基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)升降頻的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要步進(jìn)電機(jī)是一種完成數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制用途電動機(jī)的最大特點(diǎn)是：步進(jìn)電機(jī)接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號），并將這些脈沖信號轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的一個顯著特點(diǎn)，就是具有快速起停能力，如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠在“一剎那”間使步進(jìn)電機(jī)啟動或停轉(zhuǎn)。一般，步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)速率為1001000步/秒。如果步進(jìn)電機(jī)以逐漸加速到最高速，然后再逐漸減速到零的方式工作，即使其步進(jìn)速率增加12倍，仍然不會失掉一步。為了使步進(jìn)電機(jī)能夠平穩(wěn)的啟動，運(yùn)行，最終停止，

2、本系統(tǒng)采用軟件控制的升降頻方法，設(shè)置一數(shù)據(jù)區(qū)描述電機(jī)的升降曲線，利用數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容可以方便更改的特性，針對不同的電機(jī)和負(fù)載，調(diào)試出最適配的曲線。使步進(jìn)電機(jī)在最短的時間內(nèi)以較大的輸出轉(zhuǎn)矩升到設(shè)定的速度，從而提高加工效率。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，升降曲線，軟件控制7Stepping Motor based on single chip frequency control systemABSTRACTStepper motor is a complete digital / analog conversion of the implementation of the components. Stepper m

3、otor control is different from the other most prominent feature is the use of motors: stepper motor to receive digital control signals (electrical pulses), and these pulse signals into corresponding angular displacement or linear displacement. Stepper motors as actuators of a distinctive feature is

4、the ability to fast starts and stops, if the load does not exceed the dynamic provided by the stepper motor torque value, will be able to "moment" between the stepper motor to start or stop switch. General, not into the stepper motor speed of 200 to 1000 steps / sec. If the stepping motor

5、to gradually accelerate to top speed, and then gradually slow to zero means work, even if the stepping rate increased by 1 2 times and still not lose a step.In order to smooth stepper motor to start, run and eventually stopped, the system uses software control of the lift-frequency method, set the d

6、ata area of a motor of the lift curve describes the use of the contents of the data area can easily change the characteristics of different motor and load, testing the best fit of the curve. Driving the step motor in the shortest possible time to rise to higher output torque specified speed, thereby

7、 enhancing the processing efficiency. KEY WORDS: stepping motor, lift curves, software control 目錄前言1第1章 步進(jìn)電機(jī)工作原理21.1 步進(jìn)電機(jī)的分類21.2 步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)31.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成51.4 步進(jìn)電機(jī)工作原理6第2章 步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì)82.1 控制方案的確定82.2 所用芯片的選擇82.2.1 CPU選擇82.2.2 地址鎖存器102.2.3 I/O擴(kuò)展102.2.4 顯示接口122.2.5 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展122.2.6 程序存儲器擴(kuò)展132.3 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)硬

8、件原理圖14第3章 軟件設(shè)計(jì)153.1 主程序流程153.2 升降頻子程序流程163.3 走一步子程序流程173.4 系統(tǒng)運(yùn)行程序及分析18結(jié)論28謝 辭29參考文獻(xiàn)30附錄31外文資料翻譯32前言步進(jìn)電動機(jī)已成為除直流電動機(jī)和交流電動機(jī)以外的第三類電動機(jī)。傳統(tǒng)電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M(jìn)入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機(jī)的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機(jī)系統(tǒng)，其中都有自己的特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛的一類便是步進(jìn)電動機(jī)。 步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)

9、。自從步進(jìn)電動機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機(jī)床、小功率機(jī)械加工機(jī)床、測量儀器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機(jī)械等。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)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)階段，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)獲得最多的應(yīng)用。本文第一章系統(tǒng)介紹了步進(jìn)電機(jī)的分類，結(jié)構(gòu)，以及它的工作原理。第二章著重介紹了本系統(tǒng)的硬件控制方案，對用到的外圍芯片做

10、了簡單的介紹。第三章給出了整個系統(tǒng)的運(yùn)行流程，以及重要子系統(tǒng)的流程，最終編寫了完整的運(yùn)行程序。第1章 步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種完成數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制用途電動機(jī)的最大特點(diǎn)是：步進(jìn)電機(jī)接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號），并將這些脈沖信號轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移。步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)。它受驅(qū)動控制線路的控制，將代表進(jìn)給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。但它的結(jié)構(gòu)和控制簡單、容易

11、調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用價值。從步進(jìn)電機(jī)的矩-頻特性可知,啟動頻率越高,啟動轉(zhuǎn)矩越小,帶動負(fù)載的能力越差。當(dāng)啟動頻率較高時,啟動時會造成失步,而停止時由于慣性作用又會發(fā)生過沖,所以在步進(jìn)電機(jī)控制中必須要采取升降速控制措施。本文根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的動力學(xué)方程和矩-頻特性曲線建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,采用指數(shù)規(guī)律的升降速算法,對升降速的過程進(jìn)行離散處理,用定時器控制發(fā)出脈沖的時間間隔,采用查表和計(jì)算相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的升降速過程的控制。本系統(tǒng)采用單片機(jī)為核心對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。1.1 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)的分類方式很多，常見的分類方式有按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力矩的大小以及

12、按定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量進(jìn)行分類等。根據(jù)不同的分類方式，可將步進(jìn)電機(jī)分為多種類型，如表1-1所示。表1-1 步進(jìn)電機(jī)的分類分  類  方  式具 體 類 型按力矩產(chǎn)生的原理（1） 反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。（2） 激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組（或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼），由電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。按輸出力矩大?。?） 伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾（N·m）只能驅(qū)動較小的負(fù)載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動機(jī)床工作臺等較大的負(fù)載。（2） 功率式：輸出力矩在5-50 N·m以上，可以直接驅(qū)動機(jī)床工作臺等較大的負(fù)載

13、。按定子數(shù)（1）單定子式（2）雙定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相繞組分布（1） 徑向分布式：電機(jī)各相按圓周依次排列。（2） 軸向分布式：電機(jī)各相按軸向依次排列。1.2步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)1.2.1 動態(tài)指標(biāo)1、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 2、最大空載起動頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 3、最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 4、運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測試條件下測得運(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)諸多動態(tài)曲線中

14、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，而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（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。 如圖1-1 所示，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 5、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時序?yàn)锳B-BC-CD-DA為正轉(zhuǎn)，通電時序?yàn)镈A-CD-BC-AB時為反轉(zhuǎn)。圖1-1 電流（或電壓）對動力矩的影響1.2.2 靜態(tài)指標(biāo)相數(shù)：產(chǎn)生不同對磁極N、S磁場的勵磁線圈對數(shù)。常用m表

15、示。拍數(shù)：完成一個磁場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)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以三相電機(jī)為例，有三相三拍運(yùn)行方式即AB-BC-CA-AB，三相六拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CA-A.步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*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)行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。1.3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成原理典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，如圖1-2所示。 圖1-2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步

16、進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)控制是由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門組成的。它的作用就是能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖，以便控制步進(jìn)電機(jī)，并能進(jìn)行正反向控制。功率放大器的作用就是把控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。在這種控制方式中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，因而限制了它的應(yīng)用。但是，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由軟件代替步進(jìn)控制器，問題將大大簡化，不僅簡化了線路，降低了成本，而且可靠性也大大提高。特別是采用微型計(jì)算機(jī)控制，更可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案。典型的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖，如圖1-3所示。圖1-3 用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)

17、原理圖圖1-3與圖1-2相比，主要區(qū)別在于用單片機(jī)代替了步進(jìn)控制器。因此，單片機(jī)的主要作用就是把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入線上得到一個脈沖，它便沿著方向控制線信號所確定的方向走一步。只要負(fù)載在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)，那么，每個脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。根據(jù)歨距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。1.4 步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的一個顯著特點(diǎn)是速度啟停能力，若符合不超過步進(jìn)電機(jī)所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能迅速使步進(jìn)電機(jī)啟動或停止，一般步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)速度為1001000步/秒，如果步進(jìn)電機(jī)是以逐漸加速到最大值

18、然后逐漸減速到零的方式工作，其速度可增加到2-8倍，而不失步。在實(shí)際應(yīng)用中，在大多數(shù)時候需要步進(jìn)電機(jī)及負(fù)載的機(jī)械慣性以最優(yōu)化的曲線升頻和降頻，即步進(jìn)電機(jī)啟動時，以低于相應(yīng)頻率Fe的速度運(yùn)行，然后慢慢加速到一定速度后，就以此恒速運(yùn)行，當(dāng)快到終點(diǎn)時慢慢減速至Fe以下，直至停機(jī)并走完一定的步數(shù)。這樣步進(jìn)電機(jī)就可以很快的走完全程且不失步。失步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)啟動和停止的時候。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率比較低，而要求的運(yùn)行速度往往比較高。如果系統(tǒng)以要求的運(yùn)行速度直接啟動，因?yàn)樵撍俣纫殉^極限啟動頻率而不能正常啟動，輕則可能發(fā)生丟步，重則根本不能啟動，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行起來以后，如果達(dá)到終

19、點(diǎn)時立即停止發(fā)送脈沖串，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性作用，電機(jī)轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過平衡位置，如果負(fù)載的慣性很大，會使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到接近終點(diǎn)平衡位置的下一個平衡位置，并在該位置停下。實(shí)驗(yàn)表明，圖1-4所示的指數(shù)曲線是步進(jìn)電機(jī)最合理的升頻曲線，最符合電機(jī)和負(fù)載的慣性規(guī)律。且步進(jìn)電機(jī)在啟動時，由于其靜態(tài)慣性大，需以較小的加速升頻，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動越來越快時，其運(yùn)動慣性逐漸增大，可以較大的加速度升頻。如果我們簡單的將其設(shè)計(jì)成直線，就不能使步進(jìn)電機(jī)在最短的時間內(nèi)升到最高的頻率，且保證力矩最大。同理降頻時應(yīng)為反指數(shù)曲線。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的升降頻，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件使用積分電路和微分電路實(shí)現(xiàn)，其

20、元件參數(shù)一經(jīng)選定，曲線形狀就固定不變，因?yàn)槊總€電機(jī)及其負(fù)載的機(jī)械特性不同，所以它不能最好地與所有的電機(jī)適配。而且隨著系統(tǒng)使用的時間越來越長，元器件會發(fā)生變值，造成電機(jī)升降頻存在阻尼。為克服硬件設(shè)計(jì)中這些不能靈活變動和元器件變值的特點(diǎn)，我們采用程序來實(shí)現(xiàn)升降頻。軟件控制與硬件控制相比來說，具有運(yùn)行可靠，改動方便的特點(diǎn)，而且可以降低成本。針對不同電機(jī)的機(jī)械特性，我們專門設(shè)計(jì)了一個數(shù)據(jù)區(qū)，這個數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)即確定了指數(shù)曲線的形狀，我們改變電機(jī)時，只要根據(jù)電機(jī)的特性改變數(shù)據(jù)區(qū)的一些數(shù)據(jù)，即可使曲線很好的與電機(jī)適配。圖1-4 步進(jìn)電機(jī)升降頻曲線洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第2章 步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì)2.1

21、控制方案的確定本文采用目前國內(nèi)比較常用的單片機(jī)及其外圍芯片對整個回路進(jìn)行控制，單片機(jī)選用51系列的8031芯片，程序存儲器選用EPROM2764芯片，數(shù)據(jù)存儲器選用6264芯片，8255芯片用于鍵盤口擴(kuò)展，地址鎖存器為74LS373，選用5個74LS164和5個8段數(shù)碼管用于顯示。2.2 外圍芯片的介紹2.2.1 CPU選擇8031是主機(jī)板的核心，接收各部分信息并向各部發(fā)出命令，控制電機(jī)運(yùn)行的各種工作狀態(tài)。一. 8031有4個全雙工通信的串行口，在本系統(tǒng)用作顯示器，此時串行口工作在同步移位寄存器工作方式：其中RXD串行輸入顯示數(shù)據(jù)，TXD輸出同步移位時鐘，數(shù)據(jù)存放在發(fā)送寄存器SBUF中。串行口

22、的工作狀態(tài)存放在控制寄存器SCON中。SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRIRI:接受中斷標(biāo)志TI:發(fā)送中斷標(biāo)志SM0,SM1:工作方式控制本系統(tǒng)方式字為00H二. 8031有兩個定時/計(jì)數(shù)器，本系統(tǒng)選用T0作為定時器使用。T0的模式存放在模式控制寄存器TMOD中（T0作為16位定時器，為模式1）GATEC/TM1M0GATEC/TM1MOM1,M0:操作模式控制位C/T：定時器/計(jì)數(shù)器方式選擇位GATE：門控位TMOD不能位尋址，只能用字節(jié)設(shè)置定時器工作模式，低半字節(jié)設(shè)定T0，高半字節(jié)設(shè)定T1。本系統(tǒng)控制字為01H三.數(shù)據(jù)總路線（DB）：寬度為8位，數(shù)據(jù)由P0口提供四.地址總線（AB）

23、：寬度為16位，本系統(tǒng)用13位地址訪問2764或6264，P0口經(jīng)地址存儲器提供低8位（與數(shù)據(jù)分時輸出），P2口直接提供高5位。五. 控制總線（CB）：由P3口第二功能狀態(tài)和RESET，EA PSEN、ALE控制線組成。在本系統(tǒng)中P3口作為專門功能口使用。P3.0RXD（串行輸入口或輸出）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0輸入）P3.3INT1（外部中斷1輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）WR、RD與6264RAM的WE、OE相連控制6264的讀、寫允許，另外與8255芯片相應(yīng)的WR、RD引腳連結(jié)?？刂仆鈬酒淖x寫。RESET

24、：復(fù)位信號。分別與8031的外圍芯片的RESET引腳相接，可同時使單片機(jī)及其它芯片復(fù)位。ALE：允許地址鎖存，要訪問外部存貯器，ALE為地址鎖存器芯片的輸出控制信號。EA：EA=0時訪問外部程序存貯器，由于8031中無ROM，將EA接地。PSEN：外部ROM的讀選用信號，與外部的EPROM2764的使能論相連；PSEN=0時選中2764芯片，PSEN=1時選中RAM。六. 用戶線P1口：P1口與步進(jìn)電機(jī)相連，為電機(jī)輸入控制脈沖，以控制步進(jìn)電機(jī)。P1.0P1.2口分別接步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、三相。2.2.2 地址鎖存器 8031在系統(tǒng)擴(kuò)展時，如程序存貯器擴(kuò)展，8031的P0口線作用ROM、RAM

25、的地址線低8位，同時P0口還擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)傳送任務(wù)，這樣8031的地址和數(shù)據(jù)采用同一引腳分時輸出，就要借助地址鎖存器。74LS373可作為地址鎖存器，它是帶三態(tài)緩沖輸出的鎖存器。一、74LS373的引腳功能表2-1 74LS373引腳功能引腳名稱功能D0D7數(shù)據(jù)輸入Q7Q0地址輸出OE使能端LE輸出控制二、74LS373功能表表2-2 74LS373功能表輸出控制使能數(shù)據(jù)輸出LEOED7D0Q7Q01011100000XQ0X1X高阻ALE作為低8位地址鎖存控制信號鎖存器的輸出端連到地址總線上去。ALE與LE相連，在ALE下降沿將地址鎖存。2.2.3 I/O擴(kuò)展8031對步進(jìn)電機(jī)的控制是需要借助面板

26、上的一些功能鍵即通過幾個I/O接口把功能鍵與8031相連接鍵的狀態(tài)輸入到CPU中，CPU則根據(jù)功能鍵的狀態(tài)輸出與之相應(yīng)的脈沖到步進(jìn)電機(jī)。8031供用戶使用的I/O容量不夠，需擴(kuò)展與功能鍵相應(yīng)的I/O口線，8255是可編程的外圍接口芯片，它的功能是作為一個通用的I/O元件，在功能鍵與CPU之間提供了一個輸入、輸出通道。本文中只使用8255的PA口用來擴(kuò)展鍵盤，其入口地址為4000H。一、8255芯片引腳功能：表2-3 8255芯片引腳功能引腳名稱功能D0D7數(shù)據(jù)總線（雙向）RESET復(fù)位輸入CS片選RD讀信號WR寫信號A0A1口地址選擇PA0PA7A口PB0PB7B口PC0PC7C口二、8255

27、芯片的操作方式：1.讀/寫控制邏輯操作選擇：由單片機(jī)輸出的地址線A、A0控制信號CLR、RD、CS，來選擇口的操作狀態(tài)，其中A0、A1由P0口的低位鎖存器與之相連，WR、RD信號由8031的WR、RD信號控制，片選信號CS的引腳與譯碼器的Y3相連以控制片子的選通。2.工作方式選擇：本系統(tǒng)選用8255的工作方式0，即基本輸入/輸出方式，這種方式不需要任何選通信號，A口、B口及C口的兩個4位口中任何一個都可被設(shè)定為輸入或輸出口，作為輸出口時，輸出數(shù)據(jù)被鎖存，作為輸入口時，輸入數(shù)據(jù)不鎖存。3.方式選擇控制字：本系統(tǒng)設(shè)置控制字為：92H（10010010）4.鍵盤連接：本系統(tǒng)用PA口與控制鍵連接，其連

28、接如下表：表2-4 PA口與控制鍵連接PA.0PA.1PA.2PA.3PA.4K1K2K3K4K5正傳啟動反轉(zhuǎn)啟動停止升頻降頻2.2.4 顯示接口根據(jù)系統(tǒng)功能要求，要配置一組顯示器及人機(jī)通道，來完成應(yīng)用系統(tǒng)向人報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)及結(jié)果，操作人員通過顯示器就可讀出電機(jī)運(yùn)行的頻率。顯示器由5個發(fā)光的LED（發(fā)光二極管顯示器）組成，均采用共陽極接法。1. 顯示器的功能LED顯示十進(jìn)制數(shù)，它們分別有8段組成，其中一段有一個或幾個發(fā)光二級管組成，當(dāng)有邏輯“0”時，該段發(fā)光。第一個LED顯示器顯示1時電機(jī)正傳，顯示0時電機(jī)反轉(zhuǎn)。2. 顯示方法選擇：本系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示，其陽極連在一起接+5V，LED的段選線與一個

29、8位并行接口芯片74LS164相連。2.2.5 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展8031中有256B的RAM，可供用戶的只有128B，容量太小不能滿足要求，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需在片外擴(kuò)展一片8K×8的RAM，靜態(tài)的RAM擴(kuò)展電路簡單，且RAM中數(shù)據(jù)通過有源電路來保持，所以選用靜態(tài)RAM6264芯片。一、6264的性能指標(biāo)：6264是靜態(tài)隨機(jī)存貯器芯片，容量為8192×8，采用COMS工藝制成，典型存取時間為200ns，工作溫度為-4085。二、6264芯片的引腳功能表2-5 6264芯片的引腳功能 引腳名稱功能A0A12地址輸入CS1片選1CS2片選2WE寫允許OE讀允許D0D7數(shù)據(jù)輸出輸

30、入NC不接三、6264的操作方式表2-6 6264的操作方式引腳 操作方式CS1（20）CS2（26）OE（22）WE（27）D0D7（1113）（1519）閑置或數(shù)據(jù)1高阻保持（掉電）0高阻輸出禁止0111高阻讀0101輸出看0110輸出寫0100輸出2.2.6 程序存儲器擴(kuò)展在8031內(nèi)，無程序存貯器，故要在片外擴(kuò)展程序存貯器，以存貯監(jiān)控程序，目前用EPROM作為單片外部存貯器為常用的擴(kuò)展方法。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求需擴(kuò)展存貯器空間為8KB的EPROM，因?yàn)?4LS139占用最高3位地址線，所以8031只能提供13根地址線。因此，選用8K的EPROM2764低8位地址由P0口通過鎖存器提供

31、，高5位由P2口提供，ROM可與RAM共用地址總線和數(shù)據(jù)總線。一、2764的性能指標(biāo)：型號LD2764，容量為8192B×8，工作速度為250ns，電源5V±5%，工作溫度04055二、2764引腳的功能表2-7 2764引腳的功能 引腳名稱功能A0A12地址線CE 芯片允許OE 輸出允許D0D7數(shù)據(jù)線PGM編程N(yùn)C未接三、EPROM2764的工作方式選擇：表2-8 EPROM2764的工作方式選擇引腳模式CE（20）OE（22）PGN（27）VCC（8）Q0Q7（1113）（1519）讀VILVIL+5V +5V輸出閑置VIH+5V+5V高阻編程VIL+21V+5V輸入編

32、程檢驗(yàn)VILVIL+21V+5V輸出編程禁止VIH+21V+5V高阻四、EPROM的擴(kuò)展電路EPROM2764使用單獨(dú)的控制信號和指令，控制信號為8031引腳PSEN的輸出，只有PSEN為低電平時，2764才能輸出它與OE相連讀取數(shù)據(jù)用MOVC查表指令，本設(shè)計(jì)中片選信號CE與74LS139的Y0相連，只有CE=0時，才選中讀芯片。2.3 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)硬件原理圖（見附錄）14 第3章 軟件設(shè)計(jì)3.1 主程序流程本文以110BF步進(jìn)電機(jī)拖動一中型負(fù)載為例，首先根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特性設(shè)計(jì)一個數(shù)據(jù)區(qū)，再編寫程序?qū)Υ藬?shù)據(jù)的的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試。設(shè)計(jì)的最小啟動頻率為100HZ，在升頻過程中每按一次升頻鍵，步進(jìn)

33、電機(jī)升300HZ后勻速運(yùn)行，這樣易于發(fā)現(xiàn)因數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)不合理而導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)失步的狀況。降頻階段可采用升頻區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行反指數(shù)降頻。 圖3-1步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行總控制流程圖3.2升降頻子程序流程 圖3-2步進(jìn)電機(jī)升頻控制流程圖163.3 走一步子程序流程 圖3-3走一步子程序流程圖3.4 系統(tǒng)運(yùn)行程序分析入口：升頻步長、定時常數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)的首地址分別為1300H,1400H; 降頻步長、定時常數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)的首地址分別為1500H,1400H； 階梯序數(shù)寄存器R0。根據(jù)以上原則，設(shè)定系統(tǒng)晶振為6MHZ，用8031 T0 口定時，以100HZ為例，說明定時常數(shù)和臺階步長（BC）的計(jì)算方法：兩步之間定時時間t0(s)

34、為：t0=0.01（s）=10000（s）定時常數(shù)（十六進(jìn)制）為：t0(H)=10000(H)- t0/(t0*C)(H) =10000(H)-(H)=0D8F0（H） 晶振周期 C為12（一個機(jī)器周期為12個晶振周期）100HZ 持續(xù)時間T=0.24s，計(jì)算其臺階步長：BC=24=18(H)以下為我們實(shí)驗(yàn)所得的系統(tǒng)晶振為6MHZ，用8031 T0 口定時，型號為110BF的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)100HZ-2000HZ的升降頻數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容：1300H DB 00H,18H,00H,01CH,00H,20H,00H,24H, 00H,28H,00H,02CH,00H,30H,00H,34H, 00H,

35、38H, 00H, 03CH1400H DB 0D8H,0F0H,0AEH,08H,0F5H,10H,0F8H,0F8H, 0FAH,0ECH,0FCH,18H,0FCH,0E0H,0FDH,62H, 0FDH,0C5H,0FEH,0CH1500H DB 00H,05H,00H,07H,00H,09H,00H,0CH, 00H,10H,00H,14H,00H,18H,00H,1CH, 00H,20H,00H,24H以上數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容可以根據(jù)用戶的需要而改變以達(dá)到最優(yōu)效果，這種設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，操作方便。表3-1 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制時序方式步序P1.2(C相)P1.1( B相)P1

36、.0(A相)通電繞組控制字三相六拍方式1步001A01H2步011AB相03H3步010B相02H4步110BC相06H5步100C相04H6步101CA相05H110BF電機(jī)的參數(shù)如下：表3-2 110BF電機(jī)參數(shù)相數(shù)步距角(Deg)電壓(V)電流（A）保持轉(zhuǎn)矩(N.m)空載啟動頻率 (HZ)運(yùn)行頻率(HZ)30.75|1.58030067.84140015000系統(tǒng)程序如下：Start End  bit   01H  起動及停止標(biāo)志Minford   EQU 100  起始轉(zhuǎn)動速度FQR DATA 23H; 動態(tài)頻率計(jì)數(shù)DISPB

37、UF DATA 58H ; 顯示緩沖區(qū) ORG    0000H AJMP   MAINORG 000BHZDCX： MOV 6AH，#0FFHMOV TH0，R6MOV TL0，R7CLR ET0RETIORG 0070HMAIN: MOV SP,#5FHMOV P1,#0FFHMOV   FQR,#MinFQR ; 起始轉(zhuǎn)動頻率送入計(jì)數(shù)器CLR    StartEnd  ;停轉(zhuǎn)狀態(tài)MOV TMOD,#01H ;

38、定時器T0用于定時MOV TH0,#0FFH;MOV TL0,#0FFHMOV R0, #00H SETB TR0CLR EASETB ET0SETB ET1LOOP:  MOV DPTR, #4000H MOV A, #0FFH MOVX DPTR, AMOV A, DPTR ；鍵盤程序CJNE A, #0FFH, PL0m_NEXT1: ；無鍵繼續(xù)并顯示最小頻率MOV A,FQRMOV B,#10DIV ABMOV DISPBUF+4,B ;最低位MOV B,#10DIV AB MOV DISPBUF+3, BMOV B, #10DIV ABMOV DISPBUF+2, BMOV

39、 DISPBUF+1, ARETLCALL XSZCX PL0: LCALL DELAY ;調(diào)用延時程序 MOV A, DPTRCJNE A, #0FFH, KEYPROC  ;否則調(diào)用鍵盤處理程JB StartEnd,m_Next2CLR TR1 ;關(guān)閉電機(jī)JMP LOOPORL P1,#11110000Bm_Next2:SETB TR1 ;啟動電機(jī)AJMP   LOOP  ;主程序結(jié)束DELAY: MOV R6, #0AH ;延時程序,鍵盤去抖動中調(diào)用DLAY1: MOV R7, #64HDLAY2: NOP NOP NOP NOP DJN

40、Z R7, DLAY2 DJNZ R6, DLAY1   RET KEYPROC:  CPL     A   JB ACC.0,ZZHUAN ;分析鍵的代碼,某位被按下,則該位為1JB ACC.1, FZHUANJB      ACC.2, KeyStyJB      ACC.3, UPFQRJB      ACC.4

41、DOWFQRAJMP    KEY_RETZZHUAN:MOV DISPBUF, #01HLCALL XSZCXMOV A, #01HMOV DPTR, #8004HMOVX DPTR, ASETB Start End    啟動AJMP KEY_RETFZHUAN:MOV DISPBUF, #00HLCALL XSZCXMOV A, #00HMOV DPTR, #8004HMOVX DPTR, ASETB Start End    啟動AJMP KEY_RETKeyset:

42、   CLR Start End ;停止     AJMP    KEY_RETKEY_RET:     RET UPFQR: MOV A,R0 ；升頻程序RL AMOV DPTR, #1300HMOVC A,A+DPTRMOV R7, AINC DPTRMOVC A,A+DPTRMOV R6, AMOV DPTR, #1400HMOVC A,A+DPTRMOV R5, AINC DPTRMOVC A,A+DPTRMOV R4, ACLP CYRK： LC

43、ALL ZYBCX CLR CMOV A ,R7SUBB A,#01HMOV R7 ,AMOV A, R6SUBB A, #00HMOV R6 ,ACJNZ R7 ,#00H ,RKCJNZ R6 ,#00H ,RKRETMOV A, RORL AMOV DPTR, #1600HMOVC A,A+DPTRCJNE R4, A, M1 INC DPTRMOVC A, DPTRCJNE R5, A, M2AJMP ROUNT2 ;轉(zhuǎn)恒速運(yùn)行INC R0M1: JB CY, ROUNT2AJMP UPFQRM2: JB CY, ROUNT2AJMP UPFQRROUNT2: MOV A,#300 ;

44、恒速運(yùn)行 ADD A, DISPBUFMOV DISPBUF, A LCALL m_NEXT1LCALL XSZCX MOV DPTR, #1600HMOVC A, DPTRMOV R5, AINC DPTRMOVC A,DPTRMOV R4, AL1: MOV R2, #02HLCALL ZYBCXINC R2DJNZ R2, L1RETDOWNFQR: ;降速程序MOV A, R0RL AMOV DPTR, #1500HMOVC A,A+DPTRMOV R7, AINC DPTRMOVC A,A+DPTRMOV R6, AMOV DPTR, #1400HMOVC A,A+DPTRMOV R

45、5, AINC DPTRMOVC A,A+DPTRMOV R4, ACLP CYLJMP RKCJNE R4, #10H, N1CJNE R5, #27H, N2AJMP MINSP ;轉(zhuǎn)最小頻率運(yùn)行 N1: JNB CY, MINFQRAJIMP DOWFQRN2: JNB CY, MINFQRAJMP DOWNFQRMINFQR: MOV DISPBUF, #100LCALL m_NEXT1LCALL XSZCXMOV R5, #78HMOV R6, #0FCH L2: MOV R2, #02HLCALL ZYBCXINC R2DJNZ R2, L2RETZYBCX: SETB TCON.

46、4 ；走一步子程序 MOV DPTR,#8003H MOVX A，DPTR MOV R2,A INC DPTR MOVX A,DPTR CJNE A,#01H,ZZ CJNE R2,#00H,F1 MOV R2,#05H SJMP F3F1: DEC R2 JMP F3ZZ: CJNZ R2,#05H,Z1 MOV R2,#OOH SJMP F3Z1: INCR2F3: MOV DPTR,#0700H MOV A,R2 MOVC A,A+DPTR MOV R1,#6AHDD: CJNZ R1, #0FFH, DD MOV P1, A MOV 6AH,#00H RETXSZCX: MOV SCO

47、N,#00H ；顯示子程序 MOV R7,#05H MOV R1,#DISPBUFDL0: MOV A,R1 MOV SBUF,ADL1: JNB SCON.1,DL1 CLR SCON.1 DEC R1 DJNZ R7,DL0 RETORG 0700TAB: DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H ;電機(jī)正傳控制字 ORG 0800TAB1: DW 003FH,0006H,00DBH,00CFH,00E6H,00EDH,00FDH,0007H,00FFH,00EFH ;共陽極LED字型碼28 結(jié)論本文主要介紹了如何利用單片機(jī)對一步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，本系統(tǒng)利用軟件的控制方案，通過對

48、數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)的改變，從而達(dá)到對步進(jìn)電機(jī)拖動各種不同負(fù)載的要求，同時也避免了硬件設(shè)計(jì)那些不能靈活變動和元器件容易變值的缺點(diǎn)。整個控制電路設(shè)計(jì)簡單易行，運(yùn)行可靠，改動也很方便，而且可以降低運(yùn)行成本。由于對步進(jìn)電機(jī)的控制具有啟動，加速，減速，停止的運(yùn)行過程，而且電機(jī)的啟動過程是一個變加速的非線性曲線，如果簡單的采用線性常系數(shù)方法，很難真實(shí)再現(xiàn)電機(jī)的啟動過程。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動過程的非線性加速，在程序設(shè)計(jì)上，本文才用了指數(shù)曲線的控制方式控制電機(jī)的升降頻。程序可用于調(diào)試步進(jìn)電機(jī)升降頻的數(shù)據(jù)區(qū)，在步進(jìn)電機(jī)的性能檢測、機(jī)械特性檢測上都有一定的用途，也可為數(shù)控系統(tǒng)提供一些數(shù)據(jù)。由于本人知識有限，文中難免有設(shè)計(jì)不當(dāng)

49、之處，望老師能夠批評指證，提出寶貴意見！洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文謝 辭通過本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我深深的體會到了團(tuán)結(jié)合作的重要性，在此我非常感謝和我一塊做課題的王曉琳同學(xué)和百揚(yáng)揚(yáng)同學(xué)，我們互相切磋，互相幫助，最終完成了這項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)。同時更要感謝我的輔導(dǎo)老師高老師，從課題選擇到具體的寫作過程，論文初稿與定稿無不凝聚著高老師的心血和汗水，在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，高老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的建議，高老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度使我深受感動，沒有這樣的幫助和關(guān)懷和熏陶，我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此向高老師表示深深的感謝和崇高的敬意！29參考文獻(xiàn)1李朝青。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

50、。北京航空航天大學(xué)出版社。2潘新民。微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)用教程。電子工業(yè)出版社。3張俊謨編著.單片機(jī)中級教程-原理與應(yīng)用（第二版）.北京航空航天大學(xué)出版社.2000 ：1-2034曹巧媛主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）.電子工業(yè)出版社.2001 ：76-1095伍云輝編著.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).電子科技大學(xué)出版社、1999 :50-746王季秩,曲家騏編著.執(zhí)行電動機(jī) .機(jī)械工業(yè)出版社. 2000 ：23-857陸子明,徐長根編著.單片機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用基礎(chǔ)教程.國防工業(yè)出版社、1999：79-888李勛,李剛明.單片微型計(jì)算機(jī)大學(xué)讀本.北京航空航天大學(xué)出版社.1998 ：78-959蘇彥民編.電力拖動系

51、統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)控制.西安交通大學(xué)出版社.1988 ：102-20510賴福新.電機(jī)控制系統(tǒng).上海交通大學(xué)出版社.1995 ：203-25411陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)第二版.機(jī)械工業(yè)出版社.1992 :52-8712高海濤,常吉連,李素萍寫.步進(jìn)電機(jī)的升降頻設(shè)計(jì).機(jī)床電器.洛陽軸承集團(tuán)公司2000.NO。3 ：39-4013張蔚兮,王穎編著.微型計(jì)算機(jī)（MCS-51系列）原理、接口及應(yīng)用. 南京大學(xué)出版社.1999 ：21-6714張凱,馬忠梅等.MCS-51單片機(jī)綜合系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)開發(fā) .科學(xué)出版社.1996 ：3-5215南建輝,王軍茹.MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)例編著.清華大學(xué)

52、出版社. 2004：15-69 52附錄 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)硬件原理圖外文資料翻譯 Outline Stepper motor is the electric pulse signal into angular displacement or linear displacement of the open-loop control components.   Stepping Motor In the case of non-overloaded, the motor speed and stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, when the stepper driver receives a pulse signal, it driven by stepper motor set the direction of rotation of a fixed point, called the "step angle", and its angle of rotation is fixed stepby step oper