基于單片機(jī)ATS控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)

1、目錄 第一章 系統(tǒng)分析11.1 框圖設(shè)計(jì)21.2 晶振電路2第二章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1 硬件連接圖32.2 按鍵功能32.3 單片機(jī)AT89S5232.4 驅(qū)動(dòng)電路4 2.5 步進(jìn)電機(jī).7第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàn)17致謝.18摘要能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(lái)隨著科技的飛速發(fā)展,單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷深入,同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月異更新。本文介紹一種用AT89S52作為核心部件進(jìn)行邏輯控制及信號(hào)產(chǎn)生的單片機(jī)技術(shù)和匯編語(yǔ)言編程

2、設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)背景與現(xiàn)狀、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及其仿真都做了詳細(xì)的介紹，使我們不僅對(duì)步進(jìn)電機(jī)的原理有了深入的了解，也對(duì)單片機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程有了更加深刻的體會(huì)。本控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，通過(guò)人為按動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)關(guān)，復(fù)位。該系統(tǒng)還增加了步進(jìn)電機(jī)的加速及減速功能。具有靈活方便、適用范圍廣的特點(diǎn)，基本能夠滿足實(shí)踐需求。關(guān)鍵詞： AT89S52 步進(jìn)電機(jī) ULN2003第一章 系統(tǒng)分析1.1 框圖設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)要求畫(huà)出基于AT89S52單片機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)的控制框圖如圖2-1所示。按鍵電路復(fù)位電路晶振電路AT89C52電源電路驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)圖2-1基于AT89C52單片機(jī)的控制步

3、進(jìn)電機(jī)的控制框圖系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路、按鍵電路、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路幾部分。1.2 晶振電路AT89C52單片機(jī)有一個(gè)用于構(gòu)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(lái)一起構(gòu)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(yùn)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(dāng)?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(shè)計(jì)2.1 硬件連接圖根據(jù)圖2-1，可以

4、設(shè)計(jì)出單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)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(gè)功能鍵，K1、K2和K3按鍵開(kāi)關(guān)分別接在單片機(jī)的P2.0P2.2引腳上，用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，作為控制信號(hào)的輸入端鍵。按K1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正傳；按K2時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；按K3時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。2.3 單片機(jī)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(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)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(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。At89C52主要技術(shù)參數(shù)如

5、下：l 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容l 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器l 1000次擦寫(xiě)周期l 全靜態(tài)操作：0Hz33MHzl 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器l 32個(gè)可編程I/O口線l 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 圖2-2 At89C52引腳圖 圖2-3ULN20032.4 驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)的輸出電流太小，不能直接與步進(jìn)電機(jī)相連，需要增加驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于電流小于0.5A的步進(jìn)電機(jī)，可以采用ULN2003類的驅(qū)動(dòng)IC。ULN2003技術(shù)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(dòng)器引腳

6、圖，圖3-3左側(cè)17引腳為輸入端，接單片機(jī)P1口的輸出端，引腳8接地；右側(cè)1016引腳為輸出端，接步進(jìn)電機(jī)，引腳9接電源+5V，該驅(qū)動(dòng)器可提供最高0.5A的電流。ULN2003 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。 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(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)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(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極

7、管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管,它的輸出端允許通過(guò)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(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。 作用：ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)單元，單獨(dú)每個(gè)

8、單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)350mA，9腳可以懸空。 比如1腳輸入，16腳輸出，你的負(fù)載接在VCC與16腳之間，不用9腳。 ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。 輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。 ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列,由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如下: ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。 ULN2003 是高壓大電流達(dá)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(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)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(gè)續(xù)流二極管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。用于感性負(fù)載時(shí)，該腳接負(fù)載電源正極，實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用。如果該腳接地,實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對(duì)地接通。 引腳10：脈沖信號(hào)輸出

10、端，對(duì)應(yīng)7腳信號(hào)輸入端。引腳11：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)6腳信號(hào)輸入端。 引腳12：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)5腳信號(hào)輸入端。 引腳13：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)4腳信號(hào)輸入端。 引腳14：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)3腳信號(hào)輸入端。 引腳15：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)2腳信號(hào)輸入端。 引腳16：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)1腳信號(hào)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(jìn)電機(jī)2.5.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2） 步進(jìn)電機(jī)外表允許的溫度高。步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不

11、同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如

12、果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?2.5.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理：步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制 ,將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相位移的電機(jī) ,其機(jī)械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成正比 ,每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度.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(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^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可

13、以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)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。本次設(shè)計(jì)采用的電機(jī)STEPPER-MOTOR型號(hào)步進(jìn)電機(jī),如圖 圖 STEPPER-MOTOR型號(hào)步進(jìn)電機(jī)第三章 軟件設(shè)計(jì)3.1 軟件流程圖程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-1所示，主要包括鍵盤(pán)掃描模塊、步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模塊、步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)模塊和步進(jìn)電機(jī)定時(shí)模塊。YYY開(kāi)始設(shè)置堆棧步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)按鍵掃描K1按下嗎K2按下嗎K3按下嗎步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模塊步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)模塊步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)讀取表格輸出結(jié)束NN圖4-1程序設(shè)計(jì)流程圖3.2 激磁方式二相步進(jìn)馬達(dá)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(shuō)明如下:1相

14、激磁每次只激磁一相線圈，每輸入一個(gè)脈波，便產(chǎn)生一步級(jí)的轉(zhuǎn)，如圖11所示，由圖中可知，當(dāng)激磁依ABABA相順序，則馬達(dá)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn);若依BABAB相順序激磁，則馬達(dá)依逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。此種激磁方式之優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(dá)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn):若依BAABBAABBA相順序激磁，則馬達(dá)轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。此種激磁方式由于同時(shí)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(diǎn)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(jìn)行，每加入一數(shù)字脈波所轉(zhuǎn)動(dòng)之角度為原步進(jìn)角的一半，因此分辨率可提高一倍，且運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相當(dāng)平滑，故與2相激磁方式同受廣泛使用。圖13為二相步進(jìn)馬達(dá)采用1-2相激磁方式之時(shí)序圖，由圖中可知，若依照AABBBAAABBBAAAB相的順序激磁，則步進(jìn)馬達(dá)將以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；但如果依照BAAABBBAAABBBA相順序激磁，則馬達(dá)逆時(shí)針?lè)较蛐D(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(shí)while(-i);/* 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) 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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)按下k1鍵，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)按下k2鍵，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)參考文獻(xiàn)1李全利，單片機(jī)原理及接口技術(shù)。高等教育出版社，20032王曉明，電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制。北京航空航天大學(xué)出版社，20023曾一江，單片機(jī)原理與接口技術(shù)。北京：科學(xué)出版社，20064何立民，MCS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。北京：北京航空航天大學(xué)出版社