步进电机的控制.docx

基于单片机步进电机的控制RC正弦波振荡电路课程设计说明书专业班级： 2012级电子信息科学与技术2班 姓 名： 指导教师： 江郑云 设计时间: 2014、11、262014、11、10 物理与电气工程学院 2014年 11 月 10 日摘要 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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期的误差而无累计误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速。因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲就到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变步进电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用AT89C52型单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转的功能。关键词：步进电机 单片机小系统 数码管 发光二极管目录1、 引言11.1 设计背景11.2 设计要求2二、硬件电路的设计2 2.1 系统总电路框图22.2 电路单元22.2.1 STC89C52小系统.2 2.2.2 ULN2003驱动芯片.32.2.3 步进电机42.3原理图.52.3.1 最小系统原理图6 2.3.2键盘模块原理图.62.3.3八位数码管显示原理图.7 2.3.4 电机驱动模块原理图7三、软件系统83.1 系统流程图.83.2 主程序.9四、参考资料11 一、引言1.1设计背景一、步进电动机是将电信号转换成相应角位移或线位移的电动机,它的运用需要专门的驱动电源,驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度,这个角度称为距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机旋转的速度,改变绕阻的通电顺序可以改变电机旋转的方向。在数字控制系统中,它既可以用作驱动电机,也可用作伺服电机。它在工业过程中得到广泛的应用,尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。二、步进电机有三线式、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。每旋转一圈以200个励磁信号来计算,则每个励磁信号前进1.8度,其旋转角度与脉冲成正比,正、反转可有脉冲顺序来控制。三、步进电动机的励磁方式可以分为全部励磁及半步励磁,其中全部励磁又有1相励磁及2相励磁之分,而半步励磁又分为12相励磁。下图为步进电动机的控制等效电路,适应控制A、B、/A、/B的励磁信号,及每控制步进电机的转动。每输出一个脉冲信号,步进电机只走一步。因此,依序不断送出脉冲信号,步进电动机即可连续转动。四、28BYJ-48是最普通的减速步进电动机,最大转速是14圈/分钟。该电机要是节拍太快的话,就不动了,而且还有一点异响。这个型号的电机最适合用于学习,真正现实中用处不大,无论是转速、扭曲都不太理想,唯一的优点就是价格便宜。28BYJ-48步进电机是四相八拍电动机,电压为DC5VDC12V。当对步进电机按一定顺序施加一系列连续不断的控制脉冲时,它可以连续不断的转动。每一个脉冲信号使得步进电机的某一相或两相绕阻的通电状态改变一次,也就是对应转子转过一定的角度。当通电状态的改变完成一个循环时,转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电状态下运行,常见的通电方式有单(单相绕组通电)四拍(A-B-C-D-A),双(双相绕阻通电)四拍(AB-BC-CD-DA-AB),四相八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)。1.2 设计要求 本设计为步进电机单片机控制系统，其功能如下： （1）控制电机的启动、停止； （2）具有对步进电机的正反转、加减速控制； （3）控制按钮分别为正转、反转、加速、减速键； （4）通过LED灯显示转动方向； （5）能够通过八位LED数码管显示当前的转动速度。本设计的要求：(1)独立设计原理图及硬件电路(2)独立编写和调试相应的程序(3)制作出相应功能的完整电路板(4)掌握单片机和步进电机的原理及相应电路的设计(5)熟悉KEIL、STC下载等软件的使用方法(6)熟悉模块化设计的思想(7)设计说明书按照格式规范，结构层次合理，设计重点突出，并附上原理图和设计流程图。 二、硬件电路设计2.1系统总电路框图LED显示速度方向 单片机数码管显示速度键盘步进机2.2 电路单元2.2.1 STC89C52RC小系统本设计的MCU是STC89C52RC单片机，此单片机的驱动能力强，程序存储器和RAM都比较大，而且成本不高，能满足本设计的要求，其外型如图所示。 单片机小系统板本设计单片机最小系统采用单片机的型号为STC89C52，结构包括CPU、存储器、并行接口、两个定时/计数器T0和T1、两个外部中断INT0和INT1和中断系统，外接晶振频率为11.0592MHZ 。如图2.2.2 ULN2003驱动芯片本设计使用的是生活中被广泛使用的电机驱动芯片ULN2003APG ，其内部结构及外形如图4所示。步进电机驱动芯片 功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成成分。在大型仪器仪表系统中，经常要用到伺机电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。ULN2000、ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围域广，深受用户的欢迎。本设计采用ULN2003作为步进电机的驱动芯片，ULN2003电路具有以下特点：电流增益高（大于1000）带负载能力强（输出电流大于500mA）温度范围宽（-4085）工作电压高（大于50V）ULN2003 是由高电压达林顿晶体管阵列组成，因此一对输入输出最小单元其内部结构如下图2.2.3步进电机本设计使用步进电机28BYJ-48型四相五线电机，电压为DC5V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单四拍（单相绕组通电A-B-C-D-A），双四拍（双相绕组通电AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。表1为单四拍驱动方式。 步进电机实物图拍导线12345红+4橙-3黄-2粉-1蓝-表1 步进电机单四拍驱动方式步进电机控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。步进电机可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，图2-1为电机内部原理图。 图2-1 四相步进电机内部原理图ABCD为四拍（1） 控制换相顺序：通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断。（2） 控制步进电机的转向：如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。（3） 控制步进电机的速度：如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2.3原理图2.3.1 最小系统原理图2.3.2键盘模块原理图2.3.3八位数码管显示模块原理图2.3.3八位数码管显示原理图2.3.3八位数码管显示原理图2.3.3八位数码管原理图2.3.4 电机驱动模块原理图三、软件程序开始3.1流程图判断启动键是否按下?等待按键按下 是直到按键按下电机以初速度转动,与此同时表示正转的LED灯亮，且数码管显示其速度大小否 反转键是否按下？反转 是 否正转加速,数码管显示当前速度档位加速键是否按下? 是否减速键是否按下?减速,数码管显示当前速度档位 是否按原有状态转动停止键是否按下? 否停止转动是结束3.2主程序ORG 0000HLJMP STARTORG 0003H ; 外部中断0入口地址LJMP Speed_UpORG 0013H ; 外部中断1入口地址LJMP Speed_DownORG 0100HSpeed EQU 20H ;速度给初值NUM EQU 21HMOV Speed,#200MOV NUM,#1START:SETB EA ; 打开中断总允许位SETB EX0SETB EX1SETB IT0SETB IT1MOV P3,#0FFH JB P3.7,$ ;起始键是否按下 ;正转程序 ZZ:LCALL DISPLAYMOV R7,#4 MOV P1,#0F8H MOV A,#01H MOV P3,#0FFHL1:MOV P2,A LCALL DELAY RL A DJNZ R7,L1 JNB P3.1 ,FZ;判断反转键是否按下 JNB P3.6,LL ;判断停止键是否按下 LJMP ZZ ;反转程序 FZ:LCALL DISPLAY MOV R7,#4 MOV P1,#8FH MOV A,#08H MOV P3,#0FFH L2:MOV P2,A LCALL DELAY RR A DJNZ R7,L2 JNB P3.0,ZZ ;判断正转键是否按下 JNB P3.6,LL ;判断停止键是否按下 LJMP FZ LL:SETB P3.7;加速程序 Speed_Up: MOV 20H,#200 MOV A,Speed SUBB A,#20 MOV Speed,A INC NUM RETI ;减速程序 Speed_Down: MOV 20H,#200 MOV A,SpeedADD A,#20 MOV Speed,A DEC NUM RETI;延时程序DELAY:MOV R6,#SpeedDD:MOV R5,#50DJNZ R5,$DJNZ R6,DDRETDISPLAY:PUSH ACC ;显示子程序CLR P2.7MOV A,