【正文】 單片機課程設計 課題：步進電機正反轉(zhuǎn)設計 系 別： 電氣與電子工程系 專 業(yè)： 姓 名： 學 號 指導老師 ： 河南城建學院 2020 年 01 月 09 日 2 一 設計目的 增進對單片機的感性認識，加深對單片機理論方面的理解； 掌握單片機的內(nèi)部功能模塊的應用，如定時器 /計數(shù)器、中斷、片內(nèi)外存貯器、 I/O口、 A/D、 D/A、串行口通訊等； 了解和掌握單片機應用系統(tǒng)的軟硬件設計過程、方法及實現(xiàn) 。 了解步進電機控制的基本原理， 能實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動控制 ，掌握控制步進電機轉(zhuǎn)動的編程方法。 二 設計要求 具有速度和轉(zhuǎn)向設定功能 。 設置開始、停止以及正反轉(zhuǎn)?。? 轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向有數(shù)碼管顯示 (本設計使用的為 LCD12864)。 三 、 總體設計 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的數(shù)字控制執(zhí)行機構。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。 步進電機具有控制簡便、定位準確等特點。隨著科學技術的發(fā)展 ,在許多領域?qū)⒌玫綇V泛的應用。鑒于傳統(tǒng)的脈 沖系統(tǒng)移植性不好 ,本文提出微機控制系統(tǒng)代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器 ,用軟件的方法產(chǎn)生控制脈沖 ,通過軟件編程可以任意設定步進電機的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動次數(shù)和控制步進電機的運行狀態(tài)。以簡化控制電路 ,降低生產(chǎn)成本 ,提高系統(tǒng)的運行效率和靈活性。 步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，因此，當它轉(zhuǎn)動一周后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、 廉價，又非?？煽俊Ｍ瑫r，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。步進電機的動態(tài)響應快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑 調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。 步進電機是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件。步進電機的輸入信號為脈沖電流 ,它能將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移 ,因而步進電機可看作是一個串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。由于步進電機能夠直接接受數(shù)字信號 ,而不需數(shù)/模轉(zhuǎn)換 ,所以使用微機控制步進電機顯得非常方便。 步 進電機有以下優(yōu)點 : (1)通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制 。 (2)位置誤差不會積累 。 (3)與數(shù)組設備兼容 ,能夠直接接收數(shù)字信號 。 (4)可以快速啟停。 步進電機的品種規(guī)格很多 ,按照它們的結(jié)構和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應式或變磁阻式 )電機、混合式電機、永磁式電機和特種電機等四種主要型式。步進電機不需位移傳感器就可精確定位 ,所以在精確定位系統(tǒng)中應用廣泛。目前打字機、計算機外部設備、數(shù)控機床、傳真機等設備中都使用了步進電機。 3 隨著電子計算機技術的發(fā)展 ,步進電機必將發(fā)揮它的控制方便、控制準確的特點 ,在工業(yè)控制等領域取得更為廣泛的應用。 本設計采用 16 位單片機 AT89C51 對步進電機進行控制，通過 I/O 口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過驅(qū)動芯片驅(qū)動步進電機；同時，用觸發(fā)按鍵來對電機的狀態(tài)進行控制，并用 128X64LCD 顯示電機的狀態(tài)及轉(zhuǎn)速。 因為步進電機的控制是通過脈沖信號來控制的， 將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。 所以怎樣產(chǎn)生這個脈沖信號和產(chǎn)生怎樣的信號是電機控制的關鍵。 用軟件控制單片機產(chǎn)生脈沖信號，通過單片機的 P1口輸出脈沖信號，因為所選電機是兩相的，所以只需要 P0口的低四位 通過 ULN2020A接到電機的五 根電線上。可以通過調(diào)整輸出脈沖的頻率來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，通過改變輸入脈沖的順序來改變轉(zhuǎn)動方向， P2口 和 P3口 接 128X64LCD，可以顯示當前的電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，設置復位鍵可使正在轉(zhuǎn)動的電機停止轉(zhuǎn)動，大概可分為如下圖所示的幾部分。 注：由于此設計程序較復雜，在此沒有列出程序的框圖，程序框圖詳見軟件設計。 四 、 主要 器件介紹及 電路設計 、 步進電機 步進電機概述 步進電機是 將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定 ~ AT89C51 單片機 ~ ~ ~ 128X64LCD 控制按鍵 步進電機 驅(qū)動 部分 外部晶 振電路 圖 1 系統(tǒng)方框圖 4 的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為 “ 步距角 ” ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的 速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。由于脈沖信號數(shù)與步距角的線性關系，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 步進電機是一種 感應電機 ，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機， 交流電機 在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一 , 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領 域都有應用。 步進電機的工作原理 通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動 四相步進電機 ， 采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的 各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖 1是該四相 反應式步進電機工作原理圖。 圖 2 四相反應式步進電機工作原理圖 開始時，開關 SB接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4號齒就和 C、 D 相 繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5號齒就和 D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關 SC接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4 號齒和 C相繞組 5 的磁極對齊。而 0、 3號齒和 A、 B相繞組產(chǎn)生錯齒， 5號齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生 錯齒。依次類推， A、 B、 C、 D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、 B、C、 D 方向轉(zhuǎn)動。 四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 、 b、 c所示： a單四拍 b雙四拍 c 八拍 圖 序波形圖 ULN2020 ULN是集成達林頓管 IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列 16腳封裝 ,NPN晶體管矩陣 ,最大驅(qū)動電壓 =50V,電流=500mA,輸入電壓 =5V,適用于 TTL COMS,由達林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN是集成達林頓管 IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管 ,它的輸出端允許通過電流為 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V左右，耐壓 BVCEO 約為 36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或 固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動 ULN2020時，上拉 2K的電阻較為合適，同時， COM引腳應該懸空或接電源。 ULN2020是一個非門電路，包含 7個單元，但獨每個單元驅(qū)動電流最大可達， 9腳可以懸空。 比如 1腳輸入， 16腳輸出，你的負載接在 VCC與 16腳之間，不用 9腳。 ULN2020的作用： ULN2020是大電流驅(qū)動陣列 ,多用于單片機、智能儀表、 PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。輸入 5VTTL電平，輸出可達 500mA/50V。 ULN2020是高耐壓、大電流達林頓陳列 ,由七個硅 NPN達林頓管組成。 該電路的特點如是 : ULN2020的每一對達林頓都串聯(lián)一個 ,在 5V的工作電壓下它能與 TTL和 CMOS電路 直接相連 ,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。 ULN2020 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品 ,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點 ,適應于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 ULN2020A引腳圖及功能 如下： 6 圖 4 ULN2020A 引腳圖 ULN2020 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅 NPN達林頓管組成的驅(qū)動芯片。 經(jīng)常在以下電路中使用，作為： 顯示驅(qū)動 繼電器驅(qū)動 照明燈驅(qū)動 電磁閥驅(qū)動 伺服電機、步進電機驅(qū)動等電路中。 ULN2020的每一對達林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻 ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2020 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達 500mA，并且能夠在關態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。 ULN2020 的封裝采用 DIP— 16 或 SOP— 16 ULN2020A在各種控制電路中常用它作為驅(qū)動繼電器的芯片，其芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。 ULN2020的輸出端允許通過 IC 電流 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V左右，耐壓 BVCEO 約為 36V。輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器 (SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。 ULN2020可以驅(qū)動 7個繼電器 ,具有高電壓輸出特性，并帶有共陰極的續(xù)流二極管使器件可用于開關型感性負載。每對達林頓管的額定集電極電流是 500mA，達林頓對管還可并 聯(lián)使用以達到更高的輸出電流能力。 ULN2020A中每對達林頓管的基極都串聯(lián)有一個 的電阻，可直接與 TTL或 5V CMOS器件連接 。 12864LCD 12864A1漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192個中文漢字（ 16X16 點陣， 16*8=128， 16*4=64，一行只能寫 8 個漢字， 4 行；）、 128個字符（ 8X16 點陣）及 64X256 點陣顯示 RAM（ GDRAM）。 主要技術參數(shù)和顯示特性如下 : 電源： VDD (內(nèi)置升壓電路，無需負壓 )； 顯示內(nèi)容 ： 128 列 64行（ 128 表示點數(shù)） 顯示顏色：黃綠 顯示角度： 6： 00鐘直視 7 LCD 類型： STN 與 MCU 接口： 8位或 4位并行 /3位串行 配置 LED 背光 多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等 外形尺寸圖： 圖 5 12864LCD 外形尺寸 主要外形尺寸 項 目 標 準 尺 寸 單 位 模 塊 體 積 mm 定 位 尺 寸 mm 視 域 mm 行 列 點 陣 數(shù) 128 64 dots 點 距 離 mm 點 大 小 mm 模塊引腳說明 引腳號 引腳名稱 方向 功能說明 1 VSS 模塊的電源地 2 VDD 模塊的電源正端 3 V0 LCD驅(qū)動電壓輸入端 4 RS(CS) H/L 并行的指令 /數(shù)據(jù)選擇信號；串行的片選信號 5 R/W(SID) H/L 并行的讀寫選擇信號；串行的數(shù)據(jù)口 6 E(CLK) H/L 并行的使能信號；串行的同步時鐘 7