步进电机控制系统的设计.doc

目 录 绪论 2 第一章 系统设计 3 1 1系统设计要求 3 1 2方案论证 3 第二章 系统硬件设计器件 3 2 1 步进电机 3 2 2 驱动芯片 L298N 8 2 3 AT89C51 9 第三章 系统软件设计 12 3 1 系统软件设计的基本原则 12 3 2 系统软件设计思想 13 3 3 软件设计总流程图 13 3 4 程序设计 13 第四章 系统软件仿真 14 4 1 软件仿真结果 14 4 2 仿真结果分析 16 4 3 功能说明 16 结论 16 致谢 17 参考文献 18 附录 19 附录 1 电路图 19 附录 2 程序清单 20 魏兰 步进电机控制系统的设计 2 步进电机控制系统的设计 摘要 本设计基于 AT89C51 单片机控制的步进电机控制系统 硬件设计采用单片机结合 L298 驱动 芯片来控制步进电机 给出电路图 软件设计采用制表的编程方法 给出控制程序和总流程图 本设 计基于单片机的步进电机控制系统 充分利用了步进电机快速启停 精度高且能够直接接收数字信 号的特点 实现快速启停 正反转等功能 该系统设计思路简单 易于操作 实用性强等优点 关键词 单片机 步进电机 硬件设计 控制系统 软件设计 绪论 步进电机问世以后 很快确定了自己的应用场合为开环高分辨率的定位系统 工业应用发展 到今已有约 30 年的历史 目前还没有更适合的取代它的产品 而且已经发展成为除直流和交流电 机外的第三大类电动机产品 但毕竟发展历史不长 人们从应用的角度看仍有不成熟的感觉 我国步进电机产品的发展有自己的特点 80 年代以前一直以磁阻式步进电动机为主 70 年代 末形成的系列产品以定子 6 极转子 40 齿的三相磁阻式步进电动机为主 另外有定子 10 极转子 100 齿的五相磁阻式步进电动机和其他的品种 80 年代开始发展混合式步进电动机 也是以定子 8 极转子 50 齿的二相 四相 混合式步进电动机为主 1987 年开始生产定子 10 极转子 50 齿的五相 混合式步进电动机 同时还发展了一些不同于国外的产品 例如定子 8 极转子 60 个齿的二相 四 相 混合式步进电动机 转子 100 齿的三相 九相混合式步进电动机 转子 200 齿的五相混合式步 进电动机等 通过书籍我了解到步进电机不仅是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件 还 是自动控制系统中常用的执行部件 步进电机的输入信号为脉冲电流 它能将输入的脉冲信号转 换为阶跃型的角位移或直线位移 因而步进电机可看作是一个串行的数 模转换器 由于步进电机 能够直接接受数字信号 而不需数 模转换 所以使用微机控制步进电机显得非常方便 步进电机还有快速启停 精度高且能够直接接收数字信号的特点 所以在精确定位系统中广 泛的使用 在工业过程控制系统中 不需位移传感器就可精确定位 虽然步进电机已被广泛地应用 但步进电机并不能象普通的直流电机和交流电机能在常规下 使用 它必须由双环形脉冲信号 功率驱动电路等组成控制系统方可使用 因此用好步进电机却 非易事 它涉及到机械 电机 电子及计算机等许多专业知识 步进电机现在已广泛运用在需要的高定位精度 高分解能 高响应性 信赖性等灵活控制性 高的机械系统中 在生产过程中要求自动化 省人力 效率高的机器中 到处都是步进电机的踪 迹 尤其在重视速度 位置控制 需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合用的最多 本设计基于单片机的步进电机控制系统 使其在启停 正反转等控制领域用步进电机来控制 变的非常的简单 因此具有很好的发展前景和开发价值 第一章 系统设计 2010 届电子信息工程毕业设计 3 1 1 系统设计要求 结合对步进电机的了解 然后对步进电机的控制原理包括步进电机的控制方式和驱动方式作了 系统的说明 采用AT89C51单片机来控制步进电机 并给出用户直接用按键控制步进电机启停 正反 转的单片机控制的具体实现方法 用汇编程序进行控制运行 1 2 方案论证 方案一 采用微机控制 以脉冲分配器和功率驱动为核心 微 机 步 进 电 机 功率驱动 脉 冲 分 配 器 脉冲 方向 图 1 1 硬件法来设计的步进电机控制系统 本方案主要是根据以脉冲分配器和功率驱动为核心的步进电机控制系统 步进电机的通电换 相顺序严格按照步进电机的工作方式进行 而通电换相这一过程通常被我们称为脉冲分配 而实 现脉冲分配的方法有软件法和硬件法两种 图1 1是采用其中的硬件法来设计的步进电机控制系统 方案二 采用单片机控制 以驱动芯片 L298 为核心 A T 8 9 C 5 1 L 2 9 8 N 步 进 电 机 图 1 2 以 L298 为核心的步进电机控制系统 其原理框图如图 1 2 示 本原理图主要是利用单片机和驱动芯片来控制步进电机 在本次设 计中 我采用了方案二 原因是电路简单 元器件少 控制能力较强 第二章 系统硬件设计器件 2 1 步进电机 2 1 1 步进电机的原理 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 即给电机加一 个脉冲信号 电机则转过一个步距角 这一线性关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而 无累积误差等特点 使得在速度 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 虽然步进 魏兰 步进电机控制系统的设计 4 电机已被广泛地应用 但步进电机并不能像普通的直流电机 交流电机在常规下使用 它必须由 双环形脉冲信号 功率驱动电路等组成控制系统方可使用 2 1 2 步进电机的分类 目前常用的步进电机有三类 1 反应式步进电机 VR 反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的 转子没有绕组 它的结构简单 生产成本低 步距角可以做的相当小 但动态性能相对较差 2 永磁式步进电机 PM 永磁式步进电机的转子式用永磁材料制成的 转子本身就是一个磁源 它的出力大 动态性能 好 转子的极数与定子的极数相同 所以步距角一般比较大 需供给正负脉冲信号 3 混合步进电机 HB 混合式步进电机综合了反映式和永磁式两者的优点 步距角小 它的输出转矩大 动态性能好 是性能较好的一类步进电动机 但结构复杂 成本较高 由于反应式步进电机的性能比比较高 因此这种步进电机应用的非常广泛 在单片机系统中 尤其大量使用 2 1 3 步进电机的特点 1 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比 因此 当它转一转后 没累计误差 具有良好 的跟随型 2 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统 既非常简单 又非常可靠 同时 它也可以与 角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统 3 步进电机的动态响应快 易于起停 正反转及变速 4 速度可在相当宽的范围内平滑调节 低速下仍能保证获得大转矩 因此 一般可以不用减速 器而直接驱动负载 5 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行 它不能直接使用交流电源和直流电源 6 步进电机存在振荡和失步现象 必须对控制系统和机械负载采取相应的措施 7 步进电机自身的噪声和振动较大 带惯性负载的能力较差 2 1 4 步进电机的工作原理 1 反应式步进电机 下面先叙述三相反应式步进电机原理 1 结构 电机转子均匀分布着很多小齿 定子齿有三个励磁绕阻 其几何轴线依次分别与转子齿轴线 错开 0 1 3 2 3 相邻两轴子齿轴线间的距离为齿距以 表示 即 A 与齿 1 相对齐 B 与齿 2 向右错开 1 3 C 与齿 3 向右错开 2 3 A 与齿 5 相对齐 A 就是 A 齿 5 就是齿 1 定转子的展开图如图 2 1 2010 届电子信息工程毕业设计 5 图 2 1 定转子的展开图 2 旋转 如 A 相通电 B C 相不通电时 由于磁场作用 齿 1 与 A 对齐 转子不受任何力以下均同 如 B 相通电 A C 相不通电时 齿 2 应与 B 对齐 此时转子向右移过 1 3 此时齿 3 与 C 偏移 为 1 3 齿 4 与 A 偏移量公式为 1 3 2 3 2 1 如C相通电 A B相不通电 齿3应与C对齐 此时转子又向右移过1 3 此时齿4与A偏移为 1 3 对齐 如A相通电 B C相不通电 齿4与A对齐 转子又向右移过1 3 这样经过 A B C A分别通电状态 齿4 即齿1前一齿 移到A相 电机转子向右转过一个齿距 如果不断 低按A B C A 通电 电机就每步 每脉冲 1 3 向右旋转 如按A C B A 通电 电机就反转 由此可见 电机的位置和速度由导电次数 脉冲数 和频率成一一对应关系 而方向由导电 顺序决定 不过 出于对力矩 平稳 噪音及减少角度等方面考虑 往往采用A AB B BC C CA A 这种导电状态 这样将原来每步1 3 改变为1 6 甚至于通过二相电流不同的组合 使其1 3 变为1 12 1 24 这就是电机细分驱动的基本理论依据 不难推出 电机定子上有m相励磁绕阻 其轴线分别与转子齿轴线偏移1 m 2 m m 1 m 1 并且导电按一定的相序电机正反转就能被控制 这是步进电机旋转的物理条件 3 力矩 电机一旦通电 在定转子间将产生磁场 磁通量 当转子与定子错开一定角度产生力F与 d d 成正比 其磁通量公式为 Br S 2 2 式中Br为磁密 S为导磁面积 F与L D Br成正比 L为铁芯有效长度 D为转子直径 磁密Br公式 为 Br N I R 2 3 式中N I为励磁绕阻安匝数 电流乘匝数 R为磁阻 力矩公式为 力矩 力 半径 2 4 力矩与电机有效体积 安匝数 磁密 成正比 只考虑线性状态 因此 电机有效体积越大 磁安匝数越大 定转子间气隙越小 电机力矩越大 反之亦然 2 感应子式步进电机 魏兰 步进电机控制系统的设计 6 1 分类 感应子式步进电机以相数可分为 二相电机 三相电机 四相电机 五相电机等 2 特点 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比 结构上转子加有永磁体 以提供软磁材料 的工作点 而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能 因此该电机效率高 电流小 发热低 因永磁体的存在 该电机具有较强的反电势 其自身阻尼作用比较好 使其在 运转过程中比较平稳 噪音低 低频振动小 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机 一个四相电机可以作四相运行 也 可以作二相运行 必须采用双极电压驱动 而反应式电机则不能如此 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致 小功率电机一般直接接为二相 而功率大一 点的电机 为了方便使用 灵活改变电机的动态特点 往往将其外部接线为八根引线 四相 这样使用时 既可以作四相电机使用 可以作二相电机绕组串联或并联使用 2 1 5 步进电机的控制方式 如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流 就可以控制电机的转动 从而实现数字 一角度的转换 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 本次采用两相步进电机 所以以设计中步进电机正转为例 时序如表 2 1 步进 P0 3P0 2P0 1P0 0 OFCH11100 OF9H21001 OF3H30011 OF6H40110 表 2 1 2 相步进电机激磁方式正转时序 2 1 6 步进电机的驱动方式 步进电机常用的驱动方式是全电压驱动 即在电机移步与锁步时都加载额定电压 为了防止 电机过流及改善驱动特性 需加限流电阻 由于步进电机锁步时 限流电阻要消耗掉大量的功率 故限流电阻要有较大的功率容量 并且开关管也要有较高的负载能力 步进电机的另一种驱动方 式是高低压驱动 即在电机移步时 加额定或超过额定值的电压 以便在较大的电流驱动下 使 电机快速移步 而在锁步时 则加低于额定值的电压 只让电机绕组流过锁步所需的电流值 这 样 既可以减少限流电阻的功率消耗 又可以提高电机的运行速度 但这种驱动方式的电路要复 杂一些 驱动脉冲的分配可以使用硬件方法 即用脉冲分配器实现 现在 脉冲分配器已经标准 化 芯片化 市场上可以买到 但硬件方法结构复杂 成本也较高 步进电机控制 包括控制脉冲 的产生和分配 也可以使用软件方法 即用单片机实现 下面图2 2给出具体的使用单片机以软件 方式驱动步进电机的实现方法 2010 届电子信息工程毕业设计 7 图 2 2 驱动电源与单片机及电机接线图 说明 CP 接 CPU 脉冲信号 负信号 低电平有效 OPTO 接 CPU 5V FREE 脱机 与 CPU 地线相接 驱动电源不工作 DIR 方向控制 与 CPU 地线相接 电机反转 VCC 直流电源正端 GND 直流电源负端 A 接电机引出线红线 A 接电机引出线绿线 B 接电机引出线黄线 B 接电机引出线蓝线 步进电机转速越高 力距越大则要求电机的电流越大 驱动电源的电压越高 电压对力矩影 响如图 2 3 图 2 3 电压对力矩影响 2 1 7 步进电机的单片机控制 步进电机控制的最大特点是开环控制 不需要反馈信号 因为步进电机的运动不产生旋转量 的误差累积 由单片机实现的步进电机控制系统如图2 4所示 单 片 机 负 载 步 进 电 机 驱 动 电 路 图2 4 单片机控制步进电机 2 1 8 步进电机的选择 步进电机有步距角 涉及到相数 静转矩及电流三大要素组成 一旦三大要素确定 步进电 魏兰 步进电机控制系统的设计 8 机的信号便确定下来了 1 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求 将负载的最小分辨率 当量 换算到电机轴上 每个 当量电机应走多少角度 包括减速 电机的步距角应等于或小于此角度 目前市场上步进电机的 步距角一般有0 36度 0 72度 五相电机 0 9度 1 8度 二 四相电机 1 5度 3度 三相电机 等 2 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定 我们往往先确定电机的静力矩 静力矩选择的依据是 电机工作的负载 而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种 单一的惯性负载和单一的摩擦负载时 不存在的 直接起动时 一般有低速 时二种负载均要考虑 加速起动时主要考虑惯性负载 恒 速运行时只要开率摩擦负载 一般情况下 静力矩应为摩擦负载的2 3倍内为好 静力矩一旦选定 电机的机座及长度便能确定下来 几何尺寸 3 电流的选择 静力矩一样的电机 由于电流参数不同 其运行特性差别很大 可依据矩频特性曲线图 判 断电机的电流 参考驱动电源及驱动电压 4 力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用 其功率是变化的 一般只用力矩来衡量 力矩与功率 换算如下 P M 2 n 60 P 2 nM 60 2 5 其P为功率 单位为瓦特 为每秒角速度 单位为弧度 n为每分钟转速 M为力矩 单位为 牛顿 米 P 2 fM 400 半步工作 2 6 其中f为每秒脉冲数 简称PPS 2 2 驱动芯片L298N L298N是SGS 通标标准技术服务有限公司 公司的产品 比较常见的是15脚 Multiwatt封装 的L298N 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 可驱动46V 2A以下的电机 其引脚 排列如图2 4所示 2010 届电子信息工程毕业设计 9 图 2 5 驱动芯片 L298N 2 2 1 引脚说明 L298N 的引脚 9 为 LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss 即逻辑供应电压 引脚 4 为 SUPPLY VOLTAGE Vs 即驱动部分输入电压 Vss 电压要求输入最小电压为 4 5V 最大可达 36V Vs 电压最大值也 是 36V 但经过我的实验 Vs 电压应该比 Vss 电压高 否则有时会出现失控现象 它的引脚 2 3 13 14 为 L298N 芯片输入到电动机的输出端 其中引脚 2 和 3 能控制两相电 机 对于直流电动机 即可控制一个电动机 同理 引脚 13 和 14 也可控制一个直流电动机 引 脚 6 和 11 脚为电动机的使能接线脚 引脚 5 7 10 12 为单片机输入到 L298N 芯片的输入引脚 表 2 2 是其使能 输入引脚和输出引脚的逻辑关系 EN A B IN1 IN3 IN2 IN4 电机运行情况 H HL正转 H LH反转 H 同 IN2 IN4 同 IN1 IN3 快速停止 L XX停止 表 2 2 使能 输入引脚和输出引脚的逻辑关系 控制使能引脚 ENA 或者 ENB 就可以实现 PWM 脉宽速度调整 1 脚和 15 脚可单独引出连接电流采样电阻器 形成电流传感信号 也可以直接接地 在设计 中可将它们直接接地 引脚 8 为芯片的接地引脚 它与 L298N 芯片的散热片连接在一起 由于本芯片的工作电流比 较大 发热量也比较大 所以在本芯片的散热片上又连接了一块铝合金 以增大它的散热面积 2 2 2 芯片部分参数 1 逻辑部分输入电压 6 7V 2 驱动部分输入电压 Vs 4 8 46V 3 逻辑部分工作电流 Iss 36mA 4 驱动部分工作电流 Io 2A 5 最大耗散功率 25W T 75 6 控制信号输入电平 高电平 2 3V Vin Vss 低电平 0 3V Vin 1 5V 7 工作温度 25 130 魏兰 步进电机控制系统的设计 10 8 驱动形式 双路大功率 H 桥驱动 2 3 AT89C51 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程课擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦 除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和 输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是 一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供 了一种灵活性高且价廉的方案 2 3 1 引脚图 图 2 6 AT89C51 引脚图 2 3 2 主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 2010 届电子信息工程毕业设计 11 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24MHz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 3 3 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管 脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为数 据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输 出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为输 入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部 程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特 殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低 电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如表 2 3 所示 口管脚备选功能 P3 0 RXD串行输入口 P3 1 TXD串行输出口 P3 2 INT0外部中断 0 P3 3 INT1外部中断 1 P3 4 T0记时器 0 外部输入 魏兰 步进电机控制系统的设计 12 P3 5 T1记时器 1 外部输入 P3 6 WR外部数据存储器写选通 P3 7 RD外部数据存储器读选通 表 2 3 P3 口备选功能 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信 号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意 的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地 址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内 部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部 程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 2 3 4 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片内振荡器 石 晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输 入至内部时 钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高 低电平要求的宽度 2 3 5 芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持 ALE 管脚处于低 电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且在任何非空存储字节被重复编程以 前 该操作必须被执行 此外 AT89C51 设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支持两种软件可选的 掉电模式 在闲置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定时器 计数器 串口和中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存 RAM 的内容并且冻结振荡器 禁止所用其他芯片功能 直到下一个硬件复位 为止 第三章 系统软件设计 3 1 系统软件设计的基本原则 系统中控制任务的实现最终是靠控制软件来完成的 控制软件的设计将直接决定整个系统的 2010 届电子信息工程毕业设计 13 控制性能 以下首先阐述一下软件设计的一些基本要求 然后再概述本系统软件的设计方案 1 实时性 单片机必须在一定的时间内 完成一系列的软件处理过程 如对系统的输入信号进行采样 计算 逻辑判断和分析 按照规定的控制算法进行数值计算 输出各种控制信号 以及对可能出 现的故障进行及时处理 2 可靠性 软件的可靠性是指软件在运行过程中避免发生故障的能力 以及一旦发生故障后的解脱和排 除故障的能力 因此 为了让提高软件的可靠性 软件设计时要考虑系统运行过程中可能出现的 一切非正常情况 且在系统一旦出现故障 如用户操作有误 或发生程序受外界严重干扰而 跑 飞 等情况时 也要有一定的对策 以防止对系统造成严重损失 3 可维护性 一个完整的控制软件 通常需要一个不断地设计 调试 修改和完善的过程 才会最终满足 系统所需的功能要求 因此 在软件的总体设计时 必须要良好的程序结构设计 以便于程序的 反复调试 修改和补充 并保证最终的软件仍只有简洁明了的结构 现在我们所学所用的单片机编程语言主要有二种 汇编语言 C 语言 其中 C 语言属于高级 语言 它的优点是本身具有丰富的库函数和数据类型封装 程序编制简单 可读性强 缺点是程 序生成机器代码的效率低 汇编语言则相反 汇编语言是符号表示的指令 是对机器语言的改进 它是直接对硬件操作的语言 因此 每 一条汇编语言对应一定的硬件操作 意义明确 调试时十分方便 它具有很高的编译效率和执行 效率 由于本人对汇编语言较熟悉 再加上本控制系统软件功能较少 程序短小 所以在本次设 计中采用汇编语言编写程序 3 2 系统软件设计思想 本设计编程采用制表的方法 步进电机正转采用 2 相激磁方法 时序如表 3 1 所示 步进 P0 3P0 2P0 1P0 0 OFCH11100 OF9H21001 OF3H30011 OF6H40110 表 3 1 2 相激磁方式正转时序 步进电机反转采用 1 2 相激磁方法 时序如表 3 2 所示 步进 P0 3P0 2P0 1P0 0 OF7H10111 OF3H20011 OFBH31011 OF9H41001 OFDH51101 OFCH61100 OFEH71110 魏兰 步进电机控制系统的设计 14 OF6H80110 表 3 2 1 2 相激磁方式反转时序 3 3 软件设计总流程图 程序设计总流程图如图 3 1 所示 开始 结束 读取表格 输出 按K1 正转 按键扫描 按K3 停止 按K2 反转 图 3 1 程序流程图 3 4 程序设计 3 4 1 主要控制程序 STOP MOV P0 0FFH 步进电动机停止 LOOP JNB K1 Z M2 是否按 K1 是则正转 JNB K2 F M2 是否按 K2 是则反转 JNB K3 STOP1 是否按 K3 是则停止 JMP LOOP 转至 LOOP 处 此程序是本设计的主要控制程序 通过此程序中对 K1 键和 K2 键按下否来判断是否调用正转 子程序和调用反转子程序 通过判断 K3 键按下否来确定步进电机是否停止 3 4 2 消抖程序 STOP1 ACALL DELAY 按 K3 的消除抖动 JNB K3 K3 放开否 ACALL DELAY 放开消除抖动 JMP STOP 电机停止 此程序为 K3 键消除抖动程序 在按 K3 时 调延时子程序 延时一小段时间来消除按键时的 抖动 放开 K3 时 原理与按下 K3 时相同 3 4 3 延时程序 DELAY MOV R1 40 延时时间 20Ms D1 MOV R2 248 2010 届电子信息工程毕业设计 15 DJNZ R2 DJNZ R1 D1 RET 延时程序是电机运转两部之间的间隔时间 决定电机的转速 延时时间长 送入电机的脉冲 信号频率低 电机转速慢 延时时间短 送入电机的脉冲信号频率高 电机转速快 所以 在此 延时程序里改变延时时间久可以改变电机的转速 第四章 系统软件仿真 4 1 软件仿真结果 图 4 1 至图 4 3 为系统仿真截图 其中图 4 2 为步进电机逆时针运转 图 4 3 为步进电机顺时 针运转 图 4 1 步进电机未启动 魏兰 步进电机控制系统的设计 16 图 4 2 步进电机逆时针运转 图 4 3 步进电机顺时针运转 4 2 仿真结果分析 2010 届电子信息工程毕业设计 17 仿真结果说明 采用单片机和驱动芯片 L298 来控制步进电机的控制系统的所有控制功能正常 拟解决的主要问题问题也已解决 结合图 4 1 图 4 2 和图 4 3 可以看出本设计用户能够通过按键 控制步进电机的起停和正反转 当按下 K1 时 步进电机顺时针运转 当按下 K2 时 步进电机逆 时针运转 按 K3 时 电动机停止转动 本程序是通过 K1 K2 和 K3 3 个按钮开关控制步进电机 转动和改变转向 电机使用 1 2 相激磁 编程时采用制表的方法 程序正转与反转的脉冲频率相 同 但由于使用的激磁方法不一样 反转使用 1 2 相激磁法 故反转速度是正转的一半 4 3 功能说明 单片机的 P3 2 P3 4 引脚 分别接有按钮开关 K1 K2 和 K3 用来控制步进电动机的转向 1 开始供电时 步进电动机停止 2 按 K1 时 电动机正转 按 K2 时 电动机反转 3 按 K3 时 电动机停止转动 正转采用 2 相激磁方式 反转采用 1 2 相激磁方式 结论 仿真结果说明 采用单片机和驱动芯片 L298 来控制步进电机的控制系统的所有控制功能正常 拟解决的主要问题问题也已解决 本设计拟解决的主要问题如下 步进电机的基本原理 步进电机的基本控制方法 汇编语言的熟知及运用 仿真器及软件的使用 步进电机的控制功能分析 由本设计可以看出 以单片机和驱动芯片为核心的步进电机控制系统电路简单 容易操作和 改良 而且大大节约了硬件开发的成本 是未来步进电机被利用发展的方向 但本次设计仅从系 统构建角度和基本控制功能上考虑 并未对步进电机被利用行业所需的控制功能来深入研究 如 步进电机被利用于机床 轮船等行业的控制考虑不周 本控制系统的控制功能加强 其步进电机 的转速设置等诸多问题在设计时考虑不够周全 这些问题都可以通过程序来解决 可以使其控制 系统更加简单明了 容易操作 致谢 本次设计的完成 首先要感谢母校 重庆三峡学院的辛勤培育之恩 其次要感谢我的指导 老师王悦善老师给我的指导和帮助 给我提供了良好的实验设计环境和很好的意见 在王老师的 悉心指导与无微不至的关怀帮助下 才使我的设计得以顺利完成 王老师为本课题的设计提出了 许多指导性的意见 为设计报告的撰写 修改提供了许多具体的指导和帮助 他严谨治学 不断 探索的科研作风 给我留下了深刻的印象 使我受益匪浅 是我今后人生路上的最好榜样 此外 魏兰 步进电机控制系统的设计 18 我还要感谢系上的领导和老师对我的关心和帮助 你们给予我很大的支持和关怀 为我创造了良 好的外部环境 值此机会 我向你们说声谢谢 同时 还要感谢班上的同学和寝室的姐妹们 为 我提供了一个轻松活跃的交流氛围 在学习和生活上给予我了无私的帮助 在此就要感谢评阅老 师对本论文进行的认真评阅和批评指正 最后 向所有给予我关怀和帮助的师长和同学们表示衷 心的感谢 参考文献 1 姚凯学 孟传良 单片机原理及应用 M 重庆大学出版社 1998 2 王小明 电动机的单片机控制 M 北京航空航天大学出版社 2002 3 王守中 51 单片机开发入门与典型实例 M 人民邮电出版社 2007 4 张广溢 郭前岗 电机学 M 重庆大学出版社 2002 5 楼然苗 李光飞 51 系列单片机设计实例 M 北京航空航天大学出版社 M 2003 6 李源生 电工电子技术 M 北京交通大学出版社 2004 7 宋锦河 步进电机控制系统的快速实现 J 鄂州大学学报 2004 11 4 4 7 8 刘文涛 单片机语言 C51 典型应用设计 M 人民邮电出版社 2005 9 赵博文 刘文涛 单片机语言 C51 程序设计 M 人民邮电出版社 2005 10 求是科技 单片机典型模块设计实例导航 M 人民邮电出版社 2004 11 章小红 电子绞边装置及其控制系统设计 C 苏州大学 2007 12 王玉琳 步进电动机的软件脉冲分配 J 制造技术与机床 2006 7 13 王玉琳 步进电机的速度调节方法 J 电机与控制应用 2006 1 14 蔡志健 丁爱萍 小功率步进电机控制器的设计 J 上海师范大学学报 自然科学版 2005 34 4 42 46 15 毛玉蓉 翁惠辉 刘钢 一种基于单片微机的步进电机控制系统 J 电气传动 2003 6 32 34 2010 届电子信息工程毕业设计 19 Design of Stepper Motor Control System WEILan Grade 2006 Major in electronic information engineering School of Applied Tchnology Chongqing Three Gorges University Wanzhou Chongqing 404000 Abstract The design is based on AT89C51 microcontroller controlled stepper motor control system The hardware design uses a combination of L298 driver chip microcomputer to control the stepper motor is given circuit Software design programming using tabulation method are given control procedures and the total flow The design is based on SCM stepper motor control system take full advantage of rapid start and stop of the stepping motor high precision and can receive digital signals directly to the characteristics of rapid start and stop positive inversion functions