR1,A;电机2指针清零MOVR2,A;电机3指针清零LOOP:LCALLDJ1SUB;LCALLDJ2SUB;LCALLDJ2SUBLJMPLOOP;=DJ1SUB:NOPMOVA,P1;读电机1的速度开关ANLA,#07H;保留低3位JZEND_1;速度=0时，为停止，不输出，直接返回.CLRCCJNEA,TIM1,TEST1;比较中断计时是否已到TEST1:JCEND_1;当TIM1小于设定速度时说明时间未到,不输出.;当TIM1大于等于设定速度时说明时间到,;进入输出流程,接着输出MOVA,R0;读指针1JNZNEXT1;R00 说明一圈未完，应继续MOVA,P1;R0=0 说明一圈的开始，应测方向,;只是当R0=0时才重读方向JBACC.3,SETB_D1Z;P1.3=1去建立电机1的正转标志.CLRFX1;ACC.3=0为反转，建立反转标志LJMPNEXT1SETB_D1Z:SETBFX1; 以上是当R0=0时建立的方向标志; 根据方向来取数据,正转取TAB1,反转取TAB2.NEXT1:NOPJBFX1,ZZ_1;标志1=1=正转，去读正转数据。MOVDPTR,#TAB2;指向反转表 LJMPOUT1;去输出ZZ_1:MOVDPTR,#TAB1;指向正转表 OUT1:MOVA,R0;R0=读表的指针MOVCA,A+DPTRMOVP1,A;向电机1输出信号INCR0CJNER0,#8,NEXT1;R08未到一圈，应继续MOVR0,#0;R0=8 说明一圈结束，指针清零END_1:RET;=DJ2SUB:NOPMOVA,P2;读电机2的速度开关ANLA,#07H;保留低3位JZEND_2;速度=0时，为停止，不输出，直接返回.CLRCCJNEA,TIM2,TEST2;比较中断计时是否已到TEST2:JCEND_2;当TIM2小于设定速度时说明时间未到,不输出.;当TIM2大于等于设定速度时说明时间到,;进入输出流程,接着输出MOVA,R1;读指针2JNZNEXT2;R10 说明一圈未完，应继续MOVA,P2;R1=0 说明一圈的开始，应测方向,;只是当R1=0时才重读方向JBACC.3,SETB_D2Z;P2.3=1去建立电机2的正转标志.CLRFX2;ACC.3=0为反转，建立反转标志LJMPNEXT2SETB_D2Z:SETBFX2;以上是当R1=0时建立的方向标志;根据方向来取数据,正转取TAB1,反转取TAB2.NEXT2:NOPJBFX2,ZZ_2;标志2=1=正转，去读正转数据。MOVDPTR,#TAB2;指向反转表 LJMPOUT2;去输出ZZ_2:MOVDPTR,#TAB1;指向正转表 OUT2:MOVA,R1;R1=读表的指针MOVCA,A+DPTRMOVP2,A;向电机2输出信号INCR1CJNER1,#8,NEXT2;R18未到一圈，应继续MOVR1,#0;R1=8 说明一圈结束，指针清零END_2:RET;=DJ3SUB:NOPMOVA,P3;读电机3的速度开关ANLA,#07H;保留低3位JZEND_3;速度=0时，为停止，不输出，直接返回.CLRCCJNEA,TIM3,TEST3;比较中断计时是否已到TEST3:JCEND_3;当TIM3小于设定速度时说明时间未到,不输出.;当TIM3大于等于设定速度时说明时间到,;进入输出流程,接着输出MOVA,R2;读指针3JNZNEXT3;R20 说明一圈未完，应继续MOVA,P3;R2=0 说明一圈的开始，应测方向,;只是当R