《步进电机控制的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电机控制的设计（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子技术课程设计 题 目:出租车计价器的设计 姓 名: 周涛 专 业: 自动化 班 级: 自动化2132 学 号: 摘 要步进电机是机电控制中一种常用的执行机构， 步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响,
2、因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。本课程设计以AT89C51单片机作为微控制器，使用混合式步进电机驱动芯片ULN2003AN进行驱动，实现了对步进电机运行状态的简单控制，本设计是对步进电机进行四相八拍设计。能实现的功能有电机正转、反转、加速与减速。 用软件控制单片机产生脉冲信号，通过单片机的P2口输出脉冲信号，因为所选电机是四相的，所以只需要P2口的低四位P2.0P2.3分别接到电机的四根电线上，可以通过调整输出脉冲的频率来调整电机的转速，通过改变输入脉冲的顺序来改变转动方向，设置复位键可使正在转动的电机停止转动。 关键字：四相步进电机，AT89C51单片机，ULN2003，P
3、roteus，调速 目 录摘要第1章 概述31.1 课程设计与简介31.2 步进电机原理及控制技术31.3 系统方案论证与设计4第2章 系统硬件设计62.1 系统总电路的设计32.1.1系统的总框图62.1.2芯片的选择72.2 最小系统设计.82.2.1时钟电路的选择与设计82.2.2复位电路的选择与设计102.2.3电源电路的的选择与设计132.3 控制电路设计82.4 驱动电路设计11第3章 系统软件设计133.1 主程序设计133.2 子程序设计13第4章 软件仿真184.1 keil 软件的简介.184.2 Proteus 软件的简介184.3 仿真电路图194.4 仿真结果与分析2
4、0小结21参考文献.22附录A 电路图23附录B 程序24IVIV第1章 概述1.1 课程设计与简介：本次课程设计主要采用AT89C51芯片，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速与减速程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003A以及相应的按键实现以上功能，控制系统主要由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括单片机的最小系统模块、控制模块、步进电机ULN2003A驱动模块3个功能模块的设计。并且通过仿真控制系统对硬件、软件进行了调试和改善，实现电机的正转、反转、加速与减速功能。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。1.2 步进电机原理及控制技术（1）四相步进电机工作原理该步进电
5、机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。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。四相八拍工作方式：AABBBCCCDDDAA 步进电机的换向控制 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为四相八拍，即AABBBCCCDDDAA。如果按反序通电换相，即ADADCDCBCBBAA，则电机就反转。 步进电机的速度控制 如果
6、给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。1.3 系统方案论证与设计因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。所以怎样产生这个脉冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。通过系统方案论证有2种设计方法。第一种设计方法为：主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P2口送初值以决定脉冲分配方式，步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时
7、间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。 第二种设计方法为：用软件控制单片机产生脉冲信号，通过单片机的P2口输出脉冲信号，因为所选电机是四相的，所以只需要P2口的低四位P2.0P2.3分别接到电机的四根电线上。可以
8、通过调整输出脉冲的频率来调整电机的转速，通过改变输入脉冲的顺序来改变转动方向。第一种设计方法这种设计方案非常复杂，采用了定时器中断和外部中断。第二种设计方法这种设计方案非常简单，采用了软件延时，可操作性强，故本次设计采用了第二种设计方案。本设计采用的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路三大部分。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。第2章 系统硬件设计2.1 系统总电路的设计2.1.1 系统的总框图本设计的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路三大部分。最小
9、系统是为了使单片机正常工作。控制电路由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。系统总框图如图2.1所示。 图2.1 系统总框图2.1.2 芯片的选择一、AT89C51芯片介绍Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计
10、数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。由于本系统控制简单，程序和数据量都不大，因此我们选用AT89C51单片机，AT89C51晶振频率采用12MHZ。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口， P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，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。图2.2 AT89C51芯片 二、ULN2003芯片介绍ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接
11、相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。所以在课程设计中才用ULN2003作为步进电机驱动电路驱动芯片。其芯片引脚分布图如图2.3所示。图2.3 芯片引脚分布图引脚1-7:CPU脉冲输入端引脚8：接地。引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10-16：脉冲信号输出端，与引脚1-7信号输入端一一对应。2.2
12、最小系统设计单片机最小系统或者称为最小应用系统，用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。2.2.1 时钟电路的选择与设计AT89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。其电容值一般在530pf,晶振频率的典型值为12MHz,内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。时钟电路是用于产生单片机工作时
13、所必需的时钟信号。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地一拍一拍地工作。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。在本系统中采用外部时钟方式的电路。如图2.4所示： 图2.4 时钟电路2.2.2复位电路的选择与设计复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电路，这样复位键有复位和停止两个功能，如图
14、2.5所示：图2.5 复位电路从图中可以看出，当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部复位电路的电容充电来实现，只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位功能。当系统出错时，直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。2.2.3 电源电路的选择与设计该电机共有四相绕组，工作电压为+5V，可以和单片机共用一个电源。2.3 控制电路设计根据系统的控制要求，控制输入部分设置了电机正转，反转，加速和减速按键，控制电路如图2.6所示。通过正转按键、反转按键状态变化来实现电机的正转和反转功能。 根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。该电路控制电机加速和减速
