步进电机控制设计报告及源程序.docx

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1、南京XX大学指导老师：张X课程设计基于51单片机的步进电机控制机械电子工程学院测控技术与仪器XXXXXXxx2023年1年4日步进电机控制系统摘要本课程设计的内容是运用51单片机，到达控制步进电机0启动、停止、正转、反转、两档速度和状态显示B目B,使步进电机控制愈加灵活。步进电机驱动芯片采用U1N2803,U1N2803具有大电流、高电压，外电路简朴等长处。运用四位数码管增设电机状态显示功能，各项数据更直观。实测成果表明，该控制系统到达了设计B规定。关键字：步进电机、数码管、51单片机、U1N2803一步进电机与驱动电路1.1 什么是步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一

2、点讲：当步进驱动器接受到一种脉冲信号，它就驱动步进电机按设定rJ方向转动一种固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达精确定位的目的；同步也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动日勺速度和加速度，从而到达调速!勺目的。1.2 步进电机的种类步进电机分永磁式（PM）,反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的长处。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相

3、步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。1.3 步进电机的特点1 .精度高一般H勺步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。可在广阔的频率范围内通过变化脉冲频率来实现调速，迅速起停、正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出时长处2 .过载性好其转速不受负载大小的影响，不像一-般电机，当负载加大时就会出现速度下降的状况，因此步进电机使用在对速度和位置均有严格规定的场所；3 .控制以便步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特性比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的以便,反过来,计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场;4 .整机构造简朴老式F1勺机械速度和位置控制构造比较复杂

4、，调整困难，使用步进电机后，使得整机的构造变得简朴和紧凑。1.4 步进电机的原理图1是一种四相可变磁阻型的步进电机构造示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一种齿上有一种线圈。线圈绕组F1勺连接方式，是对称齿上F1勺两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，因此称为四相步进电机。图1它的工作过程是这样的：当有一相绕组被鼓励时，磁通从正相齿，通过软铁芯的转子，并以最短日勺途径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通途径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使近来的一对齿与被鼓励肚!一相对准。在图1(a)中A相是被鼓励,转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进

5、行鼓励，如图1中的(b),转子向反时针转过15。若是D相被鼓励，如图1中的(c),则转子为顺时针转过15。下一步是C相被鼓励。由于C相有两种也许性：A-B-C-D或A-D-C一及一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15。电机步长(步距角)是步进电机的重要性能指标之一，不一样的应用场所，对步长大小的规定不一样。变化控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以变化步长的大小。它们之间的互相关系，可由下式计算：1=360PXN式中：1O为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15,表达电机转一圈需要24步。1.5 步进电机的J驱动混和步进电机的工作原理在实际应用中，最流行日

6、勺还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相似。但构造上梢有不一样。例如它R勺转子嵌有永磁铁。鼓励磁通平行于X轴。一般来说，此类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要对时。r2,Q2图2网目步进电机标准接线图图3晶体管驱动步进电机基本电路步进电机步进电机图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了所有步进开关的逻辑时序。步数Q1Q2-Q3Q4:1O1。I21OO1J3O1O14O11O)51O11表1二方案设计与论证2.1 键盘设计该

7、系统中只运用到三个控制按钮，即“正反”，“换挡”，“启停”，由于按钮较少，因此采用独立键电路，这种按键电路的按键构造相对行列式按键电路更简朴，更使人易懂。2.2 显示电路设计如图2.31,采用1ED数码管动态显示数据与个项参数，措施简朴，轻易控制，成本低。设计如下图图2.312.4 驱动电路设计驱动电路可分为：三极管直接驱动（图3）,采用斩波恒流驱动方式（图2.41）和芯片驱动电路等。驱动电路口勺性能直接关系到步进电机走步的精确与稳定。本电路采用驱动芯片2.45678123456780IN4INIXININININ6OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT8COM图2.4

8、12.42三电路设计3.1. 设计要点和软硬环境1、步进电机的设计要点和软硬件环境步进电机和一般电动机不一样之处是步进电机接受脉冲信号的控制。即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。硬件措施是采用脉冲分派器芯片进行通用换相控制；而软件措施是用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种措施可简化电路，减少成本。在用软件控制时，重要设计要点如下： 判断旋转方向; 按相序确定控制字； 按次序输入控制字； 确定控制步数和每一步的延时时间。由于单片机的驱动电流一般都比较小，不能直接驱动电机工作，因此单片机的I/O口输出必须接驱动电路

9、，即功率驱动，才得以控制电机正常工作。控制框图如下图所示：(2)、有关参数设定：这里采用四相六线步进电机，这款步进电机的驱动电压12V,步进角为7.5度.一圈360度，需要48个脉冲完毕。其相序A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。因此其正转控制脉冲为：01h,09h,08h,Och,04h,06h,02h,03h,00h；反转控制脉冲为：01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,OOho单片机的晶振为12MHZ；(3)、系统电路图：一、单片机最小系统的硬件原理接线图：1、接电源：VCC(PIN40)、GND(PIN20)。加接退耦电容0.1UF2、接晶体：XI(PIN

10、I8)、X2(P1NI9)。注意标出晶体频率(选用12MHz),尚有辅助电容20pF3、接复位：RES(P1N9)。接上电复位电路，以及手动复位电路，分析复位工作原理4、接配置：EA(PIN31)o阐明原因。二、单片机内部I/O部件：(所为学习单片机，实际上就是编程控制如下I/O部件,完毕指定任务)1、四个8位通用I/O端口，对应引脚PO、P1、P2和P3；2、两个16位定期计数器；(TMOD,TCON,T10,TIIO,T11,Ti11)3、一种串行通信接口；(SCON,SBUF)4、一种中断控制器；(IE,IP)根据以上的方案比较与论证确定总体方案，确定硬件原理图。原理图如下：闻,一H=工

11、IE一3.2重要器件资料AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节F1ASH存储器（FPEROM-FIashProgrammab1eandErasab1eReadOn1yMemory）的低电压、高性能CMoS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反夏擦除1000次。该器件采用ATME1高密度非易失存储器制造技术制造，与工业原则RJMCS-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，ATME1的AT89C51是种高效微控制得，AT89C2051是它的种精简版本。AT8

12、9C单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种足活性高且价廉的方案。与MCS-51兼容-4K字节可编程F1ASH存储器数据保留时间：23年全静态工作：OHZ-24MHZ三级程序存储器锁定128x8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定期器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路寿命：1000写/擦循环U1N2803步进电机控制器U1N2803是一种大电流型高电压器件，步进电机控制器。内部电路如图111/81N2803四系统软件设计4.1程序流程图4.1步进电机转动程序4.2程序设计根据规定，可以将程序分为如下几种部份：（1）键盘输入程序设计本系统使用的键盘较少，

13、因此采用独立式键盘接口设计。独立式键盘合用于按键数量较少的场所。独立键盘工作原理：通过上拉电阻接到+5V上。无按键，处在高电平状态，有键按下电平为低。在消除抖动影响上是可以采用了软件消抖措施:在第一次检测到有键按下时,执行一段延时子程序后（约5ms）,再确认电平与否仍保持闭合状态电平，假如保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行对应处理工作，消除了抖动的影响。（2）步进电机运行步数控制程序此方案采用单相和双相交差通电处理方式。此措施具有运行速度稳定，运行步数精确无误等长处。第五章调试总结5.1操作控制：本电路经调试符合题目规定，各项技术指标均到达设计的目的。详细操作控制措施如下：1、当电机启

14、停按钮时，步进电机根据制定默认状态开始转动；2、当电机再启停按钮时，步进电机停止转动；3、当电机换挡按钮时，步进电机速度迅速转动；4、当电机再换挡按钮时，步进电机速度缓慢转动；5、当电机正反按钮时，步进电机反转;6、当电机再正反按钮时，步进电机正转;5.2设计过程中碰到的重要问题以及处理措施1、仿真时数码管显示有闪烁，在程序中多加上几次disp1ayO函数即可。2、步进电机在仿真调试日勺时候，出现来回转的状况，即不能正常转动，PROTEUS中的步进电机MOTOR-STEPPER,不懂得详细型号，即不懂得其内部接线构造，通过反复的调试，才得以处理问题。在仿真调试成功rJ前提下，进行硬件调试的时候

15、，出现步进电机不转日勺状况，这是由于仿真的步进电机和硬件的步进电机是两个不一样的型号，不一样步进电机所容许的最快转动速率是不一样的，在设置延时程序的!时间参数时，一旦超过此值,电机就不能启动。因此硬件调试时，需要重新设置延时程序的时间参数，问题才得以处理。3、第一次烧写程序时烧不进去，不知怎样处理。驱动也装好了，各方面都没问题就是不懂得问题出在哪里。5.3心得体会步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。本系统采用了软件措施，即用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方比采用硬件措施，即采用脉冲分派器芯片进行通用换相控制，电路愈加简朴，成本更低。在做本次设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的