基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制-設(shè)計(jì)報(bào)告說明書及源程序

1、南京XX大學(xué)指導(dǎo)老師：張X課程設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械電子工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器XXXXXXxx2012年1年4日步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)摘要本課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是利用 5151 單片機(jī)，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、兩檔速度和狀態(tài)顯示的目的，使步進(jìn)電機(jī)控制更加靈活。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用 ULN2803ULN2803ftULN2803ULN2803ft 有大電流、高電壓，外電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。利用四位數(shù)碼管增設(shè)電機(jī)狀態(tài)顯示功能，各項(xiàng)數(shù)據(jù)更直觀。實(shí)測結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)、數(shù)碼管、5151 單片機(jī)、ULN2803ULN2803步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路1.1什么是

2、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（及步進(jìn)角）。可以通過控制脈沖個(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，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)

3、。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的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(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；4.整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單

4、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)。ABC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，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫移動(dòng)，使最近的一對(duì)齒與被激勵(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

5、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：L0=360PXN式中：L。為步長；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

6、，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)相同。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。或者接成兩個(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)Q1Q2 K KQ3Q4:110101001:3010140110；51010表1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”，“啟停”，由于按鈕較少，所

7、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)如下圖圖3 3晶體管驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)基本電路IN1OUT1OUT2LN3OUT3OUT事CC5OVT5INSOUT7NSOUTSGNDGNDCOMCOM1-12102.4驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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)芯片圖2.31驅(qū)動(dòng)電路可分為：三極管直接驅(qū)動(dòng)（圖ULN2803ULN2803是一種大電流高電壓型器件,外電路簡單（圖2

8、.42）。I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 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：判斷旋轉(zhuǎn)方向；按相序確定控制字；按順序輸入控制字；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輸出必須接驅(qū)動(dòng)

9、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：(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-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 12MHz12MHz(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

10、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，以及手動(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。二、單片機(jī)內(nèi)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；(TMODTCONTL0,TH0,TL1,TH1)3、一個(gè)串行通信接口；(SCONSBUF4、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：3.2

11、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(FPEROMFlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory的低電壓、高性能CMOS8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)的可擦除只讀存彳IT器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATME璃密度非易失存儲(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CPLB閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL勺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

12、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FLASHY儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定32可編程I/O線 5 個(gè)中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 壽命：1000寫/擦循環(huán) 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz128X8位內(nèi)部RAM 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 可編程串行通道片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路二 S1kl75 占3 3 落 3 3 肺皿：AiniKAiniK；eHReHR3 3Jd-Jd-J1-J1-Wg1Wg1JIEJIE陽T T-十三二一戶至手ZV-ZV-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。內(nèi)部電路

13、如圖四系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)11圖114.1程序流程圖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)。少的場合。獨(dú)立鍵盤工作原理：通過上拉電阻接到+5V上。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：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)。步進(jìn)電機(jī)鑄動(dòng)程序圖4.1獨(dú)立式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較無按

14、鍵，處于高電平狀態(tài)，有鍵在第一次檢測到有鍵按下時(shí),第五章調(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及解決辦法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)，

15、PROTEU滸的步進(jìn)電機(jī)MOTOR-STEPPE林知道具體型號(hào)，即不知道其內(nèi)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

16、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

17、情要善始善終，不要中途放棄，只要自己認(rèn)真的去對(duì)待，再難的問題也能找到辦法解決。最后感謝張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，北京航空航天大學(xué)出版社；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)出版社;3童詩白，華成英，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京高等教育出版社；4康華光，陳大欽，電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京高等教育出版社；5黃繼昌，張海貴，郭繼忠，實(shí)用單元電路及其應(yīng)用，人民郵電出社;6謝宜仁，單片機(jī)實(shí)用技術(shù)問答，人民郵電出版社；7張迎新單片機(jī)初級(jí)教程一一單片機(jī)基礎(chǔ)，北京航空航天大。附錄二：單片機(jī)源程序/*/*/*AllCopyAight2012黃繼鵬/

18、*南京林業(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)志位數(shù)碼管的第二位為速度標(biāo)志位數(shù)碼管的第三位為開關(guān)標(biāo)志位0:正轉(zhuǎn)1:反轉(zhuǎn)0:單八拍1:雙四拍0:關(guān)1:開我還是分割線*#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintvoiddelay(uintxms);voidkeyscan();voiddisplay();ucharzx,k,sudu,bu;intn=0,m=4;ucharcodetable=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0

19、 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71,;/*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)*/ucharcodeFFZ=0 x11,0 x33,0 x22,0 x66,0 x44,0 xcc,0 x88,0 x99;/ucharcodeFFW=0 x99,0 x88,0 xcc,0 x44,0 x66,0 x22,0 x33,0 x11;/*單四拍工作方式：A-B-C-D（即一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)7.5度）*/ucharcodeshuangz尸0 x88,0 x

20、22,0 x44,0 x11;ucharcodeshuangw尸0 x11,0 x44,0 x22,0 x88;/*單四拍工作方式：A-B-C-D（即一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)7.5度）*/ucharcodedanz尸0 x88,0 x22,0 x44,0 x11;/ucharcodedanw尸0 x11,0 x44,0 x22,0 x88;voidmain()(TMOD=0 x01;EA=1;ET0=1;TH0=-1000/256;TL0=-1000%256;TR0=1;while(1)sbitkey1=P3A0;sbitkey2=P3A1;sbitkey3=P3A2;/正反轉(zhuǎn)選擇速度選擇執(zhí)行鍵*/延時(shí)子函數(shù)鍵盤檢測子程序數(shù)碼管顯示編碼反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)(keyscan();display();/if(zx=1)qudong();/if(x=0)zx=0;voidkeyscan()(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(k