基于单片机AT89S52控制步进电机正反转

目目录录 第一章 系统分析 1 1 1 框图设计 2 1 2 晶振电路 2 第二章 硬件系统设计 3 2 1 硬件连接图 3 2 2 按键功能 3 2 3 单片机 AT89S52 3 2 4 驱动电路 4 2 5 步进电机 7 第三章 软件系统设计 9 3 1 软件流程图 9 3 2 激磁方式 10 附录 12 附件 A 源程序 12 附件 B 仿真结果 15 参考文献 17 致谢 18 摘要摘要 能够实现步进电机控制的方式有多种 可以采用前期的模拟电路 数字电路或模 拟与数字电路相结合的方式 近年来随着科技的飞速发展 单片机的应用正在不断深入 同 时带动传统控制检测日新月异更新 本文介绍一种用 AT89S52 作为核心部件进行逻辑 控制及信号产生的单片机技术和汇编语言编程设计的步进电机控制系统 步进电机背 景与现状 硬件设计 软件设计及其仿真都做了详细的介绍 使我们不仅对步进电机 的原理有了深入的了解 也对单片机的设计研发过程有了更加深刻的体会 本控制系 统采用单片机控制 通过人为按动开关实现步进电机的开关 复位 该系统还增加了 步进电机的加速及减速功能 具有灵活方便 适用范围广的特点 基本能够满足实践 需求 关键词 AT89S52 步进电机 ULN2003 第一章第一章 系统分析系统分析 1 1 框图设计 根据系统要求画出基于 AT89S52 单片机的控制步进电机的控制框图如图 2 1 所示 按键电路 复位电路 晶振电路 AT89C52 电源电路 驱动 电路 步进 电机 1 图 2 1 基于 AT89C52 单片机的控制步进电机的控制框图 系统主要包括单片机 复位电路 晶振电路 按键电路 步进电机及驱动电路几部分 1 2 晶振电路 AT89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器 XTAL1 和XTAL2 分 别是放大器的输入 输出端 石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器 晶振模块自带振荡器 提供低阻方波输出 并且能够在一定条件下保证运行 最 常用的两种类型是晶振模块和集成 RC 振荡器 硅振荡器 晶振模块提供与分立晶 振相同的精度 硅振荡器的精度要比分立 RC 振荡器高 多数情况下能够提供与陶瓷 谐振槽路相当的精度 图 2 2 为晶振电路 图 2 2 晶振电路 2 第二章第二章 系统设计系统设计 2 1 硬件连接图 根据图 2 1 可以设计出单片机控制步进电机的硬件电路图 如图 3 1 所示 图 3 1 硬件连接图 2 2 按键功能 按键采用 3 个功能键 K1 K2 和 K3 按键开关分别接在单片机的 P2 0 P2 2 引脚 上 用来控制步进电机的转向 作为控制信号的输入端键 按 K1 时 步进电机正传 按 K2 时 步进电机反转 按 K3 时 步进电机停止转动 2 3 单片机 At89C52 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 使用 Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产 品指令和引脚完 全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于 常规编 程器 At89C52 主要技术参数如下 与 MCS 51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 33MHz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时器 计数器 3 图 2 2 At89C52 引脚图 图 2 3ULN2003 2 4 驱动电路 单片机的输出电流太小 不能直接与步进电机相连 需要增加驱动电路 对于电 流小于 0 5A 的步进电机 可以采用 ULN2003 类的驱动 IC ULN2003 技术参数如下所示 最大输出电压 50V 最大连续输出电流 0 5A 最大连续输入电流 25mA 功耗 1W 如图 2 4 所示为 2001 2002 2003 2004 系列驱动器引脚图 图 3 3 左侧 1 7 引脚为 输入端 接单片机 P1 口的输出端 引脚 8 接地 右侧 10 16 引脚为输出端 接步进 电机 引脚 9 接电源 5V 该驱动器可提供最高 0 5A 的电流 ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 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 可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理 的数据 4 ULN2003 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 ULN2003 采用 DIP 16 或 SOP 16 塑料封装 方框图 方框图 封装外形图 ULN2003 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 50V 电流 500mA 输入电压 5V 适 用于 TTL COMS 由达林顿管组成 驱动电路 ULN 是集成达林顿管 IC 内部还集成 了一个消线圈反电动势的二极管 它的输出端允许通过电流为 200mA 饱和压降 VCE 约 1V 左右 耐压 BVCEO 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ULN2003 时 上拉 2K 的电阻较为合适 同 时 COM 引脚应该悬空或接电源 5 作用 ULN2003 是一个非门电路 包含 7 个单元 单独每个单元驱动电流最 大可达 350mA 9 脚可以悬空 比如 1 脚输入 16 脚输出 你的负载接在 VCC 与 16 脚之间 不用 9 脚 ULN2003 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 5VTTL 电平 输出可达 500mA 50V ULN2003 是高耐压 大电流达林顿陈列 由七个硅 NPN 达林顿管组成 该电 路的特点如下 ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 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 可以直接处理原先需要标准逻辑 缓冲器来处理的数据 ULN2003 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 电压高 温度范围宽 带负载能力强等特点 适应于各类要求高速大功率驱动的系 统 图 2 4 1ULN2003 芯片引脚图 ULN2003 芯片引脚介绍 引脚 1 CPU 脉冲输入端 端口对应一个信号输出端 引脚 2 CPU 脉冲输入端 引脚 3 CPU 脉冲输入端 引脚 4 CPU 脉冲输入端 引脚 5 CPU 脉冲输入端 引脚 6 CPU 脉冲输入端 引脚 7 CPU 脉冲输入端 引脚 8 接地 引脚 9 该脚是内部 7 个续流二极管负极的公共端 各二极管的正极分别接 各达林顿管的集电极 用于感性负载时 该脚接负载电源正极 实现 续流作用 如果该脚接地 实际上就是达林顿管的集电极对地接通 引脚 10 脉冲信号输出端 对应 7 脚信号输入端 引脚 11 脉冲信号输出端 对应 6 脚信号输入端 6 引脚 12 脉冲信号输出端 对应 5 脚信号输入端 引脚 13 脉冲信号输出端 对应 4 脚信号输入端 引脚 14 脉冲信号输出端 对应 3 脚信号输入端 引脚 15 脉冲信号输出端 对应 2 脚信号输入端 引脚 16 脉冲信号输出端 对应 1 脚信号输入端 参考电路接法 如图 2 4 2 图 2 4 2 参考电路接法 2 5 步进电机 2 5 1 步进电机的特点 1 一般步进电机的精度为步进角的 3 5 且不累积 2 步进电机外表允许的温度高 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁 从而导致力矩下降乃至于失步 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电 机磁性材料的退磁点 一般来讲 磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上 有 的甚至高达摄氏 200 度以上 所以步进电机外表温度在摄氏 80 90 度完全正常 3 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时 电机各相绕组的 电感将形成一个反向电动势 频率越高 反向电动势越大 在它的作用下 电 机随频率 或速度 的增大而相电流减小 从而导致力矩下降 4 步进电机低速时可以正常运转 但若高于一定速度就无法启动 并伴有啸叫声 步进电机有一个技术参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常 启动的脉冲频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能发生丢步 或堵转 在有负载的情况下 启动频率应更低 如果要使电机达到高速转动 7 脉冲频率应该有加速过程 即启动频率较低 然后按一定加速度升到所希望的 高频 电机转速从低速升到高速 2 5 2 步进电机的工作原理 步进电机是一种用电脉冲进行控制 将电脉冲信号转换成相位移的电机 其机械 位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 每一个脉冲信号可使 步进电机旋转一个固定的角度 脉冲的数量决定了旋转的总角度 脉冲的频率决定了 电机运转的速度 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 本次设计采用的电机 STEPPER MOTOR 型号步进电机 如图 2 5 2 图2 5 2 STEPPER MOTOR 型号步进电机 第三章第三章 软件设计软件设计 3 1 软件流程图 程序设计流程图如图 4 1 所示 主要包括键盘扫描模块 步进电机正转模块 步 进电机反转模块和步进电机定时模块 8 Y Y Y 开始 设置堆栈 步进电机停转 按键扫描 K1 按下吗 K2 按下吗 K3 按下吗 步进电机正转模块 步进电机反转模块 步进电机停转 读取表格 输出 结束 N N 图 4 1 程序设计流程图 3 2 激磁方式 二相步进马达的激磁方式有下列两种 1 全步激磁 全步激磁方式又可分为 1 相激磁与 2 相激磁两种方式 说明如下 1 相激磁 每次只激磁一相线圈 每输入一个脉波 便产生一步级的转 如图 11 所示 由图中 可知 当激磁依 A B A B A 相顺序 则马达顺时针方向旋转 若依 B A B A B 相顺序激磁 则马达依逆时针方向旋转 此种激磁方式之优点 为线圈消耗功率小 角精确度良好 但其转距小 加上阻尼特性不良 易失步 9 图 4 2 1 2 相激磁 每输入一个脉波 将有二相线圈激磁 如图 12 所示 由图中可知 若依 AB BA AB BA AB 相顺序激磁 则马达顺时针方向旋转 若依 BA AB BA AB BA 相顺序激磁 则马达转向为逆时针方向 此种激磁方式 由于同时有两组线圈激磁 输出转距较大 加上阻尼效果良好 故能追踪较高的脉波 率 但其缺点为耗电较大 容易发热 图 4 2 2 2 半步激磁 此种激磁方式又称 1 2 相激磁 激磁一相线圈和二相线圈交互进行 每加入一数字脉 波所转动之角度为原步进角的一半 因此分辨率可提高一倍 且运转时相当平滑 故 与 2 相激磁方式同受广泛使用 图 13 为二相步进马达采用 1 2 相激磁方式之时序图 由图中可知 若依照 A AB B BA A AB B BA A AB 相的顺序激磁 则步进马达将以顺时针方向旋转 但如果依照 10 BA A AB B BA A AB B BA 相顺序激磁 则马达逆时针方向旋转 图 4 2 3 附录附录 附件 A 源程序 include sbit p00 P0 0 sbit p01 P0 1 sbit p02 P0 2 unsigned char code Forward 4 0 xFC 0 xF9 0 xF3 0 xF6 正转表格 unsigned char code Return 8 0 xF7 0 xF3 0 xFB 0 xF9 0 xFD 0 xFC 0 xFE 0 xF6 反转表格 void delay unsigned int i 延时 while i 步进电机正转P0口的第三口 P0 2 void turnfor void unsigned char i while 1 if p00 0 delay 1000 if p00 0 break 11 if p01 0 if p01 0 break for i 0 i 4 i P1 Forward i delay 2000 步进电机反转 P0口的第二口 P0 1 void retur void unsigned char i while 1 if p00 0 delay 1000 if p00 0 break if p02 0 delay 1000 if p02 0 break 12 for i 0 i 8 i P1 Return i delay 2000 步进电机停止转动 P0口的第一口 P0 0 void stop void while 1 if p01 0 delay 1000 if p01 0 break if p02 0 if p02 0 break 步进电机转动主函数 void Main void stop while 1 if p00 0 delay 1000 if p00 0 13 stop if p01 0 delay 1000 if p01 0 retur if p02 0 delay 1000 if p02 0 turnfor 附件 B 仿真结果 按下 k3 键 电动机停止转动 14 按下 k1 键 电动机正转 按下 k2 键 电动机反转 参考文献参考文献 1 李全利 单片机原理及接口技术 高等教育出版社 2003 2 王晓明 电动机的单片机控制 北京航空航天大学出版社 2002 15 3 曾一江 单片机原理与接口技术 北京 科学出版社 2006 4 何立民 MCS 51 系列单片机应用系统设计 北京 北京航空航