單片機(jī)AT89c51控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

第一章序言1.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由英國(guó)人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這關(guān)于數(shù)字化的控制變得更加簡(jiǎn)單。此后經(jīng)過(guò)不停改進(jìn)，使得今日步進(jìn)電機(jī)已寬泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信任性等靈巧控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很簡(jiǎn)單發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤影，特別以重視速度、地點(diǎn)控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈巧控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)作為履行元件，是機(jī)電一體化的重點(diǎn)產(chǎn)品之一,寬泛應(yīng)用在各樣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。跟著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量日新月異，在各個(gè)公民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的履行零件。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用特別方便。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)行兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)必定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，所以只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻次及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，即可獲取所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有地點(diǎn)處于定位狀態(tài)。所以特別合適于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)還擁有迅速啟動(dòng)、精準(zhǔn)步進(jìn)和定位等特色，因此在數(shù)控機(jī)床，畫圖儀，打印機(jī)以及光學(xué)儀器中獲取寬泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和溝通電動(dòng)機(jī)之外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量變換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著重點(diǎn)的作用。步進(jìn)電機(jī)能夠作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有累積偏差(精度為100%)的特色，寬泛應(yīng)用于各樣開環(huán)控制。第二章步進(jìn)電機(jī)工作原理及系統(tǒng)方案論證2.1步進(jìn)電機(jī)工作原理2．1．1步進(jìn)電機(jī)構(gòu)造電機(jī)轉(zhuǎn)子平均散布著40個(gè)小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線挨次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開2/3て，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下邊是定子和轉(zhuǎn)子的睜開圖：圖2.12．1．2步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B，C相不通電時(shí)，因?yàn)榇艌?chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て，這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，假如不停地按A，B，C，A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。因而可知：電機(jī)的地點(diǎn)和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻次成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電次序決定。圖2.2可是，出于對(duì)力矩、安穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。常常采納A-AB-B-BCC-CA-A這類導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將本來(lái)每步1/3て改變成1/6て。甚至于經(jīng)過(guò)二相電流不一樣的組合，使其1/3て變成1/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依照。不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按必定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只需切合這一條件我們理論上能夠制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。2.2課程設(shè)計(jì)目的、要求及設(shè)計(jì)方案論證設(shè)計(jì)目的1）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)給定步進(jìn)電機(jī)的控制；2）進(jìn)一步掌握步進(jìn)電機(jī)的控制方法；3）進(jìn)一步掌握單片機(jī)硬件和軟件的綜合設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)要?jiǎng)?wù)實(shí)現(xiàn)功能1）電機(jī)工作方式為三相雙三拍，初始轉(zhuǎn)速100r/min；2）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的啟/停功能；3）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)功能；4）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的加/減速功能。設(shè)計(jì)方案論證（1）控制方式確實(shí)定步進(jìn)電機(jī)控制是一個(gè)比較精準(zhǔn)的控制，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)擁有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等長(zhǎng)處，在采納單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP圖2.3脈沖的頻次或許換向周期實(shí)質(zhì)上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，一種是準(zhǔn)時(shí)。延時(shí)方法是在每次換向以后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次履行換向，這樣循環(huán)往復(fù)即可發(fā)出必定頻次的CP脈沖或換向周期。延時(shí)子程序的延不時(shí)間與換向程序所用的時(shí)間和，就是CP脈沖的周期，該方法簡(jiǎn)單，占用資源少，所有由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序能夠?qū)崿F(xiàn)不一樣速度的運(yùn)行。但占用CPU時(shí)間長(zhǎng)，不可以在運(yùn)行時(shí)辦理其他工作。所以只合適較簡(jiǎn)單的控制過(guò)程。準(zhǔn)時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的準(zhǔn)時(shí)器準(zhǔn)時(shí)功能產(chǎn)生隨意周期的準(zhǔn)時(shí)信號(hào)，進(jìn)而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。（2）驅(qū)動(dòng)方式確實(shí)定步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是經(jīng)過(guò)CPU直接來(lái)驅(qū)動(dòng)，這類方法一般不宜采納，因?yàn)镃PU的輸出電流脈沖是特別小的它不可以足以退步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；別一種是經(jīng)過(guò)CPU來(lái)間接驅(qū)動(dòng)，就是把從CPU輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，而后直接驅(qū)動(dòng)或是再經(jīng)過(guò)光電隔絕間接來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這類方法比較安全靠譜。固本次設(shè)計(jì)應(yīng)采納CPU間接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。用編碼器的測(cè)速發(fā)電機(jī)作為轉(zhuǎn)速丈量工具,因?yàn)檫x擇了閉環(huán)控制，就一定有反應(yīng)元件，反應(yīng)元件一般有兩種，一種是采納同軸的測(cè)速發(fā)電機(jī)，把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反應(yīng)回來(lái)，而后經(jīng)過(guò)顯示器顯示出來(lái)并對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)理；別一種是經(jīng)過(guò)光同軸的電編碼器把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反應(yīng)回來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)理；二者對(duì)比，后者的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，價(jià)錢廉價(jià)，安全靠譜，污染少。固一般采納后者，用光電騙碼器作為反應(yīng)元件。（3）驅(qū)動(dòng)電路的選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)等。但因本次設(shè)計(jì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)理范圍比較廣，固應(yīng)采納驅(qū)動(dòng)芯片8713來(lái)驅(qū)動(dòng)，并經(jīng)過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。（4）基本方案確實(shí)定因本次設(shè)計(jì)的要求，采納三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)采納89C51作為控制器。采納8279來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示和鍵盤。采納8713作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片并經(jīng)過(guò)光電耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。而后用與步進(jìn)電機(jī)同軸的光電編碼器作為反應(yīng)元件，并把反應(yīng)回的信號(hào)經(jīng)CPU辦理后再由顯示器顯示出來(lái)。第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)以CPU采納89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片．89C51的構(gòu)造簡(jiǎn)單并能夠在編程器上實(shí)現(xiàn)閃耀式的電擦寫達(dá)幾萬(wàn)次以上．使用方便等長(zhǎng)處，并且完整兼容MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃耀可編程可擦除只讀儲(chǔ)存器（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微辦理器，俗稱單片機(jī)。該器件采納ATMEL高密度非易失儲(chǔ)存器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃耀儲(chǔ)存器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為好多嵌入式控制系統(tǒng)供給了一種靈巧性高且價(jià)廉的方案單片機(jī)的引腳功能1）VCC（40）：電源+5V。2）VSS（20）：接地，也就是GND。3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。單片機(jī)是一種時(shí)序電路，一定有脈沖信號(hào)才能工作，在它的內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只需接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可；另一種是外面振蕩方式，采納外面振蕩方式時(shí)，需在XTL2上加外面時(shí)鐘信號(hào)。4）PSEN（29）：片外ROM選通訊號(hào)，低電平有效。5）ALE/PROG（30）：地點(diǎn)鎖存信號(hào)輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端/備用電源輸入端。7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外面ROM選擇端8）P0口（39-32）：雙向I/O口。9）P1口（1-8）：準(zhǔn)雙向通用I/0口。10）P2口（21-28）：準(zhǔn)雙向I/0口。主要特征：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃耀儲(chǔ)存器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保存時(shí)間：全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序儲(chǔ)存器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個(gè)16位準(zhǔn)時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5其中止源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路（1）振蕩器特征：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器能夠配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采納。如采納外面時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，所以對(duì)外面時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但一定保證脈沖的高低電平要求的寬度。（2）芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可經(jīng)過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)達(dá)成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空儲(chǔ)存字節(jié)被重復(fù)編程從前，該操作一定被履行。別的，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，能夠在低到零頻次的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM準(zhǔn)時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中止系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其余芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.2步進(jìn)電機(jī)的選擇因本次設(shè)計(jì)的要求，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)采納三相雙三拍的步進(jìn)電機(jī)，詳細(xì)說(shuō)明如下:三相雙三拍控制模型：正轉(zhuǎn)控制模型工作控制模型步序狀態(tài)二進(jìn)制十六進(jìn)制1AB0000001103H2BC0000011006H3CA0000010105H反轉(zhuǎn)控制模型工作控制模型步序狀態(tài)二進(jìn)制十六進(jìn)制1AB0000001103H2CA0000010105H3BC0000011006H控制繞組的通電方式為AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB，每拍同時(shí)有兩相繞組通電，三拍為一個(gè)循環(huán)，當(dāng)A、B兩相控制繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的地點(diǎn)應(yīng)同時(shí)考慮到兩對(duì)定子極的作用，只有A相極和B相極對(duì)轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相均衡才是轉(zhuǎn)子的均衡地點(diǎn)。雙三拍運(yùn)行時(shí)的步距角是30°,但雙三拍運(yùn)行時(shí)每一拍總有一相繞組連續(xù)通電，比如由A、B兩相通電變成B、C兩相通電時(shí)，B相保持連續(xù)通電狀態(tài)，C相磁拉力使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，而B相磁拉力卻起有阻擋轉(zhuǎn)子連續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。3.3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)接口電路因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流比單片機(jī)端口所能供給的要大得多．單片機(jī)要控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)就不可以直接將端口與電機(jī)各相相連，一定使用必定的接口電路和驅(qū)動(dòng)電路。接口電路一般為鎖存器，也有使用可編程接口芯片，如8255。驅(qū)動(dòng)器多項(xiàng)選擇用大功率復(fù)合管。自然，考慮到實(shí)質(zhì)使用中的擾亂和電壓安全，一般都要在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間使用必需的光電隔絕器。圖3.1在圖3.1中，若P1．2口輸出為0時(shí)，發(fā)光二極管不會(huì)發(fā)光．此光陰敏管處于截止?fàn)顟B(tài)，而達(dá)林頓管導(dǎo)通．所以C相通電：反之，P1．2輸出為1時(shí)，由電路剖析可知C相不通電。如按前面所示的表取控制數(shù)，按次序履行，就能夠使步進(jìn)電機(jī)安必定的方向步進(jìn)。第四章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制程序就是達(dá)成環(huán)形分派器的任務(wù)，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和位移之目的。第一要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的判斷，而后轉(zhuǎn)到相應(yīng)的控制程序。正反向控制程序分別按要求的控制次序輸出相應(yīng)的控制模型，再加上脈寬延時(shí)程序即可。脈沖序列的個(gè)數(shù)能夠用存放器CL進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂颇Ｐ湍軌蛞粤⒖虜?shù)的形式一一給出?？刂茦?biāo)記單元FLAG為00H時(shí)，表示正轉(zhuǎn)；為01H時(shí)，表示反轉(zhuǎn)。其程序流程圖以下列圖所示：圖4.1程序流程圖程序編寫：D0EQU0D2EQU2ORG0000HSTART:LJMPMAINORG0003HLJMPINT0ORG0100HMAIN:MOVP2,#00H;等候信號(hào)MOVP0,#FFHMOVR2,#0MOVR3,#0MOVR4,#0CLRIT0SETBEASETBEX0LJMPMAININT0:JNBP2.0,ZHENG;正轉(zhuǎn)JNBP2.1,FAN;反轉(zhuǎn)JNBP2.2,JIA;加快JNBP2.3,JIAN;減速JNBP2.4,TIN;停RETIZHENG:MOVR2,#1;正轉(zhuǎn)MOVDPTR,CHAMOVA,D0MOVCA,@A+DPTRMOVP0,AACALLYAN0CPLP0.0CPLP0.2ACALLYAN0CPLP0.0CPLP0.1ACALLYAN0LJMPZHENGFAN:MOVR2,#0;反轉(zhuǎn)MOVDPTR,CHAMOVA,D2MOVCA,@A+DPTRMOVP0,AACALLYAN0CPLP0.0CPLP0.1ACALLYAN0CPLP0.0CPLP0.2LJMPFANZHENG1:MOVDPTR,CHA;加減速正轉(zhuǎn)MOVA,D0MOVCA,@A+DPTRMOVP0,ACJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2CPLP0.0CPLP0.2CJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2CPLP0.0CPLP0.1CJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2LJMPZHENGFAN1:MOVDPTR,CHA;加減速反轉(zhuǎn)MOVA,D2MOVCA,@A+DPTRMOVP0,ACJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2CPLP0.0CPLP0.1CJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2CPLP0.0CPLP0.2CJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2LJMPFAN1JIA:MOVR3,#1;加快MOVR4,#0CJNER2,#0,ZHENG1LCALLFANJIAN:MOVR4,#1;減速M(fèi)OVR3,#0CJNER2,#0,ZHENGLCALLFANTIN:LCALLMAIN;停YAN0:MOVR0,#25LOOP00:MOVR1,#100LOOP01:DJNZR1,LOOP01DJNZR0,LOOP00RETYAN1:MOVR0,#20LOOP10:MOVR1,#100LOOP11:DJNZR1,LOOP11DJNZR0,LOOP10RETYAN2:MOVR0,#30LOOP20:MOVR1,#100L