單片機課程設計--基于單片機的步進電機控制

1、<p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題 目 基于單片機的步進電機控制 </p><p>　　課 程 名 稱 單片機原理及接口技術 </p><p>　　院 部 名 稱 機電工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 自動

2、化 </p><p>　　班 級 10自動化 </p><p>　　學 生 姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　課程設計地點 </

3、p><p>　　課程設計學時 </p><p>　　指 導 教 師 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄2</b></p><p><b>　　摘 要3&l

4、t;/b></p><p><b>　　1． 緒論4</b></p><p>　　2． 步進電機系統(tǒng)的總體設計4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設計方框圖：4</p><p>　　2.2 設計思路簡述：4</p><p>　　3. 主要元件介紹5</p><p

5、><b>　　3.1單片機5</b></p><p>　　3.2 ULN2003A7</p><p><b>　　3.3步進電機8</b></p><p>　　3.4步進電機原理及控制技術10</p><p>　　4 . 各部分電路設計13</p><p>　

6、　4.1時鐘振蕩器13</p><p>　　4.2復位電路14</p><p>　　4.3 開關控制電路14</p><p>　　4.4 顯示電路14</p><p>　　4.5驅(qū)動電路15</p><p>　　5. 步進電機的軟件設計15</p><p>　　5.1 主程序流程圖

7、15</p><p>　　5.2 中斷子程序流程圖16</p><p>　　5.3 步進電機系統(tǒng)程序16</p><p>　　6. 步進電機系統(tǒng)的總原理圖及元器件清單21</p><p>　　6.1 系統(tǒng)總原理圖21</p><p>　　6.2 元器件清單22</p><p>&l

8、t;b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了單片機控制步進電機的系統(tǒng)。在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，原理是通過對它每相線圈中的電流和順序切換來使電機作步進式旋轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)的硬件組成主要有：51系列單片機、ULN2803驅(qū)動電路等。同時對系統(tǒng)設計中所用到的一些軟件都進行了介紹。本系統(tǒng)用51系列單片機和L2

9、98N電機驅(qū)動芯片并加入了鍵盤來控制步進電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等。系統(tǒng)中使用的是混合式二相步進電機，相應的驅(qū)動和控制電路對于其整體性能起著非常重要的作用。</p><p>　　經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試，能夠很好的控制步進電機的正反轉(zhuǎn)、加減速，從而達到預期目的。整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低和實用性強等特點，具有較高的通用性和應用推廣價值。</p><p>　　關鍵詞：51系列單片機 ULN2004驅(qū)

10、動電路 正反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　1． 緒論</b></p><p>　　步進電機將脈沖信號轉(zhuǎn)換成的機械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成比例,通過改變電脈沖頻率,可在大范圍內(nèi)調(diào)速,同時,該電機還能快速起動、制動、反轉(zhuǎn).此外,步進電機易于實現(xiàn)與單片機機或其它數(shù)字元件接口,適用于數(shù)字控制系統(tǒng),并可取得較高的控制精度,系統(tǒng)硬件實施比較簡單。&l

11、t;/p><p>　　這次數(shù)控原理的課程設計方案是基于單片機的步進電機運行控制系統(tǒng)。在這個控制系統(tǒng)中，控制器是它的核心，因為它擔負著產(chǎn)生脈沖，發(fā)送、接受控制命令等任務。該系統(tǒng)的步進電機驅(qū)動控制電路,采用低價的AT89C51為控制器,可直接對步進電機進行控制,省去了昂貴的專用步進電機控制器,簡化了硬件線路,降低了成本,提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　. 步進電機是純粹的數(shù)字控制電動

12、機。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。近幾十年來，數(shù)字技術、計算機技術和永磁材料的迅速發(fā)展，為步進電機的應用開辟了廣闊的前景。</p><p>　　2． 步進電機系統(tǒng)的總體設計</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設計方框圖：</p><p><b>　　圖1 設計框圖</b></

13、p><p>　　2.2 設計思路簡述：</p><p>　　本系統(tǒng)是用單片機軟件編程來產(chǎn)生脈沖分配信號,即把數(shù)字控制計數(shù)的高精度等方面的優(yōu)勢有效地應用于步進電機控制系統(tǒng),同時本系統(tǒng)設計的步進電機控制器硬件電路十分簡單,成本低,使用方便。本系統(tǒng)硬件方案論證包括開關控制電路、復位電路、時鐘電路、顯示電路、驅(qū)動電路。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設置了

14、反向控制，停止控制，正向控制和減速控制按鈕，分別是SB5、SB4、SB3、SB2、SB1，通過SB5、SB4、SB3狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的啟動、停止和換向功能。當SB5、SB4、SB3的狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測狀態(tài)來調(diào)用相應的啟動、停止和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機的啟動和正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進電機的工作原理可以知道，步進電機轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路

15、中電機的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷來實現(xiàn)的，該電路控制電機加速度主要是通過SB2、SB1斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變了步進電機的輸出脈沖頻率，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　3. 主要元件介紹</b></p><p><b>　　3.1單片機</b></p><p>　　AT89C

16、51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器PEROM和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用公司的高密度，非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強大。此單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。</p><p>　　AT89C51提供以下標準功能：4K字節(jié)FLASH閃速存

17、儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通訊口，內(nèi)置一個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，同時AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的工作模式，空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時計數(shù)器，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。引腳圖如圖2所示。</p>

18、<p>　　VCC：供電電壓。 </p><p><b>　　GND：接地。 </b></p><p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。</p><p>　　圖2 AT89C5

19、1引腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　P1口：P1口是一個內(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，將輸出電流，這是由于內(nèi)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。 </p><p>　　P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出

20、4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，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，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口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 </p>

21、<p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)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(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。 </p><p>　　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。 </p&

22、gt;<p>　　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(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。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

23、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。 </p><p>　　/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 </p><p>　　/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管

24、是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 </p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 </p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　3.2 ULN2003A&l

25、t;/p><p>　　ULN是集成達林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的

26、外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，但獨每個單元驅(qū)動電流最大可達350mA.資料的最后有引用電路，9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在VCC與16腳之間，不用9腳。 </p><p>

27、　　ULN2003的作用:ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。 ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下: ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。

28、 ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003的1～7腳為信號輸入腳，依次對應的輸出端為16～10腳，8腳為接地端。引腳圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 ULN2003A引腳圖</p><p><b>　　3.3步進電機</b>&l

29、t;/p><p>　　步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。</p><p>　　步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式(HB)，步進電機又稱為脈沖電機，是工

30、業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領域獲得了廣泛應用。步進電機的運轉(zhuǎn)是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度（不距角）或前進、倒退一步。步進電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進電機為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　四相

31、步進電機的工作原理</p><p>　　該設計采用了20BY-0型步進電機，該電機為四相步進電機，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，就能使步進電機轉(zhuǎn)動。當某一相繞組通電時，對應的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉(zhuǎn)的原因

32、。</p><p>　　步進電機的靜態(tài)指標及術語</p><p>　　相數(shù)：產(chǎn)生不同隊N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。</p><p>　　拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，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&

33、gt;<p>　　步距角：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。Θ=360度（轉(zhuǎn)子齒角運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機為例。四相運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度，八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度。定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)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>　　靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)

34、作業(yè)下，電機不做旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關。但過分采用減小氣隙，增加勵磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。</p><p>　　四相步進電機的脈沖分配規(guī)律</p><p>　　目前，對步進電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖

35、分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。四相步進電機的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序與波形分別如圖4 所示。本設計的電機工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進電機的工作的時序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進電機跟不

36、上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內(nèi)。</p><p>　　圖 4 通電時的時序與波形</p><p>　　3.4步進電機原理及控制技術</p><p>　　由于步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設備----步進電機控制驅(qū)動器，典型步進電機控制系統(tǒng)：控制器可以發(fā)

37、出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機

38、的目的，步進電機的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個方面。從結(jié)構(gòu)上看，步進電機分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本原理如下：</p><p><b>　　換相順序的控制</b></p><p>　　通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進電機在單三拍的工作方式</p><p>　　下，其各相通電順序為A→B→C→A，通電控制脈沖

39、必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。三相雙三拍的通電順序為AB→BC→CA→AB，三相六拍的通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A。</p><p><b>　　步進電機的換向控制</b></p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式為三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通電換相，即A→AC→

40、C→CB→B→BA→A，則電機就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。</p><p><b>　　步進電機的速度控制</b></p><p>　　如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一</p><p>　　步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)試。</p>&

41、lt;p>　　（4） 步進電機的起?？刂?</p><p>　　步進電機由于其電氣特性，運轉(zhuǎn)時會有步進感。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑，減小振動，可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波，可以減小步進電機的步進角，跳過電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉(zhuǎn)時，為了防止因慣性而使電機軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進電機的轉(zhuǎn)軸，使步進電機轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。</p><

42、p>　?。?） 步進電機的加減速控制 </p><p>　　在步進電機控制系統(tǒng)中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果信號變化太快，步進電機由于慣性跟不上電信號的變化，這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進電機在啟動時，必須有加速過程，在停止時波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進電機整個降速過程頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進電機升降過程的運行規(guī)律，能充分利用步進電機的有效轉(zhuǎn)

43、矩，快速響應性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個實際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負載的情況來選擇步進電機。步進電機能響應而不失步的最高步進頻率稱為“啟動頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關斷，步進電機不沖過目標位置的最高步進頻率。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負載的轉(zhuǎn)動慣量相適應，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對電機進行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動頻率f0。步進電機的最高啟動頻率（突跳頻率）一般

44、為 0.1KHz到 3~4KHz，而最高運行頻率則可以達到N*102KHz，以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動，會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。</p><p>　　圖5 步進電機運行過程中頻率變化曲線</p><p>　　在一般的應用中，經(jīng)過大量實踐和反復驗證，頻率如按直線上升或下降，控制效果就可以滿足常規(guī)的應用要求。用PLC實現(xiàn)步進電機的加P減速控制，實際上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時，使脈沖頻

45、率增高，減速則相反。如果使用定時器來控制電機的速度，加減速控制就是不斷改變定時中斷的設定值。速度從v1~v2變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加P減速；如果是突變，則按階梯加速處理。在此過程中要處理好兩個問題：</p><p>　?、偎俣绒D(zhuǎn)換時間應盡量短。為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時初始表。通過在

46、不同的階段調(diào)用相應的定時初值，就可控制電機的運行。定時初值的計算是在定時中斷外實現(xiàn)的，并不占用中斷時間，保證電機的高速運行。</p><p>　?、诒ＷC控制速度的精確性。要從一個速度準確達到另一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達到所需速度。</p><p>　　（6） 步進電機的換向控制</p><p>　　步進電機換向時，一定要在電機降速停止或降到突跳頻

47、率范圍之內(nèi)在換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個脈沖前發(fā)出。對于脈沖的設計主要要求其有一定的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實質(zhì)包含了降速→換向→加速3個過程。</p><p>　　步進電機有如下特點：</p><p>　　① 步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，因此當它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒

48、有累計誤差，具有良好的跟隨性。 </p><p>　?、?由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價，也非常可靠。同時，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　?、?步進電機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。</p><p>　　④ 速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因</p>

49、<p>　　此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。</p><p>　?、?步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接用交流電源或直流</p><p><b>　　電源。</b></p><p>　　⑥ 步進電機自身的噪聲和振動比較大，帶慣性負載的能力強。</p><p>　　4 . 各部分電路設計<

50、/p><p><b>　　4.1時鐘振蕩器</b></p><p>　　AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和 XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋器件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖6。外接石英晶體或陶瓷振蕩器及電容 C1，C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對</

51、p><p><b>　　圖6 時鐘振蕩</b></p><p>　　外接電容 C1，C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振得難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30PF±10PF，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇40PF±10PF。</p><p><b&g

52、t;　　4.2復位電路</b></p><p>　　本設計采用上電復位形式，微控制器上電后，系統(tǒng)時鐘啟動，當8051MCU的腳復位引第9腳接高電平并且時間超過2個機器周期，即可完成復位操作。如圖7所示。</p><p>　　圖7 復位電路原理圖</p><p>　　4.3 開關控制電路</p><p>　　89C51單片機復位后P

53、0-P3口初始狀態(tài)為0FFH，通過按鈕開關控制電機的換向和調(diào)速，系統(tǒng)不斷檢測P3.2-P3.3引腳的狀態(tài)，按鈕按下系統(tǒng)檢測到低電平，執(zhí)行相關操作，否則在上拉電阻和+5V電源作用下始終保持高電平。如圖8所示。</p><p>　　圖8開關控制電路原理圖</p><p><b>　　4.4 顯示電路</b></p><p>　　顯示電路有三個發(fā)光二

54、極管分別顯示電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。發(fā)光二極管采用共陽極接法，+5V電源供電，分別接P0.0~P0.2。編程時由三個引腳輸出低電平控制通斷。如圖9所示。</p><p>　　圖9 顯示電路原理圖</p><p><b>　　4.5驅(qū)動電路</b></p><p>　　通過ULN2003A構(gòu)成比較多的驅(qū)動電路，電路圖如圖8 所示。通過單片機的P1

55、.0~P1.3輸出脈沖到ULN2003A的1B~4B口，經(jīng)信號放大后從1C~4C口分別輸出到電機的A、B、C、D相。如圖10所示。</p><p><b>　　圖10 驅(qū)動電路</b></p><p>　　5. 步進電機的軟件設計</p><p>　　5.1 主程序流程圖</p><p>　　步進電機系統(tǒng)主程序流程圖如

56、圖11所示。</p><p>　　圖11 主程序流程圖</p><p>　　5.2 中斷子程序流程圖</p><p>　　中斷子程序流程圖如圖12所示。</p><p>　　圖12 中斷子程序流程圖</p><p>　　5.3 步進電機系統(tǒng)程序</p><p>　　#include <re

57、g51.h> //51芯片管腳定義頭文件</p><p>　　#include <intrins.h> //內(nèi)部包含延時函數(shù) _nop_();</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　

58、　uchar code FFW[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09}; //四相八拍正轉(zhuǎn)編碼</p><p>　　uchar code REV[8]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01}; ////四相八拍反轉(zhuǎn)編碼</p><p>　　sbit K1 = P3^4; //

59、正轉(zhuǎn)</p><p>　　sbit K2 = P3^6; //反轉(zhuǎn)</p><p>　　sbit K3 = P3^5; //停止</p><p>　　sbit K4 = P3^3; //減速</p><p>　　sbit K5 = P3^2; //加速</p>

60、<p>　　void delay(uint t) //延時 11.0592MHz時鐘，延時約1ms</p><p>　　{ </p><p><b>　　uint k;</b></p><p>　　while(t--)</p><p&g

61、t;<b>　　{</b></p><p>　　for(k=0; k<125; k++)</p><p><b>　　{ }</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p&g

62、t;　　void motor_ffw() //步進電機正轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　for ( ; ; ) //轉(zhuǎn)1*n圈 </p><p><b>　　{ &l

63、t;/b></p><p><b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{ delay(16);</p><p><b>　　P0=0xf4;</b></p><p>　　break;} //退出此循環(huán)程序</p><p>

64、　　for (i=0; i<8; i++) //一個周期轉(zhuǎn)45度</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1 = FFW[i]; //取數(shù)據(jù)</p><p>　　delay(2); //調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　}<

65、;/b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void motor_rev() //步進電機反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p>

66、<b>　　uchar i;</b></p><p>　　for ( ; ; ) </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{ delay(16); </p>

67、<p><b>　　P0=0xf4;</b></p><p>　　break;} //退出此循環(huán)程序</p><p>　　for (i=0; i<8; i++) //一個周期轉(zhuǎn)45度</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1

68、 = REV[i]; //取數(shù)據(jù)</p><p>　　delay(2); //調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><

69、p>　　main() //主程序</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　if(K1==0)</b></p><p>　　{for( ; ; )</p><p><b>　　{ </b><

70、/p><p>　　motor_ffw(); //電機正轉(zhuǎn)</p><p><b>　　P0=0xf1;</b></p><p><b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{ delay(16);</p><p><b>　　P0=0xf4;

71、</b></p><p>　　break;} //退出此循環(huán)程序</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(K2==0)</p><p>　　{for( ;

72、; )</p><p>　　{motor_rev(); //電機反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　P0=0xf2; </b></p><p><b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{delay(16);</p><p><b>

73、　　P0=0xf4;</b></p><p>　　break;} //退出此循環(huán)程序</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else </b></p>

74、<p>　　P1 = 0xff;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　6. 步進電機系統(tǒng)的總原理圖及元器件清單</p><p>　　6.1 系統(tǒng)總原理圖</p><p>　　系統(tǒng)總原理圖如圖13所示。</p><p>　　圖13 系統(tǒng)總原理圖</p&g

75、t;<p><b>　　6.2 元器件清單</b></p><p>　　系統(tǒng)元件清單如圖14所示。</p><p><b>　　圖14系統(tǒng)元器件</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張洪潤，藍清華. 單片機應用技術教程

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