2017年步進(jìn)電機(jī)控制論文

1、<p><b>　　中文摘要</b></p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可行，因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，其在各

2、個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器,功率放大器及步進(jìn)電機(jī)等組成。采用單片機(jī)控制,用軟件代替上述步進(jìn)控制器,使得線路簡(jiǎn)單,成本低,可靠性大大增加。軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列來控制各種步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式。</p>

3、<p>　　本設(shè)計(jì)是采用STC89C51單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，通過I/O口輸出的時(shí)序方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　根據(jù)不同的需要我們可以有十個(gè)不同檔位速度的選擇，并可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。為了更顯人性化，我們加上了一個(gè)數(shù)碼管顯示，顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)，正反轉(zhuǎn)控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)A

4、BSTRACT</p><p>　　Stepper motor due to the use of the composition of the open-loop system is simple, cheap, and very practical, so it is used widely in many fields 

5、;of printer and other office automation equipment and various control device.</p><p>　　With the development of microelectronics and computer technology,the stepper motor demand grow with

6、each passing day, it is widely used in the printer, electric toys and other consumer products and CNC machines, industrial robots, medical equipment and othermechanical and electrical p

7、roducts, which are applied in various fields of the national economy. Studies of the stepping motor control system, to improve the control precision and response speed, is of great

8、 significance to energy saving etc.</p><p>　　Stepper motor is a pulse signal can be converted into mechanicalangular displacement or line displacement components, stepper motor

9、control system is composed of stepping controller composed of a power amplifier, and stepping motor. Using single chip microcomputer control, using software instead of the abo

10、ve step controller, the circuit is simple, low cost, reliability is improved greatly. Software programming flexibility to produce operation mode of different types ofstep

11、per motor excitation se</p><p>　　This design is the use of STC89C51 microcontroller to control the stepping motor, temporal side through the I/O port output 

12、wave as the control signal of step motor, the signal through the chip ULN2003 to drive the stepper motor.</p><p>　　According to different needs, we can have ten different&#

13、160;gear speed selection, and the realization of positive inversion. In order to be more humanized, we added a digital display, display the operating state of the steppin

14、g motor.</p><p>　　Keywords: Stepping motor, single-chip microcomputer, positive inversion control,motor drive</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論4<

15、;/b></p><p>　　1.1 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展4</p><p>　　1.2 步進(jìn)電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用及前景4</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容5</p><p>　　第二章　步進(jìn)電機(jī)控制總系統(tǒng)設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1　系統(tǒng)框架6</p><p>

16、　　2.2　主控芯片選擇6</p><p>　　2.3　步進(jìn)電機(jī)的選擇7</p><p>　　2.4　電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇7</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成7</p><p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)8</p><p>　　3.

17、3.1 步進(jìn)電機(jī)的原理8</p><p>　　3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)8</p><p>　　3.2.3 步進(jìn)電機(jī)的分類9</p><p>　　3.2.4 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理9</p><p>　　3.3 單片機(jī)系統(tǒng)10</p><p>　　3.3.1 單片機(jī)的引腳功能10</p>&l

18、t;p>　　3.3.2 主要特性11</p><p>　　3.4 鍵盤控制電路13</p><p>　　3.5 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路13</p><p>　　第四章 控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1 主程序流程圖16</p><p>　　4.2 讀按鍵子程序流程圖17</

19、p><p>　　4.3 按鍵處理子程序流程圖17</p><p>　　4.4 電機(jī)控制中斷程序流程圖18</p><p>　　第五章 系統(tǒng)調(diào)試與改進(jìn)20</p><p>　　5.1 調(diào)試與改進(jìn)20</p><p>　　5.2 運(yùn)行結(jié)果20</p><p>　　第六章 總 結(jié)21

20、</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p><p><b>　　附錄 A23</b></p><p><b>　　附錄 B24</b></p><p><b>　　附錄 C25</b></p><p><

21、;b>　　致謝29</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，它是基于最基本的電磁感應(yīng)作用，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床

22、、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī)，大型望遠(yuǎn)鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)等等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時(shí)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能提出了更高的要求。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中，這被認(rèn)為最早的步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　1950年后期晶體管的發(fā)

23、明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。到20世紀(jì)60年代后期，在步進(jìn)電機(jī)本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。步進(jìn)電機(jī)往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。<

24、/p><p>　　1.2 步進(jìn)電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用及前景</p><p>　　我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的研究及制造起始于本世界50年代后期，從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。我國(guó)在文化大革命中開始大量生產(chǎn)和應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，其中的驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國(guó)產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立

25、元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。中等耐壓的大功率半導(dǎo)體器件也完全國(guó)產(chǎn)化。70年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究都有所突破，除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步以外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高的水平。70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動(dòng)機(jī)不斷被開發(fā)。至80年代中期以來，由于步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。</p>

26、;<p>　　國(guó)外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)上，目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)閺尿?qū)動(dòng)電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對(duì)速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動(dòng)機(jī)，加電動(dòng)機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。一些少數(shù)高級(jí)的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。國(guó)外在小功率的場(chǎng)合，還使用步進(jìn)電機(jī)，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動(dòng)柜員機(jī)。國(guó)內(nèi)過去是用大力矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實(shí)力

27、的公司現(xiàn)在也采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動(dòng)設(shè)備的主要差距，是國(guó)外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部。</p><p>　　目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電

28、機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，采用的方法是利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一

29、個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級(jí)別。另外通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%

30、)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的目的是以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出一個(gè)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用STC89C51作為控制單元，通過鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)顯示在數(shù)碼管上。</p><p><b>　　主要實(shí)現(xiàn)功能：</b></p><p>　?。?）、5個(gè)按鍵

31、控制整個(gè)電路，對(duì)應(yīng)功能分別是：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位、速度加、速度減；</p><p>　?。?）、數(shù)碼管顯示電機(jī)運(yùn)行速度的檔數(shù)和正反轉(zhuǎn)的指示；</p><p>　?。?）、5個(gè)小紅燈，一個(gè)為電源指示，四個(gè)指示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　第二章　步進(jìn)電機(jī)控制總系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1　系統(tǒng)框架</b>

32、</p><p>　　硬件主要以單片機(jī)為核心，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，通過軟件和硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能，并且步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示。主要通過三大塊來設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分是設(shè)計(jì)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 總體設(shè)

33、計(jì)框圖</p><p>　　2.2　主控芯片選擇</p><p>　　單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。</p><p>　　通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)

34、備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。</p><p>　　從控制系統(tǒng)的大小和復(fù)雜度出發(fā)，必須考慮單片機(jī)的基本參數(shù)和增強(qiáng)功能。前者往往需要考慮芯片的速度，ROM容量，I/O引腳數(shù)量和工作電壓(1.8V/3V/5V)等，后者則包括是否擁有看門狗，雙指針，雙串口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，CAN接口，SPI接口，USB接口等附加模塊。本設(shè)計(jì)中受控對(duì)象只有超聲波、聲光報(bào)警，復(fù)雜度低，采用低端的通用的單片機(jī)芯片就能夠滿足要求。</

35、p><p>　　從容易學(xué)習(xí)掌握的角度出發(fā)，要求所選單片機(jī)支持簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語言，并且擁有軟件支持的良好編程環(huán)境。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)有豐富的資料支持，包括詳盡的芯片說明書，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序等。</p><p>　　從工作可靠性的角度出發(fā)，要求所選芯片有較寬工作溫度范圍，較低的功耗和一定的抗干擾能力。按適用的工作溫度分，常用單片機(jī)芯片可分為商用級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)，這里選擇一般的商用機(jī)即可。在功

36、耗和抗干擾方面，本控制系統(tǒng)的要求都不高，一般的單片機(jī)芯片都能滿足要求。</p><p>　　綜上所述，本系統(tǒng)選擇STC89C51單片機(jī)作為主控芯片。足夠本設(shè)計(jì)運(yùn)行，且價(jià)格便宜，下載程序方便。</p><p>　　2.3　步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信

37、號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。</p><p>　　正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。 </p>

38、<p>　　系統(tǒng)是單片機(jī)控制，整個(gè)設(shè)計(jì)的電壓是5v，所以電機(jī)的電壓也要選擇5v可以驅(qū)動(dòng)的，所以本實(shí)驗(yàn)選擇28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)作為設(shè)計(jì)對(duì)象，步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒

39、距。</p><p>　　2.4　電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇</p><p>　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要將單片機(jī)發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，我們?cè)谶@里采用ULN2003為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號(hào)。ULN2003七NPN達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的

40、理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。ULN2003的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成</p><p>　　以51單片機(jī)為核心處理器、單片機(jī)作為主控制器，DC-5V步進(jìn)電機(jī)，集成芯片ULN2003作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。五個(gè)按鍵

41、輸入，對(duì)應(yīng)功能分別是：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位、速度加、速度減；LED數(shù)碼管顯示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，同時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行速度的檔數(shù)；5個(gè)小紅燈一個(gè)為電源指示，四個(gè)指示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)

42、動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣?！?lt;/p><p>　　使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，單路電脈沖信號(hào)可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。</p><p>　　正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的

43、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。</p><p>　　3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的原理</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱PM）和

44、混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱HB）。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：</p><p><b>　　1.控制換相順序</b></p><p>　　通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)

45、電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳—B—C—D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。</p><p>　　2.控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向</p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 </p><p>　　3.控制步進(jìn)電機(jī)的速度 </p><p>　　如果給步進(jìn)電機(jī)

46、發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。</p><p>　　3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　1. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。</p><p>　　2. 步進(jìn)電機(jī)外表不

47、允許較高的溫度。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。</p><p>　　3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。</p><

48、p>　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　4. 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。</p><p>　　5. 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉

49、環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　6. 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。</p><p>　　7. 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。</p><p>　　8. 步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。</p><p>　　9. 步進(jìn)

50、電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。</p><p>　　10. 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。</p><p>　　3.2.3

51、 步進(jìn)電機(jī)的分類</p><p>　　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。</p><p>　　1. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。</p><p

52、>　　2. 永磁式步進(jìn)電機(jī)：一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；</p><p>　　3. 混合式步進(jìn)電機(jī)：是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，性能最好。</p><p>　　3.2.4 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理</p><p>　　在本

53、設(shè)計(jì)以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。其接線圖如圖2.1所示: </p><p>　　圖3-1 永磁步進(jìn)電機(jī)接線圖</p><p>　　從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有 5根引出線。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM 端標(biāo)識(shí)為C，只要 AC、BC或/AC、/BC，輪流加電就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，加電的方式可以

54、有多種，如果將 COM 端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管） ，將 A、B或/A、/B輪流接地。</p><p>　　不難設(shè)計(jì)出控制電路，因其工作電壓為 12V，因此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器（這里用ULN2003，關(guān)于ULN2003將在后面介紹）作為驅(qū)動(dòng)，通過 P1.0、 P1.3來控制各線圈的接通與切斷。開機(jī)時(shí)，P1.0、 P1.3均為高電平，依次將 P1.0、 P1.2 （或P1.1、 P1.3反向）

55、切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間。改變轉(zhuǎn)速，只要改變 P1.0、 P1.2 （或P1.1、 P1.3反向）輪流變低電平的時(shí)間即可達(dá)到要求，因?yàn)椴粫?huì)影響到其他功能的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)間可以用延時(shí)來實(shí)現(xiàn)，。這里以定時(shí)的方式來實(shí)現(xiàn)。下面首先計(jì)算一下定時(shí)時(shí)間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn)/分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 7.5，即每 48 個(gè)脈沖為 1 周，即在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為960脈沖/分，相當(dāng)

56、于 62.5ms/脈沖。而在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 100轉(zhuǎn)/分，即 48000 脈沖/分，相當(dāng)于 12.5ms/脈沖。</p><p><b>　　3.3 單片機(jī)系統(tǒng)</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用STC89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片．STC89C51的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS5l系列單片機(jī)的

57、所有功能。STC89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 （FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。</p><p>　　圖3-2 單片機(jī)引腳圖</p><p&g

58、t;　　3.3.1 單片機(jī)的引腳功能</p><p>　?。?）VCC（40）：電源+5V。</p><p>　　（2）VSS（20）：接地，也就是GND。</p><p>　?。?）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須有脈沖信號(hào)才能工作，在它的內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶

59、振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時(shí)，需在XTL2上加外部時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　（4）PSEN（29）：片外ROM選通信號(hào)，低電平有效。</p><p>　?。?）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號(hào)輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。</p><p>　?。?）RST/VPD（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端/備用電源輸入端。</p>&l

60、t;p>　?。?）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇端。</p><p>　　（8）P0口（39-32）：雙向I/O口。</p><p>　?。?）P1口（1-8）：準(zhǔn)雙向通用I/0口。</p><p>　?。?0）P2口（21-28）：準(zhǔn)雙向I/0口。</p><p>　　3.3.2 主要特性</p><p

61、>　　與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 </p><p>　　（ P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一

62、次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。    P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于

63、內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。    P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在

64、給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

65、 P3口管腳備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃

66、爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。    RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每

67、當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。    /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選</p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。   

68、; XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p><b>　　3、I/O口引腳：</b></p><p>　　a：P0口，雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用；</p><p>　　b：P1口，8位準(zhǔn)雙向I/O口；</p><p>　　c：P2口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線

69、（高8位）復(fù)用；</p><p>　　d：P3口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口。</p><p>　　4、振蕩器特性：    XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無

70、任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　在功能上，MCS-51系列單片機(jī)有基本型和增強(qiáng)型兩類，它們以芯片型號(hào)的末位數(shù)字來區(qū)分。即“1”為基本型，“2”為增強(qiáng)型。 </p><p>　　在MCS-51系列單片機(jī)中，我們以8051為例，來介紹其結(jié)構(gòu)及功能。8051單片機(jī)的內(nèi)部功能框圖如圖2.3示：</p><p>　　圖3-3 MCS-51系

71、列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.4 鍵盤控制電路</p><p>　　鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實(shí)質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。</p><p>　　一個(gè)電壓信號(hào)在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程中，都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般為5—10ms；兩次抖動(dòng)之

72、間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時(shí)間由按鍵動(dòng)作所決定；第一次抖動(dòng)前和第二次抖動(dòng)后為斷開狀態(tài)。</p><p>　　按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對(duì)輸出電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計(jì)中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個(gè)按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時(shí)，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。</

73、p><p>　　為了確保單片機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。消除按鍵抖動(dòng)通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡(jiǎn)單。其原理是在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。其原理圖如圖2.2所示:</

74、p><p>　　圖3-4 鍵盤控制模塊原理圖</p><p>　　3.5 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路</p><p>　　數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管：按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極

75、數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相

76、應(yīng)字段就不亮。由于它的價(jià)格便宜使用簡(jiǎn)單在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。本設(shè)計(jì)采用共陽極數(shù)碼管來顯示時(shí)間，利用三極管的開關(guān)作用驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。</p><p>　　圖3-5 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路</p><p>　　3.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要將單片機(jī)發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，我們

77、在這里采用ULN2003為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號(hào)。ULN2003七NPN達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。ULN2003的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。它的管腳連接圖如圖2.5所示:</p><p>　　圖3-6

78、 ULN2003管腳連接圖</p><p><b>　　其主要特性為：</b></p><p>　　表3-1 ULN2003主要特性表</p><p>　　極限值（若無其他規(guī)定，Tamb=25℃）</p><p>　　ULN2003芯片概述與特點(diǎn)：</p><p>　　ULN2003芯片是高耐壓、

79、大電流達(dá)林頓陣列，由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅(qū)動(dòng)各種類型的負(fù)載。功率驅(qū)動(dòng)電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個(gè)重要組成部分。ULN2003芯片高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品屬于可控大功率器件。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工作過程是：首先從P1口輸出00000001B，

80、由于單片機(jī)與ULN2003連接只用到了P2.4—P2.7，所以ULN2003與單片機(jī)連接的四個(gè)管腳中每時(shí)刻只有一個(gè)管腳處于導(dǎo)通狀態(tài)（采用單拍方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制），其他管腳處于斷開狀態(tài)。這樣就使得與ULN2003連接的步進(jìn)電機(jī)只有一個(gè)引出端導(dǎo)通。該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3-7所示:</p><p>　　圖3-7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖</p><p>　　第四章 控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)</p

81、><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件需要同時(shí)完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、控制數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測(cè)按鍵動(dòng)作是否發(fā)生，若有按鍵動(dòng)作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)鍵盤的實(shí)時(shí)處理功能。定時(shí)器0中斷服務(wù)程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)：根據(jù)當(dāng)前顯示的速度進(jìn)行鍵盤手動(dòng)改變T0定時(shí)時(shí)間常數(shù)，設(shè)

82、置TH0和TL0的值，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速精確控制的目的；根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制位的值，控制脈沖信號(hào)循環(huán)移動(dòng)的方向，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制的目的。</p><p>　　4.1 主程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)分為電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)、電機(jī)加速與電機(jī)減速的幾部分組成，其主程序框圖如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖</p>&l

83、t;p>　　4.2 讀按鍵子程序流程圖</p><p>　　按鍵采用掃描的方法，與初始值比較，相等則說明沒有鍵按下，不相等則軟件消抖，以便確認(rèn)是否真的有鍵按下。延時(shí)10ms后再次掃描，第二次與初始值比較，若相等則表明前一次比較不相等是由抖動(dòng)產(chǎn)生；如果相等則表明確實(shí)有鍵按下。執(zhí)行鍵盤之程序里的指令，將相應(yīng)的變量值改變，為鍵盤處理子程序做準(zhǔn)備。如圖4-2所示:</p><p>　　圖4-

84、2 掃描鍵盤字程序流程圖</p><p>　　4.3 按鍵處理子程序流程圖</p><p>　　按鍵處理子程序流程圖如圖4-3所示：</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂仆ㄟ^啟停定時(shí)器T0來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槎〞r(shí)器T0控制著脈沖信號(hào)的輸出，關(guān)閉定時(shí)器T0也就阻止了脈沖信號(hào)的輸出。</p><p>　　圖4-3鍵盤處理子程序流程圖</p>

85、;<p>　　4.4 電機(jī)控制中斷程序流程圖</p><p>　　定時(shí)器中斷0服務(wù)程序流程圖如圖4-4所示:</p><p>　　定時(shí)器中斷0服務(wù)程序的中斷時(shí)間由當(dāng)前的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。進(jìn)入中斷程序后，首先要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，再根據(jù)當(dāng)前值設(shè)置TH0和TL0的值。然后判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制位的值，最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，返回，等待下次中斷。</p><p>　　通過用當(dāng)前轉(zhuǎn)速控制中斷時(shí)

86、間，控制了脈沖的輸出頻率，也就到達(dá)了控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的目的；通過檢測(cè)方向控制位的電平，控制了步進(jìn)電機(jī)各引出端的接通順序，也就到實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。</p><p>　　圖3.4 定時(shí)器中斷0服務(wù)程序流程圖</p><p>　　第五章 系統(tǒng)調(diào)試與改進(jìn)</p><p>　　5.1 調(diào)試與改進(jìn)</p><p>　　在系統(tǒng)完成后測(cè)試

87、系統(tǒng)，檢查硬件和軟件是否能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，并對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析，看是否能夠達(dá)到系統(tǒng)創(chuàng)作之初所設(shè)想的效果，如達(dá)不到則重新修改系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)或者修改軟件的程序部分，直到達(dá)到設(shè)計(jì)需要為止。</p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為：首先從整體上劃分出各功能模塊，然后硬件和軟件同時(shí)進(jìn)行依次完成各個(gè)功能模塊，最后將各個(gè)模塊聯(lián)系起來完成整個(gè)系統(tǒng)。</p><p>　　在硬件調(diào)試的過程中，遇到了很多問題

88、。主要有：</p><p>　　1. 確定步進(jìn)電機(jī)的使用方法，和控制模式。此處尤為重要，這是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是確定軟件是否能控制步進(jìn)電機(jī)思路的開端。</p><p>　　2. 單片機(jī)應(yīng)用(電源)注意事項(xiàng):在電源兩端應(yīng)該加一個(gè)47uF以上的電解電容和一個(gè)0.1uF的小電容，進(jìn)行電源去藕濾波。</p><p>　　3.電機(jī)檔位切換時(shí)，轉(zhuǎn)速不明顯，應(yīng)當(dāng)對(duì)每個(gè)檔位中斷的二

89、維數(shù)組值改變大點(diǎn)。</p><p>　　軟件測(cè)試的時(shí)候也有些問題，主要有：</p><p>　　1.軟件去抖方式，和時(shí)間的控制。</p><p>　　2.控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的程序段完成后，調(diào)試發(fā)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度的控制范圍過小，查閱資料后發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)思路不太合理，原先的設(shè)計(jì)思路是用主程序控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用延時(shí)方式控制步進(jìn)電機(jī)速度，由定時(shí)器處理鍵盤；改進(jìn)程序，主程序用來處

90、理鍵盤，由定時(shí)器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度由定時(shí)器定時(shí)時(shí)間決定。問題得到解決，不僅擴(kuò)大了步進(jìn)電機(jī)速度的控制范圍，也使得單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度的控制更加精確。</p><p>　　由于編譯只能檢查是否存在語法錯(cuò)誤，所以還要看是否存在邏輯錯(cuò)誤。程序修改好以后，當(dāng)顯示編譯0錯(cuò)誤，0警告的時(shí)候，這說明已經(jīng)沒有語法錯(cuò)誤了，是否有邏輯錯(cuò)誤還要看接上電路板通過仿真以后，步進(jìn)電機(jī)能否正常轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示是否正常。</p&g

91、t;<p><b>　　5.2 運(yùn)行結(jié)果</b></p><p>　　進(jìn)電機(jī)一開始不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，以為是電路焊接有問題，為了防止再次出現(xiàn)虛焊，首先將電路板用萬用表檢查了一遍，沒問題。程序也是正確的。后來仔細(xì)看了步進(jìn)電機(jī)工作原理，原來步進(jìn)電機(jī)要正常實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，四個(gè)相序必須弄清。把電機(jī)接上電源，用高電平分別接觸電機(jī)的引線，每接觸一下電機(jī)就會(huì)向前或向后轉(zhuǎn)動(dòng)一下，經(jīng)過幾次試驗(yàn)，終于搞清

92、了電機(jī)的四個(gè)相序，排列順序分別是1—A，2—C，3—B，4—D。弄清了相序，把電路板重新布線，焊接好，結(jié)果電機(jī)能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)了。</p><p><b>　　第六章 總 結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)，經(jīng)過近兩個(gè)月的努力，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)告一段落。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分：</p><

93、;p>　　硬件設(shè)計(jì)主要是把單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼顯示模塊、測(cè)速模塊各個(gè)硬件功能模塊及其它元件合理搭配并連接起來使其能夠?yàn)檐浖\(yùn)行提供一個(gè)硬件平臺(tái)。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)主要是通過編寫程序代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。在系統(tǒng)上電復(fù)位后程序自動(dòng)運(yùn)行，通過接受外部的鍵盤操作修改系統(tǒng)參數(shù)值，控制步進(jìn)電機(jī)的啟停，以及轉(zhuǎn)速的增減和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變；定時(shí)器T0根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)

94、動(dòng)；實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的動(dòng)態(tài)顯示。</p><p>　　本系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用功能,兩片單片機(jī)分別實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制和測(cè)速，能基本符合實(shí)際應(yīng)用需求，本次設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)時(shí)間較短，個(gè)人能力以及精力等因素的限制，加之設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足，該系統(tǒng)還有許多不盡如人意的地方。該系統(tǒng)未能完全的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的所有功能。如：利用鍵盤輸入轉(zhuǎn)速值實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，動(dòng)態(tài)設(shè)置最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速等。</p><p>　　在把理論設(shè)計(jì)

95、轉(zhuǎn)換成實(shí)物的整個(gè)過程，如：電路設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、畫電路圖、焊接電路、檢查調(diào)試、軟件流程控制設(shè)計(jì)分析、編寫調(diào)試軟件、燒寫軟件到整個(gè)軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試，最后直到系統(tǒng)完成。其中整個(gè)系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備是首先必須做到位的，如控制什么、用什么控制、得到什么結(jié)果，進(jìn)而對(duì)各部分應(yīng)選擇具體的芯片作進(jìn)一步的考慮，以使系統(tǒng)得到最優(yōu)的表現(xiàn)。</p><p>　　通過本課題，一方面我在查閱資料的基礎(chǔ)上，了解STC89C51單片機(jī)控制的一些基本技術(shù)

96、，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實(shí)現(xiàn)方法,能對(duì)單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)與掌握；另一方面，在設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，控制程序和相應(yīng)的電路圖時(shí)，應(yīng)充分運(yùn)用說學(xué)知識(shí)，善于思考，琢磨，分析。</p><p>　　我們的學(xué)習(xí)不但要立足于書本，以解決理論和實(shí)際教學(xué)中的實(shí)際問題為目的，還要以實(shí)踐相結(jié)合，理論問題即實(shí)踐課題，解決問題即課程研究，學(xué)生自己就是一個(gè)專家，通過自己的手來解決問題比用腦子解決問題更加深刻。學(xué)習(xí)就

97、應(yīng)該采取理論與實(shí)踐結(jié)合的方式，理論的問題，也就是實(shí)踐性的課題。這種做法既有助于完成理論知識(shí)的鞏固，又有助于帶動(dòng)實(shí)踐，解決實(shí)際問題，加強(qiáng)我們的動(dòng)手能力和解決問題的能力。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 朱清慧 編著 .基于Proteus顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例.北京：清華大學(xué)出版社，2011</p><p&g

98、t;　　[2] 清華大學(xué)電子學(xué)教研組編 . 楊素行主編 . 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程 . 3版 .北京：高等教育出版社，2005</p><p>　　[3] 張亞華. 電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析與輔助設(shè)計(jì). 北京 航空工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[4] 莫正康. 電力電子應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[5] 曾曉宏. 數(shù)

99、字電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[6] 江曉安. 模擬電子技術(shù). 陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2007</p><p>　　[7]蔣輝平 周國(guó)雄. 基于Proteus的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[8]王宗培.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009&l

100、t;/p><p>　　[9]余永權(quán).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006</p><p>　　[10]陳理壁.步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2009</p><p>　　[11] 王曉明、 胡曉柏，電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2002年5月第1版：181-208</p><

101、;p>　　[12] 劉寶延、 程樹康，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) [M] .2007年11月第一版：134-167</p><p>　　[13] 史敬灼， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)[M] .2007年3月第2版：23-35</p><p>　　[14]劉國(guó)永, 陳杰平. 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì). 安徽: 安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 16 (4) : 61-63.</p

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103、;p><b>　　圖B1 系統(tǒng)仿真圖</b></p><p><b>　　附錄 C</b></p><p><b>　　源程序：</b></p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#define uchar unsigned

104、char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define led P0//數(shù)碼管段選</p><p>　　#define haha P2</p><p>　　sbit s1 = P1^0;sbit s2 = P1^1;sbit s3 = P3^0;sbit s4 = P3^1;//按

105、鍵定義,s1正轉(zhuǎn)，s2反轉(zhuǎn)，s3加1，s4減1</p><p>　　sbit wei3 = P2^3;sbit wei2 = P2^2;sbit wei1 = P2^1;sbit wei0 = P2^0;//數(shù)碼管位選定義</p><p>　　sbit a = P2^7;sbit b = P2^6;sbit c = P2^5;sbit d = P2^4;//脈沖信號(hào)輸入端定義</p&

106、gt;<p>　　uchar code display[11]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff};//共陽數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)信號(hào)0---9，不顯示</p><p>　　uchar code time_counter[10][2]={{0xda,0x1c},{0xde,0xe4},{0xe1,0xec},{0xe5,0xd4},{

107、0xe9,0xbc}, //9.7 ----1ms</p><p>　　{0xed,0xa4},{0xf1,0x8c},{0xf5,0x74},{0xf9,0x5c},{0xfc,0x18}};</p><p>　　uchar code qudong[8]={0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x90}; </p><p>　

108、　uchar num1 = 0;//控制取勵(lì)磁信號(hào)變量 </p><p>　　uchar num2 = 8;</p><p>　　uchar k=1;//加減檔位控制，1為最小檔</p><p>　　bit flag1 = 0;//初始正轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)標(biāo)志</p><p>　　uchar buf[4]={0,10,10,1};//數(shù)

109、碼管顯示緩存，正轉(zhuǎn)，不顯示，不顯示，顯示1檔位,高----低 </p><p>　　//================================定時(shí)器0/1初始化函數(shù)================================</p><p>　　void T0_T1_init()</p><p><b>　　{</b></

110、p><p>　　TMOD = 0x11;//定時(shí)器0/1均工作于方式1,16位計(jì)時(shí)方式</p><p>　　TH0 = (65536 - 4000)/256;</p><p>　　TL0 = (65536 - 4000)%256;//定時(shí)器0，定時(shí)4ms用于數(shù)碼管掃描顯示</p><p>　　TH1 = time_counter[k-1][0];

111、</p><p>　　TL1 = time_counter[k-1][1];//定時(shí)器1，定時(shí)10ms用于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制</p><p><b>　　TR0 = 1;</b></p><p><b>　　TR1 = 1;</b></p><p><b>　　ET0 = 1;</b&