畢業(yè)設(shè)計--步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p>　　編號：（ ）字 號</p><p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計</b></p><p>　　題目： </p><p>　　姓名： 學號： </p><p>

2、;　　班級： </p><p><b>　　*畢業(yè)設(shè)計任務書</b></p><p>　　任務下達日期： 2003年 12 月 30 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計日期： 2003年 12 月 30 日至 2004 年 6 月 10 日</p><p&

3、gt;　　畢業(yè)設(shè)計題目： 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計專題題目：</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：</p><p>　　1. 弄清并理解關(guān)于步進電機的工作原理、分類及特點等基本知識；</p><p>　　2. 理解有關(guān)步進電機的控制技術(shù)，并提出自己針對步進電機的控制

4、方案；</p><p>　　3. 利用Proteus仿真環(huán)境，繪制基于AT89C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)硬件原理電路；</p><p>　　4. 利用C語言編制基于AT89C51的步進電機控制軟件，實現(xiàn)步進電機速度、方向、復位、點動的計算機控制；</p><p>　　5. 搭建硬件電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能；</p><p><b>

5、　　6. 撰寫論文。</b></p><p>　　院長簽字： 指導教師簽字：</p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進電機又稱為脈動電機，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功能是將脈沖電信號變

6、換為相應的角位移或直線位移。步進電機可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速；能夠快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。它不需要變換能直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計算機控制。步進電機與其他類型電機相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點，在生產(chǎn)生活特別是精密控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。</p><p>　　步進電機不可以直接連接交流電源或直流電源，只能通過脈沖電源驅(qū)動。使用單片機對步進電機進行控制，能夠自動并精

7、確控制復雜的控制過程，使控制精度不受失步、震蕩的影響，接口電路的靈活性和通用性也大大提高，并且顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路可以很好的結(jié)合起來，系統(tǒng)交互性好。本次設(shè)計首先對步進電機和控制與驅(qū)動芯片的性能做了一個細致的了解與認識，用單片機對步進電機進行正反轉(zhuǎn)，加減速，復位和點動運行的控制，在proteus仿真環(huán)境中進行仿真，調(diào)試成功后，再進行硬件電路的焊接在包板上實現(xiàn)，將理論聯(lián)系到實踐。</p><p>　

8、　關(guān)鍵字：步進電機；單片機；驅(qū)動芯片；仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The pulse motor is also called a stepper motor , the control system is a digital actuator . Its function is converted into an

9、electric signal pulse corresponding angular displacement or linear displacement . Stepper motor speed control can be in a wide range by varying the pulse frequency ; fast start , reverse and brake . It does not transform

10、 the digital pulse signal can be directly converted to angular displacement , it is suitable for the use of microcomputer control. Stepper motor compared </p><p>　　Stepper motor can not be directly connected

11、 to AC or DC power , can only be driven by a pulsed power supply . The use of single-chip stepper motor control, can automatically and precisely control the complex control process , the control accuracy is not out of st

12、ep , the impact of the shock , the flexibility and versatility of the interface circuit is also greatly improved , and the display circuit , keyboard circuit, reset circuit and other peripheral circuits can be well combi

13、ned, system inter</p><p>　　Keywords : stepper motor; microcontroller ; driver chip; simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p

14、>　　1.1課題背景及意義1</p><p>　　1.1.1 課題的目的和意義1</p><p>　　1.1.2 國內(nèi)外對步進電機研究的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外較為常見的步進電機控制系統(tǒng)1</p><p>　　1.2.1 基于電子電路的步進電機控制系統(tǒng)1</p><p>

15、;　　1.2.2 基于PLC的控制2</p><p>　　1.2.3 基于單片機的步進電機控制3</p><p>　　1．3 論文研究的目的和內(nèi)容3</p><p>　　1．4 論文安排4</p><p><b>　　2 元器件介紹5</b></p><p><b>　　2.1

16、步進電機5</b></p><p>　　2.1.1步進電機的特點5</p><p>　　2.1.2步進電機的分類5</p><p>　　2.1.3步進電機的主要性能指標6</p><p>　　2.1.4步進電機的工作原理7</p><p>　　2.1.5本設(shè)計所選的步進電機9</p>

17、<p>　　2.2 89C51單片機10</p><p>　　2.2.1主要性能10</p><p>　　2.2.2 AT89C51的定時器結(jié)構(gòu)11</p><p>　　2.2.3系統(tǒng)端口分配14</p><p>　　2.3 L297工作原理14</p><p>　　2.4 L298簡介17&

18、lt;/p><p>　　2.5本章小結(jié)17</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計18</b></p><p>　　3.1 L297和L298組合電路18</p><p>　　3.2方案設(shè)計18</p><p>　　3.3proteus電路仿真設(shè)計20</p><p&g

19、t;　　3.3.1控制電路20</p><p>　　3.3.2驅(qū)動電路21</p><p>　　3.3.3顯示模塊21</p><p>　　3.3.4時鐘與復位部分22</p><p>　　3.3.5總體電路圖22</p><p>　　3.4 Proteus仿真結(jié)果23</p><p&g

20、t;　　3.4.1 proteus仿真步進電機正反轉(zhuǎn)23</p><p>　　3.4.2 proteus仿真步進電機加速24</p><p>　　3.4.3 proteus仿真步進電機減速26</p><p>　　3.4.4 proteus仿真步進電機單步運行28</p><p>　　3.4.5 proteus仿真步進電機復位30&

21、lt;/p><p>　　3.5本章小結(jié)30</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計31</b></p><p>　　4.1軟件設(shè)計描述31</p><p>　　4.1.1主程序的設(shè)計方案31</p><p>　　4.1.2定時中斷設(shè)計33</p><p>　　4.1

22、.3外部中斷設(shè)計33</p><p><b>　　4.2源程序33</b></p><p>　　4.3本章小結(jié)33</p><p><b>　　5 系統(tǒng)實現(xiàn)34</b></p><p>　　5.1 硬件電路的可行性實驗34</p><p>　　5.2 硬件電路的焊接

23、35</p><p>　　5.2.1錫焊工具35</p><p>　　5.2.2錫焊條件35</p><p>　　5.2.3錫焊步驟35</p><p>　　5.2.3焊接自我檢查36</p><p>　　5.3硬件調(diào)試38</p><p>　　5.4 本章小結(jié)38</p&g

24、t;<p><b>　　6總結(jié)與思考39</b></p><p><b>　　參考文獻40</b></p><p><b>　　文獻翻譯41</b></p><p><b>　　英文原文41</b></p><p><b>

25、　　中文譯文47</b></p><p><b>　　致 謝53</b></p><p><b>　　附 錄54</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題背景及意義</p><p>　　

26、1.1.1 課題的目的和意義</p><p>　　步進電機在機電一體化中是一種非常重要的執(zhí)行元件，其良好的伺服性能使得步進電機在數(shù)控領(lǐng)域被廣泛的應用，步進電機控制系統(tǒng)是控制步進電機運行的關(guān)鍵組成，它由步進電機控制器、驅(qū)動器、系統(tǒng)軟件等部件構(gòu)成，步進電機的運行狀態(tài)主要由步進電機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。步進電機可在非常廣的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，它還可以快速啟停、正反轉(zhuǎn)、自鎖等，這使得步進電機組成的開環(huán)系統(tǒng)簡單、廉

27、價、可靠。所以，它被廣泛地應用于數(shù)控機床、繪圖機、計算裝置、自動記錄儀、工人機器人、無損檢測等系統(tǒng)和裝置中。</p><p>　　步進電機與其控制驅(qū)動系統(tǒng)密不可分，當步進電機驅(qū)動器技術(shù)較為滯后時，就會使得步進電機系統(tǒng)在接近工作頻率時產(chǎn)生共振，在低速運行中平穩(wěn)性差，在高速運行中快速響應能力差，容易產(chǎn)生不同步現(xiàn)象，并且伴有震蕩和較差的矩頻特性，出現(xiàn)弊端。基于以上理論，步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計就顯得尤為重要。</p

28、><p>　　1.1.2 國內(nèi)外對步進電機研究的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢</p><p>　　步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)迅速地崛起，步進電機的應用越來越廣泛。步進電機是把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應角位移的執(zhí)行元件，它的驅(qū)動器是步進電機控制系統(tǒng)中的一部分，步進電機與其驅(qū)動器是一個不可分割的整體，步進電機的運行與驅(qū)動器密切相關(guān)，隨著晶體管技術(shù)的應用，使驅(qū)動器向小

29、型化得到了很大的發(fā)展。</p><p>　　驅(qū)動器技術(shù)在20世紀70年代進入鼎盛時期，步進電機與其相應的驅(qū)動器脫穎而出，如日本的EMP系列、美國的M系列、德國的IBS/IBC系列等。功放驅(qū)動元件除了用到晶體管以外，還用到了晶閘管，電源線路采用兩種不同電壓等級的驅(qū)動器而不再是采用單一電壓等級的驅(qū)動器。</p><p>　　隨著微電子和計算機技術(shù)的應用和發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，其驅(qū)動器

30、也在日新月異的發(fā)展完善和提高，驅(qū)動電路集成化也發(fā)展到了較高的技術(shù)水平。以美國為例，它生產(chǎn)的步進電機驅(qū)動器體積小，在功能上可驅(qū)動較大的步進電機，且工作發(fā)熱低，電機工作平穩(wěn)，可靠性高。驅(qū)動技術(shù)目前應用較多的有斬波驅(qū)動、升頻生壓驅(qū)動等。步進電機驅(qū)動技術(shù)的一個有極具發(fā)展優(yōu)勢的方向是微步驅(qū)動技術(shù)，又稱為步進電機細分驅(qū)動技術(shù)。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外較為常見的步進電機控制系統(tǒng)</p><p&g

31、t;　　在長期的步進電機發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出了多種步進電機的控制方案。</p><p>　　1.2.1 基于電子電路的步進電機控制系統(tǒng)</p><p>　　該方法采用電脈沖信號來控制步進電機，而電脈沖信號的相關(guān)變化（包括脈沖信號的產(chǎn)生、分配和放大等）則主要通過電子元器件的動作來實現(xiàn)。鑒于脈沖控制信號通常只具備很弱的驅(qū)動能力，因此系統(tǒng)中必須額外增加有功功率放大驅(qū)動電路。然后將步進電機、控制電路

32、以及功率放大驅(qū)動電路進行組合，就可以組成步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)。整部系統(tǒng)可以劃分為三大主要部分，如圖1.1所示。即：</p><p>　　1）脈沖信號的產(chǎn)生電路；2）脈沖信號的分配電路；3）實現(xiàn)功率放大功能的驅(qū)動電路。</p><p>　　圖1.1 基于電子電路的控制系統(tǒng)</p><p><b>　　優(yōu)點：</b></p><p

33、>　　這種控制方案的控制電路相對而言設(shè)計起來比較簡單，通常來講，大多數(shù)的步進電機任務都可以完成。根據(jù)實際生產(chǎn)的需要，該控制方案既可實現(xiàn)開環(huán)控制，也可實現(xiàn)閉環(huán)控制。當實現(xiàn)開環(huán)控制的時候，它的造價比較低，且設(shè)計起來非常簡單，并且平穩(wěn)性能很好，但是該系統(tǒng)此時將無法完成高精度細分。使用閉環(huán)控制的時候，可以實現(xiàn)高精度細分及其無級調(diào)速。閉環(huán)控制可以連續(xù)地通過直接或間接的方法檢測到轉(zhuǎn)子的位置及其速度，然后通過反饋環(huán)節(jié)把檢測到的信息進行反向輸送并

34、進行及時的處理，這時系統(tǒng)會自動給出脈沖鏈，通過控制信號控制步進電機的每一步運轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)只要控制策略是正確的，電機就不會發(fā)生失步現(xiàn)象。</p><p><b>　　缺點：</b></p><p>　　該控制電路的脈沖輸出頻率及其脈沖輸出數(shù)主要是通過使用一些大規(guī)模集成電路來進行控制；方案可以實現(xiàn)的功能較少；一旦控制方案需要稍加改變，就必須進行重新設(shè)計，缺乏必要的靈活性。

35、</p><p>　　1.2.2 基于PLC的控制</p><p>　　PLC是一種工用計算機，俗稱可編程控制器。它的優(yōu)點是：通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學和可靠性高。因此可以在自動控制系統(tǒng)中有著非常廣泛的應用。</p><p>　　步進電機控制系統(tǒng)的組成有以下幾個部分，即PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路。各部分功能如下：PLC主要是為控制系統(tǒng)產(chǎn)生控

36、制脈沖，調(diào)整控制脈沖頻率的強弱即可改變步進電機的轉(zhuǎn)動速度，從而控制伺服機構(gòu)的進給速度，而它所輸出的方波脈沖則可以控制步進電機的轉(zhuǎn)角進給量而控制伺服機構(gòu)的進給量；將PLC輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組是環(huán)形脈沖分配器的主要功能，它主要有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩大類，軟件環(huán)形分配器是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，硬件環(huán)形分配器則是用硬件組成的環(huán)形分配器。相對而言，硬件環(huán)形分配器的結(jié)構(gòu)比較復雜，但

37、它占用的PLC資源較少，所以目前被用在多種芯片中，相對的，軟件環(huán)形分配器則會占據(jù)較多的PLC資源，但是可以控制多相步進電機，比較適合用于大型生產(chǎn)線；步進電機功率驅(qū)動電路的主要功能就是放大PLC輸出的控制脈沖，使驅(qū)動能力增強，從而驅(qū)動步進電機[1]。</p><p>　　出于降低硬件成本的考慮，我們利用PLC的定時器產(chǎn)生速度脈沖信號，再用軟件產(chǎn)生環(huán)形脈沖信號控制步進電機，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器。但這樣的

38、組成有一個缺點，就是步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制，并且在速度較高時，相應的控制精度會降低，這是因為PLC的掃描周期通常為千分之幾秒到百分之幾秒，相應的頻率就能達到幾百赫茲[2]。</p><p>　　1.2.3 基于單片機的步進電機控制</p><p>　　將步進電機用單片機進行控制時，可以使用軟硬件相結(jié)合的控制方法。將環(huán)形分配器用軟件代替，即可實現(xiàn)對步進電機的最佳控制。步進

39、電機的各相驅(qū)動電路是使用單片機接口進行直接控制的。鑒于單片機具有非常強大的功能，我們還可以設(shè)計大量的外圍控制電路，將鍵盤作為外部中斷源，對步進電機的一系列的功能進行設(shè)置，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔位、停止等；利用單片機的軟件編程完成脈沖分配，從而實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能；使用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)[3]。</p><p>　　單片機控制的步進電機具

40、有很多優(yōu)點，以下簡單地列寫如下：</p><p>　　（1）編程使用單片機軟件，能夠自動并精確控制復雜的控制過程，從而有效控制精度不受失步、震蕩的影響；</p><p>　　（2）將環(huán)形分配器用軟件代替，然后設(shè)定單片機，可以完成同一電路控制并驅(qū)動多相步進電機的功能，使得接口電路的靈活性和通用性大大提高；</p><p>　　（2） 單片機可以使顯示電路、鍵盤電路、復

41、位電路等外圍電路很好的結(jié)合起來，使系統(tǒng)的交互性得以提高，故采用單片機完成本次設(shè)計方案。</p><p>　　1．3 論文研究的目的和內(nèi)容</p><p>　　本文的研究目的有兩個：作為一個電氣自動化學生，在日常學習過程中我總感覺到目前的教材各種知識技術(shù)太過涇渭分明，無法把一些學過的課程知識點和實踐活動有機結(jié)合起來，所以我始終希望自己的畢業(yè)設(shè)計能夠有機地把電子技術(shù)、單片機技術(shù)、電機的控制技術(shù)

42、等幾門課程綜合起來，并著力于相應的生產(chǎn)實踐；第二個目的就是運用自己所學習的知識致力于完善步進電機的控制與設(shè)計，能親自設(shè)計出來一套較簡單、經(jīng)濟、實用的硬件系統(tǒng)，且適應性強、操作方便、交互性強并且可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。出于以上兩個目的，在畢業(yè)設(shè)計的這半年多時間里，按照模塊化的思想，完成了畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容，完成了這篇論文。</p><p>　　整個論文的內(nèi)容包括：</p><p>　　1.

43、弄清并理解關(guān)于步進電機的工作原理、分類及特點等基本知識；</p><p>　　2. 理解有關(guān)步進電機的控制技術(shù)，并提出自己針對步進電機的控制方案；</p><p>　　3. 利用Proteus仿真環(huán)境，繪制基于AT89C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)硬件原理電路；</p><p>　　4. 利用C語言編制基于AT89C51的步進電機控制軟件，實現(xiàn)步進電機速度、方向、點

44、動、復位的控制；</p><p>　　5. 搭建設(shè)計模型；</p><p><b>　　6. 撰寫論文。</b></p><p><b>　　1．4 論文安排</b></p><p>　　本文開篇首先介紹了步進電機設(shè)計的背景及意義，然后介紹了步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，在此基礎(chǔ)上，提出了自己的設(shè)計目的

45、及論文任務。接著開始詳細地介紹步進電機原理、分類、控制技術(shù)及特點，然后對設(shè)計所用元器件，如AT89C51、L297、L298等進行介紹，最后用模塊化思想對所要設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分進行描述，最后對軟件設(shè)計進行闡述，并得到仿真結(jié)果，最后完成實物的焊接與調(diào)試。具體的安排如下：</p><p>　　第一章為緒論，介紹設(shè)計步進電機的背景及意義，進而介紹了步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢，又列舉了步進電機的幾種控制方案，并分析了各種

46、方案的優(yōu)勢和不足，提出了自己的設(shè)計目的和內(nèi)容；</p><p>　　第二章是對步進電機和設(shè)計所需元器件的概述，步進電機的介紹主要包括步進電機的工作原理、分類、特點，元器件則主要是AT89C51、L297、L298等，為后面的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計提供必須的理論基礎(chǔ)；</p><p>　　第三章是硬件設(shè)計部分，首先提出框架，然后根據(jù)模塊化思想對系統(tǒng)的控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部分

47、進行具體地描述；</p><p>　　第四章為軟件設(shè)計部分，分別對主程序、定時中斷、外部中斷設(shè)計進行軟件設(shè)計，通過流程圖及部分程序展現(xiàn)如何對步進電機進行控制的過程，包括中斷的優(yōu)先級等；</p><p>　　第五章是實物的焊接，整體功能的展現(xiàn)。</p><p><b>　　2 元器件介紹</b></p><p><b

48、>　　2.1步進電機</b></p><p>　　步進電機也叫脈沖電機，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。其功能是將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為相應的角位移或直線位移，即當步進驅(qū)動器接受到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個步進角。</p><p>　　步進電機的角位移量θ或線位移量s與脈沖數(shù)k成正比；它的轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f成正比。在負載范圍內(nèi)這些關(guān)系不隨電源電壓

49、、負載大小、環(huán)境條件的變化而變化?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，達到準確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)速和加速度，達到調(diào)速的目的。步進電機可以在開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)變得簡化。并且可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率加速減速；能夠快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。由于步進電機能直接接收數(shù)字量的輸入，特別適合采用單片機來進行控制。</p><p>　　2.1.1步進電機的特點</p>

50、<p>　　1. 步進電機不積累誤差，一般步進電機的精度為步進角的3%~5%；</p><p>　　2.步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在130攝氏度以上，有的甚至高達200攝氏度以上，所以步進電機外表溫度在80攝氏度到90攝氏度完全正常；</p><p

51、>　　3.步進電機的調(diào)節(jié)域非常廣，可以在很大范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，這樣一來，就可以保證在步進電機轉(zhuǎn)速很低的情況下，仍然可以獲得非常大的轉(zhuǎn)矩，因此，這個時候就可以在沒有減速器的情況下去直接的進行負載驅(qū)動[2][3]；</p><p>　　4. 當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。當步進電機的轉(zhuǎn)速若

52、高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機難以獲得較大轉(zhuǎn)矩，超載時會失步。步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降；</p><p>　　5.步進電機動態(tài)響應快，易于啟動停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和加速減速；帶慣性載荷的能力強；</p><p>　　6.通常來講，步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)主要是由步進電機和步進電機的驅(qū)動電路兩大部分組成的，不僅方便便宜，并且滿足可靠性高的優(yōu)點。同時，它也可以由一個角度反饋環(huán)

53、節(jié)構(gòu)成閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；</p><p>　　7.步進電機工作時，每相繞組按一定的規(guī)律輪流通電。步進電機的運行只能通過脈沖電源驅(qū)動，不可以直接使用交流電源或者直流電源；</p><p>　　8.步進電機的可靠性很高，這是因為與普通電機相比較，步進電機沒有電刷等，不至于造成很大損耗，從而可以大幅度地去提高軸承的使用壽命；</p><p>　　9.能源利用率低，同等功率的電

54、機，步進電機體積和重量大；</p><p>　　10.如果控制不當容易產(chǎn)生共振。</p><p>　　2.1.2步進電機的分類</p><p>　　步進電機在構(gòu)造上有三種主要類型：反應式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。下面簡要說明這三種類型的步進電機。

55、</p><p><b>　　反應式步進電機：</b></p><p>　　該種步進電機的定子上安有繞組，它的轉(zhuǎn)子材料是軟磁。此種步進電機具有很多的優(yōu)點，比如說，相對而言，它的結(jié)構(gòu)簡單、成本比較低，控制精度高，最小步距角可達1.2度；當然，它也具有很多其他方面的缺點，比如說動態(tài)性能差、效率低且發(fā)熱較為嚴重，這樣一來可靠性就難以得到必要的保證了。</p>

56、<p><b>　　永磁式步進電機：</b></p><p>　　顧名思義，永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子材料是由永磁材料制成的。此種步進電機有一個特點，就是轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)是相同的。永磁式步進電機的優(yōu)點是輸出轉(zhuǎn)矩很大，可以在沒有減速器的情況下驅(qū)動負載，并且動態(tài)性能也很好。它的缺點就是精度很差，無法實現(xiàn)高精度控制，步距角通常為15度或者7.5度。</p><p>

57、;<b>　　混合式步進電機：</b></p><p>　　混合電機就是反應式步進電機和永磁式步進電機的綜合。具體來講，就是定子有多相繞組，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成，為了提高控制的精確度，在轉(zhuǎn)子和定子上安有許多個小齒。這樣一來，它就集合了永磁式和反應式的雙重優(yōu)點，也就是說它具有輸出扭矩大，動力性能好，步距角小的優(yōu)點，但是，這也同樣使得混合式步進電機的結(jié)構(gòu)比較復雜，制造成本也比較高。</p&

58、gt;<p>　　如果我們按照定子上的繞組來劃分步進電機，則可以分為兩相、三相和五相等系列的步進電機。為了改變步進電機控制的精度和效果，我們可以給步進電機配置不同細分的驅(qū)動器。舉個例子來說，兩相的混合式步進電機，這種電機的步距角大約是每步一點八度，假如我們給該電機配置半步驅(qū)動器，那么步距角就會減少為0.9度，而配置細分驅(qū)動器時，它的步距角可以達到0.007度每微步。</p><p>　　當然，在實際

59、的生產(chǎn)生活中，往往由于一系列的影響因素，如摩擦力和制造精度等，實際的控制精度達不到理想狀態(tài)，實際精度會比較低一點。并且，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動并不能解決。</p><p>　　2.1.3步進電機的主要性能指標</p><p>　　1.步距角。步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次, 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。數(shù)控機床中常見的反應式

60、步進電機的步距角一般為。步距角越小，數(shù)控機床的控制精度越高；</p><p>　　2.矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩。矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律。最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是指步進電機在規(guī)定通電相數(shù)下矩角特性上的最大轉(zhuǎn)矩值。啟動轉(zhuǎn)矩是能夠使步進電機轉(zhuǎn)動起來的最小轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　3.啟動頻率?？蛰d時，步進電機由靜止突然啟動，并進入不丟步的

61、正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動?？蛰d啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率；</p><p>　　4.連續(xù)運行的最高工作頻率。步進電機連續(xù)運行時，它所能接受的，即保證不丟步運行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速；</p><p>　　5

62、.加減速特性。步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中, 定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。當要求步進電機啟動到大于突跳頻率的工作頻率時, 變化速度必須逐漸上升; 同樣, 從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時, 變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時間、減速時間不能過小, 否則會出現(xiàn)失步或超步。</p><p>　　2.1.4步進電機的工作原理<

63、/p><p>　　圖2.1 反應式步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　以三相反應式步進電機為例。圖2.1是反應式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個磁極，磁極上繞有繞組。兩個相對的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。</p><p>　　下面介紹反應式步進電動機單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。所謂“三相”，是指此步進電機具有三相定子繞組；“單”是指每次

64、只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個循環(huán)第四次換接重復第一次的情況。反應式步進電機的工作原理是利用了物理上的“磁通總是力圖使自己所通過的路徑的磁阻最小"所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機一步步轉(zhuǎn)動的。</p><p>　　單三拍通電方式的基本原理</p><p>　　當A相控制繞組通電，而B相和C相不通電時，由于磁通具有力圖走磁阻最小的路徑的特點，所以轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A級軸線

65、對齊。同理，當斷開A相接通B相時，轉(zhuǎn)子便按順指針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線與定子B級軸線對齊。斷開B相，接通C相，則轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與C級軸線對齊。如此按A→C→B→A……順序不斷接通和斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，如圖2.2所示。</p><p>　　(a)A相通電 (b) B相通電 (c

66、) C相通電</p><p>　　圖2.2單三拍通電方式時轉(zhuǎn)子位置</p><p>　　其轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。如上述電機通電次序改為A→B→C→A……則電機轉(zhuǎn)向相反。</p><p>　　六拍通電方式的基本原理</p><p>　　三相六拍運行的供電方式是A→AB→B→BC→C→AC→A……這時，每

67、一循環(huán)換接6次，總共有6種通電狀態(tài)，這6種通電狀態(tài)中有時只有一相繞組通電，有時有兩相繞組同時通電。圖2.3表示按這種方式對控制繞組供電時轉(zhuǎn)子位置和磁通分布的圖形。</p><p>　　開始單獨接通A相，轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A級軸線對齊，如圖2.3(a)所示。當A相和B相同時接通時，轉(zhuǎn)子的位置應當兼顧到使A、B兩對磁極所形成的兩路磁通在氣隙中所遇到的磁阻同樣程度地達到最小。這時，相鄰兩個A、B磁極與轉(zhuǎn)子齒相作用

68、的磁拉力大小相等且方向相反，使轉(zhuǎn)子處于平衡。按照這樣原則，當A相通電后轉(zhuǎn)到A、B兩相同時通電時，轉(zhuǎn)子只能按順時針方向轉(zhuǎn)過15°，如圖2.3(b)所示。這時，A級與B級對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力互相平衡。當斷開A相使B相單獨接通時，在磁拉力作用下繼續(xù)按順時針方向轉(zhuǎn)動，直到轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線與定子B級軸線對齊為止，如圖2.3(c)所示。這時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過15°。依此類推，如果下面繼續(xù)按照BC→C→AC→A……的順序換接，那么

69、步進電機就不斷地按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，當接通順序改為A→AC→C→CB→B→BA→A……時，步進電機就反方向即按順時針方向旋轉(zhuǎn)[4]。</p><p>　　(a)A相通電; (b)A、B相通電; (c)B相通電; (d)B、C相通電</p><p>　　圖2.3六拍通電方式時轉(zhuǎn)子位置</p><p>　　雙三拍通電方式的基本原理</p><p>

70、　　三相雙三拍的運行方式是按AB→BC→CA→AB……方式供電。這時，與單三拍運行時一樣，每一循環(huán)也得換接三次，總共有3種通電狀態(tài)，但不同的是每次換接都同時有兩相繞組通電，如圖2.3(b)、(d)所示，步距角為30°。</p><p>　　因此一臺步進電機可以采用不同的供電方式，步距角可以有兩種不同數(shù)值，如上面這臺三相步進電機三拍運行時步距角為30°，六拍運行時為15°。</p

71、><p>　　2.1.5本設(shè)計所選的步進電機</p><p>　　混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度，而五相步進角一般為0.72度。本設(shè)計所用的步進電機是的常州市運控電子有限公司生產(chǎn)的35BYGH 1.8°步進電機，它就是單極兩相四線的步進電機。如圖2.4所示：</p><p><b>　　圖2.4

72、 步進電機</b></p><p>　　表2.1 步進電機參數(shù)相關(guān)參數(shù)</p><p>　　步進電機機械尺寸和繞線圖如圖2.5，2.6所示 ：</p><p>　　圖2.5 步進電機機械尺寸圖</p><p>　　圖2.6 步進電機繞線圖</p><p>　　2.2 AT89C51單片機 </p>

73、;<p><b>　　AT89C51簡介</b></p><p>　　AT89C51單片機是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機，它采用 CMOS 和高密度非易失性存儲技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 兼容；片內(nèi)的Flash ROM 允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部除 CPU 外，還包括 256 字節(jié) RAM，4 個 8 位并行 I/O

74、 口，5 個中 斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，AT89C51單片機是一種功能強、 靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。</p><p>　　圖2.7 AT89C51的引腳排列</p><p><b>　　2.2.1主要性能</b></p><p>　　主要性能如下[5][6]：</p><

75、p>　　1．與MCS一5l產(chǎn)品兼容；</p><p>　　2．具有2K的可編程FLASH ROM；</p><p>　　3．耐久性：1000次寫、擦除；</p><p>　　4．2．7—6V的電壓操作范圍；</p><p>　　5．全靜態(tài)操作：0—24MHz；</p><p>　　6．兩級加密程序存儲器；<

76、/p><p>　　7．128B*8的內(nèi)部RAM；</p><p>　　8．15條可編程I／O引線；</p><p>　　9．兩個16位可編程定時器／計數(shù)器；</p><p><b>　　10．5個中斷源；</b></p><p>　　11．直接LED驅(qū)動輸出；</p><p>

77、　　12．片內(nèi)模擬比較器；</p><p>　　13．低功耗空載和掉電方式。</p><p>　　2.2.2 AT89C51的定時器結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.8所示是AT89C51的定時器的結(jié)構(gòu)圖。其中，我們可以看到有兩個單芯片的16位定時器/計數(shù)器，也就是下圖的定時器T0和定時器T1。它們實際上是一個16位的加1計數(shù)器。T0是由兩個8位的特殊功能寄存器TH0

78、和TL0所構(gòu)成得; 而T1由TH1和TL1構(gòu)成。</p><p>　　下面簡單介紹下引腳的功能。</p><p>　　圖2.8 AT89C51定時器結(jié)構(gòu)</p><p>　　每個定時器都可以有許多種的設(shè)置方式。比如用軟件定時工作方式或者是工作計數(shù)方式以及其他的一些可控的、相對靈活的方式進行設(shè)置。以上所說的這些功能都是由特殊功能寄存器TMOD和TCON來進行控制的。&

79、lt;/p><p>　　一、工作模式寄存器 TMOD</p><p>　　TMOD用于控制T0和T1的工作模式，TMOD不能位尋址，只能用字節(jié)傳送方式設(shè)置定時器的工作模式，低半字節(jié)設(shè)置T0，高半字節(jié)設(shè)置T1。</p><p>　　TMOD各位定義及具體意義如下圖2.9所示。</p><p>　　圖2.9TMOD各位定義及具體的意義</p&g

80、t;<p><b>　　1.GATE門控位</b></p><p>　　當設(shè)置GATE=0時，無論INT0（或INT1）的電平是高電平還是低電平，只要軟件將TR0（或TR1）設(shè)置為1，就可以讓計時器開始啟動了。</p><p>　　而當把GATE設(shè)置為1的時候，只有當把INT0（或INT1）的引腳設(shè)置為高電平時，再用該軟件將TR0（或TR1）設(shè)置為1，才

81、能啟動定時器。</p><p>　　2.C/T—計數(shù)器/定時器方式選擇位</p><p>　　C/T=0，設(shè)置為定時方式。定時器計數(shù)8051片內(nèi)脈沖，即對機器周期計數(shù)。 </p><p>　　C/T=1，設(shè)置為計數(shù)方式。計數(shù)器的輸入來自T0（P3.4）或T1（P3.5）端的外部脈沖。 </p><p>　　3.M1和M0—操作模式控制位

82、</p><p>　　M1和M0是操作模式控制位。它們位可形成四種編碼，對應于四種模式，00，10，01，11。</p><p>　　表2.2 M1和M0—操作模式控制位</p><p>　　二、控制器寄存器 TCON</p><p>　　TCON除可字節(jié)尋址外，各位還可位尋址。系統(tǒng)復位時，TCON的所有位被清0。 </p>&

83、lt;p>　　TCON各位定義及具體的意義歸納如圖2.10所示。</p><p>　　圖2.10 TCON各位定義及具體的意義</p><p>　　1.TF1（TCON.7) —T1溢出標志位</p><p>　　當T1溢出時，由硬件自動使中斷觸發(fā)器TF1置1，并向CPU申請中斷；當CPU響應中斷進入中斷服務程序后，TF1由硬件自動清0。TF1也可以用軟件清0

84、。</p><p>　　2.TR1(TCON.6)—T1運行控制位</p><p>　　可通過軟件置1（TR1=1）或清0（TR1=0）來啟動或關(guān)閉 T1。在程序中用指令“SETB TR1”使TR1位置1，定時器T1便開始計數(shù)。</p><p>　　3.TF0（TCON.5）-T0溢出標志</p><p>　　其同TF1的功能和操作。 <

85、;/p><p>　　4.TR0(TCON.4)—T0運行控制位</p><p>　　其功能和操作情況同TR1。</p><p>　　5.IE1，IT1，IE0，IT0（TCON.3?TCON.0）—外部中斷INT1，INT0的中斷請求和觸發(fā)控制位 </p><p><b>　　三、定時器工作模式</b></p>

86、<p>　　本實驗所搭模型中定時器工作在模式2，模式 2 的邏輯電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：</p><p>　　圖2.11 T0（或T1）模式2結(jié)構(gòu)－8位計數(shù)器</p><p>　　該模式把TL0(TL1)配置成一個可以自動重裝載的8位定時器/計數(shù)器。 </p><p>　　工作時，TL0用作8位計數(shù)器，TH0用以保存初值。 TL0計數(shù)溢出時，不僅使溢出中斷

87、標志位TF0置1，而且還自動把TH0中的內(nèi)容重新裝載到TL0中。</p><p>　　在程序初始化時，TL0和TH0由軟件賦予相同的初值。用于計數(shù)工作方式時，計數(shù)長度最大為：28=256(個外部脈沖)</p><p>　　該模式可省去軟件中重裝常數(shù)的語句，并可產(chǎn)生相當精確的定時時間，適合于作串行口波特率發(fā)生器。</p><p>　　計數(shù)工作過程：通過引腳T0（P3.

88、4）和T1（P3.5）的外部脈沖信號進行計數(shù)器的計數(shù)控制。當由落下1-0產(chǎn)生的輸入脈沖信號時計時器的值就會加1。CPU檢測到由一到零，過渡的過程大約需要2個機器周期，1/24的振蕩頻率為最大的計數(shù)頻率。</p><p>　　2.2.3系統(tǒng)端口分配</p><p>　　表2.3 AT89C51端口分配</p><p>　　2.3 L297工作原理</p>

89、<p>　　L297是意大利SGS半導體公司生產(chǎn)的步進電機專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相步進電機。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可在開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進電機繞組中的電機繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。L297 的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插 20 腳塑封封裝，其引腳見圖2.1

90、2，內(nèi)部方框見圖2.13。</p><p>　　圖2.12 L297引腳</p><p>　　圖2.13 L297內(nèi)部方框電路圖</p><p>　　在圖2.13所示的L297的內(nèi)部方框圖中。變換器是一個重要組成部分。變換器由一個三倍計算器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個基本的八格雷碼(順序如圖2.14所示)。由變換器產(chǎn)生 4個輸出信號送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏

91、輯提供禁止和 斬波器功能所需的相序。為了獲得電動機良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過 2 個PWM斬波器控制電動波器包含有一個比較器、一個觸發(fā)器和一個外部檢測電阻，如圖2.15所示，晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。每個斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié)，當負載電流提高時檢測電阻上的電壓相對提高，當電壓達到Uref時(Uref是根據(jù)峰值負載電流而定的)，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個振蕩脈沖到來、此線路的輸出(即觸發(fā)器Q輸出)是

92、一恒定速率的PWM信號，L297 的CONTROL端的輸入決定斬波器對相位線A，B，C，D或抑制線INH1 和INH2 起作用。CONTROL為高電平時，對A，B， C，D有抑制作用；為低電平時，則對抑制線INH1 和INH2 有抑制作用。</p><p>　　圖2.14 L297 變換器換出的八步雷格碼（順時針旋轉(zhuǎn)） 圖 2.15 斬波器線路</p><p>　　L297能產(chǎn)

93、生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當相序。3種方式的驅(qū)動相序都可以很容易地根據(jù)變換器輸出的格雷碼的順序產(chǎn)生，格雷碼的順序直接與四相八拍(半步方式)符合 ，只要在腳19輸入一高電平即可得到。其波形圖如圖2.16所示。</p><p>　　圖2.16 四相八拍模式波形圖</p><p>　　通過交替跳過在八步順序中的狀態(tài)就可以得到工作全步工作方式，此時需要在腳19接一個低電平，前已述及根據(jù)

94、變換器的狀態(tài)可得到四拍或者雙四拍2種工作模式，如圖2.17、2.18所示。</p><p>　　圖2.17 單四拍模式波形圖</p><p>　　圖2.18 雙四拍模式波形圖</p><p>　　2.4 L298簡介</p><p>　　L298N為SGS-THOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片(

95、Dual Full-Bridge Driver)，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動 2 個二相或 1 個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動 46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號，但在本驅(qū)動電路中用L297來提供時序信號，節(jié)省了單片機IO端口的使用。

96、L298N之接腳如圖2.19所示，Pin1和Pin15可與電流偵測用電阻連接來控制負載的電路；OUTl、OUT2 、OUT3和OUT4用來接步進電機；INPUT1到INPUT4輸入控制電機的正反轉(zhuǎn)；ENABLE則控制電機停轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2.19 L298引腳</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　

97、本章主要是對步進電機和設(shè)計所需元器件的概述，步進電機的介紹主要包括步進電機的工作原理、分類、特點，元器件則主要是89C51、L297、L298等，對包括工作引腳圖等一系列相關(guān)內(nèi)容進行了講解，為后面的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計提供必須的理論基礎(chǔ)。</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1 L297和L298組合電路</p>&l

98、t;p>　　L297 加驅(qū)動器組成的步進電機控制電路具有以下優(yōu)點：使用元件少,組件的損耗低，可靠性高體積小，軟件開發(fā)簡單,并且計算機(或單片機)硬件費用大大減少。 L297 與 L298 配合使用控制雙極步進電機工作電流可達 2.5A。圖3.1為 L297 和 L298 組成的控制驅(qū)動器的線路圖。</p><p>　　L297 的特性是只需要時鐘、方向和模式輸入信號。相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的，因此可減輕計算機(或

99、單片機)程序設(shè)計的負擔。L297 和 L298 組合控制驅(qū)動的步進電機可用于如打印機的托架位置、記錄儀的進給機構(gòu)，以及打字機、數(shù)控機床、軟盤 驅(qū)動器、機器人、繪圖機、復印機、閥門等設(shè)備和裝置。L298N就是L298的立式封裝的器件。</p><p>　　圖3.1 L297/L298典型應用電路</p><p><b>　　3.2方案設(shè)計</b></p>

100、<p>　　從系統(tǒng)的設(shè)計要求看出，系統(tǒng)的輸入量為速度、方向、復位和單步運行，速度分為加速、減速，方向分為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，信號線的開始需要六個輸入線。根據(jù)所選的四相步進電機，得出使該步進電機工作在四相八拍方式的脈沖分配表。</p><p>　　表3.1 四相八拍脈沖分配表</p><p>　　該電機共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以與單片機共用一個電源。步進電機的四相繞組控制過程如下

101、：P0.0口控制L297的方向控制端（CW/CCW），P0.1控制步進時鐘輸入端（CLOCK）。使L297輸出四相八拍工作所需的適當相序（A,B,C,D四相）。L297的四相輸出接L298的IN0---IN4，使L298的OUT0---OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動信號，驅(qū)動步進電機運行。用P1口的P1.0~P1.7控制LM016L顯示步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。</p><p>　　總體設(shè)計方案如圖3.2所示。&l

102、t;/p><p>　　圖3.2 系統(tǒng)設(shè)計總體方案</p><p>　　3.3proteus電路仿真設(shè)計</p><p>　　硬件設(shè)計使用Proteus設(shè)計軟件，Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件。該軟件的特點是：①集原理圖設(shè)計、仿真和PCB設(shè)計于一體，真正實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計工具。②具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機應用系統(tǒng)、嵌入式

103、系統(tǒng)（不高于ARM7）設(shè)計與仿真功能。③具有全速、單步、設(shè)置斷點等多種形式的調(diào)試功能。④具有各種信號源和電路分析所需的虛擬儀表。⑤支持Keil C51 uVision2、MPLAB等第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，⑥具有強大的原理圖到PCB板設(shè)計功能，可以輸出多種格式的電路設(shè)計報表。擁有PROTEUS電子設(shè)計工具，就相當于擁有了一個電子設(shè)計和分析平臺。</p><p>　　設(shè)計的硬件電路包括控制電路，最小系統(tǒng)中，驅(qū)動

104、電路和顯示電路四個部分。最小系統(tǒng)是使單片機能夠正常工作。所述控制電路由開關(guān)和按鈕，操作者需要根據(jù)相應的操作工作。顯示電路是用來顯示電機和速度的工作狀態(tài)。脈沖驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的功率進行放大，來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。 </p><p><b>　　3.3.1控制電路</b></p><p>　　圖3.3 控制電路原理圖</p><p>　　根據(jù)該

105、系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了電動，復位，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速和減速按鈕K1，K2， K3，K4，K5，K6，如圖3.3所示的控制電路，通過K5，K6的狀態(tài)變化來實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制。當改變K5，K6的狀態(tài)時，內(nèi)部程序檢測到P3.4和P3.5的狀態(tài)來調(diào)用電機正反轉(zhuǎn)控制程序。</p><p>　　根據(jù)步進電機的工作原理可以知道，步進電機的速度控制主要是通過控制脈沖頻率來控制電機的轉(zhuǎn)速的。單片機所采用的主要方法是軟件

106、延時和定時器中斷，本次設(shè)計在速度控制上主要是由定時器中斷來實現(xiàn)，該電路通過控制電機加速、減速按鈕K3，K4 ，控制外部中斷，根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)即定時器中斷的次數(shù)），從而改變了輸出脈沖頻率，從而改變電機速度。</p><p><b>　　3.3.2驅(qū)動電路</b></p><p>　　圖3.4 步進電機驅(qū)動電路</p><p

107、>　　通過L297和L298構(gòu)成驅(qū)動電路，電路圖如圖3.4所示。P0.0口控制L297的方向控制端（CW/CCW），P0.1控制步進時鐘輸入端。使L297輸出四相八拍工作所需的適當相序i（A,B,C,D四相）。L297的四相輸出接L298的IN0---IN4，使L298的OUT0---OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動信號，驅(qū)動步進電機運行。</p><p>　　3.3.3顯示模塊 </p><

108、;p><b>　　圖3.5 顯示模塊</b></p><p>　　通過P1口的P1.0~P1.7，控制LM016L顯示步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。</p><p>　　3.3.4時鐘與復位部分</p><p>　　時鐘電路控制著CPU的工作節(jié)奏，是單片機運行的心臟，可以通過提高時鐘頻率來提高CPU的速度，本設(shè)計采用的晶振為12MHz。時鐘電

109、路如圖所示。 </p><p><b>　　圖3.6 時鐘電路</b></p><p>　　3.3.5總體電路圖 </p><p>　　把各個部分的電路圖組合成總電路圖，如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 總體電路圖</p><p>　　3.4 Proteus仿真結(jié)果</p>

110、;<p>　　3.4.1 proteus仿真步進電機正反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　一、電機正轉(zhuǎn)</b></p><p>　　按正轉(zhuǎn)按鈕，Proteus仿真電機正轉(zhuǎn)。如圖3.8所示。</p><p><b>　　圖3.8 電機正轉(zhuǎn)</b></p><p><b>　　正轉(zhuǎn)

111、中斷程序</b></p><p>　　void_0(void) interrupt 1 //定時器0中斷程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　RunState=RIGHT_RUN; </p><p><b>　　P0_0=1;</b></p>

112、<p><b>　　P1=0x01; </b></p><p>　　cmd_wr(); //寫控制字</p><p>　　ShowState(); //顯示狀態(tài)與速度</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　

113、二、電機反轉(zhuǎn)</b></p><p>　　按反轉(zhuǎn)按鈕，Proteus仿真電機反轉(zhuǎn)，如圖3.9所示。</p><p><b>　　圖3.9 電機反轉(zhuǎn)</b></p><p><b>　　反轉(zhuǎn)中斷程序</b></p><p>　　void_1(void) interrupt 3 //定時器