基于单片机控制的步进电机控制器课程设计

基于单片机控制的步进电机控制器课程设计任务书一设计要求（一）基本功能1实现步进电机的正反转控制。2实现步进电机的加速控制。3实现步进电机的减速控制。如过载保护、欠压保护、短路保护和防飞车等功能。（二）扩展功能任意设定一点为圆心，实现一个直径为 10cm 的圆形轨迹运动。二设计内容 （1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）SCH 文件生成与打印输出；三编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。四答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。五计划完成时间 三周1第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。2第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。3第三周完成软件和硬件的联合调试。目 录1 引言 12 总体设计方案 12.1 设计思路 12.1.1 硬件设计 12.1.2 软件设计12.2 总体设计方框图23 设计原理分析 23.1 控制按钮分析23.2 复位电路和晶振电路分析 33.3 保护电路分析 33.4 输出驱动电路 44 总结与体会 5参考文献 6附录（一） 7附录（二） 81基于单片机控制的步进电机控制器摘要：本设计为电子工程专业学生在校期间的单片机课程设计实习。是基于单片机控制的步进电机控制器。在科学技术迅速发展的今天，自动化控制技术日益完善和成熟，对步进电机的要求也越来越高，社会上所需这方面的人才也越来越多，通过本次实习，可以提高学生的动手动脑，全面综合的运用所学专业知识的能力，增强学习专业知识和技能的兴趣，掌握单片机的运用方法和技巧，深入了解步进电机的工作原理。学会用科学技术来解决生活，生产中遇到的实际问题，真正做到学以致用，造福社会。本设计是通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制步进电机的转动，从而实现数字和角度的转换，转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。关键词：单片机 步进电机 控制系统1 引言步进电动机是数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度或直线位移一步，也由此称为“步进电动机 ”，又称“脉冲电动机” 。近十年来，数字技术，计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开避了广阔的前景。步进电动机运用广泛，常用于军事雷达，机器人，CNC 数控机床等精密控制系统。目前，在工业中主要使用的是反应式步进电动机，它由定子和转子两部分组成。一般相数为2，3，4，5，6，每相两个绕组套在一对定子磁极上，成为控制绕组，转子是无绕组铁心。其具有力矩/惯性比高，频率响应快，步进频率高，不通电时可以自由转动，可以正反方向旋转，而且结构简单，工作寿命长。2 总体设计方案2.1 设计思路2.1.1 硬件设计（1）中心电路：中心电路采用 TA89S51 单片机芯片，晶振采用 12MHZ，具有上电自动复位和手动复位功能。（2）输入电路：输入电路由 5 个按钮组成，功能分别为正转，反转，加速，减速和停止，经过上拉电阻分别接到单片机 P1 口对应端。（3）输出电路：由单片机 P2 口相应端输出有序的电脉冲，经过 74LS04 反相，驱动模拟灯有规律点亮，并经过 2803A 驱动器驱动，带动步进电机转动。（4）保护电路：由模拟飞车保护电路，过载保护电路，欠压保护电路和短路保护电路组成。当电路异常时，有灯指示，并且将保护信号送到单片机 P0.0 口进行停车保护。2.1.2 软件设计2软件设计分为三大模块：第一，输入检测程序，进行正转，反转，加速，减速，停止检测，当检测到某一按钮有效时，去执行对应功能；第二，输出有序脉冲程序，根据输入检测的结果，去控制输出有序电脉冲的频率，个数和形式；第三，保护程序，由飞车保护，过载保护，欠压保护，短路保护的传感器送到单片机，当出现异常时，控制步进电机停机，进行保护。2.2 总体设计方框图总体设计方框图如图 1AT89S51单片机图 1 总体设计方框图3 设计原理分析3.1 控制按钮分析控制按钮原理图如图 2，K1，K2，K3，K4，K5 分别为正转，反转，加速，减速，停止按钮，经过上拉电阻加到单片机 P1.0 到 P1.4 口。待机情况下，P1.0 到 P1.4 都为高电平，输出 P2.0到 P2.3 为高电平，电机不运转；当按下 K1 或 K2 时，P2.0 到 P2.3 输出有序的电脉冲，步进电机正转或反转，在正转或反转时，按下 K3 或 K4 进行加速或减速，在电机运转中，按下 K5 就会使电机停机。控制正转，反转，加速，减速，停止电路复位电路12MHZ 晶振欠压，过载，短路，飞车保护电路输出控制电路3+5V5*5k下下下下下下下下下下S1S2S3S4S589c51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4图 2 控制按键原理图3.2 复位电路和晶振电路分析AT89S51 单片机 9 脚为复位脚，高电平有效，当刚上电时，由于电容电压不能突变，9 脚为高电平进行复位，同时电容通过 R2 充电，9 脚电压有高电平变为低电平。若按下按键 K6 时，可手动复位。单片机 18 脚和 19 脚接 12MHZ 的晶振电路。3.3 保护电路分析飞车保护由 R7，R8，K7 组成来模拟的，当按下按键时，模拟为飞车，输出高电平送到单片机，控制电机停车，并且有指示灯指示。过载保护由 R9 和热敏电阻 RT，74LS04 组成，当过载时，输出高电平送到单片机，控制电机停车。其中热敏电阻常温时电阻为小于 500，当温度达到 40 度时，电阻将达到 5K 以上。短路保护由串接在电动机公共线上的保险丝组成，当电流超过 1A 时，保险丝断开，进行停车保护。欠压保护有 555 定时器和 R4,R5,R6 组成，定时器供电电压为 5V，电动机电压为 12V，若电动机电压低于 10V 时，555 定时器 3 脚输出高电平送到单片机，进行停车保护， 555 定时器的功能表如表 1。表 1 555 定时器功能表脚 6 脚 2 脚 3V62/3VCC V21/3VCC 低电平V61/3VCC 保持4保护电路原理图如图 3图 3 保护电路原理图3.4 输出驱动电路从 P2.0 到 P2.3 口输出的有序电脉冲，经过 74LS04 反相，首先驱动模拟灯显示，然后经过2803A 驱动器驱动，使步进电机正常转动。74LS04 内部结构图如图 4。2803A 为 8 个达另顿功率图 4 74LS04 内部结构图RtS7R48KR52KR62KR710kR8100R92k357 1268 4555U4D2D1D3U2-1U2-212131011下 下 下下下 下 下下下 下 下AT89S51P0.0+5V +12V5驱动管，1，2，3 ，4，5，6，7 ，8： 8 路 TTL 弱吸电流输入，18 ，17，. ，11： 8 路功率输出，与上行一一对应。9： GND 10：公共电源端。步进电机采用 4 相电机，顺序为黑，橙，棕，黄；红为公共电源端。其输出驱动电路原理图如图 5。+5V12345671413121110982803AU34*5004*1k+5V4*LED下下下 下下下129531111378642101474LS04U2L1 L2 L3 L4R310F0.5A+12V下下下下下下下下AT89S51P2.0P2.1P2.2P2.3图 5 输出驱动电路原理图4 总结与体会通过本次单片机实习，使我们把以前所学的模拟电子技术，数字电子技术，单片机原理与技术，电工技术，传感器技术及软件编程技能等得以全面灵活的运用。同时，我们根据设计任务书，设计出了原理图，PCB 图；经过转印，打板，腐蚀，制作出电路板；然后焊接，软件编程，烧程序；最后整体调试。这使我们熟悉了怎样用单片机实现某种功能的制作步骤，技巧和注意事项。经过这三周的实习，我感觉自己收获很大。首先，自己熟悉了单片机的内部结构，工作原理及怎样运用；其次，我学会了怎样用汇编语言进行编程，怎样使程序更合理完善；再次，学会了怎样设计电路原理图，PCB 图，制作电路板的基本过程和要求，怎样调试电路等；最后，增强了我对专业知识和专业技能的兴趣，培养了我的动手动脑能力。本次实习，意义很大，经过老师的精心教导，和我们的不懈努力，顺利圆满的完成了本次实习，这将在我以后的学习工作中起到很大的帮助。6参考文献1 汪道辉.单片机系统设计与实践 M.北京：电子工业出版社，2006.52 李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2005.93 汤山俊夫著;彭军译.数字电路设计与制作M.北京:科学出版社,20054 余小平,奚大顺.电子系统设计(基础篇)(M).北京:北京航空航天大学出版社,2007.35 蔡朝洋.单片机控制实习与专题制作(M).北京:北京航空航天大学出版社,2006.116 张洪润,刘秀英,张亚凡.单片机应用设计 200 例(下册)(M).北京;北京航空航天大学出版社,2006.77 楼然苗,李光飞.51 系列单片机设计实例(M).北京;北京航空航天大学出版社,2006.27附录（一）P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515p3.616P3.717XTAL218XTAL119GND20VCC40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732/EAVpp31ALE30/PSEN29P2.728P2.627P2.526P2.425P2.324P2.223P2.122P2.02189C51U1Rt+5V5*5k下下 下下 下下 下下 下下R1 200 R2 1KC1 22uF+5VY1 12MHzC2 30pFC3 30pFS1 S2 S3 S4 S5S6S7 +5V1 2 3 4 5 6 714 13 12 11 10 9 82803AU34*5004*1kL1L2L3L4+5VR3 10F 0.5A+12VR4 8K R5 2K R6 2KR7 10kR8 100R9 2k3 5712684555U4D2D1 D3LED1R10 2004*LEDU2-1U2-212 13 10 11下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下129 5 3 1 11 13 78 6 4 2 10 1474LS04U2Q1 NPNR11 10kR1210k步进电机总电路原理图8附录（二）步进电机程序流程图和程序清单程序流程图下下下下下下下下下K1,K2下下下下下下K3,K4下下下下下下下下下下下下下下下下下 下下下下下下下下下K5,K6,K7下下下下下下K5,K6,K7下下下下NYY NY N N Y9程序清单：ORG 0000HAJMP STOPORG 0040HSTOP: MOV P2,#0FFHJNB P1.0, STARTJNB P1.1, RERUNSJMP STOPSTART: MOV R0, #00HSTART1: MOV A, R0MOV DPTR, #TABLEMOVC A, A+DPTRJZ STARTMOV P2, AJNB P1.4, STOPJNB P0.0, STOPJNB P1.2, SPEEDUPJNB P1.3, SLOW LCALL DELAY0INC R0AJMP START1SPEEDUP: LCALL DELAY1INC R0AJMP START1SLOW: LCALL DELAY2INC R0AJMP START1RERUN: MOV R0, #00HRERUN1: MOV A, R0MOV DPTR, #TABLFMOVC A, A+DPTRJZ RERUNMOV P2, AJNB P1.4, STOPJNB P0.0, STOPJNB P1.2, RPEEDUPJNB P1.3, RLOWLCALL DELAY0INC R0AJMP RERUN1RPEEDUP: LCALL DELAY1INC R0AJMP RERUN110RLOW: LCALL DELAY2INC R0AJMP RERUN1DELAY0: MOV R1, #15