基于單片機ATS控制步進電機正反轉(zhuǎn)

1、目錄 第一章 系統(tǒng)分析11.1 框圖設計21.2 晶振電路2第二章 硬件系統(tǒng)設計32.1 硬件連接圖32.2 按鍵功能32.3 單片機AT89S5232.4 驅(qū)動電路4 2.5 步進電機.7第三章 軟件系統(tǒng)設計93.1 軟件流程圖93.2 激磁方式10附錄12附件A 源程序.12附件B 仿真結(jié)果.15參考文獻17致謝.18摘要能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機控制的方式有多種,可以采用前期的模擬電路、 數(shù)字電路或模擬與數(shù)字電路相結(jié)合的方式。近年來隨著科技的飛速發(fā)展,單片機的應用正在不斷深入,同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月異更新。本文介紹一種用AT89S52作為核心部件進行邏輯控制及信號產(chǎn)生的單片機技術和匯編語言編程

2、設計的步進電機控制系統(tǒng)，步進電機背景與現(xiàn)狀、硬件設計、軟件設計及其仿真都做了詳細的介紹，使我們不僅對步進電機的原理有了深入的了解，也對單片機的設計研發(fā)過程有了更加深刻的體會。本控制系統(tǒng)采用單片機控制，通過人為按動開關實現(xiàn)步進電機的開關，復位。該系統(tǒng)還增加了步進電機的加速及減速功能。具有靈活方便、適用范圍廣的特點，基本能夠滿足實踐需求。關鍵詞： AT89S52 步進電機 ULN2003第一章 系統(tǒng)分析1.1 框圖設計根據(jù)系統(tǒng)要求畫出基于AT89S52單片機的控制步進電機的控制框圖如圖2-1所示。按鍵電路復位電路晶振電路AT89C52電源電路驅(qū)動電路步進電機圖2-1基于AT89C52單片機的控制步

3、進電機的控制框圖系統(tǒng)主要包括單片機、復位電路、晶振電路、按鍵電路、步進電機及驅(qū)動電路幾部分。1.2 晶振電路AT89C52單片機有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構成自激振蕩器。晶振模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當?shù)木取?圖2-2為晶振電路。圖2-2 晶振電路第二章 系統(tǒng)設計2.1 硬件連接圖根據(jù)圖2-1，可以

4、設計出單片機控制步進電機的硬件電路圖，如圖3-1所示。圖3-1硬件連接圖 2.2 按鍵功能按鍵采用3個功能鍵，K1、K2和K3按鍵開關分別接在單片機的P2.0P2.2引腳上，用來控制步進電機的轉(zhuǎn)向，作為控制信號的輸入端鍵。按K1時，步進電機正傳；按K2時，步進電機反轉(zhuǎn)；按K3時，步進電機停止轉(zhuǎn)動。2.3 單片機At89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。At89C52主要技術參數(shù)如

5、下：l 與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容l 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器l 1000次擦寫周期l 全靜態(tài)操作：0Hz33MHzl 三級加密程序存儲器l 32個可編程I/O口線l 三個16位定時器/計數(shù)器 圖2-2 At89C52引腳圖 圖2-3ULN20032.4 驅(qū)動電路單片機的輸出電流太小，不能直接與步進電機相連，需要增加驅(qū)動電路。對于電流小于0.5A的步進電機，可以采用ULN2003類的驅(qū)動IC。ULN2003技術參數(shù)如下所示。最大輸出電壓：50V。最大連續(xù)輸出電流：0.5A。最大連續(xù)輸入電流：25mA。功耗：1W。如圖2-4所示為2001/2002/2003/2004系列驅(qū)動器引腳

6、圖，圖3-3左側(cè)17引腳為輸入端，接單片機P1口的輸出端，引腳8接地；右側(cè)1016引腳為輸出端，接步進電機，引腳9接電源+5V，該驅(qū)動器可提供最高0.5A的電流。ULN2003 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)。 ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。 ULN2003 采用DIP16 或SOP16 塑料封裝。 方框圖 方框圖 封裝外形圖ULN2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極

7、管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。 作用：ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，單獨每個

8、單元驅(qū)動電流最大可達350mA，9腳可以懸空。 比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在VCC與16腳之間，不用9腳。 ULN2003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路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。 輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。 ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下: ULN2003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)。 ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電

9、流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 圖2-4-1ULN2003芯片引腳圖ULN2003芯片引腳介紹引腳1：CPU脈沖輸入端，端口對應一個信號輸出端。 引腳2：CPU脈沖輸入端。 引腳3：CPU脈沖輸入端。 引腳4：CPU脈沖輸入端。 引腳5：CPU脈沖輸入端。 引腳6：CPU脈沖輸入端。 引腳7：CPU脈沖輸入端。 引腳8：接地。 引腳9：該腳是內(nèi)部7個續(xù)流二極管負極的公共端，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于感性負載時，該腳接負載電源正極，實現(xiàn)續(xù)流作用。如果該腳接地,實際上就是達林頓管的集電極對地接通。 引腳10：脈沖信號輸出

10、端，對應7腳信號輸入端。引腳11：脈沖信號輸出端，對應6腳信號輸入端。 引腳12：脈沖信號輸出端，對應5腳信號輸入端。 引腳13：脈沖信號輸出端，對應4腳信號輸入端。 引腳14：脈沖信號輸出端，對應3腳信號輸入端。 引腳15：脈沖信號輸出端，對應2腳信號輸入端。 引腳16：脈沖信號輸出端，對應1腳信號輸入端。參考電路接法如圖2-4-2 圖2-4-2參考電路接法 2.5 步進電機2.5.1步進電機的特點：1） 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2） 步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不

11、同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如

12、果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 2.5.2步進電機的工作原理：步進電機是一種用電脈沖進行控制 ,將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位移的電機 ,其機械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比 ,每一個脈沖信號可使步進電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機運轉(zhuǎn)的速度.當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(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

13、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。本次設計采用的電機STEPPER-MOTOR型號步進電機,如圖 圖 STEPPER-MOTOR型號步進電機第三章 軟件設計3.1 軟件流程圖程序設計流程圖如圖4-1所示，主要包括鍵盤掃描模塊、步進電機正轉(zhuǎn)模塊、步進電機反轉(zhuǎn)模塊和步進電機定時模塊。YYY開始設置堆棧步進電機停轉(zhuǎn)按鍵掃描K1按下嗎K2按下嗎K3按下嗎步進電機正轉(zhuǎn)模塊步進電機反轉(zhuǎn)模塊步進電機停轉(zhuǎn)讀取表格輸出結(jié)束NN圖4-1程序設計流程圖3.2 激磁方式二相步進馬達的激磁方式有下列兩種: (1).全步激磁全步激磁方式又可分為1 相激磁與2相激磁兩種方式，說明如下:1相

14、激磁每次只激磁一相線圈，每輸入一個脈波，便產(chǎn)生一步級的轉(zhuǎn)，如圖11所示，由圖中可知，當激磁依ABABA相順序，則馬達順時針方向旋轉(zhuǎn);若依BABAB相順序激磁，則馬達依逆時針方向旋轉(zhuǎn)。此種激磁方式之優(yōu)點為線圈消耗功率小，角精確度良好，但其轉(zhuǎn)距小，加上阻尼特性不良，易失步。圖4-2-12相激磁每輸入一個脈波，將有二相線圈激磁，如圖12所示，由圖中可知，若依ABBAABBAAB相順序激磁，則馬達順時針方向旋轉(zhuǎn):若依BAABBAABBA相順序激磁，則馬達轉(zhuǎn)向為逆時針方向。此種激磁方式由于同時有兩組線圈激磁，輸出轉(zhuǎn)距較大，加上阻尼效果良好，故能追蹤較高的脈波率，但其缺點為耗電較大，容易發(fā)熱。圖4-2-2

15、 （2）半步激磁此種激磁方式又稱1-2相激磁，激磁一相線圈和二相線圈交互進行，每加入一數(shù)字脈波所轉(zhuǎn)動之角度為原步進角的一半，因此分辨率可提高一倍，且運轉(zhuǎn)時相當平滑，故與2相激磁方式同受廣泛使用。圖13為二相步進馬達采用1-2相激磁方式之時序圖，由圖中可知，若依照AABBBAAABBBAAAB相的順序激磁，則步進馬達將以順時針方向旋轉(zhuǎn)；但如果依照BAAABBBAAABBBA相順序激磁，則馬達逆時針方向旋轉(zhuǎn) 圖4-2-3附錄附件A 源程序#include sbit p00 = P00;sbit p01 = P01;sbit p02 = P02;unsigned char code Forward4

16、=0xFC,0xF9,0xF3,0xF6;/正轉(zhuǎn)表格unsigned char code Return8=0xF7,0xF3,0xFB,0xF9,0xFD,0xFC,0xFE,0xF6;/反轉(zhuǎn)表格void delay(unsigned int i)/延時while(-i);/* 步進電機正轉(zhuǎn)P0口的第三口，P02*/void turnfor(void)unsigned char i;while(1)if(p00 = 0)delay(1000);if(p00 = 0)break;if(p01 = 0)if(p01 = 0)break;for(i = 0; i 4; i+)P1 = Forward

17、i;delay(2000);/*步進電機反轉(zhuǎn) P0口的第二口，P01*/void retur(void)unsigned char i;while(1)if(p00 = 0)delay(1000);if(p00 = 0)break;if(p02 = 0)delay(1000);if(p02 = 0)break;for(i = 0; i 8; i+)P1 = Returni;delay(2000);/*步進電機停止轉(zhuǎn)動 P0口的第一口，P00*/void stop(void)while(1)if(p01 = 0)delay(1000);if(p01 = 0)break;if(p02 = 0)if

18、(p02 = 0)break;/*步進電機轉(zhuǎn)動主函數(shù)*/void Main(void)stop();while(1)if(p00 = 0)delay(1000);if(p00 = 0)stop(); if(p01 = 0)delay(1000);if(p01 = 0) retur();if(p02 = 0)delay(1000);if(p02 = 0)turnfor();附件B仿真結(jié)果按下k3鍵，電動機停止轉(zhuǎn)動按下k1鍵，電動機正轉(zhuǎn)按下k2鍵，電動機反轉(zhuǎn)參考文獻1李全利，單片機原理及接口技術。高等教育出版社，20032王曉明，電動機的單片機控制。北京航空航天大學出版社，20023曾一江，單片機原理與接口技術。北京：科學出版社，20064何立民，MCS51系列單片機應用系統(tǒng)設計。北京：北京航空航天大學出版社