單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、引言步進(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。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和個(gè)數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接到一個(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)角度，稱為步距角。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。目錄引言.11 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案.3 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求.3 1.2 設(shè)計(jì)方案.32 步進(jìn)電機(jī)簡介.3 2.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理.3 2.2 步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方式選擇.4 2.2.1 步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方式.43

2、硬件電路設(shè)計(jì).5 3.1 晶振電路設(shè)計(jì).5 3.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì).5 3.3 按鍵電路設(shè)計(jì).6 3.4 顯示電路設(shè)計(jì).6 3.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).74 軟件程序設(shè)計(jì).8 4.1 程序設(shè)計(jì)思路.8 4.2 程序設(shè)計(jì)分析.8 4.3 程序設(shè)計(jì)流程.95 系統(tǒng)的模擬仿真.106 參考文獻(xiàn).13附錄 軟件程序.141 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上擴(kuò)展一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，利用單片機(jī)通過開關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)的2擋轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并在數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速擋次及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 1.2 設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)控制一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)。單片機(jī)輸出脈沖序列，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置按鍵電路控制步

3、進(jìn)電機(jī)的2擋轉(zhuǎn)速，即加速、減速，并在數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速等級(jí)，同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)方案總體框圖如圖1.2所示。圖1.2 總體框圖2 步進(jìn)電機(jī)簡介 2.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理 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^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用

4、于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 2.2

5、步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方式選擇 2.2.1 步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式主要分為全步勵(lì)磁和半步勵(lì)磁兩種，其中全步勵(lì)磁又有一相勵(lì)磁和二相勵(lì)磁之分，半步勵(lì)磁又稱一-二相勵(lì)磁。一相勵(lì)磁：在每一瞬間，步進(jìn)電機(jī)只有一個(gè)線圈導(dǎo)通。每送出一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8°，這是三種勵(lì)磁方式中最簡單的一種。其特點(diǎn)是：精確度好、消耗電力小，但輸出轉(zhuǎn)矩小，震動(dòng)較大。二相勵(lì)磁：在每一瞬間，步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通。每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8°。其特點(diǎn)是：輸出轉(zhuǎn)矩大，振動(dòng)小。一-二相勵(lì)磁：為一相勵(lì)磁與二相勵(lì)磁交替導(dǎo)通的方式。每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.9°。其特點(diǎn)是：分辨率

6、高，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑。本次設(shè)計(jì)采用二相勵(lì)磁方式，勵(lì)磁順序表如下表所示。時(shí)序12345678A10011001B11001100C01100110D00110011表3 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 晶振電路設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊，一拍一拍地工作。本次設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。AT89C51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成震蕩器的高增益方向放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端引腳為XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。本次設(shè)計(jì)選擇振蕩頻率為12MHZ的石英晶體。如圖3.1所示。圖3.1 晶振電路 3.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì) AT89C

7、51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過一個(gè)施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，本次設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位方式。如圖3.2所示。圖3.2 復(fù)位電路 3.3 按鍵電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用按鍵電路來控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止。并且由單片機(jī)的P1口對(duì)其進(jìn)行控制。電路如圖3.3所示。圖3.3 按鍵電路 3.4 顯示電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用兩個(gè)共陽極八段數(shù)碼管顯示，其中一個(gè)顯示轉(zhuǎn)速等級(jí)（一擋轉(zhuǎn)速顯示1，二檔轉(zhuǎn)速顯示2，

8、停止時(shí)顯示0），另一個(gè)顯示轉(zhuǎn)動(dòng)方向（正轉(zhuǎn)顯示0，反轉(zhuǎn)顯示1），其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)如表3.4所示。數(shù)字二進(jìn)制數(shù)000101000B111101011B200110010B表3.4電路如圖3.4所示。圖3.4 顯示電路 3.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用ULN2003作為驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，把單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖3.5所示。圖3.5 驅(qū)動(dòng)電路4 軟件程序設(shè)計(jì) 4.1 程序設(shè)計(jì)思路根據(jù)外圍電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)輸入為P1口的前五個(gè)引腳，輸出為P0口，P2口，P3口的前四個(gè)引腳。主程序部分首先向驅(qū)動(dòng)電路輸出四路高電平，使電機(jī)停轉(zhuǎn)，然后設(shè)置定時(shí)器T0的工作方式以及給允許中

9、斷位置高電平，接下來進(jìn)行按鍵掃描，如果由正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鍵按下，則跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序段，如果有停轉(zhuǎn)按鍵或沒有任何鍵按下，則跳轉(zhuǎn)到程序的初始部分。正轉(zhuǎn)部分，輸出起始脈沖，接下來進(jìn)行按鍵掃描，判斷是否執(zhí)行加速、減速或停轉(zhuǎn)，然后調(diào)用給定時(shí)器T0賦初值子程序，最后左移累加器A中的數(shù)值，如此循環(huán)便可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)亦然。加速和減速部分的程序設(shè)計(jì)，只要改變定時(shí)器的初始值，即改變定時(shí)時(shí)間便可實(shí)現(xiàn)。硬件電路原理圖如圖4.1所示。圖4.1 硬件原理圖 4.2 程序設(shè)計(jì)分析首先進(jìn)行P3口及定時(shí)器的初始化，定時(shí)器工作于方式1，用JNB指令來掃描按鍵電路，按下則跳轉(zhuǎn)，沒有按下則繼續(xù)向下執(zhí)行。如果P1.0按下，則跳轉(zhuǎn)

10、到首地址為ZHENG的位置，先調(diào)用一個(gè)10ms的延時(shí)子程序來消除按鍵的抖動(dòng)，然后通過累加器A輸出起始脈沖到P3口，隨后判斷加速、減速、停止按鍵是否按下，如果其中一個(gè)被按下，則跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序段，否則程序繼續(xù)向下執(zhí)行。接下來調(diào)用賦定時(shí)器初值子程序TIME，根據(jù)R0的數(shù)據(jù)不同，使用查表指令，來讀取TABLE1和TABLE2中的數(shù)據(jù)分別賦給定時(shí)器T0的兩個(gè)八位寄存器TH0和TL0，返回后，利用查詢法來等待T0的中斷，當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)跳出循環(huán)，并對(duì)中斷標(biāo)志位TF0清零。左移指令使累加器A中的數(shù)據(jù)循環(huán)左移一位，最后返回到ZHENG1的位置。如果按下P1.1，則執(zhí)行反轉(zhuǎn)程序，對(duì)脈沖信號(hào)循環(huán)右移，從而實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

11、加速子程序主要使R0內(nèi)的數(shù)據(jù)加1，即把速度提高一個(gè)級(jí)別，R0內(nèi)的數(shù)據(jù)還要與1相減，來確認(rèn)是否達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，如果R0內(nèi)的數(shù)據(jù)大于1，則把1賦給R0，表示已達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，不能再加速了。減速子程序主要使R0內(nèi)的數(shù)據(jù)減1，即把速度降低一個(gè)級(jí)別，如果R0內(nèi)的數(shù)據(jù)為0，即速度已為最低轉(zhuǎn)速，則直接跳過減一指令，保持這個(gè)最低轉(zhuǎn)速。賦定時(shí)器初值子程序，利用兩個(gè)查表指令來讀取預(yù)置的數(shù)據(jù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，R0內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，這時(shí)賦給定時(shí)器的初值也發(fā)生了變化，改變了定時(shí)時(shí)間，即脈沖的時(shí)間間隔發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)變速。 4.3 程序設(shè)計(jì)流程圖圖4.3 程序流程圖5 系統(tǒng)的模擬仿真起初狀態(tài)仿真圖1擋反轉(zhuǎn)仿真圖1擋正轉(zhuǎn)

12、仿真圖2擋反轉(zhuǎn)仿真圖2擋正轉(zhuǎn)仿真圖停止仿真圖參考文獻(xiàn)1 謝輝.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20102 楊居義.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M.北京：清華大學(xué)出版社，20093 張永楓.單片機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，20084 姜志紅.51單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)案例精選.M.北京：清華大學(xué)出版社，20085 張蔭等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)綜合實(shí)例. M.北京：清華大學(xué)出版社，20086 戴仙金.51單片機(jī)及其匯編語言程序開發(fā)實(shí)例.M.北京：清華大學(xué)出版社，2008附錄：軟件程序 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0030H MAIN: MOV P3,#0FFH M

13、OV R0,#00H MOV SP,#40H MOV TMOD,#01H MOV IE,#82H ACALL XIANS0 KEY: JNB P1.0,ZHENG JNB P1.1,FAN JNB P1.4,KEY SJMP KEY ZHENG: JNB P1.0,$ ACALL XIANS1 ACALL XIANSZ ACALL DELAY MOV A,#33H ZHENG1: MOV P3,A ；正轉(zhuǎn) JNB P1.1,FAN JB P1.2,KEEP ACALL JIASU KEEP: JB P1.3,KEEP1 ACALL JIANSU KEEP1: JNB P1.4,MAIN ACA

14、LL TIME LOOP1: JBC TF0,NEXT1 AJMP LOOP1 NEXT1: RL A AJMP ZHENG1 FAN: JNB P1.1,$ ；反轉(zhuǎn) ACALL XIANS1 ACALL XIANSF ACALL DELAY MOV A,#33H FAN1: MOV P3,A JNB P1.0,ZHENG JB P1.2,THEN ACALL JIASU THEN: JB P1.3,THEN1 ACALL JIANSU THEN1: JNB P1.4,MAIN ACALL TIME LOOP2: JBC TF0,NEXT2 AJMP LOOP2 NEXT2: RR A AJM

15、P FAN1 JIASU: JNB P1.2,$ ；加速 ACALL DELAY PUSH ACC ACALL XIANS2 INC R0 CLR C MOV A,R0 SUBB A,#1 JC NEXT3 MOV R0,#1 NEXT3: POP ACC RET JIANSU: JNB P1.3,$ ；減速 ACALL DELAY PUSH ACC ACALL XIANS1 MOV A,R0 JZ NEXT4 DEC R0 NEXT4: POP ACC RET TIME: PUSH ACC ；定時(shí)器賦初值程序 MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR M

16、OV TH0,A MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE2 MOVC A,A+DPTR MOV TL0,A SETB TR0 POP ACC RET DELAY: MOV R7,#14H ；10ms延時(shí)子程序 D1: MOV R6,#0FFH D2: DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D1 RET XIANS0: MOV R0,#00101000B ；顯示子程序 MOV A,R0 MOV P0,A LCALL DELAY1 RET XIANS1: MOV R0,#11101011B MOV A,R0 MOV P0,A LCALL DELAY1 RET XIANS2: MOV R0,#00110010B MOV A,R0 MOV P0,A LCALL