电气化毕业论文：基于单片机的步进电机控制系统设计

电气化毕业论文：基于单片机的步进电机控制系统设计内容摘要：

率改变则会使步进电机的转速改变，控制 CP 脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。 2. 方向电平 DIR 方向电平信号 DIR 用于控制步进电机的旋转方向，此端为高电平时，电机一个转向，此端为低电平时，电机转向另一个方向，电机转向必须在电机停机或者降到某一值后进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个 CP 脉冲结束以及下一个方向的第一个脉冲前发出。 3. 脱机电平信号 PREE 当驱动器上电平后，步进电机处于锁定状态（未施加 CP 脉冲时）或则运行状态（施加 CP 脉冲时），但当用户想手动调整电机而不想关基于单片机的步进电机控制系统设计 10 闭驱动器电源，这时就可以用到此信号，当此信号起到作用时（低电平有效）。 电机处于自由无力矩状态，当此信号为高电平时或悬空不接时，取消脱机状态，此信号用户可选用，如果不需要此功能，此端不接即可。 步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机，换向信号一定要在前一个方向的最后一个 CP 脉冲结束后以及下一个方向的第一个 CP 脉冲前 发出。 如图 所示。 对于 CP 脉冲的设计主要要求具有一定的脉冲宽度（一般不小于 5us）、脉冲序列的均匀度及高低电平方式，在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速 换向 升速 三个过程。 脉 冲 C P方 向 D I R前 D I R 的 最 后 一 个C P 脉 冲下 D I R 的 第 一 个 C P 脉 冲此 时 D I R 的 转 向图 升降速 换向三个过程 步进电机的位置控制 步进电机不需要位置传感器，就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确地送达指定位置点上。 移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数决定的，脉冲数与位移量间的关系如下： 位置移动量 =步 进电机分分辨率输入脉冲数 步进电机的位置控制是指要求电机从当前位置转过一个给定的步数，电机不丢失这一控制的实际，就是要求精确地发出定量的步进脉冲，例如，机器人再现工作时的启动信号后，要走到示教时给出的初始作业位置，就是用到位置控制，不过不带加 /减速控制，位置控制很容易实现的。 将发给电机的脉冲，用计数器通道计数，到最后通过 CPU 停发脉冲就是了，但是这种不带加 /减速控制的位置控制，除非速度特别低，否则会在起停时造成器械冲击、失步。 图 示出了参加加减速控制的速度曲线，此曲线，跟 T 轴间包含的面积正比于电机走过 的步数 SΣ，基于单片机的步进电机控制系统设计 11 显然，电机走过的总步数 SΣ由三部分构成：加速阶段电机走的步数向阶梯段电机走过的步数和减速阶段电机走的步数。 TFs abaf 2s aF = 0 图 加减速控制速度曲线 步进电机的驱动系统 步 进电机在仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉冲产生器提供位置（脉波数）、速度的脉冲信号指令，以及驱动器电流流过电机内线圈，依顺序切换激励磁相序的方式才能让电机运转。 所以，欲使步进电机动作的必要系统组成如下： 1. 脉冲产生器：产生角度（位置移动量）、动作速度及运转方 向等脉冲信号的电机驱动指令。 2. 步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令提供电流，驱动步进电机动作。 3. 步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。 基于单片机的步进电机控制系统设计 12 3 单片机概述 单片机简介 单片机 (MCU)是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。 尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。 同时集成诸如通讯接口、定时器、实时时钟等外围设备。 而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统 集成在一块芯片上。 单片机也被称为微控制器，由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。 最早的设计理念是通过将大量外围设 备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 单片机是 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口和中断系统集成于同一硅片的器件。 单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环 (PLL)、模拟开关、 A/D 和 D/A 变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。 单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。 单片机在智 能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。 当前， 8 位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的 16位单片机 (如 MCS9 MK68200)可用在更复杂的计算机网络。 可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。 基于单片机的步进电机控制系统设计 13 单片机的硬件结构 当今时代，单片机使用最为广泛为 MCS51 单片机。 即： 8051 单片机，其基本组成 (参见图 )：中央处理器、程序存储器 (ROM)、数 据存储器 (RAM)、定时 /计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。 1. 中央处理器 (CPU) 中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8位二进制数据或代码， CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 2. 内部数据存储器 (内部 RAM) C P U时 钟 电 路P 0P 3 P 2 P 1T X DR X DI N T 0I N T 1并 行 接 口串 行 接 口中 断 系 统定 时 / 计 数 器R A M R O MT 0T 1 图 MCS51 单片机结构框图 8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元，但其中后 128 单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前 128 单元，用于存放可读写的数据，简称内部 RAM。 ROM 8051 内部自带程序存储器，用于存放程序、原始数据或表格，不需外接程序存储器。 4. 定时 /计数器 基于单片机的步进电机控制系统设计 14 8051 共有两个 16 位的定时 /计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。 5. 并行 I/O 口 MCS51 共有 4 个 8 位的 I/O 口 (P0、 P P P3)，以实现外部数据的并行输入 /输出。 在实训中我们已经使用了 P1 口，通过 P1 口连接8 个发光二极管。 6. 串行口 MCS51 单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。 该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 7. 中断控制系统 MCS51 单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。 8051 共有 5 个中断源，即外中断两个，定时 /计数中断两个，串行中断一个。 全部中断分为高级和低级共两个优先级别。 8. 时钟电路 MCS51 芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。 时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。 系统允许的晶振频率一般为6MHz 和 12MHz。 从上述内容可以看出， MCS51 虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。 MCS51 单片机的引脚及其功能 MCS51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图。 1. 信号引脚介绍 MCS51 系列单片机中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，右图是它们的引脚配置， 40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根， 4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。 输入输出 (I/O)引脚 ～ ： P0 口 8 位双向口线。 基于单片机的步进电机控制系统设计 15 ～ ： P1 口 8 位双向口线。 ～ ： P2 口 8 位双向口线。 ～ ： P3 口 8 位双向口线。 P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78R S T / V p d9R X D / P 3 . 010T X D / P 3 . 111I N T 0 / P 3 .212I N T 1 / P 3 .313T 0 / P 3 . 414T 1 / P 3 . 515W R /P 3 . 616R D / P 3 .717X T A L 218X T A L 119V s s20P 2 . 021P 2 . 122P 2 . 223P 2 . 324P 2 . 425P 2 . 526P 2 . 627P 2 . 728P S E N29A L E / P R O G30E A / V p p31P 0 . 732P 0 . 633P 0 . 534P 0 . 435P 0 . 336P 0 . 237P 0 . 138P 0 . 039V c c40M C S 5 1 图 单片机的引脚 ALE：地址锁存控制信号。 在系统扩展时， ALE 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。 PSEN ：外部程序存储器读选通信号。 在读外部 ROM 时，有效 (低电平 )，以实现外部 ROM 单元的读操作。 EA ：访问程序存储控制信号。 当信号为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。 RST：复位信号。 当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。 VSS：地线， VCC： +5 V 电源。 2. 信号引脚的第二功脚 由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的。 但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需 要与可能的矛盾，给一些信号引脚赋以双重功能。 除了第一功能，则根据需要再定义它的第二功能。 下面介绍一些信号引脚的第二功能。 基于单片机的步进电机控制系统设计 16 (1) P3 口线的第二功能 P3 的 8 条口线都定义有第二功能，详见表。 (2) EPROM 存储器程序固化所需要的信号。 有内部 EPROM 的单片机芯片 (例如 8751)，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即： 编程脉冲： 30 脚 (ALE/PRO G—— ———— ) 编程电压 (25V)： 31 脚 (EA——— /VPP) 表 P3 口各引脚与第二功能表 引脚 端口 第二功能 RXD 串行数据接收 TXD 串行数据发送 外部中断 0 申请 外部中断 1 申请 T0 定时 /计数器 0 的外部输入 T1 定时 /计数器 1 的外部输入 外部 RAM 写选通 外部 RAM 读选通 MCS51 存储器 .1 MCS51 内部数据存储器 MCS51 单片机的芯片内部有 RAM 和 ROM 两类存储器，即所谓的内部 RAM 和内部 ROM，首先分析内部 RAM。 1. 内部数据存储器低 128 个单元 8051 的内部 RAM 共有 256 个单元，通常把这 256 个单元按其功能划分为两部分：低 128 单元 (单元地址 00H～ 7FH)和高 128 单元地址80H(单元地址 80H～ FFH)。 低 128 单元的配置图如表 所示： 表 片内 RAM 的配置 30H ~7FH 数据缓冲区 20H ~2FH 位寻址区 (00H~7FH) 18H ~1FH 工作寄存器 3 区 (R7~R0) 基于单片机的步进电机控制系统设计 17 10H ~17H 工作寄存器 2 区 (R7~R0) 08H ~0FH 工作寄存器 1 区 (R7~R0) 00H ~07H 工作寄存器 0 区。