基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制

1、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 信息工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課 程 名 稱計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī) 學(xué)生姓名、學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 專 業(yè) 班級(jí) 指 導(dǎo) 教 師 姓名 課程設(shè)計(jì)起止日期 課程設(shè)計(jì)基本要求課程設(shè)計(jì)是工科學(xué)生十分重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用先修課程的理論知識(shí)和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實(shí)際問題的能力。課程設(shè)計(jì)報(bào)告是科學(xué)論文寫作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達(dá)能力，也是規(guī)范課程設(shè)計(jì)教學(xué)要求、反映課程設(shè)計(jì)教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)管理，提高課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，特?cái)M定如下基本要求。1. 課程設(shè)計(jì)教學(xué)一般可分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目的

2、選題、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析、答辯等4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績(jī)。2. 課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題要符合本課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱的要求，該項(xiàng)目應(yīng)能突出學(xué)生實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項(xiàng)目有一定的實(shí)用性，且學(xué)生通過(guò)努力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書一、二項(xiàng)中，課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題考核成績(jī)占10%左右。3. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要包括可行性設(shè)計(jì)方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實(shí)施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和pcb圖。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第三項(xiàng)中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要考核設(shè)計(jì)方案的正確性、可行

3、性和創(chuàng)新性，考核成績(jī)占30%左右。4. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析主要包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作結(jié)果的工藝水平，項(xiàng)目測(cè)試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項(xiàng)目測(cè)試中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤原因的分析和處理方法。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第四項(xiàng)中，考核成績(jī)占25%左右。5. 學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)認(rèn)真閱讀與本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目相關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻(xiàn)閱讀摘要記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第五項(xiàng)中，考核成績(jī)占10%左右。6. 答辯是課程設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出23個(gè)問題，通過(guò)答辯可進(jìn)一步了解學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)中理論知識(shí)和實(shí)際技能掌握的程度，以及對(duì)問題的理

4、解、分析和判斷能力。答辯考核成績(jī)占25%左右。7.學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計(jì)周內(nèi)認(rèn)真參加項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書交給課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱。課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計(jì)全過(guò)程，認(rèn)真評(píng)閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，給出課程設(shè)計(jì)綜合評(píng)閱意見和每一個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)分成績(jī)（百分制），最后將百分制評(píng)分成績(jī)轉(zhuǎn)換為五級(jí)分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評(píng)成績(jī)。8. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書是實(shí)踐教學(xué)水平評(píng)估的重要資料，應(yīng)按課程、班級(jí)集成存檔交實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制 初始條件：1， 運(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)原理及應(yīng)用知識(shí)

5、；2， 單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）使用匯編語(yǔ)言或c語(yǔ)言外加k0-k7等一系列的開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)步行電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向的控制（實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上功能）：1. 了解單片機(jī)的基本原理，學(xué)會(huì)使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)基本應(yīng)用；2. 熟悉c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)上編程；3. 掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理及程序?qū)崿F(xiàn)方案；4. 程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)與停止控制，方向的控制，速度控制與顯示；5.嚴(yán)格按照課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。時(shí)間安排：序號(hào)階 段 內(nèi) 容所需時(shí)間（天）1設(shè)計(jì)思路、原理電路設(shè)計(jì)12編程,調(diào)試33撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告1合 計(jì)5指導(dǎo)教師簽

6、名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 一、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱基于步進(jìn)電機(jī)控制器的開環(huán)控制二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的及技術(shù)要求1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）運(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)原理及應(yīng)用知識(shí)；（2）運(yùn)用所學(xué)的步進(jìn)電機(jī)的知識(shí)用c 語(yǔ)言編程控制。2實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求使用c語(yǔ)言外加k0-k6等開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)步行電機(jī)啟動(dòng)，停止，轉(zhuǎn)速和方向的控制：(1)了解單片機(jī)的基本原理，學(xué)會(huì)使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)基本應(yīng)用；(2)熟悉c語(yǔ)言，在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)c語(yǔ)言編程；(3)掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理及程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制；（4）用c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)與停止控制，方向的控制，速度控制與顯示；(5)嚴(yán)格按照課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。三、項(xiàng)目

7、設(shè)計(jì)方案論證(可行性方案、最佳方案、工作原理，硬件設(shè)計(jì)，軟件程序設(shè)計(jì)、硬件電路原理圖，流程圖)1.可行性方案選擇與論證 方案一：采用單片機(jī)89c51和脈沖分配器pmm8713控制步進(jìn)電機(jī)的啟停，正反轉(zhuǎn)和加減速控制。步進(jìn)電機(jī)控制是一個(gè)比較精確的控制，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的cp。單片機(jī) 接口 驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 負(fù)載 圖1微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框圖與傳統(tǒng)步進(jìn)控制器相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 用微型機(jī)代替了步進(jìn)控制器把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制。 2. 只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，每個(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一

8、個(gè)固定的步距角度。 3. 根據(jù)步距角的大小及實(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。方案二：通過(guò)改變輸入脈沖信號(hào)和開關(guān)量來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停，正反轉(zhuǎn)，加減速控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其圖2所示： 脈沖發(fā)生器方向控制器脈沖分配器 功率放大器步進(jìn)電機(jī)圖2典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生頻率變化的脈沖信號(hào); 方向控制器用于控制脈沖信號(hào)的變化達(dá)到改變電機(jī)方向的目的；脈沖分配器根據(jù)方向控制信號(hào)將

9、脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成有一定邏輯關(guān)系的環(huán)形脈沖;功率放大器將脈沖分配器輸出的環(huán)形脈沖放大,用于控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這些部分都可以由專門的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果用單片機(jī)加上專門的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，可以簡(jiǎn)化電路，提高可靠性。 方案三：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”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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。次課程設(shè)計(jì)就是通過(guò)改

10、變脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過(guò)數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級(jí)別。另外通過(guò)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。液晶顯示器 單片機(jī)89c51復(fù)位電路鍵盤控制電路 驅(qū)動(dòng)電 路步進(jìn)電 機(jī)電源及時(shí)鐘電路圖3基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖最佳方案是方案三：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)。1.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理：1.1.1 步進(jìn)電機(jī)介紹步進(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

11、沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)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(lái)控制變得非常的簡(jiǎn)單。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)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。 本次課程設(shè)計(jì)采用的是步距角為1.8度的四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)。 1.1.2步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)： （1）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ) 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。 2）拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所

12、需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(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. 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(guò)的角位移用表示。=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=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 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） 5）靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作

13、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(wú)關(guān)。 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(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)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。 （2）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)： 1）步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)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)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。 2）失步：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 3）失調(diào)角：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

14、的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 4）最大空載起動(dòng)頻率：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)載的情下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 5）最大空載的運(yùn)行頻率：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。 6）運(yùn)行矩頻特性： 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，使采用小電感大電流的

15、電機(jī)。 7）電機(jī)的共振點(diǎn)： 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)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 8）電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)閍-ab-b-bc-c-cd-d-da時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)閐a-d-cd-c-bc-b-ab-a時(shí)為反轉(zhuǎn)。 （3）步進(jìn)電機(jī)的特征如下： 1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%-5%，且不積累。 2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高

16、溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)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(lái)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。 3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 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)域得到應(yīng)用。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

17、矩下降。 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(wú)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(guò)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?gòu)牡退偕礁咚伲?.1.3步進(jìn)電機(jī)的工作原理 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

18、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)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。 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4步進(jìn)電機(jī)工作原理圖開始時(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(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。 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

19、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 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5步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 1.1.4步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇 （1）步進(jìn)電機(jī)的分類現(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）、混合式步進(jìn)電機(jī)（hb）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。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

20、，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。永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，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?；旌鲜讲竭M(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

21、設(shè)備中多用此類電機(jī)。 （2）步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(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(lái)了。 1）步距角的選擇 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。 2）靜力矩的選擇 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

22、。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(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。 3)電流的選擇 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）。 4)力矩與功率換算 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(lái)衡量，力矩與功率換算如下： p= m =2n/60 p=2nm/60 （1） 其p為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n

23、為每分鐘轉(zhuǎn)速，m為力矩單位為牛頓米 p=2fm/400(半步工作） （2） 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱pps） 1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 1.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 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)，停止都完全取決于脈沖的有無(wú)或頻率的高低。

24、控制器的方向信號(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(lái)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(guò)載、過(guò)熱等故障時(shí)迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行。 1.2.2 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性 步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電

25、機(jī)相繞組的兩個(gè)固有屬性，電機(jī)的性能和這兩個(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。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。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: i(t)=v(1-e-rt/l)/r （3） 通電瞬間繞組電流上升速率為: di(0)/dt=v/t （4） 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，電流達(dá)到最大值: imax=v/r（5） l/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，

26、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: i(t)=ve-r(t-t1)/l/r (6) 不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上，電流波形如圖4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(guò)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。不同頻率脈沖作用下電感-電阻電路的電流波形 要改善電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的性能，有

27、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(guò)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)。或者在電路中串聯(lián)電阻，使l/r減少。 1.3 單片機(jī)原理1.3.1單片機(jī)原理概述 單片機(jī)（single-chip microcomputer）是把微型計(jì)算機(jī)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(guò)程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)鐘cpu程序存儲(chǔ)器輸入輸出接口定時(shí)計(jì)數(shù)器 圖

28、6典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1.3.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 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(guò)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c(diǎn)pu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6所示。 epromramromrami/o擴(kuò)展步進(jìn)電機(jī) 圖7單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 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

29、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(lái)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(lái)說(shuō),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)芯片；對(duì)與片內(nèi)沒有rom/eprom芯片來(lái)說(shuō)，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。 1.3.3 at89c51簡(jiǎn)介 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)。 at89c51是一種

30、帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，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。（1）主要特性： 1）與mcs-51 兼容 2）4k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán) 3）全靜態(tài)工作：0hz-24hz 4）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 5）128*8位內(nèi)部ram 6）32可編程i/o線 7）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 8）5個(gè)中斷源 9）可編程

31、串行通道 10）低功耗的閑置和掉電模式 11）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 （2）管腳說(shuō)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

32、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。 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)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上

33、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） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /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

34、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。 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(guò)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(wú)效。 /psen：

35、外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號(hào)將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 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(lái)自反向振蕩器的輸出。 （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）

36、及數(shù)據(jù)總線分時(shí)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i/o口，雙功能復(fù)用口。 （4）振蕩器特性： 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(guò)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(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 (5)芯片擦除： 整個(gè)eprom陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ale管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作

37、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。 2.硬件設(shè)計(jì)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。圖8系統(tǒng)整圖2.1電源部分 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

38、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9、圖10所示。 （1）產(chǎn)生12v的電壓給步進(jìn)電機(jī)供電圖9 12v供電電路（2）產(chǎn)生5v的電壓給單片機(jī)供電 圖10v供電電路22時(shí)鐘電路 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(guò)提高時(shí)鐘頻率來(lái)提高cpu的速度，本次設(shè)計(jì)采用的晶振為12mhz。單片機(jī)的時(shí)鐘電路由振蕩電路和分頻電路組成。其中振蕩電路由反相器以及聯(lián)外接石

39、英晶體和電容構(gòu)成，用于產(chǎn)生振蕩脈沖。而分頻電路則用于把振蕩脈沖分頻，以得到所需要的時(shí)鐘信號(hào)，為單片機(jī)內(nèi)容所帶的。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(lái)自反向振蕩器的輸出。本次設(shè)計(jì)所用采用的是外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，所以通過(guò)在芯片外并接石英晶體振蕩器和兩只電容器構(gòu)成振蕩回路，為片內(nèi)放大器提供正反饋和振蕩所需的相移條件，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。本次設(shè)計(jì)用一只12mh的晶振和兩只30pf的電容器就能滿足系統(tǒng)所需。 圖11振蕩電路 2.3 lcd液晶顯示 本文采用12864液晶顯示，其與單片機(jī)p0口相接，用于顯示控制界面信息。其引腳可參照說(shuō)明書，本文主要對(duì)軟件的設(shè)計(jì)

40、進(jìn)行詳細(xì)的介紹。采用的連接方式是直連方式，通過(guò)直接的人為控制狀態(tài)位，來(lái)實(shí)現(xiàn)lcd的顯示。2.4復(fù)位電路 為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使cpu及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要rst引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位，但如果rst引腳上持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)所需的復(fù)位要求，選用上電復(fù)位的微分型復(fù)位電路，產(chǎn)生高電平復(fù)位信號(hào)，本次設(shè)計(jì)用一個(gè)10uf電容和一個(gè)1k電阻組成微分型復(fù)位電路。圖12復(fù)位電路2.5按鍵電路 本次設(shè)計(jì)是通過(guò)單片

41、機(jī)的p0口來(lái)控制信號(hào)的輸入，因此把按鍵開關(guān)和p0口連接起來(lái)，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p0.3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?？刂菩盘?hào)的輸入相當(dāng)于通過(guò)按鍵開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)而可以對(duì)單片機(jī)實(shí)行相應(yīng)的操作。 圖13按鍵電路2.6驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須接入驅(qū)動(dòng)電路才能正常工作。驅(qū)動(dòng)電路集成化成為一種趨勢(shì)。目前，已有多種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，它們大多集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，作為小功率步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)芯片

42、，廣泛用于小型儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來(lái)非常方便。此部分電路是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，我選用uln2004芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)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，包含7個(gè)npn達(dá)林頓管。 圖14 驅(qū)動(dòng)電路3.軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)軟硬件環(huán)境 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(lái)，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(guó)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。本次畢課程設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)是at89c51。3.1系統(tǒng)主程序 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，其主程序流程圖如下：圖1

43、5主程序流程圖3.2查鍵部分 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，p0.1口為0時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 圖16查鍵部分流程圖 33前進(jìn)部分 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17所示。 圖17前進(jìn)部分流程圖3.4后退部分 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18所示。圖18后退部分流程圖3.5加速

44、部分 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)變短，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速。流程圖如圖19所示。圖19加速部分流程圖3.6減速部分 電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候，按下減速鍵，通過(guò)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(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速。流程圖如圖20所示。圖20減速部分流程圖四、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析（分析試驗(yàn)過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)果的原因和處理方法）步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。在此方案中,負(fù)載位置對(duì)控制電路無(wú)反饋,因此步進(jìn)電機(jī)必須正確響應(yīng)每次勵(lì)磁變化。如果勵(lì)磁頻率選擇不當(dāng),電機(jī)不能達(dá)到新的要求位置,那么實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)控制器所期待位置會(huì)出現(xiàn)永久性誤差,也就是會(huì)產(chǎn)生“失步”和“過(guò)沖”現(xiàn)象?？梢圆捎梦恢梅答伝蛭恢梅答伌_定與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)獲得正確相位轉(zhuǎn)換,從而大大改善步進(jìn)電機(jī)的性能,這樣就可以進(jìn)行更加精確的位置控制和獲得高速、平穩(wěn)的速度了。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