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科信学院课程设计说明书(2012/2013学年第二学期)课程名称:单片机原理及应用题目:简易步进电机控制系统专业班级:自动化1023学生姓名:李博学号:100412315指导教师:设计周数:2设计成绩:年月日1目录一、单片机............................................................31.1什么是单片机.......................................................31.2单片机的特点.......................................................31、片内存储容量较小:.................................................32、可靠性高:.........................................................43、便于扩展:.........................................................44、控制功能强:.......................................................45、实用性好:.........................................................4二、步进电机..........................................................42.1什么是步进电机.....................................................42.2步进电机的种类.....................................................42.3步进电机的特点.....................................................51.精度高............................................................52.过载性好..........................................................53.控制方便..........................................................54.整机结构简单......................................................52.4步进电机的原理.....................................................5三、方案设计与选择....................................................6方案一、...............................................................6方案二、...............................................................6方案选择、.............................................................7四、电路设计..........................................................71、键盘设计............................................................72、显示电路设计........................................................73、驱动电路设计......................................................74、原理图............................................................8五、程序..............................................................9六、系统仿真.........................................................12操作控制:............................................................12设计过程中遇到的主要问题以及解决办法..................................122七、心得体会.........................................................12八、参考文献.........................................................13附录一、原理图........................................................14附录二、仿真图........................................................14附录三、元件清单......................................................153简易步进电机控制系统课程设计目的:本次课程设计要求设计并制作一个以MCS-51单片机为核心的简易步进电机控制系统,包含键盘输入电路、显示电路并实现电机的正反转。一、单片机1.1什么是单片机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。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。现在单片机主要包括:中央处理器、存储器、特殊功能寄存器。1.2单片机的特点单片机就是将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: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.42、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.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.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.5、实用性好:体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.二、步进电机2.1什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。通俗一点讲: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(及步进角)。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;同时也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。2.2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,步进角一般为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优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.85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。2.3步进电机的特点1.精度高一般的步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。可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,这是步进电动机最突出的优点2.过载性好其转速不受负载大小的影响,不像普通电机,当负载加大时就会出现速度下降的情况,所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合;3.控制方便步进电机是以“步”为单位旋转的,数字特征比较明显,这样就给计算机控制带来了很大的方便,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.整机结构简单传统的机械速度和位置控制结构比较复杂,调整困难,使用步进电机后,使得整机的结构变得简单和紧凑。2.4步进电机的原理图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿,每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式,是对称齿上的两个线圈进行反相连接,如图中所示。八个齿构成四对,所以称为四相步进电机。6图1它的工作过程是这样的:当有一相绕组被激励时,磁通从正相齿,经过软铁芯的转子,并以最短的路径流向负相齿,而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短,在磁场力的作用下,转子被强迫移动,使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励,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相进行激励,如图1中的(b),转子向反时针转过15°。若是D相被激励,如图1中的(c),则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性:A—B—C—D或A—D—C—B。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)是步进电机的主要性能指标之一,不同的应用场合,对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数),可以改变步长的大小。它们之间的相互关系,可由下式计算:Lθ=360P×N式中:Lθ为步长;P为相数;N为转子齿数。在图1中,步长为15°,表示电机转一圈需要24步。三、方案设计与选择方案一、以MCS-51单片机为核心,ULN2003达林顿管为驱动单元,数码管为显示电路。方案二、以MCS-51单片机为核心,桥式电路代替达林顿管,数码管为显示电路。7123714U1A456U1B8910U1C111213U1DR1R2R3R4R5R6R7R8R9Q1Q2Q3Q4GNDGNDGND5VD1D2D3D432184U2A567U2BRV15V5VGNDAIN/AINBIN/BINCOMGND+12VAOUT/AOUTBOUT/BOUT方案选择、因方案一中,部分元件成本较高,所以,选择方案二。四、电路设计1、键盘设计该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,所以采用独立键电路,这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单,更使人易懂。2、显示电路设计采用LED数码管动态显示数据与个项参数,方法简单,容易控制,成本低。3、驱动电路设计驱动电路可分为:三极管直接驱动,采用斩波恒流驱动方式(图4.31)和芯片驱动电路等。驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。驱动芯片ULN2803。ULN2803是一种大电流高电压型器件,外电路简单(图4.32)。还有就是本电路采用桥式电路,成本较低。(如图4.33)图4.318图4.32图4.334、原理图9五、程序
本文标题:简易步进电机控制系统
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