畢業(yè)設計----基于單片機的步進電機控制系統設計

1、<p>　　基于單片機的步進電機控制系統設計</p><p>　　摘要：步進電動機由于用其組成的開環(huán)系統既簡單、廉價，又非常可行，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領域有著極其廣泛的應用。</p><p>　　本文介紹的是一種基于單片機的步進電機的系統設計，用匯編語言編寫出電機的正轉、反轉、加速、減速、停止程序，通過單片機、電機的驅動芯片ULN2004以及相應的按

2、鍵實現以上功能，并且步進電機的工作狀態(tài)要用相應的發(fā)光二極管顯示出來。本文內容介紹了步進電機以及單片機原理、該系統的硬件電路、程序組成，同時對軟、硬件進行了調試，同時介紹了調試過程中出現的問題以及解決問題的方法。該設計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調試實現了上述功能。</p><p>　　關鍵詞：步進電機；脈寬調制；驅動機構；單片機；轉動</p><p>　　Design of

3、 The Control System of Step-motor</p><p>　　Abstract: The open-loop system which is composed by step-motor is simple, cheap and very practical, so there are very wide range of applications in printers and oth

4、er office automation equipment and various control devices, and many other fields. </p><p>　　This article describes one design of step-motor system based on microcontroller.The program of the preparation of

5、a motor , reverse, speed up, slow down, stop is written by compile language. The above functions are realized through the microcontroller, motor driver chip ULN2004 and correspond key , and the work state of stepper mo

6、tor is diaplayed through the light-emitting diode. This article introduces the principle of stepper motor and single-chip microcomputer, the system hardware circuit, </p><p>　　Key Words: Stepper motor; Pulse

7、-width modulated; driving mechanism; singlechip; rotation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　序言1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　

8、1.1 課題研究的目的和意義2</p><p>　　1.2 國內外研究概況2</p><p>　　1.3 論文的主要研究內容3</p><p>　　第 2 章 步進電機與單片機簡介4</p><p>　　2.1 步進電機介紹4</p><p>　　2.1.1 步進電機概述4</p><

9、p>　　2.1.2 步進電機的工作原理6</p><p>　　2.1.3 步進電機的分類與選擇8</p><p>　　2.2 步進電機驅動系統介紹9</p><p>　　2.2.1 步進電機驅動系統簡介9</p><p>　　2.2.2 步進電機繞組的電氣特性10</p><p>　　2.3 單片機原理

10、11</p><p>　　2.3.1單片機原理概述11</p><p>　　2.3.2單片機的應用系統12</p><p>　　2.3.3 AT89C51簡介13</p><p>　　第 3 章 系統整體硬件結構17</p><p>　　3.1 系統整圖17</p><p>　　3

11、.2 電源部分18</p><p>　　3.3 按鍵部分18</p><p>　　3.4 驅動部分19</p><p>　　3.5 狀態(tài)指示部分20</p><p>　　3.6 時鐘部分20</p><p>　　第 4 章 系統軟件設計21</p><p>　　4.1 系統開發(fā)軟硬件

12、環(huán)境21</p><p>　　4.2 系統主程序21</p><p>　　4.3 查鍵部分22</p><p>　　4.4 前進部分22</p><p>　　4.5 后退部分23</p><p>　　4.6 加速部分24</p><p>　　4.7 減速部分25</p>

13、<p>　　第 5 章 系統的調試與檢測26</p><p>　　5.1程序編譯時的錯誤與解決方法26</p><p>　　5.2 LM7812輸出電壓錯誤與解決方法26</p><p>　　5.3 步進電機轉動錯誤及解決方法26</p><p>　　5.4 結論與展望27</p><p>&l

14、t;b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　附 錄29</b></p><p>　　附錄1：源程序清單30</p><p>　　附錄2：英文資料及其中文翻譯35</p><p>　　

15、基于單片機的步進電機控制系統設計</p><p><b>　　序言</b></p><p>　　步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。它是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速，快速起停、正反轉控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系

16、統既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領域有著極其廣泛的應用。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅動器及其控制系統具有十分重要的意義。</p><p>　　本次畢業(yè)設計選用的步進電機是四相步進電機，通過軟件和硬件的結合實現步進電機的啟停、正轉、反轉、加速、減速功能，并且步進電機所處的狀態(tài)用相應的發(fā)光二極管顯示。主要通過三大塊來設計，包括驅

17、動電路的設計、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分是設計?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而精確地控制轉動角度；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的角度和加速度，從而達到調速的目的。</p><p>　　本次論文分為六章，序言簡要介紹了此次設計中有關步進電機及其驅動器的相關概念。第1章是緒論，主要探討了步進電機的研究背景和本論文的主要研究內容；第2章步進電機與單片機的原理；第3章系統整體硬件結構；第4章系統的軟件設計

18、；第5章系統的調試與檢測；最后是參考文獻、附錄和致謝。通過七章內容的描述，詳細介紹了本次畢業(yè)設計的內容、方法、以及設計中遇到的問題和解決問題的途徑。</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義</p><p>　　步進電動機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的微

19、電動機，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速，快速起停、正反轉控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領域有著極其廣泛的應用。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅動器及其控制系統具有十分重要的意義。</p><p>　　1.2 國內外研究概況</p><p&g

20、t;　　步進電機是國外發(fā)明的。中國在文化大革命中已經生產和應用，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產，而且都在各行業(yè)使用，驅動電路所有半導體器件都是完全國產化的，當時是全分立元器件構成的邏輯運算電路，還有電容耦合輸入的計數器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。</p><p>　　國外在大功率的工業(yè)設備驅動上，目前基本不使用大扭矩步進電動機，因為從驅動電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統慣量與最大扭矩比來比較，比較

21、不劃算，還是用直流電動機，加電動機編碼器整體技術和經濟指標高。一些少數高級的應用，就用空心轉杯電機，交流電機。</p><p>　　國外在小功率的場合，還使用步進電機，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產裝備，打印機，復印件，速印機，銀行自動柜員機。國外用許多現代的手段將步進電機排擠出驅動應用，除了前面提到的旋轉編碼器，打印機還使用光電編碼帶或感應編碼帶配合直流電動機，實現閉環(huán)直線位移控制。</p><

22、p>　　國內過去是用大力矩步進電動機實現機床數控，有實力的公司現在也采用交流電動機驅動數控機床，在驅動設備的主要差距，是國外對交流電動機的控制理論與工程分析和應用能力強，先進的控制理論作為軟件，寫在控制器內部。</p><p>　　總的來說，步進電機是一種簡易的開環(huán)控制，對運用者的要求低，不適合在大功率的場合使用。</p><p>　　在衛(wèi)星、雷達等應用場合，中國在文化大革命后期，就

23、生產了力矩電機，就生產了環(huán)形力矩電機，在高品質的控制場合，有時還不能使用步進電機。步進電機的細分控制，在改革開放初期，國內就已經基本掌握，這與交流電動機的矢量控制相比，難度要低得多。</p><p>　　1.3 論文的主要研究內容</p><p>　　本論文所選的步進電機是四相步進電機，采用的方法是利用at89s52單片機控制步進電機的驅動。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當

24、步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。本次畢業(yè)設計就是通過改變脈沖頻率來調節(jié)步進電機的速度的，并且通過數碼管及蜂鳴器led燈顯示其轉速和變化情況。另外通過單片機實現它的正反轉，步進電機可以作為一種控制用的特種電

25、機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。</p><p>　　第2章 步進電機與單片機簡介</p><p>　　2.1 步進電機介紹</p><p>　　2.1.1 步進電機概述</p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信

26、號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。</p><p>　　正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收

27、數字量的輸入，所以特別適合于微機控制。</p><p>　　本次畢業(yè)設計采用的是步距角為1.8度的四相八拍永磁式步進電機。</p><p>　　步進電機的基本參數： </p><p>　?。ㄒ唬┎竭M電機的靜態(tài)指標術語</p><p>　　1、相數：產生不同對N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。</p><p>　　

28、2、拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.</p><p>　　3、步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數*運行拍數），以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=

29、360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。</p><p>　　4、定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）</p><p>　　5、靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無

30、關。</p><p>　　雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。</p><p>　?。ǘ┎竭M電機動態(tài)指標及術語：</p><p><b>　　1、步距角精度：</b></p><p>　　步進電機每轉過一個步距

31、角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。</p><p><b>　　2、失步：</b></p><p>　　電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步</p><p><b>　　3、失調角：</b></p&g

32、t;<p>　　轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。</p><p>　　4、最大空載起動頻率：</p><p>　　電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。</p><p>　　5、最大空載的運行頻率：</p><p>　

33、　電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。</p><p><b>　　6、運行矩頻特性：</b></p><p>　　電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非

34、靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。</p><p>　　7、電機的共振點： </p><p>　　步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越

35、大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。 </p><p>　　8、電機正反轉控制：</p><p>　　當電機繞組通電時序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA時為正轉，通電時序為DA-D-CD-C-BC-B-AB-A時為反轉。</p><p>　　步進電機的

36、特征如下：</p><p>　　1、一般步進電機的精度為步進角的3%-5%，且不積累。</p><p>　　2、步進電機外表允許的最高溫度。</p><p>　　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攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以

37、上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。</p><p>　　3、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。</p><p>　　當步進電機轉動時，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）的增大而相電流減少，從而導致力矩下降。</p><p>　　4、步進電機低速時可以正常轉動，但若高于一定速度就無法

38、啟動，并伴有嘯叫聲。</p><p>　　步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。</p><p>　　步進電動機以其顯著的特點

39、，在數字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同數字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。</p><p>　　2.1.2 步進電機的工作原理</p><p>　　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或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數成正比，它的轉速與脈沖頻率(f)成正

40、比，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。</p><p>　　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1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。</p><p>　　圖2-1 四相步進電機步進

41、示意圖</p><p>　　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。</p><p>　　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

42、，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</p><p>　　四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。</p><p>　　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：</p><p>　　圖2-2 步進電機工作時序波形圖</p><p>　　2.1.3 步進電機的分類與選擇&l

43、t;/p><p>　　現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。</p><p>　　反應式步進電動機采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產成本低，步距角可以做的相當小，一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁

44、導的變化產生轉矩，但動態(tài)性能相對較差。</p><p>　　永磁式步進電機轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產生轉動，它的出力大，動態(tài)性能好，但步距角一般比較大。一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度。</p><p>　　混合式步進電機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

45、進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，它是PM和VR的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。</p><p>　　步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。</p>

46、<p><b>　　1、步距角的選擇</b></p><p>　　電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。</p>&

47、lt;p><b>　　2、靜力矩的選擇</b></p><p>　　步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，

48、靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。</p><p><b>　　3、電流的選擇</b></p><p>　　靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）。</p><p><b>　　4、力矩與功率換算</b></p&

49、gt;<p>　　步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：</p><p>　　P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓·米</p><p>　　P=2πfM/400(半步

50、工作）</p><p>　　其中f為每秒脈沖數（簡稱PPS）</p><p>　　2.2 步進電機驅動系統介紹</p><p>　　2.2.1 步進電機驅動系統簡介</p><p>　　步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備——步進電機驅動器.步進電機驅動系統的性能，除與電機本身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣

51、。典型的步進電機驅動系統是由步進電機控制器、步進電機驅動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅動器驅動步進電機轉子旋轉一個步距角，即步進一步。步進電機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步

52、進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿?，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅動器的功率驅動部分。功率驅動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉磁場，驅動轉子運動。保護電路在出現短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅動器和電機的運行。</p><p>　　2.2.2 步進電機繞組的電氣特性</p>

53、;<p>　　步進電機各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機相繞組的兩個固有屬性，電機的性能和這兩個因素密切相關。繞組通電時，電感使繞組電流上升速度受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。繞組線圈的電阻是電機溫升和電能損耗的主要因素。</p><p>　　圖2-3 電感-電阻串聯電路及其電流波形</p><p>　　步進電機的相繞組可以等效為一個電感一電阻串聯電路。圖2

54、-3表明了一個電感一電阻電路的電氣特性。在 t=0時刻，電壓V施加到該電路上時，電路中的電流變化規(guī)律為:</p><p>　　I(t)=V(1-e-Rt/L)/R</p><p>　　通電瞬間繞組電流上升速率為:</p><p>　　di(0)/dt=V/t</p><p>　　經過一段時間，電流達到最大值:</p><p

55、><b>　　Imax=V/R</b></p><p>　　L/R定義為該電路的時間常數，是電路中的電流達到最大電流Imax的63%所需要的時間。在 t=t:時刻，電路斷開與直流電壓源V的連接，并且短路，電路中的電流以初始速率一V/L開始下降，電流變化規(guī)律為:</p><p>　　I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R</p><p>　

56、　不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上，電流波形如圖3-2所示。低頻時電流能夠達到最大值(a);當矩形波頻率上升達到某一臨界頻率，電流剛達到最大值就開始下降((b):矩形波頻率超過此臨界值后，繞組中的電流不能達到最大值 (c)。因為步進電機轉矩的大小與繞組的電流成正比，所以電機低速運行時，電機能夠達到其額定轉矩，而在某一特定頻率以上運行時，繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降，電機轉矩也相應逐漸減小，從而降低了高速運轉時帶負載能力。</p

57、><p>　　圖2-4 不同頻率脈沖作用下電感-電阻電路的電流波形</p><p>　　要改善電機高速運行時的性能，有兩種辦法:提高電流上升速度 VA 和減小時間常數 L/R;可以通過加大繞組的電壓從而增加電流上升的速率得時間常數。或者在電路中串聯電阻，使L/R減少。</p><p><b>　　2.3 單片機原理</b></p>&

58、lt;p>　　2.31單片機原理概述</p><p>　　單片機（single-chip microcomputer）是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。圖2-5中表示單片機的典型結構圖。由于單片機的高度集成化，縮短了系統內的信號傳送距離，優(yōu)化了結構配置，大大地提高了系統的可靠性及運行速度，同時它的指令系統又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設備控制中得到了廣泛的應用。&

59、lt;/p><p>　　圖2-5典型單片機結構圖</p><p>　　2.3.2單片機的應用系統</p><p>　　單片機在進行實時控制和實時數據處理時，需要與外界交換信息。人們需要通過人機對話，了解系統的工作情況和進行控制。單片機芯片與其它CPU比較，功能雖然要強得多，但由于芯片結構、引腳數目的限制，片內ROM、RAM、I/O口等不能很多，在構成實際的應用系統時需要

60、加以擴展，以適應不同的工作情況。單片機應用系統的構成基本上如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 單片機的應用系統</p><p>　　單片機應用系統根據系統擴展和系統配置的狀況，可以分為最小應用系統、最小功耗系統、典型應用系統。本設計是設計一款最小應用系統，最小應用系統是指能維持單片機運行的最簡單配置的系統。這種系統成本低廉、結構簡單，常用來構成簡單的控制系統，如開關量的輸入/輸

61、出控制、時序控制等。對于片內有ROM/EPROM的芯片來說,最小應用系統即為配有晶體振蕩器、復位電路和電源的單個芯片；對與片內沒有ROM/EPROM芯片來說，其最小應用系統除了應配置上述的晶振、復位電路和電源外，還應配備EPROM或EEPROM作為程序存儲器使用。</p><p>　　2.3.3 AT89C51簡介</p><p>　　AT89C51的主要參數如表2-1所示：</p

62、><p>　　表2-1 AT89C51的主要參數</p><p>　　AT89C51含E²PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統，防止E²PROM中的程序被非法復制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲器E²PROM容量可達20K字節(jié)。</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FP

63、EROM—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。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。其引腳如圖2-7所示。</

64、p><p>　　1、主要特性：·與MCS-51 兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán) </p><p>　　圖2-7 單片機的引腳排列</p><p>　　·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內部RAM·32可編程I/O線&#

65、183;兩個16位定時器/計數器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內振蕩器和時鐘電路</p><p>　　2、管腳說明：    VCC：供電電壓。    GND：接地。    P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL

66、門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。    P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的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，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電

67、平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。    P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，

68、P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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： P3口管腳備選功能 P3.0 R

69、XD（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（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 

70、;   RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。

71、如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， 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：外部程序存儲器的選</p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。    XTAL2：來自反向振蕩器的輸出

72、。</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）及數據總線分時復用；</p><p>　　b：P1口，8位準雙向I/O口；</p><p>　　c：P2口，8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用；</p><

73、;p>　　d：P3口，8位準雙向I/O口，雙功能復用口。</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振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。

74、</p><p><b>　　5、芯片擦除：</b></p><p>　　整個EPROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉

75、電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。</p><p>　　第 3 章 系統整體硬件結構</p><p><b>　　3.1 系統整圖</b></p><p>　　系統整圖如圖3-1所示，本系統采用外部

76、中斷方式，p0口作為信號的輸入部分，p1口為發(fā)光二極管顯示部分，p2口作為電機的驅動部分。</p><p><b>　　圖3-1 系統整圖</b></p><p><b>　　3.2 電源部分</b></p><p>　　利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的電壓，它們的應用要注意以下幾點：（1）輸入輸出壓差

77、不能太大,太大則轉換效率急速降低，而且容易擊穿損壞；（2）輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導致高溫保護或熱擊穿；（3）輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。 其中12V電壓給步進電機供電，5V電壓則給單片機供電。分別如圖3-2、圖3-3所示。</p><p>　?。?）、產生12V的電壓給步進電機供電</p><p>　　圖3-2 12V電

78、路部分</p><p>　?。?）產生5V的電壓給單片機供電</p><p>　　圖3-3 5V電路部分</p><p><b>　　3.3 按鍵部分</b></p><p>　　本次設計選用的是單片機的P0口來控制信號的輸入，所以把按鍵開關和P0口連接起來，當按下開關S1時，相當于給P0.0口一個低電平；當按下開關S2

79、時，相當于給P0.1口一個低電平；當按下開關S3時，相當于給P0.2口一個低電平；當按下開關S4時，相當于給P0.3口一個低電平；當按下開關S5時，相當于給P0.4口一個低電平。然后通過單片機實行相應的操作。如圖3-4。</p><p>　　圖3-4 按鍵部分電路</p><p><b>　　3.4 驅動部分</b></p><p>　　此電路

80、是步進電機的驅動部分，我選用的是ULN2004芯片來驅動的，ULN2004系列是一款高耐壓，大電流達林頓管驅動器，包含7個NPN達林頓管。如圖3-5。</p><p>　　圖3-5 驅動部分電路</p><p>　　3.5 狀態(tài)指示部分</p><p>　　狀態(tài)指示用P1口控制發(fā)光二極管的顯示，如果相應端口是低電平，相應的發(fā)光二極管就會亮，用它來表示步進電機所處的狀

81、態(tài)。如圖3-6。 </p><p>　　圖3-6 狀態(tài)指示部分電路</p><p><b>　　3.6 時鐘部分</b></p><p>　　時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏，可以通過提高時鐘頻率來提高CPU的速度，本次設計采用的晶振為12MHz。如圖3-7。</p><p>　　圖3-7 時鐘部分電路&

82、lt;/p><p>　　第4章 系統軟件設計</p><p>　　4.1 系統開發(fā)軟硬件環(huán)境</p><p>　　與其它的微處理器一樣，開發(fā)步進電機驅動系統控制程序也需要一套完整的軟件和硬件開發(fā)工具。近年來，隨著以51單片機為內核的單片機的不斷發(fā)展和普及，國外的一些公司紛紛推出了以51單片機為基礎的集成開發(fā)環(huán)境。本次畢業(yè)設計選用的單片機是AT89C51。</p&g

83、t;<p><b>　　4.2 系統主程序</b></p><p>　　系統分為電機正轉、電機反轉、電機加速與電機減速的幾部分組成，其主程序框圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 主程序框圖</p><p><b>　　4.3 查鍵部分</b></p><p>　　查鍵程序

84、用于判斷P0.0口與P0.1口的值，當p0.0口為0時，電機正轉，當p0.0口為1時，繼續(xù)判斷p0.1口的值，p0.1口為0時，電機反轉。如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 查鍵部分流程圖</p><p><b>　　4.4 前進部分</b></p><p>　　系統初始化之后，前進子程序R0用于給P2口送不同的值，根據電機轉動的相

85、序，使電機正向轉動，P2口的值分別為01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H。流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 前進部分流程圖</p><p><b>　　4.5 后退部分</b></p><p>　　電機反轉原理與正轉相似，此時P2口的值分別為09H，08H，0CH，04H，06H，02H，03H，0

86、1H。流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 后退部分流程圖</p><p><b>　　4.6 加速部分</b></p><p>　　當電機正轉或反轉的時候，按下加速鍵，調用加速子程序，使電機每轉動一步的延時時間變短，從而實現電機的加速。流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 加速部分流程圖

87、</p><p><b>　　4.7 減速部分</b></p><p>　　電機正轉或反轉的時候，按下減速鍵，通過改變電機每轉動一步的延時時間，使時間變長，從而實現電機減速。流程圖如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 減速部分流程圖</p><p>　　第 5 章 系統的調試與檢測</p><

88、;p>　　5.1程序編譯時的錯誤與解決方法</p><p>　　把編好的程序（包括正反轉程序、停止程序、顯示程序等）合理安排好結合到一起進行編譯。由于編譯只能檢查是否存在語法錯誤，所以還要看是否存在邏輯錯誤。程序修改好以后，當顯示編譯0錯誤，0警告的時候，這說明已經沒有語法錯誤了，是否有邏輯錯誤還要看接上電路板通過仿真以后，步進電機能否正常轉動，顯示是否正常。</p><p>　　5

89、.2 LM7812輸出電壓錯誤與解決方法</p><p>　　電路的工作離不開電源，所以電源是必不可少的。電源采用的是利用變壓器將220V的電壓轉換為12V的電壓，再利用橋堆整流使交流電變成直流電，最后分別利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的電壓。</p><p>　　電路板焊接好以后，首先要檢查一下電路設計是否合理、元器件焊接是否正確，焊接好以后需要仔細檢查。用萬用表分別

90、檢測從7812和7805第三個端口出來的是否是12V和5V，結果發(fā)現7805兩端電壓正常，7812兩端電壓非常不穩(wěn)定。用萬用表仔細檢查了每根線，發(fā)現了原因，電路板存在虛焊的現象。再次將電路板焊好，檢查好以后，用萬用表檢測兩端輸出電壓，結果正確，電源準備工作完畢。</p><p>　　5.3 步進電機轉動錯誤及解決方法</p><p>　　步進電機一開始不能正常轉動，以為是電路焊接有問題，為

91、了防止再次出現虛焊，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。后來仔細看了步進電機工作原理，原來步進電機要正常實現正反轉，四個相序必須弄清。把電機接上電源，用高電平分別接觸電機的引線，每接觸一下電機就會向前或向后轉動一下，經過幾次試驗，終于搞清了電機的四個相序，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，結果電機能夠正常轉動了。</p><p><b&g

92、t;　　5.4 結論與展望</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計能夠實現步進電機的啟停、正反轉以及速度的調節(jié)，通過本次畢業(yè)設計加強了我對軟件編程和硬件設計的掌握，并且熟悉了ULN2004、74ls11等芯片。步進電機在控制系統中具有廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等，所以說步進電機有著廣闊的市場和遠大的發(fā)展前景。</p>&l

93、t;p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張友德.單片微型機原理、應用與實驗[M].上海:復旦大學出版社，2005.</p><p>　　[2]李夙.異步電動機直接轉矩控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.</p><p>　　[3]王鴻鈺.步進電機控制入門[M].上海:同濟大學出版社,1990.</p&

94、gt;<p>　　[4]袁任光,張偉武.電動機控制電路選用與258實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.</p><p>　　[5]王秀和.永磁電機[M].北京: 中國電力出版社,2007.</p><p>　　[6]房玉明,杭柏林.基于單片機的步進電機開環(huán)控制系統[J].電機與控制應用，2006，33（4）：64-64.</p><p>　　[

95、7]孫笑輝,韓曾晉.減少感應電動機直接轉矩控制系統轉矩脈動的方法[J].電氣傳動,2001，(1):8-11.</p><p>　　[8]馮江華,陳高華,黃松濤.異步電動機的直接轉矩控制[J].電工技術學報,1999，(6):29-33.</p><p>　　[9]江一，朱凌,申仲濤.異步電動機直接轉矩控制仿真研究[J].華北電力大學學報,2003，(1):10-13.</p>

96、<p>　　[10]韓利虎. 淺談步進電機的基本原理[J]. 內蒙古石油化工, Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2007，(11):109.</p><p>　　[11]張巍. 淺談單片機控制步進電機[J]. 安防科技,2006，(3): 25.</p><p>　　[12] 喬璐.,景林,韓英桃.一種實用的步進電動機驅動器設計[

97、J].微特電機,2005，(10):29-31.</p><p>　　[13] 康晶.采用反饋控制的步進電機高低壓驅動電路[J].電力電子技術,2003,37(1):61-62,65. </p><p>　　[14] Isao Takahashi,Toshihiko Noguchi.A new responese and high-efficiency control strategy o

98、f an motor[J].IEEE Trans on Ind Appl,1986,22(5):820-827.</p><p>　　[15]Depenbrock M.Direct self-control(DSC) of inverterfed machine[J].IEEE Trans on P E,1998,3(4):420-429.</p><p><b>　　致謝<

99、;/b></p><p>　　首先誠摯的感謝我的論文指導老師xx老師，從選題的確定、論文的寫作、修改到最后定稿過程中，自始至終都傾注著老師的心血。特別是她多次詢問寫作進程，并為我指點迷津，幫助我開拓思路，老師以嚴謹的治學之道、寬厚仁慈的胸懷、積極樂觀的生活態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神為我樹立了一輩子學習的典范，她的教誨與鞭策將激勵我在學習和生活的道路上勵精圖治，開拓創(chuàng)新。她淵博的知

100、識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。我以最誠摯的心意感謝xx老師。</p><p>　　在畢業(yè)設計期間，我要感謝許多讓我分享他們寶貴經驗和知識的老師，教會我正確的思考方式。同時,也要感謝在論文寫作過程中，幫助過我、并且共同奮斗四年的大學同學們，能夠順利完成論文，離不開他們的幫助，在此表示最深的謝意。</p><p><b>　　附錄</b></p>

101、<p><b>　　附錄1：源程序清單</b></p><p>　　QIAN EQU 40H</p><p>　　HOU EQU 41H</p><p>　　JIA EQU 42H</p><p>　　JIAN EQU 43H</p><p>　　TING EQU 44H<

102、;/p><p><b>　　ORG 000H</b></p><p><b>　　LJMP MAIN</b></p><p><b>　　ORG 003H</b></p><p>　　LJMP DUAN ///外部中斷0</p>&l

103、t;p><b>　　ORG 0030H</b></p><p>　　MAIN: ///初始化</p><p>　　MOV R0,#0FH</p><p>　　MOV 10H,#01H</p><p>　　MOV 11H,#03H</p><p>　　MOV 12

104、H,#02H</p><p>　　MOV 13H,#06H</p><p>　　MOV 14H,#04H</p><p>　　MOV 15H,#0CH</p><p>　　MOV 16H,#08H</p><p>　　MOV 17H,#09H</p><p>　　MOV 20H,#50</

105、p><p>　　MOV 21H,#40</p><p>　　MOV 22H,#30</p><p>　　MOV 23H,#20</p><p>　　MOV 24H,#10</p><p>　　MOV 25H,#5</p><p>　　MOV R1,#20H</p><p>　

106、　MOV IE,#10000001B</p><p><b>　　CLR QIAN</b></p><p><b>　　CLR HOU</b></p><p><b>　　CLR JIA</b></p><p><b>　　CLR JIAN</b><

107、/p><p><b>　　CLR TING</b></p><p><b>　　MOV A,@R1</b></p><p><b>　　MOV R2,A</b></p><p>　　SETB IT0 ////邊沿觸發(fā)形式</p><p>　　LOOP

108、1:JNB QIAN ,LOOP2</p><p>　　ACALL FRONT1</p><p>　　LOOP2:JNB HOU,LOOP1</p><p>　　ACALL BACK1</p><p>　　DUAN: MOV A,P0</p><p><b>　　CPL A</b></p&g

109、t;<p>　　ANL A,#1FH ///去高三位，使按下去的一位為1</p><p>　　CJNE A,#00H,CHA</p><p><b>　　AJMP DUAN</b></p><p>　　CHA: ACALL DELAY10MS</p><p><b>　　MOV A,

110、P0</b></p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ANL A,#1FH</p><p>　　JZ DUAN///為零轉移</p><p>　　ACALL ZHAO</p><p><b>　　RETI</b></p&g

111、t;<p>　　ZHAO:MOV A,P0//查找是哪一位，下面置1</p><p>　　JNB ACC.0,FRONT</p><p>　　JNB ACC.1,BACK</p><p>　　JNB ACC.2,FAST</p><p>　　JNB ACC.3,SLOW</p><p>　　JNB

112、ACC.4,STOP</p><p>　　FRONT:SETB QIAN</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　BACK: SETB HOU</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　FAST: SETB JIA</p&g

113、t;<p><b>　　RET</b></p><p>　　SLOW: SETB JIAN</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　STOP: SETB TING</p><p><b>　　RET</b></p><p

114、>　　FRONT1:CLR QIAN</p><p><b>　　CLR HOU</b></p><p><b>　　CLR JIA</b></p><p><b>　　CLR JIAN</b></p><p><b>　　CLR TING</b>&

115、lt;/p><p>　　INC R0 ///前進子程序 R0用于給P2口送不同的值</p><p>　　MOV P2,@R0</p><p><b>　　MOV A,@R1</b></p><p>　　MOV R2,A /// R2用于延時不同的時間</p><p>　　ACALL D

116、ELAY</p><p>　　CJNER0,#17H,XIA</p><p>　　MOV R0,#10H</p><p>　　XIA: JB QIAN,HUI //回主程序////////XIA子程序用于過度</p><p>　　JB HOU, HUI</p><p>　　JB TING,HUI&l