1、二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 二相步进电机控制系统的设计（采用双极性控制）初始条件：设计一个二相步进电机控制系统，电机有两组带中心抽头的线圈，要求系统具有如下功能：采用双极性（H 桥）控制（不使用线圈的中心抽头），用 K0-K1 做为通电方式选择键，K0 为四拍，K1 为八拍， K2 为启动/ 停止控制、K3 方向控制、K4 加速、K5 减速；用 4 位 LED 数码管显示工作步数。用 3 个发光二极管显示状态：正转时红灯
2、亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮；要求完成的主要任务: 1 硬件设计：系统总原理图及各部分详细原理图2 软件设计：系统总体流程图、步进电机四拍，八拍各模块流程图、显示模块流程图等3 编写程序：能够完成上述任务并用仿真软件演示4 完成符合要求的设计说明书时间安排：2013 年 6 月 24 日2013 年 7 月 4 日指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)目 录摘要 .11 设计任务及要求的分析 .22 方案比较及认证 .22.1 单片机选型 .22.2 驱动模块选择 .33 系统实现的原理说明 .34 硬件设计说明 .54.
3、1 单片机系统原理分析 .54.2 二相步进电机工作原理分析 .74.3 L298 驱动电路设计 .94.4 四位 LED 数码管显示设计 .115 软件设计说明 .125.1 总体流程分析与设计 .125.2 设置电机转动模式流程分析与设计 .135.3 显示模块流程分析与设计 .146 调试记录及结果分析 .156.1 总体硬件仿真设计 .156.2 调试与仿真结果分析 .16小结与心得体会 .18参考文献 .19附录 1： .20附录 2： .20二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)1摘要步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统
4、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。本控制系统的设计方案，以单片机为核心，辅以驱动电路，完成二相步进电机的控制。本次设计的硬件部分主要包括单片机系统、按键控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块等功能模块的设计，软件部分由几个模块控制子程序
5、分别控制硬件模块的运行，最终实现对步进电机转动方向及转动模式（四拍，八拍）的控制，并且将步进电机的步进数动态显示在 LED 数码管上。关键词：步进电机 单片机 控制 LED二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)2二相步进电机控制系统的设计1 设计任务及要求的分析设计的步进电机控制系统要求有以下功能：1. 二相步进电机采用双极性（H 桥）控制；2用 K1 作为通电方式选择键，可选择四拍和八拍；3. 用 K2 作为启动/停止控制键，闭合表示启动，断开表示停止；4. 用 K3 作为正反转控制键，开关闭和表示反转，断开表示正转；5. 用 K4 作为加速控制键，闭合时电机加速运转；6. 用 K5
6、作为减速控制键，闭合时电机减速运转；7. 用 4 位 LED 数码管显示工作步数；8. 用 3 个发光二极管显示状态：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。本次设计需要对二相步进电机进行双极性控制，使其能在控制下进行正转、反转和停止，同时利用数码管和二极管分别显示其工作步数和工作状态。由于控制功能较为复杂，所以本系统需要采用单片机以及驱动模块进行设计。2 方案比较及认证2.1 单片机选型单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等优点，在各个领域都获得了广泛的应用，在我国，近几年单片机也得到了广泛的应用特别是在工业控制、智能仪表等方面。单片机种类繁多，目前市场上常用的单片机有 51 系
7、列，AVR 系列与 PIC 系列等。MCS-51 系列运算与寻址能力强、存储空间大、片内集成外设丰富、功耗低等。其中大部分兼容芯片有 Flash,价格便宜，常用于仪器仪表、测控系统、嵌入式系统开发。二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)3ATMEL 公司的 AVR 单片机是增强型 RISC 内载 Flash 的单片机,芯片上的 Flash 存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR 单片机采用增强的 RISC 结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每 MHz 可实现 1MIPS 的处理能力.AVR 单片机工作电压为 2.
8、76.0V,可以实现耗电最优化.AVR 的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。PIC 系列单片机: PIC 系列单片机的主要产品是 PIC 16C 系列和 17C 系列 8 位单片机,CPU 采用 RISC 结构，分别仅有 33,35 条指令,采用 Harvard 双总线结构，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积。适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用，PIC 系列单片机在世界单片
9、机市场份额排名中逐年提高，发展非常迅速。比较这三种类型的单片机，MCS-51 系列单片机以抗干扰能力强、对环境要求不高、灵活性强等别的系统所不具备的优点被广泛使用。即使非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。由于本次设计的所要实现的功能并不复杂，鉴于成本考虑，选用便宜而常用的 MCS-51 系列较为合适。本次设计采用其中低功耗型 80C51 单片机。2.2 驱动模块选择驱动模块常用有 uln2003a 和 L298，考虑到二相步进电机需采用双极性控制，故电机的驱动模块使用芯片 L298 实现，接线简洁，稳定性好。3 系统实现的原理
10、说明本次课程设计系统以单片机 80C51 为核心进行设计，单片机与按键、数码管、发光二极管、L298 驱动模块相连接，人为操作按键，在程序控制下，单片机将通过驱动模块控制步进电机转动，并使数码管和发光二极管分别显示步进电机的工作步数和状态。系统的总体原理框图如下所示：二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)4按键设置80c51单片机系统L298 驱动模块发光二极管显示状态二相步进电机四位数码管图 3-1 系统总体原理框图本系统以单片机80C51为核心的控制系统，由P1口进行开关按键的设置，具体为：P1.2接K5减速开关，开关闭合时作用，低电平有效；P1.3接K4加速开关，开关闭合时作用，低
11、电平有效；P1.4接K3正/反转开关，高电平为正转，低电平为反转；P1.5接K2启动/停止开关，高电平为停止状态，低电平为启动状态； P1.6和P1.7接K0单刀双掷开关，用于控制工作模式的选择，P1.6接八拍，P1.7接四拍。P3 口与 P0 口外接 4 位 LED 数码管，显示步进步数，通过控制 P3 口的电平信号，达到片选的目的，进而实现 4 位数值的显示。P0 口作为输出口外接 LED 的 AG 以及 DP。另外 P2.4 接绿色发光二极管，使其在电机停转时亮；P2.5 接红色放光二极管，使其在电机正转时亮；P2.6 接黄色发光二极管，使其在电机反转时亮。P2外接驱动电路L298的4个
12、输入端，具体为 P2.0接IN1，P2.1接IN2 ，P2.2 接IN3 ，P2.3接IN4。这样即可通过控制单片机的P2口输出电平来实现二相步进电机的启动，停止，正反转以及四拍，八拍运转。具体工作过程需通过对单片机编程来实现。电路图如下所示二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)5图 3-2 系统电路原理图4 硬件设计说明4.1 单片机系统原理分析80C51 是 MCS-51 系列单片机中 CHMOS 工艺的一个典型品种。其它厂商以 8051 为基核开发出的 CMOS 工艺单片机产品统称为 80C51 系列。该系列单片机是采用高性能的静态 80C51 设计，由先进 CMOS 工艺制造，并
13、带有非易失性 Flash 程序存储器 ，全部支持 12 时钟和 6 时钟操作，P89C51X2 和P89C52X2/54X2/58X2 分别包含 128 字节和 256 字节 RAM、32 条 I/O 口线、3 个 16 位定时/计数器、6 输入 4 优先级嵌套中断结构、1 个串行 I/O 口、可用于多机通信 I/O 扩展或全双工 UART 以及片内振荡器和时钟电路。其主要结构组成如下：1中央处理器（CPU）2内部数据存储器（内部 RAM）二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)63内部程序存储器（内部 ROM）4定时器/ 计数器5并行 I/O 口6串行口7时钟电路8中断系统9外接晶体引脚
14、图 4-1 80C51 单片机管脚图单片机管脚如图 4-1 所示，下面对其各个管脚进行必要的说明。P0、P1、P2、P3 口的电平与 CMOS 和 TTL 电平兼容。P0 口的每一位口线可以驱动 8 个 LSTTL 负载。在作为通用 I/O 口时，由于输出驱动电路是开漏方式，由集电极开路（OC 门）电路或漏极开路电路驱动时需外接上拉电阻；当作为地址/数据总线使用时，口线输出不是开漏的，无须外接上拉电阻。 P1、P2、P3 口的每一位能驱动 4 个 LSTTL 负载。它们的输出驱动电路设有内部上拉电阻，所以可以方便地由集电极开路（OC 门）电路或漏极开路电路所驱动，而无须外接上拉电阻。 当 CP
15、U 不对 P3 口进行字节或位寻址时，内部硬件自动将口锁存器的 Q 端置 1。这时，P3 口作为第二功能使用。 P3.0 ：RXD（串行口输入）； P3.1 ：TXD（串行口输出）； 二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)7P3.2 ：外部中断 0 输入； P3.3 ：外部中断 1 输入； P3.4 ：T0（定时器 0 的外部输入）； P3.5 ：T1（定时器 1 的外部输出）； P3.6 ：（片外数据存储器“写”选通控制输出）； P3.7 ：（片外数据存储器“读”选通控制输出）。 EA/VPP : 访问程序存储器控制信号，当其为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部的程序存储器，当其
16、为高电平时，对 ROM 的读操作是从内部存储器开始的，并可延至外部程序存储器。 ALE/PROG : 编程脉冲 PSEN : 外部程序存储器读选通信号，在读外部 ROM 时 PSEN 是低电平有效，以实现对 ROM 的读操作。 RST/VPD : 复位信号，当输入信号延续 2 个周期以上的高电平有效，用以完成单片机复位初始化操作。 XTAL : 时钟晶振输入端。 本系统设计中所用 P1P3 全部当做 IO 口用。4.2 二相步进电机工作原理分析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。步进电机一般分为永磁式(PM)、反
17、应式(VR)和混合式(HB)3种类型。目前，二相混合式步进电机的应用最为广泛。图4-3为二相六线式步进电机的工作原示意图。由图可知，它有2个绕组，且每个绕组都有一个中间抽头。因此，二相步进电机也就有了6根引线。当电机中的绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到相应的磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向使定子在顺时针方向轮流产生磁场，则电机可顺时针转动；通电方向使定子在逆时针方向轮流产生磁场，则电机可逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即一个步距角。脉冲频率越高，电机转动也就越快。本次课设所使用的二相步进电机需要采用双极性的接法。双极性则是指步进电机线圈中电流的流动方向不是单向的,即绕组线圈中的电流有时沿某一方向流动,有时按相反
