基于单片机控制的步进电机控制器.doc

基于单片机控制的步进电机控制器应教054 丁敬坤摘要：本系统由单片机系统、显示系统、驱动系统和步进电机组成。通过按键来控制单片机，通过P1口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，使步进电机的转向与转速发生变化，达到对电机控制的目的。该设计具有结构简单、可靠性高、使用方便、可以实现较复杂的控制、具有较大的灵活性和适应性等特点。关键词： 步进电机 单片机 AT89C511 引言微型计算机的出现给人类生活带来了根本性的变化，使现代科学研究发生了质的飞跃，单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。同时，随着科技技术的快速发展进步，在工业过程控制及某些仪表中，经常会用到步进电机，其精度高，具有快速起/停能力，可对位移量、旋转角和转动速度等进行高精度控制，作为控制执行部件而广泛应用于自动控制领域和精密机械领域，从而实现对生产过程或设备的精确控制。本设计主要是设计一个由单片机控制的步进电机调速系统，操作者可通过系统的按钮和开关控制步进电机的旋转速度和方向，正反转速度要求变化，同时为了可以直观的看出电机的运行状态，其速度档位和旋转方向可以在数码管上显示出来。2 总体设计方案2.1、设计思路根据步进电机的工作原理可以知道，如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电路。就可以控制电机的转动。转动的角速度大小与施加的脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。常用的步进电机有三相、四相、五相和六相，相数越多，输出转距就越平稳。2.2、单片机简介单片计算机即单片微型计算机。（Single-Chip Microcomputer ）,是集CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。他体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产品和工业自动化上。而51 单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。2.3、步进电机步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB），步进电动机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动、反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于在开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电动机为数字/角度转换器。2.3.1、四相步进电机的工作原理该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，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。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。2.3.2、四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍，和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图1 a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定的程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉频率一定要控制在步进电机允许的范围内。图1 步进电机工作时序波形图表1四相单四拍脉冲分配表 表2 四相双四拍脉冲分配表2.4、方案论证从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向指示，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线和一根启动信号线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选用的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度的四相步进电机，该电机共有4相绕组，工作电压为5伏，可以和单片机共用一个电源。步进电机的4相绕组用P1口的P1.0P1.3控制，由于P1口驱动能力不够，因而用一片2003增加驱动能力。用串口输出方式显示，外接串并转换芯片74LS164可以实现静态显示，减少了软件开销，同时只占两根口线，串口P3.0、P3.1外扩两片74LS164串并转换芯片即可满足显示要求，选用共阳接法的数码管。2.5、设计框图驱动电路AT89C51单片机电机控制输入电路最小系统电机状态/转速显示电路图2 总体设计框图3 设计原理分析3.1、硬件设计本设计的硬件电路主要包括最小系统、控制电路、显示电路、驱动电路四大部分组成。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求进行操作；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。3.1.1、最小系统图3 复位及时钟振荡电路单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、复位电路、晶振电路。复位电路通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路图3所示。上电后，由于电容C1的充电作用，使RST持续一段时间的高电平，持续两个机器周期以上就将复位。单片机在运行当中时，按下复位键S1后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作晶振电路：8031单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图3示。其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MH2，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多3.1.2、控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制、换向控制、加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图4所示。通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能，当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P3.4和P3.5的状态来调用相应的启动和换向程序，实现系统的启动和电机的正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲的频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时器中断。在此电路中电机的转速的控制主要是通过定时器的中端来实现的，该电路控制电机加减速主要是通过S2、S3通过控制外部中断0，外部中断1，实现加速和减速的控制。通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。图4 控制电路原理图3.1.3、显示电路在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的串行口，单片机89C51的串行口是一个全双工的串行通信口，可作为同步移位寄存器使用，其数据由RXD（P3.0）端串行输出和输入；而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，在同步时钟作用下，可实现由串行到并行的数据通信。该电路中，主要是利用串行口加外围芯片74HC164构成的电机状态及转速等级显示电路，第一个数码管显示电机状态，正转时显示“0”，反转时显示“”。第二个数码管显示电机的转速级别，共7级，显示数字从17，“0”为停止。电路如图5所示，使用了共阳数码管。图5 电机运行状态及转速显示电路3.1.4、驱动电路目前，步进电机的驱动方式有：单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动、双极性驱动。这里采用了集成电路驱动，从单片机的P1口输出电机的驱动脉冲送入功率驱动集成电路ULN2003， ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成，该功率驱动继集成电路采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动步进电机。电路如图6所示：图6步进电机驱动电路3.2、软件设计通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、减速信号和方向信号，因而用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0及外部中断1中断部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。3.2.1、主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式、速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度、对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均设为0，这意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“8”，速度值显示0，主程序流程如图7所示：图7 主程序流程图3.2.2、定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，步进电机的速度就越高。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数。因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图8所示。3.2.3、外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为读原数据，当值7时，不改变原数值返回，值7，数据1返回；速度减少按钮S3，当原数据不为0，减1保存数据，原数据为0则保持不变。程序流程图如图9所示。 图8 定时中断程序流程图 图9 外部中断程序流程图4 结束语 本设计主要是体现了单片机在控制步进电机方面的应用。通过这次的课程设计使我在各个方面都有了很大的提高。首先，对步进电机的工作原理有了一定的了解，同时在设计的过程中使我感觉到整体电路的综合调试是非常重要的，仿真正确在实际电路中却有可能不能实现。再次要考虑到单片机不能直接控制步进电机，必须根据步进电机功率的大小合理的选择功率驱动器件。同时在含有多位数码管显示的系统中，用到的口线较多，采用串并转换的方式可以节省口线，可以节省很多的单片机资源。还有就是编程，学习中，小程序可以很快的编出来，通过这次实习，一次系统的编程所需要考虑到的问题，是我这次实习中的一个很大的收获。总之，通过这次实习，我学到了很多的知识，同时也找到了一些问题。这将为我以后的学习起到很大的帮助。参考文献1 李朝青. 单片机原理及接口技术（第3版）. 北京: 北京航空大学出版社,2005 2 王晓明.电动机的单片机控制（第二版）.北京：北京航空航天大学出版社，20073 蒋辉平.周国雄.单片机原理及应用技术. 北京：北京航空航天大学出版社，20074 张大明.单片机控制实训指导及综合应用.北京：机械工业出版社，20075 张迎新.单片机初级教程（第二版）.北京：北京航空航天大学出版社，20066 刘玉宾.朱焕立.单片机原理及接口技术.北京：机械工业出版社，20047 谢自美.电子线路设计实验 测试（第三版）.武汉：华中科技大学出饭社，20068 童诗白.华成英. 模拟电子技术基础(第三版) .北京: 高等教育出版社,2001 9 万光毅.单片机实验与实践教程(第二版) .北京: 北京航空航天大学出版社,2006年,第2版附录1 电路原理图附录2 程序清单11SPEEDEQU10HFX EQU11HCOUNT EQU12HORG0000AJMPMAINORG0003HAJMPUPORG0013HAJMPDOWNORG000BHAJMPZDT0ORG0030HMAIN:MOVSP, #60HMOVTMOD,#01HMOVTH0,#0CFHMOVTL0,#02CHMOVCOUNT,#01HSETBET0CLRIT0CLRIT1SETBEX0SETBEX1SETBEAMOVP1,#11HMOVSPEED,#00HMOVFX,#00HXIANS:MOVA,SPEEDMOVDPTR,#LEDMOVCA,A+DPTRMOVSBUF,AMOVR6,#5DJNZR6,$MOVA,FXMOVSBUF,AQD: JBP3.4,DDCLRTR0AJMPQDDD: MOVA,SPEEDJNZGOCLRTR0AJ