課程論文基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)

1、 成績課程論文題 目： 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng) 學生姓名： 程園 學生學號： 1114020206 系 別： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 年 級： 2011級 任課教師： 王千春 電氣信息工程學院制2013年12月1摘要22引言23程設計的任務與要求33.1課程設計的任務33.2 課程設計的要求33.3 課程設計的研究基礎34 步進電機控制系統(tǒng)方案44.1 方案提出44.2 方案比較與論證54.3 方案選擇55 系統(tǒng)整體電路結構55.1控制電路55.2驅動電路65.3 LCD顯示電路75.4 系統(tǒng)整體電路圖7該系統(tǒng)整體的電路圖如圖下圖所示。76元器件的介紹86.1 L297

2、控制器的介紹86.2 L298控制器的介紹87步進電機控制系統(tǒng)仿真和調(diào)試97.1 Proteu仿真軟件介紹97.2 Keil軟件介紹107.3系統(tǒng)仿真實現(xiàn)107.3 系統(tǒng)測試138總結138.1 設計小結138.2 發(fā)展前景13參考文獻14附錄14器件清單14源程序代碼15基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)學生：程園任課教師：王千春電氣信息工程學院 電子信息工程專業(yè)1摘要步進電機由于用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領域有著極其廣泛的應用。本文介紹是一種基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)，用C語言編出電機的正轉、反轉、加速、減速、停止程序通過AT

3、89C51單片機，電機的驅動芯片ULN2003A，以及相應的按鍵實現(xiàn)以上功能，并且步進電機的工作狀態(tài)要用相應的發(fā)光二極管顯示出來。本文內(nèi)容介紹步進電機以及單片機原理、該系統(tǒng)的硬件電路、軟件電路。同時對軟硬件進行調(diào)試，同時介紹了調(diào)試工程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了以上功能。關鍵字：步進電機 開環(huán)系統(tǒng) 單片機 驅動芯片2引言步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，由于步進電機具有控制方便、體積小等特點，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動生產(chǎn)線、自動化儀表、繪圖機和計算機外圍設備中得到廣泛應用。微電子學的迅速發(fā)展和微型計算機的普

4、及與應用，為步進電動機的應用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構成的龐大復雜的控制器得以用軟件實現(xiàn)，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。市場上有很多現(xiàn)成的步進電機控制機構，但價格都偏高。應用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便的組成步進電機驅動器，并結合AT89C52單片機進行控制，即可以實現(xiàn)用相對便宜的價格組成一個性能不錯的步進電機驅動電路。3程設計的任務與要求3.1課程設計的任務基于Proteus設計一個步進電機控制系統(tǒng)，使其能實現(xiàn)對步進電機轉速及加速、減速、正反轉的控制。3.2 課程設計的要求設計一個步進電機控制系統(tǒng)，通過四個按鍵可以實現(xiàn)加速、減速、正轉、反

5、轉功能。并通過LCD顯示屏實時輸出轉速和運行狀態(tài)（正轉或反轉）。當速度超過200r/min時，再按加速，蜂鳴器會報警。3.3 課程設計的研究基礎步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(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動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機是將脈沖信號轉換為角

6、位移或線位移。一是過載性好。其轉速不受負載大小的影響。二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉的，數(shù)字特征比較明顯。三是整機結構簡單。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結構比較復雜，調(diào)整困難，使用步進電機后，使得整機的結構變得簡單和緊湊。 如果利用單片機控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，脈沖分配器將產(chǎn)生一定規(guī)律的電脈沖輸出給驅動器，就可以控制步進電動機的轉動。步進電動機轉動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動方向則與脈沖的順序有關12。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read

7、Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。它提供以下標準功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位34。4 步進電機控制系統(tǒng)方案4.1 方案提出方案一：以AT89C51單片機作為的控制單

8、元。將脈沖從P1.4P1.7輸出，用7路反向器電路ULN2003A來作為驅動，通過P1.4P1.7來控制各線圈的通斷。開機時P1.4P1.7均為高電平，再依次換成低電平即可驅動電機運行。如要改變轉速只要改變兩次接通之間的時間，而要改變方向只要改變各線圈接通順序。單片機ULN2003A步進電機鍵盤輸入模塊液晶顯示模塊圖1步進電機控制系統(tǒng)結構框圖方案二：用單片機編程來實現(xiàn)。該系統(tǒng)是單片機控制的4相步進電機系統(tǒng)，由單片機產(chǎn)生驅動信號，步進電機驅動器L297和L298收到驅動脈沖信號后，步進電機將會按照設定的方向轉動一個固定的方向。電機的轉速由脈沖信號頻率來控制決定，可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移

9、量，從而達到調(diào)速的目的。通過LCD液晶顯示器來顯示電機的速度和運行狀態(tài)。單片機電機驅動電路步進電機液晶顯示模塊鍵盤輸入模塊圖2 步進電機控制系統(tǒng)結構圖4.2 方案比較與論證方案二中的L297單片步進電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機的控制，與驅動芯片L298組合，組成完整的步進電機固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動器。種方式結合的優(yōu)點是，需要的元件很少，可靠性高和占空間少，并且通過軟件開發(fā)，可以簡化和減輕微型計算機的負擔。4.3 方案選擇通過比較和論證這兩種方案，決定采用方案二的設計方法。5 系統(tǒng)整體電路結構5.1控制電路控制芯片選擇AT89C51系列單片機。P3.2P

10、3.5口接四個按鍵，其中P3.2口按鍵為加速鍵，P3.3口為減速鍵，P3.4口為電機正轉按鍵，P3.5為電機反轉按鍵。由步進電機工作原理可知，步進電機轉速控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制其轉速。對單片機來說，電機的轉速控制可以通過定時器的中斷來實現(xiàn)。本電路中，控制電機轉速的方法就是通過判斷P3.2和P3.3按鍵次數(shù)來改變定時器的中斷次數(shù)，這樣步進電機的輸出脈沖頻率就被改變了，轉速自然就改變了。圖3 控制部分電路5.2驅動電路通過L297和L298構成的驅動電路。P0.0口控制L297的CW/CCW，即電機方向控制端，P0.1控制步進時鐘輸入端。圖4步進電機驅動部分電路5.3 LC

11、D顯示電路通過P1.0P1.7控制LCD顯示步進電機的轉速和轉動方向。該部分電路設計圖如圖5。圖5 LCD顯示部分電路5.4 系統(tǒng)整體電路圖該系統(tǒng)整體的電路圖如圖下圖所示。 圖6系統(tǒng)整體電路圖6元器件的介紹6.1 L297控制器的介紹L297是意大利SGS半導體公司生產(chǎn)的步進電機專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。芯片內(nèi)的PWM 斬波器電路可開關模式下調(diào)節(jié)步進電機繞組中的電機繞組中的電流。該集成電路采用了SGS 公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L 技術，使用5V 的電源電壓， 全部信號的連接都與TFL/CMO

12、S 或集電極開路的晶體管兼容。圖7 L297引腳圖及內(nèi)部電路圖L297能產(chǎn)生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當相序。3種方式的驅動相序都可以很容易地根據(jù)變換器輸出的格雷碼的順序產(chǎn)生，格雷碼的順序直接與四八拍(半步方式)相符合，只要在腳19輸入一高電平即可得到。通過交替跳過在八步順序中的狀態(tài)就可以得到全步工作方式，此時需在腳19接一低電平，前已述及根據(jù)變換器的狀態(tài)可得到四拍或雙四拍2種工作模式34。6.2 L298控制器的介紹L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅動芯片，內(nèi)部包含4信道邏輯驅動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅

13、動器，可同時驅動2個二相或1個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅動46V、2A以下的步進電機，且 可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號，但在本驅動電路中用L297 來提供時序信號，節(jié)省了單片機I/O 端口的使用。L298N 之接腳如圖9 所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測用電阻連 接來控制負載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個步進電機；input1input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉；Enable 則控制電機停轉。其引腳圖和內(nèi)部結構

14、如圖7。圖8L298N引腳圖及內(nèi)部電路圖7步進電機控制系統(tǒng)仿真和調(diào)試7.1 Proteu仿真軟件介紹Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。內(nèi)置的8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境結合，進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試。Proteus軟件具有其它EDA工具軟件的功能：原理布圖、PCB自動或人工布線、SPICE電路仿真。但它具有以下的特點：互動的電路

15、仿真；仿真處理器及其外圍電路，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境5。7.2 Keil軟件介紹Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全W

16、indows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。7.3系統(tǒng)仿真實現(xiàn)(1)打開Proteus軟件，新建一個模版，保存文件名為“步進電機控制.DSN”。然后添加所需的元件。放置好元件后，再單擊工具箱中的元件終端圖標，在對象選擇器中選擇POWER和GROUND放置電源和地。放置好后，布好線。雙擊各元件，設置相應的元件參數(shù)，完成電路圖的設計。(2)打開Keil軟件，執(zhí)行“Project”“New Project”創(chuàng)建新項目，并選擇單片機型號為AT89C

17、51。再執(zhí)行“File”“New”創(chuàng)建文件，輸入C語言源程序保存為“1.C”。在“Project”欄的File項目管理窗口中右擊文件組，選擇“Add Files to Group 'Source Group1'”將源程序添加到項目中。然后執(zhí)行“Project”“Options for Target 'Target1'”,在彈出的對話框中選中“Create HEX File”。在“Debug”中，選中“Use:Proteus VSM Simulator”。(3)執(zhí)行“Project”“Build Target”,編譯源程序。如編譯成功會在“Output Windo

18、w”窗口中顯示沒錯誤并創(chuàng)建了“步進電機控制.hex”文件。(4)在Keil中執(zhí)行“Debug”“Start/Stop Debug Session”進入調(diào)試狀態(tài)。如沒問題按F5運行程序。系統(tǒng)運行后，電機開始順時針轉動，LCD顯示屏上顯示“Speed(r/min):100 Run State:CW”，紅燈亮。圖9正轉系統(tǒng)運行圖當按下反轉按鈕后，電機開始逆時針轉動，此時，LCD顯示“Speed(r/min):100 Run State:CCW”,綠燈亮。圖10反轉系統(tǒng)運行圖當按下幾次加速按鈕后，電機的轉速會不斷加快，LCD顯示“Speed(r/min):230 Run State:CW”。圖11 加

19、速系統(tǒng)運行圖當按下幾次減速按鈕后，電機的轉速會變慢，LCD也會顯示“Speed(r/min):088 Run State:CW”。圖12 減速系統(tǒng)運行圖如果轉速超過200r/min后，要再按下加速按鈕，則蜂鳴器會報警。7.3 系統(tǒng)測試本次課程設計是在電腦上完成的，通過使用Proteus仿真軟件，和Keil單片機開發(fā)系統(tǒng)對步進電機控制系統(tǒng)進行了仿真。結果基本符合設計要求。但由于條件原因，未能將其做成實物。以后會對其加以實物制作。8總結8.1 設計小結本次課程設計是基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計仿真。在步進電機控制中，實現(xiàn)電機的加減速的功能，是通過單片機的定時器中斷來實現(xiàn)的，通過按鍵次數(shù)的增加

20、來實現(xiàn)中斷次數(shù)的增加，從而可以改變步進電機的輸出脈沖頻率，這樣就可以改變步進電機的轉速。實現(xiàn)LCD液晶顯示屏上顯示轉速及運行狀態(tài)是靠P0口實現(xiàn)的。通過仿真測試，可以較好實現(xiàn)對步進電機的加減速及轉向的控制，并有實時顯示的功能。雖然，設計中也存在一些小問題，但總的來說，是符合本次課程設計要求的。通過這次的課程設計，讓我在實際中解決問題能力有了很大的提升。8.2 發(fā)展前景預計未來步進電機的研究還會持續(xù)深入下去，研究方向之一是電機與驅動的一體化，使步進電機體積更小巧、性能更優(yōu)越，性價比更高，在大量的民用設備中批量化使用，如家庭機器人、民用智能化設備等；研究方向之二是在功率或機座號相對較大的步進電動機中

21、，與屬于BIDCM (稀土永磁無刷直流電機)的交流伺服電動機系統(tǒng)會合，具體來說可能會借鑒交流伺服系統(tǒng)的控制技術，但保留了部分步進電動機的特點，形成一種新的“步進伺服電動機”或“伺服步進電動機”，在克服低頻振蕩、高頻過載能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性進展，從而在現(xiàn)代軍事、精密機械加工、航空航天等領域的應用越來越深入。參考文獻1房玉明，杭柏林等.基于單片機的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)J.電機與控制應用，2006.2袁任光，張偉武等.電動機控制電路選用與258實例M.北京：機械工業(yè)出版社，2005.3謝維成，楊加國等.單片機原理與應用及C51程序設計（第2版）M.北京：清華大學出版社，2009

22、.7.4趙曉安.MCS-51單片機原理及應用.天津：天津大學出版社，2001.3.5侯玉寶，陳忠平等.基于Proteus的51系列單片機設計與仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.9.附錄器件清單表1 器件清單元件名稱所屬類個數(shù)AT89C51Microprocessor ICs1CRYSTALMiscellaneous1CAPCapacitors2CAP-ELECCapacitors1RESResistors8BUTTONSwitches & Relays5LED-GREENOptoelectronics1LED-REDOptoelectronics1L297Analog ICs1L

23、298Analog ICs1MOTOR-BISTEPPERElectromechanical1SOUNDERSpeakers & Sounders1LM016LOptoelectronics1源程序代碼#include "reg51.h"int delay();void inti_lcd();void show_lcd(int);void cmd_wr();void ShowState();void clock(unsigned int Delay) ;void DoSpeed(); void beep(); #define uchar unsigned char#

24、define uint unsigned int #define RIGHT_RUN 1 #define LEFT_RUN 0 sbit RS=0xA0;sbit RW=0xA1;sbit E=0xA2;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;sbit P1_7=P17;sbit P3_4=P34;sbit P3_5=P35;sbit BEEP=P36;char SpeedChar="Speed(r/min):"char StateChar="Run State:"char STAT

25、E_CW="CW"char STATE_CCW="CCW"char SPEED3="050"unsigned int RunSpeed=60; unsigned char RunState=RIGHT_RUN; void t_0(void) interrupt 1 RunState=RIGHT_RUN; P0_0=1; P1=0x01; cmd_wr(); ShowState(); P0_2=P0_2; P0_3=P0_3; void t_1(void) interrupt 3 RunState=LEFT_RUN; P0_0=0; P

26、1=0x01; cmd_wr();ShowState();P0_3=P0_3;P0_2=P0_2; void SpeedUp() interrupt 0 if(RunSpeed>=12) RunSpeed=RunSpeed-2; DoSpeed(); P1=0x01; cmd_wr(); ShowState();void SpeedDowm() interrupt 2 if(RunSpeed<=100) RunSpeed=RunSpeed+2; DoSpeed(); P1=0x01; cmd_wr(); ShowState(); int delay() int a;start: R

27、S=0;RW=1;E=0;for(a=0;a<2;a+);E=1;P1=0xff;if(P1_7=0) return 0; else goto start;void inti_lcd() P1=0x38; cmd_wr(); delay(); P1=0x01; cmd_wr(); delay(); P1=0x0f; cmd_wr(); delay(); P1=0x06; cmd_wr(); delay(); P1=0x0c; cmd_wr(); delay();void cmd_wr() RS=0; RW=0; E=0; E=1;void show_lcd(int i) P1=i; RS=1; RW=0; E=0; E=1;void ShowState() int i=0; while(SpeedChari!='0') delay(); show_lcd(SpeedChari); i+; delay(); P1=0x80 | 0x0d; cmd_wr(); i=0; while(SPEEDi!