基于51单片机步进电机的控制系统的设计参考资料.docx
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基于51单片机步进电机的控制系统的设计参考资料.docx
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基于51单片机步进电机的控制系统的设计参考资料
哈哈大学学院毕业设计(论文)
在自动化密集的的场合会有很多被控资料只可借鉴,不可抄袭2012年
元件如继电器,微型电机,风机,电磁阀,空调,水处理等元件及设备,这些设备通常由CPU所集中控制,由于控制系统不能直接驱动被控元件,这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流,电压。
ULN2XXXX高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件,由于这类器件功能强、应用范围语广。
因此,许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品,从而形成了各种系列产品。
原理:
LN2003也是一个7路反向器电路,即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平,继电器得电吸合。
如图九所示
功能特点:
高电压输出50V, 输出钳位二极管,输入兼容各种类型的逻辑电路,应用继电器驱动器
ULN200X逻辑图
资料只可借鉴,不可抄袭2012年
基于51单片机步进电机的控制系统的设计
2012本资料只可借鉴,不可抄袭。
为学生打造毕业资料,谢谢参考。
系(部):
信息工程系
专业:
自动控制
第一部分毕业设计(论文)开题报告
第二部分设计说明书
资料只可借鉴,不可抄袭2012年
2011年3
毕业设计(论文)开题报告
(2011届)
系(部):
信息工程系
专业:
自动控制
学号:
2008
学生姓名:
资料只可借鉴,不可抄袭2012年
指导教师:
资料只可借鉴,不可抄袭2012年
讲师
2012年4月5日
基于单片机步进电机的控制系统开题报告
一.本文研究的意义和目的资料只可借鉴,不可抄袭2012年
本设计主要援用51单片机控制六线4项步进电机系统,友单片机产生驱动脉冲型号,控制步进电机以一定的转速向某一方向产生一定的转动角度。
同时能够利用单片机的正、反转及速度控制,并能在数码管上显示相应的速度。
设计单片机对于步进电机控制的意义在于:
1、单片机对步进电机控制可以熟悉步进电机的原理和应用。
2、单片机对步进电机控制可以熟悉单哦就功能已经原理、构造。
3、通过本选题能运用所学基本理论知识、专业技能来对问题进行分析,思考,解决,提高对专业知识的掌握以及锻炼逻辑思维能力。
二.研究的依据资料只可借鉴,不可抄袭2012年
步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一,是一种性能良好的数字执行元件,随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入,步进电机的需求量越练越大。
随着工业技术的不断发展,以及同类产品的不断出现,步进电机面临着前所未有的挑战。
但近30年来,数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展,推动步进电机的发展,为步进电机的应用开辟了广阔的前景,近几年来,步进电机需求量一直呈现出较快的增长速度,其中扫描仪、打印机、传真、DVD-ROM/CD-ROM驱动器、空调及多功能自动化办公设备等应用对步进电机的需求增长最强。
此外由于USB2.0的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售,步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。
步进电机有着方方面面重要应用,如何对其进行有效控制,使其能够发挥最大的优势是各个行业技术开发人员所共同关注的,本次设计了一套简单的通用控制系统,对步进电机的转速资料只可借鉴,不可抄袭2012年
、方向实行手动控制,并能通过数码管显示其转速。
步进电机是将电脉冲星号转变为角位移或线线位移的开环控制原件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止位置只取决于脉冲星号的频率和脉冲数,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误差而无累计误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。
虽然步进电机已经被广泛地应用,但步进电机并不向普通的直流电机、交流电机在常规下使用。
它必须由双环性脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
目前步进电机在工业控制生产以及仪器上应用十分广泛。
通常都要对一些机械部件平移和转动,对资料只可借鉴,不可抄袭2012年
移动的位移和角度控制要求较高,一般的电机很难实现对位置和角度的精确控制,在一些智能化要求较高的场合,用模拟芯片控制器及信号发生器来控制有一定局限性。
而且单片机控制步进电机可以改善性能,步进电机能实现精确的角度和转数,具有良好的步进特性,最适合数字控制。
在工控设备中得到广泛的应用。
而单片机具有芯片体积小,兼容性强,低电压了,低功耗等特点,使得单片机成为驱动步进电机的最佳空盒单元。
所以单片机控制步进电机系统控制精度高,运行稳定,得以广泛运用。
三.本文研究内容
本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制,采用单片机AT89C52和脉冲分配器PMM8713控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制,正反转控制。
四.本文研究思路
1、了解单片机本身内部应有的资源,如:
中断、定时器、计数器、I\O的使用。
2、了解步进电机的工作原理和作用。
3、根据步进电机的原理,分析并分配单片机内部资源,并根据单片机的资源,来实现硬件电路的设计以及软件程序的编写。
4.、对于自己不熟悉的东西,查阅资料。
5、在设计好单片机步进电机时,要学会分析电路中出现的问题,并好好总结。
五、设计进度安排
第1周:
查阅参考文献和相关资料。
第2周:
通过反复阅读、揣摩参考文献和相关资料,弄清楚研究对象的基本原理。
第3-4周:
完成论文初稿。
第5-11周:
递交初稿,并在指导老师的帮助下,完成论文的修改,确定终稿。
第12周:
再次检查、确认终稿符合要求后,打印,递交正式论文,同时准备论文答辩。
4.指导教师意见。
指导教师:
年月日
教研室意见
教研室主任:
年月日
说明:
开题报告作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一,此报告应在导师指导下,由学生填写,将作为毕业设计(论文)成绩考查的重要依据,经导师审查后签署意见生效。
湖南工程职业技术学院
HUNANENGINEERINGPOLYTECHNIC
毕业设计(论文)设计说明书
(2011届)
系(部):
信息工程系
专
2011年4月5日
摘要
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步进电机件。
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,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
本文应用单片机AT89C52和脉冲分配器PMM8713,步进电机驱动器,光电隔离器4N25等,构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。
通过AT89C52和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式,实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。
整个系统采用模块化设计,通过人机交互换接口可实现各功能设置,操作方便,结构简单。
该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。
关键词:
步进电机;单片机控制;AT89C51步距角
第一章步进电机的介绍10
1.1步进电机的概念10
1.2步进电机的结构及其分类11
1.3步进电机的工作原理12
1.4步进电机的特点13
1.5步进电机的优缺点14
第二章单片机的相关知识15
2.1单片机简介15
2.2单片机的特点17
2.3单片机技术的发展18
第三章单片机步进电机控制系统的硬件设计19
3.1步进电机的选择19
3.2单片机的选择20
3.3单片机步进电机驱动的选择29
第四章系统程序及分析34
4.1正反转程序流程图34
4.2程序设计34
4.3程序驱动39
结论41
致谢43
参考文献44
第1章步进电机的介绍
1.1步进电机运动控制系统的组成
步进电机又称脉冲电动机。
它采用变磁阻原理产生电磁转矩,将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。
每输入一个脉冲,旋转式步进电机的输出轴转动一次。
因此当输入一串脉冲序列时,输出轴就以等量的转角响应该输入序列,输出的步数等于输入脉冲个数。
转速与输入脉冲频率成正比。
步进电机与一般伺服电动机比较,其特点是:
可以实现直接数字控制,在开环系统中可以达到高精度的定位和调速,位置误差不会积累。
因此,步进电机是开环数控的理想执行元件,在数控机床,计算机外部设备(如打印机、绘图仪、磁盘驱动器等),自动记录仪表,以及过程控制系统等方面获得了广泛的应用。
步进电动机运动控制系统是一种开环控制系统。
它的组成包括运动控制软件、脉冲分配器、驱动电路、步进电动机以及传动装置等。
1.2步进电机的分类及工作原理
步进电动机按形状区分,有旋转式和直线式。
按励磁相数来分,步进电动机有两相、三相、四相、五相和六相。
根据工作原理原理来分,步进电动机分为反应式、永磁式和混合式三种。
反应式步进电机步进电动机的定子和转子均由硅钢片组成,定子上有若干对磁极,磁极上有控制绕组。
在转子的圆柱面上均匀分布有小齿。
依靠定子与转子之间的气隙磁场吸力的作用,产生电磁转矩,使转子向气隙磁场减小的位置方向转动。
这种类型的步进电动机结构简单,启动和运行时频率较高。
缺点是消耗功率较大,断电时无定位转矩。
永磁式步进电机永磁式步进电动机的定子极上有两组或多组控制绕组,转子为一对或多对极的星形永久磁钢。
转子的极数与定子每相的极数相同。
由于转子为永久磁钢,永久式步进电动机断电时有定位转矩,消耗功率较小。
但是这种步进电动机步距角较大7.5度到18度,起动和运行频率低,并需要正、负脉冲供电。
混合式步进电动机其综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,它的步距角小,出力大,动态性能好,是目前性能最高的步进电动机。
它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
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。
步进电动机工作原理
电机的U1、V1、W1接电源,分别有三个开关控制,U2、V2、W2分别接地。
步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器 。
以反应式步进电机为例:
如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。
如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3π,此时齿3与C偏移为1/3π,齿4与A偏移(π-1/3π)=2/3π。
如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3π,此时齿4与A偏移为1/3π对齐。
如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3π这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3π,向右旋转。
如按A,C,B,A……通电,电机就反转。
由此可见:
电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3π改变为1/6π。
甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3π变为1/12π,1/24π,这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出:
电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。
工作方式(三相)
1.单三拍:
通电顺序为ABC;
2.双三拍:
通电顺序为ABBCCA;
3.三相六拍:
通电顺序为AABBBCCCA
这三种工作方式的区别,如下表所示:
反应式步进电机三种工作方式的性能比较
工作方式
单三拍
双三拍
六拍
步进周期
T
T
T
每相通电时间
T
2T
3T
走齿周期
3T
3T
6T
相电流
小
较大
最大
高频性能
差
较好
较好
转矩
小
中
大
电磁阻尼
小
较大
较大
振荡
容易
较容易
不容易
功耗
小
大
中
步进电动机的特点
(1)一般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最高温度。
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,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)。
步进电机以其显著的特点,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发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。
第2章单片机的相关知识
2.1单片机的简介
单片机是续计算机出现之后,并随着电器时代大到来,人们借助电气技术想实现了自动控制机械,自动生产线甚至自动工厂,但依靠计算机去完成每一个自动的过程,反而有些复杂以及资源的乱费;所以用更方便,更微小,更智能的微型处理器来处理工业现场的测控领域,控制领域,有着重大意义;更何况目前,彩电,冰箱,空调,录像机,VCD,遥控器,游戏机,电饭煲等无处不见单片机的影子,所以单片机将会更满足我们的生活,会更取代大型的计算机。
现在单片机主要按用途,大体上可分为两大类:
1--通用型单片机2--专用型单片机
专用型单片机是指用途比较专一,出厂时程序已经一次性固化好,不能再修该的单片机。
例如电子表里的单片机就是其中的一种。
其生产成本很低。
通用型单片机的用途很广泛,使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。
小到家用电器仪器仪表,大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。
通用型单片机按位数分有4位机,8位机,16位机和32位机等等.按厂家分种类就更多,我国目前最常用的单片机有如下几家:
Intel---------(MCS51系列,MCS96系列)
Atmel-------(AT89系列,MCS51内核)
Microchip---(PIC系列)
Motorola----(68HCXX系列)
Zilog--------(Z86系列)
Philips------(87,80系列,MCS51内核)
Siemens-----(SAB80系列,MCS51内核)
NEC---------(78系列)
Epson--------(系列)
而现在单片机主要包括:
中央处理器、存储器、特殊功能寄存器。
对于其内部资源各功能都体现一台计算机,如:
A 中央处理器
中央处理器是由运算部件和控制部件组成。
a,运算部件包括:
算术逻辑部件ALU,布尔处理器,累加器ACC,寄存器B,程序状态字PSW等等,该部件实现的功能是:
数据的算术,逻辑运算,位变量的处理和数据传送。
b,控制部件包括:
定时控制逻辑,指令寄存器,译码器以及信息传送控制部件等等。
B 存储器
存储器包括:
程序存储器和数据存储器。
1,MCS51内部有4K的程序存储器,如果在实际运用中内存不够的话,可以在此基础上扩展到64K大小,对于程序员来讲,无论是内部的EPROM,还是扩展的程序存储器是没有什么区别的,在MCU内部有一个十六位的程序记数器PC可以寻址片内及片外的EPROM。
2,MCU51有128字节的RAM,也可以外接RAM电路,是数据存储器的容量达到64K字节如图:
在00H--1FH单元:
共32字节的缓冲区,分为四组,每组为8个工作寄存器R0--R7,由PSW.3和PSW.4决定使用哪个组。
若在实际使用中,不需要四组工作寄存器的话,那么这个区域的多余的单元可以作为一般的数据缓冲器使用。
在20H--2FH单元:
共16字节的缓冲区,其中每一个字节的每一位都有一个位地址,他们占据地址空间0--7FH,一般在这个16*8位的单元里,用于存放各种程序标志,位控制变量。
在30H--7FH单元:
是数据缓冲区,在中断系统中,往往需要一个堆栈来保护CPU的现场,这个堆栈一般设在30--7FH单元里,并且栈指针SP指出栈顶的位置。
但是复位以后(SP)为07H,所以一般应对SP初始化。
总结:
内部RAM中,除了作为工作寄存器,位标志和堆栈区以外的单元,都可以数据缓冲区使用,存放输入的数据或运算的结果。
C。
特殊功能寄存器(如图)资料只可借鉴,不可抄袭2012年
特殊功能寄存器包括:
I/O锁存器,串口数据缓冲器,定时/记数器,以及各种控制寄存器和状态寄存器。
2.2单片机的特点
单片微型计算机(Single-ChipMicrocomputer),简称单片计算机.就是将CPU,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机.
※其主要特点如下:
2.2.1片内存储容量较小:
原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB.
2.2.2可靠性高:
因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机.
系统软件(如:
程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏.
许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠.
2.2.3便于扩展:
片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统.
2.2.4控制功能强:
具有丰富的控制指令:
如:
条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令.
2.2.5实用性好:
体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.
2.3单片机的发展
第1阶段(1971年—1978年),资料只可借鉴,不可抄袭2012年
以MCS-48系列为代表,称4位单片机.
在片内:
CPU有4位或8位;ROM有1KB或2KB;RAM有64B或128B;只有并行接口,无串行接口;只有1个8位的定时/计时器;中断源只有2个.在片外:
寻址范围只有4KB;芯片引脚有40个.
第2阶段(1978年—1983年),以MCS-51系列为代表,称8位单片机.
在片内:
CPU有8位;ROM有4KB或8KB;RAM有128B或256B;有串/并行接口;有2个或3个16位的定时/计时器;中断源有5至7个.
在片外:
寻址范围有64KB;芯片引脚有40个.
第3阶段(1983年以后),以MCS-96系列为代表,称16位单片机.
在片内:
CPU有16位;ROM有8KB;RAM有232B;有串/并行接口;有4个16位的定时/计时器;中断源有8个;增加了D/A和A/D转换电路.
在片外:
寻址范围有64KB;芯片引脚有48个或68个.
第3章单片机步进电机控制系统的硬件设计
3.1步进电机的选择
在生产或使用中步进电机主要由步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。
所以选择好步进电机,主要选择步进电机的三大要素;一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。
3.1.1步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。
电机的步距角应等于或小于此角度。
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度(三相电机)等。
3.1.2、静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行进只要考虑摩擦负载。
一般情况下,静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好,静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)
3.1.3、电流的选择
静力矩一样的电机,由于电流参数不同,其运行特性差别很大,可依据矩频特性曲线图,判断电机的电流(参考驱动电源、及驱动电压)
总的来说,选择步进电机应该按照以下步骤进行
3.2单片机的选择
单片机现在分为4位、8位、16位的单片机,也分为不同公司的单片机类型,而与我们最熟悉的应是ATMEL公司的89C52单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便。
89C52单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。
89C52单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化。
89C52的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域.
由于单片机的种类很多,在选择单片机时要依据实际设计要求选择合适的单片机。
例如当设计仅仅需要一个单片机定时器那么选择89C1051或89C2051即可,而不选择89C52,因为后者的价格较高一些。
当然若程序和数据区的要求较高那么选择的单片机还要满足程序空间的要求。
下面我们来比较89C51和89C52:
数据存储器
程序存储器
定时器
中断
51系列
128B
4KB
2
5
52系列
256B
8KB
3
8
表2-1-151和52的比较
在本课题中,我们选用现在较为流行的52系列单片机,即选用ATMEL公司的STC89C52。
3.2.1MCS-52单片机内部结构:
MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU,RAM,ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。
MCS-51单片机内包含下列几个部件:
◆一个8位CPU;
◆一个片内振荡器及时钟电路;
◆
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