课程设计基于单片机的步进电机控制器设计Word格式文档下载.docx
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本设计选择型号为36BF003反应式步进电机,其参数如表2-1所示:
表2-136BF003反应式步进电机技术数据
型号
相数
步距角
/(度)
电压
/V
相电流
/A
最大静转矩(N.m)
空载起动频率
/(步/s)
绕组电阻
/Ω
分配方式
外形尺寸
/mm
重量/Kg
外径
长度
轴径
36BF003
3
1.5/3
27
1.5
0.078
3100
1.6
三相六拍
36
43
4
0.22
2.1.2电机驱动电路原理
由表2-1可知电机的额定电压是27V,本设计采用单电源功率放大电路驱动步进电机,电路原理图如图2-1所示。
电路中由单片机AT89S51分配的控制脉冲从P0口的P0.0~P0.7输出,经74LS125反相后控制光电开关,光电隔离后,由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大,驱动步进电机的各相绕组。
使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。
W1、W2、W3分别为电机三相绕阻,RL为绕组内阻,阻值为1.6Ω,100Ω电阻(R1、R2、R3)是一外接电阻,起限流作用,也是一个改善回路时间常数的元件。
VD1、VD2、VD3为续流二极管,使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(VD1、VD2、VD3)而衰减掉,从而保护了功率管TIP122不受损坏。
在100Ω外接电阻(R1、R2、R3)上并联一个200μF电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。
与续流二极管串联的200Ω电阻(R10、R11、R12)可减小回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。
2.3单片机选择及其电路设计
2.3.1单片机的选用
(1)本设计采用AT89S51,它是低功耗、高性能的单片机,其特性如下:
(2)4KB可编程的Flash存储器(可经受1000次的擦除/写入);
(3)全静态工作:
0Hz~24Hz;
(4)128
8字节的内存RAM;
(5)32可编程I/O线;
(6)2个16位的定时/计数器;
(7)编程串行通道;
(8)片内振荡器。
2.3.2单片机工作电路设计
(1)电压选择
单片机的工作电压范围为2.7~5.5
,在本设计中的单片机的工作电压是5
。
(2)复位电路
AT89S52单片机的
引脚为复位信号输入端,高电平有效,,当振荡器工作时,在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平,就可以使单片机复位。
本设计采用TPS3824处理器监控电路复位,电路原理图如图2-2所示。
TPS3824是一个带有看门狗功能的监控器,在上电期间,监控器REST端向单片机复位引脚(RESET)发出一个复位信号,然后,其内部定时器每延时时间td向单片机发出一个复位信号,因此,在单片机正常工作期间,单片机P0.3口需要在时间t≤td时定期向监控器WDI引脚发出一个正跳变或负跳变以触发监控器定时器复位,以防止单片机被误复位。
当单片机死机无法正常工作时,P0.3无法输出触发监控器定时器复位信号,监控器则向单片机发出复位信号使系统复位,所以,使用TPS3824监控器复位电路具有系统死机自动复位功能。
(3)时钟电路
本系统运行程序不多,速度要求不高,采用外部时钟脉冲,选用ZPA(稳定度为1~9x10-4普通石英晶体振荡器)型12MHz石英晶体振荡器。
其电路原理图如图2-3所示。
如图2-3,时钟电路连接单片机引脚XTAL1和XTAL2向单片机提供时钟脉冲,电路中的电容C1和C2称为负载电容,也可以理解为谐振电容的一部分,两电容并串在电路中取值相同,一般为数pF至数十pF,这里选择30pF。
(4)键盘输入电路
键盘是一组按键的集合,它是最常用的单片机输入设备.操作人员可以通过键盘输入数据或者命令,实现简单的人机通信。
单片机的键盘设计方式有独立式和矩阵式两种,由于本系统键盘由0~9号数字键、正转控制键、反转控制键、停止控制键、加速键和减速键15个按键组成,通过键盘可以输入电机运行步数、控制电机正转/反转/停止和速度。
系统按键数量较多,为节省I/O口,简化电路,降低成本,本设计采用标准的4*4矩阵式由P1号接入单片机。
电路原理如图2-4所示。
电路中四个电阻起上拉电阻作用。
(5)显示电路
本设计采用七个八段数码管显示电机步数,显示步数范围是0~9999999步,由步进电机原理可知,步数x步距角为电机转角。
一个八段数码管显示速度,编程设定显示范围是1~9,倍率是100,即实际转速为显示数x100,例如,速度显示1,则电机转速为100r/min。
为简化电路,降低成本,八个八段显示数码管的阳极位段选线并联在一起,由一个8位的P2口控制,形成段选线多路复用。
而各位的共阴极分别8位的P3口控制,实现各位的分时选通,构成一个动态显示器,如图2-5所示。
图中右七个数码管显示步数,左一个数码管显示转速,74LS125为集成四个非门的芯片。
三、软件设计
3.1控制地址分配
为方便程序检查和修改,在设计程序之前应对所用到或使用较多数据存储地单元命名标号,本程序数据储存地址命名如表3-1所示。
表3-1数据储存地址命名标号表
名称
标号
地址单元
步数个位储存地址
GB
40H
步数百万位储存地址
BWB
46H
步数十位储存地址
SB
41H
电机转速查询表偏移量
SD
47H
步数百位储存地址
BB
42H
电机启/停控制
JK
48H
步数千位储存地址
QB
43H
电机控制偏移量输出脉冲
KZ
49H
步数万位储存地址
WB
44H
键按下状态
KONZ
4AH
步数十万位储存地址
SWB
45H
键按下状态中间变量
KBL
4BH
3.2主程序设计
为节省单片机程序扫描时间,使用定时器T0中断方式转入控制电机运行,定时器T0定时时间为电机运转“拍数”切换时间,即控制电机的脉冲切换时间,根据步进电机控制原理,改变此定时器定时时间可改变电机转速。
由此定时器定时时间未到时不断进行键盘扫描的输出显示。
时间初值查询表SD_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-1;
主程序流程图如图3-1所示。
主程序清单如下:
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG000BH
LJMPDJKZ
ORG0050H
MAIN:
;
主程序
GBEQU40H;
定义步数十位存储单元
SBEQU40H;
定义步数百位存储单元
BBEQU40H;
定义步数千位存储单元
QBEQU40H;
定义步数万位存储单元
WBEQU40H;
定义步数十万位存储单元
SWBEQU40H;
定义步数百万位存储单元
BWBEQU40H;
定义步数个位存储单元
SDEQU40H;
定义电机转速表查询偏移量存储单元
JKEQU40H;
定义电机控制表偏移量存储单元
KONZEQU40H;
定义输入口按键按下状态暂存单元
KBLEQU40H;
定义输入口按键按下状态中间变量存储单元
MOVP0,#00H;
I/O口初始化
MOVP1,#0FFH;
MOVP2,#0FFH;
MOVP3,#0FFH;
MOVGB,#00H;
步数个位初始化
MOVSB,#00H;
步数十位初始化
MOVBB,#00H;
步数百位初始化
MOVQB,#00H;
步数千位初始化
MOVWB,#00H;
步数万位初始化
MOVSWB,#00H;
步数十万位初始化
MOVBWB,#00H;
步数百万位初始化
MOVSD,#1;
电机转速开机默认为200r/min
MOVJK,#0;
电机控制状态开机为停止
MOVKZ,#0;
速度查询表偏移初始化0
MOVTMOD,#01H;
T0控制模式为1
MOVDPTR,#SD_TAB;
DPRT指向转速查询表首地址
MOVA,SD;
取转速查询表偏移量
MOVCA,@A+DPTR;
取定时器低位初值
MOVTL0,A;
装入定时器低位初值
MOVA,SD;
ADDA,#10;
调整转速查询表偏移量,为取T0高位做准备
DAA;
十进制数调整
取定时器高位初值
MOVTH0,A;
装入定时器高位初值
MOVIE,#82H;
T0开中断
SETBTR0;
启动T0
LOOP:
LCALLKEY_SUB;
调用键盘扫描录入程序
LCALLDISP_SUB;
调用显示程序
LJMPLOOP;
返回LOOP
SD_TAB:
DB72H,54H,05H,C5H,42H,95H,CEH,FDH,20H,3CH
DBF6H,FBH,FCH,FDH,FEH,FEH,FEH,FEH,FFH,FFH
3.2键盘录入子程序
实现功能:
通过扫描键盘,判断是否有键按下,若有键按下则改变相应控制地址单元的内容,为后面的显示和电机控制做准备。
键盘数据录入子程序流程图如图3-2所示;
输入键键号查询表IN_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-2;
电机启/停控制和显示段选码表SRDS_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-3;
键盘扫描子程序流程图如图3-2所示。
键盘扫描方法:
由硬件设计可知,键盘是4*4的行、列结构设计,行由P1.0~P1.3口输入,列由P1.4~P1.7口输入,其中行线通过上拉电阻接+5V,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,则对应的行线和列线短接,行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。
因此,其扫描方法是:
先令P1.4列线为低电平,其余三根列线为高电平,读行线状态。
如果行线都为高电平,则这一列线上没有键闭合,接着使下一列线P1.5为低电平,其余列线为高电平,用同样方法检查P1.5列上没无键闭合,依次类推,直到最后一列扫描完成。
键盘录入程序代码如下:
KEY_SUB:
;
键盘录入程序
LCALLKNUM_SUB;
调用键盘扫描程序
MOVA,KONZ;
保存初次扫描输入状态
ORLA,#0FH;
输入状态高四位置1
MOVKBL,A;
保存
CJNEA,#0FFH,KE_NEXT1;
(A)≠0FFH,有按键输入,转去抖动
LJMPKE_NEXT;
否则转子程序返回
KE_NEXT1:
MOVR7,#10;
延时10ms去抖动
LCALLDEL_SUB;
调用延时1ms程序
DJNZR7,KE_NEXT1;
再次调用键盘扫描程序
CJNEA,KONZ,KE_NEXT;
若(A)=(KONZ),确认有键按下,等待按键
;
释放否则转子程序返回
KE_LOOP1:
LCALLKUNM_SUB;
ORLA,#0FH;
键盘输入状态高四位置1
CJNEA,#0FFH,KE_LOOP1;
若(A)=0FFH,键已释放,执行去抖动,否
;
则转KE_LOOP1再次判断
MOVR7,#10;
MOVDPTR,#IN_TAB;
DPTR指向键号查询表首地址
MOVR7,#0;
从0号键开始扫描
KE_LOOP2:
MOVA,R7;
取键号
MOVCA,@A+DPTR;
查表取出相应键号状态码
CJNEA,KONZ,KE_NEXT2;
与输入状态相比较,若
LJMPKE_NEXT3;
相等,则为该号键按下,转取键号
KE_NEXT2:
INCR7;
否则取下一键号
LJMPKE_LOOP2;
转再次扫描
KE_NEXT3:
MOVA,R7;
取按下键键号
CJNEA,#9,KE_NEXT4;
若键号=9,转设置步数
LJMPB_SET;
否则转判断是否<9
KE_NEXT4:
JCB_SET;
若键号<9,转设置步数,否则顺序判断
CJNEA,#12,KE_NEXT5;
若键号≠12,
LJMPDJ_SET;
否则转电机控制设置
KE_NEXT5:
JCDJ_SET;
若键号<12,转电机控制设置,否则继续判断
CJNEA,#13,KE_NEXT7;
若键号≠13,转减速设置,
则顺序设置加速
MOVA,SD;
取当前速度
CJNEA,#7,KE_NEXT6;
若当前速度≠7,转速度加1档
否则当前速度为最大值,转子程序返回
KE_NEXT6:
INCSD;
当前速度增加1档
转子程序返回
KE_NEXT7:
CJNEA,#0,KE_NEXT8;
若当前速度≠0,转速度减1档
否则当前速度为最小值,转子程序返回
KE_NEXT8:
DECSD;
当前速度减1档
B_SET:
MOVBWB,SWB;
步数十万位移至百万位
MOVSWB,WB;
步数万位移至十万位
MOVWB,QB;
步数千位移至万位
MOVQB,BB;
步数百位移至千位
MOVBB,SB;
步数十位移至百位
MOVSB,GB;
步数个位移至十位
MOVGB,A;
步数新数移至个位
DJ_SET:
MOVDPTR,#SRDS_TAB;
DPTP指向控制与显示表首地址
取控制状态
MOVJK,A;
控制状态存入控制单元
KE_NEXT:
RET;
子程序返回
IN_TAB:
DB77H,B7H,D7H,E7H,7BH,BBH,DBH,EBH;
输入键键号查询表
DB7DH,BDH,DDH,EDH,7EH,BEH,DEH
SRDS_TAB:
DBC0H,F9H,A4H,B0H,99H,92H
DB82H,F8H,80H,90H,1,2,3;
电机启/停控制和显示段选码表
键盘扫描程序代码:
KUNM_SUB:
MOVP1,#0FFH;
键盘输入口置1
CLRP1.4;
扫描第一列
MOVA,P1;
读入输入状态
SETBP1.4;
关闭扫描第一列
CLRP1.5;
扫描第二列
SETBP1.5;
关闭扫描第二列
CLRP1.6;
扫描第三列
SETBP1.6;
关闭扫描第三列
扫描第四列
关闭扫描第四列
RET;
3.3显示程序
根据转速控制单元SD和步数控制单元GB(个位)、SB(十位)、BB(百位)、QB(千位)、WB(万位)、SWB(十万位)、BWB(百万位)的内容查询SRKS_TAB取相应显示段码送相应显示位显示。
程序流程图如图3-4所示;
8位八段数码管显示方法:
由硬件结构可知,步数显示7位八段数码管和速度显示1位数码管的段选线并联在一起由单片机P2口控制,而各位的共阴极点分别由相应的P3口控制,实现各位的分时选通,构成8位的动态显示。
根据实际情况,每位显示的字符不同,因此软件设计必须采用扫描显示方式,即在每一个瞬间只使某一位显示相应字符。
在此瞬间,段选码由控制P2口输出需显示的段码,位选P3口输出位选码选通该位显示相应字符。
如此轮流,使每一位显示该应显示的字符,并延时一段时间,这里延时3ms,以造成视觉暂留效果。
显示代码如下:
DISP_SUB:
;
显示子程序
MOVP2,#0FFH;
MOVP3,#00H;
关显示
MOVR7,#8;
设置显示位数
MOVR0,GB;
取步数个位显示数字
MOVDPTR,#SRDS_TAB;
DPTR指向控制与显示段码表首地址
MOVA,#01H;
取步数位显示控制字
PUSHACC;
保护步数位显示控制字
MOVA,@R0;
取步数显示数字
MOVCA,@A+DPTR;
取显示段码
MOVP2,A;
送显示
POPACC;
取出位显示控制字
MOVP3,A;
打开位显示
DLOOP2:
MOVR6,#3;
延时3ms
LCALLDEL_TAB;
DJNZR6,DLOOP2;
判断时是否到,未到刚返回延时,否则往下执行
RLA;
取下一位显示控制字
INCR0;
R0;
指向下一位显示数字存储地址
DJNZR7,DLOOP1;
若(R7)-1=0,八位显示完成,往下执行,否则转显示下一位
RET;
3.4电机控制程序
根据地址单元JK的内容控制电机的正转、反转和停止。
单片机输出控制字查询表MQ_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-4;
程序流程图如图3-5所示:
电机控制程序代码如下:
KT0_INT:
;
电机控制程序中断服务程序
MOVDPTR,#SD_TAB;
MOVCA,@A+DPTR;
MOVTL0,A;
MOVA,SD;
ADDA,#10;
DAA;
MOVTH0,A;
MOVR7,#7;
循环7次,分别判断7位步数是否为0
MOVR0,#GB