毕业设计（论文）-基于单片机控制的步进电机设计.doc

湖北理工学院 题题 目目 基于单片机控制的步进电机基于单片机控制的步进电机 学生姓名 羊丽杏 学 号 201030220231 同组人 史玉清 院 系 电气与电子信息工程学院 专 业 电气自动化技术 指导教师 陶彪 、胡蔷 二一二年五月二十六日 单片机应用系统设计与制作单片机应用系统设计与制作 课程设计成绩评定表 姓 名羊丽杏学 号201030220231 课程设计题目：基于单片机控制异步电动机 1 课程设计答辩或质疑记录： 1、如果要求步进电机手动控速自动控速需要做好哪些准备？ 答：1、学习单片机、步进电机等相关知识 2、研究步进电机原理及工作模式， 选择合适单片机设计一个步进电机控制器，有如下要求： a、在速度模式下用两个键控制电机的启动/停止、反转控制，用定时器中断加速、 减速控制。 b、在位移模式下，每按一次按键，电机转动 90 度。 2、用单片机控制步进电动机需要注意哪些问题？ 答：（1）定时器中断驱动频率不宜太高或太低。 （2）步进电机是否能够提供正常的转动的力矩。 成绩评定依据： 课程设计考勤情况（20）： 课程设计答辩情况（30）： 完成设计任务及报告规范性（50）： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 2012 年 6 月 10 日 目录目录 1、引言、引言.1 1. 电机的工作原理电机的工作原理.1 1. 步进电机原理.1 2. 直流电机的原理.2 2. 硬件系统硬件系统.3 1. 原理流程.3 2. ULN2003.6 3. L298.8 4. 74HC573 .8 5. 软件系统软件系统.9 1、主程序.9 2、直流电机驱动程序.10 3、步进电机驱动程序.13 6.6. 结语结语.15 7.7. 参考文献参考文献.15 1 1、引言、引言 随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数 字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步 进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以 广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机, 投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具 等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、 医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、 航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直 流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步 发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动 机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、 电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机 械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带 动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例 如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。 1. 电机的工作原理电机的工作原理 1.步进电机原理 步进电机本质上是一个数字角度转换器。以三相电机为例, 其结构原理见图 1。各相夹 角为 120的定子磁极上均匀分布了 5 个矩形小齿, 没有绕组的转子圆周上也均匀的分布着 40 个小齿（相邻齿夹角为 9） 。利用电磁学的性质, 在某相绕组通电时, 相应的磁极产生 磁场, 与转子形成磁路如此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐, 则在磁场作用下, 转子就 转动一定角度, 达到齿的对齐。在单三拍控制方式下, 若 A 相通电, B、C 相不通电, 在磁 场作用下使转子齿和 A 相定子齿相对假设此时为初态并且令与 A 相中心对齐的转子齿为 0 号齿, 因为 B 相与 A 相相差 120，可知 120/9=13 39, 不为整数, 即此时转子齿与 B 相不对齐, 只是 13 号齿靠近相的中心, 且相差 3。如果此时突然变为 B 相通电, 而 A、C 相都不通电, 那么, 13 号齿会在磁场的作用下转到与相中心对齐的位置, 这就是常说 的走一步, 此时,转子转了。这样, 按照 A 一 B 一 C 一 A 顺序通电次, 可以使转子转动 9。 那么步进电机的步距角 Q=(360/NZ)（式中 N=MC 为运行拍数；M 为控制绕组相数；C 为状态系数, 单三拍或双三拍时 C=1, 单六拍或双六拍时 C=2 为转子齿数） 。 2 2.直流电机的原理 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两 大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由 机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其 主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称 为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 直流电机的结构：电机要实现机电能量变换，电路和磁路之间必须有相对运动。所以 旋转电机具备静止的和旋转的两大部分。静止和旋转部分之间有一定大小的间隙，称为气 隙。静止的部分称为定子，作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。包括主磁极、换向极、 机座、端盖、轴承、电刷装置等。旋转部分称为转子或电枢，作用是感应电势实现能量转 换。包括电枢铁心，电枢绕组，换向器、轴和风扇等。 定子部分：1、主磁极：也称为主极。作用是产生气隙磁场。2、换向极：也称为附加 3 极或间极。作用是改善换向。装在主极之间。3、机座：由铸钢或厚钢板焊成。是电机的机 械支撑。4、电刷装置：将直流电压、电流引入或引出的装置。其组数与主极极数相等。 转动部分：（转子部分）1、电枢铁心：主磁路的主要部分及嵌放电枢绕组，由硅钢片 迭压而成。2、电枢绕组：由许多按一定规律联接的线圈组成。用来感应电势和通过电流， 是电路的主要部分。3、换向器：由许多彼此绝缘的换向片构成。 2. 硬件系统硬件系统 1.原理流程 2.ULN2003 ULN 是集成达林顿管 IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动 继电器。它是双列16脚封装,NPN 晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压 =5V,适用于 TTL 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，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。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。 ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA.资料的 最后有引用电路，9脚可以悬空。 比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在 VCC 与16脚之 间，不用9脚。 4 ULN2003的作用：ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字 量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5VTTL 电平，输出可达 500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅 NPN 达林顿管组成。 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。ULN2003 是高压大电流达 林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特 点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 ULN2003A 引脚图及功能: ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅 NPN 达林顿管组成的驱动芯片。 经常 在以下电路中使用，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、 步进电机驱动等电路中。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 5 来处理的数据。ULN2003 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并行运行。ULN2003 的封装采用 DIP 16 或 SOP16 。ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续 流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林 顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。 显示电路主要包括大型 LED 数码管 BSI20-1(共阳极，数字净高12 cm)和高电压大电流 驱动器 ULN2003，大型 LED 数码管的每段是由多个 LED 发光二极管串并联而成的，因此 导通电流大、导通压降高。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，他具有7个独 立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达500 mA，导通时输出电压约1 V，截止时 输出电压可达50 V。ULN2003的17脚为信号输入脚，依次对应的输出端为1610脚，8脚 为接地端。当驱动电源电压为+12 V 时，若要求数码管每段导通电流为40 mA，则每段的限 流电阻为50。则一块 ULN2003恰好驱动一个 LED 数码管的7段。大数码管采用共阳极接 法，低电平有效。锁存器输出的电平经 NPN 三极管9014反相后，再由 ULN2003放大后推 动大数码管显示. 3.L298 L298是 SGS 公司的产品，比较常见的是15脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部同样包含4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298是一款单 片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准 TTL 逻辑电平，驱动 电感负载（诸如继电器、线圈、DC 和步进电机） 。L298提供两个使能输入端，可以在不依 赖于输入信号的情况下，使能或禁用 L298器件。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而 其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所 以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。L298 特性 ：L298工作电压高达46V ；总 DC 电 流达4A ；低饱和电压 ；L298具有过温保护功能 ；逻辑“0”输入电压高达1.5V(高抗噪性) ； 4.74HC573 6 SL74HC573 跟LS/AL573 的管脚一样。器件的输入是和标准CMOS 输出兼容的； 加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL 输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的 锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间 和保持时间的数据会被锁存。输出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接口上；操 作电压范围：2.0V6.0V；低输入电流：1.0Ua;CMOS 器件的高噪声抵抗特性。 5. 软件系统软件系统 1、主程序 该系统采用多个模块的方式来实现对步进电机的控制。控制模块采用单片机 AT89S52 来控制 L298，L298 驱动电机转动。 7 进入判断程序 输出相应的控制信号 取消 启动（开始） 初始化程序 I/O 口 2、直流电机驱动程序 #include sbit KEY0=P30; /控制按键，为高电平时，直流电机工作。为 0 时启动步进电机； sbit KEY1 = P32; /控制直流电机调速按键 sbit KEY2 = P33; /控制步进电机正反转、停机按键 sbit PWM = P15; /定义直流电机 PWM 输出调速端口 unsigned char CYCLE; /定义周期 该数字 X 基准定时时间 如果是 10 则周期是 10 x 8 0.1ms unsigned char PWM_Num=0;/直流电机速度档位； unsigned char PWM_ON ;/定义高电平时间 unsigned char Flag;/定义步进电机正反转和停止标志位 unsigned char code F_Rotation4=0 x1f,0 x2f,0 x4f,0 x8f; /步进电机正转表格 unsigned char code B_Rotation4=0 x8f,0 x4f,0 x2f,0 x1f; /步进电机反转表格 /*/ /* 延时函数 */ /*/ void Delay(unsigned int i)/延时 while(-i); /*/ /* 主函数 */ /*/ main() unsigned char i; EX0=1; /外部中断 0 开，控制直流电机 EX1=1; /外部中断 1 开，控制步进电机 IT0=1; /边沿触发 IT1=1; /边沿触发 EA=1; /全局中断开 P0=0 x06 ;/开机显示直流电机 1 档位 TMOD|=0 x01;/定时器设置 1ms in 12M crystal TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256;/定时 1mS ET0=1; /打开中断 TR0=1; CYCLE = 10;/ 时间可以调整 这个是 10 步调整 周期 10ms，PWM 的周期不变，8 位 PWM 就 是 256 步 while(KEY0=1) /P3.0 为高电平，则直流电机运转； switch(PWM_Num) case 0:P0=0 x06;PWM_ON=0;break;/高电平时长，P0 口段码为 1； case 1:P0=0 x5B;PWM_ON=4;break;/P0 口段码为 2； case 2:P0=0 x4F;PWM_ON=6;break;/P0 口段码为 3 case 3:P0=0 x66;PWM_ON=8;break; /P0 口段码为 4 case 4:P0=0 x6D;PWM_ON=10;break; /P0 口段码为停机 S default:break; while(KEY0=0) /KEY0 按下，则步进电机工作。 9 while(Flag=0) P0=0 x71;/显示 F 标示正转 for(i=0;i4;i+) /4 相 P2=F_Rotationi; /输出对应的相 可以自行换成反转表格 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 while(Flag=1) P0=0 x7C;/显示 b 标示反转 for(i=0;i4;i+) /4 相 P2=B_Rotationi; /输出对应的相 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 while(Flag=2) /停止 P0=0 x6D;/ 显示 S P2=0 x0F; /*/ /* 定时器中断函数，产生 PWM 波。 */ /*/ void tim(void) interrupt 1 using 1 static unsigned char count; / TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256;/定时 1mS if (count=PWM_ON) PWM = 1; count+; if(count = CYCLE) 10 count=0; if(PWM_ON!=0) PWM = 0; /*/ /* 中断 0 入口函数 ，控制直流电机转速 */ /*/ void ISR_Key1(void) interrupt 0 using 1 /定义档位 Delay(500); if(!KEY1) PWM_Num+; /s3 按下触发一次 if(PWM_Num=5) PWM_Num=0; /*/ /* 中断入口函数，控制步进正反转、停机 */ /*/ void ISR_Key2(void) interrupt 2 using 1 Delay(500); if(!KEY2) Flag+; /s3 按下触发一次 if(Flag=3) Flag=0; 3、步进电机驱动程序 #include unsigned char Flag;/定义正反转和停止标志位 sbit KEY = P33; unsigned char code F_Rotation4=0 xf1,0 xf2,0 xf4,0 xf8; /正转表格 unsigned char code B_Rotation4=0 xf8,0 xf4,0 xf2,0 xf1; /反转表格 /*/ /* 延时函数 */ /*/ void Delay(unsigned int i)/延时 11 while(-i); /*/ /* 主函数 */ /*/ main() unsigned char i; EX1=1; /外部中断 0 开 IT1=1; /边沿触发 EA=1; /全局中断开 while(Flag=0) P0=0 x71;/显示 F 标示正转 for(i=0;i4;i+) /4 相 P1=F_Rotationi; /输出对应的相 可以自行换成反转表格 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 while(Flag=1) P0=0 x