单片机控制步进电机课程设计.doc

数控原理与系统课程设计数 控 原 理 课 程 设 计成绩评定表设计课题： 步进电机的控制 学院名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计地点： 河南工业大学 设计时间： 2011/1/10-2011/1/15 指导教师意见：成绩： 签名： 年 月 日一、 设计目的 课程设计是巩固所学理论知识，培养综合运用能力的重要环节。通过本设计将数控原理课程的理论贯穿起来，形成一个系统、完整的理论体系。并且通过设计使我们初步了解工程设计的一般步骤和方法，为今后从事相关工作奠定基础。二、 设计任务根据所学理论知识设计完成开环系统进给运动的控制，该系统以8051单片机为核心，进给系统采用三相步进电动机驱动，设计出步进电机驱动电路，编写调试出步进电机脉冲分配，速度控制程序，写出设计报告。三、设计要求1、设计步进电机进给驱动电路，并绘制原理图，列出元件清单。2、设计系统控制软件，并画出软件流程图3、编写主要控制软件汇编语言源程序。4、写出设计总结报告。目 录1引言2 总体方案设计 2.1硬件方案论证 2.2系统的设计方案方框图3 硬件电路的设计 3.1时钟电路的设计3.2复位电路的设计3.3开关控制电路的设计3.4显示电路的设计3.5驱动电路的设计4 系统的软件设计4.1系统主程序流程图4.2中断子程序流程图4.3 单片机系统程序5 总结6 参考文献7 附录： 系统硬件原理图 元件清单1引言步进电机将脉冲信号转换成的机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例,通过改变电脉冲频率,可在大范围内调速,同时,该电机还能快速起动、制动、反转.此外,步进电机易于实现与单片机机或其它数字元件接口,适用于数字控制系统,并可取得较高的控制精度,系统硬件实施比较简单。这次数控原理的课程设计方案是基于单片机的步进电机运行控制系统。在这个控制系统中，控制器是它的核心，因为它担负着产生脉冲，发送、接受控制命令等任务。该系统的步进电机驱动控制电路,采用低价的AT89C51为控制器,可直接对步进电机进行控制,省去了昂贵的专用步进电机控制器,简化了硬件线路,降低了成本,提高了系统的可靠性。. 步进电机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，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。近几十年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景。2 总体方案设计2.1硬件方案论证本系统是用单片机软件编程来产生脉冲分配信号,即把数字控制计数的高精度等方面的优势有效地应用于步进电机控制系统,同时本系统设计的步进电机控制器硬件电路十分简单,成本低,使用方便。本系统硬件方案论证包括开关控制电路、复位电路、时钟电路、显示电路、光电耦合电路、功率放大电路的选择。2.1.1单片机的选择本次设计以CPU选用AT89C5l作为步进电机的控制芯片AT89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。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是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51的引脚结构图如图2所示, 其管脚说明如下： 图2 AT89C51引脚结构图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 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。 2.1.2 驱动电路的选择步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。用编码器的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制，就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节；别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。2.1.3开关、显示电路的选择开关控制电路选用五个按钮开关，通过检测各控制开关的状态控制步进电机的正转、反转、停止、加速、减速。这样可以减少硬件电路的元器件，简化汇编程序。显示电路选用三个发光二极管，在步进电机正转、反转、停止时分别显示步进电机的状态，这种方法占用CPU资源少、无位选信号、显示电路简单、方便、可靠性高。2.2系统的设计方案方框图图1系统总体构造图3控制电路的设计3.1晶振电路的设计晶振的频率决定了微控制器的时钟频率，8051晶振的频率范围，0 Hz 33 MHz。电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为 2040 pf 。微控制器内部有一个高增益运算放大器和一个反馈电阻器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3是晶振电路的原理图图3 3.2复位电路的设计本设计采用上电复位形式，微控制器上电后，系统时钟启动，当8051MCU的脚复位引第9脚接高电平并且时间超过2个机器周期，即可完成复位操作。图4为复位电路的原理图 图43.3开关控制电路的设计89C51单片机复位后P0P3口初始状态为0FFH，通过按钮开关控制电机的换向和调速，系统不断检测P3.2P3.3引脚的状态，按钮按下系统检测到低电平，执行相关操作，否则在上拉电阻和+5V电源作用下始终保持高电平。图5是开关控制电路的原理图。图53.4显示电路的设计显示电路有三个发光二极管分别显示电机的正转、反转、停止。发光二极管采用共阳极接法，+5V电源供电，分别接P0.0P0.2。编程时由三个引脚输出低电平控制通断。图6为显示电路的原理图。图63.5驱动电路的设计此系统采用软件环行分配步进电机驱动电气系统，驱动电路有可分为光电耦合电路和功率放大电路。光电耦合电路将步进电机的强电信号与微机的弱电信号进行隔离及电平转换。光电耦合器由发光源和受光器两部分组成。当有电流流过发光二极管时，发光二极管发光。光敏三极管接受光照后即可导通，从而产生电信号。使用光电耦合器时必须接外电路。主要考虑接驱动器和外接电阻。图7是光电耦合电路的原理图。 图7功率放大电路的功能是将环形分配器送来的弱电信号变为强电信号，在这里采用单电压驱动电路。如图8图84系统的软件设计4.1系统主程序流程图4.2中断子程序流程图4.3单片机系统程序 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP LP0 ORG 0013H LJMP LP1 ORG 0100HMAIN: MOV R7,#40H MOV P0,#04H MOV IE,#85H ; 外部中断0、中断1开中断 MOV SP,0030HTP: JNB P3.6,START2 ;P3.6检测到反转负脉冲跳转 JB P3.4 TP ;P3.4检测到正转脉冲，电机正转START: MOV P0,#00H SETB P0.0 MOV R0,#00H ;正转START1:MOV P1,#00H MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ START ;对 A 的判断,当 A = 0 时则转到 START MOV P1,A LCALL DELAY INC R0 JB P3.5,START1 ;P3.5无负脉冲是跳转，电机继续运转 MOV P1,#00H LCALL DELAY1 LJMP MAINSTART2:MOV P0,#00H SETB P0.1 MOV P1,#00H ;反转 MOV R0,#07START3:MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ START2MOV P1,A LCALL DELAY INC R0 JB P3.5,START3MOV P1,#00H LCALL DELAY1LJMP MAINDELAY: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R7,DELAY RETDELAY1:MOV R4,#20 ;2S 延时子程序DEL2:MOV R3,#200DEL3:MOV R2,#250DJNZ R2,$DJNZ R3,DEL3DJNZ R4,DEL2 MOV R7,#40 ;恢复R6、R7初始值 RETLP0: PUSH A ;加速子程序 PUSH PSW MOV A,R7 INC A JZ LT0 INC R7LT0: POP A POP PSW RETILP1: PUSH A ;减速子程序 PUSH PSW MOV A,R7 JZ LI DEC R7LT1: POP A POP PSW RETITABLE:DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H; 正转表DB 00 ;正转结束DB 01H,05H,04H,06H,02H,03H ;反转表DB 00 ;反转结束END5 总结通过这次的数控原理的课程设计，我对步进电动机有了深入的了解，掌握了很多实践知识。通过老师指导，然后自己在课后翻阅书籍和上网，通过此次课程设计也再次深入学习了protel、AutoCAD、Word等软件，并了解了更多先前不知道的功能。此次课程设计的内容是以单片机为核心控制步进电机的正反转、加速、减速和停止，主要有单片机输出步进电机的脉冲，通过驱动电路的放大来控制步进电机的运转，并加上相关的输入输出设备。设计过程中首先确定方案，分模块进行设计，然后开始着手绘制原理图，绘制原理图是一个复杂的过程。首先确定元器件后要绘制相关元器件的元件库，然后合理的布置元器件和连线。其次根据绘制的原理图编写程序。6 参考文献MCS51、96系列单片机原理与应用常用电子元器件手册单片机原理及接口技术 李朝请 北京航空航天大学出版社数控原理与系统 李宏胜 机械工业出版社机床计算机数控及应