基于51單片機的步進電機控制-設計報告(說明書)與源程序

1、南京 XX 大學指導老師：張 X課程設計基于 51 單片機的步進電機控制機械電子工程學院測控技術(shù)與儀器XXXXXXxx2012年1年4日1步進電機控制系統(tǒng)摘要本課程設計的內(nèi)容是利用51 單片機，達到控制步進電機的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、兩檔速度和狀態(tài)顯示的目的， 使步進電機控制更加靈活。步進電機驅(qū)動芯片采用 ULN2803， ULN2803具有大電流、高電壓，外電路簡單等優(yōu)點。利用四位數(shù)碼管增設電機狀態(tài)顯示功能， 各項數(shù)據(jù)更直觀。實測結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)達到了設計的要求。關(guān)鍵字 ：步進電機、數(shù)碼管、 51 單片機、 ULN2803一步進電機與驅(qū)動電路1.1 什么是步進電機步進電機是一種將電脈沖

2、轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角） ?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量， 從而達到準確定位的目的； 同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。1.2 步進電機的種類步進電機分永磁式（PM ）、反應式（ VR ）、和混合式（HB ）三種。永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5 度 或 15 度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80 年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點

3、。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 1.8 度而五相步進角一般為0.72 度。這種步進電機的應用最為廣泛。1.3 步進電機的特點1精度高一般的步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。可在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點2過載性好其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進電機使用在對速度和位置都有嚴格要求的場合；3控制方便步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計算2機控制帶來了很大的方便，反過來，計算機的出現(xiàn)也為步進電機開辟了更為廣闊的使用市場；4整機結(jié)構(gòu)簡單

4、傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復雜，調(diào)整困難，使用步進電機后，使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。1.4 步進電機的原理圖 1 是一種四相可變磁阻型的步進電機結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機定子上有八個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個線圈進行反相連接，如圖中所示。八個齒構(gòu)成四對，所以稱為四相步進電機。圖 1它的工作過程是這樣的：當有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他六個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準。在圖1(a) 中 A 相是被激勵，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個齒，與

5、正向的A 齒對準。從這個位置再對B 相進行激勵，如圖1中的 (b) ，轉(zhuǎn)子向反時針轉(zhuǎn)過 15°。若是 D 相被激勵，如圖 1 中的 (c) ，則轉(zhuǎn)子為順時針轉(zhuǎn)過 15°。下一步是 C 相被激勵。因為 C 相有兩種可能性： A B C D 或 A D CB。一種為反時針轉(zhuǎn)動；另一種為順時針轉(zhuǎn)動。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15°。電機步長 ( 步距角 ) 是步進電機的主要性能指標之一， 不同的應用場合， 對步長大小的要求不同。 改變控制繞組數(shù) ( 相數(shù)) 或極數(shù) ( 轉(zhuǎn)子齒數(shù) ) ，可以改變步長的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計算：L 360 P × N式中：

6、L 為步長； P 為相數(shù)； N 為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖 1 中，步長為 15°，表示電機轉(zhuǎn)一圈需要 24 步。1.5 步進電機的驅(qū)動混和步進電機的工作原理在實際應用中， 最流行的還是混和型的步進電機。但工作原理與圖1 所示的可變磁阻型同步電機相同。 但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵磁通平行于X 軸。一般來說，這類電機具有四相繞組，有八個獨立的引線終端，如圖2a 所示?；蛘呓映蓛蓚€三端形式，如圖2b 所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動，并且連接的極性要正確。3圖 3 所示的電路為四相混和型步進電機晶體管驅(qū)動電路的基本方式。它的驅(qū)動電壓是固定的。表1 列出了全部步進開關(guān)的邏輯時序。步數(shù)

7、Q1Q2Q3Q41101021001301014011051010表 1二方案設計與論證2.1 鍵盤設計該系統(tǒng)中只運用到三個控制按鈕，即 “正反”，“換擋”，“啟?！?，由于按鈕較少，所以采用獨立鍵電路，這種按鍵電路的按鍵結(jié)構(gòu)相對行列式按鍵電路更簡單，更使人易懂。2.2 顯示電路設計如圖 2.31 ，采用 LED數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)據(jù)與個項參數(shù)，方法簡單，容易控制，成本低。設計如下圖4LED1LED2LED3LED4aaaafbfbfgbfbgggececedcecddhdhhhab c de fghOUTOUT1 OUT2 OUT3 4P00P01P02P03P04P05P06P07P24IN 1

8、StcP25IN 2AT89C51P26IN 3ULN2803P27IN 4圖 2.312.4 驅(qū)動電路設計驅(qū)動電路可分為：三極管直接驅(qū)動（圖3），采用斬波恒流驅(qū)動方式（圖2.41 ）和芯片驅(qū)動電路等。 驅(qū)動電路的性能直接關(guān)系到步進電機走步的準確與穩(wěn)定。本電路采用驅(qū)動芯片ULN2803。 ULN2803是一種 大電流高電壓型器件 ，外電路簡單（圖2.42 ）。+1 2V5 VD 1D 2D 3D 441U 1AA IN1R 2AOU T/AO UTBOU T/BOUT3/AIN2B INR 1Q 3Q 4/BINC OM7Q 1Q 2G NDU 1B4GND6R 5R 65 U 1C98R 3

9、1 0U 1DG NDG ND1 2R 41 1U 2 B1 365 V75R 85 VR 7R 98U 2 A31R V12圖2.414G ND圖 2.425三 電路設計3.1、設計要點和軟硬環(huán)境1、步進電機的設計要點和軟硬件環(huán)境步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。即步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移的執(zhí)行元件。步進電機的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機實現(xiàn)。 硬件方法是采用脈沖分配器芯片進行通用換相控制； 而軟件方法是用單片機產(chǎn)生控制脈沖來控制步進電機的運行狀態(tài)，這種方法可簡化電路，降低成本。在用軟件控制時，主要設計要點如下：判斷旋轉(zhuǎn)方向；按相序確定控制字；

10、按順序輸入控制字；確定控制步數(shù)和每一步的延時時間。由于單片機的驅(qū)動電流一般都比較小， 不能直接驅(qū)動電機工作， 所以單片機的 I/O 口輸出必須接驅(qū)動電路，即功率驅(qū)動，才得以控制電機正常工作。控制框圖如下圖所示：單片機功率驅(qū)動步進電AT89c51機控制按鈕數(shù)碼管顯示模（2）、相關(guān)參數(shù)設定：這里采用四相六線步進電機， 這款步進電機的驅(qū)動電壓 12V，步進角為 7.5 度 . 一圈 360 度 , 需要 48 個脈沖完成。其相序 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。所以其正轉(zhuǎn)控制脈沖為：01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h；反轉(zhuǎn)控制脈沖為：01h,03h,02h

11、,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。單片機的晶振為12MHZ；（3）、系統(tǒng)電路圖：一、單片機最小系統(tǒng)的硬件原理接線圖：1、接電源： VCC（ PIN40 ）、 GND（ PIN20 ）。加接退耦電容0.1uF2、接晶體： X1（ PIN18 ）、 X2（ PIN19 ）。注意標出晶體頻率（選用12MHz），還有輔助電容20pF3、接復位：RES（ PIN9 ）。接上電復位電路，以及手動復位電路，分析復位工作原理4、接配置： EA（ PIN31 ）。說明原因。二、單片機內(nèi)部I/O 部件： ( 所為學習單片機，實際上就是編程控制以下I/O 部件，完成指定任務)61、四個 8 位通用

12、I/O 端口，對應引腳P0、 P1、 P2 和 P3；2、兩個 16 位定時計數(shù)器；（TMOD， TCON， TL0， TH0， TL1， TH1）3、一個串行通信接口；（SCON， SBUF）4、一個中斷控制器；（IE，IP ）根據(jù)以上的方案比較與論證確定總體方案，確定硬件原理圖。原理圖如下：圖 103.2 主要器件資料AT89C51單片機AT89C51 是一種帶4K 字節(jié) FLASH 存儲器 （FPEROM FlashProgrammableand ErasableReadOnly Memory ）的低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機 。AT89C2051 是一種帶2K 字

13、節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲器 的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000 次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價廉的方案。·與 MCS-51兼容·4K 字節(jié)可編程FLASH 存儲器·數(shù)據(jù)保留時間：10 年·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·三級程序存儲

14、器鎖定·128×8 位內(nèi)部 RAM·32 可編程 I/O 線·兩個 16 位定時器 /計數(shù)器·5 個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路·壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)7ULN2803 步進電機控制器ULN2803是一種大電流型高電壓器件, 步進電機控制器。內(nèi)部電路如圖11圖 11四系統(tǒng)軟件設計4.1 程序流程圖 4.1開始YN開始電機是否工作Y程序初使化正反轉(zhuǎn)反正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)串口是否處理電機速度處理電機速度發(fā)送數(shù)據(jù)顯示正轉(zhuǎn)顯示反轉(zhuǎn)NN調(diào)用子程序是否停機是否停機YY結(jié)束顯示清零停機

15、返回圖 4.184.2 程序設計根據(jù)要求，可以將程序分為以下幾個部份：（ 1）鍵盤輸入程序設計本系統(tǒng)使用的鍵盤較少，因此采用獨立式鍵盤接口設計。獨立式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較少的場合。獨立鍵盤工作原理：通過上拉電阻接到+5V 上。無按鍵，處于高電平狀態(tài)，有鍵按下電平為低。 在消除抖動影響上是可以采用了軟件消抖方法：在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時子程序后（約5ms），再確認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，則確認真正有鍵按下，進行相應處理工作，消除了抖動的影響。（ 2） 步進電機運行步數(shù)控制程序此方案采用單相和雙相交差通電處理方式。此方法具有運行速度穩(wěn)定，運行步數(shù)準確無誤等優(yōu)

16、點。第五章調(diào)試總結(jié)5.1 操作控制：本電路經(jīng)調(diào)試符合題目要求，各項技術(shù)指標均達到設計的目的。具體操作控制方法如下：1、當電機啟停按鈕時，步進電機根據(jù)制定默認狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動；2、當電機再啟停按鈕時，步進電機停止轉(zhuǎn)動；3、當電機換擋按鈕時，步進電機速度快速轉(zhuǎn)動；4、當電機再換擋按鈕時，步進電機速度緩慢轉(zhuǎn)動；5、當電機正反按鈕時，步進電機反轉(zhuǎn)；6、當電機再正反按鈕時，步進電機正轉(zhuǎn)；5.2 設計過程中遇到的主要問題以及解決辦法1、仿真時數(shù)碼管顯示有閃爍，在程序中多加上幾次display（）函數(shù)即可。2、步進電機在仿真調(diào)試的時候，出現(xiàn)往返轉(zhuǎn)的情況，即不能正常轉(zhuǎn)動，PROTEUS中的步進電機 MOTOR -

17、STEPPER，不知道具體型號，即不知道其內(nèi)部接線結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復的調(diào)試，才得以解決問題。在仿真調(diào)試成功的前提下，進行硬件調(diào)試的時候，出現(xiàn)步進電機不轉(zhuǎn)的情況，這是因為仿真的步進電機和硬件的步進電機是兩個不同的型號，不同步進電機所允許的最快轉(zhuǎn)動速率是不同的，在設置延時程序的時間參數(shù)時，一旦超過此值，電機就不能啟動。所以硬件調(diào)試時，需要重新設置延時程序的時間參數(shù)，問題才得以解決。3、 第一次燒寫程序時燒不進去，不知如何解決。驅(qū)動也裝好了，各方面都沒問題就是不知道問題出在哪里。95.3 心得體會步進電機的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了軟件方法，即用單片機產(chǎn)生控制脈沖來控制步進

18、電機的運行狀態(tài)，這種方比采用硬件方法，即采用脈沖分配器芯片進行通用換相控制，電路更加簡單，成本更低。在做本次設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計了。為了讓自己的設計更加完善， 查閱這方面的設計資料是十分必要的。在這次課程設計中，我們運用到了以前所學的專業(yè)課知識，如：C 語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去從未獨立應用過它們，但在學習的過程中帶著問題去學我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設計的又一收獲。設計結(jié)束了，但是從中得到的知識會讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力的提高都會受益于我在以后的學習、工作和生活中。 此次設計更鍛煉了我的毅力，我覺得做任何事情要善始善終， 不要

19、中途放棄， 只要自己認真的去對待， 再難的問題也能找到辦法解決。最后感謝張老師在我遇到困難時，給予我們的建議與鼓勵。附錄一 : 引用文獻1 何麗民，單片機初級教程，北京航空航天大學出版社；2 沙占友，王彥朋，孟志永，單片機外圍電路設計，電子工業(yè)出版社；3 童詩白，華成英，模擬電子技術(shù)基礎，北京高等教育出版社；4 康華光，陳大欽，電子技術(shù)基礎，北京高等教育出版社；5 黃繼昌，張海貴，郭繼忠，實用單元電路及其應用，人民郵電出社；6 謝宜仁，單片機實用技術(shù)問答，人民郵電出版社；7 張迎新 單片機初級教程單片機基礎，北京航空航天大。10附錄二：單片機源程序/*/*/* All CopyAight 20

20、12黃繼鵬*/*南京林業(yè)大學機械電子工程學院*/*/*我是分割線 *P0 口控制段選p1 步進電機P2 控制位選獨立鍵盤P3.0P3.2數(shù)碼管的第一位為正反轉(zhuǎn)標志位0：正轉(zhuǎn)1：反轉(zhuǎn)數(shù)碼管的第二位為速度標志位0：單八拍1：雙四拍數(shù)碼管的第三位為開關(guān)標志位0：關(guān)1：開*我還是分割線*#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint xms);/延時子函數(shù)void keyscan();/鍵盤檢測子程序void display();sbit key1=P30;/正反轉(zhuǎn)選擇

21、sbit key2=P31;/速度選擇sbit key3=P32;/執(zhí)行鍵uchar zx,k,sudu,bu;int n=0,m=4;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,;/ 數(shù)碼管顯示編碼/*單雙八拍工作方式：*11* A-AB-B-BC-C-CD-D-DA ( 即一個脈沖 ,轉(zhuǎn) 3.75 度 )*/uchar code FFZ=0x11,0x33,0x22,0x66,0x44,0xcc,0x88,0x99; /反轉(zhuǎn)uchar cod

22、e FFW=0x99,0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0x33,0x11; /正轉(zhuǎn)/*單四拍工作方式：* A-B-C-D ( 即一個脈沖 ,轉(zhuǎn) 7.5 度 )*/uchar code shuangz=0x88,0x22,0x44,0x11; uchar code shuangw=0x11,0x44,0x22,0x88; /*單四拍工作方式：* A-B-C-D ( 即一個脈沖 ,轉(zhuǎn) 7.5 度 )*/uchar code danz=0x88,0x22,0x44,0x11; /uchar code danw=0x11,0x44,0x22,0x88;void main()TMOD=0x01;EA=1;ET0=1;TH0=-1000/256;TL0=-1000%256;TR0=1;while(1)keyscan();display();/if(zx=1) qudong();/if(x=0) zx=0;void keyscan()if(key1=0)/正反轉(zhuǎn)選擇delay(5);if(key1=0)12k+;if(k=2) k=0;while(!key1) display();if(key2=0)/ 速度選擇delay(5);if(key2=0)sudu+;if