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1、山西机电职工学院毕业论文山西机电职工学院 论文题目单片机控制的步进电机驱动技术 姓 名 * 专 业 机电一体化 年 级 2012级 指导老师 * 2014 年 5 月25日 单片机控制的步进电机驱动技术 摘 要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对步进电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片IR2110作为步进电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对步
2、进电机的控制。另外，本系统中使用了测速发电机对步进电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对步进电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。关键词： PWM信号 测速发电机 PI运算 目 录1. 系统硬件电路的设计 11.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计11.1.1 系统总体设计框图 11.1.2 8051 单片机简介11.1.3 单片机系统中所用其他芯片简介 31.1.4 8051 单片机扩展电路及分析51.2 PWM信号发生电路设计81.2.1 PWM的基
3、本原理81.2.2 PWM信号发生电路设计81.2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理101.3 功率放大驱动电路设计121.3.1 芯片IR2110性能及特点121.3.2 芯片IR2110引脚图及功能121.4 主电路设计151.4.1 延时保护电路 151.4.2 主电路 151.4.3 输出电压波形 171.5 测速发电机 171.6 滤波电路 171.7 A/D 转换 181.7.1 芯片ADC0809介绍181.7.2 ADC0809 的引脚及其功能 182.直流调速系统 202.1 直流调速系统概述 202.2 单闭环直流调速系统 202.3 开环系统机械特性和闭环系统静特性的
4、比较 22总结 29致谢 30参考文献 题目：基于单片机实现步进电机PWM调速系统1. 系统硬件电路的设计1.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计1.1.1 系统总体设计框图8051单片机PWM信号的产生与放大步进电机测速发电机滤波电路A/D转换图1.1系统总体设计框图1.1.2 8051单片机简介1.8051单片机的基本组成 8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 图1.2 8051单片机基本组成2.CPU及8个部件的作用功能介绍如下中
5、央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。串行口：它是
6、用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。3.8051单片机引脚图图1.3 8051单片机引脚图1.1.3 单片机系统中所用其他芯片简介1.地址锁存器74LS37374LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如下图所示：图1.4 74LS373片内三态门的D锁存器当使能端G
7、呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。如果此时芯片的输出控制端为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。以下是其引脚图：图1.5 74LS37引脚图2.程序存储器27128(1)芯片引脚 图1.6程序存储器27128引脚图（2）功能表 引脚 工作方式（片选）（允许输出）VPP（编程控制）输出读LLVCCH数据输出维持H*VCC*高阻编程LHVPPL数据输入编程校验LLVPPH数据输出编程禁止H*VPP*高阻表1.1功能表3数据存储器6264（1）芯片引脚 图1.7 数据存储器6264芯片引脚（2）芯片功能表 引脚工作方式I/O0I/O7未选
8、中H*高阻未选中*L*高阻输出禁止LHHH高阻读LHLH数据输出写LHHL数据输入写LHLL数据输入表1.2 芯片功能表1.1.4 8051单片机扩展电路及分析图1.8 8051单片机扩展电路接线分析P0.7-P0.0：这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7-P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7-P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。P2.7-P2.0：这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使
9、用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。P3.7-P3.0：这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同，如下表所示：P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号表1.3 P3口功能表 VCC为+5V电源线，VSS为接地线。ALE/：地址锁存允许/编程线，配合
10、P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7-P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7-P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/线上输出频率为1/6 fOSC的脉冲序列。该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。 / VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。如果=1，那么允许使用片内ROM；如果=0，那么允许使用片外ROM。：片外ROM选
11、通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。其他情况下，线均为高电平封锁状态。RST/VPD：复位备用电源线，可以使8051处于复位工作状态。XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。1.2 PWM信号发生电路设计1.2.1 PWM的基本原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变步进电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如下图所示：图1.9 时序图设电机始终接通电源时，电机转速最大
