(四相步进电机)单片机课程设计

编号

课程设计（论文）

：

题目： 基于单片机的四相步进电机控制

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学 院 专 业

学 号

、

学生姓名 指导教师

二〇一二年六月二十五日

目录

第1章 概述 .................................................................. 2 …

第2章 设计内容的介绍 ........................................................ 3

步进电机原理 ............................................................. 3 步进电机的分类和选择 ..................................................... 4 设计目标…………………………………………………………………………………5. 第3章 设计思路 具体内容 ..................................................... 6

设计思路 ................................................................. 6 总体设计框图及电路原理图 ................................................. 6 单片机及其最小系统 ....................................................... 7 } 按键电路 ................................................................ 7 步进电机状态显示电路 .................................................... 8 步进电机驱动电路 ........................................................ 9 第四章 程序设计 .............................................................. 9

程序设计思路 ............................................................ 9 主程序设计 ............................................................. 10 第五章 总结 ................................................................. 10 参考文献.................................................................... 10 <

附录………………………………………………………………………………………………11

·

第1章 概述

步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，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应用。

步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。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，当有脉冲输入时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处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

第2章 设计内容的介绍

@

步进电机原理

步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

如下所示的步进电机为一四相步进电机，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2-1 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，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

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2-2所示：

图2-2 步进电机工作时序波形图

步进电机的分类与选择

。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、

混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。

永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为度 或15度。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为度而五相步进角一般为 度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三

大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有度/度（五相电机）、度/度（二、四相电机）、度/3度 （三相电机）等。

2、静力矩的选择

{

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力

矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3、电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

4、力矩与功率换算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

P= Ω•M Ω=2π•n/60 P=2πnM/60

其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿•米

P=2πfM/400(半步工作）

：

其中f为每秒脉冲数（简称PPS）

设计目标

（1）一个正反转开关控制正转和反转；

（2）一个速度开关控制高速和低速（高速和低速只要有明显差别）；

（3）一个半圈按钮,按一下时转半圈, 一个一圈按钮, 按一下时转一圈； （4）一个连续转动按钮, 按一下时连续转动，再按一下时停止转动； （5）深入理解步进电机工作原理，设计系统方案；

（6）用protel画出系统原理图，要求是一个完整的单片机控制系统，电源为220V交流电

~

在单片机实验室调试。

第3章 设计思路与具体内容

设计思路

本系统主要由供电电源模块、单片机最小系统、按键电路、步进电机驱动电路以及步进电机等几部分组成。本系统采用两个开关三个按钮，分别进行高低速、正反转、半圈、一圈以及连动的控制。驱动电路采用ULN2003A实现步进电机的驱动。步进电机的供电采用12V供电。

总体设计框图及电路原理图

总体设计框图如图所示。

*

图 总体设计框图

单片机最小系统及按键部分

；

最小系统主要是为了单片机的正常工作。51单片机是一种低功耗/低电压、

高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4K字节的ROM,4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器。S51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，且支持在线编程，完全满足本系统设计需要。

单片机最小系统包括单片机和复位电路，振荡电路。

按键电路

采用2个开关3个按键来控制步进电机，即“高低速切换”、“正反转切换”、“半圈”、“一圈”和“连动切换”。当波动开关或按下其中一个按键时，电源通过上拉电阻和按键到地形成通路，使相应输入管脚接地，即给单片机送入一个低电平，此低电平即为有效电平。按键电路及单片机最小系统部分如图所示。

图 最小系统及按键电路

(

步进电机驱动电路

步进电机的驱动电路如图所示，驱动芯片采用ULN2003A。

图 步进电机的驱动电路

第四章 程序设计

程序设计思路

根据单片机外围电路的设计，单片机的、、、、为按键输入,、、、与电机驱动IC相连。单片机采用扫描按键方式（其中连动切换按键采用外部中断方式），程序根据键值结果进行相应的操作。步进电机的正反转利用给步进电机送入与原来相反的脉冲即可，步进电机的加减速控制是主要控制步进电机送脉冲的时间。

\\

程序设计

程序中首先进行两个切换开关的检测，确定电机转速及方向，然后进行按键扫描，确定点动和电动方式或者连动，其中连动切换用外部中断0控制。

图 程序流程图

第五章 总结

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关单片机应用方面的知识，在设计过程中尤其是自己动手编制程序时，遇到了很多困难，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我掌握的知识不再是纸上谈兵，而是学以致用。

同时，这次课程设计让我感受到了我对所学习的内容是多么的不熟练，在设计过程中总是需要翻书，还总是会出现问题，同时这些问题也提醒了我那些地方没学好，加深了对这部分知识的印象。

`

课程设计不仅仅是一门专业课，使我学到很多专业知识以及提升了专业技能

上，同时又是一门提升自我综合能力的课程，给了我莫大的发展空间，不仅培养了思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高；更重要的是，在课程设计中，我们学会了很多学习的方法，而这些都将为日后做准备，会使我们终身都受益匪浅。面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践，才能在最大程度上发掘自己。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。

参考文献

[1] 杰著.单片微机原理及应用［M］.机械工业出版社，2010年1月

[2] 李秀霞PROTEL dxp2004 电路设计与仿真教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007

年11月

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￥

附录

电路原理图

程序代码：

#include <>

//uchar,uint，宏定义 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

//开关，位定义

sbit Direction = P2^0; //正反转方向切换 sbit Speed = P2^1; //高低速切换

//按键，位定义

sbit Half = P2^2; // 转半圈 sbit Circle = P2^3; // 转一圈

sbit Switch = P3^2; //连续转动/停止 切换

//步进电机连接端口，位定义 sbit A1 = P1^0;

sbit B1 = P1^1;

//B相，因头文件已定义'B'，故用B1 sbit C1 = P1^2; sbit D1 = P1^3;

//通电方式，宏定义

#define Coil_A1 {A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;} //A相通电，其他相断电

#define Coil_B1 {A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;} //B相通电，其他相断电

#define Coil_C1 {A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;} //C相通电，其他相断电

#define Coil_D1 {A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;} //D相通电，其他相断电

#define Coil_OFF {A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;} //全部断电

//全局变量定义

uint v1 = 10; //高速转速 uint v2 = 5; //低速转速 uint i = 512; //转动一圈 uint j = 8; //转动半圈

bit Flag = 1;

//子函数声明

void DelayUs2x( uchar t ); void DelayMs( uchar t );

void Init_Time0( void );

//void Time0_isr( void ) interrupt 1

//void Forward( uint a ); //正转子函数 //void Reverse( uint b ); //反转子函数

//uS延时函数，晶振使用12M,大致延时 T = (tx2+5) uS

void DelayUs2x( uchar t ) { while( --t );

}

//mS延时函数，晶振使用12M，大致延时 T = t mS void DelayMs( uchar t ) { while( t-- ) { DelayUs2x( 245 ); DelayUs2x( 245 ); }

}

//正转 ,a = i或j,b = v void Forward( uint a, uint b ) { Coil_OFF while( a-- ) { Coil_A1 DelayMs( b );

Coil_B1

DelayMs( b );

Coil_C1

DelayMs( b ); Coil_D1 DelayMs( b ); }

}

//反转，a = i或j,b = v1或v2 void Reverse( uint a, uint b ) { Coil_OFF while( a-- ) { Coil_D1 DelayMs( b ); Coil_C1

DelayMs( b ); Coil_B1

DelayMs( b ); Coil_A1 DelayMs( b ); }

}

//连续转动，正转 b = v1或v2 void Con1( uint b )

{ Coil_OFF if( !Flag ) { Coil_A1 DelayMs( b ); Coil_B1

DelayMs( b );

Coil_C1

DelayMs( b );

Coil_D1 DelayMs( b ); }

}

//连续转动,反转 b = v1或v2

void Con2( uint b )

{ Coil_OFF if( !Flag ) { Coil_D1 DelayMs( b ); Coil_C1 DelayMs( b );

Coil_B1

DelayMs( b ); Coil_A1 DelayMs( b ); }

}

void ISR_INT0( void ) interrupt 0{ if( !INT0 ) { DelayMs(10); if( !INT0 ) { while(!INT0); Flag = !Flag;

}

}

} //主函数 int main( void )

{ EA = 1; //开全局中断 EX0 = 1;//开外部中断0 IT0 = 1;//边沿触发

while(1) { Coil_OFF {

if( Speed && Direction )

//高速(v1)，正转(Forward)

//开关，故无需消抖环节 { if( Flag && !Half ) //转半圈

{ while( !Half );

//等待按键释放 Forward( j, v1 );

//半圈，高速

}

else if( Flag && !Circle ) //转一圈

{ while( !Circle ); Forward( i, v1 ); }

else if( !Flag ) //连续转动

{ Con1( v1 ); }

else if( Flag && Half && Circle )

Coil_OFF else

Coil_OFF

}

else if( !Speed && Direction ) //低速(v2)，正转(Forward)

{

if( Flag && !Half )

//转半圈

{

while( !Half );

//等待按键释放

Forward( j, v2 );

/ /半圈，高速

}

else if( Flag && !Circle ) //转一圈

{ while( !Circle ); Forward( i, v2 );

}

else if( !Flag ) //连续转动

{ Con1( v2 ); }

else if( Flag && Half && Circle )

Coil_OFF else

Coil_OFF

}

else if( Speed && !Direction ) //高速(v1)，反转(Reverse)

{ if( Flag && !Half ) //转半圈

{ while( !Half );

//等待按键释放

Reverse( j, v1 );

//半圈，高速

}

else if( Flag && !Circle ) //转一圈

{ while( !Circle ); Reverse( i, v1 ); }

else if( !Flag ) //连续转动

{

Con2( v1 );

}

}

else if( Flag && Half &&

Coil_OFF Coil_OFF

else

{ }

else if( !Flag ) //连{ }

Con1( v2 ); while( !Circle ); Reverse( i, v2 );

Circle )

续转动

else if( !Speed && !Direction ) //低速(v2)，反转(Reverse)

{

//转半圈

//等待按键释放 //半圈，高速

//转一圈

:

if( Flag && !Half ) { while( !Half );

Reverse( j, v2 );

}

else if( Flag && !Circle )

else if( Flag && Half && Circle )

Coil_OFF else

Coil_OFF

}

else

Coil_OFF } }

}