基于ARM步进电机细分驱动控制设计

西安科技大学电控学院课程设计1目录1设计目的与要求211设计目的212设计要求22方案设计与论证221设计分析222方案论证223方案选择23硬件电路231硬件结构232器件连接说明44软件设计65调试86结论与心得97参考文献11附录程序11西安科技大学电控学院课程设计21、设计的目的与要求11设计目的（1）设计通过按键控制步进电动机实现正转、反转和调速功能的电路，要求通过4个GPIO发出有序的矩形脉冲，控制UL2003驱动四相步进电动机。（2）通过课程设计，巩固和加深了对“ARM嵌入式系统基础教程”课程中所学的理论知识和实验能力，基本掌握计算机接口应用电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。（3）加深对计算机软硬知识的理解，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。12设计要求（1）用PROTEL画出最小系统及外围扩展电路；（2）以ARM为控制器,驱动部分需自己动手制作；（3）显示部分可用12864或者数码管。2、方案的设计与论证21设计分析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。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。本次课程设计所设计的步进电机的控制系统可通过键盘设定转速和方向，并能显示转速。22方案论证方案一采用ARM7的脉宽调制器PWM产生脉冲对步进电机进行控制。方案二利用定时器定时中断进行步进电机的控制。23方案选择第一种方案中PWM技术是采用脉宽调制技术，即占空比不同的方波电压产生不同的平均电流使步进电机转动，通过调节占空比即可调节电机转速。精确，简单。第二种方案中采用定时器的方式，只需要几条简单的指令就可以产生具有一定频率和数目的脉冲信号，而且在整个脉冲产生过程中，CPU可用来处理其他工作，大大提高了系统的实时处理能力。考虑到课设时间短和程序的繁简程度我选择了第一种方案。3、硬件电路31硬件结构1、硬件电路设计思路步进电机控制系统共分为四个模块ARM模块、控制模块、数码显示模块、步进电机驱动模块。ARM最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为ARM系统提供可靠复位，西安科技大学电控学院课程设计3使ARM能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证ARM个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。步进电机驱动模块选用八NPN达林顿连接晶体管2803为步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。该模块与ARM的P122P125相连。2按键的连接图图1不按下时为高电平，按下时变为低电平。3UART0特性管脚描述西安科技大学电控学院课程设计44、步进电机接口由于LPC2131的GPIO驱动能力有限，必须通过ULN2003达林顿集成驱动芯片驱动步进电机，在步进电机和驱动电路间连接了电阻，防止控制紊乱而造成的电机损坏。图25、器件连接说明（1）在EASYARM2138开发板上，当跳线JP6分别选择TXD0和RXD0端时方可进行UART0通信实验。（2）KEY1连接P016；KEY2连接P017；KEY3连接P018，KEY4连接P019，KEY5连接P020，KEY6连接P021。（3）步进电机的四个输入端口分别接EASYARM2131开发板上P22P25四个端口。32器件连接说明（1、步进电机的工作原理该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3是该四相反应式步进电机工作原理示意图。西安科技大学电控学院课程设计5图3四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。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图4A、B、C所示西安科技大学电控学院课程设计6A单四拍B双四拍C八拍图42、LCD12864液晶模块带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864,内置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符集利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字也可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。图5LED12864液晶原理图4总体框图设计总体设计框图如图21所示LPC2131控制模块电机驱动模块步进电机图6总体设计框图显示西安科技大学电控学院课程设计7说明如下1ARM接受按键信息，改变系统内部变量值。2ARM输出脉冲信号，控制步进电机转动。4、软件设计系统软件采用C语言编程，程序详情请参见附录。程序的流程图如下否是是否是否是否是否是否是开始IO口配置设置U0LCR的最高位为1，设置U0DLL和U0DLM即波特率的设置。步进电机进入最近一次设定的模式（初始时为模式0）是否有按键按下KEY1按下进入模式0八拍正转。在液晶屏上显示0，同时在上位机上显示八拍正转。KEY2按下进入模式1八拍反转。在液晶屏上显示1，同时在上位机上显示八拍反转。KEY3按下进入模式2双四拍正转。在液晶屏上显示2，同时在上位机上显示双四拍正转。KEY4按下进入模式3双四拍反转。在液晶屏上显示3，同时在上位机上显示双四拍反转。KEY5按下进行减速。在液晶屏上显示5，同时在上位机上显示减速。KEY6按下进行加速。在液晶屏上显示6，同时在上位机上显示加速。西安科技大学电控学院课程设计84、调试按照器件连接说明连接好EASYARM2131开发板上的跳线，然后将步进电机与EASYARM2131开发板连接上。运行程序，开始调试。在一开始的时候延时程序时间定的太长电机转动很慢。通过修改定时时间，渐渐地电机转动变得明显了。然后测试按键功能时发现，案件的检测不够灵敏，有时候需要按几下才能检测到，后来经过修改延时消抖的时间，将其变短且在每次按下按键时不急于松开而保持一会儿，这样按键检测变得较为灵敏了。在调试中发现单双八拍和双四拍要比单四拍的转动更加有效。单四拍模式的时候电机只是震动并没有转动，用肉眼观察不到转速的快慢，故最后舍弃了这种模式。调试的最终结果是程序开始时电机进入模式0，如果没有按键按下则一直保持模式0。当有按键按下时，且按键为KEY1KEY4则电机根据不同按键的按下进入不同的转动模式（KEY1对应模式0八拍正转，KEY2对应模式1八拍反转，KEY3对应模式2双四拍正转，KEY4对应模式3双四拍反转）。当按键KEY5按下时，电机转速变慢，且随着KEY5按下次数的增多电机逐渐变慢直至停止；当按键KEY6按下时，电机转速变快，且随着KEY5按下次数的增多电机逐渐变快。同时在上位机上可以看见当前的转速。西安科技大学电控学院课程设计96、参考文献1周立功深入浅出ARM7LPC213X/214X（上册）M北京北京航空航天大学出版社，2008年2周立功ARM嵌入式系统实验教程（三）M北京北京航空航天大学出版社，2005年3李红岩杨学存ARM嵌入式实验指导书基础篇M西安科技大学2012附录实训程序主程序/文件名MAINC功能LED显示控制。通过GPIO控制步进电机说明将跳线JP14和JP19全部短接。/INCLUDE“CONFIGH“DEFINELED11115200RETURN0IFSETDATAB8RETURN0IFSETSTOPB0|SETSTOPB2RETURN0IFSETPARITY4RETURN0/设置串口波特率/U0LCR0X80/DLAB1BAKFPCLK4/BAUDU0DLMBAK8U0DLLBAK/设置串口模式/BAKSETDATAB5/设置字长IFSETSTOPB2BAK|0X04/判断是否为2位停止位IFSETPARITY0SETPARITYSETPARITY1BAK|0X08BAK|SETPARITY0DLYFORI0ITIMEI/名称MOTO_MODE1功能单四拍程序入口参数UINT8I延时参数，值越大，延时越久出口参数无/VOIDMOTO_MODE1UINT8I/ABCD/WHILE1/GPIOCLRLED1/点亮LED1，方便监视程序状态/A/GPIOSETMOTOADELAYNSIGPIOCLRMOTOA/B/GPIOSETMOTOBDELAYNSIGPIOCLRMOTOB/C/GPIOSETMOTOCDELAYNSI西安科技大学电控学院课程设计18GPIOCLRMOTOCGPIOSETLED1/熄灭LED1，方便监视程序状态/D/GPIOSETMOTODDELAYNSIGPIOCLRMOTOD/名称MOTO_MODE3功能单四拍程序入口参数UINT8I延时参数，值越大，延时越久出口参数无/VOIDMOTO_MODE4UINT8I/DCBA/WHILE1/GPIOCLRLED1/点亮LED1，方便监视程序状态/D/GPIOSETMOTODDELAYNSIGPIOCLRMOTOD/C/GPIOSETMOTOCDELAYNSIGPIOCLRMOTOC/B/GPIOSETMOTOBDELAYNSIGPIOCLRMOTOBGPIOSETLED1/熄灭LED1，方便监视程序状态/A/GPIOSETMOTOADELAYNSIGPIOCLRMOTOA/西安科技大学电控学院课程设计19名称MOTO_MODE2功能双四拍程序入口参数UINT8I延时参数，值越大，延时越久出口参数无/VOIDMOTO_MODE2UINT8I/ABBCCDDAAB/WHILE1/GPIOCLRLED1/点亮LED1，方便监视程序状态/AB/GPIOSETMOTOAGPIOSETMOTOBDELAYNSIGPIOCLRMOTOAGPIOCLRMOTOB/BC/GPIOSETMOTOBGPIOSETMOTOCDELAYNSIGPIOCLRMOTOBGPIOCLRMOTOCGPIOSETLED1/熄灭LED1，方便监视程序状态/CD/GPIOSETMOTOCGPIOSETMOTODDELAYNSIGPIOCLRMOTOCGPIOCLRMOTOD/DA/GPIOSETMOTODGPIOSETMOTOADELAYNSIGPIOCLRMOTODGPIOCLRMOTOA/名称MOTO_MODE5功能双四拍程序入口参数UINT8I延时参数，值越大，延时越久出口参数无/西安科技大学电控学院课程设计20VOIDMOTO_MODE5UINT8I/BAADDCCBBA/WHILE1/GPIOCLRLED1/点亮LED1，方便监视程序状态/BA/GPIOSETMOTOBGPIOSETMOTOADELAYNSIGPIOCLRMOTOBGPIOCLRMOTOA/AD/GPIOSETMOTOAGPIOSETMOTODDELAYNSIGPIOCLRMOTOAGPIOCLRMOTOD/DC/GPIOSETMOTODGPIOSETMOTOCDELAYNSIGPIOCLRMOTODGPIOCLRMOTOCGPIOSETLED1/熄灭LED1，方便监视程序状态/CB/GPIOSETMOTOCGPIOSETMOTOBDELAYNSIGPIOCLRMOTOCGPIOCLRMOTOB/名称MOTO_MODE3功能单双八拍程序入口参数UINT8I延时参数，值越大，延时越久出口参数无/VOIDMOTO_MODE3UINT8I/AABBBCCCDDDAA/WHILE1/GPIOCLRLED1/点亮LED1，方便监视程序状态西安科技大学电控学院课程设计21/A/GPIOSETMOTOADELAYNSIGPIOCLRMOTOA/AB/GPIOSETMOTOAGPIOSETMOTOBDELAYNSIGPIOCLRMOTOAGPIOCLRMOTOB/B/GPIOSETMOTOBDELAYNSIGPIOCLRMOTOB/BC/GPIOSETMOTOBGPIOSETMOTOCDELAYNSIGPIOCLRMOTOBGPIOCLRMOTOC/C/GPIOSETMOTOCDELAYNSIGPIOCLRMOTOCGPIOSETLED1/熄灭LED1，方便监视程序状态/CD/GPIOSETMOTOCGPIOSETMOTODDELAYNSIGPIOCLRMOTOCGPIOCLRMOTOD/D/GPIOSETMOTODDELAYNSIGPIOCLRMOTOD/DA/GP