单片机控制步进电机(带加减速控制).doc

天津职业技术师范大学课 程 设 计 报 告 书题目：步进电机控制系统的设计学院（系）： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 目录1、设计任务12、设计方案论证12.1 方案一12.2 方案二12.3 方案确定13、硬件系统设计23.1 单片机最小系统23.2 驱动电路33.3 正反转控路制及速度调节电43.4 步进电机原理44、软件系统设计64.1 软件设计分析64.2 软件设计流程图74.3 P1口输出信号74.4 步进电机加/减速控制程序85、硬件仿真106、设计体会117、参考资料11附录12附录1：硬件原理图12附录2：PCB图13附录3：程序清单13附录4：元件清单17步进电机控制系统的设计重庆三峡学院应用技术学院08电子信息工程（仪器仪表） 曾伟摘要：设计一个基于单片机的步进电机控制器。主要包括AT89S52单片机、复位电路、驱动控制芯片74LS240和75452及速度控制及正反转等。通过拨码开关进行步进电机的启动、速度控制、正反转控制、以及加/减速控制，可以进行多级调速，范围从4Hz到400Hz，控制方式比较简单，步进电机运行平稳，基本上无失步发生,系统设计可以用于数控机床、纺织机械等高精度步进控制系统中，具有一定的实用价值。1、设计任务设计一个步进电机驱动控制系统，要求有正反转控制和八级速度控制，而且在启动、停止、转向的的时候均有加/减速控制，能较好的消除振荡与失步现象。2、设计方案论证2.1 方案一按系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89S52单片机，用75452BP和74LS04P作为步进电机的驱动电路，拨码开关来控制步进电机的启动、停止、正反转和8级速度控制，2.2 方案二从键盘上输入数字使显示器显示,第一位为0(正转),为1（反转），第二位0F显示转速,第三六位为设定步数,按F0/EX键后,步进电机开始转动，步数逐渐减小到零时步进电机停止转动。2.3 方案确定 方案一较方案二更容易实现、结构也相对简单，对初学者来说也是一个不错的选择。本次实训时间上也比较紧，因此经小组共同讨论决定采用方案一，根据各芯片的功能及特点，绘制出如下框图：AT89S52时钟电路复位电路驱动电路步进电机正反转及速度控制电路图1 总体设计框图3、硬件系统设计3.1 单片机最小系统AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。图2 单片机最小系统功能特性概述：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。本次实训只用到了P1、 P3相关接口。各接口功能如下：P1口：是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（In）。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。P3口：是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能端口引脚 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。XTAL1:振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.2 驱动电路图3 驱动电路SN74LS240N是一个8反向三态/线驱动器，本电路只采用其中4路作为反相器。SN75452BP是一个双外设备驱动器，其特点是输出电流比较大，带负载能力比较强，本电路采用两个芯片。3.3 正反转控路制及速度调节电路图 4 正反转；控制及速度调节电路P3.2 启动停止开关，P3.3 正反转控制开关， P3.4P3.6 速度调节开关，八级调速3.4 步进电机原理步进电机如同普通电动机一样，也有转子、定子和定子绕组。定子绕组分为若干相，每相的磁极上有极齿，转子在轴上也有若干个齿。四相步进电机的正反转控制如下：A单四拍BCD正转ABCD反转ABBCCDDA正转双四拍ADDCCBBA反转单双混拍ABBBCCCDADDA正转DCCCBBBADAAAAD反转图5 步进电机原理图 该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1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图6 四相步进电机步进示意图开始时，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方转动。4、软件系统设计4.1 软件设计分析加速度有两中方案：线性加/减速度控制和等步距加/减速度控制。前者规定从加速度开始，每一加速度周期指令电机速度递增相同的增量f；后者则是要求每一加速度周期电机走过相同的步数。等步距加/减速度控制的优点，在于加/减过程中电机走的步数可以非常精确的计算，这一点对于加/减的位置控制非常重要，但从电机要克服惯性力来看，线性加速方案好些。速度V时间T图7 步进电机转速-时间图上图为速度时间图，横轴为时间，纵轴为速度，开始启动时，速度随时间变化上升，然后达到最大速度进行匀速转动，当停止时，步进电机不是马上停止转动，而是进行减速转动，直到速度为零。4.2 软件设计流程图反转减速正转减速开始是否启动？正转加速反转加速正转匀速反转匀速NY是否正转？NY是否反向或停止NY是否反向或停止N判断是否停止停止判断是否停止停止YYNN4.3 P1口输出信号拍数P1.7P1.0P1口值AB11111100FCHBC11111001F9HCD11110011F3HDA11110110F6H4.4 步进电机加/减速控制程序;- -正转加速-DOJ1: MOV R2,#1DOJ11:MOV A,R2MOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRMOV P1,AMOV A,R2MOV DPTR,#TAB2MOVC A,A+DPTRMOV R6,ALCALL DEL1INC R2CJNE A,#0FFH,DOJ11采用查找表法，采用90拍加速，程序台多，所以表格在最后的程序中给出，上段程序为正转加速程序。;-正转减速-JIANSU: MOV R2,#1DOJ12:MOV A,R2MOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRMOV P1,AMOV A,R2MOV DPTR,#TAB3MOVC A,A+DPTRMOV R6,ALCALL DEL1INC R2CJNE A,#0FFH,DOJ12;-反转加速-DOJ2: MOV R2,#16DOJ21: MOV A,R2MOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRMOV P1,AMOV A,R2MOV DPTR,#TAB3MOVC A,A+DPTRMOV R6,ALCALL DEL1DEC R2CJNE A,#00H,DOJ21;-反转减速-JIANSU2: MOV R2,#90DOJ22: MOV A,R2MOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRMOV P1,AMOV A,R2MOV DPTR,#TAB2MOVC A,A+DPTRMOV R6,ALCALL DEL1DEC R2CJNE A,#00H,DOJ22MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3ANL A,#0CH;-加速和减速延时程序-DEL1: MOV R7,#0FAHDJNZ R7,$DJNZ R6,DEL1RET;-匀速延时程序-DEL0Y: MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3 ANL A,#70H ;读p3.4-p3.6 SWAP A MOV R5,A ;根据p3.4-p3.6计算延时DEL1Y: MOV R7,#0FAHDJNZ R7,$DJNZ R5,DEL1YRET5、硬件仿真 本次实训是以DICE-598K3型多合一试验箱为基础设计的步进电机控制系统，所以硬件仿真也是在DICE-598K3型多合一试验箱上完成的下图为试验箱上的接线图。6、设计体会通过近两周的课程设计，我学到了很多东西，也知道了要想学到有用的知识，在上课时间学到的很少，学到有用的东西都是在工程实践中学习，我们一直都说要锻炼自己的动手能力，其实不是说老师怎么说你就怎么去做，而是在工程实践中发现问题，然后不断的去解决问题。在一个设计项目中都是一个团队协作，一个人的能力和知识都是有限的，要有较强的团队协作精神，组员之间互补，在课程设计的过程中，我们遇到过很多困难，包括步进电机的最高频率、程序优化等知识，但是我们通过网上找资料，图书馆查资料，请教老师，然后一个一个的去解决，感觉自己有很多收获。在这个过程中，老师的付出最多，给我们指导，为我们讲解，给我们检查错误，在此表示感谢，这次课程设计非常成功。7、参考资料谢辉.单片机原理及应用M.北京：化学工业出版社，2010杨居义.单片机课程设计指导书M.北京：清华大学出版社，2009张永枫.单片机应用实训教程M.北京：清华大学出版社，2008姜志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选.M.北京：清华大学出版社，2008张荫等.单片机应用系统开发综合实例. M.北京：清华大学出版社，2008戴仙金.51单片机及其C语言程序开发实例.M.北京：清华大学出版社，2008附录附录1：硬件原理图附录2：PCB图附录3：程序清单;P3.2为启动信号，为1启动；P3.3为正反转控制信号。=1：正转；=0：反转ORG 0LJMP XXORG 0030H ;初始化XX: MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3ANL A,#0CHJNB P3.2,$ ;读p3.2是否启动JNB P3.3, DOJ2 ;读p3.3,控制正反转;- -正转加速-DOJ1: MOV R2,#1DOJ11:MOV A,R2MOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRMOV P1,AMOV A,R2MOV DPTR,#TAB2MOVC A,A+DPTRMOV R6,ALCALL DEL1INC R2CJNE A,#0FFH,DOJ11;-正转匀速-LOOP:MOV P1,#0FCH LCALL DEL0Y MOV P1,#0F9H LCALL DEL0Y MOV P1,#0F3H LCALL DEL0Y MOV P1,#0F6H LCALL DEL0YMOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3ANL A,#0CHJNB P3.2, JIANSU ;读p3.2看是否停止 JB P3.3,LOOP ;读p3.3是正转还是反转？;- -正转减速-JIANSU: MOV R2,#1DOJ12:MOV A,R2MOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRMOV P1,AMOV A,R2MOV DPTR,#TAB3MOVC A,A+DPTRMOV R6,ALCALL DEL1INC R2CJNE A,#0FFH,DOJ12;-判断减速之后是否停止-MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3ANL A,#0CHJNB P3.2,$;判断是否停止，停止则在此死循环，否则继续执行JB P3.3,DOJ1;是正转还是反转？;- -反转加速-DOJ2: MOV R2,#16DOJ21: MOV A,R2MOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRMOV P1,AMOV A,R2MOV DPTR,#TAB3MOVC A,A+DPTRMOV R6,ALCALL DEL1DEC R2CJNE A,#00H,DOJ21;-反转匀速-LOOP1: MOV P1,#0F6H LCALL DEL0Y MOV P1,#0F3H LCALL DEL0Y MOV P1,#0F9H LCALL DEL0YMOV P1,#0FCH LCALL DEL0Y MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3ANL A,#0CHJNB P3.2,JIANSU2 ;读p3.2看是否停止 ，停止转减速程序JNB P3.3,LOOP1;判断正转还是反转？;-反转减速-JIANSU2: MOV R2,#90DOJ22: MOV A,R2MOV DPTR,#TAB1MOVC A,A+DPTRMOV P1,AMOV A,R2MOV DPTR,#TAB2MOVC A,A+DPTRMOV R6,ALCALL DEL1DEC R2CJNE A,#00H,DOJ22MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3ANL A,#0CHJNB P3.2,$;读p3.4看是否停止 JNB P3.3,DOJ2;判断方向LJMP DOJ1;- -加速和减速延时程序-DEL1: MOV R7,#0FAHDJNZ R7,$DJNZ R6,DEL1RET;-匀速延时程序-DEL0Y: MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,P3 ANL A,#70H ;读p3.4-p3.6 SWAP A MOV R5,A ;根据p3.4-p3.6计算延时DEL1Y:MOV R7,#0FAHDJNZ R7,$DJNZ R5,DEL1YRETTAB1:DB 00,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6H,0FCH,0F9H,0F3H,0F6HDB 0FCH,0F9H,0F3