測控電路課程設(shè)計--步進(jìn)電機控制器設(shè)計

1、<p>　　測控電路課程設(shè)計說明書</p><p><b>　　步進(jìn)電機控制器設(shè)計</b></p><p><b>　　專業(yè)班級：</b></p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　學(xué) 號：</b>&l

2、t;/p><p><b>　　指導(dǎo)老師： </b></p><p><b>　　完成日期： </b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一 設(shè)計要求與目的 …………………………………………………………2</p><p>　　二 系

3、統(tǒng)原理方案設(shè)計 ………………………………………………………2</p><p>　　1 步進(jìn)電機理論知識………………………………………………………2</p><p>　　2.1 H橋雙向驅(qū)動電路……………………………………………………3</p><p>　　2.2 ULN2003A集成芯片驅(qū)動 ……………………………………………4</p><p&g

4、t;　　3 單片機控制系統(tǒng) ………………………………………………………5</p><p>　　三 軟件設(shè)計 …………………………………………………………………6</p><p>　　1 程序流程圖………………………………………………………………6</p><p>　　2實驗源程序 ………………………………………………………………6</p><p

5、>　　3模擬仿真對程序調(diào)試 ……………………………………………………9</p><p>　　4繪制原理圖及PCB圖 ……………………………………………………10</p><p>　　四 系統(tǒng)硬件設(shè)計制作…………………………………………………………11</p><p>　　1 器件選型檢測 ……………………………………………………………11</p>

6、<p>　　2 安裝調(diào)試 …………………………………………………………………12</p><p>　　3硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施 ……………………………………12</p><p>　　四 課程設(shè)計總結(jié)和心得體會…………………………………………………12</p><p>　　五 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………13<

7、/p><p><b>　　設(shè)計要求及目的</b></p><p>　　設(shè)計完成一個步進(jìn)電機的控制實驗，要求采用H橋驅(qū)動方式，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止。</p><p><b>　　系統(tǒng)原理方案設(shè)計</b></p><p>　　1、步進(jìn)電機原理知識</p><p>

8、;　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件。步進(jìn)電機的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運動。正常運動情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)；做連續(xù)步進(jìn)運動時，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電機能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微機進(jìn)行控制。</p><p>　?。?）步進(jìn)電機種類 </p><p>　

9、　目前常用的步進(jìn)電機有三類：</p><p>　　1)反應(yīng)式步進(jìn)電動機(VR)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動態(tài)性能差。</p><p>　　2)永磁式步進(jìn)電動機(PM)。永磁式步進(jìn)電動機出力大，動態(tài)性能好；但步距角大。</p><p>　　3)混合式步進(jìn)電動機(HB)?；旌鲜讲竭M(jìn)電動機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出

10、力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動機。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機。</p><p>　　（2）步進(jìn)電機的工作原理</p><p>　　該步進(jìn)電機為一四相步進(jìn)電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機步進(jìn)轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機工作原理示意</p><p>　　開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、S

11、D斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。  </p><p>　　當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、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

12、相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 </p><p>　　四相步進(jìn)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。    </p><p>　　單四拍、雙四

13、拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示：</p><p>　　2、 步進(jìn)電機驅(qū)動方案選擇</p><p>　　步進(jìn)電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動機驅(qū)動器，如圖2所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進(jìn)電動機直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動機微機控制器的功

14、率接口，這里予以簡單介紹。</p><p>　　步進(jìn)電動機驅(qū)動控制器示例圖</p><p>　　1）H橋驅(qū)動方式，驅(qū)動電路如下：</p><p>　　其中V1,V2,V3,V4分別是步進(jìn)電機四個相的控制端，分別接單片機的P1.0 ; P1.1 ; P1.2 ; P1.3端口，當(dāng)單片機的相應(yīng)口輸出一個高電平時會使NPN型的三極管導(dǎo)通，D1，D2，D3，D4分別是四個續(xù)

15、流二極管，因為步進(jìn)電機是一個感性器件，在斷電時會產(chǎn)生一個瞬間的高壓，這不利于三極管，所以加入了續(xù)流二極管的保護(hù)電路。</p><p>　　2）ULN2003A集成功率驅(qū)動芯片</p><p>　　ULN2003的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能ULN是集成達(dá)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

16、電壓=5VTTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動電路。ULN是集成達(dá)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(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ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。

17、 ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，單獨每個單元驅(qū)動電流最大可達(dá)350mA.資料的最后有引用電路，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。</p><p>　　uln2003的作用：ULN2003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(fù)載。輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。ULN20

18、03是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列,由七個硅NPN達(dá)林頓管組成。該電路的特點如下: ULN2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7K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。ULN2003 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)載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)</p><p>　　ULN2003A原

19、理框圖</p><p>　　為了提高動手能力和更多更好地了解步進(jìn)電機的驅(qū)動原理和方法，所以決定H橋驅(qū)動和ULN2003芯片驅(qū)動兩種方式進(jìn)行試驗，對單片機的控制輸出口同時接上兩個驅(qū)動電路，對不同驅(qū)動方式分別有自己單獨的步進(jìn)電機接口，這樣就擺脫了單片機同時驅(qū)動兩個電機功率不足的問題。</p><p><b>　　3、單片機控制系統(tǒng)</b></p><p

20、>　　采用AT89C52單片機</p><p>　　AT89C52 ATMEL是一種低功耗，高性能CMOS 8位單片機．片內(nèi)含8K byTES的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)80C51指令系統(tǒng)及80C52 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU ）和FLASH由存儲單元，功能強大AT89C52單片適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。

21、</p><p>　　主要性能參數(shù)：與Mcs-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。8字節(jié)可重擦寫FLASH閃速存儲器1000 次擦寫周期全靜態(tài)操作：0HZ-24MHZ 三級加密程序存儲器256X8字節(jié)內(nèi)部RAM 32個可編程I/0口線3個16 位定時／計數(shù)器8個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8字節(jié)FLASH閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM , 32個I/O口線，3個16

22、 位定時／計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89c52可降至零赫茲的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電上作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時／計數(shù)器．串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位. </p><p>　　使用單片機來產(chǎn)生需要的控制信號從而實現(xiàn)對步進(jìn)電機的

23、驅(qū)動。</p><p><b>　　軟件設(shè)計</b></p><p><b>　　程序流程圖</b></p><p><b>　　2、實驗源程序</b></p><p>　　電路的基本功能有五個：</p><p>　　程序控制采用四相八拍工作方式。<

24、;/p><p>　　正轉(zhuǎn)；按下正轉(zhuǎn)按鈕單片機輸出一個相序為A,B,C,D的時序信號，從而使電機正轉(zhuǎn)。</p><p>　　反轉(zhuǎn)；按下反轉(zhuǎn)按鈕單片機輸出一個相序為D,C,B,A的時序信號，從而使電機反轉(zhuǎn)。</p><p>　　停止；按下停止按鈕，單片機的P1.0到P1.3輸出一個全低電平，從而使電機停轉(zhuǎn)。</p><p>　　加速；當(dāng)按下加速按鈕時

25、，通過程序減小時序的周期，從而加快時序的頻率，從而實現(xiàn)加速目標(biāo)。</p><p>　　減速；當(dāng)按下減速按鈕時，加長時序的周期，從而減小時序的頻率，從而實現(xiàn)減速的目的。</p><p><b>　　源程序：</b></p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#define u

26、int unsigned int</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　uchar code ZZ[]=</p><p><b>　　{</b></p><p>　　0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09</p>

27、<p><b>　　};</b></p><p>　　uchar code FZ[]=</p><p><b>　　{</b></p><p>　　0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01</p><p><b>　　};</b&g

28、t;</p><p>　　sbit K1 = P3^0;</p><p>　　sbit K2 = P3^1;</p><p>　　sbit K3 = P3^2;</p><p>　　sbit K4 = P3^3;</p><p>　　sbit K5 = P3^4;</p><p>　　uint

29、b=30;</p><p><b>　　uint a=3;</b></p><p>　　void DelayMS(uint ms)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　whil

30、e(ms--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(i=0;i<30;i++);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void STEP_MOTOR_Z

31、Z() //正轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar j;</b></p><p>　　P0 = 0xfe;</p><p>　　for(j=0;j<8;j++)</p><p><b>　　{</b&g

32、t;</p><p><b>　　P1=ZZ[j];</b></p><p>　　DelayMS(b);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void STEP_MOTOR_FZ() /

33、/反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar j;</b></p><p><b>　　P0=0xfd;</b></p><p>　　for(j=0;j<8;j++)</p><p><b>　

34、　{</b></p><p><b>　　P1=FZ[j];</b></p><p>　　DelayMS(b);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void STEP_MOTO

35、R_STOP()//停轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P0=0xfb;</b></p><p><b>　　P1=0x03; </b></p><p><b>　　}</b></p><p>

36、;　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(K1==0) //正轉(zhuǎn)</p><p><b>

37、　　{</b></p><p><b>　　a=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(K2==0) //反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　a=2;&

38、lt;/b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(K3==0) //停轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　a=3; </p><p><b>　　}</b>

39、;</p><p>　　if(K4==0&&a==1)//正加速</p><p><b>　　{b=b-3;</b></p><p><b>　　a=1;</b></p><p><b>　　if(b<=10)</b></p>&l

40、t;p><b>　　{ b=10;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(K4==0&&a==2) //反加速</p><p><b>　　{b=b-3;<

41、/b></p><p><b>　　a=2;</b></p><p><b>　　if(b<=10)</b></p><p><b>　　{ b=10;</b></p><p><b>　　}</b></p><p&

42、gt;<b>　　}</b></p><p>　　if(K5==0&&a==1) //正減速</p><p><b>　　{b=b+3;</b></p><p><b>　　a=1; </b></p><p><b>　　}</b&g

43、t;</p><p>　　if(K5==0&&a==2) //反減速</p><p><b>　　{b=b+3;</b></p><p><b>　　a=2; </b></p><p><b>　　}</b></p><p>

44、<b>　　switch(a)</b></p><p>　　{case 1: STEP_MOTOR_ZZ();break;</p><p>　　case 2: STEP_MOTOR_FZ();break;</p><p>　　case 3: STEP_MOTOR_STOP();break;</p><p>　　defa

45、ult: break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　3、模擬仿真及對程序調(diào)試</p><p>　　利用proteus仿真軟件繪制單片機控制步進(jìn)

46、電機的原理圖，如下圖示</p><p>　　proteus仿真電路原理圖</p><p>　　該原理圖由機部分構(gòu)成，晶振電路、驅(qū)動電路、開關(guān)按鈕電路以及工作狀態(tài)指示燈電路。完成原理圖繪制后，將在編程軟件中已經(jīng)編寫好的源程序文件生成Hex文件，利用軟件自身的仿真功能進(jìn)行仿真。通過實際操作，在剛開始時，電機一直在抖動無法實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動，通過查閱資料，我了解到當(dāng)單片機給出的信號頻率大于電機自身的轉(zhuǎn)

47、動頻率，電機發(fā)生了堵轉(zhuǎn)，即所謂的不能完成連續(xù)轉(zhuǎn)動而是不停抖動的狀態(tài)。于是我改小源程序中信號的輸出時間，重新仿真，果然電機的抖動變小，開始有大幅度轉(zhuǎn)動。又通過多次的調(diào)試終于得到了電機的最佳工作頻率，與資料上說明很接近。最后，結(jié)果是當(dāng)按鍵按下后，對應(yīng)的指示燈點亮，同時電機開始進(jìn)入對應(yīng)的工作狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)要求的功能，仿真成功。</p><p>　　4、繪制原理圖及PCB圖</p><p>　　利

48、用電路制做軟件protel 99SE繪制電路原理圖并生成PCB圖。</p><p><b>　　(1)PCB圖</b></p><p><b>　　（2）PCB立體圖</b></p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計制作</b></p><p>　　1、器件選型檢測，元器件列表

49、</p><p><b>　　安裝調(diào)試檢測</b></p><p>　　按照要求正確安裝電路，由于電路板上的焊盤發(fā)生虛焊，焊錫過多，從而導(dǎo)致斷路或者短路；單片機，三極管，二極管等的引腳連接錯誤；單片機的程序編寫發(fā)生錯誤等導(dǎo)致實驗結(jié)果錯誤，所以在調(diào)試前必須進(jìn)行硬件測試。</p><p>　　硬件測試通電前的測試內(nèi)容</p><

50、p>　　（1）確認(rèn)電源電壓正常</p><p>　　（2）確認(rèn)電源連接極性正確</p><p>　?。?）確認(rèn)極性電容未接反</p><p>　　（4）確認(rèn)電路電源未短路</p><p>　　先用簡單程序測試單片機是否運行程序若無法正常運行程序,按下述順序檢查</p><p>　?。?）檢查VCC(40腳)工作電

51、壓是否正常；</p><p>　　（2）檢查EA(31腳)是否已接高電平；</p><p>　?。?）檢查RST(9腳)是否為低,復(fù)位電路是否正常；</p><p>　　（4）檢查18、19腳晶振電路是否正常；</p><p>　?。?）在單片機電源端加接濾波電容（100uF，0.1uF）；</p><p>　　（6）

52、若上述均無誤,則單片機正常；</p><p>　　3、硬件調(diào)試過程出現(xiàn)的問題及解決措施</p><p>　?。?） 把C語言源程序燒入單片機中開始調(diào)試，發(fā)現(xiàn)指示燈不亮按鍵也不起作用，同時電機也不工作。檢測發(fā)現(xiàn)按鍵的引腳接法錯誤。重新接好后可以實現(xiàn)工作。</p><p>　?。?）從電機看不到有轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，但是手拿著電機卻能明顯感覺到里面在劇烈運動，通過查資料知道是發(fā)

53、生堵轉(zhuǎn)。對程序進(jìn)行修改，減小信號的輸出頻率，重新調(diào)試，可以看到轉(zhuǎn)動，但無論怎么加速電機始終轉(zhuǎn)的很慢。上網(wǎng)查閱了我們所用的電機的型號后發(fā)現(xiàn)是一個減速電機，減速比為1比64,。所以無論怎么加速外面看起開始終轉(zhuǎn)的很慢，但內(nèi)部卻已經(jīng)達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。由于找不到合適的電機，只能用這個減速電機來試驗，所以在實現(xiàn)電機加減速是很難觀察到電機轉(zhuǎn)速的明顯變化。</p><p>　　（3）寫說明書是遇到的像書寫格式不懂、資料不全等一系列

54、問提，通過上網(wǎng)查閱資料和參考別人的說明書格式，最終完成了說明書的編寫。</p><p>　　四、課程設(shè)計總結(jié)和心得體會</p><p>　　經(jīng)過以上步驟，課程設(shè)計所要求設(shè)計的電機驅(qū)動便成功完成了，它能準(zhǔn)確的實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)、加速減速以及停止的控制，同時指示燈指示正確。通過這次課程設(shè)計，我們對日常生活中司空見慣的電機帶動系統(tǒng)的工作原理有了一個比較深入的了解，將書本中的知識更好地與實際生活中的

55、應(yīng)用結(jié)合在了一起。在這次電機驅(qū)動的課程設(shè)計中，我們用C語言編程，C語言中為我們提供了大量可重用代碼，隱藏了程序設(shè)計中的許多復(fù)雜工作，在程序編寫中，通過使用原有的類和派生新的類，各種控件的添加，類的連接，菜單設(shè)計，消息添加，函數(shù)編寫，使我對面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計有了深刻認(rèn)識，掌握了程序調(diào)試方法，大大提高了編程能力和動手能力。在程序的調(diào)試過程之中，可以說是困難重重，特別是對仿真電路的繪制和仿真，更是此次對于電機驅(qū)動設(shè)計過程中的重點。在不斷的改正錯

56、誤和調(diào)試的過程之中，所要求設(shè)計的電機驅(qū)動總算是運行成功。</p><p>　　到此為止，我們接近兩周的課程設(shè)計也告一段落。通過這次課程設(shè)計，使我認(rèn)識到理論與實際相結(jié)合的重要性，對課本上的只是在實際生活中的運用也有了進(jìn)一步的了解，同時基本上能夠掌握C語言編程，可以說是從中受益匪淺。</p><p>　　本次課程設(shè)計是在指導(dǎo)老師悉心指導(dǎo)下和同學(xué)的耐心幫助下完成的。這次課程設(shè)計能夠順利的完成，首

57、先要感謝是指導(dǎo)老師,在技術(shù)上給了我很大的幫助和啟發(fā)。感謝班上同學(xué)對我的幫助和指點。沒有他們的幫助，對于我一個對編程知識不是很精通的人來說，要想在短短的的時間里完成一個系統(tǒng)的軟件設(shè)計是一件很困難的事情。在一些小問題上，只要能夠解答，同學(xué)都會盡力幫助我，讓我不至于在設(shè)計時一直止步不前。感謝同學(xué)的耐心幫助和指點。在此表示最誠摯的感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

58、;<p>　　1、《步進(jìn)電機應(yīng)用技術(shù)》 坂本正文（日） 著，王自強 譯</p><p>　　2、《測控電路》 張國雄編著</p><p>　　3、《單片機原理及接口技術(shù)》 李朝青 編著</p><p>　　4、《C語言程序設(shè)計》 李麗娟 馬淑萍 編著</p><p>　　5、《電子線路設(shè)計實驗測試》 謝自美 編著</p&g