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步进电机的控制系统设计 步进电机的控制系统设计 作者姓名:陆有龙 专业名称:电气工程及其自动化 指导教师:汪厚新 讲师摘要 步进电机是一种纯粹的数字控制电机,是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 整个系统采用模块化设计,结构简单,可靠,通过人机交互换接口可实现各功能设置,操作简单,易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。 本论文着重阐述了以单片机为主体,以步进电机为核心的自动控制系统,与光电耦合器、功率放大驱动IC相结合,充分发挥了单片机的性能。其优点硬件电路简单,软件功能完善,控制系统可靠,性价比较高等特点,具有一定的使用和参考价值。 本次设计的任务是设计一个基于单片机的步进电机控制电路。我们采用单片机汇编语言对核心电路进行设计,由按键处理程序(KEYPROC),速度显示程序(DISP),步进电机驱动程序(DJZD)和主程序(MAIN)四个模块组成。通过使用单片机的中断调用处理的方式,实现了本设计思想的所有功能。关键词 : 单片机STC89C5 步进电机 加减速控制Abstract Stepping motor is a kind of pure digital control motors, is to signal into electrical impulses for angular displacement or line open loop control components The whole system USES modular design, simple structure, reliable, delivered by human-machine interface can realize the function swap set, simple operation, easy to master. This system can be applied step-motor in mechatronics control most of the occasion. This paper focuses on a single chip as the main body to stepper motor as the core automation system, with the optocoupler, IC power amplifier driver combination, give full play to the single-chip performance. Advantage of simple hardware circuit, software functions, the control system reliable and cost-effective features such as high, with a certain degree of use and reference valueThe design task is to design a microcontroller-based stepper motor control circuit. We use single-chip assembly language for the core circuit design, process by the key KEYPROC, speed display program DISP, stepper motor driver DJZD and the main program MAIN composed of four modules. Through the use of single-chip processing of the interrupt call to realize the design idea of all the features Keywords: single-chipSTC89C51, stepper motor , deceleration control目录摘要IAbstractII目录III前言11步进电机技术简介21.1 步进电机概况21.2 步进电机的分类21.3 步进电机的工作原理31.4 步进电机的一些基本参数81.4.1 电机固有步矩角81.4.2 步进电机的相数81.4.3 保持转矩91.5 步进电机的基本特点91.6 ,步进电机优缺点102 单片机技术介绍122.1单片机技术的发展与应用122.1.1 单片机系统概述122.1.2 单片机的历史及发展122.1.3 单片机技术的应用132.2 单片机的工作过程142.3 单片机的结构152.4 8051单片机基本知识163 控制电路设计193.1设计要求和设计思路193.1.1设计任务193.1.2设计原理193.2 硬件电路设计203.2.1步进电机部分的设计203.2.2按键、显示电路的设计213.2.3单片机电路的设计213.2.4隔离、放大部分的设计223.2.5电源提供及选择223.3 软件程序设计233.3.1设计分析233.3.2程序实现243.3.3程序分析24总结28致 谢29参考文献30附件1 控制系统图31附件2 源程序32前言 目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理等等。 而在现代工业中,特别是航空、导弹、无线电等工业中,要求加工的机械零件形状复杂,数量多,精度高,利用人工操作不仅劳动强度大,生产效率底,而且难以达到所要求的精度,为了缩短生产周期,提高生产效率,可用程序控制机床加工,步进电机就是数控机床的关键元件,因此在这里我们采用单片机来控制步进电机,更好的满足了现代工业的要求。因为步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速;能够快速启动、反转和制动,它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移,很适合采用微型计算机控制。尤其是近几年,数字技术和电子计算机的迅速发展为步进电机的应用开辟了广阔的前景。 目前,我国已较多地将步进电机用于机械加工的数字程序控制机床中,在绘图机、轧钢机的自动控制,自动记录仪表和数模变换等方面也得到了很多应用。 本文就是采用STC89C51 单片机来控制步进电机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器,达到了对步进电机的最佳控制。 本论文分为三个大的部分:第一个部分:步进电机技术介绍第二个部分:单片机技术介绍第三个部分:控制电路设计 1步进电机技术简介1.1 步进电机概况 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下,电机的转速、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,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。1.2 步进电机的分类 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电机(HB)。 永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步距角一般为7.5度 或15度; 反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。与传统的反应式相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子励磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。一个感应式四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。例如:四相,八拍运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为CA,DB. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。 感应子式步进电机一般分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次驱动方案所选用的步进电机。1.3 步进电机的工作原理 步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。在这三种类型的步进电机中,反应式步进电机内部结构及工作原理比较简单,下面以反应式步进电机为例简要介绍其内部构成和其工作原理。 反应式步进电机又称磁阻式步进电机,其典型结构如图所示: 图1.1四相反应式步进电机的结构 从图中可以看出,它分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。定子上有8个磁极大极,每2个相对的磁极N、S极组成一对,共有4对。每对磁极都缠有同一绕组,也即形成一相,这样4对磁极有4个绕组,形成四相。 我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿:把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件。所以。在步进电动的结构中必须保证有错齿存在.也就是说,当某一相处于对齿状态时,其他相必然处于错齿状态。 如果给处于错齿状态的相通电.则转子在电磁力的作躺下,将向磁导率最大或磁阻最小的位置转动,即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是基于这一原理转动的。每个磁极的内表面部分布着多个小齿,它们大小相同,间距相同。转子是由软磁材料(叠片铁心)构成,转子上没有绕组,沿周围有?多小齿,这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同,形状相似,而且转子的齿数有一定的限制。如上图中转子齿数为50个,定子每个磁极上小齿数为5个。 由于小齿的齿距相同,所以不管是定子还是转子,它们的齿距角都可以由下式来计算: 1-1-式中Z是转子的齿数 如果转子的齿数为40,则齿距角为9度 反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下,转子被强行推动到最大磁导率或者最小磁阻的位置,共处于平衡状态。对三相步进电动机来说,当某一相的磁极处于最大磁导位置时,另外两相必须处于非最大磁导位置。 反应式步进电机的工作原理与反应式同步电动机一样,也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的,为了便于说清问题,先以一个最简单的四相反应式步进电机为例。 图1.2步进电机步进示意图 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2.2是该四相反应式步进电机工作原理示意图 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方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.3.a、b、c所示: a. 单四拍b. 双四拍c单八拍 图1.3 步进电机工作时序波形图 以上讨论的是一台最简单的四相反应式步进电机的工作原理。但是这种步进电机每一步所转过的角度即步距角是比较大的(15、7.5),它常常满足不了系统精度的要求,所以现在大多采用如图2.1所示的转子齿数很多,定子磁极上带有小齿的结构,其步距角可以做得很小。下面进一步说明这种电机的工作原理。 设步进电机为四相四拍运行,即通电方式为A?B?C?D?A当图2.1中的A相控制绕组通电时,产生了沿A?A极轴线方向的磁通,由于磁通力图通过磁阻最小的路径,因而使转子受到反应转矩的作用而转动,直到转子齿轴线和定子磁极A和A上的齿轴线对齐为止。因为转子共有50个赤,每个齿距角t2/507.2度,定子一个极距所占的齿数为50/2*46.25,不是整数,因此当A,A极下的定、转子齿轴线对齐时,相邻两对磁极B、B和D、D极下的齿和转子齿必然错开1/4齿距角,即1.8度,这时,各相磁极的定子齿与转子齿相对位置如图2.4所示。如果断开A相而接通B相,这时磁通沿B、B极轴线方向,同样在反应转距的作用下,转子按顺时针方向应转过1.8度,使转子齿轴线和定子磁极B和B下的齿轴线对齐。这时,A、A和C、C极下的齿与转子齿又错开1.8度。依次类推,控制绕组按A?B?C?D?A顺序循环通电时,转子就按顺时针方向转动起来。每换接一次绕组,转子转过1/4齿矩角。图1.4 A相通电时定、转子齿的相对位置 如果运行方式改为四相八拍,其通电方式为A?AB?B?BC?C?CD?D?DA?A即单相通电和两相通电相间时,与上面四相四拍电机道理完全一样,当A相通电转到AB相同时通电时,定、转子齿的相对位置变为图2.4所示的位置变为图2.5所示那样的位置,转子按顺时针方向只转过1/8齿距角,即0.9度,A极和B极下的齿轴线与转子轴线都还错开1/8齿距角。转子受到两个极的作用力矩大小相等,但方向相反,故仍处于平衡。当B相一相通电时,转子齿轴线与B极下齿轴线相重合,转子按顺时针方向又转过1/8齿距角。这样继续下去,每换接一次绕组,转子转过1/8齿距角。可见四相八拍运行的步距角比四相四拍运行时小一半。 图1.5 A、B两相通电时,转子齿的相对位置 当步进电机运行方式为四相双四拍,即AB?BC?CD?DA方式通电时,步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角,即1.8度。1.4 步进电机的一些基本参数1.4.1 电机固有步矩角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8(表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8),这个步距角可以称之为电机固有步距角,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。 通常步进电机步距角的一般计算按下式计算。 360/(Z?m?K) 式中 步进电机的步距角; Z转子齿数; m步进电动机的相数; K控制系数,是拍数与相数的比例系数1.4.2 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则相数将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。1.4.3 保持转矩 是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 DETENT TORQUE: 是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENT TORQUE。1.5 步进电机的基本特点 根据上述的工作原理可以归纳步进电动机基本特点如下: (1)步进电动机工作时,每相绕组由专门驱动电源通过“环行分配器”按一定规律轮流通电。环形分配器输出的各路脉冲电压信号,经过各自的放大器后送入步进电机的各项绕组,使步进电机一步步转动起来。 步进电机这种轮流通电的方式称为“分配方式”。每循环一次所包含的通电状态数,称为“拍数”或“状态数”。状态数等于相数的称为单拍制分配方式,状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式,同一台机可有多种分配方式。不管分配方式如何,每循环一次,控制电脉冲Uk的个数总等于拍数N,而加在每相绕组上的脉冲电压个数总为1,因而控制电脉冲频率f是每相脉冲电压(或电流)的N倍,即:1-2(2)每输入一个电信号转子转过的角度称为步距角,用符号b表示。从上面的分析可见,当电机按四相四拍运行时,转子需要走四步,才转过一个齿距角,齿距角的计算公式已由上面的公式(2-1)给出。 所以转子每步转过的空间角度(机械角度),即步距角为: (1-3)-式中N为运行拍数,Nkm (k1、2;m为相数)。 为了提高工作精度,就要求步距角很小。由上式可得,要减少步距角可以增加拍数N,亦可以增加转子齿数。通常使用增加转子齿数的方法,因为拍数的增加相当于相数的增加,相数越多,电机及电源的结构也越复杂。所以反应式步进电机的转子齿数一般是很多的,通常反应式步进电机的步距角为零点几度到几度。 (3)反应式步进电机可以按特定指令进行角度控制,也可以进行速度控制。角度控制时,每输入一个脉冲,定子绕组就换接一次,输出轴就转过一个角度,其步数与脉冲数一致,输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制时,送入步进电机的是连续脉冲,各相绕组不断的轮流通电,步进电机连续运转,它的转速与脉冲频率成正比。由式(2-3)可见,每输入一个脉冲,转子转过的角度是整个圆周角的 1/(Z*N),也就是转过1/(Z*N)转,因此每分钟转子所转过的圆周数,即转速:r/min (1-4)-式中f为控制脉冲的频率,即每秒输入的脉冲数。 (4)步进电机具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入,而让最后一个脉冲控制的绕组继续通电时,电机可以保持在固定的位子上,即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样,步进电机可以实现停车时转子定位.1.6 ,步进电机优缺点优点:1.电机旋转的角度正比于脉冲数; 2.电机停转的时候具有最大的转矩(当绕组激磁时); 3.由于每步的精度在百分之三到百分之五,而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性; 4.优秀的起停和反转响应; 5.由于没有电刷,可靠性较高,因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命; 6.电机的响应仅由数字输入脉冲确定,因而可以采用开环控制,这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本 7.仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 8.由于速度正比于脉冲频率,因而有比较宽的转速范围。 缺点: 1.如果控制不当容易产生共振。 2.难以运转到较高的转速。 3. 难以获得较大的转矩 。 4. 在体积重量方面没有优势,能源利用率低。 5. 超过负载时会破坏同步,高速工作时会发出振动和噪声。 2 单片机技术介绍2.1单片机技术的发展与应用2.1.1 单片机系统概述 随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步,电路系统向着集成度极高的方向发展。CPU的生产制造技术,也朝着综合性、技术性、实用性发展。如CPU的运算位数从4位、8位 到32位机的发展,运算速度从8 MHz、32 MHz到1.6 GHz。可以说是日新月异的发展着。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机(CPU)为核心部件,扩展一些外部接口和设备,组成单片机工业控制机,主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识;其次,需要具有一定的软件设计能力,能够根据系统的要求,灵活地设计出所需要的程序;第三,具有综合运用知识的能力。最后,还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法,以及被控对象的动、静态特性,有时甚至要求给出被控对象的数学模型。2.1.2 单片机的历史及发展 单片机根据其基本操作处理的位数可分为:1位单片机,4位单片机,8位单片机,16位单片机和32位单片机,它的发展到目前为止大致可分为4个阶段。 (1)第一阶段(1976-1978):单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS ? 48为代表。MCS ? 48的推出是在工控领域的控索,参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等,都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代,“单机片”一词即由此而来。 (2)第二阶段(1978-1982)单片机的完善阶段。Intel公司在MCS ? 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS ?51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构,包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 CPU外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善,并且增加了许多突出控制功能的指令。 (3)第三阶段(1982-1990):8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出2耀,也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS ? 96系列单片机,将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的微控制器特征。随着MCS ? 51系列的广应用,许多电气厂商竞相使用80C51为内核,将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中,增强了外围电路路功能,强化了智能控制的特征。 (4)第四阶段(1990?至今):微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用,出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机,以及小型廉价的专用型单片机。2.1.3 单片机技术的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。大致可分如下几个范畴: 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中和医用设备领域中的应用 现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备等等,在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。 5.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。如:音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。 在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。 此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 2.2 单片机的工作过程 单片机自动完成赋予它的任务的过程,也就是单片机执行程序的过程,即一条条执行的指令的过程,所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来,这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的,一条指令对应着一种基本操作;单片机所能执行的全部指令,就是该单片机的指令系统,不同种类的单片机,其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务,必须把要解决的问题编成一系列指令(这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令),这一系列指令的集合就成为程序,程序需要预先存放在具有存储功能的部件?存储器中。存储器由许多存储单元(最小的存储单位)组成,就像大楼房有许多房间组成一样,指令就存放在这些单元里,单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样,每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号,该地址号称为存储单元的地址,这样只要知道了存储单元的地址,就可以找到这个存储单元,其中存储的指令就可以被取出,然后再被执行。 程序通常是顺序执行的,所以程序中的指令也是一条条顺序存放的,单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行,必须有一个部件能追踪指令所在的地址,这一部件就是程序计数器PC(包含在CPU中),在开始执行程序时,给PC赋以程序中第一条指令所在的地址,然后取得每一条要执行的命令,PC在中的内容就会自动增加,增加量由本条指令长度决定,可能是1、2或3,以指向下一条指令的起始地址,保证指令顺序执行。2.3 单片机的结构 51系列单片机的内部结构框图如图2.1所示。 图2.1 51系列单片机内部结构图 分析图表,并按其功能划分可以看出:51系列单片机是由8大部分组成的,这八大部分是: 一个8位中央处理机CPU。它是由运算部分、控制部分构成,主要完成单片机的运算和控制功能,它是单片机的核心部件,决定了单片机的主要功能特性。 128字节的片内数据存储器RAM。 4KB的片内程序只读存储器ROM或EPROM。 18个特殊功能寄存器SFR,它用于控制和管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、中断系统等功能模块的工作。 4个8位并行输入输出I/O接口:P0口、P1口、P2口、P3口,用于并行输入输出数据。 一个串行I/O接口,它可使数据一位一位串行的在计算机与外设之间传送。 2个16位定时器/计数器。它可以设置为记数方式对外部事件进行记数,也可以设置为定时方式进行定时。1个具有5个中断源,可编程为2个优先级的中断系统。它可以接受外部中断申请、定时/计数器中断申请和串行口中断申请。2.4 8051单片机基本知识 图2.2单片机引脚图40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类:电源、时钟、控制和I/O引脚。 电源: VCC - 芯片电源,接+5V; VSS - 接地端; 注:用万用表测试单片机引脚电压一般为0v或者5v,这是标准的TTL电平。但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间,其实这是万用表的响应速度没这么快而已,在某一个瞬间单片机引脚电压仍保持在0v或者5v。2. 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3. 控制线:控制线共有4根 ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能:用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能:片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST(Reset)功能:复位信号输入端。 VPD功能:在Vcc掉电情况下,接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能:内外ROM选择端。 Vpp功能:片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,施加编程电源Vpp。 4I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口:P0、P1、P2、P3口,共32个引脚。 P3口还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线) 5. P3口第二功能 P30 RXD 串行输入口 P31 TXD 串行输出口 P32 INT0 外部中断0(低电平有效) P33 INT1 外部中断1(低电平有效) P34 T0 定时计数器0 P35 T1 定时计数器1 P36 WR 外部数据存储器写选通(低电平有效) P37 RD 外部数据存储器读选通(低电平有效) 3 控制电路设计3.1设计要求和设计思路3.1.1设计任务一、设计目标 本论文的设计目标是,采用单片机控制方式,来设计和实现驱动步进电机的电路设计,其中包括用按键控制电机的启动、停止、加速、减速,并实现速度值的动态显示。设计步骤:首先是对控制硬件电路进行设计,然后在此基础上编写单片机软件控制语言,要求编写的汇编程序和硬件电路图通过仿真,使之符合步进电机运行的一般规则。二、设计思想 系统中采用并行控制,用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。按键作为一个外部中断源,设置了步进电机启动、加速、减速、停止等功能,采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,完成对步进电机的最佳控制,显示器及时显示转速的状态三、设计意义 步进电机(Stepping motor)是数字控制系统中的一种重要执行元件,广泛应用于各种控制系统中,在当今信息社会中所扮演的角色日趋重要,尤以计算机外围的一些装置更是不可缺少,如软驱,打印机,绘图机等,又如CNC工具机,机器人,顺序控制系统等各种信息工业产品中,无不以步进电机作为其传动的核心。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。 3.1.2设计原理 步进电机的驱动电路一般由两部分组成,一部分是数字逻辑部分,即环行脉冲分配器(本文有单片机代替),它决定步进电机各项绕组的通电顺序。 另一部分是功率放大部分,它提供步进电机所需要的功率 。系统总体框图如图3.1所示,在本系统中采用STC89C51单片机产生A、B、C、D四相信号控制步进电机的四相绕组的脉冲。当采用单片机控制时,需要在单片机和步进电机之间设隔离电路以使强弱电分开。由于步进电机的驱动电流相对较大,可增设放大电路来提供步进电机的工作电流。其中步进电机的运行速度采用动态显示的方法,用三位数码管进行显示。系统电路由5部分组成,即:输入、显示部分;STC89C51单片机;隔离、放大部分;直流电压源及步进电机 图3.1系统总体框图3.2 硬件电路设计3.2.1步进电机部分的设计 下图是该电机的内部接线图,从图中可以看出,电机共有四组线圈,四组线圈的一个端点即图中的两个公共端连在一起引出,这样一共有5 图3.2 步进电机的定子接线图根引出线。要使步进电机转动,只要轮流给各引出端通电即可。将公共端标识为C,只要A1C、A2C、B1C、B2C轮流加电就能驱动步进电机运转,加电的方式有很多种,如果将公共端接正电源,那么只要用开关元件(如三极管)将A1、A2、B1、B2接地。 下面列出本次设计所用的步进电机的一些典型参数: 表3.1:步进电机的典型参数型号步距角相数电压电流电阻最大静转矩转动惯量35BYG1011.8度4相24V0.45A25500G.cM 8G.CM 有了这些参数,不难设计出控制电路,电路图见附图一。开机时,P1.4P1.7均为高电平,以此将P1.4P1.7切换为低电平通过驱动电路的作用,就可驱动步进电机的运行,注意在切换之前将前一个输出引脚变为高电平。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间,而要改变电机的转动方向,只要改变各线圈接通的顺序。 在电路图中,可看到RL1RL4为步进电机的绕组内阻,30电阻是一外接电阻,起限流作用,也是一个改善回路时间常数的元件。D1D4为续流二极管,使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管D1D4而衰减掉,从而保护了功率管8050不受损坏。 在30外接电阻上并联一个200F电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。3.2.2按键、显示电路的设计 本系统是基于提高智能化及灵活性而设计的,对于步进电机的启动、停止、加速、减速都通过按键输入相应指令, 由单片机输出步进电机控制信号来实现控制, 用数码管并在工作时动态显示步进电机的运行速度,直接由P0口输出段选信号,由P3口输出位选信号作为3位数码管的控制端。其按键选择:当有键按下后,单片机引脚高电平变为低电平。3.2.3单片机电路的设计 本系统采用STC89C51 单片机产生控制信号。单片机内部的RAM和ROM即可满足要求。在以后的实际运用中, 如需扩展较多的外部RAM 和ROM时, 可加上数据缓冲器。 为了让一个机器周期接近1us,也能得到较好的波特率外部起振晶振频率选为11.0592MHz,单片机的工作电压选为直流5V电压,由于单片机是易受干扰的部分,所以通过并联10nF和10uF的电容滤除电源中的高频或低频干扰信号。单片机的第九脚(RST)为复位键,高电平有效,单片机工作时接低电平,按下复位按钮,接高电平,复位有效,实现单片机的复位。 由电路图上可得,本次设计单片机的4个I/O口都要用到,P0口和P3口用来控制三位八段数码管的显示,P2口的低四位接按键选择电路,单片机采用查询的方式,来查找外部按键的状态。步进电机控制信号通过STC89C51单片机P1口的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 四个口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号。为了增加步进电机工作的灵活性, 在起动步进电机工作之后, 当有键按下, 设置产生外部中断, 达到灵活控制步进电机的目的。3.2.4隔离、放大部分的设计 由于步进电机的大功率、高电平会对单片机产生较严重的干扰, 不能直接把单片机产生的控制信号直接连在步进电机上, 需要进行强弱电隔离。在实际运用中, 对于强弱电隔离一般采用电子开关方法或光电隔离的方法。在这里, 采用了成本少、电路简单且可靠性高的光耦器件产品型号:TLP521来实现光电隔离的功能。 光耦的工作原理:当单片机输出口为高电平时,光耦的放光端导通,发光二极管发光,3、4端由于受到光的作用三极管导通,S4端输出低电平,同理当单片机的输出端为低电平时,S4端输出高电平,因而光耦能够实现强弱电间的光电隔离。 由于步进电机工作需要较大的功率, 所以通常需要使用功率放大器来提供步进电机的工作电流, 将光电隔离器送来的弱电信号变为强电信号, 可以采用集成功放,也可以采用分立元件。在这里采用功率驱动IC 74ls540和ULN2803两个反方向放大器的相互结合共同实现3.2.5电源提供及选择 由于系统中包含弱电和强电两部分,同时弱电又运用了光电进行隔离,隔离前后的两组电源不能共地,所以需要提供三种电源电压, 这里采用电源 ICPQ30V31和两组输出电压可变的直流稳压源来分别提供+C5V,+P5V,24 V电源, 三电源不共地。其中一路给单片机供电,一路给光电隔离后的放大驱动供电,另一路给步进电机供电。3.3 软件程序设计3.3.1设计分析 设计要求:步进电机的控制电路图如附图一所示,开机后,电机不转,按下启动键,电机才开始旋转,转速为5转/分,按下加速键,速度以5的差值增加,按下减速键,速度以5的差值降低,最高转速为100转/分,最低转速为5转/分,按下停止键,电机停转。速度值