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《微机控制技术》课程设计说明书-二相步进电机控制系统设计.doc.doc

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武汉理工大学《微机控制技术》课程设计说明书 PAGE 24 二相步进电机控制系统设计 1 设计任务分析 1.1 设计任务 设计一个二相步进电机控制系统,电机有两组带中心抽头的线圈,要求系统具有如下功能:采用单极性控制,用K0-K2做为通电方式选择键,K0为四相单四拍,K1为四相双四拍,K2为四相八拍;K3为启动/停止控制、K4方向控制;用4位LED数码管显示工作步数。用3个发光二极管显示状态:正转时红灯亮,反转时黄灯亮,不转时绿灯亮。 1.2 任务分析 根据任务要求,二相步进电机包含二相五线、二相六线式两种类型,二相步进电机要实现四相单四拍、四相双四拍、四相八拍的运行方式,需将二相步进电机改接成四相步进电机,为此选定二相六线式步进电机,接线时将两个中心抽头接为高电平即可将其改为四相电机。四相单四拍通电方式:A-B-C-D。四相双四拍通电方式:AB-BC-CD-DA。四相八拍通电方式:A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。控制芯片选用单片机控制相应的I/O口输出相应的电平驱动电机驱动芯片ULN2003驱动步进电机的转动。LED数码管显示工作步数时则需先选定某一个数码管工作,再给选定的数码管送要显示的数据。正传、反转、不转时指示灯的显示可以通过K3(启动/停止控制键)、K4(方向控制键)硬件来控制,亦可以通过单片机输出高低电平,在软件中控制。 2 方案选择 2.1 方案比较 2.1.1 方案一 方案一采用Atmega128单片机作为核心控制I/O口输出电平送给驱动电路以驱动电机运转。下图为电机的单极性驱动电路,单片机输出的脉冲经过光耦隔离后,再通过达林顿功率管实现功率放大,各个达林顿功率管轮流导通,产生相应的通电时序,从而带动步进电机的正常转动。改变输出的脉冲时序即可实现电机反转。程序中通过软件延时来控制单片机I/O口的输出以达到控制电机旋转和数码管显示的目的。 图1 达林顿功率管驱动电机电路图 2.1.2 方案二 方案二的控制芯片亦采用Atmega128,方案二选用了集成芯片ULN2003:ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN 达林顿管组成。程序中使用的是定时器0中断延时,将控制变量自加程序放入中断子程序中以达到控制电机旋转和数码管显示的目的。 图2 ULN2003驱动电机接线图 2.2 方案的确定 通过以上两个方案的比较,由于方案一、二其他的设计思路相同,控制芯片都是Atmega128,主要区别在于驱动电机的电路和是否使用中断。由于方案二驱动电路接线少易于实现,且中断的使用使得延时更加精确,和使数码管显示程序更容易实现的目的,所以本次设计采用方案二。 3 硬件设计 3.1 系统原理框图 图3 单片机控制电机原理框图 3.2 按键电路 图4 按键电路 如图4,K0接单片机PA0口控制电机单四拍运转,K1接单片机PA1口控制电机双四拍运转,K2接单片机PA2口控制电机八拍运转,K3接单片机PB0口控制电机的起停,K4接单片机PA3口控制电机运转的方向。 3.3 数码管显示电路 如图5,七段共阴数码管的A、B、C、D、E、F、G、DP依次接单片机的PD0——PD7口,显示单片机输出的数据。1、2、3、4依次接单片机的PE0——PE3口,单片机PE口输出电平驱动数码管显示PF口送出的数据。 图5 数码管显示电路 3.4 单片机驱动电机电路 图6 单片机驱动电机电路图 如图6所示,单片机的PF口的低四位输出脉冲给电机驱动芯片ULN2003,ULN2003将单片机输出的电流放大后驱动步进电机的运转。 3.5 单片机ATmega 128引脚图 本设计采用的是ATmega 128单片机,此单片机内部带有128KB的系统内可编程Flash程序存储器,具有在写的过程中还可以读的能力,即同时读写(RWW);4KB的EEPROM;4KB的SRAM;53个通用的I/O端口线;32个通用工作寄存器;实时时钟(RTC);4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时/计数器(T/C);2个USART;面向字节的两线端口(TWI);8通道10位ADC;可选的可编程增益;片内振荡器的可编程看门狗定时;串行外围设备接口(SPI);与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试口,此接口同时还可以用于片上调试;6种可以通过软件选择的省电模式。可用于本设计,其引脚图如图7所示。 图7 ATmega 128单片机引脚图 3.6 LED灯显示电路 如图8所示,三个LED灯一端公共接地,另一端接在单片机的PC口上,单片机PC口输出高电平,则与某个PC口相对应的灯被点亮,输出低电平则灯熄灭。红灯接单片机PC0口,红灯亮(PO0=1),代表电机正转。黄灯接单片机PC1口,黄灯亮(PC1=1)时代表电机反转;绿灯接单片机PC2口,绿灯亮(PC2
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