基于单片机控制的步进电机调速系统的设计-毕业论文

基于单片机控制的步进电机调速系统的设计-毕业论文内容摘要：

南京工业大学本科生毕业设计 (论文 ) 3 第二章 步进电机简介 步进电机概念 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁装置，是一种特殊的电动机。 一般电动机是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每次给它一个脉冲，它就转过一个固定的角度。 步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数成正比，在时间上与输入脉 冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，就可获得所需要的转角、转速及转动方向。 在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置，处于定位状态。 步进电机分类 步进电机分为三种：永磁式 (PM)，反应式 (VR)和混合式 (HB)。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积比较小，步进角一般为 度或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 度，但噪声和振动都很大。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它可分为两相和五相：两相步进角一 般为 度而五相步进角一般为 度。 这种步进电机的应用最广泛。 步进电机特点 (1)步进电机容易控制，成本低，引起的控制误差，转速有限。 (2)步进电机外表耐高温，步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度取决于不同磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 8090 度是完全正常的。 (3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的 电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。 在它的作用下，电机随频率或速度的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 (4)步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频目录 4 率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。 在有负载的情况下，启动频率应更低。 如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 (电机转速从低速升到高速 )。 步进电机工作原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为“步距角” )，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电机的基本参数 空载启动频率 即步进电机在 空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。 在有负载的情况下，启动频率更低。 如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频 (电机转速从低速升到高速 )。 电机固有步距角 247。 247。 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 电机出厂时给出了一个步距角的值，步进电机的步距角为两相整步是 度三相是 度现在的步进电机都有细分的驱动器，细分数又决定的步距角例如两相的步进电机驱动器为 5 细分步距角为。 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 176。 /176。 、三相的为 176。 /176。 、五相的为 176。 /176。 在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。 如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱 南京工业大学本科生毕业设计 (论文 ) 5 动器上改变细分数，就可以改变步距角。 保持转矩 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。 它是步进电机最 重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。 比如，当人们说 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 的步进电机。 步进电机详细调速原理 一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。 步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输 入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。 在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。 通过延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调速。 具体的延时时间可以通过软件来实现。 这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种，软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率，其中延时的长短是动态的，软件法在电机控 制中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的 CPU 时间，使单片机无法同时进行其他工作。 硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的，在每次进入定时中断后，改变定时常数，从而升速时使脉冲频率逐渐增大，减速时使脉冲频率逐渐减小，这种方法占用 CPU 时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用的调速方法。 第三章 硬件电路设计 6 第三章 硬件电路设计 基本的方案确定 根据本次设计的要求，选用四相步进电机 28BYJ48，选用单片机 STC89C52 作为控制器，选用 LCD12864 用于显示基本信息，选用 ULN2020 作为步进电机的 驱动芯片，还有若干小键盘和 LED 灯。 系统原理框图如 31 所示： 图 31 系统原理框图 图 32 Protel 99 SE 原理图 南京工业大学本科生毕业设计 (论文 ) 7 具体的接线连接： (1)LCD12864 数据端接单片机 P1 口 其 RS 端接单片机 P35 口， E端接 单片机 P34 口， R/W 端接单片机 P36 口 (2)五个独立按键接单片机 P03~P07 口 (3)三个 LED 接单片机 P00~P02 口 (4)ULN2020 接单片机 P20~P23 (5)步进电机接 ULN2020 的 8 引脚 (6)蜂鸣器接单片机 P32 单片机的选择： STC89C52 STC89C52 概述 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器 ，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路， 3 个 16 位 定时器 /计数器， 4 个外部中断，一个 7 向量 4级中断结构 (兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构 )，全双工 串行口。 另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种 软件 可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许RAM、 定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机 一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 最高运作频率 35MHz，6T/12T可选。 STC89C52 特性 (1)STC89C52 单片机 (2)8K 字节程序 存储空间 (3)512 字节数据存储空间 (4)内带 2K 字节 EEPROM 存储空间 (5)可直接使用串口下载 第三章 硬件电路设计 8 (6)AT89S52 单片机 (7)8K 字节程序存储空间 (8)256 字节数据存储空间 (9)没有内带 EEPROM 存储空间 STC89C52 参数 (1)增强型 8051 单片机 ， 6 时钟 /机器周期 和 12 时钟 /机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统 8051 (2)工作电压： ～ (5V 单片机 )/～ (3V 单片机 ) (3)工作频率 范围： 0～ 40MHz，相当于普通 8051 的 0～ 80MHz，实际工作频率可达48MHz (4)用户应用程序空间为 8K 字节 (5)片上集成 512 字节 RAM (6)通用 I/O 口 (32 个 )，复位后为： P0/P1/P2/P3 是 准双向口 /弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻 (7)ISP(在系统可编程 )/IAP(在应用可编程 )，无需专用 编程器 ，无需专用 仿真器 ，可通过串口 (RxD/， TxD/)直接下载用户程序，数秒即可完成一片 (8)具有 EEPROM 功能 (9)共 3 个 16 位 定时器 /计数器。 即 定时器 T0、 T T2 (10)外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路， Power Down模式可由外部中断低电平触发 中断方式 唤醒 (11)通用异步 串行 口 (UART)，还可用定时器 软件 实现多个 UART (12)工作温度范围： 40～ +85℃ (工业级 )/0～ 75℃ (商业级 ) (13)PDIP 封装 STC89C52 引脚功能 (1)VCC(40)：电源 +5V (2)VSS(20)：接地，也就是 GND (3)XTL1(19)和 XTL2(18)：振荡电 路 (4)PSEN(29)：片外 ROM 选通信号，低电平有效 南京工业大学本科生毕业设计 (论文 ) 9 (5)ALE/PROG(30)：地址锁存信号输出端 /EPROM 编程脉冲输入端 (6)RST/VPD(9)：复位信号输入端 /备用电源输入端。 (7)EA/VPP(31)：内 /外部 ROM 选择端 (8)P0 口 (3932)：双向 I/O 口 (9)P1 口 (18)：准双向通用 I/0 口 (10)P2 口 (2128)：准双向 I/0 口 图 33 STC89C52 实物图 图 34 STC89C52 接线原理图 第三章 硬件电路设计 10 液晶显示器的选择： LCD12864 LCD12864 概述 带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位 /8 位并行、 2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 128 64， 内置 8192 个 16*16 点汉字 ，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集 .利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示 8 4 行 16 16 点 阵的汉字 .也可完成图形显示 .低电压低功耗是其又一显著特点。 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 LCD12864 特性 表 31 LCD12864 特性表 项目 符号 最小 典型 最大 单位 电源电压 VDDVSS V 液晶驱动电压 VDDVADJ TA=0 TA=25 TA=50 输入信号电压 VIH VDD VDD+ VIL 0 LCM 工作电流 IDD 3 8 MA 背光驱动电流 ILED 60 80 液晶驱动电流 IEE LCD12864 参数 南京工业大学本科生毕业设计 (论文 ) 11 表 32 LCD12864 参数表 项目 符号 最小 最大 单位 备注 电源电压 VDDVSS V 液晶驱动电压 VDDVADJ 15 工作温度范围 TOP 20 +70 C 存储温度范围 TST 30 +80 LCD12864 引脚功能 (1)低电源电压 (VDD： ++) (2)显示分辨。