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

1、2017屆電子信息工程專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)論文基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于利用其組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、廉價(jià)、實(shí)用價(jià)值高的特點(diǎn)。因此在精度要求比較高的精密儀器以及各種控制裝置中有著極其廣泛的應(yīng)用如:噴繪機(jī)、刻字機(jī)、線切割、機(jī)器人等領(lǐng)域。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C語(yǔ)言編寫(xiě)出電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序代碼，通過(guò)單片機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003以及相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)以上操作功能，步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)用相應(yīng)的LCD1602顯示。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、軟件程序。并對(duì)軟、硬件進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)介紹了調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決

2、問(wèn)題的方法。該設(shè)計(jì)具有思路清晰、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)試實(shí)現(xiàn)了上述功能。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)Abstract: Stepper motor due to the use of the open loop system consisting of a simple, cheap, and the characteristics of high practical value. So in accuracy requirement high precision instrument and various kinds of control device has t

3、he extremely widespread application, such as: spraying machine, carving machine, thread cutting, robot, etc. Is introduced in this paper a system based on single-chip stepper motor design, using C language to write the motor forward, reverse, acceleration, deceleration and stop the program code, thr

4、ough single chip, motor drive chip ULN2003 as well as the corresponding button to achieve the above operation function, the working state of the stepper motor with the corresponding LCD1602 display. Content of this article introduces the principle of step motor and single chip microcomputer, hardwar

5、e circuit and software program of the system. And the hardware and software debugging, and introduces the debugging process problems and the methods to solve the problem. This design has ideas clearly, high reliability, strong stability, etc, through debugging realized the function. Key Words: Stepp

6、er motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; scm 1 緒論 1.1 引言在眾多的執(zhí)行元件中,步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電設(shè)備不可缺少的元件。步進(jìn)電機(jī)是一種微型電機(jī),它的工作原理是利用電子電路,將直流電變成分時(shí)供電的,多相時(shí)序控制電流。用此電流供電,電機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn),而它的具體工作過(guò)程是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者是線位移來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表中應(yīng)用電機(jī)實(shí)現(xiàn)其調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制的功能已普遍存在,它最突出的優(yōu)點(diǎn)是能在寬頻率中改變脈沖頻率對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制。并且組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)利于人們控制,操作簡(jiǎn)便。微電子和計(jì)

7、算機(jī)技術(shù)的日益成熟,使步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)電子自動(dòng)化、印刷設(shè)備、機(jī)器人和智能醫(yī)療設(shè)備中的需求量不斷提高,對(duì)于研制出具有高精確度、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)字顯示的步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)有著很大的實(shí)用意義。這次設(shè)計(jì)選用28BYJ-48型號(hào)四相步進(jìn)電機(jī),它有三種工作模式,利用其單雙相工作模式進(jìn)行工作,使其提高步進(jìn)的精度。整個(gè)控制系設(shè)計(jì)組成有:電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、液晶顯示和按鍵部分設(shè)計(jì)三大模塊。 1.2課題研究的目的和意義本文選用28BYJ48型五線四相步進(jìn)電機(jī),采用單雙相工作模式。采用單片機(jī)控制脈沖數(shù)使其步進(jìn)電機(jī)完成驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)一系列指定工作要求。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的,所以研究其工作原理和工作

8、模式有著很大的實(shí)用意義。通過(guò)單片機(jī)的控制,讓步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按預(yù)設(shè)定的方向,轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,實(shí)現(xiàn)其指定功能。在掃描儀、打印機(jī)、DVD-ROM驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用中尤為頻繁。研究步進(jìn)電機(jī)可以從研究單片機(jī)脈沖的控制開(kāi)始入手,通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量達(dá)到控制的目的。在實(shí)際工作過(guò)程中可以用作準(zhǔn)確定位。通過(guò)設(shè)計(jì)硬件電路和程序編寫(xiě),利用其上述步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)作為設(shè)計(jì)目的,研究完成電機(jī)的工作模式和功能調(diào)試。2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 2.1 步進(jìn)電機(jī)介紹 2.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)作為本系統(tǒng)的主要組成部件。它在不超載的狀況下,其運(yùn)行的轉(zhuǎn)速、停止方位只由脈沖信號(hào)的頻率和脈沖個(gè)

9、數(shù)所決定,且不受負(fù)載變化而變化。它的積累誤差幾乎沒(méi)有,要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),只需按照一個(gè)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的方法即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種特有的線性關(guān)系,讓步進(jìn)電機(jī)在速度和定位相關(guān)的行業(yè)中,變得非常易于控制。不同的步進(jìn)電機(jī)又因?yàn)閺S家設(shè)置的電機(jī)參數(shù)不同,性能也迥異,因此選擇一個(gè)合適步進(jìn)電機(jī),了解其性能指標(biāo)參數(shù)尤為重要,這決定了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。輸入信號(hào)的時(shí)候,通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)數(shù)字量能直接接收的特點(diǎn),使其免去了大量繁瑣的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的工作,利用單片機(jī)簡(jiǎn)單的程序代碼即可讓其實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng),因此非常適合用于微機(jī)控制。這次設(shè)計(jì)采用帶減速比步距角為5.625/64度的四相永磁式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的

10、主要參數(shù)有如下: 1、相數(shù):在不同磁力作用下N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。一般用符號(hào)m表示。2、 拍數(shù):是指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角完成磁場(chǎng)周期變化所需要的脈沖數(shù),常用n表示。以四相四拍運(yùn)行方式為例:即BC-CD-DA-AB-BC;四相八拍運(yùn)行方式即 B-BC-C-CD-D-DA-A-AB-B.3、 步距角:輸入一個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械位移(角位移)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械位移用表示。=360度/(轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)),以現(xiàn)在應(yīng)用普遍的二、四相,轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)為50齒的步進(jìn)電機(jī)作計(jì)算說(shuō)明。四拍運(yùn)行時(shí)步距角等于1.8度,八拍運(yùn)行時(shí)步距角等于0.9度。通過(guò)計(jì)算:八拍運(yùn)行時(shí),不帶減速齒輪情況下,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈

11、需要走400步。4、 步距角精度:即電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的步距角和理論上計(jì)算的步距角之間的誤差范圍。四拍和八拍運(yùn)行時(shí),誤差范圍分別應(yīng)該在為5%和15%以下。5、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與電機(jī)內(nèi)部繞組密切相關(guān),通過(guò)相與相之間的通電順序不同,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向便發(fā)生變化如:通電相序?yàn)锽-BC-C-CD-D-DA-A-AB時(shí)則正轉(zhuǎn),通電相序?yàn)锳B-A-DA-D-CD-C-BC-B時(shí)則反轉(zhuǎn)。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的工作原理是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移,當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí),定子繞組生成一個(gè)磁場(chǎng)。此磁場(chǎng)會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度。給輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)進(jìn)入電機(jī),電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度

12、。而輸入信號(hào)的脈沖數(shù)與步進(jìn)電機(jī)的角位移量成正比,輸入信號(hào)脈沖頻率高低又與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,因此只要改變繞組相通電的順序,電機(jī)就會(huì)正反轉(zhuǎn)動(dòng)。所以可用控制脈沖的數(shù)量、頻率高低、相繞組通電順序的這些方法,來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。如下圖所示28BYJ48五線四相步進(jìn)電機(jī)工作原理圖,采用單極性直流電源供電方式。通過(guò)對(duì)相繞組通電順序的改變,使產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變化,磁力之間相互要達(dá)到平衡狀態(tài)。使步進(jìn)電機(jī)完成在不同拍數(shù)之間工作模式的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖21是該步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖2-1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖單四拍工作時(shí),開(kāi)關(guān)SB合上時(shí),其余三個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊,同時(shí)轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D

13、相繞組磁極錯(cuò)開(kāi),直至相互之間的磁拉力達(dá)到平衡;2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極在磁拉力作用下錯(cuò)開(kāi),最后轉(zhuǎn)子受力平衡不再轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)SC合上時(shí),其余三個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。因?yàn)镃相繞組產(chǎn)生的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的相互作用,所以轉(zhuǎn)子因此而轉(zhuǎn)動(dòng)。磁力達(dá)到平衡后1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極就隨之對(duì)齊了。在磁拉力作用下0、3號(hào)齒和A、B相繞組開(kāi)始錯(cuò)開(kāi);而在此時(shí),2、5號(hào)齒就與A、D相繞組磁極錯(cuò)開(kāi),相應(yīng)的磁拉力達(dá)到平衡。按照上述方法依次類(lèi)推出A、B、C、D相的通電順序,則電機(jī)按照四個(gè)相數(shù)通電順序依次轉(zhuǎn)動(dòng)。1相勵(lì)磁方式(單相)、2相勵(lì)磁方式(雙相)與1-2相勵(lì)磁方式(單雙相)工作時(shí)的電源通電時(shí)序波形圖分別如圖2-

14、2所示:圖2-2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)與選擇步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi)劃分可分為三種:反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī);作為特種電機(jī)來(lái)說(shuō),它們的應(yīng)用各有如下優(yōu)缺點(diǎn):反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),一般為三相。步距角可以設(shè)計(jì)得很小,一般為1.5度。此類(lèi)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,但其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差,噪聲和振動(dòng)很大；80年代在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中已被淘汰。永磁式步進(jìn)電機(jī),一般為兩相。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩出力大,動(dòng)態(tài)性能好,轉(zhuǎn)矩和體積較小。通常步進(jìn)角為7.5度 或者為15度?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)則融合了永磁式和反應(yīng)式兩者的優(yōu)點(diǎn)?？煞譃閮上嗪臀逑鄡煞N,且它們的步進(jìn)角分別為1.8度和 0.72度。這種在工業(yè)

15、制造中的混合式步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用甚廣,不僅步距角小,輸出力矩大,而且動(dòng)態(tài)性能也很好。在智能設(shè)備以及精確度要求高的工藝加工中多用此類(lèi)型步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)采用市場(chǎng)最常見(jiàn)的小型號(hào)28BJY48步進(jìn)電機(jī),此電機(jī)為四相八拍步進(jìn)電機(jī),工作電壓為5V。此步進(jìn)電機(jī)具有體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于初步入門(mén)學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)者來(lái)說(shuō),最為合適。28BJY48步進(jìn)電機(jī)具參數(shù)如圖表1-1所示。表1-1 28BJY48步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號(hào)電壓V相數(shù)相電阻±10%步距角度減速比起動(dòng)轉(zhuǎn)矩100P.P.Sg.cm起動(dòng)頻率P.P.S定位轉(zhuǎn)矩g.cm28BYJ-48543005.625/641:6430055030028BJ

16、Y48步進(jìn)電機(jī)以單雙八拍為工作模式，其繞組通電時(shí)序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA，其步距角是最小步距角的16倍。通過(guò)單片機(jī)的P1口把電機(jī)的A相、B相、C相及D相的真值表轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的十六進(jìn)制，并通過(guò)脈沖控制P1口不同相序通電后步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)真值表如表1-2所示。表1-2 步進(jìn)電機(jī)單雙八拍旋轉(zhuǎn)相序真值表 橙（A） 黃（B）粉（C）藍(lán)（D）十六制（P1口）10000x0811000x0c01000x0401100x0600100x0200110x0300010x0110010x09 2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 2.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)

17、工作時(shí),不像直流電機(jī)那樣直接通入交流電便可開(kāi)始工作,需要專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)工作。其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由選擇也至關(guān)重要,性能不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共同點(diǎn)是其組成部分大致都一樣,都由步進(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)三部分所組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能與很多因素有關(guān)如:驅(qū)動(dòng)器自身性能優(yōu)劣,以及驅(qū)動(dòng)的電機(jī)和設(shè)計(jì)得驅(qū)動(dòng)電路好壞等。而其工作過(guò)程是由步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)來(lái)完成的。每發(fā)出一個(gè)電脈沖,驅(qū)動(dòng)器則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角,并依次按照發(fā)送電脈沖的順序和個(gè)數(shù)讓步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器只要接收到來(lái)自單片機(jī)控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖后,控制電路就按已經(jīng)設(shè)定好的相序通電方式

18、,讓相繞組通電或斷電。通常,+5V供電的單片機(jī)控制輸出信號(hào)功率一般都不高,不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率,在運(yùn)用設(shè)計(jì)電路知識(shí)時(shí),應(yīng)添加功率放大電路,此設(shè)計(jì)所用功率放大芯片為UNL2003。2.2.2 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性步進(jìn)電機(jī)各相繞組由銅線圈纏繞而成,涉及線圈那么可由電阻和電感特性分析電機(jī)相繞組,通過(guò)其分析電阻電感組成的電路,來(lái)分析電機(jī)工作時(shí)受影響的參數(shù)。當(dāng)繞組通電時(shí),由于電感會(huì)削弱電流,限制繞組電流上升的速率,因此能導(dǎo)致電機(jī)繞組電流大小發(fā)生變化。而繞組線圈電阻的存在又會(huì)使電機(jī)溫度升高、電能白白損耗,最終影響其電機(jī)工作的工作狀態(tài)。因此分析這些影響電機(jī)工作的因素尤為重要。圖2-3 電感-電阻

19、串聯(lián)電路及其電流波形圖2-3為電感一電阻串聯(lián)電路,由電機(jī)相繞組等效而來(lái)。當(dāng) t=0時(shí)刻時(shí),直流電壓源V施加到該電路上,電路電流變化規(guī)律可由以下公式推導(dǎo): I(t)=V(1-e-Rt/L)/R通電瞬間繞組電流上升速率為:di(0)/dt=V/t如圖可知,當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)為: Imax=V/R由上圖可知,當(dāng)電路中的電流達(dá)到最大電流Imax的63%時(shí),所需要用的時(shí)間是由L/R定義的時(shí)間常數(shù)決定的。在 t=t1時(shí)刻,曲線到達(dá)最高點(diǎn)轉(zhuǎn)而開(kāi)始下降,電流開(kāi)始以初始速率一V/L下降,直至逐漸下降為零。而此時(shí)刻反映在電路中的現(xiàn)象為:電路斷開(kāi)與直流電壓源V接通,并使之短路。其電流變的化規(guī)律如下公式推導(dǎo):I(t)

20、=Ve-R(t-t1)/L/R如圖2-4所示,在施加不同頻率的電壓矩形波之后,電流波形圖中電流的大小變化。(a)片段所顯示的是低頻時(shí)運(yùn)行時(shí),步進(jìn)電機(jī)電流能達(dá)到最大值;當(dāng)矩形波頻率上升達(dá)到某一臨界頻率。(b)片段所顯示的是步進(jìn)電機(jī)電流上升到最大值后立馬變化隨之下降;(c)片段所顯示的是矩形波頻率超過(guò)此臨界頻率值之后,步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流上升不到最大值 。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與繞組的電流成正比,所以在臨界頻率上下運(yùn)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況也不同。低速運(yùn)行電機(jī)能達(dá)到其額定轉(zhuǎn)矩,在高于臨界頻率運(yùn)行時(shí),繞組電流隨著頻率的升高隨之下降;電機(jī)轉(zhuǎn)矩漸漸變小,高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載能力也隨之漸漸下降。圖2-4 不同頻率

21、脈沖作用下電感-電阻電路的電流波形2.3 單片機(jī)原理2.3.1單片機(jī)原理概述單片機(jī)(single-chip microcomputer)是把微型計(jì)算機(jī)CPU、存儲(chǔ)器、I/O口等核心工作部件都集成在一起的單芯片微型計(jì)算機(jī)。圖2-5中所示單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖。由于單片機(jī)內(nèi)部高度集成化,對(duì)于結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行了很大的改善,使得系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離變短,提高了工作時(shí)的運(yùn)行和讀取速度,對(duì)于工業(yè)要求任務(wù)能夠很好的勝任。因此,單片機(jī)在智能家居、機(jī)器人、線切割等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。圖2-5典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.3.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)人們?cè)趯?duì)單片機(jī)在進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理時(shí),在怎樣讓單片機(jī)完成指定功能的過(guò)程中,實(shí)行人機(jī)對(duì)話交流,了解系統(tǒng)

22、的工作情況至關(guān)重要。單片機(jī)CPU雖然在高度集成后擁有許多優(yōu)點(diǎn),但由于單片機(jī)自身芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制,內(nèi)存和I/O口都相對(duì)較少。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),單片機(jī)為了適應(yīng)某些極端環(huán)境下工作,應(yīng)該根據(jù)不同功能要求,加擴(kuò)展口實(shí)現(xiàn)更多特定的系統(tǒng)功能。單片機(jī)元件結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。圖2-6 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 通過(guò)運(yùn)用單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng),加入相應(yīng)的外圍電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路,構(gòu)成本設(shè)計(jì)的內(nèi)容。由于最小系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)于一些模擬開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出控制、A/D和D/A轉(zhuǎn)換控制和并行和串行口控制來(lái)說(shuō),配用最小應(yīng)用系統(tǒng)還是能夠完成的。而對(duì)于最小應(yīng)用系統(tǒng)有片內(nèi)ROM/EPROM的芯片來(lái)說(shuō),電路一般由晶體振蕩器、復(fù)位電

23、路和電源所組成;片內(nèi)無(wú)ROM/EPROM芯片,則最小應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該配置上述的晶振、復(fù)位電路、電源以及外部程序存儲(chǔ)器。2.3.3 AT89C52簡(jiǎn)介AT89C52的主要參數(shù)如表2-1所示：表2-1 AT89C52的主要參數(shù)型號(hào)存儲(chǔ)器定時(shí)器I/0串行口中斷速度（MH）其它特點(diǎn)E²PROMROMRAM89C524K5123321535低功耗AT89C52是一種帶8K字節(jié)可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器。有著低功耗,性能強(qiáng)的CMOS8位微處理器。該器件的指令系統(tǒng)與其它單片機(jī)相兼容,由ATMEL公司生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn),在電子行業(yè)應(yīng)用甚廣。其功能引腳如圖2-7所示。圖2-7 單片機(jī)的引腳排列1、主要特性：

24、3;與MCS-51 兼容·具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器·工作平率范圍：0Hz-40Hz·工作電壓：5.5V3.3V·用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)·片上集成512字節(jié)RAM·32可編程I/O線·16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3個(gè)。即定時(shí)器T0、T1、T2·8個(gè)中斷源·看門(mén)狗和EEPROM功能·低功耗的空閑和掉電模式：典型功耗2mA·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2、管腳說(shuō)明：    VCC：電源電壓。    GND：接地。 

25、0;  P0端口:P0口作為8位開(kāi)路雙向I/O口,每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載,對(duì)端口P0寫(xiě)入“1”時(shí),可以作為高阻抗輸入。在訪問(wèn)外部程序和FIASH編程時(shí),P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線,P0 端口則接收指令字節(jié)。當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),P0輸出指令字節(jié),P0外部電路則要接上拉電阻。    P1端口:P1口是8位雙向I/O口,需要提供上拉電阻。當(dāng)P1口被寫(xiě)入1后,其管腳被內(nèi)部上拉到高電位,可用作輸入口。而在外部電路中被下拉為低電平時(shí),將輸出電流,因?yàn)閮?nèi)部上拉的作用導(dǎo)致。    P2端口:

26、P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,當(dāng)P2口被寫(xiě)1時(shí),其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入口。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口輸出高8位地址;在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P2口引腳上的內(nèi)容,在訪問(wèn)期間內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。 P3端口:內(nèi)部自帶8個(gè)上拉電阻的雙向I/O口?？山邮沼糜贔lash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào),P3口輸出緩沖器可吸收4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。 P3端口除了有內(nèi)部常用的功能外,還可為AT89C52提供一些特殊功能口,如下所示： P3口管腳復(fù)用功能 P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口） P3.

27、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(xiě)選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）  RST：復(fù)位接口。外接復(fù)位電路,復(fù)位默認(rèn)高電平有效。 XTAL1：構(gòu)成單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入端。  XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸入端。3、I/O口引腳：a：P0口，雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）復(fù)用；b：P1口，8位準(zhǔn)雙向I/O口；c：P2口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用；d：P3口，8位準(zhǔn)雙向

28、I/O口，雙功能復(fù)用。3系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu) 3.1 系統(tǒng)整圖系統(tǒng)整圖如圖3-1所示，本系統(tǒng)采用外部中斷方式，p0口作為液晶顯示部分，p1口為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，p3口作為信號(hào)的輸入部分。圖3-1 系統(tǒng)整圖 3.2 時(shí)鐘部分時(shí)鐘電路是微計(jì)算機(jī)的核心,它控制著單片機(jī)CPU工作時(shí)的運(yùn)行速度和性能。通常想讓CPU的運(yùn)行速度提高,可以選擇提高時(shí)鐘的頻率,本次設(shè)計(jì)采用12MHz的晶振頻率。如圖3-6。圖3-6 時(shí)鐘部分電路3.3 電源部分 利用電池盒或者電源頭讓步進(jìn)電機(jī)得到5V的電壓。如圖3-2所示。圖3-2 5V電路部分3.3 按鍵部分按鍵設(shè)計(jì)部分用單片機(jī)的P3口來(lái)作控制信號(hào)的輸入端,并用按鍵開(kāi)關(guān)和P3口依次

29、連接,用以下按鍵來(lái)控制功能。當(dāng)要使電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)按下S1,P3.0口變?yōu)榈碗娖?要使電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)按下S2,P3.1口變?yōu)榈碗娖?停止時(shí)按下S3,P3.2口變?yōu)榈碗娖?電機(jī)停止。加速時(shí)按下S4,P3.3口變?yōu)榈碗娖?電機(jī)加速;減速時(shí)按下S5,P3.4口變?yōu)榈碗娖?電機(jī)減速。如圖3-3。圖3-3 按鍵部分電路 3.4 驅(qū)動(dòng)部分下圖是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)芯片選用ULN2003來(lái)完成驅(qū)動(dòng)的。通過(guò)ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片具有高耐壓,能輸出大電流的特點(diǎn),彌補(bǔ)了單片機(jī)自身對(duì)電機(jī)提供控制信號(hào)的不足,加上ULN2003芯片其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由7個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成,可以在5V的工作電壓下與CMOS電路和TTL直接相連,處

30、理數(shù)據(jù)。因此選擇此款驅(qū)動(dòng)芯片。如圖3-4。圖3-4 驅(qū)動(dòng)部分電路 3.5 狀態(tài)指示部分用LCD1602液晶顯示屏電機(jī)狀態(tài),其顯示內(nèi)容包括步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、轉(zhuǎn)速信息。利用顯示設(shè)備LCD1602液晶顯示,既能清楚方便的了解步進(jìn)電機(jī)工作所處的狀態(tài),又能達(dá)到控制目的。如圖3-5。 圖3-5 狀態(tài)顯示部分電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟硬件環(huán)境現(xiàn)在眾多的微型計(jì)算機(jī)中,在與51單片機(jī)相比之下,以不斷創(chuàng)新52型STC系列的單片機(jī)為內(nèi)核的出現(xiàn),完善了一些51單片機(jī)的不足之處。國(guó)外單片機(jī)公司如:ATMEL、TI、ARM公司推出了52單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境以適應(yīng)其市場(chǎng)的需求。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用微機(jī)芯片為

31、STC系列的AT89C52單片機(jī)。 4.2 系統(tǒng)主程序步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由五部分組成如：電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)、電機(jī)加速與電機(jī)減速、電機(jī)停止。其主程序運(yùn)行框圖如圖4-1所示。開(kāi)始顯示函數(shù)進(jìn)入大循環(huán)LCD初始化定時(shí)器初始化模式切換按鍵掃描state=0正反轉(zhuǎn)標(biāo)記置零正轉(zhuǎn)鍵是否按下停止鍵是否按下減速鍵是否按下加速鍵是否按下反轉(zhuǎn)鍵是否按下State=1調(diào)用正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)State=1調(diào)用反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)State=1則改變speed值調(diào)節(jié)速度State=1則改變speed值調(diào)節(jié)速度ENDNYYYYY圖4-1 主程序框圖 程序開(kāi)始執(zhí)行，開(kāi)始各I/O口的初始化，各功能按鍵的定義，分配單片機(jī)的各口位，然后LC

32、D1602液晶屏顯示。再看各功能鍵盤(pán)是否被按下，如果有功能按鍵被按下，步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止；并通過(guò)液晶屏顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，一直循環(huán)。 4.3 按鍵部分按鍵程序用于判斷P3.0口與P3.1口的值,當(dāng)p3.1口為低電平時(shí),電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn),當(dāng)p3.1口為高電平時(shí),繼續(xù)判斷p3.0口的值,如果此時(shí)p3.0口為低電平,則電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)。當(dāng)p3.2口為低電平,電機(jī)停止;當(dāng)p3.3為低電平,電機(jī)開(kāi)始加速,繼續(xù)判斷p3.4口的值,如果此時(shí)p3.4口值為低電平,則電機(jī)開(kāi)始減速。如圖4-2所示。調(diào)按鍵子程序P3.1是否為0反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)P3.2是否為0P3.4是否為0P3.3是否為0 減速加

33、速停止P3.0是否為0YYNNYY圖4-2 按鍵部分流程圖 4.4 正轉(zhuǎn)部分系統(tǒng)初始化之后,通過(guò)掃描正轉(zhuǎn)按鍵是否按下,來(lái)通過(guò)正轉(zhuǎn)子程序給P1口送不同的十六進(jìn)制值,根據(jù)電機(jī)相序通電的方法,使電機(jī)按預(yù)設(shè)相序依次轉(zhuǎn)動(dòng)。P1口的電機(jī)相序值分別為03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H,01H。流程圖如圖4-3所示。正轉(zhuǎn)按鍵是否下（p3.1）開(kāi)始按鍵掃描State=1調(diào)用正轉(zhuǎn)子程序ENDN YY 圖4-3 正轉(zhuǎn)部分流程圖 4.5 反轉(zhuǎn)部分電機(jī)反轉(zhuǎn)原理與正轉(zhuǎn)相似，此時(shí)P1口的值分別為01H，09H，08H，0CH，04H，06H，02H，03H。流程圖如圖4-4所示。開(kāi)始按鍵掃描反轉(zhuǎn)按鍵是否

34、按下（p3.0=0?）State=1調(diào)用反轉(zhuǎn)子程序ENDNY圖4-4 反轉(zhuǎn)部分流程圖 4.6 加速部分通過(guò)按鍵掃描程序判斷電機(jī)是否正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。如果按下加速鍵,則p3.3口為低電平,調(diào)取加速子程序。其加速工作原理是延長(zhǎng)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的時(shí)間,讓其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度變快,電機(jī)相應(yīng)加速。在p3.3口為低電平時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速speed值增加。流程圖如圖4-5所示。YN開(kāi)始按鍵掃描加速鍵是否被按下（p3.3=0?）State=1改變speed值調(diào)用加速子程序END 圖4-5 加速部分流程圖 4.7 減速部分通過(guò)按鍵掃描程序判斷電機(jī)是否正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。如果按下減速鍵,則p3.4為低電平即可調(diào)取加速子程序。其減速工作原理

35、是延長(zhǎng)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的時(shí)間,讓其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度變慢,電機(jī)相應(yīng)減速。在p3.4為低電平時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速speed值減少。流程圖如圖4-6所示。 YN按鍵掃描減速鍵是否被按下（p3.4=0?）State=1改變speed值調(diào)用減速子程序END開(kāi)始圖4-6 減速部分流程圖5 系統(tǒng)的調(diào)試與檢測(cè) 5.1程序編譯時(shí)的錯(cuò)誤與解決方法將編寫(xiě)好的正反轉(zhuǎn)程序、停止程序、顯示等程序整理打包后,進(jìn)行編譯。用Keil編程軟件編譯檢查語(yǔ)法漏洞和錯(cuò)誤,去除語(yǔ)法錯(cuò)誤之后,檢查電路查看邏輯錯(cuò)誤有無(wú)。程序修改好以后,直至編譯器界面的編譯結(jié)果窗口顯示編譯0錯(cuò)誤,0警告為止。接著燒錄程序進(jìn)入單片機(jī)電路板,接通電源開(kāi)始仿真。觀察步進(jìn)電機(jī)能

36、否正常轉(zhuǎn)動(dòng),顯示是否正常。 5.2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常及解決方法最初步進(jìn)電機(jī)不能正常轉(zhuǎn)動(dòng),懷疑其工作原理是否弄錯(cuò),有無(wú)電路焊接錯(cuò)誤。為了解決問(wèn)題,防止電路出現(xiàn)虛焊、漏焊,使用萬(wàn)用表表筆測(cè)試,結(jié)果無(wú)導(dǎo)通斷開(kāi)等問(wèn)題。繼續(xù)查閱資料得出結(jié)果:步進(jìn)電機(jī)要實(shí)現(xiàn)正常正反轉(zhuǎn),首要問(wèn)題是轉(zhuǎn)子該如何通電,通電繞組相的次序應(yīng)該誰(shuí)先誰(shuí)后,其工作模式選用是否又存在錯(cuò)誤呢?通過(guò)查閱網(wǎng)上步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)數(shù)據(jù)資料,終于搞清了電機(jī)的四個(gè)相序和相序通電時(shí)的工作模式。其接線順序分別是A相(橙),B相(黃),E(紅),C相(粉),D相(藍(lán)),其中ABCD為電機(jī)四個(gè)相,E為電源+5V接線。把電路板排針和單片機(jī)引腳連線重新整理焊接后,繼續(xù)通上

37、電源觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況,結(jié)果電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)顯示正常。 5.3 結(jié)論與展望利用本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)功能及其工作原理的研究,讓我對(duì)代碼的書(shū)寫(xiě)和設(shè)計(jì)硬件電路有了更深刻的認(rèn)識(shí)和理解,并且熟悉了ULN2004電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、LCD1602液晶顯示屏的使用和步進(jìn)電機(jī)的工作原理。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我對(duì)單片機(jī)的工作原理、各引腳功能、以及定時(shí)器和中斷的應(yīng)用都有了更深刻的認(rèn)識(shí)。并且,自己能夠以單片機(jī)為基礎(chǔ)元件設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的工作系統(tǒng)。在現(xiàn)科技發(fā)展中,日漸成熟的智能家居以及機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,步進(jìn)電機(jī)將有著更為廣泛的發(fā)展空間。參考文獻(xiàn)1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,1998.2張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用

38、與實(shí)驗(yàn)M.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2005.3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),2003.4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,2005.5房玉明,杭柏林.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)J.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006.6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),2001.7王鴻鈺.步進(jìn)電機(jī)控制入門(mén)M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1990.8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 Mongolia Petrochemical Industry, 2007.9喬璐.,景林,

39、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 張巍. 淺談單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)J. 安防科技,2006.致 謝首先誠(chéng)摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師鄧凌云老師，從論文的寫(xiě)作、修改到最后定稿過(guò)程中，自始至終都傾注著老師的心血。特別是她多次詢問(wèn)寫(xiě)作進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，不斷與我交流，幫助我開(kāi)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(lè)觀的生活態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神為我樹(shù)立了學(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(kāi)拓創(chuàng)新并不斷進(jìn)取。為我在以后的工作領(lǐng)域中提供了一系列堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。她淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪

40、。我以最誠(chéng)摯的心意感謝鄧凌云老師。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)我正確的思考問(wèn)題的方式。同時(shí)也要感謝在論文寫(xiě)作過(guò)程中，幫助過(guò)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(kāi)他們的幫助，在此表示最深的謝意。附錄A ：系統(tǒng)總電路圖圖A 系統(tǒng)原理圖附錄B：源程序清單#include<reg52.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar i;sbit lcdrs=P20; /lcd rs 腳sbit lcdrw=P21;/lcd rw腳sbit lcden=P22

41、;/lcd en 腳 sbit key_zheng =P31; /定義正傳按鍵sbit key_fan =P30; /定義反轉(zhuǎn)按鍵sbit key_stop =P32; /定義停止按鍵sbit key_jiasu =P33; /定義加速按鍵sbit key_jiansu=P34; /定義 減速按鍵#define step 24 /定義 一圈步數(shù)uchar code dis_speed="Speed= . RPM "uchar code dis_state="Mode: "uchar code dis_positive=" FWD "u

42、char code dis_negative=" REV "uchar code dis_stop= " STOP "uint moto_delay, speed ,state;/轉(zhuǎn)速變量 電機(jī)工作狀態(tài)變量 uchar rotate28=0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09,0x01; /電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) /*下面設(shè)定19個(gè)轉(zhuǎn)速值，及19個(gè)轉(zhuǎn)速值的定時(shí)器時(shí)間*/uint zhuansu=1400,1350,1300,1250,1200,1150,1100,1050,1000,950,900,850,800,750,700,650,

43、600,550,500;uint timer_set=63443 ,63366 ,63282 ,63192 ,63095 ,62988 ,62873 ,62746 ,62606 ,62452 ,62281 ,62089 ,61874 ,61630 ,61351 ,61029 ,60653 ,60209 ,59677 ,;/液晶顯示模塊void delay(uint z)uint x,y;for(x=100;x>1;x-)for(y=z;y>1;y-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);

44、lcden=0;void write_date(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init_lcd()lcden=0;lcdrw=0;write_com(0x38);write_com(0x01);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x80);for(i=0;i<16;i+)write_date(dis_statei);delay(1);write_com(0x80+0x40);for(i=0;i<16;i+)write_date(di

45、s_speedi);delay(1);void display()uchar a,b,c,d,i;/個(gè)十百千位數(shù)字 if(state!=0) a=(zhuansuspeed/2)/1000; / 千位b=(zhuansuspeed/2)%1000)/100; / 百位c=(zhuansuspeed/2)%100)/10; / 十位d=(zhuansuspeed/2)%10); /個(gè)位else a=0; b=0; c=0; d=0; write_com(0x80+0x40+6);write_date(a+'0'); /+'0' 將數(shù)字轉(zhuǎn)化為asc字符write_com(0x80+0x40+7);w