基于單片機控制的步進電機控制系統(tǒng)畢業(yè)論文(共25頁)

1、PAGE PAGE 24目錄(ml)1緒論(xln)32步進電機(dinj)原理及硬件軟件設(shè)計42.1步進電機原理及其控制技術(shù) 42.2總體設(shè)計方框圖 72.3設(shè)計原理分析 72.3.1元器件介紹 72.3.2方案論證92.3.3硬件設(shè)計 92.3.4 軟件設(shè)計 123結(jié)論15參考文獻16附錄1 電路原理圖17附錄2 程序清單18致謝21基于步進電機控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計摘要(zhiyo)步進電機是一種進行精確步進運動的機電執(zhí)行(zhxng)元件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機械的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護性以及性價比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進電機應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計

2、系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實現(xiàn)了基于8051單片機的四相步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過單片機存儲器、/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴展、步進電機的環(huán)形分配器、驅(qū)動及保護電路、人機接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等的設(shè)計，實現(xiàn)了四相步進電機的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。為實現(xiàn)單片機控制步進電機系統(tǒng)在數(shù)控機床上的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計了兩個外部中斷，以實現(xiàn)步進電機在某段時間內(nèi)的反復(fù)正反轉(zhuǎn)功能，也即數(shù)控機床的刀架自動進給運動。隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，自六十年代初期以來, 步進電機的應(yīng)用得到大大提高。人們用它來驅(qū)動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、

3、繪圖儀、磁盤光盤驅(qū)動器、各種自動控制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。此外作為執(zhí)行元件，步進電機是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日懼增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機是機電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計功能強、價格低的步進電機控制驅(qū)動器提供了先進的 技術(shù)和充足的資源。關(guān)鍵詞：8051單片機,四相步進電機(dinj),控制(kngzh)Realizes based on single c

4、hip microcomputer 51 the steping motor the control system ABSTRACTStepper motor is a stepper motor for precise electrical and mechanical actuators, which are widely used in industrial machinery, digital control, for the system reliability, interoperability, maintainability, and cost-optimal, accordi

5、ng to the control system functional requirements and Control system through the microcontroller memory, I/O interface, interrupt, keyboard, LED display of the expansion of the annular distributor stepping motor, drive and protection circuit, man-machine interface circuit, interrupt system and reset

6、circuit, a single voltage drive circuit, etc.designed to achieve a four-phase stepper motor rotating, and emergency stop functions.To achieve the stepping motor system in NC Machine Tools, system design, two external interrupts, in order to achieve within a certain period of time stepper motor repea

7、ted Reversible function, ie, the turret CNC automatic feedmovement. With the continuous development of single chip microcomputer, microcontroller in household electronic products widely applied, since the since the early sixties, the stepper motor applications are greatly enhanced.People use it to d

8、rive the clock and other instruments with pointers, printers, plotters, disk CD-ROM drive, a variety of automatic control valves, various tools, as well as robots and other mechanical devices.In addition,as the acIn addition, as the actuator, stepper motor is one of mechanical and electrical integra

9、tion of the key products are widely used in a variety of automatic control systems, microelectronics and computer technology with the development of its requirements with the Japanese fear of growing in allthe field of application of the national economy has. Stepper motor digital control system of

10、electromechanical actuators commonly used, due to its high precision, small size, flexible to control, so the smart meter and position control has been widely used in large-scale integrated circuits technology development, and SCMThe increasing popularity of design features, the lowest price of the

11、stepper motor control driver provides advanced technology and adequate resources.Keywords: single chip microcomputer 8051, four-phase step motor, control緒論(xln)早在十九世紀三十年代(nindi)就出現(xiàn)了步進電機，那時候的步進電機實際上是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，工作原理同今天的反應(yīng)式步進電機沒有什么區(qū)別。我國對步進電機(dinj)的研制及應(yīng)用起步不算太晚，早在1958年，我國的一些科研院所就研制成功了反應(yīng)式步進電機，并開始應(yīng)用于數(shù)控機床

12、中，進入上世紀六十年代中期，結(jié)構(gòu)新穎的步進電機相繼問世，為了降低電動機功耗以及提高效率，人們發(fā)明了永磁式和混合式步進電動機。到上世紀七十年代，步進電機的生產(chǎn)進入了全盛時期，其產(chǎn)量每年都以11%的指數(shù)遞增。到目前為止，步進電機已被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、自動生產(chǎn)線、自動化儀表、計算機外圍設(shè)備、繪圖儀、電子手表等多方面，所以對步進電機的研究越來越重要。國外方面，1952年，美國麻省工學院首先研制成三坐標數(shù)控銑床。數(shù)控機床的出現(xiàn)提高了生產(chǎn)效率，推動了機械制造業(yè)的發(fā)展，對于采用哪種類型的電機作為進給機構(gòu)的驅(qū)動元件一直是爭論的焦點，經(jīng)過理論分析和現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)使用步進電機作為進給機構(gòu)的驅(qū)動元件是理想的選擇(

13、xunz)，這一應(yīng)用使得步進電機的使用范圍更加廣泛。步進電動機已成為初直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為(zuwi)機電能量轉(zhuǎn)換裝置。在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。可是在人類社會進入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。為了適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應(yīng)有十分廣泛的一類便是步進電動機。步進電機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關(guān)，自從步進電機在計算機外圍設(shè)備中取代小型直流電動機以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進了步進電機的發(fā)展。另一方面，微型計算機和數(shù)字控制技

14、術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件(bjin)的步進電機推廣應(yīng)用于其它領(lǐng)域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。 任何一種產(chǎn)品的成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程?，F(xiàn)在，步進電機的發(fā)展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式、和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電機，由于混合式步進電機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。由于步進電機的轉(zhuǎn)速隨著輸入脈沖頻率變化而變化，調(diào)速范圍很廣，靈敏度高，輸出轉(zhuǎn)角能夠控制，而且輸出精度高，又能實現(xiàn)同步控制，所以廣泛地使用在開環(huán)系統(tǒng)中，也還可用在一般通

15、用機床上，提高進給機構(gòu)的自動機水平。步進電機是機電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。它有輸入脈沖與電機軸轉(zhuǎn)角成比例的特征。它將電脈沖信號轉(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。單片機在一個集成芯片中，集成有微處理器(CPU)、存儲器（RAM和ROM）、基本的/O接口以及定時/計數(shù)部件，即在一個芯片上實現(xiàn)一臺微型計算機的基本功能。步進電機的控制部分以單片機為主的微處理器控制，其特點如下：1.靈活性和適應(yīng)性。微處理器的控制方式是由軟件完成時，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可

16、以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常(fichng)方便。2.可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制，控制精度高。微處理器有更強的邏輯功能、運算速度快、精度高、有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復(fù)雜(fz)的控制，如優(yōu)化控制等。并且不論控制量的大或小，都可以保證足夠的控制精度。3.可提供人機界面。在電機的控制中，要用到鍵盤和顯示器作為人機界面，實現(xiàn)步進電機的控制。由于單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，指令功能強，運行速度快，可靠性高及靈活性好，開發(fā)也較為容易，所以國內(nèi)近些年來已將其廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控、機電設(shè)備、儀器儀表、軍事設(shè)置、家用電器等方面(fngmin)的自動化、智能化。2. 步進電機

17、原理及硬件軟件設(shè)計2.1 步進電機原理及其控制技術(shù)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，而必須使用專用設(shè)備-步進電機控制驅(qū)動器,控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續(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)動電源的各項輸人端，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(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)分器要求的功能，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，通常稱為硬環(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

18、號進行放大.以達到驅(qū)動步進電機目的，步進電機的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制2 個方面。從結(jié)構(gòu)上看,步進電機分為三相、四相、五相等類型,常用的則以三相為主。三相步進電機的工作方式有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3 種, 其基本原理如下：(1) 換相順序的控制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下,其各相通電順序為A B C A ,通電控制脈沖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。(2) 步進電機(dinj)的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電,步進

19、電機(dinj)正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式為三相六拍,即A ABB BC C CA A。如果(rgu)按反序通電換相,即AAC C CB B BA A ,則電機就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。(3) 步進電機的速度控制如果給步進電機發(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)一步。2 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)速。(4) 步進電機的起?？刂撇竭M電機由于其電氣特性,運轉(zhuǎn)時會有步進感,即振動感。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,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停

20、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。(5) 步進電機的加減速控制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)和丟步現(xiàn)象。所以步進電機在啟動時,必須有加速過程,在停止時必須有減速過程。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的頻率變化規(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)矩,快速響應(yīng)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)

21、負載的情況來選擇步進電機。步進電機能響應(yīng)而不失步的最高步進頻率稱為“啟動頻率”,與此類似“, 停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)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(yīng),有了這些數(shù)據(jù),才能有效地對電機進行加減速控制。加速過程由突跳頻率加加速曲線組成(減速過程反之) 。突跳頻率是指步進電機在靜止狀態(tài)時突然施加的脈沖啟動頻率f 0 。步進電機的最高起動頻率(突跳頻率) 一般為0. 1 kHz 到34 kHz ,而最高運行頻率則可以達到N 102 kHz ,以超過最高起動頻率的頻率直接起動,會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步的現(xiàn)象。較為理想的起動曲線應(yīng)是按指

22、數(shù)規(guī)律起動。但實際應(yīng)用時對起動段的處理可采用按直線擬合的方法,即階梯加速法。一般可按2 種情況處理: 已知突跳頻率則按突跳頻率分段(fn dun)起動,分段數(shù)n = fP、f 0 ; 未知突跳頻率,則按段擬合至給定的起動(q dn)頻率,每段頻率的遞增量(后稱階梯頻率)f = fP8 ,即采用8 段擬合。在運行控制過程中,將起始的速度(頻率) 分為n 分,作為(zuwi)階梯頻率,采用階梯加速法將速度連續(xù)升到所需要的速度,然后鎖定,按預(yù)置的曲線運行,如圖1 所示。 在一般的應(yīng)用中,經(jīng)過大量實踐和反復(fù)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(yīng)用要求。用PLC 實現(xiàn)步進電機的加減速控

23、制,實際上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時,使脈沖頻率增高,減速時則相反。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(shè)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,則按階梯加速法處理。在此過程中要處理好2 個問題: 速度轉(zhuǎn)換時間應(yīng)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)換為定時初值表。通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)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。 保證控制速度的精確性要從一

24、個速度準確達到另外一個速度,就要建立一個校驗機制,以防超過或未達到所需速度。(6) 步進電機的換向控制步進電機換向時,一定(ydng)要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向,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1 個脈沖前發(fā)出。對于脈沖的設(shè)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(ji s)3 個過程。步進電機(dinj)有如下特點：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，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，

25、既非常方便、廉價，有非常可靠。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)。步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。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，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。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電源。步進電機自身的噪聲和振動比較大，帶慣性負載的能力強。2.2 總體設(shè)計方框圖總體設(shè)計方框圖如圖2所示。狀態(tài)顯示電路電源及時鐘電路 89C51單片機復(fù)位電路鍵盤控制電路ULN2803驅(qū)動電路步進電機圖2總體設(shè)計方框圖2.3設(shè)計原理分析2.3.1元器件介紹(1)步進電機步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖(m

26、ichng)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(zhun dng)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(zhun dng)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。步進電機分三種：永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。步進電動機又稱為脈沖電機，是工業(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(yīng)的角位移或直線位移，由于在開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)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

27、移量與脈沖數(shù)成正比，每給一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度（步距角）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，也有人稱步進電動機為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。 四相步進電機的工作原理該設(shè)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，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。當某一相繞組通電時，對應(yīng)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。 步進電機的靜態(tài)指標及術(shù)語

28、相數(shù)：產(chǎn)生不同對N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。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.步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=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齒電機為例。四相運行時步距角為=360度/(504)=1.8度，八拍運行時步距角為=360度/（508）=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）。靜轉(zhuǎn)矩：電機

29、在額定靜態(tài)作用下，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(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，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。 四相步進電機的脈沖(michng)分配規(guī)律目前，對步進電機的控制主要(zhyo)有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)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3

30、a、b、c所示。本設(shè)計的電機工作方式(fngsh)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)律表1、2所示。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的程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內(nèi)。圖3步進電機工作時序波形圖表1四相單四拍脈沖分配表 表2 四相雙四拍脈沖分配表(2)89C51單片機Atmel公司的生產(chǎn)的89C51單片機是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，它采用CMOS 和高密度非易失性存儲器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與

31、MCS-51兼容；片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個8位并行I/O口，5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，89C51單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。(3)ULN2003芯片(xn pin)功能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

32、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。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(yīng)該(ynggi)懸空或接電源。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)(chunlin)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。 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

33、,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。其方框圖如圖4所示 圖4 ULN2003方框圖2.3.2方案論證從該系統(tǒng)的設(shè)計要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向指示，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線和一根啟動信號線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進電機的繞組數(shù)有關(guān)。這里選用的是國產(chǎn)20BY-0型步進電機，它使用+5V直流電源，步距角為18度的四相步進電機，該電機共有4相繞組，工作電壓為5伏，可以和單片機共用一個電源。步進電機的4相繞組用P1口的P1.0-P1.3控制，由于P1口驅(qū)動能力不夠，因而用一片2003增加驅(qū)動能力。用串口輸出方式顯示，外接串并轉(zhuǎn)換

34、芯片74LS164可以實現(xiàn)靜態(tài)顯示，減少了軟件開銷，同時只占兩根口線，串口P3.0、P3.1外擴兩片74LS164串并轉(zhuǎn)換芯片即可滿足顯示要求，選用共陽接法的數(shù)碼管。2.3.3硬件(yn jin)設(shè)計本設(shè)計的硬件電路主要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動(q dn)電路、顯示電路四大部分組成?？刂齐娐分饕砷_關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需求(xqi)進行操作；最小系統(tǒng)主要是為了使單片機正常工作；驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅(qū)動電路轉(zhuǎn)動；顯示電路主要是為了顯示電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。(1)控制電路 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動控制、換向控制、加速控制和減速控制

35、按鈕，分別是K1、K2、S2、S3，控制電路如圖5所示。通過K1、K2狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的啟動和換向功能。當K1、K2的狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測P1.0和P1.1的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動和換向程序，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S2、S3控制外部中斷0，外部中斷1，實現(xiàn)加速和減速的控制。通過S2、S3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲

36、區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就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。圖5 控制電路原理圖(2) 最小系統(tǒng)(xtng) 單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、復(fù)位(f wi)電路、晶振電路。復(fù)位電路：使用了獨立式鍵盤，單片機的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計要求中只需要4個鍵對步進電機的狀態(tài)進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，使用了6路獨立示鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機進入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路有兩30PF的電容和一12M晶體(jngt)震

37、蕩器組成為正個電路提供時鐘頻率。電路如圖6所示。晶振電路：8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖5所示。其電容值一般在5-30pf,晶振頻率的典型值為12MHZ，采用6MHZ的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。圖6 復(fù)位(f wi)及時鐘振蕩電路(3) 驅(qū)動(q dn)電路通過ULN2803構(gòu)成步進電機(dinj)

38、的驅(qū)動電路,電路圖如圖2所示。通過單片機TA89S5的P2.2P2.5口經(jīng)7407緩沖器和光電偶合后對ULN2803的IB1IB4口發(fā)送方波脈沖信號，起時序圖如圖7示。圖7步進電機驅(qū)動電路(4) 顯示電路在該步進電機的控制器中，電機可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機轉(zhuǎn)速的等級分為七級，為了方便知道電機的運行狀態(tài)和電機的轉(zhuǎn)速的等級，這里設(shè)計了電機轉(zhuǎn)速和電機的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機的串行口，單片機89C51的串行口是一個全雙工的串行通信口，可作為同步移位寄存器使用，其數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）端串行輸出和輸入；而同步移位時鐘由TXD（P3.1）端串行輸出，在同步時鐘作

39、用下，可實現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。該電路中，主要是利用串行口加外圍芯片74HC164構(gòu)成的電機狀態(tài)及轉(zhuǎn)速等級顯示電路，第一個數(shù)碼管顯示電機狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時顯示“0”，反轉(zhuǎn)時顯示“”。第二個數(shù)碼管顯示電機的轉(zhuǎn)速級別，共7級，顯示數(shù)字從17，“0”為停止。電路如圖8所示，使用了共陽數(shù)碼管。圖8 電機(dinj)運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)速顯示電路(5) +5V穩(wěn)壓電源電路(dinl)中用到的模塊電源大多是+5V的直流電源，本設(shè)計同時設(shè)計一個+5V的穩(wěn)壓電源。電路為輸出電壓+5V，輸出電流1.5A穩(wěn)壓電源。它的電壓變壓器B，橋式整流(zhngli)電路D1D4，濾波電容C1、C3，防止自激電路C2、C3和一只固定式

40、三端穩(wěn)壓器（7805）極為簡捷方便的搭成。200V交流電通過電源變壓器變換成交流低壓，在經(jīng)過橋式整流電路D1D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生精度高、穩(wěn)定性好的直流輸出電壓。穩(wěn)壓電源電路如圖9所示。圖9 5V穩(wěn)壓電源2.3.4 軟件設(shè)計通過分析可以看出，實現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時有可能輸入加速、減速信號和方向信號，因而用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個部分的工作才能滿足課

41、題(kt)要求，即主程序部分、定時器中斷部分、外部中斷0及外部中斷1中斷部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動開關(guān)的檢測，若啟動開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時器部分控制脈沖頻率，它決定了步進電機轉(zhuǎn)速的快慢；兩個外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析主程序與定時器中斷程序及外部中斷程序。(1) 主程序設(shè)計(chn x sh j)主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種( zhn)開關(guān)狀態(tài)的檢測判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時器、外部中斷；對P1口送初值以決定脈沖分配方式、速度值存儲區(qū)送初

42、值決定步進電機的啟動速度、對方向值存儲區(qū)送初值決定步進電機旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為0，這意味著步進電機按四相單四拍運行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“8”，速度值顯示0，主程序流程如圖10所示：停止計時器停止計時器啟動計時器速度值為0?延時啟動開關(guān)為0?顯示初始化開始NN圖10 主程序流程圖(2) 定時(dn sh)中斷設(shè)計步進電機的轉(zhuǎn)動主要是給電機各繞組按一定的時間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進電機才會旋轉(zhuǎn)，時間間隔越短，步進電機的速度就越高。在這個系統(tǒng)中，這個時間間隔是用定時器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時間間隔就是(j

43、ish)調(diào)節(jié)定時器的中斷次數(shù)。因而在定時器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機的運行方向、發(fā)下一個脈沖，以及保存當前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖11所示。(3) 外部中斷(zhngdun)設(shè)計外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕S2為INT0中斷，其程序流程為讀原數(shù)據(jù)，當值7時，不改變原數(shù)值返回，值7，數(shù)據(jù)1返回；速度減少按鈕S3，當原數(shù)據(jù)不為0，減1保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為0則保持不變。程序流程圖如圖12所示。T0中斷入口保護現(xiàn)場中斷次數(shù)1=0？讀方向指示發(fā)速度脈沖重送相關(guān)

44、狀態(tài)恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回YN圖11 定時(dn sh)中斷程序流程圖速度值上下限值？NYYN按鈕抬起?外部中斷入口保護現(xiàn)場延時去抖速度值1恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回圖12 外部(wib)中斷程序流程圖結(jié)論(jiln)本設(shè)計(shj)通過分析步進電機結(jié)構(gòu)、工作原理，查閱步進電機控制系統(tǒng)的相關(guān)科技文獻，遵循實用、簡單、可靠和低成本的原則，設(shè)計了一種既可用于精度要求不高，但控制需完備的生產(chǎn)場合，又可很有效的用于職業(yè)學校的相關(guān)實踐教學中的步進電機控制系統(tǒng)，達到了預(yù)期的目標。對于本次設(shè)計，有以下結(jié)論：(1)采用單片機為控制核心，利用其強大的功能，把鍵盤電路和顯示電路有機的結(jié)合起來，組成一個操作方便、交互性強的控制系統(tǒng)

45、。而且整個系統(tǒng)所包含的技術(shù)幾乎包括了現(xiàn)本科學?？刂茖I(yè)所要求的知識，有利于實踐教學取得最大效果。（2）鍵盤電路和顯示電路采用了動態(tài)掃描技術(shù)，節(jié)約了單片機資源。（3）系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，具有易維護性，根據(jù)用戶新的要求，對軟件系統(tǒng)進行少量的修改，使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。同時，本人深知自己做的工作還很不夠，由于軟件和硬件的各方面原因，系統(tǒng)的應(yīng)用討論不夠，精度還有待于進一步提高。由于時間的原因，設(shè)備的原因，試驗做的不好不夠，相關(guān)驗證性的數(shù)據(jù)、信息不夠豐富?？梢钥隙?，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，步進電機的控制應(yīng)用前景將越來越寬闊，而其控制系統(tǒng)也將向著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本論文的研究和探討還遠遠不

46、夠，我們要在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上，不斷吸取新的技術(shù)和方法，并將它們應(yīng)用于本課題的研究上來，進一步深化我們的研究深度，爭取有更多的收獲。參考文獻1李國厚. 步進電機(dinj)驅(qū)動與控制系統(tǒng)的設(shè)計.河南：PLC技術(shù)(jsh)與應(yīng)用，20099:2-5.2 李朝青. 單片機原理及接口技術(shù)（第3版）. 北京(bi jn): 北京航空大學出版社,2005 3 王曉明.電動機的單片機控制（第二版）.北京：北京航空航天大學出版社，20074 蔣輝平.周國雄.單片機原理及應(yīng)用技術(shù). 北京：北京航空航天大學出版社，20075 張大明.單片機控制實訓(xùn)指導(dǎo)及綜合應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，20076 張迎新.單片機初級教程（第二版）.北京：北京航空航天大學出版社，20067 劉玉賓.朱煥立.單片機原