基于单片机的步进电机控制系统的设计毕业作品Word文档下载推荐.docx
《基于单片机的步进电机控制系统的设计毕业作品Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的步进电机控制系统的设计毕业作品Word文档下载推荐.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
[2]
除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变化。
优点突出的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。
因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。
1.2步进电机控制系统设计的意义
当今工业控制的主流系统，是以微处理器为核心的控制系统，这种系统已经取代了常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备的系统，并且具有高度复杂的计算方法和处理方法，被控制对象的各种动态过程都能按照规定的方式和要求来运行。
[3]
一般的步进电机控制器都会用硬件来实现，现在在电子市场上能卖到的一些脉冲分配器专用集成电路，这些集成电路体积比较小，驱动效率高，所以系统控制也较稳定，可广泛用于要求高精度、高稳定性的设备中，但是这些驱动模块也有一些缺点：
控制机理比较难掌握；
品种稀少，价格昂贵；
少数模块只能用在特定场所。
而基于单片机的步进电机控制系统就能很好地解决这些问题：
采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境。
本文主要研究基于AT89S51单片机的步进电机的驱动器，驱动采用双全桥驱动电路，使步进电机可在智能化程序控制下完成正转、反转、加减速及细分等各种操作。
文中所设计的双全桥驱动电路可使步进电机具有更高的性能，同时把数字电路与驱动电路隔离开，避免了步进电机运行时所产生的冲击电压和电流干扰单片机。
基于单片机的步进电机控制系统
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。
系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。
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，设置了步进电机正转、反转、加速、减速、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。
本方案有以下优点：
（1）单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；
（2）用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性困；
（3）单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。
基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。
1.3本论文研究的主用工作和安排
1、本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。
并且这套系统能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来。
2、设计一套完整的步进电机双全桥驱动电路，并通过理论、仿真的方法对所设计的驱动电路进行验证。
3、设计一套完整的包括键盘电路、显示电路在内的外围电路。
4、对整个控制系统的软件进行编制。
2步进电机的概况
2.1步进电机的特点
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
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（及步进角）。
您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；
同时您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。
在电机控制领域，步进电机具有电机控制的独特优势。
这些电机通常用于测量和控制应用。
其应用范围包括喷墨打印机，数控机床和各类泵。
步进电机所共有的这些特性使它非常适用于这些场合的需求。
步进电机的这些特点如下：
1.无刷——步进电机是无刷的。
换向器和电刷是那些常规电机最容易发生故障的组成部分，它们所产生的电弧在一些环境中是不需要或者具有一定危险性的。
2.负载无关——步进电机在负载不超过电机额定扭矩的情况下，无论负载多大都不影响电机的转速。
3.开环定位——步进电机的转动是根据量化递增或按照步数运行的。
只要当电机运行在它的扭矩范围内，轴的转动就一直是确定的，并不需要一个反馈机制。
4.保持转矩——步进电机的轴转动是固定的。
5.优秀的响应启动，停止和正反转。
[10]
2.2步进电机的类型
步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。
按结构特点电磁式步进电机可分为反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）三大类。
（1）反应式步进电机（VariableReluctance，简称VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。
它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。
反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。
（2）永磁式步进电机（PermanentMagnet，简称PM）永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。
转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。
它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。
（3）混合式步进电机（Hybrid，简称HB）混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。
混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。
因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。
这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动，因此，这种电机在工业领域中得到广泛应用。
2.3六线四相混合式步进电机
图2-1四相步进电机步进示意图
如图2-1所示，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1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、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1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、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，2、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。
本设计所用的是单四拍的工作方式。
3步进电机控制系统的概述
3.1步进电机控制系统简介
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。
在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。
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。
[9]
3.2本系统简介及特点
本设计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。
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—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。
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，以便把数字信号和模拟信号隔离开。
所以将光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。
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、速度、停止等功能，显示器及时显示正转、反转速度等状态。
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）。
3.3本系统可实现功能
在综合考虑各种设想之后，本设计想使此系统具有以下功能和要求：
1.能使步进电机运行于单四拍的工作方式；
2.运行时可实现正转，反转，加速，减速等功能；
3.可在运行时设置速度（10—100转/分钟）；
4.可以在运行时改变转向；
5.四位共阳数码管显示速度（单位为：
转/分钟）；
6.两个LED灯分别指示电机转向和运行方式；
7.各种操作共有六个按键来输入，操作方便；
8.设有强制复位按键，当受到严重干扰致使系统无法正常运行时，可以通过复位键进行复位；
9.整个系统为+12V低电压供电。
4系统硬件设计
步进电机控制系统的硬件，主要是先通过PROTELL99设计应用目标线路板。
硬件是整个系统的平台，各个功能的实现都是以硬件为基础的，为了充分发挥单片机的长处，实现尽可能多的功能，尽量降低成本，所以本系统的硬件设备相对较为简单。
4.1系统组成
系统组成方框图如图4-1所示：
光电隔离
图4-1系统框图
本系统由电源、显示（指示）、单片机（AT89S52）、按键电路、复位电路和电机驱动电路等组成。
键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、开始、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，显示器和LED灯能及时显示正转、反转以及速度等状态。
4.2系统核心——AT89S52
单片机从诞生至今己经产生了许多种，新品种的也是层出不穷，从最初INTEL的MCS—51和PLC系列，以及最近推出的AVR，ARM等，品种繁多，功能各异。
但是就目前来说，51系列的单片机仍是许多设计的首先，特别是ATMEL公司的89系列FLASH单片机，运用更是广泛。
而且各种技术参考资料相对也较多。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
[8]
AT89S52单片机引脚结构如下图4-2所示：
图4-2AT89S52单片机引脚结构
系统端口分配：
1．P1.0—P1.3输出BCD码到七段显示的四位共阳数码管，用于控制显示的数码。
2．P1.4—P1.5正反转方向指示LED控制口。
3．P1.6—P1.7系统开关。
4．P3.0电机正转控制口。
5．P3.1电机反转控制口。
6．P3.2电机加速控制口。
7．P3.3电机减速控制口。
详细接线图见附录系统原理图。
4.3系统外围电路设计
系统外围电路包括显示、键盘和复位电路等。
显示电路原理图如图4-3所示。
包括四位共阳数码管显示和LED指示电路。
图4-3四位共阳数码管显示和LED指示电路
所谓共阳极连接就是把所有LED的阳极连接到共同接点COM，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g、及dp（小数点）。
为了减少硬件开支，简化电路，便于理解，本设计采用的是动态扫描显示技术，动态扫描显示技术是利用人类视觉上的“视觉残留”的原理来实现的。
比如要在个位显示数字“123”，则单片机先使个位的扫描位选线P1.3输出低电平，PNP型三极管Q3开通，这时个位的数码管显示“3”，停留一定时间后使P1.3置为高电平，Q3截止，关闭个位数码管；
;
再接着送“2”，使P1.2置零，Q2开通，则十位显示“2”，过一定时间后使P1.2置为高电平，十位数码管灭；
最后送“1”P1.6置零，则百位显示“l”，延时后再关闭百位显示个位。
循环反复扫描，当扫描的频率高于视觉暂留频率16Hz时，人眼看起来就没有闪烁感是静态的一组数码了。
图4-4键盘电路
系统设计了6个按键，键盘作为一个外部中断源，分别设置了步进电机的启/停、正/反转、加/减速等功能，采用中断和查询相结合的方法调用中断服务程序，在开始运行之前可以先设定步进电机的转速，由四位数码管显示。
图4-5复位电路
本设计所采用的是简单的手动按钮复位电路，其基本功能是：
在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：
这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。
4.4驱动电路原理
图4-6L298N驱动电路原理图
L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。
其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受MCU控制。
L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。
内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
其引脚排列如图4-6中所示，12脚和6脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。
5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
L298N的逻辑功能如下表4-1所列。
表4-1L298N的逻辑功能[3]
ENA（B）
INl（IN3）
IN2（IN4）
电机运行情况
H
L
正转
反转
同IN2（IN4）
同INl（IN3）
快速停止
X
停止
5系统软件设计
本系统的软件设计主要分为系统初始化、按键、显示处理及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机AT89S52通过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。
程序流程图的设计遵循自上而下的原则，从主体遂逐步细分到每个模块的流程。
本程序主要由键盘程序、显示程序、步进电机驱动程序三部份组成，主程序首先初始化各变量，将显示器、指示灯消隐，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，便进入待机状态，等待键入相应操作。
然后调用键盘程序，并作判断。
各种模式和方式下的不同处理，在流程图中都有说明。
5.1系统软件主流程
图5-1主程序框图
系统上电复位过，先经过必要的参数初始化后，便进入按键查询，等待操作，当有按键按下后，程序便调用相应的子程序运行。
5.2端口定义
1.步进电机：
sbitM_A=P2^0;
//A相sbitM_B=P2^1;
//B相
sbitM_C=P2^2;
//C相sbitM_D=P2^3;
//D相
2.按键：
sbitS1=P3^2;
//开键sbitS2=P3^3;
//关键
sbitS3=P3^4;
//正转键sbitS4=P3^5;
//反转键
sbitS5=P3^6;
//加速键sbitS6=P3^7;
//减速键
3.数码管显示：
sbitcnt1=P1^0;
//个位
sbitcnt2=P1^1;
//十位
sbitcnt3=P1^2;
//百位
sbitcnt4=P1^3;
//千位
5.3各个模块流程
1．步进电机运行模块主流程：
当在待机状态下设定好所需的参数后，按下“启停”键，系统便开始根据设定的参数和运行模式进行步进电机控制脉冲输出运行。
程序中按照设定参数顺序输出控制脉冲是受定时器中断控制的。
如下图5-2所示：
图5-2步进电机运行模块主流程图
2.数码管显
升级会员 