三相单三拍步进电机控制系统设计.doc

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1、电力电子技术课程设计说明书1.步进电机的选择 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线性位移）的电磁装置，是一种特殊的电动机。步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 三相步进电机选型: 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为三相六线步进电机（内阻1.3 Ohm，步进1.2，额定电流5.2）Model No. 相数 步距角 保持转矩 额定电流 相电感 相电阻 引线数量 转子惯量 定位转矩 电机重量 机身长 () N.M A mH Ohm g.cm Kg.

2、cm Kg mm 573S05 3 1.2 0.45 5.2 1.4 1.3 6 110 0.21 0.4 42 2.CPU选型 单片机的内核8051， 8051内核的芯片型号AT89C51。本实验选取AT89C51单片机。管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻

3、的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址

4、数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T

5、1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0

6、。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器

7、的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.驱动选型 使用ULN2003芯片驱动电机 ULN2003A芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，如图1-2。ULN2003A 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。（注：IN1-IN7为单片机I/O输入，OUT为与输入对应的的驱动输出，接电机的四相A、B、C） 本设计采用ULN2003A作为步进电机的驱动芯片，ULN2003电路具有以下特点： 电流增益高（大于1000） 带负载

8、能力强（输出电流大于500mA） 温度范围宽（-4085） 工作电压高（大于50V）4.数码管驱动选型 SN74HC164N 8位移位寄存器 SN74HC164N为8位移位寄存器 管脚1和管脚2是两个串行数据输入 管脚3,4,5,6,10,11,12,13（QAQH）为8位并行数据输出，QH为最高位，QA为最低位 管脚14为Vcc供电电源 管脚7为GND电源参考地 管脚8为CLK移位时钟，上升沿有效 管脚9为CLR输出清零端，低电平有效 SN74HC164是串行移位寄存器，串行输入并行输出，当清零端CLR为高电平时，每来一个时钟脉冲CLK寄存器中的数据就会从Qa向Qh方向移动一位，即QaQb、

9、QbQc、QcQd、QdQe、QeQf、QfQg、QgQh，同时两个输入端A和B与非的结果进入Qa，只要能实现这个功能，SN74HC164就是好的。5.设计接口电路本设计单片机最小系统采用单片机的型号为AT89C51，结构包括CPU、存储器、并行接口、串行接口、两个定时/计数器T0和TI、两个外部中断INT0和INT1和中断系统，外接晶振频率为12MHZ6.按键电路按键S0加速；按键S1减速；按键S2启动；7.驱动电路8.显示电路9.显示电机正反转10.Protel绘制原理图及PCB图原理图如下:PCB图如下：11.系统流程图启动加或减速键按下否？开始步进电机转动到达否？显示电机位置及正反转发

10、光二级管结束NYNY12.控制程序设计/-库函数声明，管脚定义-#include #define uchar unsigned char sbit jia_key=P02; /电机加速I/O口定义sbit jian_key=P03; /电机减速I/O口定义bit flag=0; /电机正反转标志位int stop = 0;unsigned char PA_data=0;tab12=0;0;0; uchar num=0,maichong=4,table_begin=0;uchar code table=0x01,0x02,0x04,0x04,0x02,0x01;void delay(uchar

11、i) /延时函数 uchar j,k; for(j=i;j0;j-) for(k=125;k0;k-);void key () /按键检测处理函数 if(jia_key=0) delay(5); /加速键按下，消抖 if(jia_key=0) num+; /速度标示加1 if(num=4) num=3; /达到最大3则保持 while(jia_key=0); /等待松开按键 if(jian_key=0) delay(5); /减速键按下 if(jian_key=0) if(num!=0) num-; /速度标示减1 else num=0; /达到最小0则保持 while(jian_key=0)

12、; if(stop_key=0) delay(5);if(stop_key=0)stop=1;while(stop_key=0); void dispose() /根据速度标识进行数据处理 switch(num) case 0: maichong=5; /利用maichong数据控制送给电机脉冲的频率，控制速度 break;case 1: maichong=4;break;case 2: maichong=3;break;case 3: maichong=2;break; if(flag=0) table_begin=0; /flag为0，正转p1.0=0; /正转发光二级管亮p1.1=1;

13、else table_begin=3; /flag为1，反转p1.0=1; /反转发光二级管亮p1.1=0;void qudong() /电机速度，和正反转控制 uchar i,j; if(stop=0) for(j=0;j150;j+) P2=table1j/3; /读取控制电机转动I/O口表 PA_data=1.2*j; for(i=0;imaichong;i+) delay(5); for(j=0;j100;j+)P2=tablej/3; PA_data=1.2*j;for(j=0;jmaichong;j+)delay(5); else P1=0x00;/用P17控制CLR/-串口初始化

14、函数UART_init()-/ 函数名称：UART_init()/ 功能说明：串口初始化，设定串口工作在方式0/-void UART_init(void) SCON =0x00; /没串行口方式0，允许发送，启动发送过程 ES=0; / 禁止串口中断/-数据发送函数PA_out()-/ 函数名称：PA_out()/ 输入参数：PA_data，需要从74LS164并行口输出的数据/ 输出参数：无/ 功能说明：发送八位串行数据至并口/-void PA_out(unsigned char tab1) CLR=0; /并口输出清零 CLR=1; /开始串行移位 UART_init(); /74LS16

15、5工作在时钟控制下的串行移位状态 while(TI=0); /循环等待 TI=0; for(r=0;r3;r+) SBUF=tab1r; dely(20); void uchar_jisuan() int baiwei,shiwei,gewei,baiweiyu,shiweiyu; baiwei=PA_data/100; baiweiyu=PA_data%100; shiwei=baiweiyu/10; shiweiyu=baiweiyu%10; gewei=shiweiyu; tab10=gewei; tab11=shiwei; tab12=baiwei;void main() while(

16、1) key(); dispose(); qudong(); delay(20); UART_init; PA_out;总结及心得本次课程设计能够实现步进电机的启停、正反转以及速度的调节。通过本次课程设计加强了我对软件编程和硬件设计的掌握，并且熟悉ULN2003A芯片。本设计实现了占用CPU时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速；提高了步进电机的步进精度等。再有，本设计过程考虑比较周全，可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求，因此常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制（包括控制脉冲的产生和分配）使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也减低了成本。参考文献1张艳兵，王忠庆.计算机控制技术.北京：国防工业出版社，2006.82王鸿钰.步进电机控制入门M.上海:同济大学出版社,1990.3张强,吴红星.基于单片机的电动机控制技术.北京：中国电力出版社，20084王晓明.电动机的单片机控制（第二版）.北京：北京航空航天出版社，2007.85 刘宝延、 程树康，步进电动机及其驱动控制系统 M .1997年11月第一版：134-1676 史敬灼， 步进电动机伺服控制技术M .2007年3月第2版：23-357张巍. 浅谈单片机控制步进电机J. 安防科技,2006，(3): 25.