基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路板設(shè)計論文

1、目 錄第1章 緒 論21.1 課題背景21.2 設(shè)計目的及系統(tǒng)功能2.2第2章 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計32.1 步進(jìn)電機(jī)32.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述32.1.2 步進(jìn)電機(jī)的特性32.1.3 步進(jìn)電機(jī)的種類32.1.4 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理42.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成52.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)62.2.2 鍵盤控制電路62.2.3 LED數(shù)碼顯示電路72.2.4 測速電路介紹82.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路92.2.6 電源設(shè)計11第3章 控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計113.1 程序設(shè)計思路113.2程序流程圖123.2.1 主程序流程圖123.2.2 讀鍵盤子程序流程圖123.2.3 鍵盤處理子

2、程序流程圖133.2.4 電機(jī)控制中斷程序流程圖14第4章 調(diào)試與改進(jìn)144.1 調(diào)試與改進(jìn)144.2 運(yùn)行結(jié)果15第五章 總結(jié)15參考文獻(xiàn)17附 錄18致 謝22第1章 緒 論1.1 課題背景當(dāng)今社會，電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。步進(jìn)電機(jī)是最常見的一種控制電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。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)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定

3、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^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、控制方便。尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會長期積累的特點(diǎn)，給實際的應(yīng)用帶來了很大的方便。它廣泛用于消費(fèi)類產(chǎn)品（打印機(jī)、照相機(jī)、雕刻機(jī)）、工業(yè)控制（數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人）、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中。研究步進(jìn)電機(jī)的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義?？刂坪诵牟捎肅51芯片，它以其獨(dú)特的低成本，小

4、體積廣受歡迎，當(dāng)然其易編程也是不可多得的優(yōu)點(diǎn)為此，本文設(shè)計了一個單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向的高效控制。1.2 設(shè)計目的及系統(tǒng)功能 本設(shè)計的目的是以單片機(jī)為核心設(shè)計出一個單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用AT89C51作為控制單元，通過鍵盤實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。.AT89C51鍵盤控制模塊電機(jī)驅(qū)動模塊數(shù)碼顯示模塊電源模塊 圖1-1 總體設(shè)計框圖設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：1. 步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂?步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制3. 步進(jìn)電機(jī)的加速控制4. 步進(jìn)電機(jī)的減速控制5. 步進(jìn)

5、電機(jī)轉(zhuǎn)速的動態(tài)顯示第2章 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計2.1 步進(jìn)電機(jī)2.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動機(jī)，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動機(jī)各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機(jī)的

6、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機(jī)所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：1不需要反饋，控制簡單。2與微機(jī)的連接、速度控制（啟停和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡單。3沒有角累積誤差。4停止時也可保持轉(zhuǎn)距。5沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。6即使沒有傳感器，也

7、能精確定位。7根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)：1難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩2.不宜用作高速轉(zhuǎn)動3在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。4超過負(fù)載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的種類目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類：表2-1 步進(jìn)電機(jī)分類類別結(jié)構(gòu)步距力矩動態(tài)性能反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（VR）采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子小小較差永磁式步進(jìn)電動機(jī)（PM）轉(zhuǎn)子采用多磁極圓筒形的永磁鐵，其外側(cè)配置齒狀定子吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動大大好混合步進(jìn)電動機(jī)（HB）這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)小大好2.1.4 永磁步

8、進(jìn)電機(jī)的控制原理在本設(shè)計以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。圖2-2是該電機(jī)的接線圖。 圖2-2 CZ-2801型永磁步進(jìn)電機(jī)接線圖從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有 5根引出線。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM 端標(biāo)識為C，只要 AC、BC或/AC、/BC，輪流加電就能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，如果將 COM 端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管） ，將 A、B或/A、/B輪流接地。不難設(shè)計出控制電路，因其工作電壓為 12V，因此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動器（這里用ULN2003，關(guān)于ULN20

9、03將在后面介紹）作為驅(qū)動，通過 P1.0、 P1.3來控制各線圈的接通與切斷。開機(jī)時，P1.0、 P1.3均為高電平，依次將 P1.0、 P1.2 （或P1.1、 P1.3反向）切換為低電平即可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度只要改變兩次接通之間的時間。改變轉(zhuǎn)速，只要改變 P1.0、 P1.2 （或P1.1、 P1.3反向）輪流變低電平的時間即可達(dá)到要求，因為不會影響到其他功能的實現(xiàn)，這個時間可以用延時來實現(xiàn)，。這里以定時的方式來實現(xiàn)。下面首先計算一下定時時間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn)/分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 7.5，即每 48 個脈沖為 1 周，即在最低轉(zhuǎn)速時，要求為

10、960脈沖/分，相當(dāng)于 62.5ms/脈沖。而在最高轉(zhuǎn)速時，要求為 100轉(zhuǎn)/分，即 48000 脈沖/分，相當(dāng)于 12.5ms/脈沖?？梢粤谐鱿卤恚罕?-2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)速單步時間(ms)TH0TL02062.51F02159.5238095229B62256.8181818233742354.347826093C592452.08333333448025504C02648.0769230852EC2746.296296359552844.642857145F499313.44086022CF9C9413.29787234D0209513.15789474D0A1961

11、3.02083333D1209712.88659794D19B9812.75510204D2149912.62626263D28B10012.5D30表中不僅計算出了 TH0和 TL0，而且還計算出了在這個定時常數(shù)下，真實的定時時間，可以根據(jù)這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。 表中 TH0 和TL0 是根據(jù)定時時間算出來的定時初值，這里用到的晶振是 12.000M。有了上述表格，程序就不難實現(xiàn)了，使用定時/計數(shù)器 T0為定時器，定時時間到后切換輸出腳即可。2.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為六個模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、測速模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

12、動模塊和電源模塊。1.單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機(jī)能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機(jī)個功能部件都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。2.鍵盤控制模塊包括方向控制鍵、加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機(jī)的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相連。實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。3.數(shù)碼顯示模塊采用共陰極數(shù)碼管來動態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實際轉(zhuǎn)動速度。利用I/O口為數(shù)碼管的com端提供低電平。二號單片機(jī)的P1口提供數(shù)碼管的段選信號，P2.6和P2.7控制數(shù)碼管的位選信號。4.測速模塊采用開

13、關(guān)霍爾片對安放在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤上的小磁片的磁信號進(jìn)行檢測，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤每次帶動小磁片經(jīng)過霍爾片時，其都將有脈沖信號從霍爾片輸出。單片機(jī)外部中斷口對信號進(jìn)行采集。5.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊選用七個NPN達(dá)林頓連接晶體管ULN2003為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機(jī)的P1.0P1.3相連。6.電源模塊是通過將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2V和直流5V分別供給驅(qū)動模塊和單片機(jī)模塊。2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)近年，由于CHMOS技術(shù)的進(jìn)步，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以80C51取代805

14、1為標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片的原因。因為單片機(jī)芯片多數(shù)是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。CMOS電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。CHMOS和HMOS工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的CHMOS電路已達(dá)到LSTTL的速度，傳輸延遲時間小于2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于TTL電路。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域CMOS正在逐漸取代TTL電路。單片機(jī)是通過內(nèi)部總線把計算機(jī)的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交

15、換時提供地址，CPU通過它們將地址輸出到存儲器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲器或I/O接口之間，或存儲器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括CPU發(fā)出的控制信號線和外部送入CPU的應(yīng)答信號線等。考慮到經(jīng)濟(jì)和可靠性的要求，本設(shè)計中采用AT89C51單片機(jī)，它宏晶科技設(shè)計生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)。是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。1. AT89C51單片機(jī)參數(shù)：工作電壓：5.5V3.8V/3.3VFlash程序存儲器字節(jié)：4K定時器T0、T1：有中斷優(yōu)先級：22. AT89C51單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)：超低功耗超強(qiáng)抗干擾

16、，超強(qiáng)抗靜電輸入輸出口多，最多有40個I/O速度快，1個時鐘/機(jī)器周期，可用低頻率晶振2.2.2 鍵盤控制電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。一個電壓信號在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為510ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機(jī)對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計中沒有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵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(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。其原理圖如圖2-3所示：圖2-3鍵盤控制模塊原理圖2.2.3 LED