1、攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计攀枝花学院电信学院专业基础综合实验四相步进电机控制器设计学生姓名： 学生学号： 院（系）： 电 信 学 院 年级专业： 指导教师： 二一二年十二月第一章 设计准备攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计1、课程设计的目的（1） 检查学生对本门课程所学知识的掌握程度及对知识的灵活的运用情况。（2） 检查学生对具体问题的分析能力和解决问题的能力。（3） 锻炼学生的实际设计能力。（4） 加强学生对单片机在应用设计中的感性认识，为日后的单片机应用打基础。2、课程设计的内容和要求（1） 作出单片机的硬件设计，画出硬件连接图（2） 设计软件，在实验室用示波器进行
2、检查攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计第二章 四项步进电机四项步进电机设计框图：1 1 步进电机的控制1）.换相顺序控制： 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。2）.控制步进电机的转向控制： 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控制：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。12 步进电机的工作过程攀枝花学院电气信息工程学院专业
3、基础课程设计1）.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，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。 2).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
4、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。 3).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 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攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计八拍运行： 正转 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA本实验使用
5、的是单双八拍循环控制第三章 AT89C51 单片机芯片介绍本设计采用 AT89C51 单片机作为控制系统的核心。AT89C51 单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4 个 I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。采用 HMOS 制造工艺的 MCS-51 单片机都采用 40 管脚双列直插式封装，除采用 40 脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。40 管脚双列直插式封装管脚图如图所示。MCS-51 系列单片机管脚图攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计第四章 步进电机原理及硬件设计本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分
6、。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。4.1 控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是 K1、K2 、S2、S3，控制电路如图所示。通过K1、 K2 状态变化来实现电机的启动和换向功能。当 K1、K2的状态变化时，内部程序检测 P1.0 和 P1.1 的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制
7、主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过 S2、S3 的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。控制电路原理图4.2 最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。复位电路：使用
8、了独立式键盘，单片机的 P1 口键盘的接口。该设计要求只需 4 个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了 6路独立式键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用 30PF 的电容和一 12M 晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。如图:晶振电路：8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚 XTAL1 和攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计XTAL2 外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构
9、成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 5 示。其电容值一般在530pf,晶振频率的典型值为 12MHz,采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。复位及时钟振荡电路4.3 驱动电路通过 ULN2803 构成比较多的驱动电路，电路图如图所示。通过单片机的P1.0P1.3 输出脉冲到 ULN2803 的 1B4B 口，经信号放大后从 1C4C 口分别输出到电机的 A、B、C 、D 相。攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计步进电机驱动电路4.4 显示电路在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级
10、分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的 P0 口和 P2 口。采用两个共阳数码管作显示。第一个数码管接的 a、b 、c、d、e 、 f、g、h 分别接 P0.0P0.7 口，用于显示电机正反转状态，正转时显示“1”，反转时显示“一”，不转时显示“0”。第二个数码管的 a、b、c、d 、e 、f、g、h分别接 P2.0P2.7 口，用于显示电机的转速级别，共七级，即从 17 转速依次递增，“0”表示转速为零。电路如图所示。攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计显示电路4.5 总体电路图把各个部分
11、的电路图组合成总电路图，如图所示。总体电路图攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计第五章 语言程序如下：主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对 P1 口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均设为 0，就意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0 ”，速度值显示“0 ”，主程序流程图如图所示。主
12、程序图攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图所示。中断返回T0 中断入口发速度脉冲读方向指示重送相关状态恢复现场保护现场中断次数-1=0？NY定时中断程序流程图攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改
13、变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮 S2 为 INT0 中断，其程序流程为原数据，当值等于 7 时，不改变原数值返回，小于 7 时，数据加 1 后返回；速度减少按钮 S3，当原数据不为 0，减1 保存数据，原数据为 0 则保持不变。程序流程图如图所示。攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计外部中断入口保护现场延时去抖中断返回速度值1恢复现场速度=上或限值？按钮是否弹起？NNNYY外部中断程序流程图攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计程序如下：#include #define uint unsig
14、ned int sbit k1=P34; /启动开关sbit k2=P35; /换向开关sbit s2=P32; /加速按钮sbit s3=P33; /减速按钮void isr_int0(void);/外部中断 0 中断服务函数声明void isr_int1(void);void zd_t0ist(void);uint speed,count,r1,i,t,k;main()k=0;t=0;r1=0x11 ;speed=0;count=1;TMOD=0x01;ET0=1;EA=1;EX0=1;EX1=1;TH0=0xcf;TL0=0x2c;for(;)if(k1=0)P0=0xff;P2=0xf
15、f;攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计speed=0;TR0=0;else if(k2=0)P0=0xbf;else P0=0xf9;if(speed=0)P2=0xc0;TR0=0;else TR0=1;void isr_int0(void) interrupt 0if(speed0)speed=speed-1;while(s3=0)for(i=0;i0)t=t-1;if(k2=0)if(t=0)switch(k)case 0:P1=0x01;break;case 1:P1=0x02;break;case 2:P1=0x04;break;case 3:P1=0x08;break;攀枝
16、花学院电气信息工程学院专业基础课程设计default :break;k=k+1;if(k=4)k=0;else if(t=0)switch(k)case 0:P1=0x08;break;case 1:P1=0x04;break;case 2:P1=0x02;break;case 3:P1=0x01;break;default :break;k=k+1;if(k=4)k=0;攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计第六章 仿真结果通过 K1、K2 状态变化来实现电机的启动和换向功能：电机初始态：电机打开 k1：电机反转 k2：攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计电机正反转的加减速 s1/s2：攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计攀枝花学院电气信息工程学院专业基础课程设计第七章 实验结论可靠
