畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：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>　　本文介紹的是一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用匯編語言編寫出電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序，通過單片機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片ULN2004以及相應(yīng)的按

2、鍵實(shí)現(xiàn)以上功能，并且步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)要用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示出來。本文內(nèi)容介紹了步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時(shí)對(duì)軟、硬件進(jìn)行了調(diào)試，同時(shí)介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設(shè)計(jì)具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了上述功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；脈寬調(diào)制；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；單片機(jī)；轉(zhuǎn)動(dòng)</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(nèi)外研究概況2</p><p>　　1.3 論文的主要研究內(nèi)容3</p><p>　　第 2 章 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡(jiǎn)介4</p><p>　　2.1 步進(jìn)電機(jī)介紹4</p><p>　　2.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述4</p><

9、p>　　2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理6</p><p>　　2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇8</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹9</p><p>　　2.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介9</p><p>　　2.2.2 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性10</p><p>　　2.3 單片機(jī)原理

10、11</p><p>　　2.3.1單片機(jī)原理概述11</p><p>　　2.3.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)12</p><p>　　2.3.3 AT89C51簡(jiǎn)介13</p><p>　　第 3 章 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)17</p><p>　　3.1 系統(tǒng)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(qū)動(dòng)部分19</p><p>　　3.5 狀態(tài)指示部分20</p><p>　　3.6 時(shí)鐘部分20</p><p>　　第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件

12、環(huán)境21</p><p>　　4.2 系統(tǒng)主程序21</p><p>　　4.3 查鍵部分22</p><p>　　4.4 前進(jìn)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(tǒng)的調(diào)試與檢測(cè)26</p><p>　　5.1程序編譯時(shí)的錯(cuò)誤與解決方法26</p><p>　　5.2 LM7812輸出電壓錯(cuò)誤與解決方法26</p><p>　　5.3 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)錯(cuò)誤及解決方法26</p><p>　　5.4 結(jié)論與展望27</p><p>&l

14、t;b>　　參考文獻(xiàn)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>　　基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><

15、;b>　　序言</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。它是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？尚?，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)

16、域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。</p><p>　　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)。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，

17、從而精確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　本次論文分為六章，序言簡(jiǎn)要介紹了此次設(shè)計(jì)中有關(guān)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)概念。第1章是緒論，主要探討了步進(jìn)電機(jī)的研究背景和本論文的主要研究內(nèi)容；第2章步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的原理；第3章系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)；第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；第5章系統(tǒng)的調(diào)試與檢測(cè)；最后是參考文獻(xiàn)、附錄和致謝。通過七章內(nèi)容的描述，詳細(xì)介

18、紹了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法、以及設(shè)計(jì)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(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起

19、停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開環(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。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究概況</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是國外發(fā)明的。中國在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、浙江、

20、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(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。</p><p>　　國外在大功率的工業(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

21、，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。</p><p>　　國外在小功率的場(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)。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。</p><p>　　國內(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)力的公司現(xiàn)在也采用交

22、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>　　總的來說，步進(jìn)電機(jī)是一種簡(jiǎn)易的開環(huán)控制，對(duì)運(yùn)用者的要求低，不適合在大功率的場(chǎng)合使用。</p><p>　　在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場(chǎng)合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)，在高品質(zhì)的控制場(chǎng)合，有時(shí)還不能使用步進(jìn)電機(jī)

23、。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開放初期，國內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動(dòng)機(jī)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(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”)

24、，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^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%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。</p><p>

25、　　第2章 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　2.1 步進(jìn)電機(jī)介紹</p><p>　　2.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述</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)

26、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。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>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是步距角為1

27、.8度的四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)： </p><p>　?。ㄒ唬┎竭M(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語</p><p>　　1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。</p><p>　　2、拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有

28、四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.</p><p>　　3、步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

29、</p><p>　　4、定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）</p><p>　　5、靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。</p><p>　　雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份

30、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(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。</p><p>　　（二）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：</p><p><b>　　1、步距角精度：</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍

31、運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。</p><p><b>　　2、失步：</b></p><p>　　電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步</p><p><b>　　3、失調(diào)角：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)

32、動(dòng)是不能解決的。</p><p>　　4、最大空載起動(dòng)頻率：</p><p>　　電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。</p><p>　　5、最大空載的運(yùn)行頻率：</p><p>　　電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。</p><p>&l

33、t;b>　　6、運(yùn)行矩頻特性：</b></p><p>　　電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，

34、使采用小電感大電流的電機(jī)。</p><p>　　7、電機(jī)的共振點(diǎn)： </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)

35、均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 </p><p>　　8、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：</p><p>　　當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-D-CD-C-BC-B-AB-A時(shí)為反轉(zhuǎn)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的特征如下：</p><p>　　1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%-5%，且不積累。&l

36、t;/p><p>　　2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。</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

37、矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。</p><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）的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　4、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，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)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)

38、在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。</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

39、得到應(yīng)用。</p><p>　　2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移，就是給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或是前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比，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

40、沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。</p><p>　　如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。</p><p>　　圖2-1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖</p><p>　　開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子

41、0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。</p><p>　　當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D</p><p>　　四

42、相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖</p><p>　　2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇</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）

43、、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。</p><p>　　反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，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，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。</p><p>　　永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多磁極的

44、圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好，但步距角一般比較大。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>　　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，它是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則

45、為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。</p><p><b>　　1、步距角的選擇</b></p><p&g

46、t;　　電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。</p><p><b>　　2、靜力矩的選擇</b></p><p>

47、;　　步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。</p><p><b&g

48、t;　　3、電流的選擇</b></p><p>　　靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）。</p><p><b>　　4、力矩與功率換算</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)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

49、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(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米</p><p>　　P=2πfM/400(半步工作）</p><p>　　其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱PPS）</p><

50、;p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹</p><p>　　2.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本體三部分組成。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方

51、向信號(hào)，每發(fā)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，即步進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)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?hào)決定步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電源組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一旦接收到來自控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組導(dǎo)通或截止信號(hào)?？刂齐娐份敵龅男盘?hào)功率很低，不能

52、提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分。功率驅(qū)動(dòng)電路向步進(jìn)電機(jī)控制繞組輸入電流，使其勵(lì)磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。保護(hù)電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時(shí)迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行。</p><p>　　2.2.2 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機(jī)相繞組的兩個(gè)固有屬性，電機(jī)的性能

53、和這兩個(gè)因素密切相關(guān)。繞組通電時(shí)，電感使繞組電流上升速度受到限制，因此影響電機(jī)繞組電流的大小。繞組線圈的電阻是電機(jī)溫升和電能損耗的主要因素。</p><p>　　圖2-3 電感-電阻串聯(lián)電路及其電流波形</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的相繞組可以等效為一個(gè)電感一電阻串聯(lián)電路。圖2-3表明了一個(gè)電感一電阻電路的電氣特性。在 t=0時(shí)刻，電壓V施加到該電路上時(shí)，電路中的電流變化規(guī)律為:</

54、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(jīng)過一段時(shí)間，電流達(dá)到最大值:</p><p><b>　　Imax=V/R</b></p><p>　　L

55、/R定義為該電路的時(shí)間常數(shù)，是電路中的電流達(dá)到最大電流Imax的63%所需要的時(shí)間。在 t=t:時(shí)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>　　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(shí)電流能夠達(dá)到最大值(a);當(dāng)矩形波頻率上升達(dá)到

56、某一臨界頻率，電流剛達(dá)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(dá)到最大值 (c)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與繞組的電流成正比，所以電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)能夠達(dá)到其額定轉(zhuǎn)矩，而在某一特定頻率以上運(yùn)行時(shí)，繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)逐漸減小，從而降低了高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶負(fù)載能力。</p><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>&l

57、t;p>　　要改善電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的性能，有兩種辦法:提高電流上升速度 VA 和減小時(shí)間常數(shù) 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(shí)間常數(shù)?；蛘咴陔娐分写?lián)電阻，使L/R減少。</p><p><b>　　2.3 單片機(jī)原理</b></p><p>　　2.31單片機(jī)原理概述</p><p>　　單片機(jī)（single-ch

58、ip microcomputer）是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。圖2-5中表示單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　圖2-5典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　

59、2.3.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)</p><p>　　單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要與外界交換信息。人們需要通過人機(jī)對(duì)話，了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制。單片機(jī)芯片與其它CPU比較，功能雖然要強(qiáng)得多，但由于芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多，在構(gòu)成實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)需要加以擴(kuò)展，以適應(yīng)不同的工作情況。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成基本上如圖2-6所示。</p><p>

60、;　　圖2-6 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)</p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應(yīng)用系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款最小應(yīng)用系統(tǒng)，最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用來構(gòu)成簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，如開關(guān)量的輸入/輸出控制、時(shí)序控制等。對(duì)于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片來說,最小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復(fù)位電路和電源的單個(gè)芯

61、片；對(duì)與片內(nèi)沒有ROM/EPROM芯片來說，其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外，還應(yīng)配備EPROM或EEPROM作為程序存儲(chǔ)器使用。</p><p>　　2.3.3 AT89C51簡(jiǎn)介</p><p>　　AT89C51的主要參數(shù)如表2-1所示：</p><p>　　表2-1 AT89C51的主要參數(shù)</p><p>　　

62、AT89C51含E²PROM電可編閃速存儲(chǔ)器。有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密系統(tǒng)，防止E²PROM中的程序被非法復(fù)制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲(chǔ)器E²PROM容量可達(dá)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(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電

63、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。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)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(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其引腳如圖2-7所示。</p><p>　　1、主要特性：·與MCS-51 兼容·4K字節(jié)可編程閃

64、爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán) </p><p>　　圖2-7 單片機(jī)的引腳排列</p><p>　　·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

65、電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)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(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

66、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。 

67、60;  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。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)</p><p>　　P3口：

68、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： 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

69、/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

70、。 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

71、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。    XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p><b>　　3、I/O口引腳：</b></

72、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（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

73、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)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p><b>　　5、芯片擦除：</b></p&g

74、t;<p>　　整個(gè)EPROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)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(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51設(shè)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電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的

75、內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。</p><p>　　第 3 章 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)整圖</b></p><p>　　系統(tǒng)整圖如圖3-1所示，本系統(tǒng)采用外部中斷方式，p0口作為信號(hào)的輸入部分，p1口為發(fā)光二極管顯示部分，p2口作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分。</p>

76、<p><b>　　圖3-1 系統(tǒng)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(yīng)用要注意以下幾點(diǎn)：（1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)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

77、熱片的尺寸要足夠大，否則會(huì)導(dǎo)致高溫保護(hù)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(jìn)電機(jī)供電，5V電壓則給單片機(jī)供電。分別如圖3-2、圖3-3所示。</p><p>　?。?）、產(chǎn)生12V的電壓給步進(jìn)電機(jī)供電</p><p>　　圖3-2 12V電路部分</p><p>　　（2）產(chǎn)生5V的電壓給單片機(jī)供電</p><

78、;p>　　圖3-3 5V電路部分</p><p><b>　　3.3 按鍵部分</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的P0口來控制信號(hào)的輸入，所以把按鍵開關(guān)和P0口連接起來，當(dāng)按下開關(guān)S1時(shí)，相當(dāng)于給P0.0口一個(gè)低電平；當(dāng)按下開關(guān)S2時(shí)，相當(dāng)于給P0.1口一個(gè)低電平；當(dāng)按下開關(guān)S3時(shí)，相當(dāng)于給P0.2口一個(gè)低電平；當(dāng)按下開關(guān)S4時(shí)，相當(dāng)于給P0.

79、3口一個(gè)低電平；當(dāng)按下開關(guān)S5時(shí)，相當(dāng)于給P0.4口一個(gè)低電平。然后通過單片機(jī)實(shí)行相應(yīng)的操作。如圖3-4。</p><p>　　圖3-4 按鍵部分電路</p><p><b>　　3.4 驅(qū)動(dòng)部分</b></p><p>　　此電路是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，我選用的是ULN2004芯片來驅(qū)動(dòng)的，ULN2004系列是一款高耐壓，大電流達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器，

80、包含7個(gè)NPN達(dá)林頓管。如圖3-5。</p><p>　　圖3-5 驅(qū)動(dòng)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(yīng)端口是低電平，相應(yīng)的發(fā)光二極管就會(huì)亮，用它來表示步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)。如圖3-6。 </p><p>　　圖3-6 狀態(tài)指示部分電路</p>

81、<p><b>　　3.6 時(shí)鐘部分</b></p><p>　　時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，可以通過提高時(shí)鐘頻率來提高CPU的速度，本次設(shè)計(jì)采用的晶振為12MHz。如圖3-7。</p><p>　　圖3-7 時(shí)鐘部分電路</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.

82、1 系統(tǒng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(jī)為內(nèi)核的單片機(jī)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(jī)為基礎(chǔ)的集成開發(fā)環(huán)境。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)是AT89C51。</p><p><b>　　4.2 系統(tǒng)主程序</b></p>&l

83、t;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 主程序框圖</p><p><b>　　4.3 查鍵部分</b></p><p>　　查鍵程序用于判斷P0.0口與P0.1口的值，當(dāng)p0.0口為0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)p0.0口為1時(shí)，繼續(xù)判斷p0.1口的值，p0

84、.1口為0時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。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(jìn)部分</b></p><p>　　系統(tǒng)初始化之后，前進(jìn)子程序R0用于給P2口送不同的值，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的相序，使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，P2口的值分別為01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H。流程圖如圖4-

85、3所示。</p><p>　　圖4-3 前進(jìn)部分流程圖</p><p><b>　　4.5 后退部分</b></p><p>　　電機(jī)反轉(zhuǎn)原理與正轉(zhuǎn)相似，此時(shí)P2口的值分別為09H，08H，0CH，04H，06H，02H，03H，01H。流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 后退部分流程圖</p&g

86、t;<p><b>　　4.6 加速部分</b></p><p>　　當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候，按下加速鍵，調(diào)用加速子程序，使電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的延時(shí)時(shí)間變短，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速。流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 加速部分流程圖</p><p><b>　　4.7 減速部分</b></p&

87、gt;<p>　　電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候，按下減速鍵，通過改變電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的延時(shí)時(shí)間，使時(shí)間變長，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(tǒng)的調(diào)試與檢測(cè)</p><p>　　5.1程序編譯時(shí)的錯(cuò)誤與解決方法</p><p>　　把編好的程序（包括正

88、反轉(zhuǎn)程序、停止程序、顯示程序等）合理安排好結(jié)合到一起進(jìn)行編譯。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><p>　　5.2 LM7812輸出電壓錯(cuò)誤與解決方法</p><p>　　電路的工作離不開電源，所以電

89、源是必不可少的。電源采用的是利用變壓器將220V的電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)是否合理、元器件焊接是否正確，焊接好以后需要仔細(xì)檢查。用萬用表分別檢測(cè)從7812和7805第三個(gè)端口出來的是否是12V和5V，結(jié)果發(fā)現(xiàn)7805兩端電壓正常，7812兩端電壓非常不穩(wěn)

90、定。用萬用表仔細(xì)檢查了每根線，發(fā)現(xiàn)了原因，電路板存在虛焊的現(xiàn)象。再次將電路板焊好，檢查好以后，用萬用表檢測(cè)兩端輸出電壓，結(jié)果正確，電源準(zhǔn)備工作完畢。</p><p>　　5.3 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)錯(cuò)誤及解決方法</p><p>　　步進(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)

91、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>　　5.4 結(jié)論與展望</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)步

92、進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及速度的調(diào)節(jié)，通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)加強(qiáng)了我對(duì)軟件編程和硬件設(shè)計(jì)的掌握，并且熟悉了ULN2004、74ls11等芯片。步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動(dòng)輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等，所以說步進(jìn)電機(jī)有著廣闊的市場(chǎng)和遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1

93、]張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2005.</p><p>　　[2]李夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.</p><p>　　[3]王鴻鈺.步進(jìn)電機(jī)控制入門[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1990.</p><p>　　[4]袁任光,張偉武.電動(dòng)機(jī)控制電路選用與258實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,

94、2005.</p><p>　　[5]王秀和.永磁電機(jī)[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(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33（4）：64-64.</p><p>　　[7]孫笑輝,韓曾晉.減少感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法[J].電氣傳動(dòng),2001，(1):8-11.&l

95、t;/p><p>　　[8]馮江華,陳高華,黃松濤.異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1999，(6):29-33.</p><p>　　[9]江一，朱凌,申仲濤.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2003，(1):10-13.</p><p>　　[10]韓利虎. 淺談步進(jìn)電機(jī)的基本原理[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, Inner Mong

96、olia Petrochemical Industry, 2007，(11):109.</p><p>　　[11]張巍. 淺談單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)[J]. 安防科技,2006，(3): 25.</p><p>　　[12] 喬璐.,景林,韓英桃.一種實(shí)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī),2005，(10):29-31.</p><p>　　[13] 康晶.采用

97、反饋控制的步進(jìn)電機(jī)高低壓驅(qū)動(dòng)電路[J].電力電子技術(shù),2003,37(1):61-62,65. </p><p>　　[14] Isao Takahashi,Toshihiko Noguchi.A new responese and high-efficiency control strategy of an motor[J].IEEE Trans on Ind Appl,1986,22(5):820-827.&

98、lt;/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</b></p><p>　　首先誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師xx老師，從選題的確定、

99、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(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓思路，老師以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)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(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神為我樹立了一輩子學(xué)習(xí)的典范，她的教誨與鞭策將激勵(lì)我在學(xué)習(xí)和生活的道路上勵(lì)精圖治，開拓創(chuàng)新。她淵博的知識(shí)、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>

100、;　　在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我要感謝許多讓我分享他們寶貴經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的老師，教會(huì)我正確的思考方式。同時(shí),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(xué)同學(xué)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><p><b>　　附錄1：源程序清單</b></p><

101、p>　　QIAN EQU 40H</p><p>　　HOU EQU 41H</p><p>　　JIA EQU 42H</p><p>　　JIAN EQU 43H</p><p>　　TING EQU 44H</p><p><b>　　ORG 000H</b></p>

102、<p><b>　　LJMP MAIN</b></p><p><b>　　ORG 003H</b></p><p>　　LJMP DUAN ///外部中斷0</p><p><b>　　ORG 0030H</b></p><p>

103、;　　MAIN: ///初始化</p><p>　　MOV R0,#0FH</p><p>　　MOV 10H,#01H</p><p>　　MOV 11H,#03H</p><p>　　MOV 12H,#02H</p><p>　　MOV 13H,#06H</p><

104、p>　　MOV 14H,#04H</p><p>　　MOV 15H,#0CH</p><p>　　MOV 16H,#08H</p><p>　　MOV 17H,#09H</p><p>　　MOV 20H,#50</p><p>　　MOV 21H,#40</p><p>　　MOV 2

105、2H,#30</p><p>　　MOV 23H,#20</p><p>　　MOV 24H,#10</p><p>　　MOV 25H,#5</p><p>　　MOV R1,#20H</p><p>　　MOV IE,#10000001B</p><p><b>　　CLR QIA

106、N</b></p><p><b>　　CLR HOU</b></p><p><b>　　CLR JIA</b></p><p><b>　　CLR JIAN</b></p><p><b>　　CLR TING</b></p>

107、<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>　　LOOP1:JNB QIAN ,LOOP2</p><p>　　ACALL FRONT1</

108、p><p>　　LOOP2:JNB HOU,LOOP1</p><p>　　ACALL BACK1</p><p>　　DUAN: MOV A,P0</p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ANL A,#1FH ///去高三位，使按下去的一位為1</p&

109、gt;<p>　　CJNE A,#00H,CHA</p><p><b>　　AJMP DUAN</b></p><p>　　CHA: ACALL DELAY10MS</p><p><b>　　MOV A,P0</b></p><p><b>　　CPL A</b&g

110、t;</p><p>　　ANL A,#1FH</p><p>　　JZ DUAN///為零轉(zhuǎn)移</p><p>　　ACALL ZHAO</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　ZHAO:MOV A,P0//查找是哪一位，下面置1</p>&

111、lt;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 ACC.4,STOP</p><p>　　FRONT:SETB QIAN</p>

112、;<p><b>　　RET</b></p><p>　　BACK: SETB HOU</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　FAST: SETB JIA</p><p><b>　　RET</b></p><p>

113、;　　SLOW: SETB JIAN</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　STOP: SETB TING</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　FRONT1:CLR QIAN</p><p><b>　　CLR

114、HOU</b></p><p><b>　　CLR JIA</b></p><p><b>　　CLR JIAN</b></p><p><b>　　CLR TING</b></p><p>　　INC R0 ///前進(jìn)子程序 R0用于給P2口送不同的值&l

115、t;/p><p>　　MOV P2,@R0</p><p><b>　　MOV A,@R1</b></p><p>　　MOV R2,A /// R2用于延時(shí)不同的時(shí)間</p><p>　　ACALL DELAY</p><p>　　CJNER0,#17H,XIA</p>&l

116、t;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</p><p>　　JNB JIA,XIA1</p><p>　　A