单片机课程设计~步进机~~~湘大信工院~~警告学弟学妹,超级难做,不要选啊!

一 课题名称课题名称 步进电机控制器设计 二 内容摘要 二 内容摘要 步进电机是一种输出与输入数字脉冲对应的驱动元件 具有快速 启动和停止的能力 转子运动的速率仅取决于驱动脉冲频率 转子运 动的总位移也仅取决于总的驱动脉冲数 步距精密准确 而且不易受 电压 电流的波动 脉冲波形状 自身和环境温度变化等干扰因素的 影响 在一定的频率范围内 启动 停止 正转 反转等运动方式的 改变 都不会产生失步现象 根据设计要求 步进电机控制电路可以 分为控制模块 显示模块 电源模块 键盘模块 电机驱动模块 步进电机部分 三 实验目的 三 实验目的 1 了解步进电机控制的基本原理 2 掌握控制步进电机转动编程方法 3 掌握步进电机和单片机的接口驱动方法 四 设计内容及要求四 设计内容及要求 要求完成原理设计并通过软件仿真部分 1 利用 MCS51 单片机作为主控制器组成一个双步进电机控制器 2 通过小键盘 能给定两台步进电机单独运行的速度 要求可供 选择的步进速度从 60 600 步 秒 可连续任意设置 3 假设两台被控步进电机分别固定在 X 轴和 Y 轴 其初始位置在 零点 0 0 根据直线差补算法 使两步进电机联动运行 各自在 XY 轴上同步运行距离 即相同时间 T 到达的距离 的交点构成的轨 迹是一条直线段从 0 0 到 20 40 发挥部分 1 能够实时显示所绘直线段的坐标 并能通过键盘设定新的终点 参数 且步进电机能正确运行到该点 2 按下 回零 命令键后 两台电机能以最快的速度准确返回到 原点 并显示原点坐标 五 实验方案比较五 实验方案比较 1 步进电机的控制和驱动 步进电机的控制和驱动 方案一 使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件 可以达到不同的 放大的要求 放大后能够得到较大的功率 但是由于使用的是四相 的步进电机 就需要对四路信号分别进行放大 由于放大电路很难 做到完全一致 当电机的功率较大时运行起来会不稳定 而且电路 的制作也比较复杂 方案二 使用芯片ULN2003驱动电机 ULN2003芯片可以驱动两个二相电机 输出电压最高可达50V 可以 直接通过电源来调节输出电压 可以直接用单片机的IO口提供信号 而且电路简单 使用比较方便 结果 结果 通过比较 使用芯片ULN2003充分发挥了它的功能 能稳定地 驱动步进电机 且价格不高 而使用ULN2003时 可以用芯片来提 供时序信号 可以节省单片机IO口的使用 也可以直接用单片机模 拟出时序信号 由于控制并不复杂 故选用后者 2 数码管显示电路的设计 数码管显示电路的设计 方案一 串行接法 设计中要显示4位数字 用74LS164作为显示驱动 其中带锁存 使 用串行接法可以节约IO口资源 但要使用SIO 发送数据时容易控 制 方案二 并行接法 使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据 占用资源较 多 结果 结果 由于设计中用一块单片机进行控制 资源有限 选择了方案一 另外 使用锁存也起到节约资源的作用 六 实验原理六 实验原理 1 1 步进电机工作原理 步进电机工作原理 a 步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环 控制元件 b 步进电机的正反转与电机每相的通电顺序有关 可以改变相序 来改变电机的正反转 步进电机每步所旋转角度的大小 称为步距 角 B 它是由电机本身转子的齿数 ZR 一个通电循环内通电 节拍数 MQ 决定的 即 B 360 ZR MQ 电机出厂的步距角是固 定的 四相步进电机的步距角为 0 90 1 80 表示半步工作时为 0 90 整步工作时为 1 80 步进电机转速的高低与控制脉冲频率 有关 改变控制脉冲频率 可改变电机转速 连续给定脉冲信号 步进电机就可以连续运转 由于电脉冲信号与步进电机转角存在的 这种线性关系 使得步进电机在速度控制 位置控制等方面得到了 广泛的应用 c 步进电机的使用至少需要三个方面的配合 一是电脉冲信号发生 器 它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号 目前这种 信号大多数由可编程控制器或单片机来完成 二是驱动器 信号放 大器 它除了对电脉冲信号进行放大 驱动步进电机转动以外 还 可以通过它改善步进电机的使用性能 事实上它在步进电机系统中 起着重要的作用 一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种 驱动器 三是步进电机 它有多种控制原理和型号 现在常用的有 反应式 感应子式 混合式等 d 步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的 当发生 脉冲的频率减小时 步进电机的速度就下降 当频率增加时 速度 就加快 还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度 e 步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的 给定一个脉 冲 转过一个步距角 当停止的位置确定以后 也就决定了步进电 机需要给定的脉冲数 2 2 直线插补算法 直线插补算法 为了简化程序的设计 将插补计算的坐标系的原点选在被插补 直线的起点 设直线 OP O 0 0 为起点 P Xe Ye 为终点 进给速度 F 沿 OP 进给 插补周期为 T 则在 T 内的合成进给量 L 为 L FT 60 um 设 P Xi Yi 为某一插补点 P Xi 1 Yi 1 为下一插补点 则由几何关系可知 上述两式 那一个较优 可作如下分析 当时 应采用算法 1 当时 应采用算法 2 即 在插补计算时 总是先计算大的坐标增量 后计算小的坐标增量 考虑不同的象限 插补计算公式将有 8 组 为了方便程序设计 引 入引导坐标的概念 即在插补周期内 将进给增量值较大的坐标定 义为引导坐标 G 另一个为非引导坐标 N 引入引导坐标后可将 8 组 插补计算公式归结为一组 流程图如下图所示 直线插补程序流程图 具体程序代码见试验程序 void motor void 3 3 键盘接口 键盘接口 矩形键盘由行列键组合而成 在扫描过程中 先对各行线都送 低电平 若读回各列线电平值均为l 则说明未曾按过键 如果某列 出现低电平 则说明该列上的按键已有按下 然后将行线的低电平 引入到列线 在通过逐行扫描来判断具体的按键 对于在何时扫描 不同的单片机应用系统有不同的方式 有的 是定时扫描 即每隔一段时间对键盘扫描一次 发现有键盘按下就 进行相应处理 有的在主程序循环执行的过程中作为作为内容之一 把键盘扫描程序作为子程序附带执行 也有的在按键按下后申请外 部中断 由CPU响应并执行这一外部中断后再进行键盘扫描 本系统 采用主程序循环扫描的方法 七 实验电路及连线七 实验电路及连线 八 实验电路说明八 实验电路说明 1 1 本试验使用的步进电机用直流 12V 电压 电机线由 A B 两相组 成 2 2 驱动方式为二相四线方式 各线圈通电顺序如下表 按表中顺序 切换 电机顺时针方向转 若通电顺序相反 则电机轴按逆时针方 向旋转 注 为提高步进电机负载能力和运行平稳 可使用四相八拍驱动 方式 顺序 相 ABCD 11000 20100 30010 40001 九 系统原理图以及实验框图九 系统原理图以及实验框图 51 系列单片 机 4 4 键盘 8 位 LED 显示 X 向步进电机控制 复位电路 晶振电路等 Y 向步进电机控制 系统原理框图 十 实验程序框图 十 实验程序框图 十一 步进电机实验程序十一 步进电机实验程序 程序清单如下 include sbit P3 0 P3 0 sbit P3 1 P3 1 sbit P3 2 P3 2 sbit P3 3 P3 3 全居变量定义 unsigned int DS chuzhi 15 T0 定时器 ms 定时初值 unsigned int time char dis buf 6 0 0 0 0 0 0 键值保存数组 char jianzhi 0 int flag 0 有键按下标志 int x 0 y 0 电机位置标志 char X ffw 8 0 x01 0 x03 0 x02 0 x06 0 x04 0 x0c 0 x08 0 x09 char Y ffw 8 0 x10 0 x30 0 x20 0 x60 0 x40 0 xc0 0 x80 0 x90 char code table 18 0 xc0 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 0 x88 0 x83 0 xc6 0 xa1 0 x86 0 x8e 0 x8c 0 x91 延时 t 毫秒 11 0592MHz 时钟 延时约 1ms void delay int t int k while t for k 0 k 255 X zhi 0 Y zhi dis buf 2 100 dis buf 1 10 dis buf 0 if Y zhi 255 Y zhi 0 m 255 while m X leijia X zhi X leijia Y leijia Y leijia Y zhi if X leijia 255 X leijia X leijia 255 P1 X ffw i delay DS chuzhi x if i 8 i 0 if Y leijia 255 Y leijia Y leijia 255 P1 Y ffw j delay DS chuzhi y if j 8 j 0 电机回零程序 void motor rev void int i 7 j 7 while x P1 X ffw i delay 4 if i 0 i 7 while y P1 Y ffw j delay 4 if j600 PB speed 20 else PB speed 1200 PS speed return PB speed void main void int i for jianzhi JP saomiao save jiazhi display dis buf if jianzhi 17 DS chuzhi change for i 0 i 6 i dis buf i 0 if jianzhi 16 motor if jianzhi 13 motor rev for i 0 i 6 i dis buf i 0 十二 实验心得 十二 实验心得 通过本次单片机课程设计 使我受益匪浅 总结起来 1 复习了单片机的课本知识 对各种语言的作用又有了进一步的认 识 将书本上的知识运用到了事件上 对课本的内容有了更深层的 了解 2 通过查阅资料 了解步进电机控制的基本原理 例如 步进电机 运动和停止的方法 正反转的原理以及直线插补算法的内容和应用 学习了控制步进电机转动编程方法和组成部分以及步进电机和单片 机的接口驱动方法 3 在仿真过程中 它让我了解了如何运用 proteus 软件进行仿真 并进一步熟悉该软件的操作步骤 了解关于 proteus 软件的这些知 识不仅在此次课程设计中有效 对以后的学习有很大的指导意义 在日常生活中更是有着现实意义 4 对自己的动手能力是个很大的锻炼 在实习焊接中 我锻炼了自 己动手技巧 提高了自己解决问题的能力 比如在焊接芯片时 怎 样把那么多脚分开焊接对我们来说是个难题 可是经过训练后 我 们做到了 虽然在实习中会遇到难题 但是从中我学到了很多 使 自己的动手能力也有所提高 5 如果有错误要耐心细致 冷静有序 电路图是很重要的一部分 要多学习看看电路图才能从得到的电流数据中正确分析错误 检测 按步骤进行 一般由后级向前级检查 先判断故障位置 信号注入 法 再查找故障点 电位法 循序渐进 排除故障 附录附录 1 步进电机课程设计器材清单 序号名称型号数目 3单片机芯片AT89C511 61数字集成芯片74LS2401 驱动芯片ULN20032 四相六线步进电机2 4 4 键盘1 7 段显示数码管8 12 0MHZ 晶振1 3电阻 1K 1 4W 1 107瓷片电容20pf2 130瓷片电容1uf1 按键开关1 57电阻 47K 1 4W 1 2 参考文献 1 1 胡宴如 耿苏燕 胡宴如 耿苏燕 模拟电子技术模拟电子技