基于单片机的红外遥控步进电机.doc
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1、- .呼伦贝尔学院本科生毕业论文题 目基于单片机的步进电机 专 业电子信息工程 姓 名 世霞 学 号 2011081435指导教师红峰年月日目录中文摘要2第一章绪论51.1 步进电机及其开展51.2 步进电机在我国的开展应用及前景51.3 设计研究容6第二章步进电机控制总系统设计72.1系统框架72.2步进电机的选择72.3电机驱动的选择8第三章系统硬件电路设计93.1系统硬件总电路构成93.2 步进电机系统93.2.1 步进电机的原理93.2.2 步进电机的特点93.2.3 步进电机的分类103.2.4 永磁步进电机的控制原理103.3 单片机系统113.4 键盘控制电路123.5 数码管驱
2、动显示电路133.6 步进电机驱动电路133.7 红外接收电路15第四章控制系统软件分析与设计164.1 主程序流程图164.2 读按键子程序流程图164.3 按键处理子程序流程图174.4 电机控制中断程序流程图18第五章系统调试与改进205.1 调试与改进205.2 运行结果20第六章总结21附录 B23致34基于单片机的红外遥控步进电机作 者:世霞指导教师:红峰中文摘要步进电动机由于用其组成的开环系统既简单,廉价,又非常可行,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的开展,步进电机的需求量与日俱增,它广泛用于打印机、电动玩具等消费类
3、产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中,其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,本钱低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。本设计是采用STC89C51单片机对步进电机的控制,通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。参加红外遥控模块,红外接收
4、器,红外发射器,让操作更简单快捷。根据不同的需要我们可以有五个不同档位速度的选择,并可以实现正反转。为了更显人性化,我们加上了一个数码管显示,显示步进电机的运行状态。关键词:步进电机,单片机,正反转控制,电机驱动,红外遥控ABSTRACTStepper motordue to the use oftheposition of theopen-loop system is simple,cheap,and very practical,so it is usedwidely in many fieldsof printerand other office automation equipment
5、 and variouscontrol device.Withthe development of microelectronics and puter technology, the stepper motor demandgrow with each passing day,it is widely used in the printer,electric toys and otherconsumer productsand C machines,industrial robots,medical equipment and othermechanical and electricalpr
6、oducts,whichare appliedinvarious fields of the national economy.Studies of the stepping motor control system,to improve the control precision and responsespeed,is of great significance toenergy savingetc.Stepper motor is apulse signal can beconverted intomechanicalangular displacement or line displa
7、cement ponents,stepper motor controlsystem is posed ofsteppingcontrollerposed ofa power amplifier,and stepping motor.Using single chip microputer control,using software instead ofthe abovestep controller,thecircuit is simple,lowcost,reliability is improved greatly.Software programmingflexibility top
8、roduceoperation modeof different types ofstepper motorexcitationsequenceto control all kinds ofstepper motor.This designis the use of STC89C51 microcontrollertocontrolthe stepping motor,temporalsidethrough the I/O port outputwaveas the control signalof step motor ,the signal through thechip ULN2003
9、to drive thestepper motor.According to different needs,wecan have ten differentgearspeed selection , and the realization ofpositive inversion.In order tobe more humanized,weadded adigital display ,displaythe operating state of the stepping motor.Keywords:Stepping motorsingle-chip microputerpositive
10、inversion controlmotor driveInfrared remote control第一章 绪论1.1 步进电机及其开展步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机它是基于最根本的电磁感应作用,将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,大型望远镜,卫星天线定位系统等等。随着经济的开展,技术的进步和电子技术的开展,步进电机的应用领域更加广阔,同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。步进电机的原始模型起源于1830年至1860年,1870年前后开场以控制为目的的尝试,应用于氩弧灯的
11、电极输送机构中,这被认为最早的步进电机。1950年后期晶体管的创造也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期,在步进电机本体方面随着永磁材料的开展,各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改进,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位置控制、需要准确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。1.2 步进电机在我国的开展应用及前景我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期,从50年代后期到
12、60年代后期,主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命中开场大量生产和应用步进电机,例如、等各地都有投入生产,而且都在各行业使用,其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70年代初期,步进电机的生产和研究都有所突破,除反映在驱动器设计方面的长足进步以外,对反响式步进电机本体的设计研究开展到一个较高的水平。70年代中期至80年代中期为成品开展阶段,新品种高性能电动机不断被开发。至80年代中期以来,由于步进电机准确模型做了大量研究工作
13、,各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。国外在大功率的工业设备驱动上,目前根本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电路的本钱,效率,噪音,加速度,绝对速度,系统惯量与最大扭矩比来比拟,比拟不划算,还是用直流电动机,加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用,就用空心转杯电机,交流电机。国外在小功率的场合,还使用步进电机,例如一些工业器材,工业生产装备,打印机,复印件,速印机,银行自动柜员机。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控
14、制器部。目前,生产步进电机的厂家确实不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大局部的厂家只一、二十人,连最根本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。1.3 设计研究容本论文所选的步进电机是四相步进电机,采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信
15、号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而到达准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而到达调速的目的。本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的,并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转,步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用STC89C51作为控制单元,通过键盘实现对步进电机转动方
16、向及转动速度的控制,并且将步进电机的转动速度动态显示在数码管上。主要实现功能:15个按键控制整个电路,对应功能分别是:正转、反转、复位、速度加、速度减;红外遥控控制速度加减,电机正反转;2数码管显示电机运行速度的档数和正反转的指示;35个小红灯,一个为电源指示,四个指示电机的转速。第二章步进电机控制总系统设计2.1系统框架硬件主要以单片机为核心,本次毕业设计选用的步进电机是四相步进电机,通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能,并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管显示。主要通过三大块来设计,包括驱动电路的设计、状态显示局部和按键局部是设计。本设计的系统总框图如图2
17、-1所示。红外遥控模块单片机键盘控制模块电机驱动模块数码管显示模块电源模块图2-1总体设计框图2.2步进电机的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停顿的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机那么转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。系
18、统是单片机控制,整个设计的电压是5v,所以电机的电压也要选择5v可以驱动的,所以本实验选择28BYJ-48步进电机作为设计对象,步进电机28BYJ48型四相八拍电机,电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时,它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次,也就对应转子转过一定的角度一个步距角。当通电状态的改变完成一个循环时,转子转过一个齿距。2.3电机驱动的选择系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动,因此需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度,才能控制步进电机转动,我们在这里采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。ULN200
19、3七NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路如TTL,CMOS或PMOS/NMOS和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。广泛用于计算机,工业和消费类产品中。所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。ULN2003的设计与标准TTL系列兼容。第三章 系统硬件电路设计3.1系统硬件总电路构成以51单片机为核心处理器、单片机作为主控制器,DC-5V步进电机,集成芯片ULN2003作为电机驱动。五个按键输入,对应功能分别是:正转、反转、复位、速度加、速度减;LED数码管显示电机的正反转,同时显示电机运行速度的档数;5个小红灯一个为电源指示,四个指示电
20、机的转速。3.2 步进电机系统步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,它实际上是一种单相或多一样步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动,输出功率一般很小,其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动,用途很广。使用多相步进电动机,单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号,在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器,电动机各相的通电状态就发生变化,转子会转过一定的角度称为步距角。正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化
21、的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。3.2.1 步进电机的原理步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反响式步进电机简称VR、永磁式步进电机简称PM和混合式步进电机简称HB。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进展控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。其根本原理作用如下:1控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如:三相步进电机的三拍工作方式,
22、其各相通电顺序为ABCD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。2控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,那么电机就反转。3控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机进展调速。3.2.2 步进电机的特点1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%,角位移与输入脉冲数严格成正比,没有累计误差,具有良好的跟随性。2. 步进电机外表不允许较高的温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下
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