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基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計(編輯修改稿)

2025-02-14 14:27 本頁面
 

【文章內容簡介】 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動力矩又可以提高控制精度。[13]第3章 步進電機控制系統(tǒng)概述步進電機控制系統(tǒng)是一個有機的完整的整體,由運動控制系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉化為運動控制系統(tǒng)能接受的電信號,運動控制系統(tǒng)隨之作出反應,完成規(guī)定動作。運動控制是一門有關如何對物體位置和速度進行控制的技術。典型的運動控制系統(tǒng)應由三部份構成:控制部分、驅動部分、執(zhí)行部分。如圖31所示:運動控制系統(tǒng)驅動部件運動執(zhí)行部件機械裝置圖31 運動控制系統(tǒng)組成 步進電機控制系統(tǒng)簡介在步進電機控制系統(tǒng)中運動執(zhí)行部件為步進電機。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度,它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(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動的速度和加速度,從而達到調速的目的。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動,這種裝置就是步進電機驅動器,它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號,加以放大以驅動步進電機。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比,控制步進脈沖信號的頻率,可以對電機精確調速??刂撇竭M脈沖的個數(shù),可以對電機精確定位。因此典型的步進電機驅動控制系統(tǒng)主要由三部分組成:步進控制器、驅動器(把控制器輸出的脈沖加以放大,來驅動步進電機)、步進電機。不同的控制方案,步進控制器、驅動器也有不同的類型。在本論文第一章,已經對此作了介紹。下面著重介紹以單片機為控制器的步進電機控制系統(tǒng)。步進電機是數(shù)控式電機,其最大特點是通過輸入脈沖信號來進行控制,即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定,而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。它具有輸入脈沖與電機軸轉角成比例的特征,將脈沖信號轉變成角位移,即給一個脈沖信號,步進電機就轉動一個角度,因此非常適合于單片機控制。單片機系統(tǒng)驅動電路步進電機機械裝置外圍電路采用單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)如圖32所示。圖32 單片機控制步進電機控制系統(tǒng)前面已經介紹過,驅動脈沖的分配可以使用硬件方法,即用脈沖分配器實現(xiàn)?,F(xiàn)在,脈沖分配器已經標準化、芯片化,市場上可以買到。但硬件方法結構復雜,成本也較高。使用單片機以軟件方式驅動步進電機,不但可以通過編程方法,在一定范圍內自由設定步進電機的轉速、往返轉動的角度以及轉動次數(shù)等,而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài),以滿足不同用戶的要求。因此,常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅動器。步進電機控制(包括控制脈沖的產生和分配)使用軟件方法,即用單片機實現(xiàn),這樣既簡化了電路,也降低了成本。 采用單片機來控制步進電機,實現(xiàn)了軟件與硬件相結合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器,達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用并行控制,用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動電路。通過軟件的控制,單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流,就可以控制電機的轉動,從而實現(xiàn)數(shù)字一角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比,轉動的速度與脈沖頻率成正比,而轉動方向則與脈沖的順序有關。以三相步進電機為例,電流脈沖的施加共有3種方式。(1)單相三拍方式(按單相繞組施加電流脈沖):A B C一正轉。}ACB一反轉。(2)雙相三拍方式(按雙相繞組施加電流脈沖):ABBCCA一正轉。ACCBAB一反轉。(3)三相六拍方式(單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖):AABBBCCCA一正轉。AACCCBBBA一反轉。 整個系統(tǒng)以單片機為核心,設計出硬件系統(tǒng)。以其中的幾個口控制驅動電路,由于步進電機工作時,電機繞組內的電流值一般都能達到數(shù)安培,而控制電機繞組內電流變化的控制信號一般都是由邏輯電路產生的數(shù)字信號,電壓一般比較低,為了防止單片機或控制信號等受到后級模擬電路的干擾,通常在驅動電源的設計時都要設計電壓隔離接口。 由于單片機的強大功能,還可設計大量的外圍電路,鍵盤作為一個外部中斷源,和單片機端口連接,設置了步進電機正轉、反轉、檔次、停止等功能,采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序,完成對步進電機的最佳控制,顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn),采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配. 驅動電路按照控制要求有多種選擇,在本論文的第一章就介紹了幾種常見的驅動電路。待驅動、晶振、復位、鍵盤、LED顯示各個電路的設計完成之后,進行硬件合成,就是一個完整的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件設計通常采用模塊化結構,軟件系統(tǒng)總體框架一般包括三部分:主程序、中斷服務子程序以及其他相應的輔助子程序(包括正轉子程序、反轉子程序、鍵盤子程序、LED顯示子程序以及延時子程序). 本系統(tǒng)特點與功能 本系統(tǒng)特點通過對其它步進電機控制系統(tǒng)的分析,結合設計目的,本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機的控制方案。系統(tǒng)應用了一片ATMEL公司的AT89C51單片機作為步進電機控制器的核心運算器件,利用單片機強大的運算能力和可編程的特點,可以實現(xiàn)較為復雜的步進電機控制功能。且適應能力強,能夠在不改變硬件電路的情況下,只需對軟件進行必要的修改就可以適應不同的步進電機和控制要求。而且可以做到人機交換,使控制更加的直觀和方便,各種運行狀態(tài)也都有相應的指示,使操作者隨時都能對電機的運行狀況進行方便的了解。一個利用單片機來構成的步進電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是十分明顯的。本系統(tǒng)大致想達到以下幾個特點:系統(tǒng)硬件結構要簡單,把成本降到最低;功能要較為齊全。要能實現(xiàn)步進電機的正反轉、變速以及控制顯示功能;適應性強,一般情況下只需改變軟件就可以適應新的要求;電機各種運行狀態(tài)指示要一目了然,使操作方便;系統(tǒng)抗干擾和可靠性要高。 為了達到以上特點,除了核心控制部件采用單片機外,在其它硬件的設計上也有一些綜合的考慮。鍵盤電路掃描輸出線與顯示部分的掃描線采用單片機的同一組端口,大大節(jié)約硬件資源:單片機控制的運行方式、模式和速度方面的控制基本涵蓋步進電機的普通應用。硬件上采用了專用的系統(tǒng)程序運行監(jiān)控電路WTD(看門狗)。 系統(tǒng)功能運行模式有單步、連續(xù)和預置步數(shù)三種;可以預置轉向或者在運行時改變轉向;LCD顯示運行速度;兩個LED分別指示電機轉向和運行方式;各種操作共有六個按鍵來輸入,操作方便;設有強制復位鍵,當受到嚴重干擾,致使WTD也失效后,可以通過強制復位鍵進行手動強行復位;整個系統(tǒng)為+5V低電壓供電。第4章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)組成LCD按鍵電源1單片機電源2電機驅動電路復位電路步進電機 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)由電源、顯示(指示)、單片機(MCU )、按鍵電路、看門狗電路和電機驅動電路等組成。系統(tǒng)中采用并行控制,用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動電路。鍵盤作為一個外部中斷源,設置了步進電機正轉、反轉、檔次、停止等功能,采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序,完成對步進電機的最佳控制,顯示器及時顯示轉速度狀態(tài)。[16] 系統(tǒng)核心——AT89C51單片機AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造。[15] 主要特性與MCS51兼容;4K字節(jié)可編程閃爍存儲器;壽命:1000寫/擦循環(huán);數(shù)據(jù)保留時間:10年;全靜態(tài)工作:0Hz24Hz;三級程序存儲器鎖定;32可編程I/O線128*8位內部RAM;兩個16位定時器/計數(shù)器;5個中斷源;1可編程串行通道;1低功耗的閑置和掉電模式;1片內振蕩器和時鐘電路。 管腳說明VCC:供電電壓;GND:接地;P0口:P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0 口作為原碼輸入口,當FIASH進行校驗時,P0輸出原碼,此時P0外部必須被拉高;P1口:P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流;P2口:P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流;P3口:P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。P3口還用于實現(xiàn)AT89C51的各種第二功能,如下表所列: P3口功能引腳口功 能RXD串行輸入端口TXD串行輸出端口INT0 外中斷0INT1 外中斷1T0定時器0外部輸入T1定時器1外部輸入WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通P3口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST:復位輸入。當振蕩器復位器件時,要保持RST腳兩個 機器周期的高電平時間。ALE/PROG:當訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。1PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。1EA/VPP:當/EA保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器(0000HFFFFH),不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時,/EA將內部鎖定為RESET;當/EA端保持高電平時,此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。 1XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。1XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。[14] 振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件,XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器,因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合,并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前,該操作必須被執(zhí)行。此外,AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯,可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯,支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下,CPU停止工作。 最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)又稱單片機最小化系統(tǒng)。單片機的最小化系統(tǒng)是單片機能正常工作所必須的外圍元件, 最小系統(tǒng)一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路。[17] AT89C51最小系統(tǒng)電路采用的是AT89C51芯片,它內部自帶4K的FLASH程序存儲器,一般情況下,這4K的存儲空間足夠我們使用,所以我們將AT89C51芯片的第31腳固定接高電平(PCB畫板時已經接死),所以我們只用芯片內部的4K程序存儲器。單片機的時鐘電路有一個12M的晶振和兩個30P的小電容組成,它們決定了單片機的工作時間精度為1微秒。復位電路由22UF的電容和1K的電阻組成,其好處是在滿足單片機可靠復位的前提下降低了復位引腳的對地阻抗,可以顯著增強單片機復位電路的抗干擾能力。由圖并結合電容電壓不能突變的性質,可以知道,當系統(tǒng)一上電,RST腳將會出現(xiàn)高電平,并且,所以,適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。晶振電路:(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產生精確的us級時歇,方便定時操作)特別注意:對于31腳(EA/Vpp),當接高電平時,單片機在復位后從內部ROM的0000H開始執(zhí)行。當接低電平時,復位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。 外圍電路設計 顯示電路—LCD1602優(yōu)點 (1)顯示質量高 由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度,恒定發(fā)光,而不像陰極射線管顯示器(CRT)那樣需要不斷刷新新亮點。因此,液晶顯示器畫質高且不會閃爍。 (2)數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的,和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠,操作更加方便。 (3)體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的,在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。(4)功耗低相對而言,液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上,因而耗電量比其它顯示器要少得多。液晶顯示簡介 (1)液晶顯示原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性,通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制,有電就有顯示,這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點,目前已經被廣泛應用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。 (2)液晶顯示器的分類液晶顯示的分類方法有很多種,通??砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外,液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅動方式來分,可以分為靜態(tài)驅動(Static)、單純矩陣驅動(Simple Matrix)和
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