基于单片机的步进电机控制系统的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的步进电机控制系统的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

结合，所以只采用反应式步进电机。 [12] 步进电机的运行原理阐述 四相步进电机原理图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的4号齿就和C、D相 绕组磁极产生错齿，5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，4号齿和C相绕组的磁极对齐。 而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。 依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。 单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。 八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 [13]第3章 步进电机控制系统概述步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。 由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。 运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。 典型的运动控制系统应由三部份构成:控制部分、驱动部分、执行部分。 如图31所示:运动控制系统驱动部件运动执行部件机械装置图31 运动控制系统组成 步进电机控制系统简介在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。 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，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。 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。 步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速。 控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。 因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成:步进控制器、驱动器(把控制器输出的脉冲加以放大，来驱动步进电机)、步进电机。 不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。 在本论文第一章，已经对此作了介绍。 下面着重介绍以单片机为控制器的步进电机控制系统。 步进电机是数控式电机，其最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制，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。 它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。 单片机系统驱动电路步进电机机械装置外围电路采用单片机作为控制核心的控制系统如图32所示。 图32 单片机控制步进电机控制系统前面已经介绍过，驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。 现在，脉冲分配器已经标准化、芯片化，市场上可以买到。 但硬件方法结构复杂，成本也较高。 使用单片机以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求。 因此，常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。 步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也降低了成本。 采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。 用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。 系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。 通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字一角度的转换。 转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。 以三相步进电机为例，电流脉冲的施加共有3种方式。 (1)单相三拍方式(按单相绕组施加电流脉冲):A B C一正转。 }ACB一反转。 (2)双相三拍方式(按双相绕组施加电流脉冲):ABBCCA一正转。 ACCBAB一反转。 (3)三相六拍方式(单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲):AABBBCCCA一正转。 AACCCBBBA一反转。 整个系统以单片机为核心，设计出硬件系统。 以其中的几个口控制驱动电路，由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培，而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口。 由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，和单片机端口连接，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。 环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配. 驱动电路按照控制要求有多种选择，在本论文的第一章就介绍了几种常见的驱动电路。 待驱动、晶振、复位、键盘、LED显示各个电路的设计完成之后，进行硬件合成，就是一个完整的步进电机控制系统。 系统的软件设计通常采用模块化结构，软件系统总体框架一般包括三部分:主程序、中断服务子程序以及其他相应的辅助子程序(包括正转子程序、反转子程序、键盘子程序、LED显示子程序以及延时子程序). 本系统特点与功能 本系统特点通过对其它步进电机控制系统的分析，结合设计目的，本论文的控制系统采用基于单片机的控制方案。 系统应用了一片ATMEL公司的AT89C51单片机作为步进电机控制器的核心运算器件，利用单片机强大的运算能力和可编程的特点，可以实现较为复杂的步进电机控制功能。 且适应能力强，能够在不改变硬件电路的情况下，只需对软件进行必要的修改就可以适应不同的步进电机和控制要求。 而且可以做到人机交换，使控制更加的直观和方便，各种运行状态也都有相应的指示，使操作者随时都能对电机的运行状况进行方便的了解。 一个利用单片机来构成的步进电机控制系统的优点是十分明显的。 本系统大致想达到以下几个特点:系统硬件结构要简单，把成本降到最低；功能要较为齐全。 要能实现步进电机的正反转、变速以及控制显示功能；适应性强，一般情况下只需改变软件就可以适应新的要求；电机各种运行状态指示要一目了然，使操作方便；系统抗干扰和可靠性要高。 为了达到以上特点，除了核心控制部件采用单片机外，在其它硬件的设计上也有一些综合的考虑。 键盘电路扫描输出线与显示部分的扫描线采用单片机的同一组端口，大大节约硬件资源:单片机控制的运行方式、模式和速度方面的控制基本涵盖步进电机的普通应用。 硬件上采用了专用的系统程序运行监控电路WTD(看门狗)。 系统功能运行模式有单步、连续和预置步数三种；可以预置转向或者在运行时改变转向；LCD显示运行速度；两个LED分别指示电机转向和运行方式；各种操作共有六个按键来输入，操作方便；设有强制复位键，当受到严重干扰，致使WTD也失效后，可以通过强制复位键进行手动强行复位；整个系统为+5V低电压供电。 第4章 系统硬件设计 系统组成LCD按键电源1单片机电源2电机驱动电路复位电路步进电机 系统框图本系统由电源、显示(指示)、单片机(MCU )、按键电路、看门狗电路和电机驱动电路等组成。 系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。 键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示转速度状态。 [16] 系统核心——AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。 该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造。 [15] 主要特性与MCS51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz24Hz；三级程序存储器锁定；32可编程I/O线128*8位内部RAM；两个16位定时器/计数器；5个中断源；1可编程串行通道；1低功耗的闲置和掉电模式；1片内振荡器和时钟电路。 管脚说明VCC：供电电压；GND：接地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。 当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。 在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流；P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流；P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。 P3口还用于实现AT89C51的各种第二功能，如下表所列： P3口功能引脚口功 能RXD串行输入端口TXD串行输出端口INT0　外中断0INT1　外中断1T0定时器0外部输入T1定时器1外部输入WR外部数据存储器写选通RD外部数据存储器读选通P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个 机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 1PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 1EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 1XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 1XTAL2：来自反向振荡器的输出。 [14] 振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。 在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下，CPU停止工作。 最小系统单片机最小系统又称单片机最小化系统。 单片机的最小化系统是单片机能正常工作所必须的外围元件, 最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。 [17] AT89C51最小系统电路采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平（PCB画板时已经接死），所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。 单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。 复位电路由22UF的电容和1K的电阻组成，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。 由图并结合电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。 晶振电路:(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的us级时歇,方便定时操作)特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行。 当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。 外围电路设计 显示电路—LCD1602优点 (1)显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。 因此，。