计算计控制技术课设最终版本.docx
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计算计控制技术课设最终版本
学号:
0120711360120
课程设计
题目
步进电机运动控制系统设计
学院
自动化学院
专业
自动化专业
班级
自动化0701
姓名
袁骏
指导教师
张锐
2010
年
6
月
27
日
课程设计任务书
学生姓名:
袁骏专业班级:
自动化0701
指导教师:
张锐工作单位:
自动化学院
题目:
步进电机运动控制系统设计
初始条件:
AT89C52单片机,四相步进电机
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
(1)能控制步进电机作正向和反向运转,要有正转和反转控制按钮。
(2)步距角为45度。
(3)在一定的范围内可以控制运转的速度,有加速和减速控制按钮。
(4)要求随时可以在不断电源情况下可以暂停,有一个暂停按钮对。
1.2设计方案确时间安排:
课程设计时间为1.5周,将其分为三个阶段。
第一阶段:
复习有关知识,阅读课程设计指导书,搞懂原理,并准备收集设计资料,此阶段约占总时间的20%。
第二阶段:
根据设计的技术指标要求选择方案,设计计算。
约占总时间的40%。
第三阶段:
完成设计和文档整理,约占总时间的40%。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
摘要
步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件,与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点,在众多领域中获得了广泛的应用。
为了得到性能优良的控制结果,出现了很多步进电机控制系统,其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。
本文设计的是一套硬件系统较简单、经济的系统,适应性强,操作方便,可靠性高的,能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。
本文分析了步进电机的工作原理,然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案,在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计,接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计。
关键词:
步进电机单片运动控制系统
目录
1设计实现的功能以及方案确定1
1.1设计实现功能1
1.2设计方案确定2
1.2.1控制方式的确定2
1.2.2调速方式的确定2
1.2.3驱动方式的确定3
1.3步进电机结构及原理3
2系统硬件设计4
2.1主控模块4
2.2按键控制模块5
2.3驱动控制模块6
3系统软件设计7
3.1主程序7
3.2子程序8
4系统仿真8
4.1WAVE调试控制程序8
4.2Proteus仿真9
5收获与体会12
参考文献13
附录一总电路图14
附录二源程序清单15
步进电机运动控制系统设计
1设计实现的功能以及方案确定
1.1设计实现功能
(1)能控制步进电机作正向和反向运转,要有正转和反转控制按钮。
(2)步距角为45度。
(3)在一定的范围内可以控制运转的速度,有加速和减速控制按钮。
(4)要求随时可以在不断电源情况下可以暂停,有一个暂停按钮对。
1.2设计方案确定
1.2.1控制方式的确定
步进电机控制是一个比较精确的控制,步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,由XTAL外部晶振组成的点图提供脉冲时钟信号。
图1.1控制方式总体方框图
1.2.2调速方式的确定
步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速,因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度,这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率,延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速,从而实现步进电的调速。
具体的延时时间可以通过软件来实现。
这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制,实际上就是改变输出脉冲的时间间隔,单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种,软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件法在电机控制中,要不停地产生控制脉冲,占用了大量的CPU时间,使单片机无法同时进行其他工作;硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的,在每次进入定时中断后,改变定时常数,从而升速时使脉冲频率逐渐增大,减速时使脉冲频率逐渐减小,这种方法占用CPU时间较少。
在各种单片机中都能实现,是一种比较实用的调速方法。
1.2.3驱动方式的确定
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。
通过ULN2004达林顿集成块完成CPU控制信号的放大,驱动步进电机
1.3步进电机结构及原理
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,就能使步进电机步进转动。
结构图如图1.2
图1.2四相步进电机步进示意图
开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图1.3a、b、c所示:
a.单四拍b.双四拍c八拍
图1.3步进电机工作时序波形图
2系统硬件设计
步进电机运动控制系统设计包含了主控模块、驱动模块、按键控制模块三个模块。
其功能实现是首先利用按键模块输入所要执行的任务,然后通过主控模块调用所对应的程序并把信息送给驱动模块,最后通过驱动模块驱动电机,使电机按照所按下的按钮命令来运转,从而实现步进电机简易控制系统设计的功能。
其硬件总电路图如附录一所示。
2.1主控模块
主控模块采用的是AT89C52单片机芯片来控制。
AT89C52是一个8位单片机,片内ROM全部采用FLASHROM技术,晶振时钟为12MHz。
AT89C52是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片,有4个八位的并行双向I/O端口,分别记作P0、P1、P2、P3。
第31引脚需要接高电位使单片机选用内部程序存储器;P0口的引脚39到引脚35分别接暂停按钮、反转按钮、正传按钮、加速按钮、减速按钮;引脚21到引脚24分别接芯片LN2004A的1、2、3、4引脚;引脚12接中断电路的与门;第9引脚接一个上自动复位电路;第18、19脚之间接上一个12MHz的晶振为单片机提供时钟信号;第40脚为电源端VCC,接+5V电源,第20引脚为接地端VSS。
芯片图如图2.1所示。
图2.1AT89C52芯片图
单片机外部脉冲时钟发生电路如图2.2
图2.2脉冲时钟电路
2.2按键控制模块
按键模块有五个按钮,暂停按钮、反转按钮、正传按钮、加速按钮和减速按钮,它们分别控制电机的随时暂停、反向转动、正向转动、加速和减速。
如下图2.3所示。
STOP暂停按钮接一端单片机AT89C52的P3.0(引脚39),FOR反向转动按钮一端接单片机AT89C52的P3.1(引脚38),REV正向转动按钮一端接单片机AT89C52的P3.2(引脚37),FF是加速按钮一端接单片机AT89C52的P3.3(引脚36),RR是减速按钮一端接单片机AT89C52的P3.4(引脚35),同时都通过一个上拉电阻接高电平+12V。
他们的另一端都接地。
当按下其中任意一个键时,它就与的直接相连。
与门D4与中断入口AT89C52的INT0(引脚12)相接。
图2.3按键控制模块图
2.3驱动控制模块
驱动电路主要是利用ULN2004A芯片来来驱动电机。
ULN2004A的原理是ULN2004A是一个7路反向器电路,即当输入端为高电平时ULN2004A输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2004A输出端为高电平。
ULN2004A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。
ULN2004A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。
内部结构如图2.3
图2.3达林顿管内部结构图
驱动模块电路连线如下图2.4所示。
ULN2004A的引脚1、2、3、4分别接单片机AT89C52的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3;LN2004A的1C引脚、2C引脚、3C引脚、4C引脚分别接电机的引脚A、C、A’、C’;COM(引脚9)接电机引脚的B和B’并与高电平+12V相接。
目的是驱动电机,使电机正常工作。
图2.4驱动电路图
3系统软件设计
3.1主程序
主程序的源程序见附录二源程序清单表,主程序设计流程图如下图3.1所示:
图3.1主程序流程图
3.2子程序
子程序有正\反转子程序和加\减速子程序。
它们的源程序见附录二源程序清单表。
4系统仿真
4.1WAVE调试控制程序
调试程序具体步骤如下:
(1)打开WAVE编译软件。
(2)新建一个项目,在项目里进行设置,转换成HEX文件。
(3)将刚写好的汇编语言程序添加进去。
(4)点击编译生成后缀名为“.HEX”的文件。
4.2Proteus仿真
打开Proteus上的单片机控制步进电机电路图,点击AT89C52单片机,调用后缀名为.”HEX”的文件。
点击运行,观察现象。
当按下Proteus软件上的开始按钮时,电机不转动。
其显示如图4.1所示:
图4.1电机停止
当按下FOR按钮时,电机开始反向转动,电机上显示的是转过的角度。
下面是当电机反向转动一段时间后的显示图如图4.2所示:
图4.2反向转动图
当按下STOP时电机暂停转动如图4.3
图4.3暂停转动图
当按下REV按钮时,电机则正向转动,电机转动一段时间后的显示图如图4.4所示:
图4.4正向转动图
当按下按钮EE或RR是,电机在一定范围内相应的做加速转动或减速转动。
STOP是控制电机的暂停,任意时刻按下STOP按钮,电机就停止转动。
当再次按下按钮ROR\REV按钮时电机又重新开始工作。
5收获与体会
通过这次的计算机控制技术的课程设计,我对单片机控制的步进电动机有了深入的了解。
通过老师指导,然后自己在课后翻阅书籍和上网,搜集到了不少有关步进电动机的知识。
通过钻研这些知识,我总算对步进电机有了认识,但是这离课程设计需要掌握的知识相差甚远,为了缩短这种差距,我只能不断的向同学请教,然后仔细的揣摩。
在这次课程设计中,通过用单片机控制步进电机的正、反转,加、减速,我也对单片机的知识也进行了复习和巩固。
那时候觉得学习单片机是那么的枯燥乏味,整天只是学习这个指令做什么,那个指令做什么,觉得学了一点用都没有。
但是今天我才发现,学习单片机是那么的有用处,它可以控制步进电机的旋转、加减速、停止,也可以控制十字路口的交通灯,还可以控制机械手工作。
俗话说的好,实践是检验真理的唯一标准,学习再多的理论也只能纸上谈兵,只有把理论应用到实践中,才能检验出理论的真伪。
从这次的课程设计,我也发现自己在好多地方的不足,在以后的学习和工作中,我会努力去弥补这些不足,争取让自己不要被社会淘汰。
参考文献
[1]李朝青,单片机原理及接口技术(第3版).北京:
北航出版社,2006
[2]温希东,路勇,计算机控制技术.西安电子科技大学出版社,2005
[3]曹天汉,单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2006
[4]曹承志,电机拖动与控制.机械工业出版社,2000
[5]于海生,计算机控制技术.机械工业出版社,2007
附录一总电路图
附录二源程序清单
ZHENGEQU30H;电机动作开关
FANEQU31H;方向标志位,1为正传
NOEQU32H;脉冲计数器
ASEQU33H;秒钟计数器
SSEQU34H;电机停时中断计数器
ORG00H
AJMPMAIN
ORG03H
AJMPSUB_INT0;中断入口
ORG30H
MAIN:
MOV10H,#01H
MOV11H,#03H
MOV12H,#02H
MOV13H,#06H
MOV14H,#04H
MOV15H,#0CH
MOV16H,#08H
MOV17H,#09H
MOV20H,#50
MOV21H,#25
MOV22H,#10
MOV23H,#05
CLRZHENG
CLRFAN
CLRNO
CLRAS
CLRSS
MOVR1,#20H
MOVA,@R1
MOVR5,A
MOVIE,#10000001B允许EX0中断
SETBIT0电平触发
MOVR0,#0FH
LOOP:
JNBZHENG,LP
CALLGO
LP:
JNBFAN,LOOP
CALLBACK
AJMPLOOP
;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(中断)
SUB_INT0:
SCAN:
MOVA,P0
CPLA
ANLA,#00011111B
JNZSCAN1
AJMPSCAN
SCAN1:
CALLDELAY1;调用延时程序
MOVA,P0;P0口输入
CPLA
ANLA,#00011111B
JZSCAN;是否有键按下
CALLRDKEY;调用按键程序
RETI
RDKEY:
MOVA,P0
JNBACC.0,STOP;是否是暂停按键
JNBACC.2,REV;是否是反转按键
JNBACC.1,FOR;是否是正传按键
JNBACC.3,ADDSPEED;是否是加速按键
JNBACC.4,SUBSPEED;是否减速按键
STOP:
SETBNO
RET
FOR:
SETBZHENG
RET
REV:
SETBFAN
RET
ADDSPEED:
SETBAS;
RET
SUBSPEED:
SETBSS
RET
;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(正转)
GO:
CLRZHENG
CLRFAN
CLRNO
CLRAS
CLRSS
INCR0
MOVA,R0
CJNEA,#18H,GO2
MOVR0,#10H
GO2:
MOVP2,@R0;P2口输出
MOVA,@R1
MOVR5,A
CALLDELAY
JBNO,RETURN
JBZHENG,RETURN
JBFAN,RETURN
JNBSS,GO3
CALLJIAN
GO3:
JNBAS,GO4
CALLJIA
GO4:
AJMPGO
;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(反转)
BACK:
CLRZHENG
CLRFAN
CLRNO
CLRAS
CLRSS
DECR0
MOVA,R0
CJNEA,#0EH,TT
MOVR0,#17H
SJMPBACK2
TT:
CJNEA,#0FH,BACK2
MOVR0,#17H
BACK2:
MOVP2,@R0
MOVA,@R1
MOVR5,A
CALLDELAY
JBNO,RETURN
JBZHENG,RETURN
JBFAN,RETURN
JNBAS,BACK3
CALLJIA
BACK3:
JNBSS,BACK4
CALLJIAN
BACK4:
AJMPBACK
;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(加速)
JIA:
MOVA,R1
CJNEA,#23H,JIA1
RET
JIA1:
INCR1
RET
;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(减速)
JIAN:
MOVA,R1
CJNEA,#20H,JIAN1
RET
JIAN1:
DECR1
RET
RETURN:
RET
;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(延时)
DELAY:
D1:
MOVR6,#50
D2:
MOVR7,#150
D3:
DJNZR7,$
DJNZR6,D2
DJNZR5,D1
RET
DELAY1:
MOVR6,#60
D4:
MOVR7,#100
DJNZR7,$
DJNZR6,D4
RET
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