【精品】基于单片机的步进电机控制系统.doc

0．引言步进电机是1 种纯数字控制电动机,它将电脉冲信号转换成相应位置的转换装置,是与输入脉冲对应的增量驱动元件,当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩时,它就能实现快速起、停. 另外,它的步距角和转速不受电压和负载变化的影响,也不受环境条件如温度、气压、冲击和震动等影响,仅与脉冲频率和脉冲数有关,因此非常适合于单片机控制. 由于步进电机有快速响应特性,并且无积累误差(仅有小于7 d 的误差) ,在许多数控装置及仪器设备上都得到广泛应用. 文中设计利用了单片机对步进电机对进行数字控制。在这个控制系统中，控制器是核心，它负责发脉冲和LCD显示的控制。下文对电机速度的控制及显示做出了详细的介绍。1. 总体方案设计 系统框图如（1）所示，本系统主要由5部分组成，即：步进电机，步进电机驱动器，控制电路，LCD显示，执行元件。本文重点介绍步进电机控制电路，LCD显示两部分。 步进电机控制器步进电机控制器步进电机驱动器步进电机执行机构LCD显示码 盘图1 系统框架2. 系统设计2.1 步进电机的控制系统步进电机的控制系统主要由单片机，晶振电路，复位电路，步进电机驱动器等组成。如图（2）所示。 AT89CAT89C51步进电机驱动器晶振电 路复位电 路键盘图2 步进电机控制电路（1）晶振电路单片机的时钟信号通常用两种电路方式获得：内部震荡方式和外部震荡方式，在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器。当外接晶振后，就构成了自激震荡器并产生震荡时钟脉冲，内部震荡方式的外部电路如图（3）所示，本系统选C1和C2为30PF.图3 晶振电路（2）复位电路：复位电路如图（4）所示：图4 复位电路a.当系统上电时，C3导通，RESET键至高，系统复位。b.当S1按下，支线2导通，RESET键至高，系统复位。（3）步进电机脉冲产生 在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可以用两种方法实现：1.延时；2.定时。 在本电路设计中，采用了步进电机驱动器，步进电机驱动器及其接线电路如图（5）所示，其脉冲的输入由单片机的定时器发出，在软件中由软件来实现。 控 +5V制机控 +5V制机驱动器A+A-B+B-DC+DC-两项混合式步进电机DC电源10V-40V说明：在电路中，由于其他方面考虑，没有接方向信号和脱机信号两根线，读者可根据实际情况自行使用。脉冲信号由单片机T0定时器中断发出，能产生任意周期的定时信号，可以通过调节脉冲频率准确的控制电机的转速。考虑到精度的要求，在容许范围之内，不考虑由于定时器装载完重新启动开始到定时器申请中断止的那段时间。（4）键盘电路：4 ×4 的矩阵键盘是由4 条行线和4 条列线组成,按键设置在行列线交点上, 行列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+ 5V 上, 平时无按键动作时, 行线处于高电平状态, 而当有按键按下时,行线状态将由与此相连的列线电平决定。键盘中有无按键按下是由列线送入全扫描字,将所有行由与门相连，输出接中断。当有键按下时，行线由高变低产生负跳变，即可进入中断进行处理。电路图如下：图5 键盘电路图中R1,R2,R3,R4均为4.7K，目的是将行拉高，以便在有键按下时，可以跳进中断。2.2 LCD液晶显示 本文采用12864液晶显示，其与单片机P0口相接，用于显示控制界面信息。其引脚可参照说明书，本文主要对软件的设计进行详细的介绍。采用的连接方式是直连方式，通过直接的人为控制状态位，来实现LCD的显示。其硬件连接图如图6所示 图6 LCD与单片机连接图2.3 执行机构 用步进电机带动皮带进行切割机模拟运行。其基本位置关系及定位如下图所示：每块支架均有加强筋，图中未示出。2.4 数据采集 本文采用旋转式编码器采集实时速度，并通过LCD显示出来。编码器脉冲端接单片机T1计数器，通过脉冲的计数，转化为实际转数。其接线可参照有关资料。3. 软件设计。 本例中，为了使步进电机有较高的转数，采用曲线加速的方法，即不断的减小定时时间。使其由低速启动，以获得较高的转矩，之后不断的加速，最终获得所需高转速。目的在某些情况下，可以获得高转速，满足要求.其工作方式如下图：基本速度为基准的整数倍，1速为13倍，2为11倍，依次类推。要达到最高转速，由于受到转矩的限制，必须采取低转速启动，经过一段时间加到高转速。 码盘数据的处理，本文中采用AT89c51系列单片