单片机原理及接口技术课程设计（论文）-基于单片机的车床进给轴步进电机控制器设计.docx

本科生课程设计（论文）辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目：基于单片机的车床进给轴步进电机控制器设计 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化教研室课程设计（论文）题目基于单片机的车床进给轴步进电机控制器设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能步进电机作为执行元件，常用于开环控制系统，实现精确定位。采用单片机作控制器，与键盘电路、显示电路及步进电机驱动电路一起构成三相六拍步进电机控制器。正转时的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA，反之电机反转。由键盘输入步数，按“B或C”键控制步进电机的方向，显示器显示步进电机的旋转方向。设计任务及要求1、分析系统功能，确定系统硬件组成；2、设计系统的硬件电路图；3、编写相应的软件，完成控制系统的控制要求；4、上机调试、完善程序；5、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数三相混合式步进电机，步距角1.2，保持转矩大于等于14N.m。进度计划1、 布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）2、 硬件设计（2天）3、 按系统的控制要求，完成软件设计（2天）4、 上机调试、修改程序（2天）5、 撰写、打印设计说明书（2天）6、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要介绍采用单片机由键盘输入的数据，转化成控制信号来控制步进电动机的角位移的一种控制方法，包括硬件设计和软件设计，该系统通过AT89C51单片机和ULN2003A大电流驱动阵列控制步进电动机运转情况，可靠性高。ULN2003A可用来直接驱动步进电机，通过键盘输入电路在电动机运行时能够方便设定步进电动机的启动、停止、正转、反转，共同组成一个开环控制，可提高步进电机的步进精度，能够控制三相混合式步进电动机，且电路简单，成本较低，控制灵活，移植性强，使用价值较高。关键词：AT89C51；开环控制；ULN2003A；步进电机目录第1章绪论1第2章课程设计方案22.1 概述22.2 系统组成总体结构22.2.1 步进电机的结构与工作原理22.2.2 步进电机的开环控制介绍32.2.3 系统结构框图5第3章硬件设计63.1 步进电动机73.2 ULN2003A简介73.2.1 ULN2003A的概述73.2.2 ULN2003A的作用83.2.3 ULN2003A引脚图及功能83.3 单片机最小系统设计103.1.1 单片机的选择103.1.2 单片机的控制方法103.1.3晶振复位电路设计103.1.4 单片机硬件电路图连接113.4 键盘电路设计113.5显示电路设计123.6步进电动机驱动原理12第4章软件设计144.1 汇编语言设计流程144.2 汇编语言程序15第5章课程设计总结17参考文献18IV第1章 绪论随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电动仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大变化。特别是步进电动机，它的工作职能正好符合数字控制系统的要求，电子技术的发展解决了它的电源问题。因此，它在数控车床、打印机及光学仪器中得到了广泛的应用。步进电机是一种将电脉冲信号转换成指教或角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲阀生气所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。这种电动机每输人一个脉冲信号，输出轴便转过一个固定的角度，即向前迈进一步。因而，输出轴转过的总角是与输人脉冲数成正比的，步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统的要求。第2章 课程设计方案2.1 概述步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累积误差的特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得非常简单。步进电动机实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机由多相方波脉冲驱动，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。当向脉冲分配器输入一个脉冲时，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电动机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量输入，所以特别适合于微处理控制。2.2 系统组成总体结构2.2.1 步进电机的结构与工作原理（1）结构特点及概念步进电动机由定子和转子两大部分组成。（如图2.1）2.1步进电动机示意图混合式步进电动机（图2.2）图2.2（2）步进电动机控制机理控制电动机的主要功能是转换和传递信号1) 控制机理。步进电动机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电动机。每来一个电脉冲，电动机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。2) 控制特点。来一个脉冲，转一个步距角。控制脉冲频率，可控制电动机转速。改变脉冲顺序，改变方向。2.2.2 步进电机的开环控制介绍开环控制是最简单的一种控制方式，其特点：控制量与输出量之间仅有前向通路，而没有反馈通路，即输出量不能对控制量产生影响。优点：结构简单、容易维护、成本低。缺点：控制精度取决于执行器的精度，对执行器的要求比较高。由于输出量不能反馈回来影响控制量，所以输出量受扰动信号的影响比较大，系统的抗干扰能力差。适用于输入量已知，控制精度要求不高，扰动作用不大的情况。控制器执行器外部环境控制量输出量步进电动机的开环控制如图2.3图2.3 步进电动机的开环控制1) 串行控制具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器，其功能框图如图2.4所示 P1.0AT89C51 P1.1 P1.2环形分配器功率放大电路步进电动机图2.4 步进电动机的串行控制2) 并行控制用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实现脉冲分配器的功能又有以下两种方法， 纯软件法。 软、硬件结合方法。并行控制方案的功能框图如图2.5所示 P1.0 AT89C51 P1.1 P1.2A相B相C相驱动器电路步进电动机123图2.5 并行控制方案的功能框图2.2.3 系统结构框图系统中，键盘输人的数据经由单片机AT89C51的P0口，将其采集进来，经过运算，最终须给出两个输出量：一为与控制信号相对应脉冲和正、反转控制信号，脉冲由P0口输出，控制信号由P2.0输出；另一为显示绘图点位置的显示信号，其由七段数码管显示，这由AT89C51的P3 .0、P3 .1输出。根据键盘输人信号的大小产生对应的脉冲序列数，由UNL2003A驱动步进电动机。并采用并行控制方案。步进电动机使用三相六拍工作方式。如图2.6所示。单片机AT89C51驱动器步进电机控制量输出量键盘输入数码管显示图2.6 系统结构框图参数要求：单片机选用：AT89C51驱动器：UNL2003A电机：三相混合式步进电动机第3章 硬件设计整体硬件设计图（图3.1）图3.1 整体硬件设计图3.1 步进电动机在测量中，为了准确定位，随绘图点在绘图平面位置的变化，需要有一装置带动摆头灵活移动。这样就要有一控制装置控制信号来调整相应的步进电动机的转角。控制信号为键盘输人的数据转化而成。如图3.2步进电机连接图步距角：步进电动机通过一个电脉冲，转子转过的角度，称为步距角。步距角s=360Zrmm：一个周期的运行拍数；转子齿数：Zr；转速：n=60fs360f，电脉冲的频率。参数要求：三相混合式步进电机，步距角1.2，保持转矩大于等于14N.m。图3.2 步进电机连接图3.2 ULN2003A简介3.2.1 ULN2003A的概述ULN2003A是集成林顿管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，最大驱动电压为50V、电流为500mA、输入电压为5V，适用于TTL、CMOS电路等由达林顿管组成的驱动电路。它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约为1V，而集电极与发射极的最高反向耐压VCEO（BR）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ULN2003A时，上拉2k的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003A是一个非门电路，包含7个单元，但每个单元驱动电流最大可达350mA。下面有引用电路图，9引脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，负载可以接在VCC与16脚间，不用9脚。3.2.2 ULN2003A的作用ULN2003A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5V TTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003A是高耐压、大电流达林顿阵列，由7个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003A的每一对达林顿管都串联一个2.7k的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和COMS电路直接相连。ULN2003A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、工作打压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率的系统。3.2.3 ULN2003A引脚图及功能3333333333333333111111116151413121110987654321ULN2003A是高耐压、大电流、内部由7个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片，其引脚图如图3.3所示。图3.3 ULN2003A引脚图ULN2003A经常在以下电路中使用：1) 显示驱动；2) 继电器驱动；3) 照明灯驱动；4) 电磁阀驱动；5) 伺服电动机、步进电动机驱动等电路中。ULN2003A的每一对达林顿管都串联一个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，ULN2003A可以并联使用，在相应的OC输出引脚上串联几欧姆的均流电阻后在并联使用，防止阵列电流不平衡。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003A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。ULN2003A的封装采用DIP16或SOP16。ULN2003A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已达到更高的输出能力。如图3.4所示，ULN2003硬件电路连接图。图3.4 ULN2003硬件电路连接图3.3 单片机最小系统设计3.1.1 单片机的选择AT89C51是一种低功耗高性能CMOS 8位单片微机，它除了具有与MCS-51完全兼容的若干特性外，最为突出的优点就是片内集成了4K 字节Flash PEROM，可用来存放应用程序，这个Flash程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能，AT89C51的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达24MHz，一个机器周期仅50 ns，比MCS-51 快了一倍。3.1.2 单片机的控制方法单片机控制电路如图3.1所示，用两个按键分别控制步进电机正转和反转。当“Positive”键按下时，单片机的P1.3到P1.0口按正向励磁顺序AABBBCCCA输出电脉冲，电机正转；当“Negative”键按下时，单片机的P1.3到P1.0口按反向励磁顺序CACBCBABA输出电脉冲，电动机反转。3.1.3晶振复位电路设计晶振复位电路如图3.5所示。图3.5 晶振复位电路3.1.4 单片机硬件电路图连接单片机硬件电路图连接如图3.6所示。图3.6 单片机硬件电路图连接 3.4 键盘电路设计键盘电路设计如图3.6所示。图3.6 键盘电路设计3.5显示电路设计 LED的驱动采用集电极开路输出8为驱动器8717。并采用动态显示、软件译码的工作方式。显示电路如图3.7所示。图3.7 显示电路3.6步进电动机驱动原理步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。若每旋转一圈以20个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进18，其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。步进电动机的励磁方式可分为全步励磁及半步励磁，其中全步励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称12相励磁。（1）1相励磁法：在每一瞬间只有一个线圈导通。消耗小，准确度良好，但转矩小，振动较大，每送一励磁信号可走18。若欲以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如表2-1所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。表2-1 正转励磁顺序ABCASTEPABC110020103001（2）2相励磁法：在每一瞬间会有两个线圈同时导通。因其转矩大，振动小，故为目前使用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走18。若以2相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如表2-2所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转表2-2 正转励磁顺序ABBCCAABSTEPABC111020113101（3）12相励磁法：为1相与2相轮流交替导通。因为电机分辨率提高，且运转平滑，每送一励磁信号可走9，故亦被广泛采用。若以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如表2-3所示。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。表2-3 正传励磁AABBBCCCAASTEPABC110021103010401150016101电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，但速度快至其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间，以对转速加以限制。第4章 软件设计4.1 汇编语言设计流程开始初始化，设置常量及指针将电动机角度调整为0读按键状态P键按下？N键按下？设指针R4=1，指向表头查表，输出控制数据并显示延时设指针R4=8，指向表尾查表，输出控制数据并显示P键按下？N键按下？R4=R4+1R4=R4-1R4=0？设R4=1设R4=8查表，输出控制数据查表，输出控制数据R4=9？延时汇编语言设计流程图如图4-1所示。图4-1 汇编语言设计流程图4.2 汇编语言程序ORG 00HSTART: MOV DPTR,#TAB1MOV R0,#3MOV R4,#0MOV P2,R0 ；初始角度设为0WAIT: MOV P0,#0FFHJNB P0.0,POS ；判断键盘状态JNB P0.1,NEGSJMP WAITPOS: MOV R4，#1MOV A,R4MOVC A,A+DPTRMOV P2,AACALL DELAYAJMP KEYNEG: MOV R4,#7MOV A,R4MOVC A,A+DPTRMOV P2,AACALL DELAYAJMP KEYKEY: MOV P0,#03HJB P0.0,NR1INC R4CJNE R4,#9,LOOPPMOV R4,#1LOOPP: MOV A,R4MOVC A,A+DPTRMOV P2,AACALL DELAYAJMP KEYNR1: JB P0.1,KEYDEC R4CJNE R4,#0,LOOPNMOV R4,#8LOOPN: MOV A,R4MOVC A,A+DPTRMOV P2,AACALL DELAYAJMP KEYDELAY: MOV R6,#5DD1: MOV R5,#080HDD2: MOV R7,#0DD3: DJNZ R7,DD3DJNZ R5,DD2DJNZ R6,DD1RETTAB1: DB 04H