基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

1、目 錄1設(shè)計(jì)任務(wù)12設(shè)計(jì)方案13步進(jìn)電機(jī)常識(shí)與工作原理131 步進(jìn)電機(jī)常識(shí)132步進(jìn)電機(jī)的控制原理133步進(jìn)電機(jī)的控制方式24步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制241硬件設(shè)計(jì)342軟件設(shè)計(jì)442.1程序流程圖442.2 程序清單45總結(jié)8基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)任務(wù) 鞏固所學(xué)電子技術(shù)知識(shí)，并通過設(shè)計(jì)實(shí)例，以提高解決綜合實(shí)際問題的能力。2設(shè)計(jì)方案課程設(shè)計(jì)題目是基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制器的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真。通過定時(shí)中斷產(chǎn)生一定頻率的脈沖，再改變定時(shí)的時(shí)間來調(diào)節(jié)脈沖的頻率，從而達(dá)到調(diào)速的目的。另外，為了直觀的顯示步進(jìn)電機(jī)的速度，采用數(shù)碼管來顯示。設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。圖1 設(shè)計(jì)方案方框圖

2、3步進(jìn)電機(jī)常識(shí)與工作原理31 步進(jìn)電機(jī)常識(shí)常見的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。32步進(jìn)電機(jī)的控制原理步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)相鄰磁極之間的夾角為60度，線圈繞過相對(duì)的兩個(gè)磁極，構(gòu)成一相。磁極上有5個(gè)均勻分布的矩形小齒，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，而有40個(gè)小

3、齒均勻分布在其圓圈上，且相鄰兩個(gè)齒之間的夾角為9度。當(dāng)某組繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子沒有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前“走”一步。33步進(jìn)電機(jī)的控制方式如果通過單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖樹成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，與脈沖的占空比無關(guān)；而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與脈沖的順序有關(guān)。以三相步進(jìn)電機(jī)為例，電流脈沖的施加共有三種方式。1）單相三拍方式按單相繞組施加電流脈沖2）雙相三拍方式按兩相繞組施

4、加電流脈沖3）三相六拍方式按單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖單相三拍方式的每一拍步進(jìn)角為度，三相六拍的步進(jìn)角則為.度。因此三相六拍下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行反轉(zhuǎn)平穩(wěn)柔和，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開關(guān)特性要求較高。4步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開環(huán)控制，不需要反饋信號(hào)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差積累。下面則通過8051單片機(jī)以單相三拍的方式控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。41硬件設(shè)計(jì)利用MC-51單片控制步進(jìn)電機(jī)的電路原理如圖所示。步進(jìn)電機(jī)的三相驅(qū)動(dòng)口分別接在單片機(jī)的P2.5P2.7口，中間用三極管放大電路做為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。起作用是將單

5、片機(jī)輸出口的+5V電壓放大，同時(shí)也將電流放大，直接去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)（此步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓是+12）。另外，圖中D1D3三個(gè)二極管的作用是將步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行當(dāng)中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)釋放出來，從而保護(hù)三極管不受損壞。按一下按鈕K1，步進(jìn)電機(jī)減速，按一下按鈕K4，步進(jìn)電機(jī)加速；當(dāng)開關(guān)K1閉合時(shí)，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，開關(guān)K1打開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止；當(dāng)開關(guān)K2閉合時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，開關(guān)K2打開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。七段共陽極數(shù)碼管接在P0口，用來直觀的顯示步進(jìn)電機(jī)的速度。圖3 基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的電路原理圖42軟件設(shè)計(jì)42.1程序流程圖程序流程圖如圖3所示，其中包括主程序流程和中斷程序流程。圖程序流程圖42.2 程序清單

6、下述程序采用MC-51匯編語言實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，調(diào)速與制動(dòng)。程序啟動(dòng)后，判斷啟動(dòng)開關(guān)是否打開，是則繼續(xù)執(zhí)行下面的程序，否則在原地不動(dòng)。程序中定時(shí)30毫秒產(chǎn)生一次中斷。另外還有兩個(gè)調(diào)速外部中斷程序JIA和JIAN。主程序?yàn)閿?shù)碼管掃描。程序如下：ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP JIANORG 000BHLJMP 0F00HORG 0013HLJMP JIAORG 40HSTART:MOV 31H,#6MOV R0,#0FEHMOV R1,31HMOV R2,#50MOV TMOD,#01HMOV TH0,#1CHMOV TL0,#22HMOV IP,#02H

7、SETB IT0SETB IT1LP0:MOV 32H,#0DFHLP4:JB P3.6,LP1MOV IE,#87HSETB TR0LJMP LP2LP1:CLR EACLR TR0MOV P1,#00HLJMP LP4LP2:MOV DPTR,#TABMOV B,#10MOV A,R2DIV ABMOVC A,A+DPTRCLR P1.7SETB P1.6MOV P0,ALCALL DELAYMOV A,BMOVC A,A+DPTRCLR P1.6SETB P1.7MOV P0,ALCALL DELAYLJMP LP0ORG 0F00HMOV TH0,#1CHMOV TL0,#22HDJN

8、Z R1,LPMOV R1,31HMOV A,R0CPL AMOV 30H,AMOV A,P2ORL A,30HMOV P2,AMOV A,R0JB P3.7,L5JB ACC.7,L1LJMP L6L5: JB ACC.5,L1L6: JB P3.7,L2MOV R0,#0EFHLJMP L1L2: MOV R0,#0FEHL1:MOV A,R0JB P3.7,L3RL ALJMP L4L3: RR AL4: MOV R0,AMOV A,P2ANL A,R0MOV P2,ALP: RETIJIA: MOV R3,31HCJNE R3,#2,JJ1LJMP JJ0JJ1:DEC 31HMOV

9、A,R2ADD A,#5MOV R2,AJJ0: RETIJIAN: MOV R4,31HCJNE R4,#11,JJ2LJMP JJ00JJ2:INC 31HMOV A,R2CLR CSUBB A,#5MOV R2,AJJ00: RETIDELAY:MOV R6,#2DS1:MOV R7,#248 DJNZ R7,$ DJNZ R6,DS1 RET TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H DB 99H,92H,82H,0F8H DB 80H,90H,88H,83H END5總結(jié) 這次課程設(shè)計(jì)使用我們所學(xué)的知識(shí)對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行實(shí)際操作，解決問題。加強(qiáng)了我們的設(shè)計(jì)意識(shí)和動(dòng)手能力，同時(shí)也進(jìn)一步的鞏固了對(duì)我們掌握的知識(shí)，并且把所學(xué)的融入到實(shí)際問題中。讓設(shè)計(jì)不再離我們遙遠(yuǎn)。通過此次課程設(shè)計(jì)，使用了所學(xué)的知識(shí)來解決問題，初步了解到了設(shè)計(jì)的基本步驟和基本方法，將對(duì)日后有很大的幫助和啟示。還有此次設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)的使用也加深了我們對(duì)單片機(jī)和匯編編程的認(rèn)識(shí)，感受到利用單片機(jī)來設(shè)計(jì)小型控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：應(yīng)用靈活的程序來實(shí)現(xiàn)控制，可以使硬件電路從數(shù)量上和復(fù)雜程度上得到很大程度的簡化。在設(shè)計(jì)過程中，首先完成程序的流程圖的設(shè)計(jì)，再完成了子程序的設(shè)計(jì)，最后是在流程圖的指導(dǎo)下，完成各功能模塊和子程序的調(diào)用，從而完成整個(gè)程序的設(shè)計(jì)。還有外圍電路在基于單片機(jī)的控制電