【正文】 單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 課題：步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) 系 別： 電氣與電子工程系 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 ： 河南城建學(xué)院 2020 年 01 月 09 日 2 一 設(shè)計(jì)目的 增進(jìn)對(duì)單片機(jī)的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)單片機(jī)理論方面的理解； 掌握單片機(jī)的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用，如定時(shí)器 /計(jì)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過程、方法及實(shí)現(xiàn) 。 了解步進(jìn)電機(jī)控制的基本原理， 能實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制 ，掌握控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的編程方法。 二 設(shè)計(jì)要求 具有速度和轉(zhuǎn)向設(shè)定功能 。 設(shè)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(shè)計(jì)使用的為 LCD12864)。 三 、 總體設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的數(shù)字控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)便、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,在許多領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。鑒于傳統(tǒng)的脈 沖系統(tǒng)移植性不好 ,本文提出微機(jī)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(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。以簡(jiǎn)化控制電路 ,降低生產(chǎn)成本 ,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和靈活性。 步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、 廉價(jià)，又非?？煽?。同時(shí)，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(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。速度可在相當(dāng)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(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 步進(jìn)電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)的輸入信號(hào)為脈沖電流 ,它能將輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移 ,因而步進(jìn)電機(jī)可看作是一個(gè)串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接接受數(shù)字信號(hào) ,而不需數(shù)/模轉(zhuǎn)換 ,所以使用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)顯得非常方便。 步 進(jìn)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制 。 (2)位置誤差不會(huì)積累 。 (3)與數(shù)組設(shè)備兼容 ,能夠直接接收數(shù)字信號(hào) 。 (4)可以快速啟停。 步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多 ,按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應(yīng)式或變磁阻式 )電機(jī)、混合式電機(jī)、永磁式電機(jī)和特種電機(jī)等四種主要型式。步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用廣泛。目前打字機(jī)、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、傳真機(jī)等設(shè)備中都使用了步進(jìn)電機(jī)。 3 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,步進(jìn)電機(jī)必將發(fā)揮它的控制方便、控制準(zhǔn)確的特點(diǎn) ,在工業(yè)控制等領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)采用 16 位單片機(jī) AT89C51 對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過 I/O 口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；同時(shí)，用觸發(fā)按鍵來對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用 128X64LCD 顯示電機(jī)的狀態(tài)及轉(zhuǎn)速。 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的控制是通過脈沖信號(hào)來控制的， 將電脈沖信號(hào)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(gè)脈沖信號(hào)和產(chǎn)生怎樣的信號(hào)是電機(jī)控制的關(guān)鍵。 用軟件控制單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過單片機(jī)的 P1口輸出脈沖信號(hào)，因?yàn)樗x電機(jī)是兩相的，所以只需要 P0口的低四位 通過 ULN2020A接到電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，通過改變輸入脈沖的順序來改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向， P2口 和 P3口 接 128X64LCD，可以顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，設(shè)置復(fù)位鍵可使正在轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，大概可分為如下圖所示的幾部分。 注：由于此設(shè)計(jì)程序較復(fù)雜，在此沒有列出程序的框圖，程序框圖詳見軟件設(shè)計(jì)。 四 、 主要 器件介紹及 電路設(shè)計(jì) 、 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是 將電 脈沖 信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定 ~ AT89C51 單片機(jī) ~ ~ ~ 128X64LCD 控制按鍵 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 部分 外部晶 振電路 圖 1 系統(tǒng)方框圖 4 的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的 速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于脈沖信號(hào)數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 步進(jìn)電機(jī)是一種 感應(yīng)電機(jī) ，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)， 交流電機(jī) 在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 , 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng) 域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)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(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 四相步進(jìn)電機(jī) ， 采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的 各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 1是該四相 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖。 圖 2 四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖 開始時(shí)，開關(guān) SB接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4號(hào)齒就和 C、 D 相 繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān) SC接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時(shí)，由于 C相繞組的磁力線和 4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 4 號(hào)齒和 C相繞組 5 的磁極對(duì)齊。而 0、 3號(hào)齒和 A、 B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生 錯(cuò)齒。依次類推， A、 B、 C、 D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 四相步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dá)林頓管 IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列 16腳封裝 ,NPN晶體管矩陣 ,最大驅(qū)動(dòng)電壓 =50V,電流=500mA,輸入電壓 =5V,適用于 TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN是集成達(dá)林頓管 IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)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(fù)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(dòng)繼電器或 固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng) ULN2020時(shí)，上拉 2K的電阻較為合適，同時(shí)， COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。 ULN2020是一個(gè)非門電路，包含 7個(gè)單元，但獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)， 9腳可以懸空。 比如 1腳輸入， 16腳輸出，你的負(fù)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(dòng)陣列 ,多用于單片機(jī)、智能儀表、 PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。輸入 5VTTL電平，輸出可達(dá) 500mA/50V。 ULN2020是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列 ,由七個(gè)硅 NPN達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如是 : ULN2020的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) ,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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。 ULN2020 是高壓大電流達(dá)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(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn) ,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)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(gè)硅 NPN達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。 經(jīng)常在以下電路中使用，作為： 顯示驅(qū)動(dòng) 繼電器驅(qū)動(dòng) 照明燈驅(qū)動(dòng) 電磁閥驅(qū)動(dòng) 伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路中。 ULN2020的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 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(biāo)準(zhǔn)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(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)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(dòng)繼電器的芯片，其芯片內(nèi)部做了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)繼電器或固體繼電器 (SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。 ULN2020可以驅(qū)動(dòng) 7個(gè)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(guān)型感性負(fù)載。每對(duì)達(dá)林頓管的額定集電極電流是 500mA，達(dá)林頓對(duì)管還可并 聯(lián)使用以達(dá)到更高的輸出電流能力。 ULN2020A中每對(duì)達(dá)林頓管的基極都串聯(lián)有一個(gè) 的電阻，可直接與 TTL或 5V CMOS器件連接 。 12864LCD 12864A1漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192個(gè)中文漢字（ 16X16 點(diǎn)陣， 16*8=128， 16*4=64，一行只能寫 8 個(gè)漢字， 4 行；）、 128個(gè)字符（ 8X16 點(diǎn)陣）及 64X256 點(diǎn)陣顯示 RAM（ GDRAM）。 主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下 : 電源： VDD (內(nèi)置升壓電路，無需負(fù)壓 )； 顯示內(nèi)容 ： 128 列 64行（ 128 表示點(diǎn)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(biāo)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(xiàng) 目 標(biāo) 準(zhǔn) 尺 寸 單 位 模 塊 體 積 mm 定 位 尺 寸 mm 視 域 mm 行 列 點(diǎn) 陣 數(shù) 128 64 dots 點(diǎn) 距 離 mm 點(diǎn) 大 小 mm 模塊引腳說明 引腳號(hào) 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(dòng)電壓輸入端 4 RS(CS) H/L 并行的指令 /數(shù)據(jù)選擇信號(hào)；串行的片選信號(hào) 5 R/W(SID) H/L 并行的讀寫選擇信號(hào)；串行的數(shù)據(jù)口 6 E(CLK) H/L 并行的使能信號(hào)；串行的同步時(shí)鐘 7