基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

1、電子器件市場(chǎng)調(diào)研與系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐評(píng)語(yǔ)：考勤（10）守紀(jì)（10）過(guò)程（40）報(bào)告（30）答辯（10）總成績(jī)（100）業(yè):*名:號(hào):指導(dǎo)教師:*大學(xué)*學(xué)院.頁(yè)腳*年*月*日基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速與正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)1系統(tǒng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線 位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、 廉價(jià)，又非?？尚?，因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng) 域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量 與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

2、動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)基于 單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)課題是以單片機(jī)為主控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、 正反轉(zhuǎn)和調(diào)速的目的的一個(gè)設(shè)計(jì)課題。在課題設(shè)計(jì)之前，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)了解到了當(dāng) 前步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展前景。同時(shí)也了解了當(dāng)今最先進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)所具備 的功能，方便為課題設(shè)計(jì)提供參考和借鑒；最后，通過(guò)畫原理框圖的形式，以最 直觀的方式為整個(gè)課題設(shè)計(jì)制定了流程及要求。1.1 設(shè)計(jì)目的電子器件市場(chǎng)調(diào)研與系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐是本專業(yè)的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用技能訓(xùn)練。結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)系列課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)我們對(duì)電子器件的認(rèn)知，鍛煉我們的市場(chǎng)調(diào)研能力，加深我們對(duì)自動(dòng)化專業(yè)系列課程知識(shí)的掌握。通過(guò)

3、課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生與人交往、獨(dú)立思考和處理問(wèn)題的能力。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求本次課程設(shè)計(jì)所選的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，采用的方法是利用單片機(jī)控 制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn) 驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角 度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈 沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率 來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次課程設(shè)計(jì)就是通過(guò) 改變脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過(guò)數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級(jí)別。另 外通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它

4、的正反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用 其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)勺特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。2系統(tǒng)方案及原理2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案該步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要具有電機(jī)啟停、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制和顯示功能，現(xiàn) 將該步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的所有功能的具體步驟整理如下：(1)步進(jìn)電機(jī)啟停功能。單片機(jī)預(yù)設(shè)初值，預(yù)設(shè)初值脈沖發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)按預(yù)設(shè)的最低速運(yùn)行。(2)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速功能。將產(chǎn)生的不同頻率和脈寬的脈沖信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)器中, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)若干個(gè)步角距。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制。通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電相序，改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向， 從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制功能。(4)

5、復(fù)位功能。通過(guò)復(fù)位單片機(jī)，使單片機(jī)輸出的脈沖復(fù)位為預(yù)設(shè)初值，從而 使步進(jìn)電機(jī)復(fù)位為預(yù)設(shè)最低速度運(yùn)行。(5)顯示功能。通過(guò)在四位一體數(shù)碼管中顯示設(shè)定步進(jìn)電機(jī)目前的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。2.2 自動(dòng)澆花系統(tǒng)原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載 的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受 負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性 關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、 位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò) 的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率

6、的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與 輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。系統(tǒng)是單片機(jī)控制，整個(gè)設(shè)計(jì)的電壓是5v,所以電機(jī)的電壓也要選擇5v可以驅(qū)動(dòng)的，所以本實(shí)驗(yàn)選擇28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)作為設(shè)計(jì)對(duì)象，步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48型 四相八拍電機(jī)，電壓為DC5V-DC12V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制 脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相 繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度(一個(gè)步距角)o當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。原理框圖如圖 1。顯示電路單片機(jī)圖1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖3市場(chǎng)調(diào)研及硬件設(shè)計(jì)3.

7、1 市場(chǎng)調(diào)研認(rèn)真分析了題目所要求的功能后，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)方案進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)， 并對(duì)所需的器件進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研，通過(guò)不同的途徑，包括淘寶店、天貓購(gòu)物、實(shí) 體店，對(duì)比分析后，最優(yōu)方案是通過(guò)淘寶店購(gòu)買元器件。 主要的元器件羅列如表1表1硬件電路板主要元器件序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)目單價(jià)(元)1數(shù)碼管3641BS共陽(yáng)11.602電容100uf/25V10.0410uf/25V10.0430pf/50V20.013電源接口DC-013直插10.034輕觸開關(guān)6*6*5直插式50.035電阻10K10.021K80.016發(fā)光二極管LED40.057步進(jìn)電機(jī)28BYJ4813.258三極管855040.069單片

8、機(jī)STC89C51RC12.8010電機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN200310.7511插座DIP4010.25DIP1610.1512晶振DS12.000MHz10.21通過(guò)硬件電路搭建后，完成實(shí)物電路板的焊接過(guò)程，實(shí)物圖見附錄A。3.2 電路原理圖從控制系統(tǒng)的大小和復(fù)雜度出發(fā)，必須考慮單片機(jī)的基本參數(shù)和增強(qiáng)功能。前者往往需要考慮芯片的速度，ROM容量，I/O引腳數(shù)量和工作電壓(1.8V/3V/5V) 等，后者則包括是否擁有看門狗，雙指針，雙串口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，CAN接口，SPI接口，USB接口等附加模塊。本設(shè)計(jì)中受控對(duì)象只有超聲波、聲光報(bào)警，復(fù)雜度 低，采用低端的通用的單片機(jī)芯片就能夠滿足要求。P0 口為四位

9、一體數(shù)碼管的段選。P1.0為步進(jìn)電機(jī)啟停按鍵定義，P1.1為步進(jìn) 電機(jī)正反轉(zhuǎn)按鍵定義，P3.0為步進(jìn)電機(jī)加速按鍵定義，P3.1為步進(jìn)電機(jī)減速按鍵 定義，P2.0、P2.1、P22 P2.3 為四位一體數(shù)碼管的位選。 P2.7、P2.6、P25 P2.4為脈沖信號(hào)輸入端定義，原理圖如圖2。田11Ag /的7 FttLAIT-FflPfl E 406 事W山岫I P?P* kftli P£+'A1C! 聞ae %酬H 處附”物期，口 事ig PS-ZWBm MbariF« r - '=FI.TI0rI.± L1-2*。國(guó) 7 IB*:Dmw-HF圖2系

10、統(tǒng)原理圖4硬件調(diào)試及分析4.1 Proteus軟件仿真在實(shí)物制作前，需要首先在Proteus仿真軟件中對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)（即對(duì)硬件電 路圖進(jìn)行合理的搭配，如圖2）,通過(guò)仿真軟件測(cè)試電路與編譯的程序相配合，檢 查外圍電路設(shè)計(jì)是否合理，程序編譯是否正確，以及軟件和硬件是否能夠正常配 合工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的要求，若仿真電路沒(méi)有問(wèn)題，就可以在實(shí)際電路中對(duì)實(shí)物 進(jìn)行焊接制作。我選擇單片機(jī)仿真軟件Proteus8.2仿真以及Keil4編譯。源程序見 附錄Bo4.2 按鍵電路按鍵操作在四位一體數(shù)碼管上顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，有啟停按鍵，正 反轉(zhuǎn)按鍵以及加減速按鍵，如圖 3。圖3按鍵電路圖4。4.3 顯示電路檢測(cè)

11、到土壤濕度濕度和預(yù)先設(shè)置的上下限值，顯示在液晶顯示屏上，如圖圖4步進(jìn)電機(jī)一檔速正轉(zhuǎn)4.4 驅(qū)動(dòng)電路STC89C51RC的P2 口作為驅(qū)動(dòng)電路的控制引腳，P2輸入高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸 出為0, LED燈亮，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，水泵工作；P2 口輸入低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出為1, LED燈熄滅，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 5。U2IEBBR 曰B口 12 3 4 & G /圖5驅(qū)動(dòng)電路5總結(jié)在把理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成實(shí)物的整個(gè)過(guò)程，如：電路設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、畫電路圖、 焊接電路、檢查調(diào)試、軟件流程控制設(shè)計(jì)分析、編寫調(diào)試軟件、燒寫軟件到整個(gè) 軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試，最后直到系統(tǒng)完成。其中整個(gè)系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備是首先必須做 到位的

12、，如控制什么、用什么控制、得到什么結(jié)果，進(jìn)而對(duì)各部分應(yīng)選擇具體的 芯片作進(jìn)一步的考慮，以使系統(tǒng)得到最優(yōu)的表現(xiàn)。通過(guò)本課題，一方面我在查閱資料的基礎(chǔ)上，了解STC89C51單片機(jī)控制的一 些基本技術(shù)，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實(shí)現(xiàn)方法 ，能對(duì)單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)進(jìn) 行系統(tǒng)學(xué)習(xí)與掌握；另一方面，在設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，控制程序 和相應(yīng)的電路圖時(shí)，應(yīng)充分運(yùn)用說(shuō)學(xué)知識(shí)，善于思考，琢磨，分析。我們的學(xué)習(xí)不但要立足于書本，以解決理論和實(shí)際教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題為目的， 還要以實(shí)踐相結(jié)合，理論問(wèn)題即實(shí)踐課題，解決問(wèn)題即課程研究，學(xué)生自己就是 一個(gè)專家，通過(guò)自己的手來(lái)解決問(wèn)題比用腦子解決問(wèn)題更加深刻。學(xué)習(xí)就

13、應(yīng)該采 取理論與實(shí)踐結(jié)合的方式，理論的問(wèn)題，也就是實(shí)踐性的課題。這種做法既有助 于完成理論知識(shí)的鞏固，又有助于帶動(dòng)實(shí)踐，解決實(shí)際問(wèn)題，加強(qiáng)我們的動(dòng)手能 力和解決問(wèn)題的能力。參考文獻(xiàn)1王思明，張金敏,茍軍年.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京:科學(xué)出版社，2012.2周潤(rùn)景，劉曉霞.基于PROYEUS的電路設(shè)計(jì)、仿真與制板M.北京：電子工業(yè)出版社，2013.8.3潭浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社M.2005.07.4張毅剛，MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2004.5劉樂(lè)喜.微機(jī)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用M.華中科技大學(xué)出版社.2005.08.6馮博琴.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)

14、M.清華大學(xué)出版社.2004.附錄A實(shí)物圖附錄B源程序#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define led P0/數(shù)碼管段選#define haha P2sbit si = P1A0;sbit s2 = P1A1;sbit s3 = P3A0;sbit s4 = P3A1;/按鍵定義，s1 正轉(zhuǎn)，s2 反轉(zhuǎn),s3加1, s4減1sbit wei3 = P2A3;sbit wei2 = P2A2;sbit wei1 = P2A1;sbit wei0 = P2A0;數(shù)碼管位選定義

15、sbit a = P2A7;sbit b = P2A6;sbit c = P2A5;sbit d = P2A4;/脈沖信號(hào)輸入端定義uchar code display11=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff);/共陽(yáng)數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)信號(hào)0-9 ,不顯示uchar code time_counter102=0xda,0x1c,0xde,0xe4,0xe1,0xec,0xe5,0xd4,0xe9,0xbc,/9.7 1ms0xed,0xa4,0xf1,0x8c,0xf5,0x74,0xf9,0x5c,0xfc,0x18;ucha

16、r code qudong8=0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x90;uchar num1 = 0; 控制取勵(lì)磁信號(hào)變量uchar num2 = 8;uchar k=1;/加減檔位控制，1為最小檔bit flag1 = 0;初始正轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)標(biāo)志uchar buf4=0,10,10,1;/數(shù)碼管顯示緩存，正轉(zhuǎn)，不顯示，不顯示，顯示 1檔位，高-低/=定時(shí)器 0/1 初始化函數(shù)void T0_T1_init()TMOD = 0x11;/定時(shí)器0/1均工作于方式 1,16位計(jì)時(shí)方式TH0 = (65536 - 4000)/256;TL0 = (65536 -

17、4000)%256;/定時(shí)器0,定時(shí)4ms用于數(shù)碼管掃描顯示TH1 = time_counterk-10;TL1 = time_counterk-11;/ 定時(shí)器1,定時(shí)10ms用于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制TR0 = 1;TR1 = 1;ET0 = 1;ET1= 1;開定時(shí)器中斷EA = 1;/開總中斷/=ms級(jí) 延 時(shí) 函void delay1m(uint x) uint i,j;for(i=0;i<x;i+)連數(shù) x 次，約 x msfor(j=0;j<120;j+);/ 數(shù) 120 次，約 1 ms) /=主void main()(T0_T1_init();buf1 = 10;/ 不

18、顯示while(1)(if(s1 = 0)(delay1m(3);if(s1 = 0)(flag1 = 0;/ 正轉(zhuǎn)buf0 = 0;/最高位顯示 0haha = 0x00;/ 停止 (k-;if(k = 0) (k = 10;)buf2= k/10;buf3= k%10;)flag1 = 1;/ 反轉(zhuǎn)buf0 = 1;/最高位顯示 1 haha = 0x00;/ 停止)while(!s2);)if(s3 = 0)/ 速度力口 1 檔(delay1m(3);if(s3 = 0)(k+;if(k > 10 ) (k = 1;)buf2= k/10;buf3= k%10;)while(!s3

19、);)if(s4 = 0)/速度減1檔delay1m(3); if(s4 = 0) k-;if(k = 0) k = 10;)buf2= k/10;buf3= k%10;) while(!s4);)/=定時(shí)器0中斷函數(shù)，用于數(shù)碼管掃描顯示=void time0_interrupt()interrupt 1 static num = 0;TH0 = (65536 - 4000)/256;TL0 = (65536 - 4000)%256;/定時(shí)器0,定時(shí)4ms用于數(shù)碼管掃描顯示 switch(num) case 0:wei3=1;wei2=1;wei1=1;wei0=0;led = display

20、buf3;break;case 1:wei3=1;wei2=1;wei1=0;wei0=1;led = displaybuf2;break;case 2:wei3=1;wei2=0;wei1=1;wei0=1;led = displaybuf1;break;case 3:wei3=0;wei2=1;wei1=1;wei0=1;led = displaybuf0;break; )num+;if(num = 4)num = 0;)/=定時(shí)器1中斷函數(shù)，用于脈沖頻率控制void time1_interrupt()interrupt 3 static numl = 0;static num2 = 0;TH1 = time_counterk-10;TL1 =