电机设计实验 步进电机控制实验

步进电机控制实验步进电机控制实验 班级 电气 082 姓名 姜水龙 摘要摘要 本设计基于 ATS80C51 单片机对步进电机进行控制 通过使用 I O 口输出具有一定时序的方波作为步 进电机的控制信号 控制信号通过控制全双桥芯片 L298 驱动步进电机 在单片机的 P1 口用四个 LED 来作为 正反转 加速 减速的标志 用独立连接式非编码键盘码键盘来对电机的状态进行控制 关键词关键词 步进电机 单片机 AT89S51 发光二极管 1 1 引言引言 步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件 控 制步进电机的输入脉冲数量 频率及电机各项绕组的接通顺序 可以得到各种需要的特性 尤其与数字设备配套时 体现了更大的优越性 因此广泛应用于数字控制系统中 本文介绍已实现的单片机对步进电机的数字控制系统 控制器担负着生产脉冲及发送 接受控制命令的任务 本设计对步进电机的驱动电路 显示电路以及键盘控制电路做了详细 的介绍 2 2 总体设计方案总体设计方案 2 1 设计思路 2 1 1 使用按钮开关控制步进电机的正反转以及加速 减速 因要求实现用单片机控制四相步进机的正反转以及加速 减速 有很多的方法能完成这 样的任务 但为了能更加方便的控制步进电机正反转以及加速 减速 因此在单片机的管脚 上分别接了正反转按钮 正转加速 减速按钮 反转加速 减速按钮以及复位按钮 当给电路 通电后 就可以通过按这些按钮来实现要求的各种要求以及所要表达的信息 2 1 2 使用 L298 芯片来驱动步进电机 L298 是一种高电压 大电流电机驱动芯片 采用标准逻辑电平信号控制具有两个使能控 制端 在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端 使内部逻 辑电路部分在低电压下工作 可以外接检测电阻 将变化量反馈给控制电路 使用 L298 芯 片驱动电机 该芯片可以驱动两个二相电机 也可以驱动一个四相电机 可以直接通过电源 来调节输出电压 并可以直接用单片机的 I O 口提供信号 而且电路简单 使用比较方便 1 2 2 设计方框图 总体设计方框图如图 1 所示 图 1 总体设计方案框图 3 3 设计原理分析设计原理分析 3 1 步进电机 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步进电机件 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 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 步进电机的驱动电路根据控制信号工作 控制信号由单片机产生 其基本原理作用如下 状态指示电路 AT89S51 电源及时钟 按键控制电路 复位电路 L298 驱 动电路 步进 电 机 2 1 控制换相序 通电换相这一过程称为脉冲分配 例如 三相步进电机的三拍工作方式 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 步进电机就会正向转动 如果按反序通电换相 则 电机就会反向转动 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 它会再转一步 两个脉冲 的间隔越短 步进电机就转的越快 调整单片机发出的脉冲的频率 就可以对步进电机进行 调速 3 2 按键电路设计 本设计采用的独立式非编码键盘控制步进电机 共有 6 个按钮 其中 S2 为电机正转按 钮 S3 为电机反转按钮 S4 为正转加速按钮 S5 为电机正转减速按钮 S6 为电机反转加速 按钮 S7 为电机反转减速按钮 当按下各个按钮时 会执行各个键的功能 当按下复位按钮 时 电路会恢复到初始状态 其原理图如图 2 所示 3 图 2 按键控制电路 3 3 时钟震荡电路和复位电路设计 时钟震荡电路由一个 12M 的晶震和两个 30PF 的电容组成 复位电路有一个复位按钮 两个电阻 一个带有极性的电容做成 复位方式为手动复位 当按下复位按钮的时间超过两 个机器周期 才起到复位作用 其原理理理如图 3 所示 4 图 3 时钟震荡电路和复位电路 3 4 正反转 加速 减速标志电路设计 本电路采用的是四个发光二极管来显示 分别为 D1 D2 D3 D4 当电机正转时 D1 发光 当电机反转时 D2 发光 正转加速时 D1 D3 发光 正转减速时 D1 D4 反转加速时 D2 D3 发光 反转减速时 D2 D4 发光 其原理图如图 4 所示 5 图 4 正反转 加减速显示电路 3 5 步进电机驱动电路设计 本设计采用的是 L298 对步进电机进行驱动 L298N 为双全桥步进电机专用驱动芯片 内 部包含 4 信道逻辑驱动电路 是一种二相 和四相步进电机的专用驱动器 可同时驱动 2 个 二相或 1 个四相步进电机 内含二个 H Bridge 的高电压 大电流双全桥式驱动器 接收标准 TTL 逻辑准位信号 可驱动 46V 2A 以下的步进电机 且可以直接透过电源来调节输出电压 6 图 5 步进电机驱动电路 3 6 步进电机时序表和时序图 步进电机时序表和时序图分别如表 1 和图 6 表 1 单四拍控制表 控制位 步序 DCBA 工作状态 11110A 21101B 31011C 40111D 7 8 4 4 程序流程图程序流程图 程序开始执行 P0 0 是否为 0 P0 1 是否为 1 P0 2 是否为 1 1 e e e e e 1 e e e e e P0 3 是否为 1 1 e e e e e 1 e e e e e P0 4 是否为 1 P0 5 是否为 1 1 e e e e e 0 调用正转指 示和正转程 序 0 0 0 0 0 调用反转指 示和反转程 序 调用正转加 速指示和程 序 调用反转加 速指示和程 序 调用正转减 速指示和程 序 调用反转减 速指示和程 序 9 5 5 结束语结束语 本设计主要是体现了单片机在控制步进电机方面的应用 通过这次的课程设计使我在各 个方面都有了很大的提高 首先 对步进电机的工作原理有了一定的了解 同时在设计的过 程中使我感觉到整体电路的综合调试是非常重要的 仿真正确在实际电路中却有可能不能实 现 再次要考虑到单片机不能直接控制步进电机 必须根据步进电机功率的大小合理的选择 功率驱动器件 同时在含有多位数码管显示的系统中 用到的口线较多 采用串并转换的方 式可以节省口线 可以节省很多的单片机资源 还有就是编程 学习中 小程序可以很快的 编出来 通过这次实习 一次系统的编程所需要考虑到的问题 是我这次实习中的一个很大 的收获 总之 通过这次实习 我学到了很多的知识 同时也找到了一些问题 这将为我以 后的学习起到很大的帮助 感谢我的室友们 有你们在行动和思想上的支持和鼓励 才使得 我这次毕业设计能顺利完成 感谢此次指导我完成这篇论文的老师 正因为有你们的指导和 修改才有我这篇论文的完成 感谢我的母校河南科技学院 尤其是机电专业所有的老师们 在这片净土读书三载 无形中塑造了我生命的气质 生活的方式 也练就了我乐观的心态和 一颗感恩的心 没有你们悉心的指导和讲解 我不可能完成此次设计 参考文献参考文献 1 肖洪兵 跟我学用单片机 北京 北京航空航天大学出版社 2002 8 2 何立民 单片机高级教程 第 1 版 北京 北京航空航天大学出版社 2001 3 赵晓安 MCS 51 单片机原理及应用 天津 天津大学出版社 2001 3 4 李广第 单片机基础 第 1 版 北京 北京航空航天大学出版社 1999 5 徐惠民 安德宁 单片微型计算机原理接口与应用 第 1 版 北京 北京邮电大学出版社 1996 6 何立民 从 Cygnal 80C51F 看 8 位单片机发展之路 单片机与嵌入式系统应用 2002 年 第 5 期 P5 8 7 夏继强 单片机实验与实践教程 北京 北京航空航天大学出版社 2001 8 陈志强 胡辉 单片机应用系统设计实践指南 自编教材 9 肖洪兵 单片机应用技术 自编教材 10 肖洪兵 高茂科 CAI 课件 自主开发 11 李朝青 单片机原理及接口技术 第三版 北京 北京航空航天大学出版社 2005 程序结束 返回开始程序 10 附录附录 1 11 附录附录 2 START1 MOV P2 0FFH 程序开始执行 JNB P0 0 Z10 JNB P0 1 F10 JNB P0 2 ZA10 JNB P0 3 ZS10 JNB P0 4 FA10 JNB P0 5 FS10 AJMP START1 Z10 LJMP ZZ F10 LJMP FZ ZA10 LJMP ZA ZS10 LJMP ZS FA10 LJMP FA FS10 LJMP FS ZZ LCALL DELAY 防止按键抖动延迟 JNB P0 0 LCALL DELAY ZX MOV P1 0EFH 正转显示指示 MOV R0 00H ZZ1 MOV A R0 正转程序调用 MOV DPTR TABLE MOVC A A DPTR JZ ZX MOV P2 A JNB P0 1 F10 JNB P0 2 ZA10 JNB P0 3 ZS10 JNB P0 4 FA10 JNB P0 5 FS10 LCALL DELAY1 INC R0 LJMP ZZ1 RET FZ LCALL DELAY 按键去抖动 12 JNB P0 1 LCALL DELAY FX MOV P1 0DFH 反转指示显示 MOV R0 05H FZ1 MOV A R0 反转程序调用 MOV DPTR TABLE MOVC A A DPTR JZ FX MOV P2 A JNB P0 0 Z10 JNB P0 2 ZA10 JNB P0 3 ZS10 JNB P0 4 FA10 JNB P0 5 FS10 LCALL DELAY1 INC R0 LJMP FZ1 RET ZA LCALL DELAY 按键去抖动 JNB P0 2 LCALL DELAY ZAX MOV P1 0AFH 正转加速指示显示 MOV R0 00H ZA1 MOV A R0 正转程序调用 MOV DPTR TABLE MOVC A A DPTR JZ ZAX MOV P2 A JNB P0 0 ZZ JNB P0 1 FZ JNB P0 3 ZS JNB P0 4 FA JNB P0 5 FS20 LCALL DELAY2 INC R0 LJMP ZA1 RET ZS LCALL DELAY 按键去抖动 JNB P0 3 LCALL DELAY ZSX MOV P1 6FH 正转减速指示显示 13 MOV R0 00H ZS1 MOV A R0 正转减速程序调用 MOV DPTR TABLE MOVC A A DPTR JZ ZSX MOV P2 A JNB P0 0 Z20 JNB P0 1 F20 JNB P0 2 ZA20 JNB P0 4 FA20 JNB P0 5 FS20 LCALL DELAY3 INC R0 LJMP ZS1 RET Z20 LJMP ZZ F20 LJMP FZ ZA20 LJMP ZA ZS20 LJMP ZS FA20 LJMP FA FS20 LJMP FS FA LCALL DELAY 按键去抖动 JNB P0 4 LCALL DELAY FAX MOV P1 09FH 反转加速指示显示 MOV R0 05H FA1 MOV A R0 反转加速 MOV DPTR TABLE MOVC A A DPTR JZ FAX MOV P2 A JNB P0 0 Z20 JNB P0 1 F20 JNB P0 2 ZA20 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