基于51单片机的步进电机的课程设计

单片机课程设计题目：步进电机控制系统的设计编号：0802A组06学生姓名：同组者：指导教师：杨中国2010年11月18日目录摘要…………………………………………………………………4第一章绪论…………………………………………………………51.1关于步进电机……………………………………………51.2选题的目的和意义…………………………………………6第二章元器件的介绍…………………………………………………82.1步进电机………………………………………………82.289C51…………………………………………………9第三章步进电机控制系统硬件电路设计………………………………113.1控制电路………………………………………………103.2最小系统………………………………………………123.3驱动电路………………………………………………133.4显示电路………………………………………………143.5总体电路………………………………………………14第四章软件的设计………………………………………………164.1方案论证………………………………………………164.2主程序设计………………………………………………174.3定时中断设计…………………………………………184.4外部中断设计…………………………………………19第五章仿真与调试……………………………………………255.1Proteus软件介绍……………………………………255.2keil软件介绍…………………………………………255.3仿真过程………………………………………………25心得体会……………………………………………………………27附录PCB板图及其三视图……………………………………………28摘要能够实现步进电机控制的方式有多种,可以采用前期的模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式。近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测日新月异更新。本文介绍一种用AT89C51作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的单片机技术和汇编语言编程设计的步进电机控制系统，步进电机背景与现状、硬件设计、软件设计及其仿真都做了详细的介绍，使我们不仅对步进电机的原理有了深入的了解，也对单片机的设计研发过程有了更加深刻的体会。本控制系统采用单片机控制，通过人为按动开关实现步进电机的开关，复位。该系统还增加了步进电机的加速及减速功能。具有灵活方便、适用范围广的特点，基本能够满足实践需求。关键字：步进电机单片机AbstractSteppermotorcontrolcanbeachievedindifferentways,canbeusedearlyanalogcircuits,digitalcircuitsoracombinationofanaloganddigitalcircuitmeans.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyinrecentyears,theapplicationofSCMisagrowing,whiletraditionalcontroltestdriverapidupdates.ThispaperdescribesacorecomponentoftheAT89C51,asthesignalgeneratedbylogiccontrolandmicrocontrollertechnologyandassemblylanguageprogrammingdesignedsteppermotorcontrolsystem,steppingmotorbackgroundandpresent,hardwaredesign,softwaredesignandsimulationhavemadeadetailedintroduction,sowenotonlyhaveasteppermotor-depthunderstandingoftheprinciples,butalsothedesignofmicrocontrollerdevelopmentprocesshaveamoreprofoundexperience.ThecontrolsystemusesSCMcontrol,pressingtheswitchthroughtherealizationofhumansteppermotorswitch,reset.Thesystemalsoincreasedthesteppermotoraccelerationanddeceleration.Hastheflexibilityforawiderangeoffeatures,thebasicpracticetomeetthedemand.Keywords:steppermotormicrocontroller第一章绪论1.1关于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。步进电机的相关参数：相数产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。目前应用最广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.固有步距角对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。定位转矩电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的），DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。最大静转矩也叫保持转矩（HOLDINGTORQUE），电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。步距角精度步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载启动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。最大空载运行频率电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。运行矩频特性电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。1.2选题的目的和意义通过这次课程设计，掌握51单片机的原理，了解步进电机的工作原理，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本次设计与调试，调高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立单片机理论和实践的结合，了解步进电机控制系统中电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计各个单元电路。初步掌握步进电机控制系统的测试方法。提高动手能力和排除故障的能力。第二章元器件的介绍2.1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。①四相步进电机的工作原理该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，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，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促89C51单片机复位电路键盘控制电路ULN2803启动电路步进电机状态显示电路电源及时钟电路图1总体设计方框图使电机旋转的原因。②步进电机的静态指标及术语相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB,四相八拍运行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。Θ=360度（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。四相运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。③四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图1a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，