基于单片机的步进电机控制设计

目录摘要I1课题的原理及意义111课题原理112课题的意义22控制系统的硬件设计321总的方案设计322步进电机控制电路设计323单片机最小系统设计424驱动电路设计425显示电路设计526硬件电路设计63控制系统的软件设计731主程序设计732定时中断设计833外部中断设计834源程序94仿真结果与分析1441PROTEUS简介1442仿真结果145结束语17参考文献18摘要步进电机是一种将电能转化为角位移的装置。当它收到一个脉冲信号，步进电机就按设计的方向转动一个固定的角度。本设计主要设计了一个基于89C51单片机对步进电机的动行控制，涉及到正反转和加减速度控制。其中速度控制是最主要控制，要求运行速度在线可调，并要求具有运行步设置在线正反转及启停控制。本设计是采用单片机AT89C5112MHZ与步进电机紧密联系起来，通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,用4个按钮来对电机的状态进行控制。单片机根据电机的状态信号将写入的程序通过CPU进行处理,发出脉冲控制信号,脉冲控制信号经过芯片ULN2003A驱动步进电机,步进电机将脉冲控制信号转换为电机的角位移,使电机的转子根据脉冲数来实现电机准确的转速控制。所以软件完成了由单片机的驱动程序来控制步进电机的各中运行动作，以实现传统的步进电机的高度自动化。本设计中硬件实现了电机的正反转和加速、减速转动的效果，并且能够通过按钮控制电机的启动与停止。通过单片机的汇编程序来控制步进电机的运行动作关键词AT89C51单片机；ULN2003A；20BY0型步进电机；3PROTEUS软件1课题的原理及意义11课题原理1步进电机步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机分三种永磁式（PM），反应式（VR）和混合式HB，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。2原理根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于AT89C51单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”。步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向加速3个过程。12课题的意义随着数字化技术地发展，数字控制技术得到了广泛而升入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制元件，具有快速启动和停止的特点。因为步进电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，所以广泛的应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机、投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。2控制系统的硬件设计21总的方案设计该方案是由一个AT89C51（12MHZ）、两个共阳极数码显示管（一个显示转向，另外一个显示转速）、芯片ULN2003A、步进电机，还有晶振和按钮复位电路以及开关控制器件连接而成。图如21所示。89C51单片机复位电路键盘控制电路ULN2003启动电路电源及时钟电路图21总体设计方框图状态显示电路步进电机22步进电机控制电路设计1正反转控制根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3。通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P10和P11的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。2转速控制根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，转速控制的方法主要有软件延时和定时中断，在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。控制电路如图22所示。图22控制电路原理图23单片机最小系统设计对于没有内部没有晶振的单片机，接上电源和晶振就是该单片机的最小系统。对于这个设计的单片机来说，还有一个按钮复位电路。电路如图23所示。图23复位及时钟振荡电路24驱动电路设计通过ULN2003构成比较多的驱动电路，通过单片机的P10P13输出脉冲到ULN2003的1B4B口，经信号放大后从1C4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。电路图如图24所示。图24步进电机驱动电路25显示电路设计在我们设计的该步进电机的控制器中，电机可以正转、反转，还可以加速、减速，其中电机转速的等级分为五级。为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级和电机运动的转向，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路，用来显示电机转动的级数和转向。在显示电路中，主要是利用了单片机的P0口和P2口。采用两个共阳数码管作显示。第一个数码管用于显示电机正反转状态，正转时显示“1”，反转时显示“一”，不转时显示“0”。第二个数码管用于显示电机的转速级别，共五级，即从15转速依次递增，“0”表示转速为零。并且在数码显示管与单片机端口连接的中间分别加上了一个排阻，用来限制电路中的电流，确保流入数码管的电流在正常的范围内。起到保护电路的作用。P00P06分别连接第一个数码管；P20P26接第二数码管。显示电路如图25所示。图25显示电路26硬件电路设计设计一个单片机四相步进电机控制硬件电路系统要求系统具有如下功能1用K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能，K1按一下，电机启动，K2按一下电机将以相反的方向转动。比如电机正在顺时针转动，按K2一次，电机将会逆时针转动，进而第一个数码显示管由“1”会变为“”。2上面的数码管用于显示电机正反转，正转显示“1”，反转显示“”，不转时显示“0”。3通过S1、S2的加速和减速。在这里按一次S1按钮电机将减速一个档位；按S3一次，电机将加速一个档位。而显示电机正在转动的档位的数码显示管是第二个数码显示管。4复位电路采用手动复位。根据设计要求用PROTUES所做的硬件连线如图26所示。图26总体电路图3控制系统的软件设计31主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。主程序流程图如图31所示。初始化速度值为0启动开关为0停止计时器显示启动计时器延时停止计时器图31主程序流程图YY开始YNNY32定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如32所示。中断返回T0中断入口发速度脉冲读方向指示重送相关状态恢复现场保护现场中断次数10N图32定时中断程序流程图YN33外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为原数据，当值等于5时，不改变原数值返回，小于5时，数据加1后返回；速度减少按钮S3，当原数据不为0，减1保存数据，原数据为0则保持不变。程序流程图33所示。外部中断入口保护现场延时去抖中断返回速度值1恢复现场速度上或限值按钮是否弹起NNYY图33外部中断程序流程图34源程序汇编程序如下SPEEDEQU10HSPEED为转速等级共5级FXEQU11HFX为方向标志COUNTEQU12HCOUNT中断次数标志ORG0000HLJMPMAINORG003H加速子程序LJMPUPORG0013H减速子程序LJMPDOWNORG000BH控制中断次数来达到控制转速LJMPZDT0ORG0030HMAINOVSP,60HMOVTMOD,01H工作于定时模式1（16位计时器）MOVTH0,0EFHMOVTL0,0FAHMOVCOUNT,01HSETBET0定时/计数器允许中断CLRIT0外部中断低电平有效CLRIT1SETBEX0外部允许中断SETBEX1SETBEA开总中断MOVR1,11HMOVSPEED,00HMOVFX,00HXIANSMOVA,SPEEDMOVDPTR,LEDMOVCA,ADPTR查表获取等级对应数码管代码MOVP2,A第二个数码管显示转速等级MOVA,FX准备判断转向CJNEA,11H,ELSMOVP0,0F9H第一个数码管显示1，表示正转LJMPQDELSCJNEA,00H,ZHENGMOVP0,0C0H第一个数码管显示0，表示不转LJMPQDZHENGMOVP0,0BFH第一个数码管显示，表示反转QDJBP31,DDP31为1时启动CLRTR0停止定时/计数器MOVP0,0FFH第一个数码管显示0，表示不转MOVP2,0FFH第二个数码管显示0表转速为0MOVSPEED,00H重新赋初值MOVFX,00HLJMPQDDDMOVA,SPEEDJNZGOA不等于0，则转移到GOCLRTR0停止定时/计数器LJMPQDGOSETBTR0开启定时/计数器ACALLDELAYLJMPXIANS延时子程序DELAYMOVR6,10DEL1MOVR7,250HERE1DJNZR7,HERE1DJNZR6,DEL1RET以下ZDT0为定时器中断程序ZDT0PUSHACCPUSHDPHPUSHDPLMOVTH0,0EFHMOVTL0,0FAHDJNZCOUNT,EXITJBP30,NIZHUANP30接换向开关K2MOVFX,11HNIZHUANMOVA,FXCJNEA,11H,FZ正转，则转移到FZMOVA,R1R1记录上一次电机脉冲状态MOVP1,ARRA循环右一位MOVR1,AMOVP1,ALJMPREFZMOVA,R1MOVP1,ARLA循环左移一位MOVP1,AMOVR1,AREMOVA,SPEEDMOVDPTR,TABMOVCA,ADPTRMOVCOUNT,A把转速级别赋给COUNTJBP30,FFXMOVFX,11HLJMPEXITFFXMOVFX,0FEHEXITPOPDPLPOPDPHPOPACCRETI以下UP为加速中断程序UPPUSHACCACALLDELAY延时防抖动JBP32,UPEXMOVA,SPEEDCJNEA,5,SZLJMPUPEX若A5,则退出SZINCSPEEDSPEEDSPEED1UPEXPOPACCHERE2JNBP32,HERE2RETI以下DOWN为减速中断程序DOWNPUSHACCACALLDELAYJBP33,DEXMOVA,SPEEDCJNEA,0,SJLJMPDEXSJDECSPEEDDEXPOPACCHERE3JNBP33,HERE3RETITABDB0,50,46,39,33,28LEDDB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,98HEND4仿真结果与分析41PROTEUS简介PROTEUS是英国LABCENTER公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于WINDOWS操作系统上，可以仿真、分析SPICE各种模拟器件和集成电路。PROTEUS65是目前最好的模拟单片机外围器件的工具,真的很不错。可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD,RAM,ROM,键盘,马达,LED,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件,）该软件的特点是1实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。2支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有ARM7LPC21XX、8051/52系列、AVR系列、HC11系列以及多种外围芯片。3提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KILLC51UVISION2、MPLAB等软件。4具有强大的原理图绘制功能。42仿真结果1根据PROTEUS软件的用法，将我们设计的电路以及源程序进行仿真，将开关K2拨到启动位置，得到的结果。此时的电机已经启动，但还没有加速，也就没有转向，故两个数码显示管的显示都为“0”，如图41所示。图41原始数码管显示2在按下开关按钮K2启动的基础上，按加速按钮S2五次，也就意