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1、基于AT89C51单片机的步进电机控制摘要：随着微电子和计算机技术的开展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,本钱低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。本设计是采用AT89C51单片机对
2、步进电机的控制，通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能，更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件步进电机。关键词：步进电机，单片机，正反转控制，键盘控制，LCD液晶显示目录摘要1第一章 绪论31.1 步进电机及其开展31.2 步进电机在我国的开展应用及前景31.3 设计研究内容4第二章 控制系统硬件分析与设计52.1 步进电机52.2 单片机的选择72.3 步进电机控制系统的组成8第三章 控制系统软件分析与设计133.1 程序流程图133.2
3、 读键盘子程序流程图143.3 键盘处理子程序流程图143.4 电机控制中断程序流程图15第四章 调试与改进174.1 调试与改进174.2 运行结果17第五章 总 结18致 谢19参考文献20附录21附录一源程序清单21附录二控制原理图26第一章 绪论1.1 步进电机及其开展步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最根本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的开展，技术的进步和电子技术的开展，步进电机的应用领域更加广阔，同
4、时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。1950年后期晶体管的创造也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的开展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改进，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令
5、动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。1.2 步进电机在我国的开展应用及前景我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反响式步进
6、电机本体的设计研究开展到一个较高的水平。70年代中期至80年代中期为成品开展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。至80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。国外在大功率的工业设备驱动上，目前根本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的本钱，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比拟，比拟不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国内过去是用大力矩步进
7、电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。目前,生产步进电机的厂家确实不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大局部的厂家只一、二十人，连最根本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识
8、。1.3 设计研究内容本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LCD液晶显示器上。总体设计框图如图1.1所示:AT89C51键盘控制模块电机驱动模块液晶显示模块电源模块图1.1 总体设计框图第二章 控制系统硬件分析与设计2.1 步进电机步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使
9、用多相步进电动机，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度称为步距角。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 步进电机的原理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。步进电机可分为反响式步进电机简称VR、永磁
10、式步进电机简称PM和混合式步进电机简称HB。 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。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其根本原理作用如下：1.控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为ABCD，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。2.控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，那么电机就反转。 3.控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转
11、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。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2.1.2 步进电机的特点1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。2. 步进电机外表不允许较高的温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3. 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进
12、电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率或速度的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反响环节组成高性能的闭环数控系统。6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。9. 步进电机存在振荡和失步现
13、象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。10. 步进电机低速时可以正常运转,但假设高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的开展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。2.1.3 步进电机的分类现在比拟常用的步进电机包括反响式步进电机VR、永磁式步进电机PM、混合式步进电机HB和单相式步进电机等。1. 反响式步进电机：一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反响式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。2. 永磁式步进
14、电机：一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；3. 混合式步进电机：是指混合了永磁式和反响式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，性能最好。 永磁步进电机的控制原理在本设计以常用的永磁式步进电机为例，用单片机控制步进电机。其接线图如图2.1所示: 图2.1 CZ-2801型永磁步进电机接线图从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有 5根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将 COM 端标识为C，只要 AC、BC或/AC、/BC，轮流加电就能驱动步
15、进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将 COM 端接正电源，那么只要用开关元件如三极管 ，将 A、B或/A、/B轮流接地。不难设计出控制电路，因其工作电压为 12V，因此用一块开路输出达林顿驱动器这里用ULN2003，关于ULN2003将在后面介绍作为驱动，通过 P1.0、 P1.3来控制各线圈的接通与切断。开机时，P1.0、 P1.3均为高电平，依次将 P1.0、 P1.2 或P1.1、 P1.3反向切换为低电平即可驱动步进电机运行。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间。改变转速，只要改变 P1.0、 P1.2 或P1.1、 P1.3反向轮流变低电平的时间即可到达要求，因为不会影响到其他功能的实现，这个时间可以用延时来实现，。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。 按要求，最低转速为 20 转/分，而上述步进电机的步距角为 7.5，即每 48 个脉冲为 1 周，即在最低转速时，要求为960脉冲/分，相当于 62.5ms/脉冲。而在最高转速时，要求为 100转/分，即 48000 脉冲/分，相当于 12.5ms/脉冲。2.2 单片机的选择本次设计选用AT89C5l作为步进电机的控制芯片AT89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪
