单片机步进电机课设

中北大学单片机课程设计说明书I目录1简介........................................................................................................................11.1步进电机的介绍.......................................................................................11.2步进电机的基本原理.................................................................................11.3步进电机的主要特性...............................................................................22硬件电路设计........................................................................................................32.1控制电路......................................................................................................32.2最小系统......................................................................................................32.3驱动电路......................................................................................................43软件设计................................................................................................................54心得体会................................................................................................................8附录............................................................................................................................9参考文献..................................................................................................................13中北大学单片机课程设计说明书第1页共12页1简介1.1步进电机的介绍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。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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。1.2步进电机的基本原理（1）工作原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。（2）发热原理通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中北大学单片机课程设计说明书第2页共12页中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。1.3步进电机的主要特性1、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2、三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。3、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。中北大学单片机课程设计说明书第3页共12页2硬件电路设计本设计的硬件电路包括了控制电路，最小系统，驱动电路，显示电路四大部分。最小系统主要是为了使单片机正常工作。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应工作需要进行操作。显示电路主要是为显示电机的工作状态。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。图1总体设计方框图2.1控制电路据系统控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，换挡控制按钮，采用定时中断方式来控制步进机的转速，定时单位时长为1ms。把步进电机的速度设置在1、2、3、4这4个档位内，一挡速度最快，依次递减。要求能够控制步进电机的停、转和方向，并同时显示步进电机的当前档位。启动控制，换向控制按钮分别是kai、guan、zheng、fan。通过kai、guan、zheng、fan状态来实现电机启动和正反转功能。当kai、guan、zheng、fan的状态变化时，内部程序检测P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口的状态来调用相应的启动和换向功能，实现系统的电机启动和正反转控制。2.2最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对52单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.89C52单片机复位电路键盘控制电路状态显示电路电源及时钟电路ULN200A启动电路步进电机中北大学单片机课程设计说明书第4页共12页图251单片机的最小系统电路图2.3驱动电路通过单片机的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口输出脉冲到L298的1B~4B口，经信号放大后从OUTA~OUTC口分别输出到电路的a，b，c，d相。图3驱动电路中北大学单片机课程设计说明书第5页共12页3软件设计通过分析可得，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入启动、转向、换挡信号，因而采用中断方式效率较高，这样共需要3个部分才能满足课题要求，即主程序部分、定时中断部分、外部中断部分，其中主程序的主要功能是系统参数设置及检测，若开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定步进电机的转速的快慢；外部中断程序要做的工作是为了完成改变速度这一功能。下面做程序分析。程序中主要完成的工作有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的判断检测等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中需要初始化定时器，外部中断：对P0口送初值决定脉冲分配方式，速度存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。启动控制，换向控制按钮kai、guan、zheng、fan分别对应P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口。通过P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口的赋值来实现电机启动和正反转功能。当kai、guan、zheng、fan的状态变化时，内部程序检测P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口的状态来调用相应的启动和换向功能，实现系统的电机启动和正反转控制。档位1、2、3、4分别对应P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口。通过P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口的赋值来实现电机档位切换。中北大学单片机课程设计说明书第6页共12页图4程序流程图开始启动初始化电机动作停止电机正转反转1档3档2档4档00111中北大学单片机课程设计说明书第7页共12页图5Proteus仿真电路图图6Proteus仿真结果图中北大学单片机课程设计说明书第8页共12页4心得体会这个学期的单片机课已经早早的上完了，但是理论纯属理论，没有与实践的结合总让我们学的不踏实，感觉没有达到学以致用的效果。所庆幸的是在课程介绍考试完之后，老师给我们安排了这次单片机课程设计，给了我们学以致用的做好的实践。关于这次课程设计，我们花费了比较多的心思，既是对课程理论内容的一次复习和巩固，还让我们丰富了更多与该专业相关的其他知识，比如软件应用等，在摸索中学习，在摸索中成长，在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获，在真正设计之前我们做了相当丰富的准备，首先巩固一下课程理论，再一遍熟悉课程知识的构架，然后结合加以理论分析、总结，有了一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图之后才着手设计。在设计程序时，我们不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；养成注释程序的好习惯是非常必要的，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也能为资料的保存和交流提供了方便；我觉得在设计课程过程中遇到问题是很正常，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计又出错了。除了对此次设计的准备工作之外，我们还学到了很多平时难得的东西，首先是团队协作，在这次设计当中，难免和同学产生观点和意见的分歧，以及分工明细、时间安排等不合理，通过这次设计，我们体会到了团结合作的重要性及力量之强大，还有让我们处理事情更加有条理，思路更加清晰明了了，发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都将受益于我在以后的学习、工作和生活中。此次的设计，其实也是我们所学知识的一次综合运用，让我深深的认识到了学习单片机要有一定的基础，要有电子技术方面的数字电路和模拟电路等方面的理论基础，特别是数字电路；也要有编程语言的汇编语言或C语言。要想成为单片机高手，我们首先要学好汇编语言，然后转入C语言学习，所以我们不能学到后面就忘了前面的知识，更应该将所学的知识紧紧的结合在一起，综合运用，所谓设计，就是要求创新，只有将知识综合运用起来才能真正的设计好。中北大学单片机课程设计说明书第9页共12页附录源程序中北大学单片机课程设计说明书第10页共12页中北大学单片机课程设计说明书第11页共12页中北大学单片机课程设计说明书第12页共12页实物图中北大学单片机课程设计说明书第13页共12页参考文献1.孙涵