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1、 江南大学 物联网工程学院 课程设计报告 课程名称： 单片机原理及应用 设计题目： 直流电机、步进电机的控制 班 级： 电信 1102 姓 名： 姜吉宁 学 号： 0703110206 指导教师： 评 分： 2014 年 6 月 19 日 2 设计题设计题一一、直流电机的控制直流电机的控制 一一、 设计目的设计目的 了解直流电机的工作原理，掌握利用 PWM 控制它的转动速度。 二二、 设计原理设计原理 1. 直流电机 直流电机是指能将直流电能转换成机械能 （直流电动机） 或将机械 能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和 机械能互相转换的电机。 当它作电动机运行时是直流电
2、动机， 将电能转 换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 当直流电机的两个接线头之间接的为正电压时候， 电机正转； 当接 的为负电压时候，电机反转；没有电压时，电机不转。 控制直流电机的方法有多种，本设计采用 H 桥驱动电桥来实现该 功能。 2. H 桥驱动电路 如图 1 所示的电路结构即为 H 桥驱动电路，它包括四个三极管和 一个直流电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据 不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机， 从而控制电机的转向。 图 1. H 桥驱动电路 当 Q1 和 Q4 导通时候，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电
3、机，然后再经 Q4 回到电源负极。 图 2 之中， 黑色粗实线所示的为电流流动的方向， 电机周围的箭头 指示电机转动的方向。 3 按图 2 中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 图 2. H 桥驱动电机顺时针转动 当 Q2 和 Q3 导通时候，电流就从电源正极经 Q3 从左至右穿过电 机，然后再经 Q2 回到电源负极。 图 3 之中， 黑色粗实线所示的为电流流动的方向， 电机周围的箭头 指示电机转动的方向。 按图 3 中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 图 3. H 桥驱动电机逆时针转动 3. 脉宽调制（PWM） PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制
4、的一 种非常有效的技术， 广泛应用在从测量、 通信到功率控制与变换的 许多领域中。 它是一种模拟控制方式， 根据相应的载荷的变化来调 制晶体管栅极或者基极的偏置， 来实现开关稳压电源输出晶体管导 通时间的改变。 这种方法可以使电源的输出电压在工作条件变化时 候保持恒定。 本设计采用软件来模拟最简单的 PWM，脉冲的频率不变，高 4 电平宽度可以调节， 即可调脉冲的占空比。 占空比越大， 通过 PWM 波控制的直流电机转速越高。 三三、 设计思想设计思想 将八个开关 SW1SW8 接至单片机的 P2 口，通过它们的状态控制 当前输出的 PWM 波，进而控制直流电机的方向和转速。 其中 SW1 控
5、制直流电机的转动方向， 当 SW1=1 时候， 直流电机正 转，否则反转；SW2SW8 控制直流电机的转动速度。当 SW2SW8 为 0000000 时，直流电机停止运转；当 SW2SW8 为 1000000 时，直流电 机转速为最大速度的一半；当 SW2SW8 为 1111111 时，直流电机全速 运行。 四四、 设计过程设计过程 1. 硬件设计 （1） 单片机最小系统 单片机最小系统包括给单片机供电的电源电路以及时钟电路。 图 4. 单片机最小系统 5 （2） H 驱动电桥 如图 5-1、5-2、5-3 所示为 H 驱动电桥电路。 其中，端口 P1.0 和 P1.1 接电桥的两臂，当 P1
6、.0 为高电平且 P1.1 为低电平时， 电机正转； 当 P1.0 为低电平且 P1.1 为高电平时， 电机反转。 图 5-1. H 驱动电桥与直流电机 图 5-2. H 驱动电桥左臂与直流电机 6 图 5-3. H 驱动电桥右臂 （3） 开关控制电路 通过八个开关 SW1SW8 与单片机的 P2 口相连接， 开关的闭合与断开会导致 P2 口状态的改变。单片机能够 根据 P2 口的状态来实现对 PWM 波脉宽比的控制实现对 直流电机转速以及电机转动方向的控制。 7 图 6. 开关控制电路 2. 软件设计 （1） 程序功能 SW1 控制直流电机的转动方向，当 SW1=1 时候，直流电机正转， 否
7、则反转；SW2SW8 控制直流电机的转动速度。当 SW2SW8 为 0000000 时，直流电机停止运转；当 SW2SW8 为 1000000 时，直流电 机转速为最大速度的一半；当 SW2SW8 为 1111111 时，直流电机全速 运行。 8 当运行过程之中，SW1 状态突然改变时候，电机会停止运转，停 止一会之后，以相反的方向运转。 （2） 程序代码： PWMHH EQU 30H PWMHL EQU 31H PWMLH EQU 32H PWMLL EQU 33H DJZFFLAG BIT 00H PWMFLAG BIT 01H FLAG10MS BIT 02H WORKFLAG BIT
8、03H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP TT0 ORG 001BH LJMP TT1 ORG 30H MAIN: CLR P1.0 CLR P1.1 MOV P2,#0FFH CLR WORKFLAG MOV SP,#6FH MOV TMOD,#11H MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H CLR FLAG10MS MOV IE,#8AH SETB TR0 MAIN1: JNB FLAG10MS,$ CLR FLAG10MS MOV A,P2 ANL A,#0FEH CJNE A,#0,MAIN10 CLR TR1 CLR P1.0 CL
9、R P1.1 9 CLR WORKFLAG ;DJ NOT WORKING SJMP MAIN1 MAIN10: JB WORKFLAG,MAIN13 CLR P1.0 CLR P1.1 LCALL DL1S SETB WORKFLAG LCALL JSTIME MOV TH1,PWMHH MOV TL1,PWMHL JNB P2.0,MAIN12 SETB DJZFFLAG ;DJZZ SETB P1.0 CLR P1.1 SETB PWMFLAG ;GDPT SETB TR1 SJMP MAIN1 MAIN12: CLR DJZFFLAG ;DJFZ CLR P1.0 SETB P1.1
10、SETB PWMFLAG ;GDPT SETB TR1 SJMP MAIN1 MAIN13: LCALL JSTIME SJMP MAIN1 JSTIME: RR A CLR C SUBB A,#1 MOV B,#9 MUL AB MOV R7,A ADD A,#54H MOV PWMLL,A MOV A,B ADDC A,#0F6H MOV PWMLH,A MOV A,#54H CLR C 10 SUBB A,R7 MOV PWMHL,A MOV A,#0F6H SUBB A,B MOV PWMHH,A RET DL1S: MOV R7,#100 DL1S1: MOV R6,#10 DL1S
11、2: MOV R5,#250 DL1S3: NOP NOP DJNZ R5,DL1S3 DJNZ R6,DL1S2 DJNZ R7,DL1S1 RET TT0: MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H SETB FLAG10MS RETI TT1: JB PWMFLAG,TT1A SETB PWMFLAG MOV TH1,PWMHH MOV TL1,PWMHL JB DJZFFLAG,TT11 SETB P1.1 RETI TT11: SETB P1.0 RETI TT1A: CLR PWMFLAG MOV TH1,PWMLH MOV TL1,PWMLL JB DJZFFLAG
12、,TT1A1 CLR P1.1 RETI TT1A1: CLR P1.0 RETI END 11 设计题设计题二二、步进电机步进电机的控制的控制 一一、 设计目的设计目的 了解步进电机的工作原理，掌握它的转速控制方式和调速方法。 二二、 设计原理设计原理 1. 步进电机 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
13、 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。 步进电机可分为反应式步进电机、 永磁式步进电机和混合式步进电 机。 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， 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。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具
14、定 位保持力、动作灵敏、开回路控制不必依赖传感器定位、中低速时具备 高转矩、高信赖性、小型、高功率等特征，使其具有广泛的应用。 步进电机的驱动方式： 1 相励磁法：每一瞬间只有一个线圈导通，其他线圈休息。其特点 是励磁方法简单，耗电低，精确度良好。但是力矩小、震动大，每次励 磁信号走的角度是标称角度。 2 相励磁法：每一瞬间由两个线圈同时导通，特点是力矩大、震动 较小，每次励磁转动角度是标称角度。 1-2 相励磁法： 1 相和 2 相轮流交替导通， 精度较高， 且运转平滑。 每送一个励磁信号转动二分之一标称角度。又称半步驱动。 如下表 13 所示为三种励磁法方式示意表。 12 步 A B C
15、D 步 A B C D 步 A B C D 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 2 0 1 0 0 2 0 1 1 0 2 1 1 0 0 3 0 0 1 0 3 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 0 0 1 4 1 0 0 1 4 0 1 1 0 5 1 0 0 0 5 1 1 0 0 5 0 0 1 0 6 0 1 0 0 6 0 1 1 0 6 0 0 1 1 7 0 0 1 0 7 0 0 1 1 7 0 0 0 1 8 0 0 0 1 8 0 0 0 1 8 1 0 0 1 2. ULN2003 ULN2003 是高耐压、 大电流复合晶体管阵列。 作
16、为一个非门电路， 它包含 7 个单元，单独每个单元驱动电流最大可达 350mA。它具有电 流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各 类要求高速大功率驱动的系统。 本设计之中，ULN2003 使得系统带动步进电机的能力大大增强。 三三、 设计过程设计过程 1. 硬件设计 本设计中，单片机的 P1.0P1.3 口接 ULN2003 的四个输入端 口（如图 6） ，ULN2003 的对应输出端口则接步进电机（如图 7） 。 根据设计原理部分第 1 点， 只要在合适的时候给四相分别赋予 恰当的值，步进电机就能够实现正转、反转，也能够进行调速。 1 相励磁法-正转：A-B-C-D-A-B-C-D- 1 相励磁法-反转：D-C-B-A-D-C-B-A- 2 相励磁法-正转：AB-BC-CD-DA- AB-BC-CD-DA 2 相励磁法-反转：D
