單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課件：單片機(jī)典型應(yīng)用實例

任務(wù)１步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制任務(wù)２步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速知識點◎步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理；◎步進(jìn)電動機(jī)的控制原理；◎常見的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路。技能點◎能識別步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器及常見驅(qū)動硬件電路；◎能利用單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。任務(wù)１步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制本任務(wù)以四相步進(jìn)電動機(jī)為例，設(shè)計一個基于單片機(jī)的簡易步進(jìn)電動機(jī)控制器，在其控制和管理下實現(xiàn)以下功能：1.控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行與停止；2.控制步進(jìn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。任務(wù)提出常用的步進(jìn)電動機(jī)有三相、四相、五相等，每一相都需要高電壓、大電流才能正常工作。在實踐中，可以選擇相應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器作為步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路。任務(wù)分析在本任務(wù)中，選擇ULN2003作為電動機(jī)的功率驅(qū)動器件。單片機(jī)選擇AT89S51芯片，為了實現(xiàn)控制和操作，還需要對步進(jìn)電動機(jī)工作進(jìn)行控制的按鍵電路、輸出控制步進(jìn)電動機(jī)的功率驅(qū)動電路和步進(jìn)電動機(jī)以及必要的工作指示電路，故整個單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。步進(jìn)電動機(jī)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一、步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理步進(jìn)電動機(jī)是一種可以自由旋轉(zhuǎn)的電磁鐵，工作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子的主要結(jié)構(gòu)是繞組，按繞組數(shù)量可分為兩相、三相、四相、五相步進(jìn)電動機(jī)，其分別有兩個、三個、四個、五個繞組，其他以此類推。繞組按一定的通電順序工作著，這個通電順序被稱為步進(jìn)電動機(jī)的“相序”。相關(guān)知識轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)是磁性轉(zhuǎn)軸，當(dāng)定子中的繞組在相序信號作用下，有規(guī)律地通電、斷電工作時，轉(zhuǎn)子周圍就會有一個按此規(guī)律變化的電磁場，因此一個按規(guī)律變化的電磁力就會作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動。如圖所示為四相電動機(jī)單四拍逆時針轉(zhuǎn)動四拍的示意圖。步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動相序示意圖a）A—A′通電

b）B—B′通電

c）C—C′通電

d）D—D′通電二、單片機(jī)步進(jìn)電動機(jī)的控制原理步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動是通過改變其繞組的通電次序來控制的，二相、三相、四相、五相電動機(jī)都有各自不同的相序。其中，四相電動機(jī)的工作模式有單四拍、雙四拍和四相八拍。將電動機(jī)的四個繞組依次稱為A相、B相、C相和D相，四相步進(jìn)電動機(jī)電源通電時序與波形如圖所示。步進(jìn)電動機(jī)工作時序波形圖a）單四拍

b）雙四拍

c）四相八拍1.單相四拍方式(按單相繞組施加電流脈沖)—A—B—C—D—正轉(zhuǎn)；—A—D—C—B—反轉(zhuǎn)。2.雙相四拍方式(按雙相繞組施加電流脈沖)—AB—BC—CD—DA—正轉(zhuǎn)；—AD—DC—CB—BA—反轉(zhuǎn)。3.四相八拍方式(單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖)—A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—正轉(zhuǎn)；—A—AD—D—DC—C—CB—B—BA—反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機(jī)的位置控制需要兩個參數(shù)。第一個參數(shù)是步進(jìn)電動機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，稱為絕對位置。絕對位置是有極限的，其極限是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的范圍，超過了這個極限就應(yīng)報警。第二個參數(shù)是從當(dāng)前位置移動到目標(biāo)位置的距離，可以用折算的方式將這個距離折算成步進(jìn)電動機(jī)的步數(shù)。三、常見的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路步進(jìn)電動機(jī)繞組的接線方式有兩類，一類是繞組中電流有固定方向，如圖a所示，共ABCD四組繞組，電流從ABCD四個接線端流出，可采用OC（集電極開路）或OD（漏極開路）電路來驅(qū)動。另一類如圖b所示，AC為一組繞組，BD為一組繞組，繞組中電流雙向流動，在ABCD四個接線端都有流入和流出的情況，常采用H橋驅(qū)動，這種接法繞組電阻較大，需要的驅(qū)動電壓大，繞組電流較小。H橋驅(qū)動電路與直流電動機(jī)的驅(qū)動電路是一致的，常見的集成電路有L298、L6203等型號，也可以用大功率管制作的分立元件H橋。兩相六線步進(jìn)電動機(jī)線圈接法一、硬件設(shè)計本任務(wù)主要實現(xiàn)單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)，同時顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，故整個系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、功能按鍵、電動機(jī)驅(qū)動電路和狀態(tài)指示電路組成。在本任務(wù)中選擇AT89S51單片機(jī)芯片作為系統(tǒng)控制芯片，系統(tǒng)晶振頻率為12MHz。任務(wù)實施步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)電路原理圖二、軟件設(shè)計本任務(wù)中單片機(jī)僅控制步進(jìn)電動機(jī)實現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是由步進(jìn)電動機(jī)中各相電流的驅(qū)動順序決定的。如上圖所示，步進(jìn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)是由單片機(jī)端口的輸出電平的順序決定的。在程序中，往往采用數(shù)組將相序數(shù)據(jù)保存起來，通過對數(shù)組按順序或按逆序讀取并輸出，實現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)控制。三、Proteus仿真1.打開ProteusISIS軟件，按照硬件原理圖繪制Proteus仿真電路，并仔細(xì)檢查電路，保證線路連接無誤。2.在Keil軟件開發(fā)環(huán)境下，創(chuàng)建項目，編輯源程序，編譯生成HEX文件，并裝載到Proteus虛擬仿真硬件電路的AT89C51芯片中。3.運(yùn)行ProteusISIS軟件，仔細(xì)觀察運(yùn)行結(jié)果，如果有不符合設(shè)計要求的情況，調(diào)整源程序并重復(fù)步驟1、2直至完全符合本項目提出的各項設(shè)計要求。步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行的仿真效果圖任務(wù)２步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速知識點◎步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速原理；◎步進(jìn)電動機(jī)的控制方法。技能點◎能利用單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)；◎能利用單片機(jī)實現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的加速、減速控制。本任務(wù)以四相步進(jìn)電動機(jī)為例，設(shè)計一個基于單片機(jī)的簡易步進(jìn)電動機(jī)控制器，在其控制和管理下實現(xiàn)以下功能：1.步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制；2.步進(jìn)電動機(jī)的單步、連續(xù)運(yùn)行；3.運(yùn)行速度可調(diào)；4.加減速時電動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。任務(wù)提出在本任務(wù)中，選擇ULN2003作為電動機(jī)的功率驅(qū)動器件。步進(jìn)電動機(jī)的工作方式主要有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、變速、定時啟動等。本任務(wù)設(shè)計的控制程序，只需將相應(yīng)的參數(shù)略加修改，即可用于其他三相、四相、五相等步進(jìn)電動機(jī)的控制中，其編程思想完全相同。因此，這些控制程序的設(shè)計和開發(fā)，具有較高的實用價值及廣泛的適用性。任務(wù)分析一、步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速原理步進(jìn)電動機(jī)由于其內(nèi)部磁極的控制，當(dāng)繞組中流過的電流為某一狀態(tài)時，電動機(jī)就能夠轉(zhuǎn)動到對應(yīng)的位置并保持該位置，所以根據(jù)這種情況，把繞組中電流的狀態(tài)與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)角聯(lián)系起來，就構(gòu)成了其相序運(yùn)行關(guān)系。如果電動機(jī)按照相序順序通電，電動機(jī)就會正轉(zhuǎn)，否則電動機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)然，如果一次只改變一個相序，就是所謂的單步運(yùn)行。相關(guān)知識如果給步進(jìn)電動機(jī)繞組通電一個相序，它就轉(zhuǎn)一步，再改變一個繞組通電相序，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個相序的間隔時間越短，步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)動得越快。因此，相序改變的頻率決定了步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整步進(jìn)電動機(jī)繞組通電相序的頻率，就可以對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。在實際的控制中，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)子和被步進(jìn)電動機(jī)控制機(jī)構(gòu)的慣性，電動機(jī)啟動時，需要提供較大的轉(zhuǎn)矩，如果步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行頻率超過極限啟動頻率，步進(jìn)電動機(jī)將出現(xiàn)失步現(xiàn)象。同樣，在步進(jìn)電動機(jī)的控制機(jī)構(gòu)高速運(yùn)行到終點突然停下來時，由于慣性作用，可能有過沖現(xiàn)象，即電動機(jī)的控制相序脈沖沒有改變，動作機(jī)構(gòu)和電動機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。步進(jìn)電動機(jī)的啟動需要有一個逐步加速的過程，或者說電動機(jī)的相序改變時間要逐步減小，直到最快轉(zhuǎn)速為止。同樣，在減速過程中，也要求電動機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步降低，以保證電動機(jī)和所驅(qū)動設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)然，在加速和減速之間，電動機(jī)將按照其正常驅(qū)動轉(zhuǎn)速運(yùn)行。對步進(jìn)電動機(jī)的速度調(diào)整，就是保證在不失步和不過沖的前提下，用最短的時間移動到指定的位置。為了滿足加減速要求，步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行通常按照加/減速曲線進(jìn)行。最簡單的是勻加速和勻減速曲線，其加減速曲線都是直線，因此容易編程實現(xiàn)。按直線加速時，加速度是不變的，因此要求轉(zhuǎn)矩也是不變的。步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行還可以根據(jù)距離的長短分如下三種情況進(jìn)行處理。1.短距離由于距離較短，來不及升到最高速，步進(jìn)電動機(jī)以接近啟動頻率運(yùn)行，運(yùn)行過程沒有加減速。2.較長距離在這樣的距離里，步進(jìn)電動機(jī)只有加減速過程，而沒有恒速過程。3.長距離在這樣的距離里，步進(jìn)電動機(jī)不僅有加減速過程，還有恒速過程。二、單片機(jī)步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速方法單片機(jī)在用定時器法調(diào)速時，用改變定時常數(shù)的方法來改變輸出的步進(jìn)脈沖頻率，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。對于MCS-51系列單片機(jī)，其定時器屬于加1定時器。因此在步進(jìn)電動機(jī)加速時，定時常數(shù)應(yīng)增加；在步進(jìn)電動機(jī)減速時，定時常數(shù)應(yīng)減小。如果采用非線性加減速曲線，要用離散法將加減速曲線離散化。將離散所得的轉(zhuǎn)速序列所對應(yīng)的定時常數(shù)序列做成表格，存儲在程序存儲器中，在程序運(yùn)行中使用查表的方式重裝定時常數(shù)。這樣做比用計算法節(jié)省時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。一、硬件設(shè)計本任務(wù)主要實現(xiàn)單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)、調(diào)節(jié)電動機(jī)速度，同時要顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，故整個系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、功能按鍵電路、電動機(jī)驅(qū)動電路和狀態(tài)指示電路組成。選擇AT89S51單片機(jī)芯片為系統(tǒng)控制芯片，系統(tǒng)晶振頻率為12MHz。任務(wù)實施根據(jù)任務(wù)要求，系統(tǒng)中要顯示“正轉(zhuǎn)”“反轉(zhuǎn)”“單步/停止”“連續(xù)”狀態(tài)。另外，還要求對電動機(jī)連續(xù)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)中僅設(shè)置“慢速”“中速”和“快速”三個不同的電動機(jī)運(yùn)行速度。因此，本系統(tǒng)共使用7只LED分別指示各個運(yùn)行狀態(tài)，使用P0口控制這7只LED。系統(tǒng)按鍵和指示燈的連接及功能說明見表。統(tǒng)按鍵和狀態(tài)指示說明步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖二、軟件設(shè)計根據(jù)任務(wù)分析，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是一個典型的鍵控系統(tǒng)，所有被控對象都是電平驅(qū)動，且都有一個專用端口鎖存。整個軟件系統(tǒng)的編寫比較簡單，具體來說，在主程序中檢測按鍵，在每次按下鍵時對系統(tǒng)功能進(jìn)行修改，同時修改系統(tǒng)狀態(tài)顯示。另外，作為步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動，采用定時提供相序脈沖，在中斷服務(wù)中，判斷相關(guān)的標(biāo)志變量的值，決定相序的輸出。整個軟件的流程圖，如圖所示。步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)程序框圖a）主程序流程圖

b）定時器0中斷服務(wù)程序流程圖為了實現(xiàn)各種狀態(tài)的標(biāo)識和處理，設(shè)置全局變量來表示系統(tǒng)中的狀態(tài)，并對變量的值對應(yīng)的狀