步进电机课程设计

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1、惠州学院HUIZHOU UNIVERSITY单片机课程设计中文题目：步进电机控制系统英文题目：Stepper motor control system姓 名 学 号 专业班级 指导教师 提交日期教务处制1、目的和意义设计一个由单片机控制的步进电机调速系统，操作者可通过系统的按钮控制步进电动机的旋 转速度和方向，正反转均可在1-15档改变，本设计通过按钮来调节，先从1 档开始，按一 次加一档，直至15 档，然后，按一次减一档，直至1 档，如此循环，并通过1602 液晶显示 出来。本次设计圈数也可调，在1-20 圈改变，也通过 1602 液晶显示。2、步进电机概述2.1 步进电机的特点1 ） 一般

2、步进电机的精度为步进角的 3-5% ，且不累积。2 ） 步进电机外表允许的温度高。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 ） 步进电机低速时可以正常运转 ,

3、 但若高于一定速度就无法启动 , 并伴有啸叫声 。步 进电机有一个技术参数 ：空载启动频率 ， 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲 频率 ， 如果脉冲频率高于该值 ， 电机不能正常启动 ， 可能发生丢步或堵转 。 在有负 载的情况下 ， 启动频率应更低 。 如果要使电机达到高速转动 ， 脉冲频率应该有加速过 程 ，即启动频率较低 ，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 2.2 步进电机的工作原理步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械位移和 转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 , 每一个脉冲信号可使步进电机旋 转一个

4、固定的角度 . 脉冲的数量决定了旋转的总角度 , 脉冲的频率决定了电机运转的速 度 . 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 （ 称为 “ 步距角 ” ），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以 通过控制 脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以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。D相A相C相B相丿转子4相步进电机本次课程设计选用的步进电机是28BYJ-48型号的步进电机。B-步进电机，Y-永磁型。48-是四相八拍步进电机。3、方案的论证3 .1 控制方式的确定步进电机控制虽然是一个比较精确的，步

5、进电机开环控制系统具有成本低、简单 、 控制 方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统送控制字的间隔和送控制字的 顺序 实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。 一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次按键之后调用一个延时子程序，待延时结束后 再次送控制字，这样周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲。该方法简单，占用资源少， 全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度和不同方向的运行。但占用 CPU 时 间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机 系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便

6、的控制系统输出 CP 脉冲 的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器 溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序将电机换向子程序放在定时中断服 务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。3.1 .1 脉冲序列的生成通电时间脉冲幅值：由数字元件电平决定。TTL 0 5VCMOS 0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。3 . 1 .2 方向控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 四相八拍，通电顺序为: 正转：A AB B BC C C D D DA反转：A A D D DC C C B B B

7、A 改变通电顺序可以改变步进电机的转向3. 2 脉冲分配实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。本次设计采用软件 法。软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的IO向驱动电路发出 控制脉冲，下面以四相八拍为例。正序为 A-AB-B-BC-C-C D - D-DA- A,，反序为 A-A D - D - DC - C - CB - B-BA-AP 3 .0P 3 .1P 3 .2P 3.3【件实现脉冲分配的接口示意图三相六拍控制字如下表所示通电状态P3.3P3.2P3.1P3.0控制字A000101HAB001103HB001002HBC011006H

8、C010004HCD1100OCHD1000OSHDA100109HP3.0P21AT8SC51慕列单片枷p3.2P3JA相B相C相驱动D 相驱动注： 0 代表使绕组断电， 1 代表使绕组通电在程序中，只要依次将这8 个控制字送到 P 2 口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一 个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。3. 3 驱动方式的确定用 于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过 CPU 直接来驱动，这种方法一般不宜 采用 ，因为 CPU 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通 过 CPU 来间接驱动，就是把从 CPU 输出的信号进行放大 ， 然后直接驱动

9、或是再通过光 电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠 。固本次设计应采用 CPU 间接驱动 步进电机。3. 4 基本方案的确定因本次设计的要求，选用四相八拍步进电机，单片机选用 89C51 作为控制器 ,选取用LCD1602以显示电机转速，选用ULN2003A作为步进电机的驱动芯片。系统原理框图如下所 示：4、硬件电路的设计4.1 单片机的选择本次设计以 CPU 选用 89C5l 作为步进电机的控制芯片 89C51 的结构简单并可以在编 程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上 使用方便等优点 ， 而且完全兼容 MCS5l 系 列单片机的所有功能。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁

10、可编程可擦除只读存储器 ( FPEROM FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory )的低电压 ， 高 性能 CMOS8 位微处理器 ， 俗称单片机 。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制 造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌 入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案4.2 驱动电路的选择由于单片机接口信号不够大需要通过 ULN2003A 放大再连接到相应的电机接口，ULN20

11、03是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。ULN2003的 每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻，在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电 路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据oULN2003工作电压高， 工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负 载电流并行运行。ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻, 在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入 ULN2003A 的。ULN2003A引脚图24步进电机4 .3 LCD4

12、.3.1 液晶显示器工作原理LCD 技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直（相交成 90 度）。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而 位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90 度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向 传播，所以光线经过液晶时也被扭转90 度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直 排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。LCD 是依赖极化滤光器（片）和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光 器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。 极化滤光器的线正好与第一个垂

13、直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器 的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。LCD 正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试 图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器 后，会被液晶分子扭转90 度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电 压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之， 加电将光线阻断，不加电则使光线射出。然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由 于计算机屏幕几乎总是亮着的

14、，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。 从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不 同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm,其间由包含有液晶（LC）材料 的5gm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的 灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组 成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏 振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的 单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一

15、个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明 的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液 晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当 LCD 中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的 折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。4.3.2 1602所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。目前市面上字符液 晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的 控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。图4是SMC1602主要技术参数 及引脚功能图，字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条 线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。显示容量16*2芯片工作