機電一體化課程設(shè)計說明書-基于單片機的步進電機控制電路的設(shè)計

1、 廣州汽車學院廣州汽車學院機電一體化課程設(shè)計說明書機電一體化課程設(shè)計說明書基于單片機的步進電機控制電路的設(shè)計基于單片機的步進電機控制電路的設(shè)計 院（系）院（系） 機電工程系 專專 業(yè)業(yè) 機械工程及自動化 班班 級級 07 級機械 3 班 學生姓名學生姓名 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師 成成 績績 2010 年 月 日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書 茲發(fā)給 07 級機械 3 班 班學生 課程設(shè)計任務(wù)書，內(nèi)容如下：1 設(shè)計題目： 基于單片機的步進電機控制電路的設(shè)計 2 應(yīng)完成的項目：（1）電機控制方案的確定 （2）硬件電路圖的設(shè)計 （3）程序流程圖的設(shè)計 （4） 3 參考資料以及說明：（1）王克義，機電傳動及控制

2、，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2005 （2）李全利，單片機原理及應(yīng)用，北京：清華大學出版社，2006 （3）林偉健，c+程序設(shè)計基礎(chǔ)，北京：電子工業(yè)出版社，2008 （4）畢淑娥，電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008 4 本設(shè)計任務(wù)書于 200 年 月 日發(fā)出，應(yīng)于 2011 年 1 月 12 日前完成，然后進行答辯。指導(dǎo)教師 簽發(fā) 年 月 日課程設(shè)計評語：課程設(shè)計總評成績：指導(dǎo)教師簽字：年 月 日目 錄摘摘 要要.1緒論緒論.21.1引言引言.21.2步進電機的發(fā)展趨勢步進電機的發(fā)展趨勢.21.3 國內(nèi)外研究概況國內(nèi)外研究概況 .21.41.4 步進電機的選型步進電

3、機的選型.3第一章第一章元器件元器件.42.1 光電耦合器光電耦合器.42.2達林頓管達林頓管.42 2. .3 3 步步進進電電機機 .42.4 單片機單片機 at89c52 .5第二章第二章硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計.63.1 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng).63.2 步進電機控制電路步進電機控制電路.73.3 正反轉(zhuǎn)、停止控制電路正反轉(zhuǎn)、停止控制電路.8第四章第四章 程序設(shè)計程序設(shè)計.10總結(jié)總結(jié).14參考文獻參考文獻.151摘摘 要要步進電機是一種將電脈沖信號的轉(zhuǎn)換為角位移的機電元件，與其它類型的電機相比具有易于精確控制、無累積誤差等優(yōu)點，在眾多的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本設(shè)計采用 at89c52

4、單片機對步進電機進行控制，通過 io 口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片 74ls06 反相輸出，通過光電耦合器輸出的脈沖作為三相步進的各相得控制信號。為了獲得足夠大的的驅(qū)動功率，光電耦合器輸出的脈沖經(jīng)達林頓管進行放大。關(guān)鍵詞：步進電機、單片機、光電耦合、功率放大2緒論緒論1.1引言引言 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(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技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。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)。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(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定

5、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行的?？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。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。1.2步進電機的發(fā)展趨勢步進電機的發(fā)展趨勢步進電機在今后的發(fā)展，依賴于新型材料的應(yīng)用、設(shè)計手段，以及與驅(qū)動技術(shù)的最佳匹配。隨著自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在眾多的領(lǐng)域中的進一步發(fā)展以及數(shù)字化、智能化技術(shù)日益發(fā)展，步進電機將會在更深入廣泛的領(lǐng)域中得以應(yīng)用。最后，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展

6、，高性能永磁材料的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對步進電機發(fā)展起到重要的作用。同時驅(qū)動技術(shù)改進的作用也不容忽視的，對步進電機的設(shè)計和發(fā)展產(chǎn)生了很多的影響，也提出了一系列研究的新課題和新方向。1.3 國內(nèi)外研究概況國內(nèi)外研究概況 近年來，隨著微電子技術(shù)、大功率電力電子器件及驅(qū)動技術(shù)的進步，步進電機在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。我國的步進電機行業(yè)起步較早，并一度以反應(yīng)式步進電機的生產(chǎn)與應(yīng)用成為國際電機行業(yè)的一大特色，目前，仍有許多國內(nèi)用戶使用反應(yīng)式步進電機?；旌鲜讲竭M電機的特點是力矩大、運行平穩(wěn)、高頻矩頻特性好，在發(fā)達國家中，越來越廣泛的使用性能優(yōu)越的五相和三相混合式步進電機。步進電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展也十分迅

7、速。我國步進電機的應(yīng)用雖然起步較早，但其驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展相對落后，成為制約步進電機應(yīng)用與發(fā)展的主要因素。3國內(nèi)仍有不少用戶沿用已被國外淘汰的單電壓串電阻等落后的驅(qū)動方式，驅(qū)動器電路中使用分立元件居多，可靠性差，且各廠家的驅(qū)動技術(shù)規(guī)范、技術(shù)等級、生產(chǎn)工藝參差不齊。1.41.4 步進電機的選型步進電機的選型圖1 步進電機的外形86byg350f 系列步進電機是由杭州日升公司推出的三相步進電機，其外形如圖 1 所示，電機的技術(shù)參數(shù)如表一所示。相電流相電阻相電感步距角保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量重量電機型號相數(shù)amhn.mkg. kg86byg350fa33.354.25120.6/1.22.01.322表一 電機

8、的技術(shù)參數(shù)4第一章第一章元器件元器件2.1 光電耦合器光電耦合器光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。2.2達林頓管達林頓管達林頓管又稱復(fù)合管。它將二只三極管適當?shù)倪B接在一起，以組成一只等效的新的三極管

9、。這等效于三極管的放大倍數(shù)是二者之積。在電子學電路設(shè)計中，達林頓接法常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。 判斷極性如下： 以兩個相同極性的三極管為例，前面為三極管集電極跟后面三極管集電極相接，前面為三極管射極跟后面三極管基極相接，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達林頓管基極，后面三極管射極為達林頓管射極，用法跟三極管一樣。達林頓管的性能特點：放大倍數(shù)大（可達數(shù)百、數(shù)千倍） ；驅(qū)動能力強；功率大；開關(guān)速度快；可做成功率放大模塊；易于集成化。2 2. .3 3 步步進進電電機機步進電機是數(shù)字控制電機，它是將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)動一定角度 。電機的總轉(zhuǎn)動角度是

10、由輸入脈沖的個數(shù)決定的，而電機的轉(zhuǎn)速是由脈沖信號的頻率決定，因此非常適合于單片機的控制。步進電機的一些基本參數(shù)步進電機的一些基本參數(shù) 電機固有步距角：電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給5出了一個步距角的值，如 86byg250a 型電機給出的值為 0.9/1.8（表示半步工作時為 0.9整步工作時為 1.8） ，這個步距角可以稱之為電機固有步距角 ，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。 步進電機的相數(shù)：步進電機的相數(shù)： 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，

11、一般二相電機的步距角為 0.9/1.8、三相的為 0.75/1.5、五相的為 0.36/0.72 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩：保持轉(zhuǎn)矩： 是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。2.4 單片機單片機 at89c52at89c52 是一個低電壓，

12、高性能 cmos 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram） ，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 mcs-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 flash 存儲單元，功能強大的 at89c52 單片機可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。 at89c52 有 40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時內(nèi)含 2個外中斷口，3 個 16 位可編程定時計數(shù)器,2 個全雙工串行通信口，2 個讀寫口線，at89c52 可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可

13、以在線編程(s 系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和 flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。6第二章第二章硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計以 at89c52 單片機、74ls06、光電耦合器、達林頓管為主要控制部件設(shè)計步進電機控制系統(tǒng)，該設(shè)計的硬件電路主要包括：單片機最小系統(tǒng)、步進電機控制電路、正反轉(zhuǎn)控制電路。系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。單片機反相器光電耦合功率放大步進電機圖 2 硬件電路原理方框圖3.1 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是由復(fù)位電路和時鐘電路組成，其中復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另外一種是上電與按鍵復(fù)位都有效

14、的復(fù)位，本系統(tǒng)是屬于后者，如圖 3 所示。正反轉(zhuǎn)、停止7圖 3 單片機最小系統(tǒng)3.2 步進電機控制電路步進電機控制電路步進電機是數(shù)字控制電機，步進電機是否轉(zhuǎn)動是由控制繞組中的輸入脈沖的有無來控制的，每一步轉(zhuǎn)過的角度和方向是由三相控制繞組中的通電方式?jīng)Q定的，也就是說步進電機的控制是要求單片機軟件產(chǎn)生按規(guī)律變化的時序脈沖，然后通過借口和驅(qū)動放大電路來驅(qū)動步進電機。單片機的 p2.0 控制 a 相，p2.1 控制 b 相，p2.2 控制 c 相。當 p2.0 輸出高電平，經(jīng) 74ls06 反相為低電平，達林頓管復(fù)合截止，a 相截止。當 p2.0 輸出低電平，經(jīng) 74ls06 反相為高電平，達林頓管復(fù)

15、合導(dǎo)通，a 相導(dǎo)通。因此 p2.0 用于控制 a 相是否導(dǎo)通，單片機輸出 1，a 相截止，輸出 0，a 相導(dǎo)通。同理 p2.1 用于控制 b 相，p2.2 用于控制 c 相。本電路采用光電耦合器有效地提高了抗干擾能，8電路如圖 4 所示。如圖 4 步進電機控制電路3.3 正反轉(zhuǎn)、停止控制電路正反轉(zhuǎn)、停止控制電路該電路采用獨立式鍵盤，就是每個按鈕單獨占一根 i/o 口線，每根 i/o 口線的按鍵不會影響其它的 i/o 口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個鍵被按下。獨立式鍵盤的優(yōu)點是電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，并且能同時檢測到多個鍵被按下的情況。但是每個按鍵需占用一個

16、 i/o 口，在按鍵數(shù)量多時，i/o 的浪費大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本電路由上拉電阻和按鍵組成，對每一個鍵來講，當鍵沒有被按下時單片機相應(yīng)的引腳上的電平為高電平，當鍵被按下時，單片機相應(yīng)的引腳的電平為低電9平。其中，s1 是啟動/停止安鍵，s2 是正轉(zhuǎn)按鍵，s3 是反轉(zhuǎn)按鍵，如圖 5 所示。圖 5 正反轉(zhuǎn)、停止控制電路10第四章第四章 程序設(shè)計程序設(shè)計編寫三相六拍步進電機的通電方式的控制程序。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度

17、由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。在三相六拍通電方式下，若按照 a 相 a 相 b 相 b 相 b 相 c 相 c 相 c 相a 相的順序通電，則步進電機正轉(zhuǎn)；若按照 a 相 a 相 c 相 c 相 b 相c 相 b 相 b 相 a 相的順序通電，則步進電機反轉(zhuǎn)。節(jié)拍控制模式正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)通電相二進制十六進制16a00000001h01h25ab00000011h03h34b00000010h02h43bc00000110h06h52c00000100h04h61ca00000101h05h表二 三相六拍控制模式由表二知，p2

18、.0 控制 a 相是否導(dǎo)通，輸出 1，a 相通，輸出 0，a 相截止。同理 p2.1 用于控制 b 相，p2.2 用于控制 c 相。正轉(zhuǎn)節(jié)拍 1 是 a 相導(dǎo)通，b、c相截止，所以 p2.0 輸出 1，p2.1、p2.2 輸出 0，因此 p2 口輸出值為 01h（十六進制） 。正轉(zhuǎn)節(jié)拍 2 是 a、b 相導(dǎo)通，c 相截止，所以 p2.0、p2.1 輸出 1， p2.2 輸出 0，因此 p2 口輸出值為 03h。在程序設(shè)計中，只需將正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)節(jié)拍控制值存放于數(shù)據(jù)中，然后按順序從數(shù)組中讀取并通過 p2 口輸出，即可以控制電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)?？刂屏鞒虉D，如圖 6 所示。11電機反轉(zhuǎn)是是否是否圖 6 程

19、序流程圖開始按鈕是否被按下？初始化正轉(zhuǎn)按鈕是否被按下？電機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)按鈕是否被按下？電機反轉(zhuǎn)停止按鈕是否被按下？電機停止否12主程序如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code roundz=0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x05;/電機正轉(zhuǎn)控制數(shù)值uchar code roundf=0 x01,0 x05,0 x04,0 x06,0 x02,0 x03;/電機反轉(zhuǎn)控制數(shù)值sbit s1=p20;/停止按鈕sbit s2=p21;/正轉(zhuǎn)按鈕sbit s3=p22;/反轉(zhuǎn)按鈕void delay(uint z)/延時函數(shù)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void rotatez(uint speed,uint step)/正轉(zhuǎn)控制函數(shù)uchar i;while(step-) /是否達到指定的步數(shù)p2=roundzi;/從 p2 口送出節(jié)拍控制值i+;if(i5)i=0;delay(speed);void rotatef(uint speed,uint step)/反轉(zhuǎn)控制函數(shù)uchar i;while(step-)/是否達到指定的步數(shù)13p2=roundfi;/從