基于单片机的步进电机控制课程设计

基于单片机的步进电机控制课程设计学生姓名：学生学号：专业班级：所在学院：信息技术学院指导教师：课程设计任务书一、课程设计课题：基于单片机的步进电机控制二、课程设计工作日自2016年6月6日至2016年6月17日三、课程设计进行地点：图书馆四、程设计任务要求：(详细内容见课程设计文档)1.课题来源:教师下发2.目的意义:目的：1.根据课堂讲授内容，学生做相应的自主练习，消化课堂所讲解的内容。2.通过调试典型例题或习题积累调试程序的经验。3.通过完成辅导教材中的编程题，逐渐培养学生的编程能力，用计算机解决实际问题的能力。意义：1.有助于加深我们对操作系统这门课程的理解，我们在课堂上学的都是基础理论知识，对于如何用程序语言来描述所学知识还是有一定难度。通过课程设计，我们可以真正理解其内涵。2.有利于我们逻辑思维的锻炼，程序设计能直接有效地训练学生的创新思维、培养分析问题、解决问题能力。即使是一个简单的程序，依然需要学生有条不理的构思。3.有利于培养严谨认真的学习态度，在程序设计过程里，当我们输入程序代码的时候，如果不够认真或细心，那么可能就导致语法错误，从而无法得出运行结果。那么，这个我们反复调试，反复修改的过程，其实也是对我们认真严谨治学的一个锻炼。3.基本要求:要求：1.步进电机型号自选；2.设计步进电机驱动电路，能够实现电机运转；3.设置四个按键，分别控制电机正转，反转，加速，减速；规定：1画出简明的系统框图2设计硬件线路，用protel画出整体的电路图，描述工作过程3按单元电路详细说明硬件线路设计思路，元件参数，选取根据4附详细的元件清单5总结设计过程中遇到的困难，写出设计体会课程设计评审表指导教师评语：成绩：签字：日期：第1章设计原理1.1总体设计据设计要求和设计原理，我们可以绘制出基本的功能方框图，以便之后我们连接实际电路时的方便和可靠。用键盘控制具体的功能模块，这样更能直观方便的控制整体的系统，使其达到我们预期的操作效果。上图中简单描述了整个单片机系统的控制模式和控制流程，包括通过时钟电路和键盘电路，来控制UNL2803驱动电机动作。设计一个51单片机四相步进电机控制系统要求系统具有如下功能：（1）由I/O口产生的时序方波作为电机控制信号；（2）信号经过驱动芯片驱动电机的运转；（3）电机的状态通过键盘控制，包括正转，反转，加速，减速，停止和单步运行。1.2步进电机的工作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。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。如下图是该四相反应式步进电机工作原理示意图。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。四相步进电机步进示意图1.3单片机原理概述单片机（single-chipmicrocomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图2-5中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。典型单片机结构图单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况单片机的应用系统本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。1.4元器件选择①步进电机的选择：步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择由于选用四相步进电机，则步距角选用1.8度2、静力矩的选择静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。4、力矩与功率换算P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米P=2πfM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS）②AT89C51简介AT89C51的主要参数如表所示：AT89C51的主要参数型号存储器定时器I/0串行口中断速度（MH）其它特点E²PROMROMRAM89C514K1282321624低电压AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如图所示。单片机的引脚排列第2章硬件设计2.1系统整图系统整图如图所示，本系统采用外部中断方式，p0口作为信号的输入部分，p1口为发光二极管显示部分，p2口作为电机的驱动部分。2.2电源部分利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的电压，它们的应用要注意以下几点：（1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；（2）输出电流不能太大，1.5A是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。其中12V电压给步进电机供电，5V电压则给单片机供电。分别如图所示。（1）、产生12V的电压给步进电机供电12V电路部分（2）产生5V的电压给单片机供电5V电路部分2.3按键部分本次设计选用的是单片机的P0口来控制信号的输入，所以把按键开关和P0口连接起来，当按下开关S1时，相当于给P0.0口一个低电平；当按下开关S2时，相当于给P0.1口一个低电平；当按下开关S3时，相当于给P0.2口一个低电平；当按下开关S4时，相当于给P0.3口一个低电平；当按下开关S5时，相当于给P0.4口一个低电平。然后通过单片机实行相应的操作。如图所示。按键部分电路2.4驱动部分此电路是步进电机的驱动部分，我选用的是ULN2004芯片来驱动的，ULN2004系列是一款高耐压，大电流达林顿管驱动器，包含7个NPN达林顿管。如图所示驱动部分电路2.5状态指示部分状态指示用P1口控制发光二极管的显示，如果相应端口是低电平，相应的发光二极管就会亮，用它来表示步进电机所处的状态。如下图。状态指示部分电路2.6时钟部分时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度，本次设计采用的晶振为12MHz。如图时钟部分电路第3章软件设计3.1系统开发软硬件环境与其它的微处理器一样，开发步进电机驱动系统控制程序也需要一套完整的软件和硬件开发工具。近年来，随着以51单片机为内核的单片机的不断发展和普及，国外的一些公司纷纷推出了以51单片机为基础的集成开发环境。本次毕业设计选用的单片机是AT89C51。3.2系统主程序系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成，其主程序框图如图3-1所示。图3-1主程序框图3.3查键部分查键程序用于判断P0.0口与P0.1口的值，当p0.0口为0时，电机正转，当p0.0口为1时，继续判断p0.1口的值，p0.1口为0时，电机反转。开始初始化调按键子程序调按键子程序调用正反转子程序调用加减速子程序停止如图3-2所示.图3-2查键部分流程图3.4前进部分系统初始化之后，前进子程序R0用于给P2口送不同的值，根据电机转动的相序，使电机正向转动，P2口的值分别为01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H。流程图如图3-3所示。图3-3前进部分流程图调按键P0.0是否为0P0.1是否为0前后开始（R0）+1→R0延时子程序（R0）是否等于17H10H→（R0）NY3.5后退部分电机反转原理与正转相似，此时P2口的值分别为09H，08H，0CH，04H，06H，02H，03H，01H。流程图如图3-4所示。图3-4后退部分流程图3.6加速部分当电机正转或反转的时候，按下加速键，调用加速子程序，使电机每转动一步的延时时间变短，从而实现电机的加速。流程图如图3-5所示。开始（R0）—1→R0延时电机（R0）是否等于10H17H→（R0）NYYN开始（R1）是否为25H（（R1）+1）→R1正反转子程序图3-5加速部分流程图3.7减速部分电机正转或反转的时候，按下减速键，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速。流程图如图3-6所示。图3-6减速部分流程图开始（R1）是否为20H（（R1）—1）→R1正反转子程序第4章课程设计总结本设计通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的场合。对本次设计，有以下结论：（1）采用单片机为控制核心，利用其强大的功能，把键盘和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便、交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。（2）键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术，节约了单片机资源。（3）系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。参考文献[1]张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:复旦大学出版社，2005.[2]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1998.[3]王鸿钰.步进电机控制入门[M].上海:同济大学出版社,1990.[4]袁任光,张伟武.电动机控制电路选用与258实例[M].北京:机械工业出版社,2005.[5]王秀和.永磁电机[M].北京:中国电力出版社,2007.[6]房玉明,杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统[J].电机与控制应用，2006，33（4）：64-64.[7]孙笑辉,韩曾晋.减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法[J].电气传动,2001，(1):8-11.[8]冯江华,陈高华,黄松