基于AVR单片机控制步进电机正反转

AVR单片机课程设计论文题目基于AVR单片机的步进电机驱动器学院专业班级学号学生姓名指导教师完成时间2016年1月目录摘要1设计题目及其要求2第一章引言311步进电机的定义312我国步进电机发展313步进电机的应用前景3第二章步进电机控制系统521基本控制框图522步进电机的分类5第三章系统的硬件设计631系统的基本设计思路与设计要求632系统的组成及其对应功能的简要概述633各模块介绍6第四章电路设计1141电路简介11第五章主程序与流程图1351流程图1352主程序1453程序分析15第六章总结171摘要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。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置FLASH的RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCPU精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。1997年，由ATMEL公司挪威设计中心的A先生和V先生，利用ATMEL公司的FLASH新技术，共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR。关键字AVR单片机、步进电机、控制器2设计题目及其要求基于AVR单片机的步进电机控制1、通过AVR单片机驱动步进电机旋转。2、通过按键控制电机的正反转。3、速度自定。3第一章引言11步进电机的定义步进电机又称电动机或阶跃电动机，国外一般称为STEPMOTOR或STEPPINGMOTOR等。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。20世纪60年代后期，随着永磁性材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近30年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。12我国步进电机发展我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。13步进电机的应用前景目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。步进电机必然会成为机电一体化元件组件的必然趋势。由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得4以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器，并结合ATMEGA16L单片机可以构成很好的步进电机控制系统。5第二章步进电机控制系统21基本控制框图图21AVR单片机控制框图22步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式VR、永磁式PM和混合式HB三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。1反应式步进电机VARIABLERELUCTANCE，简称VR反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；2永磁式步进电机PERMANENTMAGNET，简称PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小相比反应式，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；3混合式步进电机HYBRID，简称HB混合式步进电机综合了前两者的优点。混合式与反应式相比，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、噪声低、低频振动小。6第三章系统的硬件设计31系统的基本设计思路与设计要求本设计采用单片机ATMEGA16来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片ULN2003及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。系统的具体功能和要求如下1单片机最小系统板的设计采用完整AVR实验板实现；2实现步进电机的启停、正转、反转控制；3驱动电路可提供电压为5V，电流为03A的驱动信号4步进电机转速自己定义；32系统的组成及其对应功能的简要概述整个系统需要单片机最小系统模块，ULN2003控制模块、独立按键以及步进电机本体。单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。33各模块介绍一、ATMEGA16ATMEGA16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATMEGA16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元ALU相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内7同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATMEGA16有如下特点16K字节的系统内可编程FLASH具有同时读写的能力，即RWW，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器T/C,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益TQFP封装的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；STANDBY模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展STANDBY模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。ATMEGA16封装、引脚图及其功能说明8ATMEGA16最小系统二、电机驱动电路模块考虑要硬件设计驱动电路的方法会电路复杂，调试不方便，而且采用多个元器件搭接，成本高。而直接采用集成的驱动芯片时电路稳定，成本低，易于控制，所以最终本设计是直接采用电机驱动芯片ULN2003作为电机驱动部分的核心部件。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350MA资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。ULN2003的作用ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下ULN2003的每一对达林顿都串联一个27K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。9ULN2003接线图ULN2003原理图引脚1CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚2CPU脉冲输入端。引脚3CPU脉冲输入端。引脚4CPU脉冲输入端。引脚5CPU脉冲输入端。引脚6CPU脉冲输入端。引脚7CPU脉冲输入端。引脚8接地。引脚9该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别10接各达林顿管的集电极。引脚10脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。引脚11脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。引脚12脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。引脚13脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。引脚14脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。引脚15脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。引脚16脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。ULN2003引脚图四、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。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。11第4章电路设计41电路简介电路采用ATMEGA16的AVR实验板外接N2003控制模块以带动步进电机，具体操作如下使用ULN2003的IN1IN4接ATMEGA16的PA0PA4口、电源接到ATMEGA16的电源正负极即可，A、B、C、D按顺序接步进电机。实物图如下12AVR单片机PCB图整体电路图13第五章主程序与流程图51流程图1452主程序INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEKEYPIND/正转电机导通相序DCBAUCHARBACK40X01,0X02,0X04,0X08/反转电机导通相序ABCDVOIDDELAYUINTXUINTI,JFORI0IXIFORJ0J112JVOIDWITHVOID/正转UCHARIFORI0I4IPORTACOMEIDELAY4/转速调节VOIDINVERSEVOIDUCHARIFORI0I4IPORTABACKIDELAY4/转速调节VOIDSTOPVOIDPORTA0X00VOIDMAINDDRA0X0FWHILE1WHILEKEYWITH/顺时针转动15WHILEKEYWHILEKEYWHILEKEYWHILEKEYINVERSE/逆时针转动WHILEKEYWHILEKEYWHILEKEY53程序分析一、定义步进电机正反转的电机导通步序UCHARCOME40X08,0X04,0X02,0X01UCHARBACK40X01,0X02,0X04,0X08二、正转子程序VOIDWITHVOIDUCHARIFORI0I4IPORTACOMEIDELAY4三、反转子程序VOIDINVERSEVOIDUCHARIFORI0I4IPORTABACKIDELAY4四、按键控制16WHILE1WHILEKEYWITH/顺时针转动WHILEKEYWHILEKEYWHILEKEYWHILEKEYINVERSE/逆时针转动WHILEKEYWHILEKEYWHILEKEY五、程序优缺点这个程序的优点是短而精简，采用一个独立按键控制电机的正转、反转和停止，容易操作。缺点是独立按键控制电机正反转时按键按下的速度与间隔要小一点，不然有可能会无法达到预期的目的。推测是按键按下之间有干扰，需要加入一个消抖程序。这里就不再外加程序。17第六章总结这次的课程设计，从开始抽选题目到着手开始设计，再到最后的调试阶段，遇到了各种各样的问题，电机的选用、外界控制电路的选择，以及程序的编写等，都有着这样活着那样的问题，而这些问题，不是书上能教会我的，也不是光看书就能解决的，必须要亲自动手，付诸实践以及对于基础理论知识有一定了解的，像老师说的那样，虽