开题报告-基于51单片机的步进电机控制

中国计量学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名学号专业自动化班级091设计（论文）题目基于51单片机的步进电机控制指导教师二级学院现代科技学院2013年3月5日一选题的背景与意义步进电机作为一种将电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的机电元件,它能够在不涉及伺服系统复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度,并且具有性价比高、易于控制及无累计误差等优点,在民用、工用的经济型数控开环定位系统中获得了广泛的应用,且具有较高的实用价值12。步进电动机与一般电动机不同。它的角位移量或者直线位移量正比于电脉冲数,而其线速度或者转速则正比于脉冲频率。并且,在负载能力变化范围内,不会因电源电压、负载、环境条件的波动而变化。另外,步进电动机还可以在较宽的范围内,通过改变脉冲频率来调速能够快速起动、制动和正反转并且步进电动机还有一定的自锁功能3。由于步进电动机具有上述特点,因此由它和驱动控制器组成的开环数控系统,既具有较高的控制精度,良好的控制性能,又能稳定可靠的工作。这些优点使得步进电动机在庞大的电机家族中占有不可替代的位置。而混合式步进电动机的设计方法使得它就像是反应式和永磁式步进电动机的结合,可以像反应式一样的小步距,也具有永磁式控制功率小、绕组电感较小的特点4。目前广为使用的是两相混合式步进电动机,它的典型结构是定子8个极,转子齿数为50个,步距角为18度，它是上世纪60年代的美国专利,70年代初因应用于计算机外设,且专利保护的取消而迅速发展，但是它存在着两个明显的固有缺点,一个是步距角较大,使得低速转动时有较严重的振动和噪声,另一个是当频率突变过大时容易堵转、丢步或者过冲,这两个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响。步进电机作为一种机电一体化设备,电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补。采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音,还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果；采用升降频控制技术,则可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题,使步进电机转动得更加平稳、定位更加精确,一个好的控制器可以使步进电动机控制更灵活,在很大程度上改善其运行性能67。因此,对步进电动机运动控制系统而言,驱动控制器的设计是重中之重。步进电机的细分驱动技术研究和升降频控制技术研究一直是本领域课题的重点和难点。二研究内容与拟解决的主要问题21研究内容利用51单片机的高速输入、输出口的中断特性，实现步进电动机脉冲控制信号的输出和控制。通过键盘实现速度给定（输入信号）和显示器显示、升降速等功能。使用KEIL软件下采用C语言完成程序设计，完成上述功能的实现8。22拟解决的主要问题1电机的控制方法和软件设计251单片机的原理及选型3解决键盘实现速度给定（输入信号）和显示器显示、升降速等功能4步进电机的软硬件设计及优化问题5程序的编写问题三技术路线、研究方案与可行性分析31系统硬件构成系统主要由单片机、键盘模块、步进电机、晶振电路、复位电路、液晶显示模块等组成。其系统结构框图如下图所示图1系统结构框图32硬件设计321晶体振荡电路晶体振荡电路主要给单片机提供时钟信号。在单片机芯片内部有一个高增益的反相放大器，引脚XTALL和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端10。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体振荡器CRYS和微调电容CL、C2形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。其中CRYS为110592M晶体，C1、C2取30PF。322驱动电路设计驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。本电路可以采用驱动芯片ULN200311。ULN2003是一种大电流高电压型器件，外电路也比较简单。图2是ULN2003的芯片引脚图图2ULN2003驱动芯片引脚图324键盘设计该系统中主要运用到四个控制按钮，即“正反”，“升挡”，“降挡”,“启停”，由于按钮较少，所以采用独立键电路，这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单，更使人易懂。325液晶显示模块根据系统设计需求,需要实现实时监控功能,因此本设计采用液晶显示模块来显示步进电机的工作状态。在具体选型的时候,有很多种液晶模块可供选择。例如AMHRE12864、LGM12641BS1R1602等等,都是应用比较广泛的液晶显示器件。AMPIRE12864为不带字库的汉字、图形点阵液晶模块。共64行,128列,能显示4行8列32个1616点阵汉字或者4行16列64个168点阵字符,也可以显示最大12864点阵图形1214。1602则一般用于显示英文字符的液晶模块。本系统我们釆用1602液晶显示模块作为系统的液晶显示器件。图3为1602实物图图31602液晶显示模块326步进电机选择步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为75度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为15度，但噪声和振动都很大13。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进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18度而五相步进角一般为072度。这种步进电机的应用最为广泛15。本次课题我选用四相步进电动机为研究对象，重点研究了步进电动机的单片机控制技术，对四相步进电动机驱动器的控制。故本次设计将采用步进电机28BYJ48型四相八拍电机。33系统软件设计331主程序软件设计该系统程序是在KEIL下用C语言编写和调试，完成上述51单片机对步进电机的控制功能。开始对LCD初始化，接下来通过循环扫描的方式进行按键扫描，当检测到K1按下时，运行状态在启停之间转换；当检测到K2按下时，步进电机减速同时档位在非十档的时候加一；当检测到K3按下时，步进电机加速同时档位在非零档的时候减一；当检测到K4按下时，步进电机转向变换一次。图4为系统软件设计主流程图开始LCD初始化按键扫描K10K20K30K40运行或停止减速加速方向转换是否为10档保持显示10档减一档YN是否为1档加一档保持显示1档NY结束图4系统软件设计主流程图332速度控制与方向控制设计步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。对于用软件实现脉冲分配，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速。根据调速原理，控制步进电动机速度的方法可有两种一、通过软件延时的方法。改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法使CPU长时间等待，占用大量机时，因此没有实用价值16。二、通过定时器中断的方法。在中断服务呈现中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。本次设计将采用定时器中断的方法来控制步进电机的运转速度。通过控制脉冲分配频率可实现步进电机的速度控制。速度控制也有硬、软件两种方法。硬件方法是在硬件脉冲分配器的时钟脉冲输入端（CP端）接一可变频率脉冲发生器，改变其振荡频率，即可改变步进电机速度。另一种为软件方法。软件方法常采用定时器来确定每相邻两次脉冲分配的时间间隔，即脉冲分配周期，并通过中断服务器程序向输出分配控制数据17。本次设计将采用软件的方法来控制转向，即将编好的相序传送给步进电机。四可行性分析41系统硬件可行性分析本系统通过接口电路模块，高速输入、输出器模块，晶体振荡电路模块、驱动电路模块构建，经查阅资料，这些模块目前有较多的资料，并能很好的实现该设计所需求的功能。42系统软件可行性分析键盘输入、步进电机运行步数控制、自动升降速等程序都可以通过C语言编写，并且在网上也能查到大量的相关资料，所以软件也是可行的。五实施计划具体实施计划如下所示第13周根据设计任务进行前期中英文资料搜集，并撰写开题报告及文献综述；第45周实施具体方案，确定设备型号，购买元器件，完成硬件连接；第68周软件程序设计；第911周软硬件联调，解决问题，完善设计；第1213周撰写毕业论文，指导老师修改论文并给予评论，准备答辩。参考文献1钱志良步进电机控制系统的设计J苏州大学学报2005,8342442李海滨、片春媛、许瑞雪单片机技术课程设计与项目实例J中国电力出版社2007,22552543刘国永、陈杰平单片机控制步进电机系统设计J安徽技术师范学院学报1993,33462674郭宏步进电动机驱动器的发展概况及趋势J厦门大学学报,2004,17435415王迎旭单片机原理及及应用M北京机械工业出版社20021521546张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术M北京国防工业出版社20052632687郭天祥新概念51单片机C语言教程M北京电子工业出版社20011121158蔡明文,冯先成编著单片机课程设计M北京华中科技大学出版社19982142199周向红51系列单片机应用与实践教程M北京北京航天航空大学出版社200335135510张家生电机原理与拖动基础M北京北京邮电大学出版社200611111511马淑华，王凤文，张美金单片机原理与接口技术M北京北京邮电大学出版社200736536912顾德英，张健，马淑华计算机控制技术M北京北京邮电大学出版社200625525813