毕业设计论文_基于at89c51单片机的步进电机控制系统设计

毕业设计论文_基于at89c51单片机的步进电机控制系统设计内容摘要：

是电平触发由外部请求源而不是由片内硬件控制请求标志。 2 定时器 0 和定时器 1中断 由 TF0 和 TF1 分别由各自的定时 /计数寄存器控制定时器 0 (工作在模式 3时除外 )产生 ,当产生定时器中断时进入中断服务程序后由片内硬件清除标志位。 3 串口中断 由 RI 和 TI 的逻辑或产生进入中断服务 程序后这些标志均不能被硬件清除。 实际上中断服务程序通常需要确定是由 RI 还是 TI 产生的中断然后由软件清除中断标志 ,所以这些产生中断的位都可通过软件置位或清零与通过硬件置位或清零的效果相同简而言之中断可由软件产生推迟或取消，每个中断源可通过置位或清零寄存器 IE 的相应位分别使能或禁止。 IE 中还包含一个全局禁止位 EA 可以立即禁止所有的中断。 每个中断源都可通过编程中断优先级寄存器单独设置优先级一个中断服务程序可响应更高级的中断但不能响应同优先级或低级中断最高级中断服务程序不响应 ,其它任何中断如果两个不同 中断优先级的中断源同时申请中断时响应较高优先级的中断申请 ,如果 2个同优先级的中断源同时申请中断内部查询顺序将确定首先响应哪一个中断请求查询顺序 ，如下图 中断源 查询优先级 请求位 向量地址 外部中断 （ INT0） 1 IE0 0003H 定时器 0（ T0） 2 TF0 000BH 外部中断 0（ INT1） 3 IE1 0013H 定时器 1（ T1） 4 TF1 001BH 串行口 5 R1,T1 0023H 9 第四章 步进电机概述 步进电机简介 步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。 以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。 在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领 域都有应用。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。 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，当有脉冲输入时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。 因此非常适合于单片机控制。 步进电机还具有快速启动、高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、动作灵敏、开回路控制不必依赖传感器定位、中低速时具备高转矩、高信赖性、小型、高功率等特征，使其具有广泛的应用 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（ VR）、永磁式步进电机（ PM）、混合式步进电机（ HB）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，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。 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制 10 成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。 它又分为两相和五相：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为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 步进电机工作原理 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构行它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。 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，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。 通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。 控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 同时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。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。 其基本原理作用如下： (1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。 例如：两相 步进电机的双相四拍工作方式，其各相通电顺序时序如图所示：通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A、 B两相的通断 图 步进电机原理图 11 图 步进电机双相四拍工作时序图 (2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 (3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。 两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 调整单片机发出的脉冲频率， 就可以对步进电机进行调速。 步进电机分类 步进电机分三相，四相和六相，同一步进电机有多种控制方式，以三相步进电机为例，有以下几种基本的控制方式 : (1)单三拍控制方式：即 A， B， C三个绕组以 A_B_C(或 C_一 B)的顺序通电． (2)六拍控制方式：通电顺序为 A— AB— B_一 BC— C— CA(或一 AC_一 C— CB— B_一 AB)． (3)双三拍通电方式：通电顺序为 AB— BC_一 CA(或 AB— CA— BC)． 步进电机的指标概述 步进电机的静态指标 ： 产生不同对极 N、 S磁场的激磁 线圈对数。 常用 m表示。 ： 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n表示，或指电机转过一 个齿距 角所需脉冲数 ： 对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 θ表示。 θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50齿电机为例。 四拍运行时步距角为 θ=360 12 度 /（ 50*4） =（俗称整步），八拍运行时步距角为 θ=360度 /（ 50*8） =（俗称半步）。 ： 电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 矩： 电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。 此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与 电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 步进电机动态指标及术语 ： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。 用百分比表示： 误差 /步距角 *100%。 不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内 : 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。 称之为失步。 :转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 ： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 ： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 ： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在 180250pps之间（步距角 ）或在 400pps左右（步距角为 ），电机 驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振 13 区较多。 ： 当电机绕组通电时序为 ABBCCDDA时为正转，通电时序为DACABCAB 时为反转。 驱动控制系统 在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（ A， B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。 HT335M 是采用当今最先进的细分型技术生 产的高性能步进驱动器(M=Micro step),适合驱动中大型的任何两相或四相混合式步进机。 由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率。 其细分功能使步进电机运转精度提高，振动减小，噪声降低。 驱动器 HT335M 特点 1 高性能、低价格 2 双极恒流斩波方式 3 供电最高 +40VDC/29VAC 4 光隔离信号输入 5 20KHZ 斩波频率 6 静止时电流自动减半 7 输入电信号 TTL 兼容 8 最大驱动电流有效值 9 精巧的外形尺寸便于安装 10 可通过拨码开关设定电流方便实用 11 可驱动任何两相或四相混合式步进电机 12引脚定义 P1 (4 位 ) P2 (6 位 引脚序号 信号 引脚序号 信号 1 Pul 1 GND(AC) 2 Dir 2 V+(AC) 3 OPTO(+5V) 3 A+ 4 Ena 4 A 5 5 B+ 6 6 B 14 第五章 LED 显示概述 LED 之内部结构及特性 单片机中经常使用 7 段 LED来显示数字，也就是用 7 个 LED 构成字型“ 8”，并另外用一个圆点 LED 来显示小数点，也就是说一共有 8个 LED,构成了“ 8.”的字型，如 下 图 LED 显示器又分为共阴显示器 (代号 DC)和共阳显示器 (代号 DA)．若是共阴显示器，它每一个字符之七个发光二极管负值连在一起引出一个公共脚，几个字符之同一个字划的二极管阳极连在一起引出一个字划脚，则为共阴显示器，反之则为共阳：三个字符共引出 10 个脚，若有一个小数点 (以 P 表示 )则为 11 个脚，以此类推，一般地， P。 表示小数点，二极管之公共脚是在第二字符上． 7 段 LED 动态显示原理 对于 LED，有共阳极 7段 LED 和共阴极 7段 LED， 对于本设计，在此处用共阴极 7 段LED，由于单片机 AT89C51 的 I/O 电流较小，所以在位选端要使用三极管来进行 7 段 LED的推动，向 7段 LED 提供足够大的电流来点亮 LED。 LED 的静态显示虽然有编程容易、管理简单等优点，但是静态显示所要占的 I/O 口资源很多，所以在显示的 LED 点较多的情况下，一般都采用动态显示方式。 15 在多位 7 段 LED 显示中，为了简化电路，降低成本，则将所有位的段选线并联在一起，刚好有 8 个 I/O 口来控制 8个段。 而公共 端则分别由相应的 I/O 口控制，以实现各个位的分时选通。 由于所有的段选线并联到同一个 I/O，由这个 I/O 口来控制，因此，若是所有的四位 7 段都选通的话， 4位 7段 LED 将会显示相同的字符。 要使各个位的 7段 LED 显示不同的字符，就必须采用动态扫描方法来轮流点亮每一位 7段 LED，即在每一瞬间只选通一位 7段 LED进行单独的字符。 在此段点亮时间内，段选控制 I/O 输出要显示灯相应字符的段选码，而位选控制 I/O 口则输出位信号，向要显示的位送出选通低电平，使得该位显示相应字符。 这样将四位 7段 LED 轮流去点亮，使得每位分时显示 该位应显示的字符。 由于人眼的视觉暂留时间为 秒，当每位显示的时间间隔未超过 33ms 时，并在显示时保持直到下一位显示，则由于人眼的视觉暂留效果眼睛看上去就像是 4位 7段 LED都在点亮。 设计时，要注意每位显示的间隔时间，由于一位 7 段 LED 的熄灭时间不能超过 100ms，也就是说点亮其他位所用的时间不能超过 100ms，这样当有 N 位的 7 段 LED用来显示时，每一位间隔的时间 t就必须符合下面的式子： t=100ms/(N1) 比如，现在使用 4位，也就是 N=4，则由式子可以 算出 t=33ms,也就是每一位的时间间隔不能超过 33ms。 16 第六章 步进电机控制的硬件设计 单片机最小应用系统电路设计。