基于单片机的步进电机控制系统毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的步进电机控制系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

改变通电顺序，按 A→ C→ B→ A 顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动 3186。 的规律转动。 步进电机控制方式 1） 单三拍控制方式 先给绕组 A 通电，转子齿与绕组 A 对齐，再给绕组 B通电，转子齿与绕组 B 9 对齐，电机旋转，再给绕组 C通电，转子齿与绕组 C对齐，电 机再次旋转，依次重复给绕组 A B C 通电，电机即可连续旋转。 单三拍控制方式是最基本的步进电机控制方式。 2） 双三拍控制方式 同时给绕组 A 、 B 通电， A 与 B 同时获得磁性，转子锯齿与 A、 B 两相中间对齐，再给 B、 C 同时通电，转子锯齿与 B、 C 两相中间对齐，再给 C、 A 同理。 双三拍控制方式时，转子总是同时受到两个磁极合力影响，所以稳定性好。 3） 六拍控制方式 六拍控制方式是单双三拍控制方式结合的控制方法，具体为先给 A相通电，电机旋转，再给 A、 B同时通电，电机旋转，依次类推。 通电顺序为 AABBBCCCA，六拍控制方式由于将步距角减少一半，可以提高控制精度。 系统控制方案 论证 控制系统选择 ： 开环控制时没有位置反馈，不需要光电编码器之类位置传感器，因此控制系统的价格比较便宜。 为了保证定位不出错，系统设计时步进电机的驱动脉冲频率不能设计的太高，电机的机械负载不能太重。 闭环控制则要采用光电编码器之类位置传感器将电动机的实际位置反馈给计算机，万一步进电动机失步，计算机发现电动机的实际位置没有达到给定值，就补发脉冲，直到电动机的实际位置和给定值一致或相当接近为止。 为了达到控制精度，并且作为实验平台需要体现出更多的控制方法，故选用闭环控制方式。 控制电路选择 1） 电子电路控制系统 驱动步进电机的脉冲信号由脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路提供，这种控制方式成本低，电路简单，稳定性好。 但扩展能力低，一旦需求改变，需要重新设计整个电路，功能单一。 适合不需要扩展的工业场合使用。 2） 基于 PLC 的控制系统 PLC 也叫可编程控制器，是一种应用于工业的逻辑控制器。 其通用性好，使用方便，硬件扩展性强。 可通过程序控制 PLC 输出脉冲控制步进电机运动，并由 PLC 内部的定时器控制输出脉冲频率以控制步进电机转速。 系统具有充分的 10 可扩展性。 但由于 PLC 采用循环扫描方式，当不转速较高时，控制精度降低，并且由于 PLC 成较高，适合需求转速不高的大型工业场合。 3） 基于单片机的控制系统 单片机控制步进电机，可以使用程序代替大部分电路功能，单片机输出脉冲，通过 ULN20xx 升压控制步进电机，使用程序控制正转、反转、加速、减速、停止等功能。 采用单片机可以通过程序精确控制，避免失步。 用软件代替电路控制能提高系统的灵活性，并且通过单片机能建立显示功能，提高系统的交互性。 以上优 点，本次设计采用基于单片机的控制系统。 单片机控制信号方式选择 1） 串行控制方式 串行控制中，微机与步进电动机的功率接口之间只要两条控制线：一条用以发送走步脉冲串 (CP)，另一条用以发送控制旋转方向的电平信号。 串行通信方式信号流程图 如下 ： 图 22 脉冲分配器的作用是将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲。 它有一路输入，多路输出。 随着一个个脉冲的输入，各路输出电压轮流变高和变低 利用单片机的 输出方向电平， 输出走步触发脉冲。 产生走步脉冲只要先对 进行清零，过一会儿再进行一次置位就可以了。 由于任何脉冲分配器对触发脉冲的最小脉宽都有一定的要求，所以在清零和置位之间插入的延时时间应有适当的长度。 2 并行控制 在并行控制中，微机通过数条并行口线，直接发出多相脉冲波信号，再通过功率放大后，送入步进电动机的各相绕组。 这样就不再需要脉冲分配器。 脉冲分配器的功能可以由微机用纯软件的方法实现，也可以用软件和硬件结合的方法实现 三相步进电机 单片机 三相功率驱动接口电路 单片机 脉冲分配器 功率驱动 步进电机 11 图 23 串行控制的优点在于节省控制器资源，但成本较高，并行行控制方式占用控制器资源较多，但不需要外接脉冲分配器，成本较低且外部电路简单。 综合考虑本系统采用并行输出方式。 外围设备方案选择 1） 显示设备选择 显示设备为控制系统对用户输出信息的重要途径，单片机的显示系统通常使用 数码管 (LED)和 液晶屏（ LCD） ，下面会讨论两者的优缺点。 由半导体发光二极管组成的数码显示器（简称 LED）是最常用的输出显示设备。 它以价廉、可靠、耐用，对电流、电压要求低等优点，在计算机应用系统中获得广泛的应用。 LED 在脉冲工作状态下亮度较强，一般每秒可导通 100— 500次，每段发光二极管需要串接限流电阻，改变阻值可调亮度。 单片机系统中 LED为最常用的显示输出手段。 LCD 液晶显示模块可以显示汉字、数字、图形等用户需要的大多数输出形式，但成本高，消耗控制器资源较多，需要编写复杂的驱动程序。 虽然 LED 成本低，使用方便，但由于本系统需要用汉字显示步进电机运动状态，故选用 LCD 作为显示设备。 键盘的选择 键盘选择方案有 ：矩阵式按键 ，独立式按键。 矩阵键盘由行线和列线组成， 按键设置在行、列线交点上，行列线分别接在按键开关两端，行线通过上拉电阻接到 +5V 电源上。 平时按键无动作时，行线处于高电平状态， 当键被按下时 行线电平状态由与 此行线相连的列电平决定，因此各键之间彼此 相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来做适当的处理，才能确定闭合键的位置。 而按键采用扫描识别方法： 先将行线全部置 0，当有键盘按下时，该列信号被拉至低电平。 可判断有键盘按下，再依次给行信号送低电平，查看所有列信号，记录为 0 的那里，行列交叉点即为键盘位置。 据此分析，很容易得出矩阵键盘的识别方法，分两步进 行：第一步，识别键盘有无键被按下，第二步，如果有键被按下，识别该 建的位置。 独立式按键就是各按键相互独立每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。 因此，通过检测输入线的电 平可以很容易判断哪个按键被按下了。 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。 但每个按键需要占用一根输入线，在按键数量较大时，将占用较多输入口，电路结构就显得复杂。 故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。 12 由于本系统需要的按键较多，且需要扩展空间，所以选择矩阵式按键。 第 三 章 系统硬件设计 系统框图 图 31 系统工作流程： 用键盘选择步进电机的工作模式， 然后读取光电编码器测得电机转子当前位置，经过74LS165 将并行信号转成串行信号反馈给单片机，经过单片机处理 ，发送步进电机驱动信号 ,经过 ULN20xx 芯片驱动步进电机。 并在 LCD 上显示步进电机工作状态、转速等信息。 步进电机转动位置由光电编码器检测得到。 硬件选择与设计 控制器选择 本方案选择单片机作为控制器， 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。 尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。 同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。 而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 早期的单片机都是 8 位或 4位的。 其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。 此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。 基于这一系统的单片机系统直到现 在还在广泛使用。 随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。 电机驱动芯片 键盘输入 单 片 机 LCD 步进电机 光电编码器 并行信号转串行信号 13 随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用， 32位单片机迅速取代16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。 而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。 目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1美元，最高端的型号也只有 10 美 元。 当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。 而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。 事实上单片机是世界上数量最多的计算机。 现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。 手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 12部单片机。 而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。 汽车上一 般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。 单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。 采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大 本系统使用单片机型号为 AT89S51。 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。 它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片机芯片中。 1）主要性能参数： ● 与 MCS51单片机产品兼容 ● 4K字节在系统可编程 Flash 存储器 ● 1000 次擦写周期 ● 全静态工作： 0Hz— 33MHz ● 32个可编程 I/O 口线 ● 2个 16 位定时器 /计数器 ● 6个中断源 14 ● 全双工 UART 串行通道 ● 低功耗空闲和掉电模式 ● 掉电后中断可唤醒 ● 看门狗定时器 ● 双数据指针 ● 灵活的 ISP 编程（字或字节模式） ● 电压工作范围 2)芯片的管脚功能： I/O 口引脚： ～ — P0： 双向 8位三态 I/O 口，此口为地址总线 (低 8位 )及数据总线分时复用口，可驱动 8个 TTL 负载。 ～ — P1: 8位准双向 I/O 口，可驱动 4个 LS 型 TTL 负载。 ～ — P2: 8位准双向 I/O 口，与地址总线 (高 8位 )复用，可驱动 4个 LS 型 TTL 负载。 ～ — P3: 8位准双向 I/O 口，双功能复用口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 控制引脚： RESET/VPD: 复位信号输入端，持续时间大于两个机器周期（ 24 个时钟震荡周期）高电平有效。 在单片机正常工作时，此脚应为 低电平。 ALE/PROG̅̅̅̅̅̅̅̅: 地址锁存控制信号，在系统扩展时， ALE 用与控制把 P0 口输出的 低 8位地址送往锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。 此外由于 ALE 是以晶振的 1/6 的固定频率输出正脉 冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。 PSEN̅̅̅̅̅̅̅： 程序存储器允许输出控制端。 在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出的负脉冲作为读外部程序存储器的选通信号。 此脚接外部程序存储器的 OE̅̅̅̅(输出允许端 )。 PSEN̅̅̅̅̅̅̅端可以驱动 8个 LS 型 TTL 负载。 EA̅̅̅̅/VPP— EA̅̅̅̅功能为内外程序存储器选择控制端。 当 EA̅̅̅̅端为高电平时，对 ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器；当 EA̅̅̅̅为低电平时，对 ROM 进行读操作限定为外部程序存储器。 电源及时钟引脚： 15 电源引脚 ： 电源引脚提供 单片机的工作电源。 VCC(40 脚 )：接 +5V 电源 VSS(20 脚 )：接地。 时钟引脚 ： 两个时钟引脚 XTAL XTAL2 外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。 2个时钟引脚也可外接晶体振荡器。 X1(19 脚 )：接外部晶体的一个引脚。 该引脚是内部反相放大器的输入端。 这个反相放大器构成了片内振荡器。 X2(18 脚 )：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反。