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1、 基于51单片机的步进电机直线插补目录第1章 概述2第2章 设计内容的介绍32.1步进电机原理32.2步进电机的选择42.3直线插补原理52.4设计目标7第3章 设计思路 具体内容73.1设计思路73.2单片机及其最小系统73.3 按键电路83.4 步进电机驱动电路93.5液晶显示9第四章 程序设计11第五章 总结12参考文献13附录13摘要本设计为基于51单片机，利用两个四相八拍步进电机，实现四个象限中直线插补的过程。其中一个电机正反转实现X正负方向的插补，另一个电机正反转代表Y轴正负方向插补。并对该插补算法的原理及其实现过程进行了阐述,通过按键启动插补过程，插补结束后电机自动停止。通过LC
2、D1602液晶实现插补过程中插补方向的显示，最终完成了步进电机的插补过程。关键词 步进电机 直线插补 液晶显示第1章 概述数字控制是近代发展起来的一种自动控制技术，利用数字化信号对机床及其加工过程进行自动控制，主要用于数控机床、线切割机、焊接机、气割机 以及低速小型数字绘图仪等。数控机床可以加工形状复杂的零件，具有加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等众多优点，是实现机床自动化的一个重要发展方向。逐点比较法是数控机床在加工曲线时常用的一种方法，是常用的脉冲增量插补方法。它是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线，与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量，当脉冲当量足够小时，就可以达
3、到相当高的加工精度。步进电机是数字控制系统中非常重要的工具之一，它是一种将电脉冲信号变换成角位移的机电式数模转换器。它直接用数字信号驱动，使用非常方便。当步进电机接收计算机发来的指令脉冲后，步进电机会相应的转动，步进电机与数控系统的工具台相连，从而可以驱动刀具对工件进行切割。指令脉冲的数量决定道具的总移动量，指令脉冲的频率决定道具移动速度。这样，利用步进电机可以很容易的控制操作台进行工件的加工。第2章 设计内容的介绍 2.1步进电机原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移。当给定一个脉冲信号，步进电机会转动一个角度，也就是步进角。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，
4、我们可以通过控制给定的脉冲个数，从而精确控制电机转动的角度。同样也可以通过控制脉冲频率控制它的转速，从而达到调速的目的。如下所示的步进电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。图2-1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图2-1 四相步进电机步进示意图开始时，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，
5、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。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2-2所示：图2-2 步进电机工作时序波形图2.2 步进电机的选择现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。在本次课程设计中，我们小组选用的是28BYJ48型四相八拍的步进电机，供电电压为DC5V。该步进电机有四根控制线，对应A-B-C-D，另一根为电源线。四根线排列方式为：A-AB-B-BC-C-CD-D
6、-DA-A。当对步进电机施加控制脉冲时，它可以转动，四相八拍步进电机给定八个脉冲时，步进电机才会相应的转动一周。由于本电机采用的时减速电机，减速比为64:1，所以当内部转子转动64圈后，外部才会相应的转动一圈。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组，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， 28BYJ48步进电机四相八拍相序表如表1所示： 序号四相通电情况通电情况1000101 H2001103 H3001002 H4011006 H5010004 H611000C H71000
7、08 H8100109 H表1 28BYJ48步进电机相序表当根据时序表整列给电时，步进电机会正转，当逆着相序表给脉冲时，步进电机相应的则反转，从而可以实现电机正反转的控制。28BYJ48步进电机主要技术参数如表2所示表2 步进电机主要技术参数由表可知，每个脉冲电机会转动5.625度，当给8个脉冲后，电机则转动45度，给定64个脉冲，电机则转动一圈。由于减速比为64:1，故需要内部线圈转动64*64=4096圈，外部转子才转动一圈。2.3逐点比较法直线插补法原理 所谓直线插补就是只能用于实际轮廓是直线的插补方式。当刀具或绘图笔每走一步，都要和给定的轨迹上的坐标进行比较，看这点是在直线的上方还是
8、下方，或是给定轨迹的里面还是外面，从而决定下一步进给的方向。如果在轨迹上方，就往下方走，在下方，就往上方走，从而逐步逼近轨迹。2.3.1逐点比较法的四个基本步骤偏差判别：根据偏差判断应该向哪个坐标方向进给；坐标进给：根据判别结果，沿相应的坐标方向进给；新偏差计算：根据偏差函数，计算进给后偏差，作为下次偏差判别的依据；终点比较：判断是否达到终点，若达到终点则结束本次插补，否则转继续执行。 2.3.2四个象限的直线插补 n n 设A1、A2、A3、A4分别表示第一、第二、第三、第四象限的四种线型。它们的加工起点均从坐标原点开始，则刀具进给方向如图2-3所示。凡F0时，向x方向进给，在第 一、四象限
9、向+ x 方向进给；在二、三象限，向-x方向进 给；凡F0时，向y方向进给，在第一、二象限向+y方向进 给；在三、四象限，向-y方向进给。不管是哪个象限，都 采用与第一象限相同的偏差计算公式，只是式中的终点坐标值均取绝对值。图2-3 四个象限给进方向表3 四象限的进给脉冲和偏差计算四种线型的偏差计算公式是相同的，差别在于进给方向不同。流程图中的“沿xe方向走一步”或“沿ye方向走一 步”，因不同线型的xe 、ye位于不同象限，因而实际的进 给方向是不相同的。因此，对任一直线在插补前，应根据 xe 、 ye的符号判断该线型属于哪一象限。2.4设计目标利用四相八拍步进电机实现四个象限的直线插补，使
10、用两个四相八拍步进电机，一个电机实现X正方向正转，负方向反转，另一个电机实现y正方向正转，负方向反转。当按键按下启动插补后，液晶显示屏每一步插补进给的方向。第3章 设计思路与具体内容 3.1设计思路本系统主要由供电电源模块、单片机最小系统、按键电路、步进电机驱动电路、步进电机以及液晶显示屏等几部分组成。本系统采用两个独立步进电机，一个电机实现X正方向正转，负方向反转，另一个电机实现y正方向正转，负方向反转。使用的步进电机为28BYJ48型四相八拍电机，采用独立DC5V供电。使用按键实现插补的启动过程，液晶显示插补方向。总体设计框图如图3.1所示。步进电机驱动电路按键启动插补单片机最小系统 液晶
11、显示 步进电机图3.1 总体设计框图3.2单片机最小系统及按键部分51单片机主要完成对驱动步进电机以及显示的控制，其中最小系统是单片机能正常工作的必不可少得一部分。51单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，它是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，且支持在线编程，完全满足本系统设计需要。单片机最小系统包括单片机和复位电路，晶振，电源部分。最小系统电路如图所示： 图3.2 AT89S52单片机图3.3 晶振电路图3.4 复位电路图3.5 电源电路3.3 按键电路按键电路实现插补过程的启动，其原理图如图3.6所示。图3.6 按键电路 3.4 步进电机驱动电路步进电机的驱动芯片采用ULN
12、2003A，其硬件电路如图3.7所示。图3.7 步进电机的驱动电路3.5 液晶显示电路使用液晶显示插补过程中电机转动的方向，其电路图如图3.8所示图3.8 步进电机的驱动电路第四章 程序设计 根据单片机外围电路的设计以及插补过程原理，基于51单片机的C语言软件功能实现四个象限的直线插补过程。基本软件设计流程如图4.1所示。该图按照插补计算过程的4个步骤：偏差判别，坐标进给，偏差计算，终点判断来实现插补计算程序。偏差判别，偏差计算，终点判别是逻辑运算和算术运算，容易编写程序，而坐标进给是给步进电机发送走步脉冲，通过步进电机带动机床工作台或道具移动。图4.1 程序流程图此外，为了反映坐标进给方向的
13、情况，本设计添加了液晶显示模块，实现记录显示进给过程。第五章 心得体会通过此次课程设计，我明白了理论学习中插补过程及步进电机工作原理的实际应用，进一步加深了对理论知识的理解。从设计程序到完成程序，我用了近两天时间，在这两天中，思路在一遍又一遍的更新，程序在一遍又一遍的更改。从之前的第一象限插补改进到了四个象限的插补，从单调的电机转动，到按键控制启动，液晶显示的过程。在这个过程中，我遇到许许多多的问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期知识的欠缺和经验的不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我掌握的知识不再是纸上谈兵，而是学以致用。这次课程设计是我认识到计
14、算机控制技术在现代生产发展中的重要地位，使我明白了平时枯燥的理论学习原来那么重要。通过实际动手，我深刻感受到理论基础知识学习与实践结合的重要性，我觉得平时的课堂不再那么无聊，反而给了我学习这门课程的积极性，让我充满好奇的去慢慢探索它的奥妙。最重要的是，在本次课程设计中，我学会了很多学习的方法，而这些都将为日后做准备，会使我们终身都受益匪浅。面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践，才能在最大程度上发掘自己，实践是检验真理的唯一标准。这对于我们的将来有莫大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。参考文献 1 丁元杰著.单片微机原理及应用M.机械工业出版社，2010年1月2于海生著.计算机控制技术M.机械工业出版社，2011年9月附录1、作品实物图2、主要程序代码5#include /51芯片管脚定义头文件#include /内部包含延时函数 _nop_();#include LCD1602.h /LCD1602液晶头文件#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code FFW8=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;/*四相八拍正转编码*/ucha
