基于STC單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及C語言程序.

1、基于單片機(jī)系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)摘要本文介紹了基于80C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。分別概括的介紹了單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)的各種驅(qū)動(dòng)方案；對一款四相步進(jìn)電機(jī)以及80C52單片機(jī)的功能參數(shù)和一種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，以及選擇其原因進(jìn)行了必要的說明；對基于80C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行了介紹；根據(jù) 80C52單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的原理以及特點(diǎn)和參數(shù)選擇了 其他元器件，結(jié)合驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A，建立了相應(yīng)的電路圖；進(jìn)行了必要的電路分析說明， 并將這個(gè)電路圖制作成型，使其工作，實(shí)現(xiàn)加速減速等功能。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；AT89C52單片機(jī)；ULN2003A驅(qū)動(dòng)。第1章前言1.1課題的背景

2、11.2發(fā)展概況11.3課題主要內(nèi)容1第2章 步進(jìn)電機(jī)的基本原理、分類和選擇 12.1步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 22.2步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 22.3步進(jìn)電機(jī)分類 22.4四相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理及工作方式 22.5步進(jìn)電機(jī)具體型號的選擇 3第3章 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)接口選擇 33.1單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 43.2雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 43.3高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口 43.4斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口 53.5集成功率驅(qū)動(dòng)接口及驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 6第4章驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件組成及具體驅(qū)動(dòng)方案分析 64.1關(guān)于80C52單片機(jī)的介紹64.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 84.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理94.3.1步進(jìn)電機(jī)的控制信號 94.3

3、.2控制信號功率的放大94.3.3單片機(jī)控制信號的輸出10第 5章驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路及總電路 105.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 105.2人機(jī)交互模塊 115.3按鍵開關(guān)部分 125.4驅(qū)動(dòng)芯片部分125.5總電路圖13第6章驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)程序流程圖 13第7章結(jié)論 14附錄14參考文獻(xiàn)19第1章前言1.1課題的背景步進(jìn)電機(jī)是現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)中最早出現(xiàn)的執(zhí)行部件，其特點(diǎn)是可以將數(shù)字脈沖控制信號 直接轉(zhuǎn)換為一定數(shù)值的機(jī)械角位移，并且能夠自動(dòng)產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)軸鎖定。如果在機(jī)械結(jié) 構(gòu)中再配以滾珠絲杠，那步進(jìn)電機(jī)的高精度轉(zhuǎn)角就可以轉(zhuǎn)換為高精度直線位移，這在以精度 為要求的現(xiàn)代機(jī)械控制中是極其重要的一點(diǎn)。隨著微電子和計(jì)

4、算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、控制方便。尤其是步 距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會(huì)長期積累的特點(diǎn)，給實(shí)際的應(yīng)用帶來了很大的 方便。研究步進(jìn)電機(jī)的控制方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。 為此，本文設(shè)計(jì)了一段步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度等級的調(diào)節(jié)，并用 數(shù)碼管顯示。1.2發(fā)展概況雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電 機(jī)卻非易事，它涉

5、及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。目前，生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家 卻非常少，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、 使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，本文決定以四相混合式步進(jìn)電機(jī)為例敘述其基本工作 原理及設(shè)計(jì)簡單的驅(qū)動(dòng)程序。望能對廣大用戶在選型使用時(shí)有所幫助。1.3課題主要內(nèi)容本課題將分析步進(jìn)電機(jī)的工作原理，并簡單介紹其各種驅(qū)動(dòng)方式。使用單片機(jī)以軟件方式 配合有關(guān)芯片和電路元件驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)， 通過C語言編程方法，對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制， 使其在一定范圍下運(yùn)行。在 Keil中編程并調(diào)試，Proteus中進(jìn)

6、行仿真，并很好地模擬出實(shí)驗(yàn)結(jié) 果。最后，根據(jù)電路圖焊接出實(shí)物。第2章步進(jìn)電機(jī)的基本原理、分類和選擇步進(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)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），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。2.1步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠 時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，女口 86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9 /1.8。（表示半步

7、工作時(shí)為 0.9整步工作時(shí)為1.8 ）這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”它不一定是電機(jī)實(shí)際工 作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn) 電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9 /1.8、三相的為0.75 /1.5、五相的為0.36 /0.72。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī) 來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在 驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電

8、機(jī)最重要 的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度 的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為衡量步進(jìn)電機(jī)最 重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說 2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩 為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。2.2步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)1. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3%-5%，且不累積。2. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。3. 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；頻率越高，反向電 動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4. 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，

9、但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。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)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）。2.3步進(jìn)電機(jī)分類目前常用的有三種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：1. 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動(dòng) 態(tài)性能差。2. 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角大。3. 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（H

10、B）?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的 優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它有時(shí)也稱作 永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。綜合步進(jìn)電機(jī)的以上參數(shù)特點(diǎn)以及各種步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題選用四相混合式（感應(yīng)子式）步進(jìn)電機(jī)2.4四相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理及工作方式如圖2-1。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0、3號齒對 齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁 極產(chǎn)生錯(cuò)齒。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 齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、

11、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相 繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2-1四相步進(jìn)電機(jī)步工作進(jìn)示意圖四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍 與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍 的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。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2-2a、b、c所示:粽沖 juuinnnnnrtruTaAffl -Tlnnmb _nn

12、n一eta _n_n_TL Dta n n n na.單四拍jrLrLnjLTLnjLn_n_rLrLrLJ|_|III IL-TL-TLJ-1b.雙四拍圖2-2步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖-rLrLnAnrLnrLnjmnAnnnc.八拍192.5步進(jìn)電機(jī)具體型號的選擇考慮到實(shí)驗(yàn)室材料和驅(qū)動(dòng)功率大小等實(shí)際條件，以及連線的方便與否。最終選擇型號為 28BYJ48的四相五線步進(jìn)電機(jī)。該步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)為：1 額定電壓：5VDC2. 直流電阻：200? 7% (25)3. 減速比：1/644. 步距角:5.625 /645. 驅(qū)動(dòng)方式：4相8拍6. 牽入轉(zhuǎn)矩：三 350mN.m(120Hz)7. 打滑

13、扭力：800-1300mN.m8. 溫升：50K (5VDC 工作頻率：120Hz)9. 噪音：小于 35dB (120Hz)10. 絕對耐壓：600VAC/1S第3章 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)接口選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如圖3-1所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。圖中點(diǎn)劃線 所包圍的二個(gè)單元可以用微機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口，這里對步進(jìn)電機(jī)各種驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行簡單的介紹。|! I步進(jìn)電機(jī)微機(jī)捋制甲元圖3-1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)3.1單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口在

14、電機(jī)繞組回路中串有電阻 Rs,使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電 磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū) 動(dòng)線路中，Rs是不可缺少的。Rs對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖 3-2。*24V圖3-2單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口及單步響應(yīng)曲線3.2雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口雙電壓驅(qū)動(dòng)的功率接口如圖3-3所示。雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低（低頻段）用較低 的電壓UL驅(qū)動(dòng)，而在高速（高頻段）時(shí)用較高的電壓 UH驅(qū)動(dòng)。這種功率接口需要兩個(gè)控 制信號，Uh為高壓有效控制信號，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號。圖中，功率管 TH和二極管 DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)Uh低電平，TH關(guān)

15、斷，DL正偏置，低電壓UL對繞組供電。反之 Uh高電平，TH導(dǎo)通，DL反偏，高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較 大出力，而靜止鎖定時(shí)功耗減小。圖3-3雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口3.3高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口Vo15圖3-4高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口如圖3-4所示。高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何， 均利用高電壓UH供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs,消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號Uh和UI，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變，如圖3-4所示。圖

16、中，高壓管VTH的導(dǎo)通時(shí)間tl不能太大，也不能太小，太大 時(shí)，電機(jī)電流過載；太小時(shí)，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。一般可取1-3ms。3.4斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時(shí)均保持 固定數(shù)值。使電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖 3-5是斬波恒流功率接口原理圖。圖中 R是一個(gè)用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。 當(dāng)電流不大時(shí)，VT1和VT2同時(shí)受控于走步脈沖，當(dāng)電流超過恒流給定的數(shù)值，VT2被封鎖, 電源U被切除。由于電機(jī)繞組具有較大電感，此時(shí)靠二極管VD續(xù)流，維持繞組電流，電機(jī)靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力

17、。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。 當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值，VT2導(dǎo)通，電源再次接通。如此反復(fù)，電機(jī)繞組電流就穩(wěn)定在 由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖3-5所示。圖3-5斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口也有兩個(gè)輸入控制信號，其中u1是數(shù)字脈沖，u2是模擬信號。這種功率接口的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較 復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。3.5集成功率驅(qū)動(dòng)接口及驅(qū)動(dòng)芯片的選擇目前已有多種用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的集成功率驅(qū)動(dòng)接口電路可供選用。例如集成H橋式驅(qū)動(dòng)器L298芯片，集成達(dá)林頓管ULN2003A極電極開

18、路驅(qū)動(dòng)芯片等。由于 ULN2003A具 有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)，而且集成有續(xù)流二極管等特點(diǎn)， 以及其對單片機(jī)的專用性。本課題選擇 ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片3687圖3-6 ULN2003邏輯圖InputBULN/ULQ2003A: Rr = 27 kQ圖3-7 ULN2003內(nèi)部電路圖由圖3-6、圖3-7可知，ULN2003A其本質(zhì)是一個(gè)基于三極管的非門電路芯片。在驅(qū)動(dòng)過 程中，ULN2003起到將控制信號功率放大和信號反相的作用。進(jìn)而穩(wěn)定地將步進(jìn)電機(jī)的控制 信號平穩(wěn)有效地送給步進(jìn)電機(jī)，確保步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。第4章驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件組成及具體驅(qū)動(dòng)方案分析4.1關(guān)于80C

19、52單片機(jī)的介紹單片機(jī)以其體積小、功能齊全、價(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都獲得了廣泛的 應(yīng)用。即使非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以后也能依靠自己的技術(shù)力 量，來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。故在本次設(shè)計(jì)中采用了其中的低功耗型 80C52單片機(jī)該系列單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài) 80C52設(shè)計(jì)，由先進(jìn)CMOS工藝制造，并帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器，全部支持12時(shí)鐘和6時(shí)鐘操作，P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分 別包含128字節(jié)和256字節(jié)RAM、32條I/O 口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6輸入4優(yōu) 先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)串行I/O 口、可用于多機(jī)

20、通信I/O擴(kuò)展或全雙工UART以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式一空閑模式和掉電模式，空閑模式凍結(jié) CPU，但RAM定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作；掉電模式保存 RAM的內(nèi)容，但是凍結(jié)振 蕩器，導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作其主要結(jié)構(gòu)組成如下：1 中央處理器（CPU）2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部 RAM ）3內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（內(nèi)部 ROM）4 .定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5. 并行I/O 口6. 串行口7. 時(shí)鐘電路8. 中斷系統(tǒng)9. 外接晶體引腳.1丄1*XTAL1PO O/ADO P01/AD1PO 2/AD2PO 3/AO3PO.4/AD4 PO 5/AD5P0J63DSP0.7/AD

21、7XTAL2FtSTdidPSENALE EAP2.0/ASP21/AS P2.2/A10 P2 3/A11 P2 4/A12P2.SM13 P2 6/A14 P2.7/A15外時(shí)鐘源程序存儲(chǔ)曙KKB RDM數(shù)據(jù)存諸器256B RAM SFR外屮斷64KB總線擴(kuò)展控制線控制P1.002 P1 1/72EXPI 2P1.3PI .4P1.5P1.5P3J0URXD P3.-1 JXD P3.2JINT0P33jiNrTP3.4HOP3.5/T1P3.6/WRP3 7W-3837363534F 器亠專24Hi金工工13圖4-1 80C52單片機(jī)管腳圖可編程I/OJl fj U圖4-2 80C52單

22、片機(jī)工作系統(tǒng)圖 單片機(jī)管腳如圖4-1所示，下面對其各個(gè)管腳進(jìn)行必要的說明外時(shí)事件計(jì)數(shù)2X16位定時(shí)曙/計(jì)數(shù)器可編程全雙 T.fflfrujL1r串行通信PO、P1、P2、P3 口的電平與 CMOS和TTL電平兼容。P0 口的每一位口線可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。在作為通用I/O 口時(shí)，由于輸出驅(qū)動(dòng)電是 開漏方式，由集電極開路（OC門）電路或漏極開路電路驅(qū)動(dòng)時(shí)需外接上拉電阻； 當(dāng)作為地址 /數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，口線輸出不是開漏的，無須外接上拉電阻。P1、P2、P3 口的每一位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。它們的輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)有內(nèi)部上拉電阻， 所以可以方便地由集電極開路（OC門）電路或漏極開路電路所驅(qū)動(dòng)，

23、而無須外接上拉電阻。當(dāng)CPU不對P3 口進(jìn)行字節(jié)或位尋址時(shí)，內(nèi)部硬件自動(dòng)將口鎖存器的 Q端置1。這時(shí)，P3 口作為第二功能使用。P3.0 : RXD （串行口輸入）；P3.1 : TXD （串行口輸出）；P3.2 :外部中斷0輸入；P3.3 :外部中斷1輸入；P3.4 : TO （定時(shí)器0的外部輸入）；P3.5 : T1 （定時(shí)器1的外部輸出）；P3.6 :（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器“寫”選通控制輸出）；P3.7 :（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器“讀”選通控制輸出）。EA/VPP :訪問程序存儲(chǔ)器控制信號，當(dāng)其為低電平時(shí)，對ROM的讀操作限定在外部的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)其為高電平時(shí)，對 ROM的讀操作是從內(nèi)部存儲(chǔ)器開始的，

24、并可延至外部程 序存儲(chǔ)器。ALE/PROG :編程脈沖PSEN:外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號，在讀外部 ROM時(shí)PSEN是低電平有效，以實(shí)現(xiàn)對 ROM的讀操作。RST/VPD :復(fù)位信號，當(dāng)輸入信號延續(xù)2個(gè)周期以上的高電平有效，用以完成單片機(jī)復(fù)位 初始化操作。XTAL :時(shí)鐘晶振輸入端。4.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖4-3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由圖4-3可知，本系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，將這些參數(shù)和控制程序通過 數(shù)據(jù)串口燒錄到單片機(jī)中。按鈕和單片機(jī)的控制信號通過驅(qū)動(dòng)電路，輸入至步進(jìn)電機(jī)，控制 步進(jìn)電機(jī)的速度。電源和變壓整流電路為單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片的正常工作提供安全穩(wěn)定的直流 咼電平。4.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的

25、驅(qū)動(dòng)原理為了方便闡述，本節(jié)按照步進(jìn)電機(jī)輸入信號要求，控制信號功率的放大，單片機(jī)控制信號 的輸出和編程的順序分析其工作過程。圖4-4 28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)接線指示圖 表4-1步進(jìn)電機(jī)輸入信號分布表連線序號導(dǎo)線顏色分配順序12345紅+4橙+3黃+2粉+1藍(lán)+如圖4-4所示，28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)接內(nèi)部共有四相線圈，其中 Vcc端共接在一起，為紅 線。四相線圈的控制信號輸入端按順序依次為藍(lán)、粉、黃、橙。為方便編程與描述，本文采 用單片機(jī)的雙四拍運(yùn)行時(shí)序，貝U其通電線圈按照時(shí)序依次為：藍(lán)粉、粉黃、黃橙、橙藍(lán)。其 輸入信號分布如表4-1所示。以此時(shí)序，按照一定的頻率，步進(jìn)電機(jī)就可穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)。4.

26、3.2控制信號功率的放大單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這是由于單片機(jī)I/O接口輸出功率很小，輸出信號不穩(wěn)定。 因此就必須在單片機(jī)I/O接口下方接功率驅(qū)動(dòng)單元。按照前文所述，本文選擇具有信號放大， 信號反相功能的ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片。由圖4-5所示，ULN2003A本質(zhì)為達(dá)林頓管，其中 Q1, Q2, R2, R3本質(zhì)為以放大倍15 數(shù)被加大的三極管。因此，當(dāng)輸入信號為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這時(shí)負(fù)載左端，即芯片的 信號輸出端為低電平，因此ULN2003A為反相輸出。此時(shí)負(fù)載中有電流產(chǎn)生。在本文中，負(fù)載即為步進(jìn)電機(jī)的某一相線圈，所以當(dāng)輸入信號為 高電平時(shí)，與之相連的步進(jìn)電機(jī)線圈中有電流產(chǎn)生；當(dāng)輸

27、入信號為低平時(shí)，負(fù)載左端即信號 輸出端為高電平，負(fù)載中無電流產(chǎn)生，即與之相連的步進(jìn)電機(jī)線圈不工作。又因?yàn)檫_(dá)林頓管放大倍數(shù)為兩個(gè)三極管放大倍數(shù)之積，達(dá)到比較可觀的功率放大作用。 綜上，將單片機(jī)四個(gè)I/O接口連接至ULN2003A輸入接口，就將控制步進(jìn)電機(jī)的信號放大反相。 使得步進(jìn)電機(jī)正常工作。4.3.3單片機(jī)控制信號的輸出考慮到步進(jìn)電機(jī)正常工作所需要的時(shí)序分布以及 ULN2003A的反相所用，單片機(jī)的輸出 信號以及相應(yīng)的輸出端口如表 4-2所示。為了實(shí)際電路中連線方便，信號輸出端口為 P1.0, P1.1, P1.2，P1.3 口。表4-2單片機(jī)輸出信號分布表輸入接口對應(yīng)導(dǎo)線顏色分配順序-一一二

28、四P1.3橙0011P1.2黃0110P1.1粉1100P1.0藍(lán)1011對應(yīng)16進(jìn)制數(shù)0xF30xF60xFc0xF9第五章驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路及總電路5.1單片機(jī)最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源部分、燒錄口四個(gè)單元，電源部分與燒錄口省略，如圖:5.2人機(jī)交互模塊采用8段共陰數(shù)碼管,P0 口輸出段碼、位碼，P2.2和P2.3分別為段鎖存和位鎖存如圖:RP1 g -eTEXH-RBCCEFG DF1E3*VCCtpanrAEafdm 則 A eaAta ipaarAiaiPD.tfAD* pgfAHi PQJAK PH .7/AV?notFZ-IAB P7SA1 P3F* 1HFZSA 13P

29、3.5A1#F3.7W VP3HTRXDP3.irTDR超世IUFaaTTTTElP3ST1歸*mr36SJiZ*-F1O尊J -5*1BDDQDP1Q 1DZQZD32D4Q4P0書D石Q6DTQ77 +KC：573 T|PCT*5.3按鍵開關(guān)部分其中上面的開關(guān)代表轉(zhuǎn)速等級增加一級，下面的開關(guān)代表速度等級降一級，如圖:5.4驅(qū)動(dòng)芯片部分輸入端分別連接P1.0, P1.1，P1.2, P1.3管腳。輸出分別連接步進(jìn)電機(jī)藍(lán)，粉，黃，橙導(dǎo) 線。由于負(fù)載過大，此處必須加上個(gè)阻值為10K的上拉電阻。如圖：R210kR3 iU410k46,R110k10kR5 it1T11B2Bse7BLN2aO3A

30、uTEEP1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2P1.3F1.4P1.SP1.6P1.7AT80C52vTEXTaF3J0/RXD ps.iyrxD P3.2/INT0 P3.?/INT1P3.4/T0 P3.6/T1P3.e/WRP3 7/RD3Jo6C7CCOM1Cii亠R6亠R7Ihiklb*R95.1k5.5總電路圖i il ri1- - I- 1-1 IIIAP1ki-XTALIXTA13F.8TALEP1DTZ pi.irr 2FOP1.4-F1SP1j6P1JF0.9AK FD.TfRP?珂嘔 P3.1 陌 rzAc FZ3A11 F7.A1Z 峠環(huán)口 flJVAH PZ.T

31、i.h.-BF30RXD o.irrxp 科戲IF MnrrrF3.4Hn P3ST1 Fi.am 月了應(yīng)P 口 XYACCI H1.VAD1nasiu IDSAESRS5-tL-uTFJTYR6R7：R85.1kg:5.1k1 cTFj3t=TF速度等級加1第6章驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)程序流程圖開始上電電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)連接P3.2的按鍵是否按下x速度等級減1連接P3.3的按鍵是否按下i斷電zr結(jié)束第7章結(jié)論數(shù)字電子技術(shù)已取得很大成就，數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。在動(dòng)力方面，由于傳統(tǒng)電機(jī)為模擬電子范疇，并不能直接與以計(jì)算機(jī)為代表的數(shù)字電子設(shè)備直接配合使用。需AD，DA轉(zhuǎn)化裝置，加大了控制成本和技術(shù)難度。但是步進(jìn)電機(jī)

32、作為一種數(shù)字動(dòng)力元件的出現(xiàn)， 則大大的改善了此情況。由于步進(jìn)電機(jī)可以直接被計(jì)算機(jī)控制，使其具有可以將數(shù)字脈沖控 制信號直接轉(zhuǎn)換為一定數(shù)值的機(jī)械角位移，并且能夠自動(dòng)產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)軸鎖定的性能特 點(diǎn)，大大提高了電機(jī)的控制精度。而單片機(jī)作為一種簡單可靠，且低功耗，性能穩(wěn)定的計(jì)算 機(jī)。這就使得單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)這一應(yīng)用收到更廣泛的關(guān)注，本文在此選擇較為簡單的單 片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的芯片，組成簡單的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。做簡單的論述，主要工作如 下：1了解步進(jìn)電機(jī)參數(shù)，特點(diǎn)。研究其工作原理，以及使用中的具體注意事項(xiàng)。2了解單片機(jī)的工作原理，掌握其基于 C語言的編程方法，以及最小系統(tǒng)的組成。3搜集步進(jìn)電機(jī)

33、的驅(qū)動(dòng)方案，對驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行比較，選取合適的驅(qū)動(dòng)方式。4按照選取的驅(qū)動(dòng)方式，選取相應(yīng)的元器件，畫出電路圖，在Keil中編程并用Proteus進(jìn)行仿真，很好地模擬出實(shí)際結(jié)果。根據(jù)電路圖焊接出相應(yīng)的實(shí)際電路，排除故障，完成了 相應(yīng)的功能。由于小組成員能力有限，而且受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，本設(shè)計(jì)還存在著電路較為簡單，缺少 獨(dú)立的供電電源等問題和不足。下一步需要在電路上加獨(dú)立供電模塊以及電機(jī)暫停按鈕以及 轉(zhuǎn)向的控制和速度精確的液晶顯示，將系統(tǒng)電路改進(jìn)。并且加上一定的保護(hù)外殼，使其更加 人性化，方便使用。附錄/*名稱：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速等級的控制編寫：1013105班小組日期：2013.10內(nèi)容：本程序用于測試4相

34、步進(jìn)電機(jī)常規(guī)驅(qū)動(dòng)使用1-2相勵(lì)磁1-2相激勵(lì)功率增倍，步進(jìn)角度減半，抖動(dòng)減少 順序如下 a-ab-b-bc-c-cd-d-da 又稱4相8拍 數(shù)碼管顯示 01-20速度等級，數(shù)字越大，速度越快 使用外部中斷既可以調(diào)節(jié)速度增大又可以減小*/#in clude #define DataPort P0 /定義數(shù)據(jù)端口 程序中遇到 DataPort則用P0替換sbit LATCH仁P2A2;/定義鎖存使能端口sbit LATCH2=P2A3;段鎖存位鎖存unsigned char code DuanMa10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x

35、6f;顯示段碼值 09un sig ned char code WeiMa=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;分別對應(yīng)相應(yīng)的數(shù)碼管點(diǎn)亮，即位碼unsigned char TempData8; /存儲(chǔ)顯示值的全局變量sbit A仁P1A0; /定義步進(jìn)電機(jī)連接端口sbit B仁 P1A1；sbit 6= PU2;相通電，其他相斷電相通電，其他相斷電相通電，其他相斷電 相通電，其他相斷電相通電，其他相斷電 相通電，其他相斷電 相通電，其他相斷電 相通電，其他相斷電 全部斷電sbit D仁 P1A3;#defi ne Coil_AB1 A 仁1;B1=1

36、;C 仁0;D 仁0;/AB#defi ne Coil_BC1 A 仁0;B1=1;C1=1;D 仁0;/BC#defi ne Coil_CD1 A 仁0;B1=0;C 仁1;D1=1;/CD#defi ne Coil_DA1 A 仁1;B1=0;C 仁0;D1=1;/D#defi ne Coil_A1 A 仁1;B1=0;C 仁0;D 仁0;/A#defi ne Coil_B1 A仁 0;B1=1;C 仁0;D1=0;/B#defi ne Coil_C1 A 仁0;B 仁0;C1=1;D 仁0;/C#defi ne Coil_D1 A 仁0;B1=0;C 仁0;D1=1;/D#defi ne

37、 Coil_OFF A仁 0;B1=0;C 仁0;D1=0;un sig ned char Speed;/*函數(shù)聲明*/void Display (un sig ned char FirstBit,u nsig ned char Num);void Ini t_TimerO(void);/*uS延時(shí)函數(shù)，含有輸入?yún)?shù)unsigned char t，無返回值unsigned char是定義無符號字符變量，其值的范圍是 0255這里使用晶振12M，精確延時(shí)使用匯編，大致延時(shí) 長度如下T=tx2+5 uS*/void DelayUs2x( un sig ned char t)while(-t);/*

38、mS延時(shí)函數(shù)，含有輸入?yún)?shù)unsigned char t,無返回值unsigned char是定義無符號字符變量，其值的范圍是 0255這里使用晶振12M，精確延時(shí)使用匯編*/void DelayMs( un sig ned char t)while(t-)/大致延時(shí)1mSDelayUs2x(245);DelayUs2x(245);/*主函數(shù)*/main ()unsigned int i=512; 旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間In it_TimerO();/調(diào)用定時(shí)器初始化函數(shù)EA=1;/全局中斷打開EX0=1;/允許外部中斷0中斷IT0=1;設(shè)置外部中斷0為邊沿觸發(fā)EX仁1;/允許外部中斷1中斷IT仁1;設(shè)

39、置外部中斷1為邊沿觸發(fā)Speed=1;TempData0=DuanMaSpeed/10; 分解顯示信息，如要顯示58，TempData1=DuanMaSpeed%10; 貝U 58/10=558%10=8Coil_OFFwhile(i-)/ 正向 Coil_A1DelayMs(Speed);Coil_AB1/遇到 Coil_AB1用A仁 1;B1=1;C仁0;D1=0; 代替DelayMs(Speed);/改變這個(gè)參數(shù)可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，數(shù)字越小，轉(zhuǎn)速越大，力矩越小Coil_B1DelayMs(Speed);Coil_BC1DelayMs(Speed);Coil_C1DelayMs(Speed);Coil_CD1DelayMs(Speed);Coil_D1DelayMs(Speed);Coil_DA1DelayMs(Speed);/*外部中斷0程序-速度等級增加*/ void ISR_INT0(void) in terrupt 0 23if(!INTO)如果檢測到低電平，說明按鍵按下觸發(fā)中斷DelayMs(IO);/ 延時(shí)去抖