單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計

1、 第一章 系統(tǒng)分析概述 步進(jìn)電機(jī)是用電脈沖信號控制，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程或設(shè)備的數(shù)字控制，它是過程控制中一種十分重要和常用的功率執(zhí)行器件，它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器或角位移發(fā)生器等，近年來由于計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)常常和計算機(jī)一起組成高精度的數(shù)字控制系統(tǒng)。由于它是由數(shù)字脈沖控制，因此非常適合于用單片機(jī)控制，本設(shè)計便是在此基礎(chǔ)上，以mcs51型單片機(jī)為核心，并結(jié)合外圍電路以步進(jìn)電機(jī)為控制對象的控制系統(tǒng)。1.1 功能簡介 本設(shè)計系統(tǒng)有單片機(jī)最小系統(tǒng)、8個按鍵輸入控制、四個數(shù)碼管顯示和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路一共四大部分組成，通過按鍵輸入數(shù)值來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并

2、且在數(shù)碼管上顯示數(shù)值（1）8個按鍵包括：數(shù)字鍵15；3個功能鍵：設(shè)置set、清零 clr、開始start；（2） 顯示器上第一位顯示次數(shù)，后三位顯示每次行走的角度；（3） 通過鍵盤的按鍵，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)各次的角度值；第一位設(shè)置次數(shù)，后三位設(shè)置角度值。（4） 按start鍵啟動步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，按set鍵停止；按clr鍵清零。1.2 方案選擇1.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路方案本設(shè)計的重點(diǎn)在于對步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動，設(shè)計中受控電機(jī)為四相六線制的步進(jìn)電機(jī)（內(nèi)阻33歐，步進(jìn)1.8度，額定電壓12v） 方案一：使用多個功率放大器件驅(qū)動電機(jī) 通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放

3、大后能夠得到較大的功率，如圖1-1，使用三極管組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對四路信號分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時運(yùn)行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。注：a、b、c、d分別為步進(jìn)電機(jī)四相輸入 圖1-1 三極管組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路方案二：使用uln2003芯片驅(qū)動電機(jī) uln2003芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，如圖1-2。uln2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)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(fù)載電流并行運(yùn)行；可以直接用單片機(jī)的io口提供信號；而且電路簡單，使

4、用比較方便。（注：in1-in7為單片機(jī)i/o輸入，out為與輸入對應(yīng)的的驅(qū)動輸出，接電機(jī)的四相a、b、c、d） 圖1-2 uln2003芯片驅(qū)動電路通過比較，使用uln2003芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，且價格不高，故選用uln2003驅(qū)動電機(jī)。由于控制并不復(fù)雜，直接用單片機(jī)i/o模擬出時序信號。 1.2.2 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計方案一：串行接法 設(shè)計中要顯示4位數(shù)字，用74ls164作為顯示驅(qū)動，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約io口資源，但要使用sio，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。如圖1-3 圖1-3 數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路方案二：并行接法 使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用io口單獨(dú)

5、輸入數(shù)據(jù)，如果采用并行接法，每個數(shù)碼管的控制需要8個i/o，本設(shè)計有四個數(shù)碼管，占用資源較多，如圖1-4 。1圖1-4 數(shù)碼管并行驅(qū)動電路由于設(shè)計中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，故需要選擇了方案一。另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。第二章 硬件電路設(shè)計2.1 步進(jìn)電機(jī)控制原理 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定，圖2-1為電機(jī)內(nèi)部原理

6、圖。 圖2-1 四相步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部原理圖開始時，b相接通電源，a、c、d斷開，b相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時轉(zhuǎn)子1、4號齒就和c、d相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5齒和a、d相繞組產(chǎn)生錯齒。 當(dāng)c相接通電源，b、a、d斷開，由于c相繞組的磁力線和1、4號之間磁力線的作用使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，c相磁極和轉(zhuǎn)子1、4號齒對齊，而轉(zhuǎn)子0、3號齒就和a、b相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5齒和a、d相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。以此類推，a、b、c、d四相繞組輪流供電，轉(zhuǎn)子就會沿著a、b、c、d方向轉(zhuǎn)動。 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍，雙四拍，八拍三種工作方式 。單四拍與雙四拍的步距角，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方

7、式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度，圖2-2為三種節(jié)拍控制方式的時序圖。 圖2-2-a單四拍 圖2-2-b雙四拍 圖2-2-c八拍(1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的單四拍工作方式，其各相通電順序?yàn)閍-b-cd,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制a,b,c，d相的通斷。 (2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電

8、機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。2.2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖關(guān)系計算 首先介紹一個概念：步距角，步進(jìn)電機(jī)每改變一次通電狀態(tài)（一拍）轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角。 假設(shè)我們想實(shí)現(xiàn)25轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，而上述四相步進(jìn)電機(jī)的步距角為7.5，即每48個脈沖為1周，也就是要求為1200脈沖/分，相當(dāng)于50ms/脈沖。若我們想實(shí)現(xiàn)要求為100轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，即48000脈沖/分，相當(dāng)于12.5ms/脈沖。其他轉(zhuǎn)速與脈沖關(guān)系如下：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系速度 單步時間(us) th1 tl1 實(shí)際定時（us） 25 50000 76 0 49996.8 26 480

9、77 82 236 8074.18 27 46296 89 86 46292.61 28 44643 95 73 44640.155 100 12500 211 0 12499.2 表中不僅計算出了th1和tl1，而且還計算出了在這個定時常數(shù)下，真實(shí)的定時時間，可以根據(jù)這個計算值來估算真實(shí)速度與理論速度的誤差值。 表中th1和tl1是根據(jù)定時時間算出來的定時初值，這里用到的晶振是11.0592m。有了上述表格，程序就不難實(shí)現(xiàn)了，使用定時/計數(shù)器t1為定時器，定時時間到后切換輸出腳即可。2.3 硬件電路中的主要芯片功能介紹及原理圖 2.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)本設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)采用單片機(jī)的型號為

10、stc89c52，結(jié)構(gòu)包括cpu、存儲器、并行接口、串行接口、兩個定時/計數(shù)器t0和ti、兩個外部中斷int0和int1和中斷系統(tǒng)，外接晶振頻率為11.0592mhz如圖2-3-1 圖2-3-1 單片機(jī)最小體統(tǒng)2.3.2 數(shù)碼管驅(qū)動芯片 由于本設(shè)計有8個按鍵,4位數(shù)碼管顯示，四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。而且還不包括其它的外圍器件。這時整個系統(tǒng)的i/o資源就很吃緊了。系統(tǒng)的擴(kuò)展性也不好。這時我們就需要考慮對單片機(jī)的i/o進(jìn)行擴(kuò)展，即采用串行接法控制數(shù)碼管顯示。雖然專門的i/o擴(kuò)展芯片市場上也有不少，但對于我們一般的應(yīng)用，沒有必要設(shè)計的那么復(fù)雜。用一些簡單的移位寄存器芯片一樣可以實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。下面我們來認(rèn)

11、識一下74hc164這款芯片。這款芯片的作用是把串行輸入的數(shù)據(jù)并行輸出。在允許輸出的情況下，每一個時鐘的上升沿，數(shù)據(jù)依次從最低位移向最高位。因此，在做數(shù)碼管的輸出顯示的時候會出現(xiàn)拖影的想象，在設(shè)計此電路時要注意考慮此情況，如圖2-3-2-1所示為74hc164芯片管腳圖。圖2-3-2-1 74hc164芯片管腳圖74hc164是高速硅門 cmos 器件，與低功耗肖特基型 ttl (lsttl) 器件的引腳兼容。74hc164是8位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（a1 或 a2）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個輸入

12、端或者連接在一起，或把不用的輸入短接接高電平，一定不要懸空。下面我們再看看它的真值表，有了真值表我們才知道如何正確的去編寫程序去驅(qū)動它： 表2-3-2 74hc164真值表由真值表可知，當(dāng)reset為低電平時不管時鐘為高電平還是低電平也不管輸入引腳a1,a2為何值，輸出的并行數(shù)據(jù)均為低電平。當(dāng)reset為高電平時，只有在時鐘的上升沿，a1，a2上的值才被移位輸出。明白了使用原理，我們就可以設(shè)計數(shù)碼管顯示驅(qū)動了，設(shè)計采用4片74hc164通過串級連接的方式來驅(qū)動數(shù)碼管，幾種方法僅需要占用兩個i/o口，大大節(jié)約了i/o資源如圖2-3-2-2所示 圖2-3-2-2 74hc164級聯(lián)方式驅(qū)動數(shù)碼管2

13、.3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力,以便于驅(qū)動各種類型的負(fù)載。功率驅(qū)動電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個重要組成部分。在大型儀器儀表系統(tǒng)中,經(jīng)常要用到伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥、泵等驅(qū)動電壓高且功率較大的器件。uln2000、uln2800高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品就屬于這類可控大功率器件,由于這類器件功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍語廣，深受用戶的歡迎。本設(shè)計采用uln2003作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片，uln2003電路具有以下特點(diǎn)： 電流增益高（大于1000） 帶負(fù)載能力強(qiáng)（輸出電流大于500ma） 溫度范圍寬（-4085） 工作電壓高（大于50v）管腳排列如圖2-3

14、-3-1 圖2-3-3-1 uln2003管腳圖引出端功能符號：引出端序號符號功能引出端序號符號同意功能11b輸入9com公共端22b輸入107c輸出33b輸入116c輸出44b輸入125c輸出55b輸入134c輸出66b輸入143c輸出77b輸入152c輸出8e發(fā)射極161c輸出uln2003是由高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列組成，因此一對輸入輸出最小單元其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2-3-3-2： 圖2-3-3-2 單個達(dá)林頓晶體管電路原理圖2.3.4 按鍵輸入電路輸入電路由8個按鍵組成，數(shù)字鍵15；3個功能鍵：設(shè)置set、清零 clr、開始start；用p0口控制，當(dāng)按鍵按下時，對應(yīng)的管腳電平變?yōu)榈碗娖?/p>

15、。如圖2-3-4-1 限流電阻和按鍵之間對應(yīng)接單片機(jī)p1口。圖2-3-4-1 八只輸入按鍵連接電路圖 第三章 軟件設(shè)計系統(tǒng)電路流程圖：系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序主要由鍵盤程序、顯示器程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序三部份組成，主程序首先初始化各變量，將顯示器的高3位消隱，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的各引腳均輸出高電平，然后調(diào)用鍵盤程序，并作判斷，如果有鍵按下，則調(diào)用鍵盤處理程序，否則直接轉(zhuǎn)下一步。下一步是將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換為bcd碼，送入顯示緩沖區(qū)；接著判斷startend這個位變量，是“1”還是“0”，如果是“1”，則開啟定時器t1，否則關(guān)閉定時器t1，為防止關(guān)閉時某一相線圈長期通電，因此，在關(guān)閉定時器t1時，將p2.4p2

16、.7均置高。主程序的工作即結(jié)束。主程序流程鍵盤處理程序流程定時器中斷處理程序流程第四章 總結(jié)本設(shè)計系統(tǒng)各種新片選型都為市場上常用的芯片，價格便宜，資源開放，例如stc89c52型單片機(jī)雖然功能不如別的加強(qiáng)型的單片機(jī)cpu，但他的基本功能已經(jīng)滿足了設(shè)計的要求，市場價個格35元，又以低廉的價格，和良好的性能，使其性價比非常高。使用串入并出數(shù)據(jù)傳輸芯片74hc164進(jìn)行i/o擴(kuò)展，使數(shù)碼管驅(qū)動電路只需時鐘clk和數(shù)據(jù)data兩條信號線便可以控制，大大的節(jié)約了i/o資源。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路由功率放大芯片uln進(jìn)行電流電壓的放大，最高耐壓v，輸出可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行；可以直接用單片機(jī)的io口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)基本能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)過調(diào)試和修改，但還是存在問題，比如按開關(guān)的時候會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，轉(zhuǎn)速有時比較亂，顯示有時也有些不理想，這