步進電機的設(shè)計與控制-課程設(shè)計

目錄第一章課程設(shè)計主旨………………..21設(shè)計內(nèi)容………………..........22設(shè)計背景………………..........2第二章課程設(shè)計背景1步進電機……………………..22AT89C51單片機………..........438255A簡介……………...........54ULN2003A簡介……………..6第三章課程設(shè)計硬件電路及接線…………………..61AT89C51單片機連接及周邊電路…………..628255A并行接口電路………..73四個獨立鍵盤接線圖………..94ULN2003A電機驅(qū)動電路………………….95步進電機接線圖……………10第四章課程設(shè)計原理圖及程序……………………101電路原理圖…………………102程序流程圖…………………113程序匯編及注釋……………124課程設(shè)計結(jié)果驗證…………………….14第五章課程設(shè)計心得……………17附錄一……………..18步進電機控制設(shè)計摘要：步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高且運行可靠。它在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中起著非常重要的作用。本次設(shè)計中，采用基于AT89C51單片機為核心，包括系統(tǒng)硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計，來實現(xiàn)對步進電機的控制。通過單片機電路的設(shè)計，使之輸出信號進入8255A來控制步進電機的運轉(zhuǎn)，控制轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向等。并編寫正確的匯編程序，并使用仿真軟件進行控制系統(tǒng)的仿真。關(guān)鍵字：步進電機AT89C518255A仿真課程設(shè)計主旨1.課程設(shè)計內(nèi)容：本次課程設(shè)計的要求是，實現(xiàn)利用8255的輸出來控制步進電機的運轉(zhuǎn)，并要求能撥動開關(guān)控制步進電機的轉(zhuǎn)速或正反轉(zhuǎn)。2.課程設(shè)計要求：提高綜合運用于解決實際問題的能力，利用8255A并行接口微機和外設(shè)的通信，加深對8255A并行接口的理解和應(yīng)用能力，更熟練的掌握匯編語言根本指令和常用語句的應(yīng)用，體會從實際問題中抽象出模型，并利用模型解決實際問題的能力，積累實踐經(jīng)驗和實際動手解決問題的能力。本實驗要求在熟悉匯編語言根本和8255A工作原理的根底上，利用匯編程序輸出符合條件的脈沖信號，經(jīng)外電路放大后可以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，最終到達步進電機調(diào)速控制的目的。通過本次試驗了解步進電機及其他類型電動機的根本工作原理，以及根本參數(shù)和常用符號的意義，為以后的工作學習打下良好的根底。第二章課程設(shè)計背景1.步進電機步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。一般電動機是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進電機的轉(zhuǎn)動時一步一步進行的。每輸入一個脈沖電信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度。通過改變脈沖頻率和數(shù)量，即可實現(xiàn)調(diào)速和控制轉(zhuǎn)動的角位移大小，具有較高的定位的精度，起最小步距角可達0.75度，轉(zhuǎn)動、停止、反轉(zhuǎn)反響靈敏、可靠。在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。步進電機的驅(qū)動原理是通過它每相線圈的電流的順序切換來使用電機作步進式旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動電路由脈沖來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖的頻率便可改變步進電機的轉(zhuǎn)速，微控制器最適合控制步進電機。由于電機的轉(zhuǎn)動慣量的存在，其轉(zhuǎn)動速度還受驅(qū)動功率的影響，當脈沖的頻率大于某一值時，電機便不再轉(zhuǎn)動。步進電機有以下幾個特性：①步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果參加適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。②不經(jīng)電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。③改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過CPU直接來驅(qū)動，這種方法一般不采用，因為CPU的輸出電流脈沖式特別小的，它不能足以讓步進電機轉(zhuǎn)動；另一張是通過CPU來簡介驅(qū)動，就是把CPU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，步進電機分為機電式、磁電式及直線式三種根本類型。磁電式步進電機主要有永磁式、反響式和永磁感應(yīng)子式3種形式。永磁感應(yīng)子式步進電機有稱混合式步進電機，是永磁式步進電動機和反響式步進電動機兩者的結(jié)合，并兼有兩者的優(yōu)點。這里著重介紹永磁感應(yīng)子式步進電動機〔如圖〕。感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反響式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率干，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比擬好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比擬平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看做是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以做二相運行。必須采用雙極電壓驅(qū)動，而反響式電機那么不能如此。例如：四相，八相運行〔A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A〕完全可以采用二相八拍運行方式。小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，未了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線〔四相〕，這樣使用時，既可以做四相電機使用，也可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。感應(yīng)子式步進電機以相數(shù)可分為：二相電機。三相電機，四相電機，五相電機等。使用?？刂撇竭M電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)。不同的場合采用不同的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、上下壓驅(qū)動。橫流。細分流等。2.AT89Ｃ５１單片機AT89C51單片機時把那些作為控制應(yīng)用所必須的根本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器〔CPU〕、數(shù)據(jù)存儲器〔ＲＡＭ〕、程序存儲器〔ＲＯＭ〕、并行Ｉ／Ｏ口〔４個八位Ｉ／Ｏ口〕、串行口、定時器／計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能存放器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其根本結(jié)構(gòu)依舊是微處理器〔ＣＰＵ〕加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能存放器的集中控制方式，以實現(xiàn)不同的功能。AT89C51單片機如下圖。引腳功能介紹：XTAL1(19引腳)：偏離振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器電路的輸出端。XTAL2(18引腳)：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。RST：復位引腳，高電平有效。EA：外部程序存儲器訪問允許控制端。ALE：低8位地址鎖存允許信號端。PSEN：讀外部程序存儲器的選通信號端。P0口：8位，漏極開路的雙向I/O口。P1口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P2口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P3口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。3.8255A簡介8255作為主機與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機先練的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程，所以必須具有邏輯控制局部，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個局部：與CPU連接局部、與外設(shè)連接局部、控制局部。8255的可編程外設(shè)接口電路具有24條輸入/輸出引腳、可編程的通用并行輸入/輸出接口電路。它是一片使用單一+5V電源的40腳雙列直插式大規(guī)模集成電路。8255A的通用性強，使用靈活，通過它CPU可直接與外設(shè)想連接。8255A在使用前要寫入一個方式控制字，選擇A、B、C三個端口各自的工作方式，共有三種：方式0：根本的輸入輸出方式，即無需聯(lián)絡(luò)就可以直接進行的Ｉ／Ｏ方式。其中A、B、C口的高四位或低四位可分別設(shè)置成輸入或輸出。方式1：選通I/O，此時接口和外圍設(shè)備需聯(lián)絡(luò)信號進行協(xié)調(diào)，只要A口和Ｂ口可以工作在方式１，，此時Ｃ口的某些線被規(guī)定為Ａ口或Ｂ口與外圍設(shè)備的聯(lián)絡(luò)信號，余下的線只有根本的I/O功能，即只工作在方式0。方式2：雙向I/O方式，只有A后可以工作在這種方式，該I/O線即可輸入又可輸出，此時C口有5條線被規(guī)定為A口和外圍設(shè)備的雙向聯(lián)絡(luò)線，C口剩下的三條線可作為B口方式1的聯(lián)絡(luò)線，也可以和B口一起做方式0的I/O線。4.ULN2003A簡介ULN2003A是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，有七個硅NPN復合晶體管組成。它的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003A工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003A是大電流驅(qū)動陣列，多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電中。可以直接驅(qū)動繼電器等負載。課程設(shè)計硬件電路及接線AT89C51單片機連接及周邊電路單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，數(shù)字用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、復位電路、晶振電路。使用了獨立式鍵盤，單片機的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需4個鍵對步進電機的狀態(tài)進行控制。晶振電路：8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器〔簡稱晶振〕或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下列圖所示。其電容一般在5~30pf，晶振頻率的典型值為12MHz，采用6MHz的情況也比擬多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比擬穩(wěn)定，實用電路使用較多。8255A并行接口電路8255A是一個并行輸入、輸出器件，具有24個可編程設(shè)置的I/O口，包括3組8位的I/O為PA口、PB口、PC口，又可分為2組12位的I/O：A組包括A口及C口高4位，B組包括B口及C組的低4位。A口可以設(shè)置為方式0、方式1、方式2，B口與C口只能設(shè)置為方式0或方式1.其控制字應(yīng)該按如下方式設(shè)置：這是一個8位的控制字，代表的信息也很豐富。格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D01A組控制B組控制D7=1，為該控制字的標志。B組由D2，D1，D0組成。其中D2為工作方式選擇；D1為輸入/輸出選擇；D0為C口低四位輸入/輸出選擇。如下所示：D2B口工作方式0工作方式01工作方式1表1D1輸入/輸出選擇0B口為輸出1B口為輸入表2D0輸入/輸出選擇0C口低四位為輸出1C口低四位為輸入表3在本系統(tǒng)中，僅使用8255A的B口，且設(shè)置其為輸入，故可選擇8255A的工作方式0.8255A在系統(tǒng)中的連線圖如下：四個獨立鍵盤接線圖本系統(tǒng)中，只需要用到四個控制按鈕，故可將這四個按鈕接成四獨立鍵盤的形式，這樣也滿足設(shè)計要求。該鍵盤接線圖如下所示：如上圖所示，當四個按鈕都未被按下時，電機不轉(zhuǎn)動。按下電機啟停鍵時，電機開始旋轉(zhuǎn)，默認初始旋轉(zhuǎn)方向為正方向，按下方向控制按鍵后，電機反轉(zhuǎn)。速度調(diào)節(jié)那么按另兩個鍵盤，調(diào)節(jié)速度由按鍵次數(shù)決定，按鍵次數(shù)越多，速度越快。反之，依然。ULN2003電機驅(qū)動電路其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖如下：在Proteus仿真軟件中，該芯片電路連接如下列圖所示：默認接電源地線。步進電機接線圖在Proteus仿真軟件中，我們使用六線制步進電機來進行仿真，其與驅(qū)動器ULN2003A的總接線圖如下：課程設(shè)計電路原理圖及程序1.電路原理圖由上述分析可得到系統(tǒng)的總設(shè)計原理圖〔見附件一〕。程序流程圖根據(jù)硬件分析，可以得到軟件設(shè)計流程圖如下：開始開始初始方向設(shè)定讀取鍵盤狀態(tài)是否按鍵被按下啟動鍵被按下方向鍵被按下速度鍵被按下啟停鍵被按下開始轉(zhuǎn)動開始反轉(zhuǎn)停止轉(zhuǎn)動速度增減程序匯編及注釋#include”reg51.h”bitRunState=0;bitDireflag=0;//方向狀態(tài)1，表示正轉(zhuǎn)sbitstart=P3^0;//電機啟動按鍵sbitdirec=P3^1;//電機前進sbitup=P3^2;//電機速度增sbitdown=P3^3;//電機速度減sbitRD-8255=P2^0;//8255讀信號，低電平有效sbitWR-8255=P2^1;//8255寫信號，低電平有效/*A0,A1,分別用來選擇A，B，C口和控制存放器*/sbitA0=P2^2;//sbitA1=P2^3;////電機正轉(zhuǎn)編碼CharcodeFFW[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};//電機反轉(zhuǎn)編碼CharcodeREV[]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//********延時函數(shù)********/Voiddelay_ms(unsignedintms){chari;While(ms--)For(i=110;i>0;i++);}//8255工作方式設(shè)置，PB為輸出，用于控制步進電機//Voidmodeset8255(void){A0=1;A1=1;//選擇控制存放器P1=0x90;//WR_8255=0;//送出數(shù)據(jù)WR_8255=1;}//對8255PB端口輸出數(shù)據(jù){A0=1;A1=0;//選中PBP1=data;WR_8255=0;WR_8255=1;}//步進電機驅(qū)動函數(shù)，輸入?yún)?shù)包括電機方向，電機速度voidDri(chardirection,intspeed){ chari; if(direction==1)//判斷當前選擇電機的方向 { for(i=0;i<8;i++) { W8255_PB(FFW[i]); delay_ms(speed); } } elseif(direction==0) { for(i=0;i<8;i++) { W8255_PB(REV[i]); delay_ms(speed); } }}voidmain(void){ intSpeed=100;//電平速度控制字 ModeSet8255(); while(1) { if(start==0) { delay_ms(10); if(start==0) { RunState=~RunState; //啟動按鍵按下，運行標志位置取反 while(start==0);//松手檢測,其它不用加 } } if(direc==0) { delay_ms(10); if(direc==0) { DireFlag=~DireFlag; ///后退方向按鍵按下，方向標志位為０ } }/***********速度控制，通過延時函數(shù)****************/ if(down==0) { delay_ms(10); if(down==0) { Speed+=20;//延時越高，那么步進電機速度越慢 } } if(up==0) { delay_ms(10); if(up==0) { if(Speed>60) Speed-=10; //延時越低，那么步進電機速度越快，但不能太低，否那么反而變慢 elseSpeed=50;// } } if(RunState==1) { Dri(DireFlag,Speed);//當運行位置位，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn) } } }課程設(shè)計結(jié)果驗證在仿真軟件PROTEUS中，為51單片機裝載編譯完成的C語言文件，并開始仿真，可得到如下結(jié)果：所有按鈕都未按下時電機的運行狀態(tài)仿真結(jié)果如下：按下啟停鍵電機運行狀態(tài)仿真結(jié)果如下：按下速度加減