基于PIC单片机的步进电机控制器设计毕业论文.doc

长春理工大学本科毕业设计基于PIC单片机的步进电机控制器设计毕业论文目录摘要IAbstractII绪论1第1章 概述21.1 课题背景21.2 单片机简介21.3主要研究工作3第2章 步进电机的原理及驱动42.1 步进电机的概述及原理42.2 步进电机的驱动72.3 步进电机控制系统的构成9第3章 PIC单片机控制步进电机的方法103.1 PIC16F87X单片机介绍103.2 步进电机的控制方法113.3 PIC单片机对步进电机的控制12第4章 步进电机控制器硬件设计系统134.1硬件系统结构134.2控制系统总体电路134.3石英多谐振荡器电路164.4单片机与LCD显示屏接口电路（8位并行模式）164.5 键盘接口电路174.6单片机与步进电机接口驱动电路184.7步进电动机的选型19第5章 步进电机控制器的软件系统设计205.1 控制系统总流程图205.2系统监控模块流程图205.3 步进电机转速模块215.4 键盘识别处理模块225.5 LCD显示模块流程图225.6 控制信号产生模块235.7 系统中断模块245.8 步进电机加减速模块26结论29致谢30参考文献31附件一：32II长春理工大学本科毕业设计绪论步进电机是机电控制中一种常用的执行机构。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，具有快速启动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲严格同步，具有较高的重复定位精度，并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动和负载的影响，而且由于步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，在简易数控机床，数字绘图仪，点阵打印机，家用电器等大量角度、速度、位移控制系统中，得到了极其广泛的应用。但是步进电机的驱动信号往往还是有专门的模拟芯片控制器或者信号发生器产生，缺乏灵活性和可靠性。尤其在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片及信号发生器来控制步进电机有一定的局限。而利用单片机进行脉冲控制，控制精度高，外围电路相对也比较简单，因此在工业应用场合，基于单片机的步进电机控制器应用广泛。PIC系列8位单片机是美国Microchip Technology公司推出的精简指令集计算机（RISC）结构的嵌入式控制器，其硬件系统设计简洁，指令系统设计简练。PIC系列单片机具有体积小，功能强，功耗低、设计开发灵活方便和价格低廉等特点，可以应用在数字化仪器仪表，自动测试和控制，智能化家用电器等领域。基于PIC单片机的上述特点，本设计采用PIC16F877单片机作为控制系统核心，具体介绍了一个步进电机运动控制系统的结构组成，既包括硬件设计，也有具体的软件实现。该控制系统可实现如下功能：（1）通过键盘可以设定步进电机的转速及转数（以整转为单位）；（2）通过键盘可以设定步进电机转向；（3）键盘所设置的参数可以通过LCD进行实时显示。第1章 1.1 课题背景 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制执行机构。步进电机的转子速度与脉冲的频率成正比关系，脉冲数将决定转子的起停，而不受负载变化的影响，非常易于受单片机的控制。因此，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；同时还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。步进电机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备上取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快的促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。课题通过单片机对步进电机的转速进行精确控制，满足了现代工业对步进电机的高要求。1.2 单片机简介单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机的主要应用领域：（1）智能化家用电器：各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等；（2）办公自动化设备：现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等；（3）商业营销设备：在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制；（4）工业自动化控制：工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制；（5）智能化仪表：采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等；（6）智能化通信产品：最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机；（7）汽车电子产品：现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。1.3主要研究工作硬件设计方面：通过PIC单片机实验加深对步进电机的工作情况和驱动电源的了解，根据功能需要选择系统硬件的电路元器件和型号，设计电路并能解决现实抗干扰问题，最后画出电路原理图。软件设计方面：通过汇编语言或C语言编写核心模块对步进电机进行控制。最终调试出一个正确的步进电机控制程序，能够调节步进电机的角度和速度。由于转速是通过调节脉冲频率实现的，所以设计脉冲分配采用完全软件方式，既按照给定的通电换向顺序，通过单片机I/O口向驱动电路发出控制脉冲，这样就避免采用复杂脉冲分配芯片，来实现单片机对步进电机的控制。第2章 步进电机的原理及驱动2.1 步进电机的概述及原理（一）概述（1）步进电机类型现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。（2）步进电机指标 单：每次切换前后只有一相绕组通电 双：每次有两相绕组通电 相：步进电机定子绕组的对数 拍：从一种通电状态转换到另一种通电状态 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态（用n表示），或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度/（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（504）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（508）=0.9度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。（3）步进电机的特点一般步进电机的精度为步进角的35%，且不累积。步进电机外表允许的最高温度。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8090度完全正常。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。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,并伴有噪声。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，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）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。（4）步进电机在应用中的注意点步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在10003000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低；步进电机最好不要使用整步状态，因为整步状态时振动大；只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压可根据驱动器选择驱动电压，当然12V的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温度的变化；转动惯量大的负载应选择大机座号电机；电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速；高精度时，应通过机械减速、提高电机速度或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是不准确的。（二）步进电机的原理 步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，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。步进电机的驱动电路是根据控制信号来工作的，控制信号则是由PIC由单片机产生。其基本原理如下：（1）控制步进电机的速度如果单片机给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲之间的间隔越短，步进电机就会转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机的转速进行调整。（2）控制换相顺序脉冲分配是指通电换相这一过程。四相步进电机的工作方式如下：单相四拍工作方式：正转通电顺序为：A-B-C-D-A反转通电顺序为：D-C-B-A-D四相八拍工作方式：正转通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A反转通电顺序为：D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D控制步进电机的转向，如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图2-1四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。2.2 步进电机的驱动(一)步进电机的驱动系统步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。(二)步进电机的驱动方式步进电机比较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。为防止电机过流和改善驱动特性需要加限流电阻。由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗掉大量的功率。因此，限流电阻要有较大功率容量，并且开关管也必须有较高的负载能力。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，在较大电流驱动下，使电机快速移步。而在锁步时则加低于额定值的电压，只让电机绕组渡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，又可以提高电机运行速度，但这种驱动方式的电路相对要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即使用脉冲分配器实现。现在脉冲分配器已经标准化，芯片化，市场上可以买到。但硬件方法不但结构复杂，而且成本也较高。步进电机控制也可以使用软件方法，即使用单片机实现，这样不但简化了电路，而且也降低了成本。使用单片机以软件方法，驱动步进电机，不但可以通过编程方法在一定范围内自由地设定步进电机的转速，往返转动的角度以及转动次数等，而且还方便灵活控制步进电机的运行状态。图 2-2驱动器构成步进电动机驱动器的主要构成如图2-2所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有多种保护线路。环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者按反序转换，于是就决定了步进电动机的转向。接受CP脉冲和方向电平是环形分配器的最基本功能。从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级。信号放大的作用是将环形分配输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这中间一般既需电压放大，也需电流放大。信号处理级是实现信号的某些转换、合成、产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大信号。有时，推动级还承担电平转换的作用。保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。有时还需要对输入信号进行监护，发现输入异常也提供保护动作。驱动级直接与步进电动机各相绕组连接，它接受来自推动级的信号，控制电动机各相绕组的导通与截止，同时也对绕组承受的电压和电流进行控制。 2.3 步进电机控制系统的构成步进电机控制系统由步进电机、功率放大器和步进控制器组成，如图2-3所示。图 2-3步进电机控制系统组成图步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等。其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正反向控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本高，限制了它的应用。第3章 PIC单片机控制步进电机的方法3.1 PIC16F87X单片机介绍PIC单片机是一种用来开发的控制外围设备的集成电路。一种具有分散作用功能的CPU。PIC单片机有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制运行。然而，处理能力和存储容量却很有限，这主要取决于PIC的类型。但是它们的最高操作频率大约都在20MHz左右，存储器容量用做写程序的大约1K-4K字节。PIC单片机可以把计算部分、内存、输入和输出等都做在一个芯片内，所以它的工作效率很高，功能也能自由定义还可以灵活的适应不同的控制要求，而不必去更换不同的IC，美国Microchip公司的PIC系列单片机主要有以下特点：（1）哈佛总线结构；（2）指令单字节化；（3）寻址方式简单；（4）精简指令集（RISC）技术；（5）代码压缩率高；（6）运行速度高；（7）功耗低；（8）驱动能力强，达到20mA的电流驱动能力；（9）自带硬件看门狗电路；（10）外接电路简单；（11）开发方便。这些特点使PIC系列单片机越来越受到中国用户的青睐，在工业控制，智能仪表等不同领域得到广泛的应用。PIC16F87X系列单片机是Microchip公司于1998年年底推出的新产品，可以实现在线调试和在线编程。本设计系统采用PIC16F877型号单片机作为控制芯片来实现步进电机的旋转，调速以及LCD显示等功能，下面介绍一下该类型单片机的结构及用到的各模块。 （一）基本功能模块 首先对PIC16F877单片机的基本功能区域所包含的主要部件及其功能进行介绍，以便对其基本功能硬件有一个概要的认识。基本功能区域的主要功能模块包括以下7部分，它们是：程序控制区域，数据存储区域，E2PROM数据存储区域，算数逻辑运算区域，输入/输出端口模块、多功能定时器模块，核心模块。本设计没有用到该类型单片机的专用功能模块，在此将不再赘述。下面主要介绍一下用到的输入/输出端口模块和多功能定时模块。（二）输入输出模块PIC16F877单片机具有丰富的接口资源，共设置有5个输入输出端口，分别为RA（6位）、RB（8位）、RC（8位）、RD（8位）、RE（3位），合计共有33个引脚。大多数引脚除了具有I/O功能外，还配置有其它特殊功能。通用I/O引脚可以看作是最简单的外设，PIC单片机通过I/O端口监视和控制其它设备，为了增强器件的灵活性和功能，一些引脚被定义为多功能复用引脚。这些功能由器件上相应外设的特点决定。一般来说，当相应的外设使能时，其对应的引脚不能作为通用I/O引脚使用。（三）定时器/计数器模块定时器/计数器模块的正常工作一般表现为计数累计功能，通常是由时钟脉冲来驱动的。该时钟可以是单片机本身的工作时钟，即使用内部时钟，称之为定时器；也可以使用外部引脚输入的时钟，即使用外部的时钟输入来累计，称之为计数器。PIC16F877单片机配置3个定时器/计数器模块，分别为TMR0，TMR1和TMR2。本控制系统主要利用TMR0的定时功能为步进电机合理分配脉冲宽度以达到调节电机转速的目的。下面主要介绍TMR0的功能特性及与该模块相关的寄存器。TMR0定时器/计数功能主要是基于一个8位累加定时/计数寄存器TMR0，采用时钟信号的上升沿，下降沿触发计数方式。TMR0在RAM数据寄存器中具有特定的地址001H和101H，可通过软件指令进行读/写操作。另外，TMR0带有一个可编程预分频器，可达到定时/计数的扩展效果。在TMR0计数溢出时，相应的溢出中断标志自动置位，可通过设置TMR0中断使能状态而产生溢出中断。定时器/计数器TMR0主要设计有4个寄存器，它们分别是定时器/计数器TMR0，选项寄存器OPTION_REG，中断控制寄存器INTCON，方向寄存器TRISA。本控制系统主要是靠改变TMR0的计数初值以及OPTION_REG中的分频比来调节脉冲的宽度，以达到精确调速的目的。 3.2 步进电机的控制方法（一）并行方式用PIC单片机和R1的数据输出信号直接控制步进电机各相驱动电路的方式，称为并行控制。在步进电机驱动电源内包括环形分配器，但其功能由单片机系统完成。由系统实现脉冲分配有2种方法，一是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止信号，主要有寄存器移位法和缓冲区查表法；二是软硬件相结合的方法，单片机向可编程接口芯片8255输出控制信号数据，在由可编程接口芯片输出步进电机的各相导通或截止的控制信号。（二）串行方式将PIC单片机与串行接口芯片8251组成串行控制系统，与步进电机驱动电源相连，通过将控制信号送入电源中的环形分配器，再经功率放大器放大，就可控制步进电机的运行，如图3-1所示。 图3-1步进电机的串行方式控制图 3.3 PIC单片机对步进电机的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3-2图3-2 单片机控制步进电机假定以PIC单片机的RB口线接步进电机的绕组，输出控制电流脉冲，其中RB0接A，RB1接B，RB2接C。双相三拍控制模型如表3-1所示表3-1步序RB口输出状态绕组控制字100000011AB03H200000110BC06H300000101CA05H把控制字写入程序即可。第4章 步进电机控制器硬件设计系统4.1硬件系统结构本控制系统采用PIC16F877单片机作为控制核心，通过键盘输入指令，产生各种控制信号，实现步进电机的转速和转向的控制，并可通过LCD显示系统的运行状态。系统电路由五部分组成，即输入、显示部分；PIC单片机；驱动控制电路；直流电压源及步进电机。控制系统总体结构框图如图4-1所示。该控制系统可实现如下功能：（1）通过键盘可以设定步进电机的转速及转数（以整转为单位）；（2）通过键盘可以设定步进电机转向，（3）键盘所设置的参数可以通过LCD进行实时显示。由于本控制系统所控制的电机类型为两相六线混合式步进电动机，因此系统由PIC16F877单片机的PORTA端口产生A和-A、B和-B两相信号。为提高系统的驱动能力，在单片机与步进电机之间增加控制驱动电路。图4-1 控制系统总体结构框图4.2控制系统总体电路本控制系统硬件总体电路以单片机作为系统核心，主要由PIC16F877单片机及单片机工作外围电路、步进电机控制驱动电路、LCD显示屏接口电路、键盘输入电路等组成。在该系统中输入由单片机接口电路构成的1*4键盘完成，单片机根据输入的键值控制步进电机的脉冲分配，输出脉冲控制电动机的运行以及LCD显示屏实时对步进电机的状态进行相应的显示。由于本设计所要控制的步进电机功率较小，步距角也相对较小，所要求实现的控制精度要求也不是很高，因此采用单极性驱动电路并且省略了细分驱动电路，硬件电路相对来说比较简单。控制系统电路图如图4-2所示。图4-2控制系统总体电路图 4.3石英多谐振荡器电路 多谐振荡器是一种自激励振荡器，它在接通电源之后，并不需要外加触发信号，就能自动的产生矩形脉冲。因为振荡器作为模拟步进电机的脉冲源使用，它的频率就会直接影响到电机运转的稳定性，所以本系统对多谐振荡器振荡频率有严格要求。因此将石英晶体接入多谐振荡器电路中，组成石英晶体多谐振荡器。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0，而与外接电容、电阻无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外行尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度可达到，工作频率可达到几十兆赫。采用工作频率为4MHz的石英晶振与对称式的多谐振荡器中的耦合电容串联起来组成了如图4-3所示的石英晶体多谐振荡器。 图 4-3石英晶体多谐振荡器接口4.4单片机与LCD显示屏接口电路（8位并行模式）8位并行模式下，模块与单片机的接口电路如图4-4所示。模块的数据线可与单片机数据线直接相连。OCMJ48C液晶模块的读写控制信号R/W由PIC16F877单片机的RB4来控制，RB3连接液晶模块的片选信号E，RB5连接指令和数据通道选择信号RS（CS），RB2连接液晶模块的并行模式和串行模式的数据选择信号PSB，RB1连接液晶模块的复位信号/RST，因此液晶模块的复位有PIC16F877单片机的程序控制。另外在本设计中我们使用PORTD作为单片机与液晶的数据接口。图4-4 单片机与LCD显示屏接口电路 4.5 键盘接口电路由于本控制系统只用到六个个按键，所以使用最简单的方法即将按键直接与单片机引脚相连，一个按键对应一个引脚。单片机与键盘接口电路如图4-5所示。单片机的RC1与键盘的确认键S1相连，RC2连接键盘的电机方向设置键S2，RC3连接速度设置键、转数增按键S3，RC4连接电机转数减按键S4，RC5连接启动键S5，S6为按键复位键。图4-5单片机与键盘接口电路 4.6单片机与步进电机接口驱动电路本控制系统采用PIC16F877单片机产生脉冲控制信号。单片机内部的RAM和ROM即可满足该设计的要求。步进电机控制信号将PIC16F877单片机的PORTA端口的RA1、RA2、RA3、RA5，4个引脚输出的具有时序的高低电平作为步进电机的控制信号，用于作用在作为开关的三极管基极以导通三极管，使直流电压源能直接向步进电机供电。KP39HM2-025型混合式步进电动机是两相六线制步进电动机，导线颜色分别为红色、红色、黄色、橙色、黑色、棕色。其中两根红色导线为公共端，接12V稳压电源，黄色、橙色、黑色、棕色导线依次为电动机A相、A非相、B相、B非相。由于单电压驱动电路结构简单，功率驱动元件少，成本低，适用于驱动小功率步进电动机或用于性能指标要求不高的场合，基于上述特点与本设计的要求恰好符合故采用此驱动电路对步进电机进行驱动。图4-6为单电压功率驱动电路的原理图（只画出其中一相）。来自单片机的信号电压经过电流放大后加到三极管VT的基极，控制VT的导通和截止，从而控制相绕组的通电和断电。R和VD构成了相绕组关断时的续流电路。由于电感的存在，绕组的通电和断电不能瞬时完成，电流上升缓慢会导致电机的动态转矩下降，因此应缩短电流上升的时间常数，使电流前沿变陡。通常在绕组回路中串入电阻Rs，使绕组回路的时间常数减小。图4-6电路4.7步进电动机的选型在本控制系统的设计中，采用日本某公司出产的两相六线混合式步进电动机，其型号为KP39HM2-025。具体参数为：相电压12V；相电流0.2A；阻抗63；精度1.8DEG/STEP第5章 步进电机控制器的软件系统设计5.1 控制系统总流程图在本控制系统中，相应的控制信号由单片机来产生，根据需要通过键盘输入电机的转动方向，转动速率及运行转数，并通过LCD显示屏将电动机各种设置信息及运行状态实时显示，当各参数设置完毕时按下启动键，使步进电机按要求进行工作。所以软件部分共有4大模块组成：系统监控，键盘识别处理，LCD显示程序，控制信号产生程序。本控制系统完全采用软件的方式，按照给定的通电换向顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。控制系统总流程图如图5-1所示。图5-1 控制系统总流程图5.2系统监控模块流程图在系统监控中，应完成系统的启动，进行键盘扫描，得到相应键值，完成对步进电机转向，转速，运行转数等参数的设置，使设置参数在LCD显示屏动态显示出来，并使步进电机按照要求进行工作。该模块的流程图如图5-2所示。图5-2 系统监控模块流程图为增加控制的灵活性，键盘输入数据及确认命令，启动命令均采用中断的方式实现。所以系统监控模块只完成对系统的初始化设置，通过键盘中断，实现键盘扫描及处理程序的跳转。5.3 步进电机转速模块本步进电动机转速设置共分为三个档次，其中一档为100转/分，二档为150转/分，三档为200转/分，只用一个按键来实现各转速之间的切换。步进电机的转速是有单片机内部定时器TMR0的中断频率决定的，改变定时器的装载初值和分频比就可以改变电机的运转速度。因此当转速档次设置完毕后，相应的定时初值和预分频设置就会通过相应子程序进行装入，从而控制电机的运转速率。5.4 键盘识别处理模块本模块主要完成对按键的扫描识别，并对相应的电机标志位进行置位，以保证系统监控模块的顺利执行。对PIC单片机进行初始化后由其扫描键盘，键盘消除抖动及控制，得到输入的数据或命令，并通过INT中断与单片机进行信息交换，单片机根据得到的不同信息执行相应的数据处理程序，同时将处理结果送PIC单片机由其完成数据显示的管理和LCD显示屏的控制，显示步进电动机的各种控制信息。该模块的软件流程图如图5-3所示。图5-3 键盘识别处理软件流程图5.5 LCD显示模块流程图本模块是采用将金鹏C系列的LCD显示屏的所有驱动程序都以子程序的方式写在一个C文件中，在需要时直接调用相应子程序即可。本模块采用并行通信，至少占有11个I/O口，并不涉及中断。本控制系统软件部分共用到字符模式清屏子程序LCD_clear(void)、打印字符子程序LCD_printer(unsigned char, unsigned char, unsigned char*)、黑屏待机子程序LCD_black(void)。（上述子程序名称皆由用户定义）根据LCD液晶显示模块与单片机接口的硬件电路和液晶显示模块的读写流程设计出液晶显示模块的软件流程图如图5-4所示。在PIC单片机上电复位后，进行系统的参数设定，液晶显示模块初始化后，PIC单片机对液晶显示模块OCMJ48C进行指令数据写操作和读数据操作。图5-4 液晶显示模块的软件流程图5.6 控制信号产生模块本模块主要是单片机根据步进电机的型号和键盘输入的数据，产生相应的电脉冲控制信号并由RA端口的RA1、RA2、RA3、RA5的四个引脚输出。RA端口的数据格式与步进电机的型号有关。步进电机有单拍、双拍和多拍三种工作方式，由于本控制系统所应用的步进电机为两相步进电机，又经实验测定证明该步进电机在双四拍工作方式下工作特性较好，因此在本系统中步进电机的工作方式为两相四拍。这里列出KP39HM2-025型步进电机在两相四拍工作方式下的正向与反向励磁方式，如表5-1，5-2所示。表5-1 PIC单片机RA端口引脚数据与步进电机（正向）励磁方式对照励磁方式励磁相RA1RA5RA3RA2两相四拍正向AB1010A(-B)1001(-A)(-B)0101(-A)B0110表5-2 PIC单片机RA端口引脚数据与步进电机（反向）励磁方式对照励磁方式励磁相RA1RA5RA3RA2两相四拍反向AB1010(-A)B0110(-A)(-B)0101A(-B)1001此处以步进电机在两相四拍工作方式下正向励磁为例，来说明单片机是如何发送脉冲对步进电机进行控制的，其处理程序如下。步进电动机反向励磁与正向相似。该程序中A、NA、B、NB分别代表步进电机的A相、A非相、B相、B非相信号所连接的单片机引脚。5.7 系统中断模块本系统中断分为外部INT中断和内部定时器TMR0中断。外部INT中断已在第三节键盘处理模块中详细讲述，由于步进电动机控制信号的频率是由TMR0溢出中断的定时初值和分频比决定的，这里着重讲述内部定时器TMR0中断。内部定时器TMR0中断服务程序流程框图如图5-5所示 图5-5 内部定时器TMR0中断服务流程图内部定时器中断主要是利用单片机的内部定时器的TMR0模块（8位计数方式）产生不同周期的定时信号，每次中断都给步进电机两个绕组一次脉冲，使得步进电机转动一个节拍，因此步进电机的转速是由单片机内部定时器的中断频率来决定的，在不改变分频器分频比的情况下，不断改变定时器的装载初值就可改变电机的运转速度。由于在不改变分频比的情况下，定时器的定时范围是有限的，并不能取到控制系统所想要的所有的控制信号频率。因此为了使控制系统的运行尽可能精确，减小运行误差，我们需要在每次进入中断之前重新设置分频比，通过改变上述两个参数来改变电机的运转速度，将会使步进电机尽可能接近理想转速，以达到精确控制的目的。通过定时器中断的方法产生硬件延时的效果，只需调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种方法占用CPU时间较少，利用PIC单片机可以达到精确控制步进电机转速的目的，是一种比较实用的调速方法。5.8 步进电机加减速模块在第一章控制系统实现原理中已对步进电机的加减速原理作过详细的阐述，而且确定了本控制系统是以匀加减方法即直线规律来实现步进电机的加减速。本控制系统的加减速曲线如图5-6所示。图5-6 控制系统的加减速曲线本控制系统利用单片机控制步进电机加减速时，采用的是定时器中断方式，实际上是改变定时器装载值的大小，这在前面已经说明。在加减速的控制过程中，不一定每步都计算定时器重装值，可以采用阶梯曲线来逼近加减速曲线如图5-7所示。在加速过程中，速度不是连续变化，而是分档变化，为了与要求的加速频率相逼近，必须确定每个阶段上的运行时间t。时间t越小，加速越快，反之越慢。程序执行过程中，每次速度升一档，都要计算这个台阶应走的步数，然后以递减方式检查，当减至零时，该档速度运行完毕，升入又一档速度15。电机在加速过程中，对加速总步数进行递减操作，当减至零时加速过程结束，转入匀速运转过程。减速过程的规律与加速相同只是按相反的顺序进行。在此过程中，时间t是通过一定的数学运算获得的，由于PIC8位单片机的数学运算能力有限，建议使用数组的形式将各间隔时间作为常量事先存储在单片机中，需要时直接调用即可。图5-7 步进电机的加减速曲线在本控制系统中，软件实现的方法是通过不断修改定时器TMR0初值来实现的。首先应根据输出总脉冲数确定加速，恒速和减速的时间并确定下一的时间值，并将定时器的初值送给定时器TMR0，从电机启动瞬间开始，每产生一个脉冲，通过查询数组定时器初值增加某一定值，则相应的脉冲周期减少，即脉冲频率增加；若定时器初值逐步减少，则相应的脉冲周期增加，即脉冲频率减少。单片机控制步进电机加减速的软件流程图如图5-8所示。图5-8 步进电机加减速软件流程图（中断部分）结论单片机控制系统设计的趋势为单片化，即尽量发挥单片机的功效，使用尽量少的元器件与连线来构成硬件，通过软件来实现尽量多的功能。我们设计的步进电机控制系统大量使用了同步并行总线，简化了硬件系统的复杂度，同时使用模块化设计思想提高了软件的聚合度，利用按键进行设置以及LCD显示屏及时显示，实现了软件编写简单，系统直观易用，突出了在设计时的简单、易用、实用性强的原则。由于该系统是用于作为控制步进电机的转向，转速等各种状态，所以在实际应用中还有很多需要完善的地方。虽然真正的高精度的步进电机控制系统是相当复杂的，但是我们制作的控制系统作为原理性的说明已经足够了。通过对步进电机工作参数设置，LCD显示，加减速控制等功能的实现，我们完成了对单片机控制步进电机的原理剖析，对步进电机加减速技术有了一定了解，加深了对PIC单片机应用的认识，掌握了基于单片机的编程思想，为日后走向工作岗位积累了软件开发设计及硬件制作方面的宝贵经验。致谢 感谢耿老师，他那严谨的治学态度和丰富的实战经验永远是我现在以及今后学习的榜样。在这次毕业设计中，老师总是能为我耐心、细心地解答疑问，之处不足之处，并给我提出了很多的设计思想和技巧，使我的毕业设计能够圆满的完成。同时，我也学到了很多新的理论知识和实践经验。最后，向各位和我一样面临就业或考研压力却对我的毕业设计有所帮助的同学们表示衷心的感谢，同时也特别感谢学院和学校对我们毕业设计的大力支持。参考文献1 许洪斌，杜向斌步进电机控制系统设计J重庆工学院学报（自然科学）2008，第22卷，第5期）：32-342 孟武胜，李亮基于AT89C52单片机的步进电机控制系统设计J微电机2007，第40卷，第3期）：65-663 李荣正，刘启中，陈学军PIC单片机原理及应用（第2版）M北京：北京航空航天大学出版社2005：13-174 王晓明电动机的单片机控制M北京：北京航空航天大学出版社，2002：181-2145 徐国山，潘振良步进电机的基本原理J科技论坛，2007，第7期）：96 孙建忠，白凤仙特种电机及其控制M北京：中国水利水电出版社，2005：147-1787 李晓贞，王福志，王忠举基于单片机的步进电机调速研究J农业装备与车辆工程2008，第5期）：22-238 汤竞南，PIC单片机基础与应用，人民邮电出版社，2006-06。9 彭树生，PIC单片机实践与系统设计，电子工业出版社，2007-1110 陈新建，PIC单片机开发应用与实践工具制作，北京航空航天大学出版社，2006-311 刘保廷，步进电动机及其驱动控制系统，哈尔滨工业大学出版社，200712 余询、王建、张涛，机电控制技术C，中专机电技术应用学会，200513 P.L.JonesP. J. Spreadbury. Analogue electronic circuit and sestemsM. USA: Campridge Univercity Press, 2005.14 张志良.单片机原理与控制技术M.北京：机械工业出版社，2004.15 刘保廷，步进电动机及其驱动控制系统，哈尔滨工业大学出版社，200716 Thomas L.Floyd.Electronic Devices,5th ed M.Prentice-Hall Inc, New Jersey, 2003. 17 朱利军，袁丽娟，王应海液晶显示模块在控制系统中的应用J电子技术2006)：5218 怀业强，梁健宏HY-240128M-201图形点阵式液晶显示模块及其应用J电子设计应用2006，第3期）：13619