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1、 基于单片机的步进电机伺服控制器的设计基于单片机的步进电机伺服控制器的设计题题 目目 课课 程程 名名 称称 院院 部部 名名 称称 专专 业业 班班 级级 学学 生生 姓姓 名名 学学 号号 毕业设计地点毕业设计地点毕业设计学时毕业设计学时指指 导导 教教 师师【注：根据毕业设计大纲第四项具体要求撰写毕业设计报告注：根据毕业设计大纲第四项具体要求撰写毕业设计报告】成绩目目 录录1 设计任务和要求32 设计思路43 系统硬件设计53.1 硬件电路的工作原理.53.2 步进电机模块53.3 控制模块63.4 主要元件介绍：64 软件编程115 调试过程与结果.205.1 正转结果显示：205.1
2、.1 正转加速：215.1.2 正转减速：216 总结与体会.247 参考资料.268 附录.261 1 设计任务和要求设计任务和要求单片机毕业设计是考察学生利用所学过的专业知识，进行综合的电机控制系统设计并最终完成实际系统连接，能够使学生对电气与自动化的专业知识进行综合应用，培养学生的创新能力和团队协作能力，提高学生的动手实践能力。最终形成一篇符合规范的设计说明书，并参加综合实践答辩，为后期的毕业设计做好准备。本次设计考核的能力主要有：1) 专业知识应用能力，包括电路分析、电子技术、单片机、检测技术、电气控制、电机与拖动、微特电机及其驱动、计算机高级语言、计算机辅助设计、计算机办公软件等课程
3、，还包括本专业的拓展性课程如变频器、组态技术、现场总线技术、伺服电机等课程。2) 项目设计与运作能力，团队协作能力，技术文档撰写能力，PPT 汇报与口头表达能力。3) 电气与自动化系统的设计与实际应用能力。要求完成的工作量包括：1) 现场仿真演示效果。2) 学生结合课题进行 PPT 演讲与答辩。3) 学生上交课题要求的各类设计技术文档。2 2 设计思路设计思路电路基本理论:步进电机是一种将电脉冲转变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。可通过控制脉冲数来控制角位移量，从而达到准确的定位目的。通过对步进电机的软件设计和硬件
4、设计包括步进电机的结构、原理及应用，根据原理和硬件的设计利用 c 语言编写程序，经过反复运行和调试，实现单片机对步进电机的控制。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。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，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉
5、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。同时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。基于单片机和 proteus 的步进电机控制电路的基本组成如图所示：根据设计要求，采用的方案如下。硬件部分实现电机转动，包括控制开关模块；电机转动模块。软件部分实现对步进电机的控制功能，主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动。电源驱动 89C51 单片机，在89C51 中装载程序，通过开关按键来输入信号，89C51 向驱动电路提供信号使步进电机动作。3 3 系统硬件设计系统硬件设计3.13.1 硬件电路的工作原理硬件电路的工作原
6、理总电路图通过对开关 k1 k2 k3 的开关，来实现对步进电机的正反转和停止，通过k4 k5 来进行加减速，并且有相应的 LED 灯的显示。 3.23.2 步进电机模块步进电机模块功能：单片机输出的程序通过转换器和电机驱动器给步进电机一个脉冲信号，使步进电机实现正转与反转。3.33.3 控制模块控制模块功能：通过控制台实现对单片机程序的开与关3.43.4 主要元件介绍：主要元件介绍：3.4.1 步进电机：步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的
7、，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。步进电机 28BYJ48：步进电机 28BY
8、J48 型四相八拍电机，电压为 DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信 号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角） 。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。 。 。 ） ，双（双相绕组通电）四拍（AB-BC- CD-DA-AB-。 。 。 ） ，八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 。 。 ）四相步进电机有两种运行方式，一、四相四拍；二、四相八拍。要想搞清楚四
9、相八拍运行方式下步进电机的转速如果计算，需要先清楚两个基本概念。1、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.2、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=360 度（转子齿数 J*运行拍数） ，以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步） 。这两个概念清
10、楚后，我们再来计算转速，以基本步距角 1.8的步进电机为例（现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是 1.8） ，四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过 0.9，如果每秒钟接收 400个脉冲，那么转速为每秒 400X0.9=360，相当与每秒钟转一圈，每分钟 60转。由于单片机接口信号不够大需要通过 ULN2003 放大再连接到相应的电机接口， 如下：橙 黄 粉蓝十六制（P1 口） 1 0 0 0 0x081 1 0 0 0x0c0 1 0 0 0x040 1 1 0 0x060 0 1 0 0x020 0 1 1 0x030 0 0 1 0x011 0 0 1 0x09所以
11、可以定义正转励磁序列为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DAuchar code FFW=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;/反转励磁序列为 AD-D-CD-C-BC-B-BA-Auchar code REV=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;步进电机 28BYJ48 的主要技术参数：3、四相步进电机的脉冲分配规律 目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式
12、为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序 与波形分别如图 1 a、b、c 所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。3.4.2 89C51 单片机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
13、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。89C51 单片机部分引脚功能介绍：XTAL2（18 脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在 89C51 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。89C51/8031 正常工作时，该引脚应
14、有脉冲信号输出。XTAL1（19 脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。RST/VPD（9 脚）：RST：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。RST/VPD（9 脚）：VPD ：RST 引脚的第二功能，备用电源输入端。当主电源 Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V 电源自动接入该引脚，为 RAM 提供备用电源，以保证 RAM 中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。EA/Vpp（31 脚）：Vpp：对 8751 片内 EPROM 固化编程时，编程电压输入
15、端（12-21V） 。P0 口：漏极开路的 8 位准双向 I/O 口，每位能驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。P0 口可作为一个数据输入/输出口；在 CPU 访问片外存储器时，P0 口为分时复用的低 8 位地址总线和 8 位数据总线。P1 口：带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口，每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P3 口：带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口，每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P3口除作为一般 I/O 口外，每个引脚都有第二功能。4 4 软件编程软件编程4.1 主流程图按键If（k4=0）If（k3=0）If（k2=0）If（k1=0）
16、加速停止反转正转减速If（k5=0）按键判断按键开始4.2 主要程序：#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code FFW=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;uchar code REV=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;sbit K1 = P30; sbit K2 = P31; sbit K3 = P32; sbit K4 = P33; sbit K5 = P34; void DelayMS(uint ms) uchar i;while(ms-)for(i=0;iAB-B-BC-C-CD-D-DA反转励磁序列为 AD-D-CD-C-BC-B
