基于单片机多功能控制步进电机设计.docx
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基于单片机多功能控制步进电机设计.docx
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基于单片机多功能控制步进电机设计
学生姓名
王雨田
专业班级
电信1102
指导教师
桂玲
工作单位
信息系
设计(论文)题目
基于单片机多功能控制步进电机设计
设计(论文)主要内容:
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载情况下,电机的转速、停止的位置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。
由于这一关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,特别是计算机技术在各个领域的普及应用,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
要求完成的主要任务及其时间安排:
第1系统的硬件模块:
包括控制模块、显示模块、按键模块。
通过单片机的I/O口驱动液晶显示器,通过数据口使液晶显示器显示,当有键按下的时候,单片机读取键值,按照按键的功能进入相应的状态。
2程序模块:
运用C语言写控制程序代码。
3功能验证:
本系统设计要能通过Proteus仿真软件的验证。
第3-5周写开题报告,查阅相关的资料图书;
第5-12周硬件电路情况;程序编写;软件调试;实验现象观察;参数修改,记录相关数据;
结题;
第13周编写报告初稿;
第14周对学生的毕业设计初稿一一进行中期检查,指出设计中存在的问题,提出具体的修改意见,不符合要求的进行重点指导和修改;
第15周交出完整报告。
必读参考资料:
[1]杨宁,胡学军.单片机与控制技术.北京:
航空航天大学出版社,2005-03:
306-322.
[2]雷海波.杨新.用微机和单片机控制步进电机的走动.北京:
清华大学出版社,2000,530-532.
[3]戴佳.单片机C51语言应用程序设计.北京:
电子工业出版社2006.7.168-169
[4]黄灼尧.单片机控制步进电机的方法研究与应用.广东大学出版社,2001.132-138.
指导教师签名:
教研室主任签名:
毕业设计(论文)开题报告
题目
基于单片机多功能控制步进电机设计
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析):
目的:
综合运用所学的《单片机原理与应用》理论知识,通过实践加强对所学知识的理解,具备设计单片机应用系统的能力,以单片机为核心设计一个步进电机控制系统,要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速,并在LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。
意义:
(1)了解单片机的内部结构、组成,学习单片机的工作原理以及内部工作状态,并熟悉在不同时刻,单片机的输入输出情况。
(2)了解步进电机的分类和用途,掌握步进电机的内部结构以及工作原理,并学习使用单片机简单控制步进电机的正传、反转、加速、减速,以及简单了解国内外不仅点击的发展状况。
(3)使用keil和proteus等软件进行系统的仿真,锻炼自己的编程能力,并通过软件的调试纠正自己编程的缺点。
(4)步进电动机是用电脉冲信号进行控制将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制及制动等,并且用其组成的开环系统既简单、廉价又非常可行,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电动机的需求量与日俱增,研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。
国内外研究现状和发展趋势
步进电机是国外发明的。
中国在文化大革命中已经生产和应用,例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产,而且都在各行业使用,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。
国外在大功率的工业设备驱动上,目前基本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电路的成本.效率.噪音.加速度绝对速度.系统惯量与最大扭矩比来比较,比较不划算,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。
国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用,除了前面提到的旋转编码器、打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机,实现闭环直线位移控制。
(2)国内过去是用大力矩步进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。
总的来说,步进电机是一种简易的开环控制,对运用者的要求低,不适合在大功率的场合使用。
卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环形力矩电在高品质的控制场合,有时还不能使用步进电机。
步进电机的细分控制在改革开放初期,国内就已经基本掌握这与交流电动机的矢量控制相比,难度要低得多。
2.基本内容和技术方案:
基本内容:
1.步进电机的工作原理
2.说明单片机对步进电机实现控制的方法
3.控制系统的硬件设计
4.要求能控制步进电机的转速.转向等
技术方案:
1、系统的硬件模块:
单片机部分、时钟部分、控制驱动部分、显示部分。
(1)单片机的选择:
51系列单片机(AT89C51):
集成度高,可靠性强,系统结构简单,价格低廉,易于使用。
(2)时钟选择:
单片机定时器
(3)驱动电路的选择:
L298、L297为H桥驱动芯片
(4)显示电路选择:
LCD液晶显示
2、程序模块:
运用C语言写控制程序代码。
3、功能验证:
本系统设计要能通过Proteus仿真软件的验证。
3.进度安排:
第3-5周写开题报告,查阅相关的资料图书;
第5-12周硬件电路情况;程序编写;软件调试;实验现象观察;参数修改,记录相关数据;
结题;
第13周编写报告初稿;
第14周对学生的毕业设计初稿一一进行中期检查,指出设计中存在的问题,提出具体的修改意见,不符合要求的进行重点指导和修改;
第15周交出完整报告
4.指导老师意见:
指导教师签名:
2014年4月4日
注:
1.开题报告应根据教师下发的毕业设计(论文)任务书,在教师的指导下由学生独立撰写,在毕业设计开始后三周内完成;
2.设计的目的及意义至少800字,基本内容和技术方案至少400字;
3.指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发,阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题,达到预期的目标。
郑重声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
本人签名:
日期:
目录
摘要·………………………………………………………………………………………………………1
Abstract………………………………………………………………………………………………………2
1绪论……………………………………………………………………………………………………………3
2设计方案……………………………………………………………………………………………………3
2.1步进电机原理………………………………………………………………………………………………3
2.2系统设计思路·……………………………………………………………………………………………4
2.3方案论证··………………………………………………………………………………………………4
3硬件方案·……………………………………………………………………………………………………5
3.1单片机的选择··…………………………………………………………………………………………5
3.2驱动电路·…………………………………………………………………………………………………5
3.3显示电路··…………………………………………………………………………………………………6
3.4时钟电路··…………………………………………………………………………………………………7
3.5系统总电路·………………………………………………………………………………………………7
4软件设计··…………………………………………………………………………………………………8
4.1程序选择··………………………………………………………………………………………………8
4.2系统软件开发环境··……………………………………………………………………………………8
5调试··………………………………………………………………………………………………………8
5.1开始··……………………………………………………………………………………………………8
5.2速度可调··………………………………………………………………………………………………9
6结论··………………………………………………………………………………………………………10
参考文献·……………………………………………………………………………………………………11
附录··………………………………………………………………………………………………………12
致谢··…………………………………………………………………………………………………………20
摘要
设计首先介绍了AT89C51单片机,L297和L298驱动电路及步进电机的基本原理与功能。
其次,设计步进电机实现起停、转向、速度、位置变化的控制方案;再次,在这些器件功能与特点的基础上,拟出设计思路,构建系统的总体框架;最后利用Proteus软件绘出电路图,同时写出设计系统的运行流程和相关程序。
整个系统通过写入单片机中的程序分配好控制字的存储单元以及相应的内存地址赋值;启动系统后,从单片机的I/O口输出控制脉冲,经过L297、L298驱动电路对脉冲进行处理,输出能直接控制步进电机的脉冲信号。
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:
AT89C51单片机;L297; L298; 步进电机
ABSTRACT
DesignoftheMCUtoRealizestheControlofManySteppingMotors
Abstract:
ThepaperfirstlyintroducesbasicprinciplesandfunctionsofAT89C51MCU,L297L298drivecircuitsandsteppingmotor,secondlydesignsthecontrolplanofsteppingmotortorealizestartingandstopping,turningaround,speeding,andpositionchanges,thirdlyproducesthethoughtofdesignandbuildstheframeofsystembasedontheprinciplesandfunctionsofthesecomponents,lastlydesignscircuitdiagraminPROTEUSandliststheoperatingprocessofdesignsystemandrelatedprograms.ThewholesystemdistributessavedunitsandcomposesvaluesaccordtocorrespondingmemoryaddressesthroughtheprogramswritteninMCU.Afterstartingthesystem,I/OinterfaceofMCUoutputscontrolpulses,whicharehandledbyL297andL298drivecircuits,thenoutputspulsesignalswhichcandirectlycontrolsteppingmotors.Inthisfoundation,theMCUredistributestheI/OresourcesandaddsupthenumberofdrivechipsofL297andL298,inthemeantimethedesigncanrealizemanysteppingmotorsindependentstartingandstopping,turningaround,speeding,andpositionchangesintheload'scapability.
Thoughsystemtesting,itcanbeveryconvenienttocontrolthesteppermotor,suchasacceleration,deceleration,exigencystopsoastoachievethedesiredobjectives.Thewholesystemissimpleinstructurewithcharacteristicsofhighreliability,lowcostandpracticalitywhichhasahigheruniversalcharacteristicandthepromotionalandappliedvalue.
Keywords:
AT89C51MCU;L297;L298;steppingmotor
1绪论
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,其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。
步进电动机的突出优点是它可以在宽广的频率范围内,可以利用改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转控制及制动等,并且由其组成的开环系统简单、廉价、可靠,因此在众多领域有着极其广泛的应用。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的控制电机。
目前,数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展,推动了步进电机的发展。
本设计针对目前各个领域对自动化的需要,采用AT89C51单片机与L297,L298驱动芯片驱动多台步进电机同时独立工作,将它应用于各种复杂的控制领域,能使许多半自动控制的系统完全成为真正的全自动,特别是用在机器人等领域,能极大的提高生产力和降低劳动强度。
由于步进电机具有快速启动、精确步进和定位等特点,因而在数控机床,绘图仪,打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。
设计要求
本设计主要研究单片机控制步进电机,对步进电机的转速、转向进行控制和显示。
该系统的主要技术参数
(1)系统供电电源:
电压:
12V、5V;额定电流:
0.5A。
(2)驱动电源输出:
四相把牌方式。
该系统要实现的主要功能:
(1)能实现步进电机的正转、反转控制。
(2)能实现步进电机的转速控制。
2设计方案
2.1步进电机的步进原理
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。
说通俗点,就是给一个电脉冲,步进电动机就转动一个角度或者前进一步,因此,步进电机也称脉冲电动机。
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。
步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,因此非常适合于单片机控制。
步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比,它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。
在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。
通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速,并能进行快速启动、制动和反转。
步进电机可分为反应式步进电机(简称VR)、永磁式步进电机(简称PM)和混合式步进电机(简称HB)。
步进电机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。
其基本原理作用如下:
(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A-B-C-D,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,则电机就反转。
(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。
2.2系统设计思路
图2.1
2.3方案论证
由于本系统是基于单片机的步进电机系统,实际上是设计步进电机的驱动电路,而设计电机的驱动电路有一个必须遵循的原则:
先选择步进电机后进行驱动电路的设计。
方案一:
使用分立元件驱动步进电机
以往步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成,不仅调试安装复杂,要消耗大量元器件,而一旦成型后,要改变控制方案就得重新设计电路。
,所以不采取该方案。
方案二:
使用CH250芯片驱动步进电机
在这种形式里,脉冲分配器(CH250),驱动电路由硬件完成。
单片机只提供步进脉冲和正,反转控制信号,步进脉冲的产生与停止,步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。
但相比于用软件代替脉冲分配器的方式来说,硬件一旦确定下来,不易更改,更主要的是此种芯片已经在市面上买不到了,所以不采取该方案。
方案三:
使用L298、L297为H桥驱动芯片
L297芯片是具有20个引脚的双列直插式塑胶封装的步进电动机控制器(包括集成的硬件环形分配器)。
它可产生四相驱动信号,能用半步(八拍)和全步(四拍)等方式驱动单片机控制两相双极或四相单极步进电机。
该芯片内部的PWM斩波器允许在关模式下控制步进电动机绕组电流,由于相序信号也是由内部产生的,因此它只需要时钟、方向和模式输入信号便能控制步进电动机,可减轻微处理器和程序设计的负担。
L297单片步进电动机控制器集成电路的核心是脉冲分配器,L297还设有两个PWM斩波器来控制线绕组电流,实现恒流斩波控制,以获得良好的转矩—-频率特性。
L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。
使用L298芯片驱动电机,该芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,可以直接通过电源来调节输出电压;并可以直接用单片机的I/O口提供信号;而且电路简单,使用比较方便,所以采取该方案。
综上所述,选择方案三。
3硬件方案
3.1单片机的选择
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)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复擦除1000次。
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和闪速存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机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。
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5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,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节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口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。
3.2驱动电路
本设计的目的是实现单片机能实现1台步进电机的起/停、转向、加/减速和位置控制。
在熟悉好各芯片的性能特点后,接下来就是分配好各芯片的控制任务。
单片机主要完成脉冲的分配,使步进电机按照设定的方式运转,通过程序设定,从单片机的I/O口输出一系列有规律的脉冲信号;由于直接输出的脉冲信号驱动功率有限,很难直接驱动步进电机运转,所以必须经过驱动器进行脉冲放大,本设计采用的L297与L298芯片能解决这个问题,它可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机。
利用单片机程序分配好控制字的存储单元,以及相应的内存地址赋值,使单片机能控制步进电机的起停、换向顺序、速度和位置变化。
驱动电路设计见下图3.1
图3.1驱动电路
3.3显示电路
LCDLM016L通过D0-D7的8位数据端传输数据和指令,电路接口设计如下,P2.0,P2.1和P2.2作为控制信号的输出端。
图3.2显示电路
3.4时钟电路
单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准,时钟信号通常用两种电路形式得到:
内部震荡和外部震荡。
51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端,由于采用内部方式时,电路简单,所得的时钟信号比较稳定,实际使用中采用这种方式。
如图C1,C2构成并联谐振电路,他们起稳定振荡频率,快速起振的作用,晶振频率为12MHz。
图3.3时钟电路
3.5系统总电路图
系统的总电路设计此电路由一块AT89C51,1块L297、1块L298、1台4相4拍步进电机器以及相关的电路组成。
利用单片机1个并行I/O口的部分引脚(P0.0~P0.6,P1.0.~P1.6,P2.0~P2.6)连接驱动芯片,各个端口直接与驱动芯片L297直接相连,L297与L298共用一个+5V的电源,输出+12V的步进电机驱动电压;L298的2、3、13、14四个输出引脚直接与一个四相四拍的步进电机相连。
图3.4系统总电路图
4软件设计
本课题中,用C语言编程,从而达到本课题的最终目的。
在Keil中运行,生成一个“.hex”文件。
4.1程序选择
本设计中采用的处理器是AT89C51单片机,由此可采用汇编语言或C语言,但考虑到C语言的如下特点,采用C语言编写。
(1)简洁紧凑,灵活方便;
(2)运算符丰富;
(3)数据结构丰富;
(4)C语法限制不太严格,程序设计自由度大;
(5)C语言允许直接访问物理地址,可以直接对硬件进行操作;
(6)C语言生成代码质量高,程序执行效率高。
4.2系统软件开发环境
与以往的80C51
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- 关 键 词:
- 基于 单片机 多功能 控制 步进 电机 设计