基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)報(bào)告(說明書)與源程序文件

1、 . . . 一 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路1.1 什么是步進(jìn)電機(jī)    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)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（與步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。1.2 步進(jìn)電機(jī)的種類步進(jìn)電機(jī)分永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）、和混合式（HB）三種。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，

2、但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。1.3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)1精度高 一般的步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積?？稍趯拸V的頻率圍通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反 轉(zhuǎn)控制與制動(dòng)等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)2過載性好其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進(jìn)電機(jī)使用在對(duì)速度和位置都有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合；3控制方便步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計(jì)算機(jī)控制帶

3、來了很大的方便，反過來，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)也為步進(jìn)電機(jī)開辟了更為廣闊的使用市場(chǎng)；4整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進(jìn)電機(jī)后，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。1.4 步進(jìn)電機(jī)的原理圖1是一種四相可變磁阻型的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機(jī)定子上有八個(gè)凸齒，每一個(gè)齒上有一個(gè)線圈。線圈繞組的連接方式，是對(duì)稱齒上的兩個(gè)線圈進(jìn)行反相連接，如圖中所示。八個(gè)齒構(gòu)成四對(duì)，所以稱為四相步進(jìn)電機(jī)。圖1 它的工作過程是這樣的：當(dāng)有一相繞組被激勵(lì)時(shí)，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負(fù)相齒，而其他六個(gè)凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場(chǎng)力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫移動(dòng)，使最近的一對(duì)齒

4、與被激勵(lì)的一相對(duì)準(zhǔn)。在圖1(a)中A相是被激勵(lì)，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個(gè)齒，與正向的A齒對(duì)準(zhǔn)。從這個(gè)位置再對(duì)B相進(jìn)行激勵(lì)，如圖1中的(b)，轉(zhuǎn)子向反時(shí)針轉(zhuǎn)過15°。若是D相被激勵(lì)，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時(shí)針轉(zhuǎn)過15°。下一步是C相被激勵(lì)。因?yàn)镃相有兩種可能性：ABCD或ADCB。一種為反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；另一種為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)15°。電機(jī)步長(步距角)是步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)步長大小的要求不同。改變控制繞組數(shù)(相數(shù))或極數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù))，可以改變步長的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計(jì)算：L360 P×N式中：L為步

5、長；P為相數(shù)；N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖1中，步長為15°，表示電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要24步。1.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 混和步進(jìn)電機(jī)的工作原理 在實(shí)際應(yīng)用中，最流行的還是混和型的步進(jìn)電機(jī)。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機(jī)一樣。但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵(lì)磁通平行于X軸。一般來說，這類電機(jī)具有四相繞組，有八個(gè)獨(dú)立的引線終端，如圖2a所示?；蛘呓映蓛蓚€(gè)三端形式，如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動(dòng)，并且連接的極性要正確。圖3所示的電路為四相混和型步進(jìn)電機(jī)晶體管驅(qū)動(dòng)電路的基本方式。它的驅(qū)動(dòng)電壓是固定的。表1列出了全部步進(jìn)開關(guān)的邏輯時(shí)序。步數(shù)Q1Q2Q3Q41101021001301

6、014011051010表1二 方案設(shè)計(jì)與論證2.1鍵盤設(shè)計(jì)該系統(tǒng)中只運(yùn)用到三個(gè)控制按鈕，即 “正反”，“換擋”，“啟?！?，由于按鈕較少，所以采用獨(dú)立鍵電路，這種按鍵電路的按鍵結(jié)構(gòu)相對(duì)行列式按鍵電路更簡單，更使人易懂。2.2顯示電路設(shè)計(jì)如圖2.31，采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)與個(gè)項(xiàng)參數(shù)，方法簡單，容易控制，成本低。設(shè)計(jì)如下圖P00P01P02P03P04P05P06P07P25P26P27AT89C51StcP24IN 1IN 2IN 3IN 4OUT 4OUT 3OUT 2OUT 1ULN2803abfcgdeLED1aabbcfdcegfdgeabfcgdeabfcgdehLED2LED

7、3LED4hhhh圖2.31 2.4驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路可分為：三極管直接驅(qū)動(dòng)（圖3），采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式（圖2.41）和芯片驅(qū)動(dòng)電路等。驅(qū)動(dòng)電路的性能直接關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)走步的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。本電路采用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803。ULN2803是一種大電流高電壓型器件，外電路簡單（圖2.42）。 圖2.41圖2.42三 電路設(shè)計(jì)3.1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和軟硬環(huán)境1、步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和軟硬件環(huán)境步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制。即步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。硬件方法是采用脈沖分配器芯片進(jìn)行通用換相控制；而軟件

8、方法是用單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，這種方法可簡化電路，降低成本。在用軟件控制時(shí)，主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：l 判斷旋轉(zhuǎn)方向；l 按相序確定控制字；l 按順序輸入控制字；l 確定控制步數(shù)和每一步的延時(shí)時(shí)間。由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流一般都比較小，不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，所以單片機(jī)的I/O口輸出必須接驅(qū)動(dòng)電路，即功率驅(qū)動(dòng)，才得以控制電機(jī)正常工作?？刂瓶驁D如下圖所示：控制按鈕單片機(jī)AT89c51功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)數(shù)碼管顯示模塊（2）、相關(guān)參數(shù)設(shè)定： 這里采用四相六線步進(jìn)電機(jī)，這款步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓12V，步進(jìn)角為 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 個(gè)脈沖完成。其相序A-AB-B-BC-

9、C-CD-D-DA。所以其正轉(zhuǎn)控制脈沖為：01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h；反轉(zhuǎn)控制脈沖為：01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。單片機(jī)的晶振為12MHZ；（3）、系統(tǒng)電路圖：一、單片機(jī)最小系統(tǒng)的硬件原理接線圖：1、 接電源：VCC（PIN40）、GND（PIN20）。加接退耦電容0.1uF2、 接晶體：X1（PIN18）、X2（PIN19）。注意標(biāo)出晶體頻率（選用12MHz），還有輔助電容20pF3、 接復(fù)位：RES（PIN9）。接上電復(fù)位電路，以與手動(dòng)復(fù)位電路，分析復(fù)位工作原理4、 接配置：EA（PIN31）。說明原因

10、。二、單片機(jī)部I/O部件：(所為學(xué)習(xí)單片機(jī)，實(shí)際上就是編程控制以下I/O部件，完成指定任務(wù))1、 四個(gè)8位通用I/O端口，對(duì)應(yīng)引腳P0、P1、P2和P3； 2、 兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；（TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1）3、 一個(gè)串行通信接口；（SCON，SBUF）4、 一個(gè)中斷控制器；（IE，IP）根據(jù)以上的方案比較與論證確定總體方案，確定硬件原理圖。原理圖如下：圖103.2主要器件資料AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高

11、性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。·與MCS-51 兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-

12、24MHz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·128×8位部RAM·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片振蕩器和時(shí)鐘電路·壽命：1000寫/擦循環(huán)ULN2803步進(jìn)電機(jī)控制器ULN2803是一種大電流型高電壓器件 ,步進(jìn)電機(jī)控制器。部電路如圖11圖11四 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程圖4.1電機(jī)是否工作正反轉(zhuǎn)顯示正轉(zhuǎn)顯示反轉(zhuǎn)是否停機(jī)是否停機(jī)處理電機(jī)速度處理電機(jī)速度停機(jī)返回開始顯示清零NYN N反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)YYY開始始程序初使化串口是否發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用子程序

13、結(jié)束圖4.14.2程序設(shè)計(jì)根據(jù)要求，可以將程序分為以下幾個(gè)部份：（1） 鍵盤輸入程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)使用的鍵盤較少，因此采用獨(dú)立式鍵盤接口設(shè)計(jì)。獨(dú)立式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較少的場(chǎng)合。獨(dú)立鍵盤工作原理：通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵，處于高電平狀態(tài)，有鍵按下電平為低。在消除抖動(dòng)影響上是可以采用了軟件消抖方法：在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)子程序后（約5ms），再確認(rèn)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)真正有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)處理工作，消除了抖動(dòng)的影響。 （2） 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行步數(shù)控制程序 此方案采用單相和雙相交差通電處理方式。此方法具有運(yùn)行速度穩(wěn)定，運(yùn)行步數(shù)準(zhǔn)確無誤等優(yōu)點(diǎn)。第

14、五章 調(diào)試總結(jié)5.1操作控制：本電路經(jīng)調(diào)試符合題目要求，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。具體操作控制方法如下：1、當(dāng)電機(jī)啟停按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)制定默認(rèn)狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)；2、當(dāng)電機(jī)再啟停按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；3、當(dāng)電機(jī)換擋按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)速度快速轉(zhuǎn)動(dòng)；4、當(dāng)電機(jī)再換擋按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)速度緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)；5、當(dāng)電機(jī)正反按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；6、當(dāng)電機(jī)再正反按鈕時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；5.2 設(shè)計(jì)過程中遇到的主要問題以與解決辦法1、仿真時(shí)數(shù)碼管顯示有閃爍，在程序中多加上幾次display（）函數(shù)即可。2、步進(jìn)電機(jī)在仿真調(diào)試的時(shí)候，出現(xiàn)往返轉(zhuǎn)的情況，即不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，PROTEUS中的步進(jìn)電機(jī)MOTOR -STEP

15、PER，不知道具體型號(hào)，即不知道其部接線結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，才得以解決問題。在仿真調(diào)試成功的前提下，進(jìn)行硬件調(diào)試的時(shí)候，出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況，這是因?yàn)榉抡娴牟竭M(jìn)電機(jī)和硬件的步進(jìn)電機(jī)是兩個(gè)不同的型號(hào)，不同步進(jìn)電機(jī)所允許的最快轉(zhuǎn)動(dòng)速率是不同的，在設(shè)置延時(shí)程序的時(shí)間參數(shù)時(shí)，一旦超過此值，電機(jī)就不能啟動(dòng)。所以硬件調(diào)試時(shí)，需要重新設(shè)置延時(shí)程序的時(shí)間參數(shù)，問題才得以解決。3、 第一次燒寫程序時(shí)燒不進(jìn)去，不知如何解決。驅(qū)動(dòng)也裝好了，各方面都沒問題就是不知道問題出在哪里。5.3 心得體會(huì)步進(jìn)電機(jī)的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了軟件方法，即用單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀

16、態(tài)，這種方比采用硬件方法，即采用脈沖分配器芯片進(jìn)行通用換相控制，電路更加簡單，成本更低。在做本次設(shè)計(jì)的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的設(shè)計(jì)資料是十分必要的。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用到了以前所學(xué)的專業(yè)課知識(shí)，如：C語言、模擬和數(shù)字電路知識(shí)等。雖然過去從未獨(dú)立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。設(shè)計(jì)結(jié)束了，但是從中得到的知識(shí)會(huì)讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實(shí)踐能力的提高都會(huì)受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。此次設(shè)計(jì)更鍛煉了我的毅力，我覺得做任何事情要善始善終，不要中途放棄，只要自己認(rèn)

17、真的去對(duì)待，再難的問題也能找到辦法解決。最后感老師在我遇到困難時(shí)，給予我們的建議與鼓勵(lì)。附錄一:引用文獻(xiàn)1 何麗民，單片機(jī)初級(jí)教程，航空航天大學(xué)；2 沙占友，王彥朋，孟志永，單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)，電子工業(yè)；3 童詩白，華成英，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育；4 康華光，大欽，電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育；5 黃繼昌，海貴，郭繼忠，實(shí)用單元電路與其應(yīng)用，人民郵電出社；6 宜仁，單片機(jī)實(shí)用技術(shù)問答，人民郵電；7 迎新 單片機(jī)初級(jí)教程單片機(jī)基礎(chǔ)，航空航天大。4.1程序流程圖4.1電機(jī)是否工作正反轉(zhuǎn)顯示正轉(zhuǎn)顯示反轉(zhuǎn)是否停機(jī)是否停機(jī)處理電機(jī)速度處理電機(jī)速度停機(jī)返回開始顯示清零NYN N反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)YYY開始始程序初使化

18、串口是否發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用子程序結(jié)束附錄二：單片機(jī)源程序/* /*/ /* All CopyAight 2012 黃繼鵬 */ /* 林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院 */ /*/*我是分割線* P0口控制段選 p1步進(jìn)電機(jī) P2控制位選獨(dú)立鍵盤 P3.0P3.2數(shù)碼管的第一位為正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位0：正轉(zhuǎn) 1：反轉(zhuǎn)數(shù)碼管的第二位為速度標(biāo)志位 0：單八拍 1：雙四拍數(shù)碼管的第三位為開關(guān)標(biāo)志位0：關(guān) 1：開 *我還是分割線*#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint xms);/

19、延時(shí)子函數(shù)void keyscan();/鍵盤檢測(cè)子程序void display();sbit key1=P30;/正反轉(zhuǎn)選擇 sbit key2=P31;/速度選擇sbit key3=P32;/執(zhí)行鍵uchar zx,k,sudu,bu;int n=0,m=4;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,;/數(shù)碼管顯示編碼/* 單雙八拍工作方式： * A-AB-B-BC-C-CD-D-DA (即一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn) 3.75 度)*/ uchar co

20、de FFZ=0x11,0x33,0x22,0x66,0x44,0xcc,0x88,0x99; /反轉(zhuǎn)uchar code FFW=0x99,0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0x33,0x11; /正轉(zhuǎn)/* 單四拍工作方式： * A-B-C-D (即一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn) 7.5 度)*/ uchar code shuangz=0x88,0x22,0x44,0x11;uchar code shuangw=0x11,0x44,0x22,0x88;/* 單四拍工作方式： * A-B-C-D (即一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn) 7.5 度)*/uchar code danz=0x88,0x22,0x44,0x

21、11;/uchar code danw=0x11,0x44,0x22,0x88;void main() TMOD=0x01; EA=1; ET0=1; TH0=-1000/256; TL0=-1000%256; TR0=1;while(1)keyscan();display();/if(zx=1) qudong();/if(x=0) zx=0;void keyscan()if(key1=0)/正反轉(zhuǎn)選擇delay(5);if(key1=0)k+;if(k=2) k=0;while(!key1) display();if(key2=0)/速度選擇delay(5);if(key2=0)sudu+;if(sudu=2) sudu=0;while(!key2) display();if(key3=0)/執(zhí)行鍵delay(5);if(key3=0)zx+;if(zx=2) zx=0;while(!key3) display();void time0() inter