基于89c51单片机的步进电机控制系统.docx
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基于89c51单片机的步进电机控制系统
毕业论文(设计)
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指导教师
职称
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目录................................................Ⅰ摘要................................................ⅢAbstract............................................Ⅳ1.设计背景...........................................1
2.单片机概述.........................................2
2.1单片机系统概述.......................................2
2.2AT89C51功能概述.....................................2
2.2.1功能引脚说明...........................................3
2.2.2时钟振荡器.............................................5
3.步进电机...........................................6
3.1步进电机简介.........................................6
3.2步进电机原理及控制技术...............................7
4.总体设计..........................................11
4.1总体设计思路及方框图................................11
4.2设计方案论证........................................11
5.硬件设计..........................................12
5.1控制电路............................................12
5.1.1设计思路..............................................12
5.1.2设计电路图............................................12
5.2最小系统............................................13
5.2.1概述..................................................13
5.2.2设计电路图............................................13
5.3驱动电路............................................14
5.3.1概述..................................................14
5.3.2设计电路图............................................14
5.3.3ULN2803简介..........................................14
5.4显示电路............................................15
5.4.1概述..................................................15
5.4.2电路图................................................15
6.总体电路图........................................16
7.软件设计..........................................17
7.1主程序设计..........................................17
7.2定时中断程序设计....................................19
7.3外部中断程序设计....................................20
8.总结..............................................21
参考文献............................................22
附录................................................23
致谢................................................27
摘要
本文介绍了单片机控制步进电机的系统。
在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。
本系统的硬件组成主要有:
51系列单片机、ULN2803驱动电路等。
同时对系统设计中所用到的一些软件都进行了介绍。
本系统用51系列单片机和L298N电机驱动芯片并加入了键盘来控制步进电机实现转向、转速等。
系统中使用的是混合式二相步进电机,相应的驱动和控制电路对于其整体性能起着非常重要的作用。
经系统调试,能够很好的控制步进电机的正反转、加减速,从而达到预期目的。
整个系统具有结构简单、可靠性高、成本低和实用性强等特点,具有较高的通用性和应用推广价值。
关键词:
51系列单片机ULN2803驱动电路正反转
Abstract
Thispaper,weintroducesasteppermotorsystemwhichcontrolledbySCM.IntheElectricaleratoday,Motorhasbeenplayingaveryimportantroleinthemodernizationofproductionandlife.Steppermotorisacommonusedimplementingagencyinmotorcontrol.Theprincipleisbyswitchingthecoilcurrentandtheorderinitseachphasetomakeastep-by-steprotarymotor.Thehardwareofthesystemincluding:
51seriesSCM,ULN2803drivingcircuit,etc.Atthesametimesomeofthesoftwarethatusedinsystemdesigningareintroduced.Thesystemused51SCMandL298Nmotordrivechipandjoinedthekeyboardtocontrolthesteppermotortoachievethedirectionandspeedofrotation,etc.ATwo-phasehybridsteppingmotorisusedinthesystem.Thecorrespondingdriveandcontrolcircuitplaysaveryimportantroletoitsoverallperformance.
Thoughsystemtesting,itcanbeveryconvenienttocontrolthesteppermotor,suchasacceleration,deceleration,soastoachievethedesiredobjectives.Thewholesystemissimpleinstructurewithcharacteristicsofhighreliability,lowcostandpracticalitywhichhasahigheruniversalcharacteristicandthepromotionalandappliedvalue.
Keywords:
51SCMULN2803drivingcircuitPositiveandreversalrotation
1.设计背景
电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单,价钱比较低廉,所以其应用的越来越广泛,以后在速度、位置等领域,利用单片机控制实现其控制效果,会陆续的占有一席之地。
2.单片机概述
2.1单片机系统概述
随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步,电路系统向着集成度极高的方向发展。
CPU的生产制造技术,也朝着综合性、技术性、实用性发展。
如CPU的运算位数从4位、8位……到32位机的发展,运算速度从8MHz、32MHz……到1.6GHz。
可以说是日新月异的发展着。
其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。
单片机控制系统是以单片机(CPU)为核心部件,扩展一些外部接口和设备,组成单片机工业控制机,主要用于工业过程控制。
要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识;其次,需要具有一定的软件设计能力,能够根据系统的要求,灵活地设计出所需要的程序;第三,具有综合运用知识的能力。
最后,还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法,以及被控对象的动、静态特性,有时甚至要求给出被控对象的数学模型。
2.2AT89C51功能概述
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和128bytes的随机存取数据存储器,器件采用公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元,功能强大。
此单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
AT89C51提供以下标准功能:
4K字节FLASH闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个向量两级中断结构,一个全双工串行通讯口,内置一个精密比较器,片内振荡器及时钟电路,同时AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的工作模式,空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时计数器,串行通信及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作,并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
2.2.1功能引脚说明
MCS-51是标准的40脚双列直插式集成电路芯片,引脚排列请参见图1。
图1
VCC:
电源电压;
GND:
地;
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写1可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在FLASH编程时,P0口接受指令字节,而在程序效验时,输出指令字节,效验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写1,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流。
FLASH编程和程序效验期间,P1接收低8位地址。
P2口:
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑们电路。
对端口写1,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。
FLASH编程或效验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3口:
P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑们电路。
对端口写1,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是他的第二个功能,如表1所示:
表1
端口引脚
功能特性
P3.0
RXD(串行口输入)
P3.1
TXD(并行口输入)
P3.2
INT0(外部中断0)
P3.3
INT1(外部中断1)
P3.4
T0(定时计数外部输入0)
P3.5
T1(定时计数外部输入0)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器读选通)
P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序效验的控制信号。
RST:
复位输入。
其引脚一旦变成两个机器周期以上的高电平,所有的I/O口都将复位到1状态,当振荡器正在工作时,持续两个机器周期以上高电平便可完成复位,每个机器周期为12个振荡时钟周期。
EA/VPP:
外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平接地,需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位是内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
FLASH存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源VPP,当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器输出端
2.2.2时钟振荡器
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈器件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器,振荡电路参见图2。
外接石英晶体或陶瓷振荡器及电容C1,C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1,C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低,振荡器工作的稳定性,起振得难易程度及温度稳定性,如果使用石英晶体,推荐电容使用30PF±10PF,而如使用陶瓷振荡器建议选择40PF±10PF。
图2
3.步进电机
3.1步进电机简介
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。
步进电机分三种:
永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB),步进电机又称为脉冲电机,是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动,反转和制动的执行元件,其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移,由于开环下就能实现精确定位的特点,使其在工业控制领域获得了广泛应用。
步进电机的运转是由电脉冲信号控制的,其角位移量或线位移量与脉冲数成正比,每个一个脉冲,步进电机就转动一个角度(不距角)或前进、倒退一步。
步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定,所以,也有人称步进电机为数字/角度转换器。
1四相步进电机的工作原理
该设计采用了20BY-0型步进电机,该电机为四相步进电机,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,就能使步进电机转动。
当某一相绕组通电时,对应的磁极产生磁场,并与转子形成磁路,这时,如果定子和转子的小齿没有对齐,在磁场的作用下,由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,则转子将转动一定的角度,使转子与定子的齿相互对齐,由此可见,错齿是促使电机旋转的原因。
2步进电机的静态指标及术语
相数:
产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数,常用m表示。
拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB,四相八拍运行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。
步距角:
对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。
Θ=360度(转子齿角运行拍数),以常规二、四相,转子齿角为50齿角电机为例。
四相运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度,八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度。
定位转矩:
电机在不通电的状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)。
静转矩:
电机在额定静态作业下,电机不做旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比,与定子和转子间的气隙有关。
但过分采用减小气隙,增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
3四相步进电机的脉冲分配规律
目前,对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。
本设计利用单片机进行控制,主要是利用软件进行环形脉冲分配。
四相步进电机的工作方式为四相单四拍,双四拍和四相八拍工作的方式。
各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图3所示。
本设计的电机工作方式为四相单四拍,根据步进电机的工作的时序和波形图,总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律,四相双四拍的脉冲分配规律,在每一种工作方式中,脉冲的频率越高,其转速就越快,但脉冲频率高到一定程度,步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象,所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。
图3
表2四象单四拍脉冲分配表表3四象双四拍脉冲分配表
A
B
C
D
N
1
0
0
0
N+1
0
1
0
0
N+2
0
0
1
0
N+3
0
0
0
1
A
B
C
D
N
1
1
0
0
N+1
0
1
1
0
N+2
0
0
1
1
N+3
1
0
0
1
3.2步进电机原理及控制技术
由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件,它不能直接接到交直流电源上,而必须使用专业设备----步进电机控制驱动器,典型步进电机控制系统如图1所示:
控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号,它为环形分配器提供脉冲序列,环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后,经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端,以驱动步进电机的转动,环形分配器主要有两大类:
一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能,通常称软环形分配器。
另一类是用硬件构成的环形分配器,通常称硬环形分配器。
功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大,以达到驱动步进电机的目的,步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。
从结构上看,步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种,其基本原理如下:
(1)换相顺序的控制
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如,三相步进电机在单三拍的工作方式
下,其各相通电顺序为A→B→C→A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。
三相双三拍的通电顺序为AB→BC→CA→AB,三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。
(2)步进电机的换向控制
如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。
若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A→AB→B→BC→C→CA→A。
如果按反序通电换相,即A→AC→C→CB→B→BA→A,则电机就反转。
其他方式情况类似。
(3)步进电机的速度控制
如果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。
调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调试。
(4)步进电机的起停控制
步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感。
为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,跳过电机运行的平稳性。
在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。
(5)步进电机的加减速控制
在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和失步现象。
所有步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时波形有减速过程。
理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。
选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。
在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。
步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”,于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。
电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。
加速过程有突然施加的脉冲启动频率f0。
步进电机的最高启动频率(突跳频率)一般为0.1KHz到3~4KHz,而最高运行频率则可以达到N*102KHz,以超过最高启动频率的频率直接启动,会产生堵转和失步的现象。
图4步进电机运行过程中频率变化曲线
在一般的应用中,经过大量实践和反复验证,频率如按直线上升或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。
用PLC实现步进电机的加P减速控制,实际上就是控制发脉冲的频率。
加速时,使脉冲频率增高,减速则相反。
如果使用定时器来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。
速度从v1~v2变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加P减速;如果是突变,则按阶梯加速处理。
在此过程中要处理好两个问题:
①速度转换时间应尽量短。
为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法。
结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率,就可以建立一个连续的数据表,
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