基于单片机的步进电机控制器设计Word格式文档下载.docx
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2.1.1确定步进电机型号及其参数本设计选择型号为36BF003反应式步进电机，其参数如表2-1所示：
表2-136BF003反应式步进电机技术数据
型号
相数
步距角
（/度）
电压
/V
相电流
/A
最大静转矩
（N.m
）
空载起动频率
/（步
/s）
绕组电阻/Ω
分配方式
外形尺寸/mm
重量/Kg
外径
长度
轴径
36BF003
3
1.5/3
27
1.5
0.078
3100
1.6
三相六拍
36
43
40.2
2
2.1.2电机驱动电路原理
由表2-1可知电机的额定电压是27V，本设计采用单电源功率放大电路驱动步进电机，电路原理图如图2-1所示。
电路中由单片机AT89S51分配的控制脉冲从P0口的P0.0~P0.7输出，经74LS125反相后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。
使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。
W1、W2、W3分别为电机三相绕阻，RL为绕组内阻，阻值为1.6Ω，100Ω电阻（R1、R2、R3）是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。
VD1、VD2、VD3为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（VD1、VD2、VD3）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。
在100Ω外接电阻（R1、R2、R3）上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。
与续流二极管串联的200Ω电阻（R10、R11、R12）可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。
2.3单片机选择及其电路设计
2.3.1单片机的选用
（1）本设计采用AT89S51，它是低功耗、高性能的单片机，其特性如下：
（2）4KB可编程的Flash存储器（可经受1000次的擦除/写入）；
（3）全静态工作：
0Hz～24Hz；
（4）1288字节的内存RAM；
（5）32可编程I/O线；
（6）2个16位的定时/计数器；
（7）编程串行通道；
（8）片内振荡器。
2.3.2单片机工作电路设计
（1）电压选择
单片机的工作电压范围为2.7~5.5V，在本设计中的单片机的工作电压是5V。
（2）复位电路
AT89S52单片机的RESET引脚为复位信号输入端，高电平有效，，当振荡器工作时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。
本设计采用TPS3824处理
器监控电路复位，电路原理图如图2-2所示。
TPS3824是一个带有看门狗功能的监控器，在上电期间，监控器REST端向单片机复位引脚（RESET）发出一个复位信号，然后，其内部定时器每延时时间td向单片机发出一个复位信号，因此，在单片机正常工作期间，单片机P0.3口需要在时间t≤td时定期向监控器WDI引脚发出一个正跳变或负跳变以触发监控器定时器复位，以防止单片机被误复位。
当单片机死机无法正常工作时，P0.3无法输出触发监控器定时器复位信号，监控器则向单片机发出复位信号使系统复位，所以，使用TPS3824监控器复位电路具有系统死机自动复位功能。
（3）时钟电路
本系统运行程序不多，速度要求不高，采用外部时钟脉冲，选用ZPA（稳定度为1~9x10-4普通石英晶体振荡器）型12MHz石英晶体振荡器。
其电路原理图如图2-3所示。
如图2-3，时钟电路连接单片机引脚XTAL1和XTAL2向单片机提供时钟脉冲，电路中的电容C1和C2称为负载电容，也可以理解为谐振电容的一部分，两电容并串在电路中取值相同，一般为数pF至数十pF，这里选择30pF。
（4）键盘输入电路
键盘是一组按键的集合,它是最常用的单片机输入设备.操作人员可以通过键盘输入数据或者命令,实现简单的人机通信。
单片机的键盘设计方式有独立式和矩阵式两种，由于本系统键盘由0~9号数字键、正转控制键、反转控制键、停止控制键、加速键和减速键15个按键组
成，通过键盘可以输入电机运行步数、控制电机正转/反转/停止和速度。
系统按键数量较多，为节省I/O口，简化电路，降低成本，本设计采用标准的4*4矩阵式由P1号接入单片机。
电路原理如图2-4所示。
电路中四个电阻起上拉电阻作用。
（5）显示电路
本设计采用七个八段数码管显示电机步数，显示步数范围是0~9999999步，由步进电机
原理可知，步数x步距角为电机转角。
一个八段数码管显示速度，编程设定显示范围是1~9，
倍率是100，即实际转速为显示数x100，例如，速度显示1，则电机转速为100r/min。
为简化电路，降低成本，八个八段显示数码管的阳极位段选线并联在一起，由一个8位的P2口控制，形成段选线多路复用。
而各位的共阴极分别8位的P3口控制，实现各位的分时选通，构成一个动态显示器，如图2-5所示。
图中右七个数码管显示步数，左一个数码管显示转速，74LS125为集成四个非门的芯片。
三、软件设计
3.1控制地址分配为方便程序检查和修改，在设计程序之前应对所用到或使用较多数据存储地单元命名标号，本程序数据储存地址命名如表3-1所示。
表3-1数据储存地址命名标号表
名称
号标
地址单元
地址
单元
步数
B
G
H
WB
6
S
1
4
D
7
K
8
Q
Z
9
按
A
5
量变间中态状下按键
L
3.2主程序设计
为节省单片机程序扫描时间，使用定时器T0中断方式转入控制电机运行，定时器T0定时时间为电机运转“拍数”切换时间，即控制电机的脉冲切换时间，根据步进电机控制原理，改变此定时器定时时间可改变电机转速。
由此定时器定时时间未到时不断进行键盘扫描的输出显示。
时间初值查询表SD_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-1；
主程序流程图如图3-1所示。
LOOP：
SB
EQU40H
；
定义步数百位存储单元
BB
EQU
40H
定义步数千位存储单元
QB
定义步数万位存储单元
定义步数十万位存储单元
SWB
定义步数百万位存储单元
BWB
定义步数个位存储单元
SD
定义电机转速表查询偏移量存储单元
JK
定义电机控制表偏移量存储单元
KONZ
定义输入口按键按下状态暂存单元
KBL
定义输入口按键按下状态中间变量存储单元
SD_TAB:
DB72H,54H,05H,C5H,42H,95H,CEH,FDH,20H,3CH
DBF6H,FBH,FCH,FDH,FEH,FEH,FEH,FEH,FFH,FFH
3.2键盘录入子程序实现功能：
通过扫描键盘，判断是否有键按下，若有键按下则改变相应控制地址单元的内容，为后面的显示和电机控制做准备。
键盘数据录入子程序流程图如图3-2所示；
输入键键号查询表IN_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-2；
电机启/停控制和显示段选
码表SRDS_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-3；
键盘扫描子程序流程图如图3-2所示。
键盘扫描方法：
由硬件设计可知，键盘是4*4的行、列结构设计，行由P1.0~P1.3口输入，列由P1.4~P1.7口输入，其中行线通过上拉电阻接+5V，平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，则对应的行线和列线短接，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。
因此，其扫描方法是：
先令P1.4列线为低电平，其余三根列线为高电平，读行线状态。
如果行线都为高电平，则这一列线上没有键闭合，接着使下一列线P1.5为低电平，其余列线为高电平，用同样方法检查P1.5列上没无键闭合，依次类推，直到最后一列扫描完成。
KE_LOOP1:
LCALL
KUNM_SUB
再次调用键盘扫描程序
ORL
A,#0FH
键盘输入状态高四位置1
CJNE
A,#0FFH,KE_LOOP1
若（A）=0FFH，键已释放，执行去抖动，否
则转KE_LOOP1再次判断
MOV
R7,#10
延时10ms去抖动
DEL_SUB
调用延时1ms程序
DJNZ
R7,KE_NEXT1
DPTR,#IN_TAB
DPTR指向键号查询表首地址
R7,#0
从0号键开始扫描
KE_LOOP2:
A,R7
取键号
MOVC
A,@A+DPTR
查表取出相应键号状态码
A,KONZ,KE_NEXT2
与输入状态相比较，若
LJMP
KE_NEXT3
相等，则为该号键按下，转取键号
KE_NEXT2:
INC
R7
否则取下一键号
KE_LOOP2
转再次扫描
KE_NEXT3:
取按下键键号
A,#9,KE_NEXT4
若键号=9，转设置步数
B_SET
否则转判断是否＜9
KE_NEXT4:
JCB_SET
若键号＜9，转设置步数，否则顺序判断
CJNEA,#12,KE_NEXT5
若键号≠12，
LJMPDJ_SET
KE_NEXT5:
否则转电机控制设置
JCDJ_SET
若键号＜12，转电机控制设置，否则继续判断
CJNEA,#13,KE_NEXT7
若键号≠13，转减速设置，
则顺序设置加速
MOVA,SD
取当前速度
CJNEA,#7，KE_NEXT6
若当前速度≠7，转速度加1档
LJMPKE_NEXT
否则当前速度为最大值，转子程序返回
KE_NEXT6：
当前速度增加1档
KE_NEXT
转子程序返回
KE_NEXT7:
A,SD
A,#0,KE_NEXT8
若当前速度≠0，转速度减1档
否则当前速度为最小值，转子程序返回
KE_NEXT8:
DEC
当前速度减1档
B_SET:
BWB,SWB
步数十万位移至百万位
SWB,WB
步数万位移至十万位
WB,QB
步数千位移至万位
QB,BB
步数百位移至千位
BB,SB
步数十位移至百位
SRDS_TAB:
DBC0H,F9H,A4H,B0H,99H,92H
DB82H,F8H,80H,90H,1,2,3；
电机启/停控制和显示段选码表
键盘扫描程序代码：
KUNM_SUB:
P1,#0FFH
键盘输入口置1
CLR
P1.4
扫描第一列
A,P1
读入输入状态
SETB
关闭扫描第一列
P1.5
扫描第二列
关闭扫描第二列
P1.6
扫描第三列
关闭扫描第三列
扫描第四列
关闭扫描第四列
RET
子程序返回
3.3显示程序
实现功能：
根据转速控制单元SD和步数控制单元GB（个位）、SB（十位）、BB（百位）、QB（千位）、WB（万位）、SWB（十万位）、BWB（百万位）的内容查询SRKS_TAB取相应显示段码送相应显示位显示。
电机启/停控制和显示段选码表SRDS_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-3；
程序流程图如图3-4所示；
8位八段数码管显示方法：
由硬件结构可知，步数显示7位八段数码管和速度显示1位数码管的段选线并联在一起由单片机P2口控制，而各位的共阴极点分别由相应的P3口控制，实现各位的分时选通，构成8位的动态显示。
根据实际情况，每位显示的字符不同，因此软件设计必须采用扫描显示方式，即在每一个瞬间只使某一位显示相应字符。
在此瞬间，段选码由控制P2口输出需显示的段码，位选P3口输出位选码选通该位显示相应字符。
如此轮流，使每一位显示该应显示的字符，并延时一段时间，这里延时3ms，以造成视觉暂留效果。
显示代码如下：
DISP_SUB:
显示子程序
P2,#0FFH
P3,#00H
关显示
R7,#8
设置显示位数
R0,GB
取步数个位显示数字
DPTR,#SRDS_TAB
DPTR指向控制与显示段码表首地址
A,#01H
取步数位显示控制字
PUSH
ACC
保护步数位显示控制字
A,@R0
取步数显示数字
取显示段码
P2,A
送显示
POP
取出位显示控制字
P3,A
打开位显示
DLOOP2:
R6,#3
延时3ms
LCALLDEL_TAB；
DJNZR6,DLOOP2；
判断时是否到，未到刚返回延时，否则往下执行
RLA；
取下一位显示控制字
INCR0；
R0；
指向下一位显示数字存储地址
DJNZR7,DLOOP1；
若（R7）-1=0，八位显示完成，往下执行，否则转显示下一位MOVP2,#0FFH；
MOVP3,#00H；
RET；
DBC0H,F9H,A4H,B0H,99H,92HDB82H,F8H,80H,90H,1,2,3；
电机启/停控制和显示段选码表
3.4电机控制程序
根据地址单元JK的内容控制电机的正转、反转和停止。
单片机输出控制字查询表MQ_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-4；
程序流程图如图3-5所示：
电机控制程序代码如下：
KT0_INT:
电机控制程序中断服务程序
DPTR，#SD_TAB
DPRT指向转速查询表首地址
A，SD
取转速查询表偏移量
A，@A+DPTR
取定时器低位初值
TL0，A
装入定时器低位初值
ADD
A，#10
调整转速查询表偏移量，为取T0高位做准备
DA
十进制数调整
取定时器高位初值
TH0，A
装入定时器高位初值
R7,#7
循环7次，分别判断7位步数是否为0
R0,#GB
R0指向步数个位
KLOOP1:
取位步数
A,#0,KNEXT1
若位步数=0，判断下一位，否则转判断电机控制状态
R0
R0指向步数下一位地址
R7,KLOOP1
若（R7）-1=0，则步数每一位均为0，转
KNEXT
程序返回
KNEXT1:
A,JK
取电机控制状态
A,#1,KNEXT2
若电机控制状态=1，电机正转，否则判断是否反转
KNEXT2:
ZZKZ
A,#2,KNEXT
A,KZ
A,#0,KNEXT3
A,#5
KNEXT6；
转电机正转控制
若电机控制状态≠2，电机处于停止状态，
转返回，否则电机
取上一次电机控制表偏移量；
若上一次电机控制表偏移量为不；
则电机控制表偏移量取5
0，转减1，若为0，
KNEXT3:
电机控制表偏移量减1
DNEXT5
转取脉冲输出
ZZKZ:
取上一次电机控制表偏移量
A,#5,KNEXT4
若上一次电机控制表偏移量为不
5，转加1，若为5，
A,#0
则电机控制表偏移量取0
KNEXT5
KNEXT4:
电机控制表偏移量加1
KNEXT5:
KZ,A
保存当前电机控制表偏移量
DPTR,#MQ_TAB
DPTR指向电机控制表首地址
取输出脉冲
P0,A
输出脉冲
R7,#6
步数减1循环6次
R0指向步数个位储存单元
KLOOP2:
A,@R0
A,#0,KNEXT6
若位步数≠0，转位步数-1，否则
@R0,#9
往该位步数存9
R0指向下一位
R7,DLOOP2
若（R7）-1=0，六位判断完成，
百万位减1，否则继
续判断
百万位减1
转程序返回
KNEXT6:
位步数
升级会员 