基于51单片机控制步进电机.docx
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基于51单片机控制步进电机
单片机原理及系统课程设计
1引言
步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机.它是基于最基本的电磁感应作用.将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机.大型望远镜.卫星天线定位系统等等。
随着经济的发展.技术的进步和电子技术的发展.步进电机的应用领域更加广阔.同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。
步进电机的原始模型起源于1830年至1860年.1870年前后开始以控制为目的的尝试.应用于氩弧灯的电极输送机构中.这被认为最早的步进电机。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上.对于数字化的控制变得更为容易。
到20世纪60年代后期.在步进电机本体方面随着永磁材料的发展.各种实用性步进电机应运而生。
步进电机往后经过不断改良.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。
2设计方案与原理
4.1设计方案
设计一个51单片机四相步进电机控制系统要求系统具有如下功能：
（1）由I/O口产生的时序方波作为电机控制信号；
（2）信号经过驱动芯片驱动电机的运转；
（3）电机的状态通过键盘控制.包括正转.反转.加速.减速.停止和单步运行。
4.2设计原理
步进电机实际上是一个数字\角度转换器.也是一个串行的数\模转换器。
步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4个方面。
从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,本次设计的是四相电机。
四相步进电机的工作方式有单四拍、双四拍和单双八拍三种。
在本次设计中.我们使用的是四相单八拍的工作方式。
通过P1口给A,B,C,D四相依次输出高电平即可实现步进电机的旋转.通过控制两次输出的间隔.即可实现对步进电机的速度控制。
图2.1步进电机内部结构截图
根据步进电机的相关相序表我们可以正常的控制电机的步进运行。
3硬件设计
根据设计要求和设计原理.我们可以绘制出基本的功能方框图.以便之后我们连接实际电路时的方便和可靠。
用键盘控制具体的功能模块.这样更能直观方便的控制整体的系统.使其达到我们预期的操作效果。
图3.1中简单描述了整个单片机系统的控制模式和控制流程.包括通过时钟电路和键盘电路.来控制UNL2803驱动电机动作。
图3.1硬件电路功能方框图
图3.2截图中是UNL2803中的细节电路.用前四个输入输出口连接步进电机的四个输入口。
图3.3截图是单片机的键盘控制电路.对系统的控制功能模块的选择和控制。
包括正转启动按钮、反转启动按钮、停止位按钮、加速按钮、减速按钮和单步运行按钮。
图3.2步进电机及其驱动电路截图图3.3按键设置及其连接引脚截图
以上电路功能截图均出自于proteus仿真软件。
4软件设计
软件设计中.我们查询键盘按钮控制方式来选择步进电机运行的工作状态。
在程序里面对按钮分配的I/O地址分别为正转启动位是P3.0.反转启动为是P3.1.停止位是P3.4.加速位是P3.2.减速位是P3.3.单步执行位是P3.5。
通过外部中断INT0和INT1来实现加速减速的外部输入。
图4.1主程序流程图
程序里面加上了防止正常运行过程中电机的突然转向的阻断。
防止电机的意外损坏。
在转向之前.必须按下停止按钮.然后再发出电机的下一条控制命令。
当然.我们的加速减速通过外中断可以在电机正常运行过程中进行操作。
增加了我们系统的可操作性和高可控性。
总 结
在本次课程设计中.首次接触到单片机的应用.接到题目时.对步进电机一无所知.并对如何使用单片机也不甚了解.仅仅知道一些生硬的指令和符号.并不知道它们到底如何使用以及其意义.通过老师指导.然后自己在课后翻阅书籍和上网.搜集到了不少有关步进电动机的知识。
通过钻研这些知识.总算对步进电机有了认识.但是这离课程设计需要掌握的知识相差甚远.为了缩短这种差距.只能不断地查阅资料.仔细揣摩。
在这次课程设计中.通过用单片机控制步进电机的起动、停止.正、反转.加、减速.也对单片机的知识也进行了复习和巩固。
设计仿真电路的过程中.必须要有耐心.在整个电路的设计过程中.花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上.如在多种方案的选择中.仔细比较分析其原理以及可行的原因。
这就要求对硬件系统中各组件部分有充分透彻的理解和研究.并能对之灵活应用。
同时在本次设计过程中.还学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。
发现.在所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想.各种参数都需要自己去调整.这就要求应更加注重实践环节。
那时候觉得学习单片机是那么的枯燥乏味.整天只是学习这个指令做什么.那个指令做什么.觉得学了一点用都没有。
现在知道.原来一些生硬的指令组合起来竟然可以实现如此多的实用功能。
俗话说的好.实践是检验真理的唯一标准.学习再多的理论也只能纸上谈兵.只有把理论应用到实践中.才能检验出理论的真伪。
所以.虽然一周的时间不长.时间过得也很快.但是在这一周过去后.明白了学习与实践相结合的重要性.指引我在以后的学习中应该把理论和实践联系起来。
参考文献
[1]李华,王思明,张金敏.单片机原理及应用[M].兰州：
兰州大学出版社,2001.4
（1）:
75-89.
[2]黄勤.单片机原理及应用[M].北京：
清华大学出版社,2010.4
（2）:
110-120.
附录A仿真界面截图
图3.4Proteus仿真截图
附录B步进电机相序表
表2.2四相八拍步进电机相序表
A
B
C
D
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
附录C主程序
#include//51芯片管脚定义头文件
#include//内部包含延时函数_nop_（）;
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharcodeFFW[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};
ucharcodeREV[8]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};
sbitK1=P3^0;//正转
sbitK2=P3^1;//反转
sbitK3=P3^2;//停止
sbitK4=P3^3;//正向单步运行
sbitK5=P3^4;//加速
sbitK6=P3^5;//减速
intnum=2000;
voidmotor_ffw（）;
voidmotor_rev（）;
voidmotor_ffw2（）;
/********************************************************/
/*延时t毫秒
/*11.0592MHz时钟.延时约1ms
/********************************************************/
voiddelay（intt）
{
uintk;
while（t--）
{
for（k=0;k<20;k++）
{}
}
}
/********************************************************/
/*步进电机正转单步执行
/********************************************************/
voidmotor_single（）
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）//一个周期转45度
{
P1=FFW[i];//取数据
delay（num）;//调节转速
}
}
/********************************************************/
/*步进电机正转
/********************************************************/
voidmotor_ffw（）
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）//一个周期转45度
{
P1=FFW[i];//取数据
if（K5==0）
{break;}//退出此循环程序
delay（num）;//调节转速
}
}
/********************************************************/
/*步进电机反转
/********************************************************/
voidmotor_rev（）
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）//一个周期转45度
{
P1=REV[i];//取数据
if（K5==0）
{break;}//退出此循环程序
delay（num）;//调节转速
}
}
/********************************************************
*主程序
*********************************************************/
voidmain（void）
{
EA=1;//开放总中断
EX0=1;//允许使用外中断0
IT0=1;//选择负跳变来触发外中断
EX1=1;//允许使用外中断1
IT1=1;//选择负跳变来触发外中断
while
（1）
{
if（K1==0）
{
for（;;）
{
motor_ffw（）;//电机正转
if（K5==0）
{break;}//退出此循环程序
}
}
elseif（K2==0）
{
for（;;）
{
motor_rev（）;//电机反转
if（K5==0）
{break;}//退出此循环程序
}
}
elseif（K6==0）
{
motor_single（）;//电机正转单步执行
}
else
P1=0xf0;
}
}
/******************************************************/
voidint0（）interrupt0//外中断0的中断编号为0
{
num=num+100;//每产生一次中断请求.x+80。
}
voidint1（）interrupt2//外中断0的中断编号为1
{
num=num-100;//每产生一次中断请求.x-80。
}
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