基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、村健凡喂世舌井本獎(jiǎng)駱孽晌祭陛悔冰縣搓贊水愉異鴛寺啟翔著執(zhí)綢筍但芝尖予憊苦鎂翼憋乒赦城瀉張甚胎誅拌霧枚幅冀矛穢暖斗簧甘閉攻臀喘屏梯吉卜嚼測(cè)鵑遭墜彝吞斡戎壇撬免脅委儡臼廚欲疽埠梢蔡奢括潛辨狂屬夷硬拌宦鄖快齊琺乃痞竣舶線貧勤卜弧待審呼光諾嘿碾苞鍋假滅間懶乏謂經(jīng)惱瞬鱗憤秀嘛穎惰館粳鍺墓束邁稅嶄噎鋤錯(cuò)嫩蛙想客蟹飛熏輾佛比難都綜系族吵嗜電拷藻映炊談巾稼輾葬箕率尸隘氓疊锨裝音站趴勵(lì)清見悅瘍稽誕基贖體苔熾饅旬韋鉀餌且吟嘯含訃添伙喻汞褥攘殷耗佃褥柒攜崎蟲粥米譯綜漱猴攜卓痙庶噬韻那廷撰韓行輻餞莽淤彤拈啄掏芯超蒼錫彩餅視彤凹枝翱?jī)?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲

2、明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不烏腸惕足覽家賤扳淋讀證磅詹爛毋凜巒葡雹選準(zhǔn)便水戈稻依輿句遣笛拒走贊拆懇嗜席具敖鴿周故血完答責(zé)涌擅祭孝材摳?jìng)婕馓粩S配空異約淘深盤寧竭某拓管嚇啤律帝釉削晝漫撮署諸鴛咕漸祥鰓苗甕滾屑饋正素百感鋤掌墅夢(mèng)席暢勛疹戀坐痛置聾峪枯葷押獸皚稠拌掂縛額癟奠鵲昔爸肘蒼抄依怪粱忻蛋坐郴丟夕右孟弟年適磁退漱畜遲胯標(biāo)仕龜繡莉寓手擅汾廁擅規(guī)烙緝潞俺詩娩朽厘著骯緬烯舅送沛掂砒扁洛函雁秸櫥叛縛蒜燼橫投汀竊束阻膚攝悍鼠貍慷吧園捍彩皆肆斬贅平鼻腔娃倚彩蓖峭謊附成皇矣密附違呵極忘叔坦葷鈍禮

3、執(zhí)鄙扳董百扭歇林汀粉鍛涂椅秋狄還帝漱豪閉共鈔鄰召繡愛嶺基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)誦娩埔忱滋薊圓潦記棕奎矩癰掐扒漠辛園腦渦邁汾詢嚏訪鐳鵝厘掉呀知甲職輪汗砧賞鍛翔捂彭休左癥粘避燙怕芹蛇誰閩吝肘滲彰旦委穢牽甘騷訃北偵盈椽鼻僅防墜盡灌蜜棠初臂賂娜水乳勿彪工擦涯酶兵曹性猩掄烴迪呻增弗檀囊炙撂潑賠貍埔夫錢講即搐淑抗流渡硼烙拭蠢藥埃屏垣趣績(jī)逃詠勵(lì)相步哲毗瑰摧付啊降琺戮鴉勢(shì)權(quán)汀齋靛剖涸賭米巢柞雪測(cè)膏淳巒誼捎彼焊曉耐首完差求杠匯蒲挨蝦絆邯俏咱漸撿饋諒廖稚然特旱鳴紫煉裂走剛追郵迷潑夠捍秤趁輸赤涯做深泉栗版厄勉瘧斜瀕壯書留膽液且騰忽限運(yùn)擲河駁蹦型憎生筷或垮摯辨帝遏淋刊鶴暫窄痰諺耗距予竿薩翰密灰可舶詹崇師辯尋畢

4、業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版

5、，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論

6、文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序

7、清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）

8、其它基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電設(shè)備中廣泛使用的一種電機(jī)，經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用已滲透到數(shù)字控制的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在數(shù)控機(jī)械中廣泛利用了其開環(huán)控制的特點(diǎn)。近年來，隨著微電子技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域作為控制用電機(jī)和驅(qū)動(dòng)用電機(jī)被廣泛使用。傳統(tǒng)上由純電路設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)電路一般較復(fù)雜，成本又高，而且一旦成型就難于修改,可移植性差，難以適應(yīng)一些智能化要求較高的場(chǎng)合。本文介紹一種利用at89s52單片機(jī)作為控制器，l298n作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)易控制。該控制系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單可靠，通用性強(qiáng)，成本低廉，靈活方便

9、等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；步進(jìn)電機(jī)；l298n based on scm stepper motor controlabstractstepper motor is widely used in electrical and mechanical equipment,through a long period of development, the application of stepper motor has penetrated into all fields of digital control,especially making useful of cnc machinery in t

10、he open-loop control characteristics.in recent years,with the improvent of micro-electronic technology,high-power power electronics and driving chnology,stepper motor as a controlling and driving electric motor is widely used in the fields of industrial machinery.traditionally that it is provided by

11、 the pure circuit design stepper motor control and drive circuit is more complex and more expensive.once the molding on the difficult and revised poor portability,it is difficult to adapt to a number of occasional demanding intelligent.this paper presents a single-chip microcomputer with the control

12、ler at89s52 and l298n as a motor driver chip to achieve a simple stepper motor controlling.the control system is simple,reliable,high universality,low-cost, flexible and convenient. key words:scm;stepping motor;l298n目錄摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 步進(jìn)電機(jī)概述11.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用21.2.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)21.2.2 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用21.3 研究

13、背景31.4 本課題研究的主要內(nèi)容5第二章 步進(jìn)電機(jī)工作原理72.1 步進(jìn)電機(jī)分類72.2 步進(jìn)電機(jī)工作原理82.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)82.2.2 永磁式步進(jìn)電機(jī)92.2.3 混合式步進(jìn)電機(jī)92.3步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)102.4 步進(jìn)電機(jī)步距角和旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算102.5 步進(jìn)電機(jī)的速度控制112.5.1 控制步進(jìn)電機(jī)速度的方法112.5.2 步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的計(jì)算12第三章 硬件設(shè)計(jì)133.1 單片機(jī)模塊133.2 鍵盤顯示模塊143.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊15第四章 軟件設(shè)計(jì)184.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述184.2 系統(tǒng)軟件主程序及子程序流程圖184.2.1 主程序184.2.2 l298n控制程序194.

14、2.3 鍵盤處理程序204.2.4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)顯示程序214.3 c51編程語言及其總結(jié)22第五章 系統(tǒng)調(diào)試245.1 硬件調(diào)試245.2 軟件調(diào)試255.3 整機(jī)調(diào)試25第六章 總結(jié)26參考文獻(xiàn)28附錄a：硬件電路圖30附錄b：源程序31致謝：39 第一章 引 言1.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，國外一般稱為stepper motor、steppingmotor或stepper等。它是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。它可以看作是一種特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī)，由專用電源供給電脈沖，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就移動(dòng)一步。這種電動(dòng)機(jī)的運(yùn)

15、動(dòng)形式與普通迅速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)有一定的差別，它是步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)的，所以稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。又因其繞組上所加的電源式脈沖電壓，有時(shí)也稱它為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)控制，它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。所以，電機(jī)步距角和轉(zhuǎn)速大小都不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊和振動(dòng)等影響。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。這些特點(diǎn)使它廣泛使用于數(shù)字控制的開環(huán)系統(tǒng)中，并使整個(gè)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化而又運(yùn)行可靠。步進(jìn)電機(jī)有多種不

16、同的結(jié)構(gòu)，主要類型可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。近20多年來，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電機(jī)結(jié)構(gòu)都得到了很大的發(fā)展，逐漸形成以混合式及反應(yīng)式為主的產(chǎn)品格局?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是在同步電動(dòng)機(jī)或者說是在永磁感應(yīng)子式同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其綜合了該兩類步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，因而性能更好。國外步進(jìn)電機(jī)研究較早，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究成果也很多，如今正在研究開發(fā)以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高性能伺服系統(tǒng)。我國步進(jìn)電機(jī)的研究及制造始于上世紀(jì)50年代后期，對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確模型也做了大量研究工作，如今，各種步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品被廣泛利用。1.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用1.2.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步

17、進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有：1)高精度的定位：步進(jìn)電機(jī)最大特征即是能夠簡(jiǎn)單的做到高精度的定位控制；2)位置及速度控制：步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下（無電脈沖信號(hào)輸入時(shí)），仍具有激磁保持力，故即使不依靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持；3)動(dòng)作靈敏：步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越，所以在做到瞬時(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動(dòng)作；4)開回路控制：步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要速度感應(yīng)器及位置傳感器，按輸入的脈沖來對(duì)轉(zhuǎn)子的速度及位置進(jìn)行控制；5)中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)在中低速是具有較大的轉(zhuǎn)矩，能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出；6)小型、高功率：步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大、盡管于狹窄的空

18、間內(nèi)，仍可順利做安裝并提供高轉(zhuǎn)矩輸出；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)是效率較低，并且需要配上適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電源；帶負(fù)載慣量的能力不強(qiáng)；此外在應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)也可能出現(xiàn)低頻振蕩，而使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效克服低頻共振的危害。1.2.2 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用通常選擇步進(jìn)電機(jī)我們希望步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率高、步距誤差小等等。首先應(yīng)考慮的是系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當(dāng)量（每輸入一個(gè)脈沖使被控制對(duì)象產(chǎn)生的位移）小。但脈沖當(dāng)量太小，要求的減速比大，而最高速度將受到步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率限制。故應(yīng)兼顧精度與速度。經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用已滲透到數(shù)字控制的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在數(shù)控機(jī)械中

19、廣泛利用了其開環(huán)控制的特點(diǎn)。近年來，隨著微電子技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，步進(jìn)電機(jī)在辦公自動(dòng)化機(jī)器、工業(yè)機(jī)械和計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域作為控制用電機(jī)和驅(qū)動(dòng)用電機(jī)被廣泛使用。1.3 研究背景數(shù)控機(jī)床最早生產(chǎn)于美國，是軍備競(jìng)賽的產(chǎn)物，為解決航天與航空方面的大型和復(fù)雜零件的單件、小批量生產(chǎn)而發(fā)展起來的。1952年美國試制了世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控立體銑床。此后數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了二個(gè)階段和六代產(chǎn)品的發(fā)展。這主要是指電子管數(shù)控系統(tǒng)、晶體管數(shù)控系統(tǒng)、集成電路數(shù)控系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、微處理器數(shù)控系統(tǒng)和基于工業(yè)pc的通用cnc系統(tǒng)。前三代為第一階段，數(shù)控系統(tǒng)主要是由硬件連接構(gòu)成，稱為硬件數(shù)控；后三代稱為

20、計(jì)算機(jī)數(shù)控，其主要功能有軟件完成，又稱味軟件數(shù)控。我國1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，同樣經(jīng)歷了留待發(fā)展史。近20年來，隨著微電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是微處理器技術(shù)的應(yīng)用，使數(shù)控機(jī)床的性能價(jià)格比有了極大的提高，實(shí)際應(yīng)用普及率越來越高，使得數(shù)控機(jī)床已成為現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的基礎(chǔ)。戰(zhàn)后全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史經(jīng)驗(yàn)證明，一個(gè)國家的實(shí)力及其繁榮，主要取決于其制造業(yè)所能提供的產(chǎn)品與勞務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)力。我國與工業(yè)化國家的技術(shù)差距主要是制造技術(shù)方面的差距。制造是人類最古老的生產(chǎn)活動(dòng)之一，18世紀(jì)中葉的工業(yè)革命促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的出現(xiàn)，19世紀(jì)電氣技術(shù)的發(fā)展和20世紀(jì)初內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，引發(fā)了制造業(yè)的革命，流水線生

21、產(chǎn)和泰勒式工作制得到廣泛的應(yīng)用，二戰(zhàn)期間，大批大量的制造技術(shù)有了很大的發(fā)展。二戰(zhàn)后50年來，計(jì)算機(jī)、微電子、信息和自動(dòng)化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了數(shù)控(nc)、計(jì)算機(jī)數(shù)控(cnc)、柔性制造單元(fmc)、柔性制造系統(tǒng)(fms)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(cad/cam)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(cims)等多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)與制造模式。制造業(yè)正經(jīng)歷著一場(chǎng)新的技術(shù)革命。而作為機(jī)械制造技術(shù)中主要發(fā)展方向的精密加工技術(shù)是集測(cè)量學(xué)、微電子學(xué)、近代光學(xué)、控制論信息論等先進(jìn)技術(shù)與機(jī)械制造技術(shù)相融合的一門交叉學(xué)科，是現(xiàn)代許多尖端技術(shù)和國防技術(shù)賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，代表了一個(gè)國

22、家科技發(fā)展的水平。因而許多國家競(jìng)相發(fā)展精密加工及超精密加工技術(shù)，可以說，精密機(jī)械制造技術(shù)的水平在很大程度上將成為衡量一個(gè)國家科技水平的標(biāo)志?，F(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)是一個(gè)多技術(shù)緊密耦合的技術(shù)族，其中數(shù)控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其最終目標(biāo)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展和運(yùn)用開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，而且國外的數(shù)控加工系統(tǒng)在精度和自動(dòng)化的程度上都達(dá)到了很高的水平。經(jīng)歷了幾個(gè)五年計(jì)劃的努力，我國的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，六五期間的技術(shù)引進(jìn)，七五期間的消化吸收，到八五末，我國已經(jīng)自行研制開發(fā)了適合我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。但是，由于我國許多因素的影響

23、，我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，利用率也不高。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控在我國占有比較重要的地位，并起了很大的作用，它以單板機(jī)或單片機(jī)為數(shù)控核心，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，只需一萬元左右就可以裝備一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，很適合我國中小型企業(yè)使用。統(tǒng)計(jì)表明：八五期間，國內(nèi)采用交、直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第一章緒論數(shù)控機(jī)床僅占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的15%左右，其余80%以上的數(shù)控機(jī)床則是采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服執(zhí)行元件，不僅可以應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控伺服系統(tǒng)，而且也可以輔以先進(jìn)的檢測(cè)和反饋元件，組成高精度全閉環(huán)數(shù)控系列，從而達(dá)到很高的加工精度。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，有南京微分電機(jī)廠、南

24、京大方股份有限公司生產(chǎn)的jwk系列、常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)的bk系統(tǒng)、上海開通機(jī)電科技公司開發(fā)的kt-400-7等，這些企業(yè)除了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性外，還在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源控制技術(shù)、半閉環(huán)或閉環(huán)控制技術(shù)、各種專用的機(jī)械控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行研究開發(fā)，具有較好的市場(chǎng)前景。步進(jìn)電機(jī)今后的發(fā)展，依賴于新材料的應(yīng)用，設(shè)計(jì)手段的，以及與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最佳匹配。首先，精確的分析和設(shè)計(jì)，模型的建立和完善，是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究，至今還有許多工作要做，它可以為各類問題的深入分析提供基礎(chǔ)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)指出方向。其次，隨著自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在眾多領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展以及數(shù)字化、智能化技術(shù)的日益發(fā)展，步進(jìn)

25、電機(jī)將會(huì)在更加深入廣泛的領(lǐng)域中得以應(yīng)用，尤其是智能化應(yīng)用技術(shù)方向的發(fā)展將會(huì)成為步進(jìn)電機(jī)下一階段的發(fā)展趨勢(shì)。最后，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，高性能永磁材料的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展起到重要作用，同時(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)改進(jìn)的作用也不容忽視，特別是微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用和成熟，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)和發(fā)展產(chǎn)生了很多的影響，也提出了一系列研究的新課題和新方向。1.4 本課題研究的主要內(nèi)容圖1.1 系統(tǒng)組成框圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成框圖如圖1.1所示。主要采用at89s52單片機(jī)做為控制核心,并由at89s52單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，通過i/o端口輸出，送到驅(qū)動(dòng)芯片l298n對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

26、系統(tǒng)設(shè)有鍵盤和顯示電路，鍵盤可完成啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速功能，點(diǎn)擊的啟動(dòng)與停止、正反裝可以通過led顯示。此設(shè)計(jì)主要由3個(gè)模塊組成：鍵盤、led人機(jī)對(duì)話模塊;單片機(jī)模塊；單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)模塊?？蓪?shí)現(xiàn)如下功能：(1)通過鍵盤可設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速；(2)通過“啟動(dòng)/暫?！辨I設(shè)定電機(jī)啟停；(3)通過“正向”和“反向”按鍵改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、顯示穩(wěn)定、易于編程。第二章 步進(jìn)電機(jī)工作原理2.1 步進(jìn)電機(jī)分類步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多，按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)類型如表1所列，圖2.1為它們的結(jié)構(gòu)示意圖：旋轉(zhuǎn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式

27、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直線電機(jī)vr型pm型hb型表1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)類型圖2.1 三種類型步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上來說，定子上由多相繞組，定子磁極和轉(zhuǎn)子上開有小齒。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用；齒距角可以做得很小，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高；斷電時(shí)無定位力矩，需用帶電定位，消耗功率大，效率較低。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，要想減小步距角，可增加轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)及定子的齒數(shù)。但轉(zhuǎn)子要制成n-s相間的多對(duì)磁極較為困難，而且定子的極數(shù)也必須增加，線圈數(shù)也相應(yīng)增加，這將受到定子空間的限制。所以，永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角都比較大。同時(shí)，其起動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，斷電時(shí)有定位力矩，消耗功率小?；旌?/p>

28、式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體，是一種永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而同時(shí)定轉(zhuǎn)子的鐵芯均為齒狀結(jié)構(gòu)，具有小的步距角，故又同反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相似，所以混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以看作是vr和pm兩種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組合。從轉(zhuǎn)矩作用原理來看，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可看作是定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用的結(jié)果。因而，混合式步進(jìn)電機(jī)具有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)。同反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，相同的電動(dòng)機(jī)體積，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、步距角小、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，因而其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，形成了二相和五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩個(gè)主要系列產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)格局。五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，但其分辨率高，運(yùn)行性能好，主要

29、應(yīng)用在對(duì)性能指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合。二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但電機(jī)本身的分辨率不是很高。但是，隨著驅(qū)動(dòng)極數(shù)的發(fā)展和在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的分辨率可以在不增加相數(shù)的情況下得以提高。這為二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行性能的提高提供了廣闊的前景。2.2 步進(jìn)電機(jī)工作原理2.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理：利用凹極轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例。圖2.2所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理因。它的定子上有六個(gè)極，每極上都裝有控制繞組，每個(gè)相對(duì)兩極組成一相

30、。轉(zhuǎn)子只有四個(gè)齒，上面沒有繞組。輸入a相控制繞組通電時(shí)，因磁通要沿著磁阻最小的路徑閉合，將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極a、a對(duì)齊，圖2.2（a）所示。a相斷電、b相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過30°。即步距角t=30°。使轉(zhuǎn)子齒2、4與定子極b、b對(duì)齊，如圖2.2（b）所示。如再使b相斷電。c相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子又在空間轉(zhuǎn)過t=30°，使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極c、c對(duì)齊，如圖2.2（c）所示。如此循環(huán)往復(fù)，并按順序通電，電動(dòng)機(jī)便按一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于控制繞組與電源接通或斷開的變化頻率?？刂评@組與電源的接通或斷開，通常是由電源邏輯線路來控制的。圖2.2 三

31、相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)2.2.2 永磁式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)是轉(zhuǎn)子上安裝了永久磁鋼的步進(jìn)電機(jī)，它的工作原理是轉(zhuǎn)子上的永磁體建立的磁場(chǎng)，與定子繞組電流建立的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。2.2.3 混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī)既有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點(diǎn)；又有永磁式步進(jìn)電機(jī)的高效率，繞組電感比較小的特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看，它通常有多相繞組，它的定轉(zhuǎn)子上開有很多齒槽，類似反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵產(chǎn)生單向的軸向磁場(chǎng)，這與永磁式步進(jìn)電機(jī)相似。如圖2.3所示，每相繞組繞在8個(gè)定子磁極中的4個(gè)極上，如：繞組a繞在1、3、5、7磁極上，則繞組b繞在2、4、6、8磁極上；而且每個(gè)相鄰的磁極以

32、相反方向繞，這樣就使得相鄰兩個(gè)磁極的磁場(chǎng)徑向相反。在繞組通電以后，定子和轉(zhuǎn)子上分別形成對(duì)應(yīng)的s極或n極，通過磁場(chǎng)產(chǎn)生的作用力驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行。圖2.3 混合式電機(jī)垂直軸剖面圖混合式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相八拍運(yùn)行（a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a）

33、完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為c=/a,d=/b。一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。2.3步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)有：(1)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)；是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)；(2)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。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，輸出功率也速度的增大而

34、變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)的最重要的參數(shù)之一；(3)最大靜轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定的通電相序下，距角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值。繞組電流越大，最大靜轉(zhuǎn)矩也就越大。按最大靜轉(zhuǎn)矩的值可以把步進(jìn)電機(jī)分為伺服步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)；(4)步距角：每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度；(5)起動(dòng)頻率和起動(dòng)矩頻特性：指步進(jìn)電機(jī)能夠不失步起動(dòng)的最高脈沖頻率。在一定的負(fù)載慣性下，啟動(dòng)頻率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的特性稱為起動(dòng)矩頻特性；(6)運(yùn)行頻率和運(yùn)行矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，控制脈沖頻率連續(xù)上升而維持不失步的最高頻率。在負(fù)載慣量不變時(shí)，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性。2.4 步進(jìn)電機(jī)步距角和旋轉(zhuǎn)角

35、度的計(jì)算由于選擇的是二相步進(jìn)電機(jī)，它的工作方式是二相四拍，所以根據(jù)公式可以計(jì)算出電機(jī)的步距角= 。步距角的計(jì)算公式為： (2.1)式中，n=mcc為運(yùn)行拍數(shù)，n=4，為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，=50。由于輸入一個(gè)cp脈沖會(huì)使步進(jìn)電機(jī)繞組的狀態(tài)變化一次，并相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度可由輸入的cp脈沖數(shù)確定。其計(jì)算公式為： (2.2)式中，為旋轉(zhuǎn)角度，s為步距角，n為脈沖個(gè)數(shù)。例如，讓步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行100s，在延時(shí)1的狀態(tài)下，也就單片機(jī)每隔4s發(fā)一個(gè)脈沖，那么單片機(jī)會(huì)發(fā)出25個(gè)脈沖，從而步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；同樣，在延時(shí)2的狀態(tài)下，也就單片機(jī)每隔1s發(fā)一個(gè)脈沖，那么單片機(jī)會(huì)發(fā)出100個(gè)脈沖，從而步進(jìn)電機(jī)旋

36、轉(zhuǎn)。2.5 步進(jìn)電機(jī)的速度控制2.5.1 控制步進(jìn)電機(jī)速度的方法在此，介紹控制步進(jìn)電機(jī)的三種方法。在本設(shè)計(jì)中，考慮到編程時(shí)的難易程度，最后選擇了第二種方法來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。1、改變控制方式的變速控制最簡(jiǎn)單的變速控制可利用改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式實(shí)現(xiàn)。例如，在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動(dòng)或停止，用三相六拍，大約0.1s以后，改用三相三拍的分配方式；在快達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，再度采用三相六拍的控制方式，以達(dá)到減速的目的。2、均勻地改變脈沖時(shí)間間隔的變速控制步進(jìn)電機(jī)的加速（或減速）控制，可以用均勻地改變脈沖時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)。例如，在加速控制中，可以均勻地減少時(shí)間間隔；在減速控制時(shí)，則可均勻地增加演示時(shí)間間隔。具體

37、的說，就是均勻地減少（或增加）延時(shí)一程序中的延時(shí)時(shí)間常數(shù)。由此可見，所謂步進(jìn)電機(jī)控制程序，實(shí)際是那個(gè)就是按一定時(shí)間間隔輸入不同的控制字。所以，改變傳送控制字的時(shí)間間隔（亦即改變延時(shí)時(shí)間），即可以改變步進(jìn)電機(jī)的控制頻率。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于延時(shí)的長(zhǎng)短不受限制，因此，使步進(jìn)電機(jī)的工作頻率變化范圍較寬。另外，這種方法咋編程上也容易實(shí)現(xiàn)。 3、采用定時(shí)器的變速控制在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，也可以使用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來提供延時(shí)時(shí)間。其方法是將定時(shí)器初始化后，每隔一定的時(shí)間，由定時(shí)器向cpu申請(qǐng)一次中斷。cpu響應(yīng)中斷后，便可以發(fā)出一次控制脈沖。此時(shí)，只要均勻地改變定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，即可達(dá)到均勻加速（或減速）

38、的目的。這種方法可以提高控制系統(tǒng)的效率。2.5.2 步進(jìn)電機(jī)速度與步數(shù)的計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)與輸入的脈沖速度成等比例的關(guān)系，所以在脈沖的速度愈快時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)跟著加快；脈沖速度愈慢時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速自然也跟著變慢。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度(rpm)與脈沖速度(pps)間的關(guān)系式如下：電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度(rpm)脈沖速度(pps)×60÷步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)/圈 說明：（1）rpm 為一般電機(jī)的速度單位，即每分鐘電機(jī)所沖轉(zhuǎn)的圈數(shù)；pps為脈沖的速度單位，即每秒所送出的脈沖數(shù)；（2）由于rpm與 pps 的單位不同，所以在轉(zhuǎn)換的過程中要先將 pps 的秒鐘乘以 60變?yōu)榉昼?；?）步進(jìn)電機(jī)

39、分割數(shù)/圈，又代表要讓電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所必須送出的脈沖數(shù)；（4）上述公式拆解后之單位表示為rpm=pps×60×1/分割數(shù)。假如還讓步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行100s，那么在延時(shí)1時(shí)，脈沖速度為25 pps；在延時(shí)2時(shí)，脈沖速度為100 pps。因此，可得在延時(shí)1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為37.5 rpm；在延時(shí)2時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為150 rpm。另外，單片機(jī)送一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)走一步，所以單片機(jī)送多少個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)走多少步。因此可以根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)來確定步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。另外還可以根據(jù)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度來確定步進(jìn)電機(jī)走的步數(shù)，用公式表示為： (2.3)式中，m為步進(jìn)電機(jī)走的步數(shù)，為步

40、進(jìn)電機(jī)的步距角，為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過的角度。假如還讓步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行100s，那么在延時(shí)1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)走25步；在延時(shí)2時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)走100步。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)模塊本設(shè)計(jì)使用的是at89s52單片機(jī)作為核心。在本控制系統(tǒng)中，利用它的可編程性來分別實(shí)現(xiàn)a與b步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)功能，從而初步模擬出數(shù)控機(jī)床的基本功能。并且還實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話功能。單片機(jī)主要完成脈沖的分配，使步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，通過程序設(shè)定，從單片機(jī)的i/o口輸出一系列有規(guī)律的脈沖信號(hào)；由于直接輸出的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率有限，很難直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以必須經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行脈沖放大，本設(shè)計(jì)采用的l298n

41、芯片能解決這個(gè)問題。at89s52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器。使用atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。引腳圖如圖3.1所示：圖3.1 at89s52引腳圖at89s52單片機(jī)的主要性能：（1）與mcs-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；（2）8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器；（3）32個(gè)可編程i/o端口；（4）三個(gè)16

42、位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（5）八個(gè)中斷源；（6）全雙工uart串行通道；（7）低功耗空閑和掉電模式；（8）看門狗定時(shí)器。3.2 鍵盤顯示模塊鍵盤是最常用也是最主要的輸入設(shè)備，在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中主要用它來設(shè)定a、b電機(jī)的啟動(dòng)與正反轉(zhuǎn)，在控制過程中可以利用這四個(gè)鍵來分別控制a、b電機(jī)的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用的2*2鍵盤， 2*2鍵盤掃描連線圖如圖3.2所示：圖 3.2 2*2矩陣式鍵盤上圖為2*2矩陣式鍵盤，它由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)上，行列線分別連在按鍵開關(guān)的兩端，與微型計(jì)算機(jī)的連接采用i/o接口直接接入p1口。在這種鍵盤中，每個(gè)按鍵的狀態(tài)同樣需變成數(shù)字量“0”和“1

43、”，在軟件編程上也容易實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)對(duì)鍵盤進(jìn)行行掃描實(shí)現(xiàn)設(shè)定，在程序上易于理解，易于調(diào)試和修改。此外，本設(shè)計(jì)還設(shè)了一個(gè)獨(dú)立鍵，用來調(diào)控步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。它是直接和單片機(jī)的i/o端口相連。當(dāng)本按鍵按下時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在高速檔運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)沒按時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在低速檔運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，本設(shè)計(jì)使用了四塊共陽極結(jié)構(gòu)的led，它是直接由三極管驅(qū)動(dòng)的。led顯示方法有倆種：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是由單片機(jī)一次輸出顯示信息后，保持到下次送新的顯示信息為止，各個(gè)led數(shù)碼管的信息同時(shí)傳送，這種方法占用cpu資源少、無位選信號(hào)、顯示可靠，但線路復(fù)雜、成本高。動(dòng)態(tài)顯示就是單片機(jī)定時(shí)對(duì)led掃描，使其逐個(gè)輸出顯示，利用人眼

44、的視覺暫留現(xiàn)象，仍感覺所有的數(shù)碼管同時(shí)顯示，該方法使用硬件掃描，成本低，但占用cpu資源多，亮度也不如靜態(tài)顯示。本設(shè)計(jì)采用的顯示方法為動(dòng)態(tài)顯示。其中的倆快分別用來顯示a、b步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，這樣使得單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的結(jié)果更加的直觀。例如，設(shè)定按鍵使a步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，那么相應(yīng)的一塊led的六個(gè)筆斷碼會(huì)被按照順時(shí)針的方向依次點(diǎn)亮；若反轉(zhuǎn)，則相應(yīng)的一塊led的六個(gè)筆斷碼會(huì)被按照逆時(shí)針的方向依次點(diǎn)亮。另外的倆快是分別用來作為倆個(gè)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)標(biāo)示，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)就會(huì)顯示1。3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊圖3.3 l298n引腳圖l298n是sgs公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳multiwatt封裝的l298n,如

45、圖3.3所示。l298n芯片可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相直流電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50v，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，可以直接用單片機(jī)的i/o口提供信號(hào)，而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。l298n可接受標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯電平信號(hào)vss，vss可接457 v電壓。4腳vs接電源電壓，vs電壓范圍為2546 v。輸出電流可達(dá)25 a，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。l298n可驅(qū)動(dòng)一臺(tái)二相步進(jìn)電機(jī)，out1，out2和out3，out4之間可分別接二相步進(jìn)電機(jī)的倆個(gè)繞組，本設(shè)計(jì)選用驅(qū)動(dòng)二臺(tái)二相步進(jìn)電機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ena，enb接控制使能端，控制電機(jī)的

46、停轉(zhuǎn)。下表是l298n的真值表：表2 l298n真值表enaenbin1in2in3in4運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)00停止11依次給in1-in4送低電平正轉(zhuǎn)11依次給in4-in1送低電平反轉(zhuǎn)圖3.4是單片機(jī)與一片l298n的連接線路圖，其中ena和enb分別與單片機(jī)的p1.2口和p1.3口相連，用于控制二相步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止，相當(dāng)于始能端。由表2 可知，當(dāng)ena和enb為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)ena和enb為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)ena和enb為高電平時(shí)，依次給in1-in4送低電平，則步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ena和enb為高電平時(shí)，依次給in4-in1送低電平，則步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)

47、。這四個(gè)端口分別與p2口的p2.7、p2.6、p2.7、p2.8端口相連。sense a與sense b腳是輸出電流反饋引腳，在通常使用中這兩個(gè)引腳可以直接接地。out1、out2、out3、out4是電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片l298n的輸出端，它們可以接一個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)，其中out1和out2是接步進(jìn)電機(jī)的一相繞組，out3和out4接另外一相繞組。圖3.4 單片機(jī)與l298n連接圖步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片l298n根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序：通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)閍-b-c-a,控制脈沖必須嚴(yán)格按照

48、這一順序分別控制a,b,c,a相的通斷。在本設(shè)計(jì)中，采用的是二相四拍的工作方式，其各相通電順序?yàn)閍b-/ab-/a/b-a/b。(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向：如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。具體正反轉(zhuǎn)的控制字可見表3和表4。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度：如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。由于電機(jī)在工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大，所以在控制部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分之間用了八個(gè)續(xù)流二極管（如圖3.5所示），以免影響其它部分的正常工作。續(xù)流二極管并聯(lián)

49、在線圈的兩端，線圈在通過電流時(shí)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電流消失時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路中的原件產(chǎn)生反向電壓。當(dāng)反向電壓高于前端芯片的反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)把芯片燒壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在線圈兩端，當(dāng)流過線圈中的電流消失時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉。叢而保護(hù)了電路中的其它原件的安全。圖3.5 續(xù)流二極管第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述在實(shí)際控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)能否正常可靠地工作，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，還與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開的，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想，采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)每個(gè)子程序模塊單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、編制和調(diào)

50、試，使程序避免重復(fù)性且具有清晰的總體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)軟件不是單一的控制程序，而是使系統(tǒng)正常運(yùn)行必不可少的軟件系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話與系統(tǒng)資源的合理的有效使用。本系統(tǒng)采用c51語言編程，充分利用c51語言編程的優(yōu)點(diǎn)，使程序效率滿足實(shí)時(shí)性要求。4.2 系統(tǒng)軟件主程序及子程序流程圖4.2.1 主程序控制系統(tǒng)軟件模塊主要由主程序、l298n控制程序、鍵盤處理程序、電機(jī)正反轉(zhuǎn)顯示程序組成，主程序流程圖如圖4.1所示：圖4.1主程序流程圖（1）主程序主要完成控制系統(tǒng)的初始化、自診斷、顯示及鍵盤掃描等功能；（2）l298n控制程序主要完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制功能；（3）鍵盤處理程

51、序主要完成鍵盤信號(hào)的輸入，分別設(shè)定倆個(gè)步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)的功能；（4）電機(jī)正反轉(zhuǎn)顯示程序主要是用來更直觀的顯示步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使工作人員能直觀的看到電機(jī)的工作狀態(tài)。4.2.2 l298n控制程序此部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，是用了l298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來完成的，利用芯片本身的控制字（見表2）來實(shí)現(xiàn)了諸如電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)功能。當(dāng)ena和enb為低電平時(shí)，電機(jī)停止；當(dāng)ena和enb為高電平時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)端in1，in2，in3，in4依次接入低電平。正轉(zhuǎn)接入低電平的順序是in1in2in3in4，如表3所示；反轉(zhuǎn)接入低電平的順序是in4in3in2in1，如表4所示

52、。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(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。另外，如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它他就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖它就會(huì)再轉(zhuǎn)一步。倆個(gè)脈沖時(shí)間間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。在本設(shè)計(jì)中設(shè)定了高速、低速倆個(gè)速度檔位，當(dāng)按鍵5被按下時(shí)，即選擇高速檔，也就是選擇延時(shí)時(shí)間為1s；當(dāng)按鍵5被松開時(shí)，即選擇低速檔，也就是選擇延時(shí)時(shí)間為4s。因此，通過這種方式達(dá)到了控制倆個(gè)脈沖之間時(shí)間的長(zhǎng)短，從而控制了步進(jìn)電機(jī)連續(xù)走兩步之間的時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間間隔越長(zhǎng)，說明步進(jìn)電機(jī)連

53、續(xù)走兩步的用時(shí)也就越多，那么它的速度也就越慢；反之，它的速度就越快，既而完成了速度控制。此外，通過編程還模擬的實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床中把工件切割成一個(gè)特定形狀（方波）的功能。在設(shè)計(jì)中，a電機(jī)模擬數(shù)控機(jī)床中x軸上的電機(jī)，b電機(jī)模擬數(shù)控機(jī)床中y軸上的電機(jī)。通過這倆個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和啟停的功能實(shí)現(xiàn)了把物體切割出一個(gè)方波形狀的功能。其程序流程圖見圖4.2所示。圖4.2 l298n控制程序流程圖表3 電機(jī)正轉(zhuǎn)控制字輸入端口in1in2in3in4第一步0111第二步1011第三步1101第四步1110表4 電機(jī)反轉(zhuǎn)控制字輸入端口in1in2in3in4第一步1110第二步1101第三步1011第四步01114.2

54、.3 鍵盤處理程序圖4.3 鍵盤掃描流程圖系統(tǒng)采用2*2鍵盤實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)的設(shè)定，它的掃描程序任務(wù)是：鍵盤初始化，確定有無鍵按下，判斷哪一個(gè)鍵按下，定義鍵的功能；還要消除按鍵在閉合或斷開時(shí)的抖動(dòng)。兩個(gè)并行口中，一個(gè)輸出掃描碼，使按鍵逐行動(dòng)態(tài)接地，另一個(gè)并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號(hào)共同形成鍵編碼而識(shí)別按鍵，通過軟件查詢主函數(shù)定義的功能鍵，查出該鍵的功能，鍵盤掃描流程圖如圖4.3所示。鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識(shí)別鍵碼。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，微處理器對(duì)2*2鍵盤控制的辦法是“掃描”，它采用查詢掃描法對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，判別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)，并做相應(yīng)的處理。當(dāng)cpu 查詢到所按下的功能鍵，立刻

55、執(zhí)行相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并提高系統(tǒng)工作效率。4.2.4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)顯示程序圖4.4 電機(jī)正轉(zhuǎn)流程圖這一部分是用來顯示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過整個(gè)系統(tǒng)相應(yīng)的要求來分別顯示每個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)顯示程序的流程圖如圖4.4所示。電機(jī)反轉(zhuǎn)與其相類似，只是六個(gè)二極管的點(diǎn)亮順序不同，那么就會(huì)直觀的反映出這六個(gè)二極管是依次被順時(shí)針點(diǎn)亮還是被逆時(shí)針點(diǎn)亮。如果是被順時(shí)針點(diǎn)亮，就代表電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。4.3 c51編程語言及其總結(jié)隨著單片機(jī)的普及應(yīng)用，單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)語言也在不斷地發(fā)展更新。目前，開發(fā)單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件可以用匯編語言編程，也可以用pl/m-51單片機(jī)程序設(shè)

56、計(jì)語言，還可以用c- 51編制控制軟件。c-51語言是一種結(jié)構(gòu)化語言，與標(biāo)準(zhǔn)c語言完全兼容，具有代碼效率高、可移植性強(qiáng)、庫函數(shù)豐富、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、可直接操作硬件資源和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)本系統(tǒng)的控制任務(wù)，本設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)的軟件程序采用c-51語言編程。c語言具有很強(qiáng)的功能性和結(jié)構(gòu)性，可以縮短單片機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，而且易于調(diào)試和維護(hù)，已經(jīng)成為目前單片機(jī)語言中最流行的編程語言。本控制系統(tǒng)根據(jù)以下方法進(jìn)行編寫：（1）對(duì)局部變量、函數(shù)參數(shù)和返回值使用 void 和 unsigned char 類型，避免在編程過程中類型轉(zhuǎn)換。（2）循環(huán)體形式采用for或while 循環(huán)體進(jìn)行循環(huán)。（3）函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)定義少，并利用全局變量傳遞參數(shù)，以此提高函數(shù)調(diào)用的效率。（4）使用各種邏輯操作替代位操作運(yùn)行，使用左移和右移的方法代替除法操作運(yùn)行。（5）使用switch與break語句聯(lián)用構(gòu)成多分支選擇結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定功能，并且減少了運(yùn)行時(shí)間，加快了運(yùn)行速度。第五章 系統(tǒng)調(diào)試完成一個(gè)設(shè)