基于單片機(jī)系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動STC單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計及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 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。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。 目 錄 第1章 前 言

2、-1 1.1 課題的背景-1 1.2 發(fā)展概況-1 1.3 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-1 2.1 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)-2 2.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)-2 2.3 步進(jìn)電機(jī)分類-2 2.4 四相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理及工作方式-2 2.5 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)動系統(tǒng)及驅(qū)動接口選擇-3 3.1 單電壓功率驅(qū)動接口-4 3.2 雙電壓功率驅(qū)動接口-4 3.3 高低壓功率驅(qū)動接口-4 3.4 斬波恒流功率驅(qū)動接口-5 3.5 集成功率驅(qū)動接口及驅(qū)動芯片的選擇-6 第4章 驅(qū)動系統(tǒng)硬件組成及具體驅(qū)動方案分析-6 4.1 關(guān)于80c52單片機(jī)的介紹 -

3、6 4.2 驅(qū)動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) -8 4.3 驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動原理-9 4.3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制信號-9 4.3.2 控制信號功率的放大-9 4.3.3 單片機(jī)控制信號的輸出-10第 5 章 驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路及總電路-10 5.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)-10 5.2 人機(jī)交互模塊-11 5.3 按鍵開關(guān)部分-12 5.4 驅(qū)動芯片部分-12 5.5 總電路圖-13第6章 驅(qū)動系統(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，并且能夠自動產(chǎn)生定位

4、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)計了一段步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序，可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度等級的調(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

5、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，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。 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)計簡單的驅(qū)動程序。望能對廣大用戶在選型使用時有所幫助。 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)動方式。使用單片機(jī)以軟

6、件方式配合有關(guān)芯片和電路元件驅(qū)動步進(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)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)接收到一個脈沖信號，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（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^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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：

7、它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如86byg250a型電機(jī)給出的值為0.9/1.8(表示半步工作時為0.9 整步工作時為1.8)這個步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(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)動器時，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)動器，則“相數(shù)”將

8、變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(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)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(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)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 3當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電

9、動勢越大。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)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，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)電動機(jī)： 1反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)(vr)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動態(tài)性能差

10、。 2永磁式步進(jìn)電動機(jī)(pm)。永磁式步進(jìn)電動機(jī)出力大，動態(tài)性能好；但步距角大。 3混合式步進(jìn)電動機(jī)(hb)?；旌鲜讲竭M(jìn)電動機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動機(jī)。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(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，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，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和c、d相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和d、a相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)sc接

11、通電源，sb、sa、sd斷開時，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，1、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)生錯齒，2、5號齒就和a、d相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，a、b、c、d四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著a、b、c、d方向轉(zhuǎn)動。 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序與波形分

12、別如圖2-2a、b、c所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 c.八拍 圖2-2 步進(jìn)電機(jī)工作時序波形圖 2.5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：5vdc 2直流電阻：2007%（25） 3減速比：1/64 4步距角：5.625/64 5驅(qū)動方式：4相8拍 6牽入轉(zhuǎn)矩：350mn.m(120hz) 7打滑扭力：800-1300mn.m 8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

13、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)及驅(qū)動接口選擇 步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)驅(qū)動器，如圖3-1所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。圖中點(diǎn)劃線所包圍的二個單元可以用微機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進(jìn)電動機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動機(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)動接口進(jìn)行簡單的介紹。 圖3-1 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng) 3.1單電壓功率驅(qū)動接口 在電機(jī)繞組回路中串有電阻rs，使電機(jī)回路時間常數(shù)減小，高頻時電機(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)動線路中，rs是不可缺少的。rs對步

14、進(jìn)電動機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖3-2。 圖3-2 單電壓功率驅(qū)動接口及單步響應(yīng)曲線 3.2雙電壓功率驅(qū)動接口 雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖3-3所示。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓ul驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓uh驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，uh為高壓有效控制信號，u為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。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)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，而靜止鎖定時功耗減小。 圖3-3 雙電壓功率驅(qū)動接口3.3高低壓功率驅(qū)動接口

15、 圖3-4 高低壓功率驅(qū)動接口 高低壓功率驅(qū)動接口如圖3-4所示。高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，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)動功率接口也有兩個輸入控制信號uh和ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時刻跳變，如圖3-4所示。圖中，高壓管vth的導(dǎo)通時間tl不能太大，也不能太小，太大時，電機(jī)電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取1-3ms。3.4斬波恒流功率驅(qū)動接口 恒流驅(qū)動的設(shè)計思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高

16、頻工作時均保持固定數(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，vt1和vt2同時受控于走步脈沖，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。此時電流將按指數(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)動接口

17、 斬波恒流功率驅(qū)動接口也有兩個輸入控制信號，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)動接口及驅(qū)動芯片的選擇 目前已有多種用于小功率步進(jìn)電動機(jī)的集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。例如集成h橋式驅(qū)動器l298芯片，集成達(dá)林頓管uln2003a極電極開路驅(qū)動芯片等。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)動芯片 圖3-6 uln2003邏輯圖 圖3-7 u

18、ln2003內(nèi)部電路圖 由圖3-6、圖3-7可知，uln2003a其本質(zhì)是一個基于三極管的非門電路芯片。在驅(qū)動過程中，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)動系統(tǒng)硬件組成及具體驅(qū)動方案分析 4.1 關(guān)于80c52單片機(jī)的介紹 單片機(jī)以其體積小、功能齊全、價格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。即使非電子計算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識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

19、能的靜態(tài)80c52設(shè)計，由先進(jìn)cmos工藝制造，并帶有非易失性flash程序存儲器，全部支持12時鐘和6時鐘操作，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16 位定時/計數(shù)器、6 輸入4 優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1 個串行i/o 口、可用于多機(jī)通信 i/o 擴(kuò)展或全雙工uart以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路?？蓪?shí)現(xiàn)兩個由軟件選擇的節(jié)電模式空閑模式和掉電模式，空閑模式凍結(jié)cpu，但ram定時器、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

20、處理器（cpu） 2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部ram） 3內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部rom） 4定時器/計數(shù)器 5并行i/o口 6串行口 7時鐘電路 8中斷系統(tǒng) 9外接晶體引腳 圖4-1 80c52單片機(jī)管腳圖 圖4-2 80c52單片機(jī)工作系統(tǒng)圖 單片機(jī)管腳如圖4-1所示，下面對其各個管腳進(jìn)行必要的說明。 p0、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8個lsttl負(fù)載。在作為通用i/o口時，由于輸出驅(qū)動電是開漏方式，由集電極開路（oc門）電路或漏極開路電路驅(qū)動時需外接上拉電阻；當(dāng)作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時，口線輸出不是開漏的，無須外接上拉電阻。 p1、p2、p3口

21、的每一位能驅(qū)動4個lsttl負(fù)載。它們的輸出驅(qū)動電路設(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，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，內(nèi)部硬件自動將口鎖存器的q端置1。這時，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 ：t0（定時器0的外部輸入）； p3.5 ：t1（定時器1的外部輸出）； p3.6 ：（片外數(shù)據(jù)存儲器“寫”選通控制輸出）； p3.7 ：（片外數(shù)據(jù)存儲器“讀”選通控制輸出）。 ea/vpp：訪問程序

22、存儲器控制信號，當(dāng)其為低電平時，對rom的讀操作限定在外部的程序存儲器，當(dāng)其為高電平時，對rom的讀操作是從內(nèi)部存儲器開始的，并可延至外部程序存儲器。 ale/prog：編程脈沖 psen：外部程序存儲器讀選通信號，在讀外部rom時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 : 時鐘晶振輸入端。 4.2驅(qū)動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 圖4-3 驅(qū)動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 由圖4-3可知，本系統(tǒng)通過計算機(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)動電

23、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)動芯片的正常工作提供安全穩(wěn)定的直流高電平。 4.3驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動原理 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。 4.3.1步進(jìn)電機(jī)的控制信號 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

24、機(jī)的雙四拍運(yùn)行時序，則其通電線圈按照時序依次為：藍(lán)粉、粉黃、黃橙、橙藍(lán)。其輸入信號分布如表4-1所示。以此時序，按照一定的頻率，步進(jìn)電機(jī)就可穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動。 4.3.2控制信號功率的放大 單片機(jī)不能直接驅(qū)動步進(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)動芯片。 圖4-5 uln2003電路圖（含負(fù)載） 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，三極管導(dǎo)通，這時負(fù)載左端，即

25、芯片的信號輸出端為低電平，因此uln2003a為反相輸出。 此時負(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，與之相連的步進(jìn)電機(jī)線圈中有電流產(chǎn)生；當(dāng)輸入信號為低平時，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序分布以及uln2003a的反相所用，單片機(jī)的輸出信號以及

26、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 分配順序一二三四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、時鐘電路、電源部分、燒錄口四個單元，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：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

27、面的開關(guān)代表速度等級降一級，如圖：5.4 驅(qū)動芯片部分 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，此處必須加上個阻值為10k的上拉電阻。如圖：5.5 總電路圖 第6章 驅(qū)動系統(tǒng)程序流程圖 開始 上電電機(jī)轉(zhuǎn)動速度等級加1y連接p3.2的按鍵是否按下 n速度等級減1y連接p3.3的按鍵是否按下斷電 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)作

28、為一種數(shù)字動力元件的出現(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)定的計算機(jī)。這就使得單片機(jī)驅(qū)動步進(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)的驅(qū)動方案

29、，對驅(qū)動方案進(jìn)行比較，選取合適的驅(qū)動方式。 4按照選取的驅(qū)動方式，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相步

30、進(jìn)電機(jī)常規(guī)驅(qū)動 使用1-2相勵磁 1-2相激勵功率增倍，步進(jìn)角度減半，抖動減少 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 -*/#include #define dataport p0 /定義數(shù)據(jù)端口 程序中遇到dataport 則用p0 替換sbit latch1=p22;/定義鎖存使能端口 段鎖存sbit latch2=p23;/ 位鎖存unsigned char code duanma10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x

31、7f,0x6f;/ 顯示段碼值09unsigned 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; /存儲顯示值的全局變量sbit a1=p10; /定義步進(jìn)電機(jī)連接端口sbit b1=p11;sbit c1=p12;sbit d1=p13;#define coil_ab1 a1=1;b1=1;c1=0;d1=0;/ab相通電，其他相斷電#define coil_bc1 a1=0;b1=1;c1=1;d1=0;/bc相通電，其他相斷電#define

32、 coil_cd1 a1=0;b1=0;c1=1;d1=1;/cd相通電，其他相斷電#define coil_da1 a1=1;b1=0;c1=0;d1=1;/d相通電，其他相斷電#define coil_a1 a1=1;b1=0;c1=0;d1=0;/a相通電，其他相斷電#define coil_b1 a1=0;b1=1;c1=0;d1=0;/b相通電，其他相斷電#define coil_c1 a1=0;b1=0;c1=1;d1=0;/c相通電，其他相斷電#define coil_d1 a1=0;b1=0;c1=0;d1=1;/d相通電，其他相斷電#define coil_off a1=0;

33、b1=0;c1=0;d1=0;/全部斷電unsigned char speed;/*- 函數(shù)聲明-*/void display(unsigned char firstbit,unsigned char num);void init_timer0(void);/*- us延時函數(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，精確延時使用匯編,大致延時 長度如下 t=tx2+5 us -*/void delayus2x(unsigned char t) while(-t);/*- ms延時函數(shù)

34、，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，精確延時使用匯編-*/void delayms(unsigned char t) while(t-) /大致延時1ms delayus2x(245); delayus2x(245); /*- 主函數(shù)-*/main() unsigned int i=512;/旋轉(zhuǎn)一周時間 init_timer0(); /調(diào)用定時器初始化函數(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) ex1=1; /

35、允許外部中斷1中斷 it1=1; /設(shè)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;/則58/10=5 58%10=8 coil_off while(i-) /正向 coil_a1 delayms(speed); coil_ab1 /遇到coil_ab1 用a1=1;b1=1;c1=0;d1=0;代替 delayms(speed); /改變這個參數(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_b1 delayms(speed); coil_bc1 d

36、elayms(speed); coil_c1 delayms(speed); coil_cd1 delayms(speed); coil_d1 delayms(speed); coil_da1 delayms(speed); /*- 外部中斷0程序-速度等級增加 -*/void isr_int0(void) interrupt 0 if(!int0)/如果檢測到低電平，說明按鍵按下觸發(fā)中斷 delayms(10);/延時去抖，一般10-20ms if(!int0)/再次確認(rèn)按鍵是否按下，沒有按下則退出 while(!int1);/等待按鍵釋放 speed+; if(speed=21) speed=20; tempdata0=duanmaspeed/10;/分解顯示信息，如要顯示58 tempdata1=duanmaspeed%10;/