步进电机的单片机控制模块装置.doc

摘要：本文主要介绍了基于单片机的步进电机控制系统!步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：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（及步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。 本设计采用89c52系列单片机对步进电机进行控制，对单片机控制步进电机系统的控制方式和软件设计进行了研究。关键词步进电机 单片机 控制系统 步距角目 录引言1一、设计任务及要求311设计任务312设计要求3二、设计方案321键盘模块的论证322微机控制器模块的论证323电机驱动模块的论证324显示模块的论证3三、设计原理及实现331键盘原理的设计332单片机控制原理的设计333步进电机驱动L298N原理的设计331显示电路的原理设计331系统软件的设计3四、电路制作与调试441硬件电路板的制作442电路板的综合调试4五、设计结论及体会4参考文献5引言 近年来，电子技术及卫星计算机的迅发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。在自控系统中，常常要有数字信号转换为角位移或心位移的电磁装置，步进电动机是工作特点恰好符合此要求。控制系统对步进电机的控制通过步进电机驱动器来完成。因此它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，实现起来成本高、费时多，而且一旦定型后，电路就很难改动，因此不得不完全重新设计控制器。在机电一体化中，步进电机是最常用的一种执行电机，它实现了机械中的角度、位移的数字化控制，从而使机械控制的精度大大提高。现代控制技术中普遍采用的方式为开环控制和闭环控制，开环控制结构简单成本低但其精度不是太高；闭环控制可以实现高精度的控制，但其结构复杂投入成本高。步进电机的出现解决了这一技术难题，它使得开环控制的精度和速度大大提高，由它组成的步进式伺服控制系统实现了数字化机械生产过程。数控机床便是这一技术的成功体现，伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产效率的主要因素之一。在该设计中我们选用单片机8052做为步进电机的控制器, 用它来实现步进电机的空载时的正反转以及速度的控制。一、设计任务及要求11设计任务控制换相顺序：步进电机的通电换相顺序要严格按照步进电机的工作方式进行。也称为脉冲分配。控制步进电机的转向：通过改变通电的相序来实现。控制步进电机的转速：通过调节脉冲频率来实现。12设计要求初步了解步进电机的分类、工作原理，重点掌握反应式步进电机的工作特点，矩频特性以及常见的驱动电路。以8051为主控制器实现对步进电机的简单控制：电机的正转、反转、制动三种状态的任意切换；电机的加减速控制.二、设计方案与论证21键盘模块211采用矩阵式键盘接口技术，该接法结构相对比较复杂，占用资源少，通常用在按键数量较多的场合。如下图2.1所示：图2.1212采用独立式键盘接口技术，该接法结构相对简单，但占用资源多,通常用在按键数量较少的场合。如下图2.2所示：图2.2综上分析与比较，本系统设5个按键，数量少，我们选择了独立式键盘接口技术，即方案二。22微机控制器模块221此方案采用AT89S51八位单片机实现。它的内存较小，只有8K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，两个16位的定时/计算器，32个I/O口线，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，无在线下载编程功能，也无在线仿真功能。只能通过编程器烧写成为.hex为后缀名的文件。222此方案采用AT89S52八位单片机实现。它内存较大，有8K的字节Flash闪存储器,比AT89C51要多4K。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。 图2.3at89S51/52引脚图综上所述与分析，该模块采用方案二，即选用AT89S52。23电机驱动模块231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。比如下图: 图2.4232使用L298N芯片驱动电机, L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图2.5），也可以驱动一个四相电机，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，使用比较方便图2.5 L298N芯片综上所述与分析，该模块采用方案二，即选用L298N芯片作为驱动模块24显示模块241采用4位段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后，很难再加入其他的功能，显示格式受限制且耗电量大，不宜用电池给系统供电。图2.6 4位段数码管显示242采用液晶显示器件，液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数，采用SMG12864 四行带中文字库显示，能同时显示时间、速度、里程式。综上所述与分析，该模块采用方案二三、设计原理及实现31键盘模块 键盘模块原理图如下： 图3.1311按键功能：S1启动S2停止S3加速S4减速S5反转独立式按键是各按键相互独立的接通一条输入数据线，每个键的工作不会影响其它的I/0口, 当一个键闭合时，相应的IO口线变为低电平。当程序查询到低电平的IO口线时，就可以确定处于闭合状态的键。这种键盘的优点是电路简单；缺点是当键数较多时，要占用较多的I/O线。32单片机控制模块321该控制模块原理图如图3.2所示： 图3.2322该模块是以AT89S52单片机为核心，晶振电路、复位电路组成的，并在单片机的各个口接出引脚。单片机口线的接法与执行的功能： P1口控制5个按键，P3口控制电机的驱动电路，P0和P3液晶显示信号处理。323步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下:(1)控制换相顺序 步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。 （2）控制步进电动机的转向通过前面介绍的步进电动机原理我们已经知道，如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转；如果按反序通电换相，则电动机就反转。（3）控制步进电动机的速度如果给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电动机就转的越快。33步进电机驱动电路331通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图3.3所示。 图3.3332通过MCS-51单片机的P3.0P3.5口对L298N的IN1IN4口和ENA、ENB口发送方波脉冲信号，起时序图如图3.4所示。图3.4 时序图333L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，使用L298N做为步进电机的驱动。L298N是高耐压、大电流阵列。L298N具有工作电压高，工作电流大，芯片可承受的最大电流达到3A，并且耐压达到42V。 由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，只用一组电源时会影响单片机的正常工作。所以选用双电源供电。一组5V电源给单片机和控制电路供电，另外两组5V电源给L298N的+VSS、+VS供电。在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开，以免影响控制部分电源的品质。34显示电路设计341显示电路设计如下图3.5所示: 图3.5 显示电路342显示电路采用一块12864LCD显示,采用一块12864LCD显示比采用数码管的电路结构要简单，电路的连线比较少。用LCD分别显示电机正转和反转的时间、路程、速度。从单片机的P0口输出LCD显示信息的段码，P2.4P2.7控制LCD的功能脚。35系统的软件设计 351主程序开始 判断启动键按下启动步进电机正转 是 否判断停止键按下步进电机停止正转 是 否步进电机加速正转判断加速键是否按下 是 否 判断减速键是否按下 步进电机减速 是 否步进电机反转判断反转键是否按下 是 显示子程序 图3.6352更新时间子程序显示更新的子程序的流程图如图3.7所示。开 始个位秒加1十位加1返 回Y图3.7 更新时间程序流程图秒个位=10？YN秒十位=6？N分个位加1分个位=10？YN分十位加1分十位=6？NY时个位加1时十位加1时个位=10？NY353定时T0程序 本系统所用的定时器是用来做电动车运动时间的定时并计数。采用T0定时器的定时中断方式1定时50ms，经过20次计数后达到一秒种。利用定时器的中断方式，主要的工作是送方式控制字、送定时初值、开放中断、启动定时器等工作。50ms定时程序流程图如下图3.8所示。开 始重送50ms定时初值给TH0、TL0定时20次够否？调用更新时间单元的子程序重送20次定时值返回YN保存现场返还现场值图3.8 时间定时流程图354转向控制子程序 转向控制由检测部分和指示部分组成。检测部分有单片机I/O口的P2.4P2.7控制，指示部分有单片机I/O口的P3.2、P3.3控制。当单片机检测到需要调整方向的信号时，用一条子令调用转向电机程序，同时从单片机输出一个低电平信号给指示部分。其程序流程图如图3.9所示。开 始是否正转？是否反转？调用正转程序调用反转程序检测是否要转向返 回NNYY图3.9 转向程序流程图355步进电动机位置控制和加、减速控制 步进电动机的位置控制，指的是控制步进电动机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。 对步进电动机位置控制的一般作法是：步进电动机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0。因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电动机停止运行的信号。实际上，在速度控制中，速度并不是一次升到位。在位置控制中，执行机构的位移也不总是恒速进行的。它们对运行的速度都有一定的要求。在这一节中，我们将讨论步进电动机在运行中的加、减速问题。 为了满足加、减速要求，步进电动机运行通常按照加、减速曲线进行。图3.10是加、减速运行曲线。加、减速运行曲线没有一个固定的模式，一般根据经验和试验得到的。 （a）匀加、减速曲线 （b）S形加、减速曲线 图3.10 加、减速运行曲线最简单的是匀加速和匀减速曲线，如图3.10（a）所示，其加、减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转距也应该是不变的。采用指数加、减速曲线或S形加、减速曲线是最好的选择，如图3.10（b）所示。因为电动机的电磁转距与转速的关系接近指数规律。步进电动机的运行还可根据距离的长短分如下3种情况处理。（1） 短距离由于距离较短，来不及升到最高速，因此，在这种情况下，步进电动机以接近启动频率运行过程没有加、减速。（2） 中、短距离 在这样的距离里，步进电动机只有加、减速过程，而没有恒速过程。（3） 中、长距离在这样的距离里，步进电动机不仅有加、减速过程，还有恒速过程。由于距离较长，要尽量缩短用时，保证快速反应性。因此，在加速时，尽量用接近启动频率启动；在恒速时，尽量工作在最搞速。下面举例来说明步进电动机加、减速控制程序的编制。图3.11是近似指数加速曲线。由图可见，离散后速度并不是一直上升的，而是每升一级都要在该级上保持一段时间，因此实际加速轨迹呈阶梯状。如果速度是等间距分布，那么在该速度级上保持的时间不一样长。为了简化，我们用速度级数N与一个常数C的乘积去模拟，并且保持的时间用步数来代替。因此，速度每升一级，步进电动机都要在该速度级上走NC步（其中N为该速度级数）。为了简化，减速也采用与加速时相同的方法，只不过其过程是加速时的逆过程。图3.11 加速曲线离散化本程序的参数除了有速度级数N和级步数NC以外，还有以下参数 。（1） 加速过程的总步数电动机在升速过程中每走一步，加速总步数就减一，直到减为0，加速过程结束，进入恒速过程。（2） 恒速过程的总步数电动机在恒速过程中每走一步，恒速总步数就减一，直到减为0，恒速过程结束，进入减速过程。（3） 减速过程的总步数电动机在减速过程中每走一步，减速总步数就减1，直到减为0，减速过程结束，电动机停止运行。四、电路制作与调试41硬件电路板的制作在控制系统的电路原理图设计结束之后，便可以应用P r o t e l 软件进行系统的P C B 设计，在设计中除了要充分考虑控制系统的安装尺寸之外，还要充分考虑系统的防干扰设计。因为对于电子类产品来说，仅有正确的原理图设计是不够的，产品最终性能指标的好坏，在很大程度上还与电路板结构设计和组装工艺有关，所以要从元器件的布局和电路板布线两个方面来考虑系统的防干扰, P R O T E L 设计软件可以实现自 动布局，这样可以大大减少设计时间。但是这种自动布局完全是以软件自己的设计规则为基础的，并没有充分考虑电路的运行状态，所以本电路板的设计采用了自动布线加人为调整的布线形式。下面是布局时采用的一些规则:( 1 ) 布局时，把相互有关的元件尽量放得靠近一些。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路、开关电路等，应尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路( ( R O M , R A M ) ，如果可能的话，可以将这些电路另外制成电路板，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。 ( 2 ) 元器件原则上按照信号的流程排列。 有了好的布局，为正确的布线打下了基础，为了保证电路的抗干扰性，在电路板的布线中还要充分考虑了下面的设计原则: ( 1 ) 尽量在关键元件，如R O M , R A M 等芯片旁边安装去祸电容。 ( 2 ) 在印制电路板的电源输入端跨接1 0 0 0以上的电解电容，如果体积允许的话，电容量越大越好。 ( 3 ) 原则上每个集成电路芯片的旁边都需要放置一个0 . l u F 的涤纶或聚丙烯电容，如果电路板的空隙太小而放置不下时， 可以每1 0 个芯片左右放置一个1 一1 0 U F 的电解电容。 ( 4 ) 对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的元件和R A M , R O M 等存储元件，应该在电源线( ( V c c ) 和地线之间接入去祸电容。 ( 5 ) 电容的引线不要太长. ( 6 ) 在设计逻辑电路的印制电路板时，其地线应构成闭环形式，提高电路的抗千扰能力。 ( 7 ) 地线应尽量粗。如果地线很细的话，则地线电阻将会较大，造成接地电位随电流的变化而变化，致使信号电平不稳，导致电路的抗干扰能力下降。411键盘模块的制作 由5个按键组成，接到单片机的P1.0P1.4接口，由于所有电路设放在一起的话，布线时会有点麻烦，所以我把键盘模块独立做在一块电路板上。后用排线把电路板连在一起。412主控制板、驱动模块的制作 单片机控制模块由一个最小系统外加一个显示模块组成。驱动模块由芯片L298N和二极管组成来实现驱动放大功能。两个模块放在一起也使布线有难度，故我也分开制作。42硬件调试MCU键盘驱动电路步进电机液晶显示图4.1系统框图 如图4.1所示,由于本系统的硬件电路模块比较多，对整个系统的干扰也比较大。在本系统中步进电机对电源的要求比较高，耗电量很大，所以本系统对电源的要求比较高。开始调试的时候由于整个系统只用了一个直流电源来供电，我们自己做的电源电流非常小，无法正常驱动步进电机正常工作，步进电机无法转动，后来我改用两个电源同时供电，将底线链接在一起后来就可以正常工作。五、设计结论及体会在完成本设计的过程中，我把注意力主要集中在程序编程电路调试上。合理地运用软件设计模块电路可以节省很多功夫，但完全照搬也不能达到预想的效果，因为实际参数无法与设计精确匹配，因此做到精益求精，尽量达到指标要求。本次设计综合运用了各类传感器。同时查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。在方案设计方面，讨论筛选出最优的设计方案，比如在设计显示电路时我们放弃数码管显示电路,而直接运用了LCD液晶来显示。通过这次系统设计，我学会了步进电机的运转一般是有脉冲和方向信号来控制的，脉冲的频率控制着电机的转速，脉冲的个数控制着电机的转角；方向信号的高、低电平控制着电机的正、反转向。用单片机控制步进电机时，可以用一个输出口来发脉冲：高电平延时一定时间低电平延时一定时间高电平，延时的长短控制脉冲的频率，电平的转换次数可以折算成脉冲的个数；用另一个输出口作为方向信号。本次系統设计，使我的设计思路的了更大的提高，使我们的分析与解决实际问题能力以及动手操作能力得到了很大的巩固和提高！通过该系统设计的学习,更熟悉的了解和掌握单片机应用系统设计的基本方法、设计思路、设计步骤及调试运行等全过程，达到了理论联系实际，学以致用的目的，提高了自己的动手能力、设计能力和分析问题、解决问题的能力，为就业后的工程设计奠定了良好的基础。经过了几周的努力我完成了。老师交给我的设计工程步进电机的单片机控制，刚开始遇到困难是意料中的事，但经过老师的细心指导及自己的努力慢慢的我克服掉了困难，在规定时间内完成了此工程；我个人认为我的困难主要来自于自己的专业知识不够具体全面，虽然经翻阅资料知识点能够整合完成，但我想多掌握一些此种性质的专业知识无疑对我们应届毕业生以后的发展是有利的，所以我会好好利用这次设计机会来充实自己，争取早一天让自己“成熟”起来。参考文献1 刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨工业大学出版社，20062 涂时亮,张友德.单片微机MCS-51用户手册.复旦大学出版社，2007，93 王玉良,戴志涛.微机原理与接口技术.北京邮电大学出版社，2005，124 何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计.北京航天航空大学出版，20065 王福瑞.单片机测控系统设计大全.北京航天航空大学出版社，20086 唐光荣,李究龄,邓丽曼.微型计算机应用技术（上）数据采集与控制技术.清华大学出版社，2006致谢本课题承蒙计算机与信息工程系，特致殷切谢意。衷心感谢导师对本人的精心指导。他们的言传身教将使我终生受益。感谢计算机与信息工程系老师和同窗们的关心和支持！感谢所有帮助过我的人们！附录A：电路制作PCB图附录B：部分程序液晶屏的每行起始单元地址(DDRAM地址)(带字库): ;第一行-80H 第二行-90H;第三行-88H 第四行-98H ;*;写值到液晶屏:;20H-显示空格;*/开关的定义,和电机控制口定义 HEID BIT P2.0 DJKZH EQU P3 ;定义电机输出地址口线 ;*开关定义*