毕业设计(论文)基于AT89S52单片机的步进电机控制.doc
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1、 题 目: 简易步进电机控制 步进电机控制摘要:本设计采用ATMEL公司DIP-40封装的AT89S52单片机实现对四相步进电机的手动和按键控制。由单片机产生的脉冲信号经过分配后分解出对应的四相脉冲,分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。转速的调节和状态的改变由按键进行选择,此过程由程序直接进行控制。通过键盘扫描把选择的信息反馈给单片机,单片机根据反馈信息做出相应的判断并改变输出脉冲的频率或转动状态信号。电机转动的不同状态由液晶LCD1602显示出来。而设计的扩展部分可以通过红外信号的发射由另一块单片机和红外线LED完成,用红外万能接收头接收红外信号,可以实现对电机的控制进行
2、红外遥控。 关键字:四相步进电机 单片机 功率放大 LCD1602 目录步进电机控制 1摘要 1关键字 1前言 31系统总体方案设计及硬件设计4 1.1步进电机41.1.1 步进电机的种类 41.1.2 步进电机的特点 41.1.3 步进电机的原理 51.2 控制系统电路设计71.3 液晶显示LCD160271.4 AT89S52核心部件及系统SCH原理图9 1.5 LN2003A驱动102软件设计及调试13 2.1程序流程 132.2软件设计及调试 143 扩展功能说明154设计总结 165 设计源程序166 附录 21参考文献 22附2:系统原理图及实物图 23前言步进电机广泛应用于对精度
3、要求比较高的运动控制系统中,如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。目前,对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大,同时由于分散器件的延时,其可靠性大大降低;软件环形分配器要占用主机的运行时间,降低了速度;专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好,但其适应性受到限制,同时开发周期长、需求费用较高。步进电机是微特电机的一种,其作为执行元件,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
4、应用。同时步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置,是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的,而步进电动机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置于定位状态。步进电机以广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中,因为步进电机不需要A/D转换,能够直接将数
5、字脉冲信号转化成为角位移,所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小,无法满足需要,在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展,步进电动机已经能够单独在系统上进行使用,成为了不可替代的执行元件。除了在数控机床上的应用,步进电机也可以并用在其他的机械上,比如作为自动送料机中的马达,作为通用的软盘驱动器的马达,也可以应用在打印机和绘图仪中。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。1系统总体方案设计及硬件设计本设计系统中主要围绕AT89S52以实现四相步进电机的转动控制(步进电机正转、反转以及转动速
6、度)以及液晶LCD1602的显示为目的:1.1步进电机步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电机(HB)。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下:(1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如:混合式步进电机的工作方式,其各相通电顺序为A-B-C-D,通电
7、控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断,这就是所谓脉冲环形分配器。(2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。(3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。1.1.1 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
8、;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1.8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。1.1.2 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
9、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。1.1.3 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。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
10、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:ABCD或ADCB。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:L360 PN式中:L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。 四相
11、步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图2 四相步进电机步进示意图开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转
12、子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3.a、b、c所示: a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图3.步进电机工作时序波形图对步进电机四个绕组依次实现如下方式的循环通电控制: 单四拍运行:正转A-B-C-D;反转D-C-B-A 双四拍运行:正转AB-BC-CD-DA;反转DC-CB-BA-AD单双八拍运行:正转A-AB-B
13、-BC-C-CD-D-DA1.2 控制系统电路设计步进电机控制设计采用AT89S52单片机作为控制机构的核心(如图4)。通过对键盘的输入与操作实现对步进电机的控制。当电源开通的时候,步进电机就会按照默认设置的转速方式转动。步进电机的正反转及转速由按键控制选择,当按键按下,步进电机实现正转或反转及加速或减速状态。AT89S52单片机独立按键键盘步进电机驱动LCD1602显示扬声器(扩展)红外发射电路(扩展)时钟和复位电路图7 控制系统1.3 液晶显示LCD1602液晶LCD-1602说明:1.简介 工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。(16列2行) 注:为了表示的方便 ,后文皆以
14、1表示高电平,0表示低电平。2.管脚功能 1602采用标准的16脚接口,其中: 第1脚:VSS为电源地 第2脚:VDD接5V电源正极 第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。 第4脚:RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 第5脚:RW为读写信号线,高电平(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。 第6脚:E(或EN)端为使能(enable)端。 第714脚:D0D7为8位双向数据端。 第1516脚:空脚或背灯电源。15脚背光正极,16脚背光负
15、极。3.操作控制操作控制表 3.1操作 读状态 写指令 读数据 写数据 3.2输入 RS=0,RW=1,E=1 RS=0,RW=0, D0-7=指令码,E=H脉冲 RS=1,RW=1,E=1 RS=1,RW=0, D0-7=数据,E=H脉冲 注:关于E=H脉冲开始时初始化E为0,然后置E为1,脉冲大于0.5us,下降沿有效。4.字符集 1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地
16、址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。 因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,如A。 以下是1602的16进制ASCII码表地址: 读的时候,先读左边那列,再读上面那行,如:感叹号!的ASCII为0x21,字母B的ASCII为0x42(前面加0x表示十六进制)。编辑本段指令集 1602通过D0-D7的8位数据端传输数据和指令。 显示模式设置: (初始化) 0011 0000 0x38 设置162显示,57点阵,8位数据接口; 显示开关及光标设置: (初始化) 0000 1DCB D显示(1有效)、C光标
17、显示(1有效)、B光标闪烁(1有效) 0000 01NS N=1(读或写一个字符后地址指针加1 &光标加1), N=0(读或写一个字符后地址指针减1 &光标减1), S=1 且 N=1 (当写一个字符后,整屏显示左移) s=0 当写一个字符后,整屏显示不移动 数据指针设置: 数据首地址为80H,所以数据地址为80H+地址码(0-27H,40-67H)其他设置:(01H(显示清屏,数据指针=0,所有显示=0);02H(显示回车,数据指针=0)。图8 液晶LCD16021.4 AT89S52核心部件及系统SCH原理图AT89S52单片机功能特性描述: AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的
18、低功耗、高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 8k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序 存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器 既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中,ATMEL 公司的功能强大,低价位 AT89S51 单片机可以提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业 80C5
19、1 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash,使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM32 位 I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个 16 位定时器/计数器,一个6向量 2级中断结构,全双工串行口片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电
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