單片機控制步進電機

1前言1.1步進電機的介紹步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950你年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，使得近日步進電機已廣泛運用在需要定位精度、高分解性能、高響應型、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機械中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用的最多。步進電機作為步進電機作為執(zhí)行元件是機電一體化關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和科學技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日增量，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或直接位移的執(zhí)行機構(gòu)。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便，一般電動機都是連續(xù)移動的，而步進電機則有電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，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）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機的轉(zhuǎn)動速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機分為三類：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式（HB）。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。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般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。步進電機28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC5V-DC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。紅線接電源5V，橙色電線接P1.3口，黃色電線接P1.2口，粉色電線接P1.1口，藍色接P1.0口。

1.2單片機的介紹1.2.1什么是單片機單片機就是將微型計算機集成在一片半導體硅片上的微型計算機。單片機按照其用用途可分為通用型和專用型兩大類。通用型單片機具有比較豐富的內(nèi)部資源，其內(nèi)部可開發(fā)的資源，如存儲器、I/O等各種功能部件會全部提供給用戶。用戶可根據(jù)實際需要，設計一個以通用單片機芯片為核心，再配以外部接口電路及其他外圍設備，來滿足各種不同需求的測控系統(tǒng)。然而有許多應用使用的是專門針對某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機。這種專用型單片機的最大特點是針對性強且數(shù)量大。1.2.2單片機的發(fā)展歷史單片機的發(fā)展歷史可分為四個階段：第一階段是單片機初級階段；第二階段是低性能單片機階段；第三階段是高性能單片機階段；第四階段是8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機、32位單片機推出階段。1.2.3單片機的應用領(lǐng)域單片機的出現(xiàn)是計算機制造技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，以單片機為核心構(gòu)成的應用系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：功能齊全，應用可靠，抗干擾能力強。簡單方便，易于普及。發(fā)展迅速，前景廣闊。嵌入容易，用途廣泛。單片機軟硬件結(jié)合，體積小，很容易嵌入到各種應用系統(tǒng)中。以單片機為（1）（2）（3）（4）總之，核心的嵌入式控制系統(tǒng)在下述各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用：功能齊全，應用可靠，抗干擾能力強。簡單方便，易于普及。發(fā)展迅速，前景廣闊。嵌入容易，用途廣泛。單片機軟硬件結(jié)合，體積小，很容易嵌入到各種應用系統(tǒng)中。以單片機為工業(yè)方面儀器儀表方面消費類電子產(chǎn)品通信方面武器裝備各種終端及外部設備控制汽車方面多機分布式系統(tǒng)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）工業(yè)方面儀器儀表方面消費類電子產(chǎn)品通信方面武器裝備各種終端及外部設備控制汽車方面多機分布式系統(tǒng)單片機課程設計2設計方案2.1步進電機的工作原理2.1.1步進電機的結(jié)構(gòu)A定子圖2-1步進電機的結(jié)構(gòu)圖2.1.2步進電機的旋轉(zhuǎn)如A相通電，B,C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3^,此時齒3與C偏移為1/3^，齒4與A偏移（^-1/3G=2/3J如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3^，此時齒4與A偏移為1/3^對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3-C，這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3^,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關(guān)系，而方向由導電順序決定。2.2步進電機的設計方案2.2.1設計要求能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)功能。能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機的加速/減速功能。能夠?qū)崿F(xiàn)測速及顯示測量速度的功能。2.2.2設計方案論證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。圖2-2控制步進電機驅(qū)動方式的確定圖2-2控制步進電機步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過單片機直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因為單片機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；別一種是通過單片機來間接驅(qū)動，就是把從單片機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。固本次設計應采用單片機間接驅(qū)動步進電機。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。本設計采用uln2003芯片及周圍電路作驅(qū)動電路?；痉桨傅拇_定因本次設計的要求，選用五線四相步進電機，單片機選用89C52RC作為控制器。選用ULN2003作為步進電機的驅(qū)動芯片。然后H92B4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。2.3硬件電路的設計2.3.1單片機的選擇本次設計以CPU選用89C52RC作為步進電機的控制芯片.89C52RC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。P1.D匚140□VCCP1.1匚e39□PD.O(ADO)P12匚338□PD.1(AD1)P1.3匚437□PD.2(AD2)P1.4匚S36□PD.3(AD3)P1.5匚635□FO.4(AD4)P1.6匚734□PO.E(ADS)P1.7匚833□PD.6(ADS)RST匚932□PD.7(AD7)(HKD)P3.0匚1031□EA/VPP(TKD)P3J匚1130□ALE/PROG(INTO)F3.2匚1229□PSEN([NTT)P3.3匚1328□P2.7(A15)(TO)P3.4匚1427□P2.6(A14)(T1)P3.5匚1526□P2.5(A13)(WR)P3冶匚1B25□P2.4(A12)(RD)P3.7匚1724□P2.3(A11JKTAL2匚1823□P2.2(A10)XTAL1匚1922□P2.1(AS)GND匚2021□P2.C(A8)圖2-3單片機STC89C52RC引腳圖

2.3.2步進電機的選擇因本次設計的要求，步進電機應選用五線四相的步進電機。2.3.3步進電機驅(qū)動電路77ULN2OO3T>RRRRRRRiN1234567G15M210步進電機驅(qū)動圖2-4步進電機的驅(qū)動電路2.4.1驅(qū)動程序設計2.4.3加減速程序設計圖2-7加減速程序流程圖恢復起始控制臺模塊2.4.4測速程序設計-該模塊使用H92B4光電傳感器作為測速模塊，并在步進電機上安置擋光板，每周有8個漏光點。每10秒采集一次H92B4記錄的脈沖個數(shù)：乘6，得到每分鐘的脈沖個數(shù)，除8,得到每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。禁止定時中斷2.4.5顯示子程序設計一—本設計采用1602液晶顯示模塊作為轉(zhuǎn)速理論值以及測量值的顯示器。第一行顯示理論值，第二行顯示實際測量值。^2的使用需要進行初始化和相應功能的設置，每對其進行一次寫操作一次需要一定的延時?；謴同F(xiàn)場-9-反回單片機課程設計3硬件測試3.1硬件電路設計圖3-1硬件電路圖3.2硬件測試結(jié)果將步進電機設置在正轉(zhuǎn)，低速運行，液晶屏上顯示理論轉(zhuǎn)速值為:+5r/min。經(jīng)過一定反映時間后，顯示實際測量的轉(zhuǎn)速值，由于測量存在一定誤差，測量的轉(zhuǎn)速值在+5r/min附近變化。改變步進電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，繼續(xù)測量，可以看到，測量值總是與理論值有一定誤差，但是基本可以測量出轉(zhuǎn)速的大概值。4設計總結(jié)通過這次基于單片機的步進電機的課程設計，我對步進電機有了更進一步的了解。平時我們接觸的電動機都是直流電動機和交流電動機，很少見到步進電機，所以對于步進電機比較陌生。通過老師的指導及我們課余時間翻閱書籍和上網(wǎng)，搜集到了不少關(guān)于步進電機的相關(guān)知識。通過鉆研這些知識，我對步進電機有了進一步的認識。在這次課程設計中，通過用單片機控制步進電機的正、反轉(zhuǎn)，加、減速，我也對單片機的知識也進行了復習和鞏固。那時候覺得學習單片機是那么的枯燥乏味，整天只是學習這個指令做什么，那個指令做什么，覺得學了一點用都沒有。但是今天我才發(fā)現(xiàn)，學習單片機是那么的有用處，它可以控制步進電機的旋轉(zhuǎn)、加減速、停止，也可以控制十字路口的交通燈，還可以控制機械手工作。俗話說的好，實踐是檢驗真理的唯一標準，學習再多的理論也只能紙上談兵，只有把理論應用到實踐中，才能檢驗出理論的真?zhèn)?。從這次的課程設計，我也發(fā)現(xiàn)自己在好多地方的不足，在以后的學習和工作中，我會努力去彌補這些不足，爭取讓自己不要被社會淘汰。參考文獻[1]溫希東，路勇.計算機控制技術(shù).西安電子科技大學出版社,2005⑵曹天漢.單片機原理與接口技術(shù).電子工業(yè)出版社,2006曹承志.電機拖動與控制.機械工業(yè)出版社,2000何立民.單片機中級教程.北京航空航天大學出版社丁元杰.單片機原理與應用.機械工業(yè)出版社孫育才.MCS-51系列單片微型計算機及其應用.東南大學出版社附錄RSEQUP3.5RWEQUP3.6EEQUP3.7LCDEQUP2DEQUP1ORG0000HSJMPMAINORG0003HLJMPINTX0ORG000BHLJMPNTT0MAIN:LCALLEN;LCD初始化CLRRSCLRRWSETBEMOVLCD,#1LCALLENMOVLCD,#38HLCALLENMOVLCD,#0EHLCALLENMOVLCD,#06HLCALLENMOVR5,#0MOVR6,#0SETBEASETBEX0SETBET0SETBIT0MOVTMOD,#51HMOVTH0,#4CHMOVTL0,#0SETBTR0SETBTR1MOVR7,;LCD初始化START:JBF0,SPP；驅(qū)動電機——判斷正反轉(zhuǎn)MOVDPTR,#ZHENGSJMPSP0SPP:MOVDPTR,#FANSP0:MOVA,R5MOVCA,@A+DPTRMOVD,ACJNER6,#0,SP1SJMPSTART;電機停止轉(zhuǎn)動SP1:LCALLDELAY0INCR5CJNER5,#8,STARTMOVR5,#0SJMPSTARTINTT0:MOVTH0,#4CHMOVTL0,#0DJNZR7,TIAOPUSHACCMOVR7,#200MOVR0,TL1;將10秒檢測到的脈沖取出MOVTL1,#0MOVA,R0MOVB,#6MULABMOVB,#80DIVABADDA,#30HMOV72H,AMOVA,BADDA,#30HMOV73H,APOPACC;;顯示;設置顯示地址為第一行，第一位;顯示Lilun:SJMPSHOWTIAO:LJMPOUTTSHOW:CLRRSCLRRWMOVLCD,#80HLCALLENSETBRSMOVLCD,#4CHLCALLENMOVLCD,#69HLCALLENMOVLCD,#6CHLCALLENMOVLCD,#75HLCALLENMOVLCD,#6EHLCALLENMOVLCD,#3AHLCALLENJBF0,SPP1MOVLCD,#2BHSJMPXIASPP1:MOVLCD,#2DHXIA:LCALLENMOVLCD,#20HLCALLENMOVLCD,70HLCALLENMOVLCD,71HLCALLENMOVLCD,#20HLCALLENMOVLCD,#72HLCALLEN;顯示正反轉(zhuǎn);70H為理論值十位寄存器;71H為理論值個位寄存器;空位;顯示單位MOVLCD,#2FHLCALLENMOVLCD,#6DHLCALLENMOVLCD,#69HLCALLENMOVLCD,#6EHLCALLEN;設置顯示地址為第二行第一位;顯示ShiceCLRRSMOVLCD,#0C0HLCALLENSETBRSMOVLCD,#53HLCALLENMOVLCD,#68HLCALLENMOVLCD,#69HLCALLENMOVLCD,#63HLCALLENMOVLCD,#65HLCALLENMOVLCD,#3AHLCALLENJBF0,SPP2;顯示正反轉(zhuǎn);設置顯示地址為第二行第一位;顯示Shice;顯示正反轉(zhuǎn);72H為實測值十位寄存器;73H為實測值個位寄存器SPP2:MOVLCD,#2DHXIA2:LCALLENMOVLCD,#20HLCALLENMOVLCD,72HLCALLENMOVLCD,73HLCALLEN;空位;顯示單位MO