基于51單片機的步進電機直線插補.doc

基于51單片機的步進電機直線插補目錄第1章 概述2第2章 設計內容的介紹32.1步進電機原理32.2步進電機的選擇42.3直線插補原理52.4設計目標7第3章 設計思路 具體內容73.1設計思路73.2單片機及其最小系統(tǒng)73.3 按鍵電路83.4 步進電機驅動電路93.5液晶顯示9第四章 程序設計11第五章 總結12參考文獻13附錄13摘要本設計為基于51單片機，利用兩個四相八拍步進電機，實現(xiàn)四個象限中直線插補的過程。其中一個電機正反轉實現(xiàn)X正負方向的插補，另一個電機正反轉代表Y軸正負方向插補。并對該插補算法的原理及其實現(xiàn)過程進行了闡述,通過按鍵啟動插補過程，插補結束后電機自動停止。通過LCD1602液晶實現(xiàn)插補過程中插補方向的顯示，最終完成了步進電機的插補過程。關鍵詞 步進電機 直線插補 液晶顯示第1章 概述數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術，利用數(shù)字化信號對機床及其加工過程進行自動控制，主要用于數(shù)控機床、線切割機、焊接機、氣割機 以及低速小型數(shù)字繪圖儀等。數(shù)控機床可以加工形狀復雜的零件，具有加工精度高、生產效率高、便于改變加工零件品種等眾多優(yōu)點，是實現(xiàn)機床自動化的一個重要發(fā)展方向。逐點比較法是數(shù)控機床在加工曲線時常用的一種方法，是常用的脈沖增量插補方法。它是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線，與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當量，當脈沖當量足夠小時，就可以達到相當高的加工精度。步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中非常重要的工具之一，它是一種將電脈沖信號變換成角位移的機電式數(shù)模轉換器。它直接用數(shù)字信號驅動，使用非常方便。當步進電機接收計算機發(fā)來的指令脈沖后，步進電機會相應的轉動，步進電機與數(shù)控系統(tǒng)的工具臺相連，從而可以驅動刀具對工件進行切割。指令脈沖的數(shù)量決定道具的總移動量，指令脈沖的頻率決定道具移動速度。這樣，利用步進電機可以很容易的控制操作臺進行工件的加工。第2章 設計內容的介紹 2.1步進電機原理步進電機的工作就是步進轉動，其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移。當給定一個脈沖信號，步進電機會轉動一個角度，也就是步進角。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，我們可以通過控制給定的脈沖個數(shù)，從而精確控制電機轉動的角度。同樣也可以通過控制脈沖頻率控制它的轉速，從而達到調速的目的。如下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖2-1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。圖2-1 四相步進電機步進示意圖開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2-2所示：圖2-2 步進電機工作時序波形圖2.2 步進電機的選擇現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。在本次課程設計中，我們小組選用的是28BYJ48型四相八拍的步進電機，供電電壓為DC5V。該步進電機有四根控制線，對應A-B-C-D，另一根為電源線。四根線排列方式為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。當對步進電機施加控制脈沖時，它可以轉動，四相八拍步進電機給定八個脈沖時，步進電機才會相應的轉動一周。由于本電機采用的時減速電機，減速比為64:1，所以當內部轉子轉動64圈后，外部才會相應的轉動一圈。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組，通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉子轉過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行， 28BYJ48步進電機四相八拍相序表如表1所示： 序號四相通電情況通電情況1000101 H2001103 H3001002 H4011006 H5010004 H611000C H7100008 H8100109 H表1 28BYJ48步進電機相序表當根據時序表整列給電時，步進電機會正轉，當逆著相序表給脈沖時，步進電機相應的則反轉，從而可以實現(xiàn)電機正反轉的控制。28BYJ48步進電機主要技術參數(shù)如表2所示表2 步進電機主要技術參數(shù)由表可知，每個脈沖電機會轉動5.625度，當給8個脈沖后，電機則轉動45度，給定64個脈沖，電機則轉動一圈。由于減速比為64:1，故需要內部線圈轉動64*64=4096圈，外部轉子才轉動一圈。2.3逐點比較法直線插補法原理 所謂直線插補就是只能用于實際輪廓是直線的插補方式。當?shù)毒呋蚶L圖筆每走一步，都要和給定的軌跡上的坐標進行比較，看這點是在直線的上方還是下方，或是給定軌跡的里面還是外面，從而決定下一步進給的方向。如果在軌跡上方，就往下方走，在下方，就往上方走，從而逐步逼近軌跡。2.3.1逐點比較法的四個基本步驟偏差判別：根據偏差判斷應該向哪個坐標方向進給；坐標進給：根據判別結果，沿相應的坐標方向進給；新偏差計算：根據偏差函數(shù)，計算進給后偏差，作為下次偏差判別的依據；終點比較：判斷是否達到終點，若達到終點則結束本次插補，否則轉繼續(xù)執(zhí)行。 2.3.2四個象限的直線插補 n n 設A1、A2、A3、A4分別表示第一、第二、第三、第四象限的四種線型。它們的加工起點均從坐標原點開始，則刀具進給方向如圖2-3所示。凡F0時，向x方向進給，在第 一、四象限向+ x 方向進給；在二、三象限，向-x方向進 給；凡F<0時，向y方向進給，在第一、二象限向+y方向進 給；在三、四象限，向-y方向進給。不管是哪個象限，都 采用與第一象限相同的偏差計算公式，只是式中的終點坐標值均取絕對值。圖2-3 四個象限給進方向表3 四象限的進給脈沖和偏差計算四種線型的偏差計算公式是相同的，差別在于進給方向不同。流程圖中的“沿xe方向走一步”或“沿ye方向走一 步”，因不同線型的xe 、ye位于不同象限，因而實際的進 給方向是不相同的。因此，對任一直線在插補前，應根據 xe 、 ye的符號判斷該線型屬于哪一象限。2.4設計目標利用四相八拍步進電機實現(xiàn)四個象限的直線插補，使用兩個四相八拍步進電機，一個電機實現(xiàn)X正方向正轉，負方向反轉，另一個電機實現(xiàn)y正方向正轉，負方向反轉。當按鍵按下啟動插補后，液晶顯示屏每一步插補進給的方向。第3章 設計思路與具體內容 3.1設計思路本系統(tǒng)主要由供電電源模塊、單片機最小系統(tǒng)、按鍵電路、步進電機驅動電路、步進電機以及液晶顯示屏等幾部分組成。本系統(tǒng)采用兩個獨立步進電機，一個電機實現(xiàn)X正方向正轉，負方向反轉，另一個電機實現(xiàn)y正方向正轉，負方向反轉。使用的步進電機為28BYJ48型四相八拍電機，采用獨立DC5V供電。使用按鍵實現(xiàn)插補的啟動過程，液晶顯示插補方向。總體設計框圖如圖3.1所示。步進電機驅動電路按鍵啟動插補單片機最小系統(tǒng) 液晶顯示 步進電機圖3.1 總體設計框圖3.2單片機最小系統(tǒng)及按鍵部分51單片機主要完成對驅動步進電機以及顯示的控制，其中最小系統(tǒng)是單片機能正常工作的必不可少得一部分。51單片機是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，它是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，且支持在線編程，完全滿足本系統(tǒng)設計需要。單片機最小系統(tǒng)包括單片機和復位電路，晶振，電源部分。最小系統(tǒng)電路如圖所示： 圖3.2 AT89S52單片機圖3.3 晶振電路圖3.4 復位電路圖3.5 電源電路3.3 按鍵電路按鍵電路實現(xiàn)插補過程的啟動，其原理圖如圖3.6所示。圖3.6 按鍵電路 3.4 步進電機驅動電路步進電機的驅動芯片采用ULN2003A，其硬件電路如圖3.7所示。圖3.7 步進電機的驅動電路3.5 液晶顯示電路使用液晶顯示插補過程中電機轉動的方向，其電路圖如圖3.8所示圖3.8 步進電機的驅動電路第四章 程序設計 根據單片機外圍電路的設計以及插補過程原理，基于51單片機的C語言軟件功能實現(xiàn)四個象限的直線插補過程?；拒浖O計流程如圖4.1所示。該圖按照插補計算過程的4個步驟：偏差判別，坐標進給，偏差計算，終點判斷來實現(xiàn)插補計算程序。偏差判別，偏差計算，終點判別是邏輯運算和算術運算，容易編寫程序，而坐標進給是給步進電機發(fā)送走步脈沖，通過步進電機帶動機床工作臺或道具移動。圖4.1 程序流程圖此外，為了反映坐標進給方向的情況，本設計添加了液晶顯示模塊，實現(xiàn)記錄顯示進給過程。第五章 心得體會通過此次課程設計，我明白了理論學習中插補過程及步進電機工作原理的實際應用，進一步加深了對理論知識的理解。從設計程序到完成程序，我用了近兩天時間，在這兩天中，思路在一遍又一遍的更新，程序在一遍又一遍的更改。從之前的第一象限插補改進到了四個象限的插補，從單調的電機轉動，到按鍵控制啟動，液晶顯示的過程。在這個過程中，我遇到許許多多的問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期知識的欠缺和經驗的不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我掌握的知識不再是紙上談兵，而是學以致用。這次課程設計是我認識到計算機控制技術在現(xiàn)代生產發(fā)展中的重要地位，使我明白了平時枯燥的理論學習原來那么重要。通過實際動手，我深刻感受到理論基礎知識學習與實踐結合的重要性，我覺得平時的課堂不再那么無聊，反而給了我學習這門課程的積極性，讓我充滿好奇的去慢慢探索它的奧妙。最重要的是，在本次課程設計中，我學會了很多學習的方法，而這些都將為日后做準備，會使我們終身都受益匪淺。面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐，才能在最大程度上發(fā)掘自己，實踐是檢驗真理的唯一標準。這對于我們的將來有莫大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。參考文獻 1 丁元杰著.單片微機原理及應用M.機械工業(yè)出版社，2010年1月2于海生著.計算機控制技術M.機械工業(yè)出版社，2011年9月附錄1、作品實物圖2、主要程序代碼#include <reg51.h> /51芯片管腳定義頭文件#include <intrins.h> /內部包含延時函數(shù) _nop_();#include "LCD1602.h" /LCD1602液晶頭文件#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code FFW8=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;/*四相八拍正轉編碼*/uchar code REV8=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;/*四相八拍反轉編碼*/sbit K1 = P32; /啟動按鍵int Xe=-8; /終點X坐標int Ye=6; /終點Y坐標int Ym=0; /當前X坐標int Xm=0;/當前Y坐標uint XOY; /象限（1,2,3,4）uint ZF; /方向標志位（+X，+Y，-X，-Y） int r; /變量int N=64; /N 步進電機運轉圈數(shù)int M=5; /變量，與液晶顯示位置有關int MM=0; /變量，與液晶顯示位置有關int cstep; /步數(shù)int abs(int x); /取絕對值函數(shù)void delay(uint t); /延時函數(shù)void XZstep(); /X正向走步函數(shù)void YZstep(); /Y軸正向走步函數(shù)void XFstep(); /X軸反向走步函數(shù)void YFstep(); /Y軸反向走步函數(shù)int pdxoy(int x,int y); / 判斷哪個象限函數(shù)void InitLCD() /LCD初始化LCDReset();InputMode(0x06); /增量方式，不移位DispControl(0x0c);/顯示開，光標關，閃爍關FunctionSet(0x38);/8位，2行，57/* 主程序 */main() int Fm=0; /偏差判別式 cstep=abs(Xe)+abs(Ye); /走的總步數(shù) InitLCD(); /液晶初始化 XOY=pdxoy(Xe,Ye); /XOY為象限值 while(1) /液晶顯示DIR：（direction標志） DispCharacter(0,1,D);DispCharacter(0,2,I);DispCharacter(0,3,R);DispCharacter(0,4,:); if(K1=0) /判斷按鍵是否按下 while(cstep!=0) /當步數(shù)不為零時執(zhí)行程序，為零時停止 if(Fm>=0) /偏差判別 if(XOY=1) | (XOY=4) /判別是否為第1或第四象限 ZF=1; /方向標志位 else ZF=2; Fm=Fm-abs(Ye);/更新偏差判別式else if(XOY=1) | (XOY=2) ZF=3; else ZF=4; Fm=Fm+abs(Xe);switch(ZF) /判斷不同方向標志位執(zhí)行不同結果 case 1: YZstep(); /Y正軸走步if(M=16 | M=17) /*此判斷與液晶顯示有關，若第一行顯示滿，則換行顯示，顯示方向，即四種情況：X，-X，Y，-Y*/ DispCharacter(1,MM+,X); else DispCharacter(0,M+,X); break;case 2: YFstep(); /Y反軸走步 if(M>=16) DispCharacter(1,MM+,-); DispCharacter(1,MM+,X); else DispCharacter(0,M+,-); DispCharacter(0,M+,X); break; case 3: XZstep(); /X正軸走步if(M=16 | M=17) DispCharacter(1,MM+,Y); else DispCharacter(0,M+,Y); break; case 4: XFstep();/X反軸走步 if(M=16 | M=17) DispCharacter(1,MM+,-); DispCharacter(1,MM+,Y);else DispCharacter(0,M+,-); DispCharacter(0,M+,Y);break; delay(200); cstep-; int abs(int x) /取絕對值函數(shù) if(x<0) x=-x; return(x);void delay(uint t) /延時函數(shù) uint k; while(t-) for(k=0; k<125; k+); /*步進電機X正轉*/void XZstep() uchar i,j; for(j=0;j<64;j+)/該電機為減速電機，減速為64:1 for (i=0; i<8; i+) /一個周期轉45度 P1 = FFWi; /順序取數(shù)據 delay(1); /調節(jié)轉速 /*步進電機Y正轉*/void YZstep() uchar i,j; for(j=0;j<64;j+) for (i=0; i<8; i+) /一個周期轉45度 P1 = REVi; /取數(shù)據 delay(1); /調節(jié)轉速 /*步進電機X反轉*/void XFstep() uchar i,j; for(j=0;j<64;j+) for (i=0; i<8; i+) /一個周期轉45度 P1 = FFWi; /取數(shù)據 delay(1); /調節(jié)轉速 /*步進電機Y反轉*/void YFstep() uchar i,j; for(j=0;j<64;j+) for (i=0; i<8; i+) /一個周期轉45度 P1 = REVi; /取數(shù)據 delay(1); /調節(jié)轉速 int pdxoy(int x,int y)/判斷位于那一象限int h;if(x>0 && y>0) h=1; elseif(x>0 && y<0) h=3; elseif(x<0 && y>0) h=2; else h=4; return(h);