正反轉(zhuǎn)可控電機

1、學(xué) 號1207050224天津城建大學(xué)嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程設(shè)計設(shè)計說明書正反轉(zhuǎn)可控的步進電機起止日期： 2015 年 11月 日 至 2015 年 11月 日學(xué)生姓名班級成績指導(dǎo)教師(簽字)計算機與信息工程學(xué)院2015年 11 月 日目錄第1章 課程設(shè)計目的、要求、方案11.1設(shè)計目的11.2設(shè)計要求11.3 設(shè)計方案11.3.1控制方式的確定11.3.2驅(qū)動方式的確定11.3.3驅(qū)動電路的選擇21.3.4基本方案的確定2第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計32.1 硬件設(shè)計思路32.2 總體設(shè)計思路32.3 單片機的選擇42.4 ULN2003A芯片42.5步進電機42.5.1 步進電機特性52.5.2 步

2、進電機種類5第3章 外圍電路分析63.1 鍵盤控制模塊63.2 LED發(fā)光模塊73.3 步進驅(qū)動模塊7第4章 軟件設(shè)計84.1 程序設(shè)計思路84.2 程序流程圖84.2.1 主程序流程圖84.2.2電機控制中斷程序流程圖9參考文獻10附錄111.仿真電路圖112.參考程序121第1章 課程設(shè)計目的、要求、方案1.1設(shè)計目的（1）設(shè)計并實現(xiàn)給定步進電機的控制；（2）進一步掌握步進電機的控制方法；（3）進一步掌握單片機硬件和軟件的綜合設(shè)計方法。1.2設(shè)計要求（1）電機工作方式為三相雙三拍，初始轉(zhuǎn)速100r/min ；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)電機的啟/停功能；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)電機的正/反轉(zhuǎn)功能；（4）能夠?qū)崿F(xiàn)電

3、機的加/減速功能。1.3 設(shè)計方案1.3.1控制方式的確定步進電機控制是一個比較精確的控制，步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是CP脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行。但占用CPU時間長，不

4、能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。1.3.2驅(qū)動方式的確定步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過CPU直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因為CPU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉(zhuǎn)動；別一種是通過CPU來間接驅(qū)動，就是把從CPU輸出的信號進行放大，然后直接驅(qū)動或是再通過光電隔離間接來驅(qū)動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計應(yīng)采用CPU間接驅(qū)動步進電機。用編碼器的測速發(fā)電機作為轉(zhuǎn)速測量工具,因為選擇了閉環(huán)控制，就必須有反16系統(tǒng)硬件設(shè)計饋元件，反饋元件

5、一般有兩種，一種是采用同軸的測速發(fā)電機，把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步進電機進行調(diào)節(jié)；別一種是通過光同軸的電編碼器把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來對步進電機進行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設(shè)計比較簡單，價格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。1.3.3驅(qū)動電路的選擇 步進電機的驅(qū)動電路有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、細分控制驅(qū)動等。但因本次設(shè)計對步進電機的精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應(yīng)選用驅(qū)動芯片ULN2003A來驅(qū)動，并通過軟件來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。1.3.4基本方案的確定 因本次設(shè)計的要求，選用三相雙三拍步進電機，

6、單片機選用89C51作為控制器。選用8279來驅(qū)動顯示和鍵盤。選用ULN2003A作為步進電機的驅(qū)動芯片并通過光電耦合來驅(qū)動步進電機。然后用與步進電機同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號經(jīng)CPU處理后再由顯示器顯示出來。系統(tǒng)硬件設(shè)計第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 硬件設(shè)計思路步進電機控制系統(tǒng)共分為四個模塊：單片機最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、發(fā)光模塊、步進電機驅(qū)動模塊。單片機最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機個功能部件都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。鍵盤控制模塊包括啟停鍵、方向控制

7、鍵、加速鍵和減速鍵，分別與單片機的P3.0、p3.1、p3.2和P3.3相連。實現(xiàn)對步進電機的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。步進電機驅(qū)動模塊選用ULN2003A為步進電機提供脈沖信號，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機的P1.0P1.6相連。2.2 總體設(shè)計思路總體設(shè)計思路見圖2-1AT89C51鍵盤控制模塊電機驅(qū)動模塊發(fā)光模塊圖2-1說明如下：1.單片機接受鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。2.單片機輸出脈沖信號，控制步進電機轉(zhuǎn)動。3.單片機根據(jù)步進電機實際轉(zhuǎn)動值，控制發(fā)光顯示。系統(tǒng)硬件設(shè)計2.3 單片機的選擇本次設(shè)計選用我們最熟悉的51單片機作為步進電機的控制芯片。89C51

8、的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容MCS5l系列單片機的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器。2.4 ULN2003A芯片經(jīng)常在以下電路中使用，作為顯示驅(qū)動，繼電器驅(qū)動，照明燈驅(qū)動，電磁閥驅(qū)動，伺服電機、步進電機驅(qū)動等電路中。ULN2003A（如圖：2-2）是一個7路反向器電路，即當輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平。也可以作為一些器件，如步進電機的驅(qū)動電路。圖 2-2 ULN2003A2.5步進電機步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機

9、電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。系統(tǒng)硬件

10、設(shè)計2.5.1 步進電機特性步進電機轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動電路，今天，在打印機、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進電機有如下優(yōu)點：1不需要反饋，控制簡單。2與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡單。3沒有角累積誤差。4停止時也可保持轉(zhuǎn)距。5沒有轉(zhuǎn)向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。6即使沒有傳感器，也能精確定位。7根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機也有自身的缺點。8難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩9、不宜用作高速轉(zhuǎn)動

11、10在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。11超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。2.5.2 步進電機種類目前常用的步進電機有三類：1、反應(yīng)式步進電動機（VR）。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當小，但動態(tài)性能相對較差。2、永磁式步進電動機（PM）。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動步的角度一般是7.50。它的出力大，動態(tài)性能好；但步距角一般比較大。3、混合步進電動機（HB）。這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機綜合了反應(yīng)式

12、和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機。外圍電路分析第3章 外圍電路分析3.1 鍵盤控制模塊鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作用。一個電壓信號在機械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為510ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確

13、認按鍵按下與否。在本設(shè)計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按K1鍵時，發(fā)光二極管D1亮，按K2鍵時，D2發(fā)光二極管變亮，按K3鍵時D3發(fā)光二極管亮。為了確保單片機對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計中沒有采用，在此不再詳細敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的

14、影響。如圖3-1所示：圖3-1鍵盤控制電路外圍電路分析3.2 LED發(fā)光模塊發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍，。本次設(shè)計中選用了3個發(fā)光二極管，D1，D2，D3，分別在電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止時發(fā)光。電路圖如圖3-2。圖 3-2 發(fā)光二極管連接圖3.3 步進驅(qū)動模塊本系統(tǒng)的設(shè)計目的為了高效控制步進電機的轉(zhuǎn)動，因此需要將脈沖轉(zhuǎn)化為步進角度，才能控制步進電機轉(zhuǎn)動，我們在這里采用ULN2003A為步進電機提供脈沖信號。ULN2003A是低邏輯電平數(shù)字電路和大電流高電壓要求的燈

15、、繼電器、打印機錘和其他類似負載間的接口的理想器件。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。ULN2003A的設(shè)計與標準TTL系列兼容。它的管腳連接圖如圖3-3所示:圖3-3 步進驅(qū)動電路軟件設(shè)計第4章 軟件設(shè)計4.1 程序設(shè)計思路步進電機控制系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進電機轉(zhuǎn)動、控制二極管發(fā)光等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實現(xiàn)。在本設(shè)計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器0中斷服務(wù)程序控制步進電機的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當前速度進行計算并查表得到T0定時時間常數(shù)，設(shè)

16、置TH0和TL0的值，達到對轉(zhuǎn)速精確控制的目的；根據(jù)轉(zhuǎn)動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達到對轉(zhuǎn)動方向控制的目的。4.2 程序流程圖4.2.1 主程序流程圖步進電機控制系統(tǒng)的主程序在對整個系統(tǒng)初始化后主要完成讀鍵盤和處理鍵盤的功能，如圖4-1所示：圖4-1 步進電機控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電復(fù)位后，先調(diào)用初始化子程序，對步進電機各端口，相關(guān)參數(shù)進行初始化，設(shè)置T0、T1工作方式控制字和時間常數(shù)。初始化完成后，步進電機處于停止狀態(tài)，T0、T1定時器處于關(guān)閉狀態(tài)。然后循環(huán)調(diào)用讀鍵盤子程序和鍵盤處理子程序，等待中斷，以軟件設(shè)計便實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)動控制和轉(zhuǎn)速的動態(tài)顯示。4.2.2電機控制中

17、斷程序流程圖定時器中斷0服務(wù)程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2定時器中斷0服務(wù)程序流程圖定時器中斷0服務(wù)程序的中斷時間由當前的轉(zhuǎn)速決定。進入中斷程序后，首先要保護現(xiàn)場，再根據(jù)當前速度進行計算并查表得到T0定時時間常數(shù)，設(shè)置TH0和TL0的值。然后判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值，如果是0則控制脈沖信號循環(huán)左移并輸出，如果是1則控制脈沖信號循環(huán)右移并輸出。最后恢復(fù)現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。參考文獻參考文獻1 張洪潤,藍清華. 單片機應(yīng)用技術(shù)教程M . 北京:清華大學(xué)出版社,1997.2 秦曾煌. 電工學(xué)M . 北京:高等教育出版社,1999.3 常斗南,等. 可編程序控制器原理、應(yīng)用、實驗M . 北京:機

18、械工業(yè)出版社,1998.4 于海生,等. 微型計算機控制技術(shù)M . 北京:清華大學(xué)出版社,1999.5 王福瑞,等. 單片機微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全M . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998.6 陳理壁. 步進電機及其應(yīng)用M . 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1989.7 劉保延,等. 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)M . 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版 社,1997.8 季維發(fā),過潤秋,嚴武升等. 機電一體化技術(shù)M .北京:電子工業(yè)出版社,1995.9 郭敬樞,莊繼東,孔峰. 微機控制技術(shù)M . 重慶:重慶大學(xué)出版社,1994.10 劉國榮. 單片微型計算機技術(shù)M . 北京:機械工業(yè)出版社,1996.1

19、1 王福瑞. 單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全M . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998.12 何立民. 單片機應(yīng)用技術(shù)選編M . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993.13 潘新民等: 單片微型計算機實用系統(tǒng)設(shè)計1 北京: 人民郵電出版社, 1992.14 王潤孝,秦現(xiàn)生編著1 機床數(shù)控原理與系統(tǒng)1 西北工業(yè)大學(xué)出版社,1997.15 李伯成,侯伯李等編1IBM - PC 微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計1西安電子科技大學(xué),1996.16 黃義源主編1 機械設(shè)備電氣與數(shù)字控制1 中共廣播電視大學(xué)出版社,1992. 附錄附錄1.仿真電路圖附錄2.參考程序#include <REG52.h> sbit

20、 led_n=P00;sbit led_r=P01;sbit led_s=P02;sbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbit P1_3=P13;unsigned char key;unsigned char t,s,speed=50;unsigned int lev;bit turun,m_on=0;void delaylev()unsigned int i;unsigned char j;for(i=lev;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void delayms(unsigned char xms)unsign

21、ed char i,j;for(i=xms;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void keyscan()unsigned char temp;if(P3!=0xff)delayms(10);if(P3!=0xff)temp=P3;switch(temp)case 0xfe:P0=0xff;led_n=0;m_on=1;turun=0;break;case 0xfd:附錄P0=0xff;led_r=0;m_on=1;turun=1;break;case 0xfb:P0=0xff;m_on=0;led_s=0;break;case 0xf7:P0=0xff;speed=speed-10;if(speed<10)speed=2;break;case 0xef:P0=0xff;speed=speed+10;if(speed>240)speed=255;break; while(P3!=0xff);void gorun(unsigned char step) switch(step) case 1: /0 P1_0 = 1; P1_1 = 1; P1_2 = 0; P1_3 = 0;