Файл: Разработка микроконтроллерного устройства управления шаговым двигателем с режимом микрошага.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«Самарский национальный исследовательский университет

имени академика С.П. Королева»

Институт информатики, математики и электроники

Факультет электроники и приборостроения

Кафедра конструирования и технологии электронных систем и устройств

Задание на курсовую работу

по дисциплине
Микропроцессорная техника

Студенту ______. группы

1. Тема: Разработка микроконтроллерного устройства управления шаговым двигателем с режимом микрошага утверждена приказом по университету от «____»______________20___ г. №____

2. Исходные данные к ВКР: 2.1. Диапазон измеряемых давлений 0.2 – 1.3атм 2.2. Группа РЭС-8. 2.3. Питание – сеть 27 В. 2.4. Габариты – не более 200х200х100. 2.5. Масса – не более 5кг. 2.6. Программа выпуска – единичное. 2.7. Среднее время наработки до отказа 5 лет и более. 2.8. Вероятность безотказной работы – 0,97 и более.

3. Задачи, решаемые в курсовом проекте:



должность, степень подпись И.О.Фамилия
6. Дата выдачи задания: «____»_______________20___ г.

7. Срок представления на кафедру законченной ВКР: «____»___________20__г.
Руководитель ВКР

Калаев М.П. //

должность, степень подпись И.О.Фамилия

Задание принял к исполнению __________________ //

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка: 36 страницы, 7 таблиц, 10 источников.

Графическая часть: 4 листа формата А4.
ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, РЕЖИМ МИКРОШАГА, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА, АЛГОРИТМ, ПРОГРАММА.
Цель работы – разработка микроконтроллерного устройства управления шаговым двигателем с режимом микрошага.

В процессе работы использованы пакеты прикладных программ автоматизированного проектирования, а также офисная программа для работы с текстовыми документами.

В результате работы было выбран оптимальный микроконтроллер: ATmega48-20PU. Спроектированы структурная, функциональная и принципиальная схема устройства, а также алгоритм работы устройства. Разработан программный код микроконтроллера.

---

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

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

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. Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи широтно-импульсной модуляции.

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. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования, наличие достаточного количества портов ввода/вывода способствуют применению микроконтроллеров в различных областях.

1. 
   Анализ технического задания
   

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

Микрошаговый режим – это режим, при котором происходит дробление шага большее чем 1/2 за счет получения плавно вращающегося поля статора, т.е. ток плавно снижается на одной обмотке и плавно нарастает на другой. Благодаря этому ротор шагового двигателя теоретически можно зафиксировать в любой произвольной позиции, если установить правильное отношение токов в обмотках (фазах).

---

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.

В задании на курсовой проект требуется выбрать оптимальный микроконтроллер с использованием комплексного критерия качества, провести анализ и описание характеристик выбранного микроконтроллера, спроектировать структурную, функциональную и принципиальную схему устройства, разработать программный код и алгоритм работы устройства.

В данном проекте используется униполярный шаговый двигатель NEMA 17 [2], Драйвер шагового двигателя A4983 [3] и микроконтроллер ATMega48-20PU [4].
2. Выбор оптимального микроконтроллера использованием комплексного критерия качества

При разработке устройства возникает необходимость в выборе микроконтроллера, удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д. В процессе анализа рынка микроконтроллеров из семейств HCS08, ATMegaX8, PIC и MCU.

Для сравнения семейств было выбрано 4 модели: MC908AB32MFUE (№1), ATMega48 -20PU (№2), PIC18F4520 (№3) и Z86E0612PSG (№4).

В таблице 1 приведены характеристики сравниваемых МК.

Таблица 1 - Технические характеристики сравниваемых микроконтроллеров

Название	MC908AB32MFUE	ATMega48 -20PU	PIC18F4520	Z86E0612PSG
Цена, USD.	17,99	2,78	8,54	5,05
Рабочая частота (МГц)	8	20	40	12
Flash-память (кБайт) (прог.)	32	4	32	1
Данные ОЗУ(RAM) (байт) (ном.)	512	512	1536	125
Таймеры (тип.) (8-битные)	4	2	2	1
Таймеры (тип.) (16 бит)	-	1	1	-
Ввод / вывод (высокий ток)	33	23	36	14
I2C (тип.)	1	1	1	-
SPI (тип.)	1	1	1	1
UART (тип.)	-	1	1	-
Напряжение питания (В) (мин.)	2,7	2,5	2,0	4,5
Напряжение питания (В) (макс.)	-	5,5	5,5	5,5
Рабочая температура (° C) (мин.)	-40	-40	-40	-40
Рабочая температура (° C) (макс.)	125	85	125	105

---

В качестве критерия выбора были определены следующие характеристики: тактовая частота, объем ОЗУ (RAM), размер Flash-памяти, количество линий ввода-вывода, наличие отладки и внутрисхемного программирования.

В таблице 2 приведены значения коэффициентов (весов) качества критерия выбора для микроконтроллеров.

Таблица 2 - Значения коэффициентов качества критериев выбора

Параметр	Вес параметра для микроконтроллера
Размер Flash-памяти	0,3
Количество линий ввода-вывода	0,15
Наличие отладки, внутрисхемного программирования	0,15
Тактовая частота	0,1
Объем ОЗУ (RAM)	0,3

Сравнение параметров данных устройств приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Сравнение параметров микроконтроллеров

Параметр, Единицы измерения, вес	Номер устройства	1	2	3	4
	Цена, р	17,99	2,78	8,54	5,05
Тактовая частота, Мгц, 0,1	Абсолютная величина	8	20	40	12
	Относительная величина	0,2	0,5	1	0,3
	С учётом веса	0,02	0,05	0,1	0,03
Наличие отладки, внутрисхемного программирования (Наличие=1, отсутствие=0) 0,15	Абсолютная величина	1	1	1	1
	Относительная величина	1	1	1	1
	С учётом веса	0,15	0,15	0,15	0,15
Размер Flash-памяти, Кбайт, 0,3	Абсолютная величина	32	4	32	1
	Относительная величина	1	0,125	1	0,03
	С учётом веса	0,3	0,375	0,3	0,009
Количество линий ввода-вывода, ед, 0,15	Абсолютная величина	33	23	36	14
	Относительная величина	0,92	0,64	1	0,39
	С учётом веса	0,138	0,096	0,15	0,059
Объем ОЗУ (RAM), Байт, 0,3	Абсолютная величина	512	512	1536	125
	Относительная величина	0,33	0,33	1	0,08
	С учётом веса	0,099	0,099	0,3	0,024
Коэффициент качества		0,707	0,77	1	0,272
Критерий оптимальности		25,4	3,61	8,54	18,57

---

Среди рассмотренных микроконтроллеров наблюдается отличия между соотношением коэффициента качества и критерия оптимальности, что говорит нам о большой разнице характеристик рассмотренных микроконтроллеров, а также показало, что более дорогие контроллеры не обязательно будут иметь лучшие показатели. По итогу проведения системного анализа был выбран микроконтроллер ATMega48-20PU, как самый оптимальный для работы.

ATMega48/ATMega88/ATMega168 — это малопотребляющие 8 битные КМОП микроконтроллеры с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATMega48/ATMega88/ATMega168 достигают производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.

AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

Отличительные особенности 8-ми битных AVR микроконтроллеров серии ATMega :

• 
  Высококачественный низкопотребляющий 8- битный AVR микроконтроллер
  
• 
  Передовая RISC архитектура
  
• 
  Энергонезависимая память программ и данных
  
• 
  30 команд, большинство которых выполняется за один тактовый цикл
  
• 
  Программируемый последовательный USART
  
• 
  Ведущий/ведомый SPI интерфейс
  
• 
  Пять режимов пониженного потребления: Idle, ADC Noise Reduction, Power-Save, Power-down и Standby
  
• 
  Счетчик реального времени с отдельным генератором
  

3. Анализ характеристик и описание выбранного микроконтроллера

Для выполнения данной работы решено использовать микроконтроллер ATMega48.

Таблица 4 – Технические параметры микроконтроллера ATMega48

Наименование	Характеристики
Серия	ATMegaX8
Ширина шины данных	8-бит
Тактовая частота	20 МГц
Количество входов/выходов	23
Объем памяти программ	4 Кбайт (2k x 16)
Тип памяти программ	Flash
Объем RAM	512x 8
Наличие АЦП/ЦАП	A/D 6x10b
Встроенные интерфейсы	I2C, SPI, UART/USART
Напряжение питания, В	2,7…5,5
Рабочая температура, °С	-40…+125
Корпус	DIP28
Вес, г	3,83

---