Управление шаговым двигателем с помощью микроконтроллера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский областной государственный колледж

Министерство образования Московской области

Отделение технических специальностей

Специальность: «Автоматические системы управления»

Курсовой проект

По дисциплине: «Микросхемотехника»

Управление шаговым двигателем с помощью микроконтроллера

Выполнил:

студент гр. 4АСУ/10

Филиппов А.

Руководитель проекта:

Подобедов В.В.

г. Раменское 2013 г.

Оглавление

микросхема плата радиоэлемент

Введение

1. Описание структурной схемы

2. Описание конструкции

3. Расчетная часть

3.1 Расчет схемы

3.2 Расчет надежности радиоэлементов в схеме

4. Разработка и метод изготовления печатных плат

5. Изготовление устройства для управления шаговым двигателем с помощью микроконтроллера

6. Техника безопасности

6.1 Основные требования техники безопасности при работе на станках

6.2 Основные требования по технике безопасности при химической обработке металлов

6.3 Основные требования по технике безопасности при проведении электромонтажных работ

7. Описание электрической принципиальной схемы

7.1 Цоколёвка микросхемы142ЕН5А

7.2 Схема включения

8. Разработка программы и ее отладка

8.1 Описание принципа работы программы

Заключение

Список литературы

Введение

Шаговые двигатели находят широкое применение в различных областях. Их основное достоинство заключается в высокой точности и высокой надёжности. По этой причине они используются в точных механизмах технологического оборудования.

Шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.

Сфера применения шаговых двигателей: подача пленки и изменение масштаба изображения в камерах, факсимильные аппараты, принтерах, копировальные машины, лотки подачи и сортировщики бумаги, а также дисководы, автомобилестроение, светотехническое оборудование, теплотехника, станки с ЧПУ и т.д.

Шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми:

Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые подаются на двигатель, прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу быстрого старта/остановки/реверсирования, высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников. Однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи, возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки. Присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Применение перепрограммируемых микроконтроллеров неизбежно влечет за собой изменение в системе управления. Малые размеры корпусов различного исполнения делают микроконтроллеры пригодными для портативных устройств. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования, наличие достаточного количества портов ввода/вывода способствуют применению микроконтроллеров в различных областях.

В данном проекте используется униполярный шаговый двигатель СХД 1,8/40 и микроконтроллер ATmega 8-A.

1. Описание структурной схемы

Пульт управления (ПУ). Структурная схема данного устройства состоит из 3-х блоков, один из которых является связующим, точнее служит развязкой между блоком управления (микроконтроллером) и исполнительным механизмом (шаговым двигателем), он используется для увеличения нагрузочной способности микроконтроллера и защищает его от перегруза.

Блок управления (БУ) - реализован на микроконтроллере ATmega 8A, который работает на внутреннем тактовом генераторе на частоте 2МГц (максимальная внутренняя Данный микроконтроллер хорош и весьма производителен, но возможно и использование микроконтроллера ATtiny 2313, который уступает по характеристикам, но вполне подходит для реализации данной задачи.

В качестве исполнительного механизма (ИМ) был использован шаговый двигатель от принтера.

ПУ->БУ<->ИМ

2. Описание конструкции

Конструирование аппаратуры на микросхемах включает следующие основные этапы: создание макета печатной платы, разработку метода изготовления печатной платы, конструирование корпуса прибора, в котором должна быть размещена печатная плата. Значение этого этапа в созданий аппаратуры на микросхемах очень велико, потому что именно такие элементы конструкции как печатные платы, элементы крепления и другое, в значительной мере определяют габаритные размеры, массу, и надежность аппаратуры.

Конструкция радиоприбора является технологичной, если она, в полной мере удовлетворяет все требованиям, позволяет применять высокопроизводительные способы изготовления при минимальных затратах рабочей силы, рационально использовать производственное оборудование, материалы и значительно упростить производство. В требованиях к технологичности радиоаппаратуры, в отличии от требований к технологичности механических приборов и устройств, должны учитываться как условия производства, так и взаимодействие элементов друг с другом, характеризующиеся как статическими, так и динамическими характеристиками радиоэлементов, свойства которых обусловлены электрическими и магнитными полями.

3. Расчетная часть

3.1 Расчеты схемы

Расчёт ширины печатного проводника

Расчёт проводится по допустимой плотности тока с учётом допустимого перегрева проводника по отношению к температуре окружающей среды:, выбираем.

где а - толщина меди, мм;

tп - ширина проводника, мм.

Определение минимального расстояния между проводниками

Это расстояние определяется электрической прочностью материала платы и зависит от атмосферного давления и относительной влажности воздуха. При разработке печатной платы следует учитывать, что в нормальных условиях могут быть использованы рекомендации таблицы.

Таблица 1. Расстояния между проводниками при рабочем напряжении

Рабочее напряжение, В	500	700	800	900	1000
Расстояние между проводниками, мм	0.5	1.0	1.5	2.0	3.0

Так как наше напряжение меньше , то минимальное расстояние между проводниками 0.2 мм или можно больше.

Метод изготовления печатной платы

Соединительные проводники выполнены методом травления

Выбор материалов печатной платы

Параметры текстолита:

толщина материала 1.5 мм;

толщина меди 0,035 мм;

удельное объемное сопротивление не менее 9Ом*м;

тангенс угла диэлектрических потерь 0,07;

Расчёт ширины печатного проводника

Расчёт проводится по допустимой плотность тока с учётом допустимого перегрева проводника по отношению к температуре окружающей среды:

Проверка падения напряжения

где - длина наиболее длинного проводника, на который рассчитывается падение напряжения -0.05 м

- ширина печатного проводника - 0,8 мм

- толщина фольги - 0,035 мм

3.2 Расчет надежности радиоэлементов в схеме

Количество элементов приведено в Приложении 2.

Для того чтобы рассчитать интенсивность отказов системы воспользуемся нижеприведённой формулой:

Электролитические конденсаторы:

Керамические конденсаторы:

Резисторы:

Микросхема:

Диоды:

Транзисторы:

Провода:



Печатная плата:

Соединение пайкой:

Интенсивность отказов:

Надежность:

4. Разработка и метод изготовления печатных плат

Платы с проводниками и контактными площадками используют тогда, когда устройство предварительно хорошо отработано. В процессе настройки приходится несколько раз демонтировать отдельные детали и устанавливать другие, а печатные контактные площадки под действием многократных тепловых и механических нагрузок, как правило, отслаиваются. Поэтому на этапе отладки схемы лучше применять монтажные платы, которые являются макетом будущей печатной платы.

Для изготовления макета монтажной платы используют пластину изоляционного материала (гетинакса, текстолита и стеклотекстолита) с множеством отверстий, в которые вставляются выводы навесных радиоэлементов. Из луженного одножильного провода изготавливают проводники платы, которые соединяют между собой выводы элементов в соответствии с электрической принципиальной схемой.

В процессе изготовления плата подвергается воздействию химических реагентов: при больших размерах платы, возможно, ее коробление. Размеры и очертания печатных проводников и элементов, контактных площадок, монтажных и контактных отверстий и т.п. на чертежах печатных плат указывают с помощью координатной сетки в прямоугольной системе координат.

Правила выполнения чертежей печатных плат производится в соответствии с ГОСТ 2.417-88, таким образом, шаг сетки в двух перпендикулярных направлениях должен равняться 2.5 мм. Для особо малогабаритной аппаратуры или в исключительных, технически обоснованных случаях, допускается применение шага в 1.25 мм. Схемные детали и печатные проводники размещают на координатной сетке в соответствии с принципиальной схемой. При этом необходимо максимально использовать площадь платы и избегать пересечений.

Элементы, имеющие большие габариты следует размещать вне печатной платы, а соединение осуществлять монтажным проводом. Все навесные детали обычно располагают с одной стороны платы, а печатные проводники - с другой. На сторону печатных проводников не должны выходить крепежные детали, так как с этой стороны выполняется пайка. В ряде случаев целесообразно применить двухсторонний монтаж. Конденсаторы, резисторы, перемычки и другие навесные элементы располагают параллельно координатной сетке. Расстояние между корпусами параллельно расположенных деталей должно быть не менее 1 мм, а расстояние по торцу не менее 1.5 мм. Центры отверстий для установки навесных деталей располагаются в точках пересечения координатной сетки.

Конструирование печатной платы начинают с разработки эскиза в программе Sprint loyal, который выполняют в увеличенном масштабе. Все элементы располагают в поле чертежа и после выбора наиболее удачного расположения, наносят соединительные проводники. Печатные проводники наносят краской, лаком или специальным маркером. Последующим травлением в растворе хлорного железа удаляются медь с незащищенных участков, и на диэлектрике получается требуемая электрическая схема проводников. Подготовка поверхности к нанесению рисунка заключается в отчистке поверхности фольги.

Химический метод при сравнительно простом технологическом процесс обеспечивает высокую прочность сцепления проводников с основанием, равномерную толщину проводников и их высокую электропроводимость. В настоящее время этот метод является основным; недостатками его можно считать необходимость в цилиндрических втулках при двухстороннем монтаже и непроизвольный расход меди.

5. Изготовление устройства для управления шаговым двигателем с помощью микроконтроллера

Печатная плата изготовлена из однослойного стеклотекстолита.

Чертеж печатной платы распечатывают при неизменном масштабе и наносят на печатную плату.

Окись меди на поверхности с проводником удаляется растворителем, ластиком, кромки плат обрабатывают напильником.

Защитный слой наносится на проводник в тех местах, в которых в дальнейшем будут располагаться токопроводящие дорожки.

Травление платы производится химическим способом: раствором хлористого железа (тара под раствор должна соответствовать размерам печатной платы и быть достаточно глубокой).

Готовая плата помещается в раствор и выдерживается там, пока незащищенные участки проводника разъест, между защищенными дорожками должен быть чистый стеклотекстолит.

С поверхности образовавшихся дорожек защитный слой удаляется растворителем, промывается водой и вытирается насухо ветошью.

Облуживание токопроводящих дорожек

Высверливаются отверстия под радиоэлементы

Для удобства сначала производится монтаж мелких деталей и радиоэлементов, затем более крупных.

Проверка правильности монтажа.

Сборка корпуса.

1. Соединить БУ и ПУ.

2. Соединить БУ с ИМ.

6. Техника безопасности

Радиомонтажник, выполняя те или иные работы, должен помнить и выполнять основные правила техники безопасности. Знание этих правил так организовать свой труд, чтобы исключить или сделать минимальным воздействие неблагоприятных факторов в отношении себя и окружающих. Прежде всего, следует соблюдать особую осторожность при работе со станком, при работе с паяльником, с горючими и легковоспламеняющимися жидкостями и токсичными веществами.

6.1 Основные требования по технике безопасности при работе на станках

При производстве радиоэлектронной аппаратуры широко используется изоляционные материалы (гетинакс, текстолит и стеклотекстолит), в процессе механической обработки, после которой образуется много пыли, и выделяются газообразные продукты разложения материала. Поэтому станки должны быть оборудованы вытяжкой (вентиляцией). Полностью устранить вредное воздействие слоистых изоляционных материалов при механической обработке можно путем полной автоматизации процесс изготовления изоляционных материалов.

Перед началом работ на сверлильном станке следует проверить его заземление и работу на холостом ходу. Установку сверла необходимо производить после полной остановки станка. Запрещается прикасаться к сверлу, патрону и шпинделю до полной остановки станка. Удалять стружку следует только после полной остановки, но не руками, а щеткой. Работать на станке следует в спецодежде (халат) и защитных очках.

Запрещается работать в перчатках или с забинтованными пальцами без резиновых напальчников.

После окончания работы необходимо выключить станок и отчистить его щеткой от пыли и отходов.

6.2 Основные требования по технике безопасности при химической обработке металлов

При химической обработке металлов (травлении) используют следующий ряд травителей: хлорное железо, персульфат аммония, хлорная медь, хромовый ангидрид с серной кислотой и другие токсичные вещества. В процессе травления печатной платы для управления шаговым двигателем с помощью микроконтроллера использовалось хлорное железо. Работу с травителями следует проводить в спецодежде (халат из плотной ткани, резиновые перчатки, защитные очки).

Погружать в раствор и вынимать из раствора изделие следует при помощи специальных приспособлений или инструмента (например: пинцета) или можно руками. При химических ожогах кожи пораженное место следует сильной струей проточной воды, чтобы окончательно нейтрализовать действие химического вещества.

Процесс травления должен, проводится, в помещениях с вентиляцией, так как все вещества, используемые в процессе травления очень токсичны.

6.3 Основные требования по технике безопасности при проведении электромонтажных работ

Перед началом работы необходимо проверить исправность инструментов и приспособлений, надежность заземления паяльника.

Стержень паяльника не должен качаться, его ручка не должна иметь трещин, а шнур не должен иметь повреждений в изоляции. Кроме того, паяльник следует держать на металлической или теплостойкой пластине либо в специально оборудованном для него месте. При работе с паяльником необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать ожогов.

При монтаже электрических схем запрещается:

Проверять на ощупь наличие напряжения и нагрев токоведущих частей схемы;

Применять для соединений провода с поврежденной изоляцией;

Производить пайку и установку деталей в оборудовании, находящемся под напряжением;

Измерять напряжение и токи переносными приборами с неизолированными проводами и щупами;

Во время электромонтажных работ используются припой и флюсы. В связи с тем, что в состав припоев входит свинец, необходимо использование защитных мер для предотвращения отравления организма, вызывающего изменение в нервной системе, крови и сосудах человека. Флюсы, применяют при пайке (канифольно-спиртовой, хлористый цинк), также являются токсичными. Так, канифоль вызывает раздражение кожи и появление сыпи, а хлористый цинк - ожог кожи и слизистой оболочки. Для предотвращения вредного воздействия все припои и флюсы должны хранится в специальной плотно закрытой таре. Рабочее место, где производится пайка должно быть оборудовано вытяжной вентиляцией, обеспечивающей концентрацию свинца в рабочей зоне не больше предельно допустимой (не более
).

Также во время электромонтажных работ используются горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, такие как спирты, бензин, бензол и ацетон, которые являются сильно летучими и их пары могут при большой концентрации предоставлять большую пожароопасность. Поэтому не следует держать на рабочем месте легковоспламеняющиеся жидкости в больших количествах. Работать необходимо в помещениях, снабженных местной вытяжной вентиляцией и противопожарными средствами (огнетушителями, песком, асбестовыми и шерстяными одеялами) в случае возгорания.

После окончания работы необходимо:

Отключить паяльник и обжигающее устройство от электросети;

Обтереть инструменты и приспособления и убрать их в отведенные для этого места (паяльник при этом должен быть холодным);

Отчистить рабочее место от припоя и канифоли, протереть влажной салфеткой поверхность стола;

Сполоснуть руки однопроцентным раствором уксусной кислоты, затем вымыть их горячей водой с мылом и прополоскать водой.

7. Описание электрической принципиальной схемы

Устройство работает автономно, используя занесенную и разработанную при помощи персонального компьютера программу. Само устройство состоит из следующих элементов:

Центральная часть устройства - микроконтроллер ATmega 8-A, работающий от внутреннего тактового генератора на частоте 8МГц.

Шаговый двигатель модели СХД 1.8/40 с напряжением питания 12В подключен к микроконтроллеру через усилительный блок, собранный на транзисторах КТ819А структуры n-p-n, возможно использование логической микросхемы К155ЛА18. Это микросхемы - повышенной мощности с открытым коллекторным выходом.

Микроконтроллер питается от встроенного блока питания, который состоит из микросхемы 142ЕН5А трехвыводного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 5 вольт. Такие стабилизаторы напряжения широко используются в радиоэлектронных устройствах в качестве источников питания логических микросхем, измерительной технике, устройствах высококачественного воспроизведения и других радиоэлектронных устройствах. Ниже приведены основные характеристики микросхемы, цоколёвка, а также схема включения.

Основные характеристики:

Допустимый выходной ток 1A

Не требуются внешние компоненты

Внутренняя термозащита

Защита выходного транзистора

Внутреннее ограничение тока К3

7.1 Цоколёвка микросхемы 142ЕН5А

1 Вход 2 Земля 3 Выход

7.2 Схема включения

Питание блока управления шаговым двигателем и шагового двигателя производится от самодельного блока питания с множеством выходных напряжений, от 1 до 30 вольт.

Резистор R1 используется для регулировки частоты вращения ротора шагового двигателя, он подключен к одному из 3 АЦП, меняя напряжение питания, мы изменяем значение числа в регистре, что в свою очередь изменяет частоту вращения ротора.

Кнопками S1 и S2, мы изменяем направление вращения шагового двигателя влево или вправо. Если одновременно нажать на две кнопки, то шаговый двигатель остановится.

Перемычкой Х1 выбирается режим вращения шагового двигателя. В данной схеме реализовано два режима, шаговый и полушаговый режимы. Если перемычка Х1 снята, то двигатель работает в шаговом режиме, а если поставлена, то в полушаговом режиме.

Кроме того, в схеме есть 4 защитных диода, которые пропускают через себя ток самоиндукции при отключении электромагнитов. В схеме использованы кремневые диоды Д522 с максимальным прямым током в 1А, также можно использовать другие диоды, которые выдерживаю ток до1A.

8. Разработка программы и ее отладка

Программа для микроконтроллера написана на языке C. Также при записи программы на микроконтроллер необходимо запрограммировать фьюзы: CKSEL0=0, CKSEL1=1, CKSEL2=0, CKSEL3=0, SUT0=0, SUT1=1, SKOPT=1.

8.1 Описание принципа работы программы

Управляющий микроконтроллер ATmega 8-A, тактируется от внутреннего тактового генератора с частотой 8 МГц. В программе используемся два внешних прерывания и прерывание по переполнению таймера Т0. Все прерывания определяем и настраиваем в главной функции, также настраиваем порты ввода/вывода микроконтроллера.

Для запуска двигателя в ту или иную сторону необходимо подать на его обмотки последовательность импульсов сдвинутых по фазе. Эти последовательности импульсов определим в массивах “cw_dir[]” и “ccw_dir[]”, соответственно по часовой стрелке и против часовой стрелки. Указатель направления вращения “status” меняет свое состояние с лог. 0 на лог. 1 и наоборот при нажатии на одну из кнопок S1 и S2. Если “status==1”, то ротор двигатель вращается против часовой стрелки, если “status==0” ротор двигателя вращается по часовой стрелке. Переменная “status” меняет свое значение при наступлении внешних прерываний на входах INT0и INT1.

Сигналы управления обмотками двигателя формируются на портах PB0 - PB3 программно. Формирование импульсных последовательностей выполняется в обработке прерывания таймера Т0. Переключение фаз происходить только при переполнении программного таймера. Переменная “ovftimes” определяет величину задержки между чередованиями импульсов. Ее значение связано со значением АЦП, чем больше значение АЦП, тем медленнее вращается ротор двигателя и наоборот. Регулировка скорости вращения ротора двигателя осуществляется переменным резистором R1, средний вывод которого подключен к каналу ADC0.

Заключение

В результате проделанной курсовой работы было разработано микропроцессорное устройство управления шаговым двигателем. Также в работе производится разработка электрической принципиальной схемы устройства управления шаговыми двигателями и расчет всех составляющих элементов. На основе этого составлена печатная плата устройства с описанием установки элементов.

Все это позволило познакомиться с организацией и основными этапами проектирования электронных устройств, усвоить основные понятия и термины, относящиеся к проектированию, закрепить и углубить знание методов расчета электронных цепей, познакомиться с элементной базой и получить представление о способах компоновки элементов.

Список литературы

1. Программа Sprint Loyal.

2. Белов, А.В. Создаём устройства на микроконтроллерах.

3. Дубровский, А.В. Допуски, посадки и технические измерения в машиностроении.

4. Кацман, М.М. Электрические машины приборных устройств и средств автоматизации.

5. Григорян, С.Г. Устройства и системы автоматизации в вычислительной технике.

6. http://radioparty.ru/.

7. http://www.radiokot.ru/.

Размещено на Allbest.ru

...