基于Proteus的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)最終版1

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 基于Proteus的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 專業(yè)及班級(jí)_ 09自動(dòng)化（1）班_ 姓名_吳紅 田坤 王林 指導(dǎo) 老師_丁 健_ 完成 時(shí)間_2012-617_一、步進(jìn)電機(jī)原理、控制技術(shù)及其特點(diǎn)3（1) 換相順序的控制3（2) 步進(jìn)電機(jī)的換向控制3(3） 步進(jìn)電機(jī)的速度控制3(4） 步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?（5）步進(jìn)電機(jī)的加減速控制4（6） 步進(jìn)電機(jī)的換向控制4二、元器件介紹5(1)步進(jìn)電機(jī)5（2）89C51單片機(jī)7(3）L297介紹7（4）L298簡介11三、方案論證13四、硬件設(shè)計(jì)14(1)控制電路14（2) 驅(qū)動(dòng)電路15(3）顯示模塊16（4）總體電路圖16五、軟件

2、設(shè)計(jì)17(2）定時(shí)中斷設(shè)計(jì)17（3）外部中斷設(shè)計(jì)17六、源程序代碼19七、總結(jié)23 基于protues的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：步進(jìn)電機(jī)是一種進(jìn)行精確步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)電執(zhí)行元件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械的數(shù)字控制,為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及性價(jià)比最優(yōu),根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實(shí)現(xiàn)了基于8051單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng).控制系統(tǒng)通過單片機(jī)存儲(chǔ)器、I/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分頻器、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動(dòng)電路等的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了四相步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。為

3、實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)外部中斷,以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在某段時(shí)間內(nèi)的反復(fù)正反轉(zhuǎn)功能，也即數(shù)控機(jī)床的刀架自動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,單片機(jī)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(jìn)電機(jī)的應(yīng)用得到很大的提高。人們用它來驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和其他采用指針的儀器，打印機(jī)、繪圖儀,磁盤光盤驅(qū)動(dòng)器、各種自動(dòng)控制閥、各種工具，還有機(jī)器人等機(jī)械裝置。此外作為執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增,在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件,由于其精

4、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(jī)技術(shù)的迅速普及,為設(shè)計(jì)功能強(qiáng)，價(jià)格低的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的資源。一、步進(jìn)電機(jī)原理、控制技術(shù)及其特點(diǎn)由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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，而必須使用專業(yè)設(shè)-步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號(hào),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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸入端,以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)

5、動(dòng)，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，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，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大,以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的,步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個(gè)方面.從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相單三拍、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(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式 下,其各相通電順序?yàn)?ABCA，通電控制脈沖必須嚴(yán)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?yàn)?ABBCCAAB,三相六拍的

6、通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA。 (2） 步進(jìn)電機(jī)的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn).若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為 三相六拍，即 AABBBCCCAA.如果按反序通電換相，AACCCBBBAA,則電機(jī)就反轉(zhuǎn).其他方式情況類似。 (3) 步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(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)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率, 就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試. （4） 步進(jìn)電機(jī)的起停控制步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小 振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步

7、 進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角,跳過電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性.在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止因慣性 而使電機(jī)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(jìn)電 機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng). （5）步進(jìn)電機(jī)的加減速控制在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果信號(hào)變化太快,步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象.所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有加速過程，在停止時(shí)波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線,步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過程頻率變化規(guī)律是整個(gè)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(jìn)電機(jī)升降過程的運(yùn)行規(guī)律,能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩,快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間

8、，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中,要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動(dòng)頻率”,于此類似“停止頻率"是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷,步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率.電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率(突跳頻率）一般為0。1KHz 到 34KHz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N102KHz,以超過最高啟動(dòng)頻率的頻率直接啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。 （6） 步進(jìn)電機(jī)的換向控制步進(jìn)電機(jī)換向時(shí),一定要在電機(jī)

9、降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向， 以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī).換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖 結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)包含了降速換向加速3個(gè)過程。步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn): 步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后,沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價(jià),也非常可靠。同時(shí)，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(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速. 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平

10、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(dòng)負(fù)載。 步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流電源。 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。二、元器件介紹（1）步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移,即給一個(gè)脈沖信 號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)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.步進(jìn)電機(jī)分三種:永磁式（PM），反應(yīng)式(VR）和混合式（HB)，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī),是工業(yè)過程控制和儀

11、表中一種能夠快速啟動(dòng)，反轉(zhuǎn)和制動(dòng)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，由于開環(huán)下就能實(shí)現(xiàn) 精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電 脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比,每個(gè)一個(gè)脈沖，步進(jìn) 電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 該設(shè)計(jì)采用了 20BY0 型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(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)轉(zhuǎn) 動(dòng).當(dāng)某一相繞組通電時(shí),對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，

12、并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí),如 果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)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(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見, 錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)N、S磁場的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(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ABBCCDDAAB， 四相八拍運(yùn)行方式即AABBBCCCDDDAA。 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。50齒角電機(jī)為例，四相運(yùn)行時(shí)步距角為 ： =360 度 /（ 504

13、)=1。8 度;八拍運(yùn)行時(shí)步距角為： =360度/（50*8)=0。9度。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下,電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的)。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(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)體積的標(biāo)準(zhǔn),與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)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，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān).但過分采用 減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)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. 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 目前,對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(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(jì)利用

14、單片機(jī)進(jìn)行控制，主 要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配.四相步進(jìn)電機(jī)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(shí)的時(shí)序 與波形分別如圖 1 a、b、c 所示.本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序 和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈 沖分配規(guī)律，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 率高到一定程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象,所以脈沖 頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi). (2)89C51單片機(jī)Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片機(jī)，

15、 它采用 CMOS 和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51 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(gè) 8 位并行 I/O 口,5 個(gè)中 斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，89C51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、 靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。(3）L297介紹L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器,它能產(chǎn)生4相控制信號(hào),可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī),能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的

16、PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流.該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù),使用5V的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容.L297的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插20腳塑封封裝，其引腳見圖1，內(nèi)部方框見圖2。 圖1 L297芯片引腳圖 L297各引腳功能說明1腳(SYNG)-斬波器輸出端。如多個(gè)297同步控制，所有的SYNC端都要連在一起，共用一套振蕩元件。如果使用外部時(shí)鐘源,則時(shí)鐘信號(hào)接到此引腳上.2腳（GND）接地端。3腳（HOME）-集電極開路輸出端。當(dāng)L297在初始狀態(tài)(ABCD=0101）時(shí)，此端有指示。

17、當(dāng)此引腳有效時(shí)，晶體管開路.4腳（A）-A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。5腳(INH1)-控制A相和B相的驅(qū)動(dòng)極。當(dāng)此引腳為低電平時(shí),A相、B相驅(qū)動(dòng)控制被禁止；當(dāng)線圈級(jí)斷電時(shí)，雙極性橋用這個(gè)信號(hào)使負(fù)載電源快速衰減.若CONTROL端輸入是低電平時(shí)，用斬波器調(diào)節(jié)負(fù)載電流。6腳（B）-B相驅(qū)動(dòng)信號(hào).7腳（C）C相驅(qū)動(dòng)信號(hào).8腳(INH2）控制C相和D相的驅(qū)動(dòng)級(jí)。作用同INH1相同。9腳（D）-D相驅(qū)動(dòng)信號(hào).10腳(ENABLE）-L297的使能輸入端.當(dāng)它為低電平時(shí),INH1，INH2，A，B，C,D都為低電平.當(dāng)系統(tǒng)被復(fù)位時(shí)用來阻止電機(jī)驅(qū)動(dòng)。11腳（CONTROL）-斬波器功能控制端。低電平時(shí)使INH1和INH2

18、起作用，高電平時(shí)使A，B,C，D起作用.12腳（Vcc）-+5V電源輸入端。13腳（SENS2）-C相、D相繞組電流檢測電壓反饋輸入端.14腳（SENS1）-A相、B相繞組電流檢測電壓反饋輸入端.15腳(Vref ）-斬波器基準(zhǔn)電壓輸入端.加到此引腳的電壓決定繞組電流的峰值。16腳（OSC）-斬波器頻率輸入端.一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)接至此引角以決定斬波器頻率，在多個(gè)L297同步工作時(shí)其中一個(gè)接到RC網(wǎng)絡(luò)，其余的此引角接地,各個(gè)器件的腳 I (SYNC）應(yīng)連接到一起這樣可雜波的引入問題如圖5所示。17腳（CW/CCW)方向控制端.步進(jìn)電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向由繞組的連接方法決定。當(dāng)改變此引腳 的電平狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)電

19、機(jī)反向旋轉(zhuǎn).18腳(CLOCK）步進(jìn)時(shí)鐘輸入端。該引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)步進(jìn)電機(jī)向前步進(jìn)一個(gè)增量，該步進(jìn)是在信號(hào) 的上升沿產(chǎn)生。19腳（HALF/FULL)-半步、全步方式 選擇端。此引腳輸入高電平時(shí)為半步方式（四相八拍）,低電平時(shí)為全步方式。如選擇全步方式時(shí)變換器在奇數(shù)狀態(tài)，會(huì)得到單相工作方式（單四拍）。20腳（RESET）-復(fù)位輸入端.此引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)，變換器恢復(fù)初始狀態(tài) （ABCD=0101）. 圖2 L297內(nèi)部方框電路圖圖3 L297變換器換出的八步雷格碼（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)） 圖4 斬波器線路在圖2所示的L297的內(nèi)部方框圖中.變換器是一個(gè)重要組成部分。變換器由一個(gè)三倍計(jì)算器加某些組合邏輯電路

20、組成,產(chǎn)生一個(gè)基本的八格雷碼（順序如圖3所示)。由變換器產(chǎn)生4個(gè)輸出信號(hào)送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電動(dòng)機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號(hào)是通過2個(gè)PWM斬波器控制電動(dòng)波器包含有一個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)外部檢測電阻，如圖4所示，晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖.每個(gè)斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié),當(dāng)負(fù)載電流提高時(shí)檢測電阻上的電壓相對(duì)提高，當(dāng)電壓達(dá)到Uref時(shí)(Uref是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的)，將觸發(fā)器重置，切斷輸出,直至第二個(gè)振蕩脈沖到來、此線路的輸出（即觸發(fā)器Q輸出）是一恒定速率的PWM信號(hào)，L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對(duì)相

21、位線A，B,C，D或抑制線INH1和INH2起作用。CONTROL為高電平時(shí)，對(duì)A，B,C，D有抑制作用;為低電平時(shí)，則對(duì)抑制線INH1和INH2有抑制作用，從而可對(duì)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制L297驅(qū)動(dòng)相序的產(chǎn)生L297能產(chǎn)生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當(dāng)相序。3種方式的驅(qū)動(dòng)相序都可以很容易地根據(jù)變換器輸出的格雷碼的順序產(chǎn)生,格雷碼的順序直接與四八拍(半步方式)相符合 ，只要在腳19輸入一高電平即可得到。其波形圖如圖5所示.圖5 四相八拍模式波形圖通過交替跳過在八步順序中的狀態(tài)就可以得到全步工作方式，此時(shí)需在腳19接一低電平，前已述及根據(jù)變換器的狀態(tài)可得到四拍或雙四拍2種工作模式，如圖6，

22、7所示 圖6 單四拍模式波形圖 圖7 雙四拍模式波形圖(4)L298簡介L298N 為SGSTHOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片（ Dual Full-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器,接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào),可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓;此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時(shí)序信號(hào),但在本驅(qū)動(dòng)電路中用L297 來提供時(shí)序信號(hào),節(jié)省了單片機(jī)IO

23、 端口的使用.L298N 之接腳如圖8 所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測用電阻連接來控制負(fù)載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)；input1input4 輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機(jī)停。圖8 L298引腳圖三、方案論證從該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向,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，再加上一根方向線盒，一根啟動(dòng)信號(hào)線共需要4根輸入線.系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān).這里選四相步進(jìn)電機(jī).該電機(jī)共有四相繞組,工作電壓為+5V，可以與單片機(jī)共用一個(gè)電源.步進(jìn)電機(jī)的四相繞

24、組控制過程如下：P0。0口控制L297的方向控制端(CW/CCW），P0.1控制步進(jìn)時(shí)鐘輸入端。使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序（A,B,C,D四相）。L297的四相輸出接L298的IN0-IN4使其OUT0-OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。用P1口的P1。0P1.7 控制LM016L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。四、硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機(jī)正常工作?？刂齐娐分灰砷_關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作.顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)單片機(jī)輸出

25、的脈沖進(jìn)行功率放大,從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng).（1)控制電路圖9控制電路原理圖根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了正轉(zhuǎn)控制，反轉(zhuǎn)控制，加速控制和減速控制按鈕，分別是K1、K2、S2、S3，控制電路如圖9所示。通過 K1、K2 狀 態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制.當(dāng) K1、K2 的狀態(tài)變化時(shí)，內(nèi)部程序檢測 P3.4 和 P3。5的狀態(tài)來調(diào)用換向程序進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入 電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速.對(duì)于單片機(jī)而言,主要的方法有軟件延時(shí)和定時(shí)中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時(shí)器的中斷來實(shí)現(xiàn)的， 該電路控制電機(jī)加速度

26、主要是通過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(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改 變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率,從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速.(2） 驅(qū)動(dòng)電路圖10步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過L297和L298構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖10所示.P0。0口控制L297的方向控制端（CW/CCW），P0。1控制步進(jìn)時(shí)鐘輸入端.使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序(A,B,C，D四相）。L297的四相輸出接L298的IN0-IN4使其OUT0-OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行.（3)顯示模塊圖11 顯示模塊通過P1口的P1。0P1。7 控制LM0

27、16L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。（4)總體電路圖 把各個(gè)部分的電路圖組合成總電路圖,如圖12所示。 圖12總體電路圖（包括顯示電路圖）五、軟件設(shè)計(jì)通過分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法,由于隨時(shí)有可能輸入加速、加速信號(hào)和方向信號(hào)，因而采用中斷方式效率最高,這樣總共要完成 4 個(gè)部 分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷 0 和外 部中斷1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(dòng)開關(guān)的檢測， 若啟動(dòng)開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作,反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率， 它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變 速度這一功

28、能。下面分析主程序與定時(shí)器中斷程序及外部中斷程序。（1）主程序設(shè)計(jì)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 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(shí)器、外部中斷；對(duì) P1 口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲(chǔ)區(qū)送初 值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度，對(duì)方向值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)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，就意味著步進(jìn)電機(jī)按四相單八拍運(yùn)行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn),方向值顯示“0”， 速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖5所示。 (2）定時(shí)中斷設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)

29、各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn),時(shí)間間隔越短，速度就越快。在這個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)時(shí)間間隔是用定時(shí)器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時(shí)間間隔就是調(diào)節(jié)定時(shí)器的中斷次數(shù)，因而在定時(shí)器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向、發(fā)下一個(gè)脈沖，以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。（3）外部中斷設(shè)計(jì)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(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)(該 數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率,也就是改變 了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕 S2 為 INT0 中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)RunSpeed的值大于12時(shí)，原數(shù)值減2返回,計(jì)算速度值.速度減少按鈕S

30、3,當(dāng)RunSpeed小于100時(shí)，數(shù)據(jù)加2后返回，計(jì)算速度值。系統(tǒng)總程序流程如下圖所示開始中斷0還是中斷1輸入？定時(shí)器T0還是T1輸入？系統(tǒng)初始化反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)加速控制減速控制速度計(jì)算正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)顯示控制T0有效T1有效都無效中斷1輸入中斷0輸入都無效圖5主程序流程六、源程序代碼include ”AT89X51.h”int delay（）;void inti_lcd（）；void show_lcd(int）；void cmd_wr（）；void ShowState（）；void clock（unsigned int Delay） ;void DoSpeed（); /計(jì)算速度/正轉(zhuǎn)值define

31、 RIGHT_RUN 1/反轉(zhuǎn)值define LEFT_RUN 0sbit RS=0xA0;sbit RW=0xA1；sbit E=0xA2;char SpeedChar="SPEED（n/min):”；char StateChar="RUNSTATE:"；char STATE_CW=”CW"；char STATE_CCW="CCW"；char SPEED3=”050”；unsigned int RunSpeed=50；/速度unsigned char RunState=RIGHT_RUN; /運(yùn)行狀態(tài)main（）/定時(shí)器設(shè)置/TMO

32、D=0x66; /定時(shí)器0,1都為計(jì)數(shù)方式;方式2；EA=1;/開中斷TH0=0xff；/定時(shí)器0初值FFH；TL0=0xff；ET0=1;TR0=1；TH1=0xff；/定時(shí)器1初值FFH；TL1=0xff;ET1=1；TR1=1；IT0=1;/脈沖方式EX0=1；/開外部中斷0:加速IT1=1；/脈沖方式EX1=1；/開外部中斷1:減速 inti_lcd（）; DoSpeed(）； ShowState（）； while（1) clock（RunSpeed）; P0_1=P0_10x01； /定時(shí)器0中斷程序：正轉(zhuǎn)void t_0(void) interrupt 1RunState=RIGH

33、T_RUN； P0_0=1; P1=0x01； cmd_wr（）； ShowState（); /定時(shí)器1中斷：反轉(zhuǎn)void t_1（void) interrupt 3RunState=LEFT_RUN; P0_0=0； P1=0x01； cmd_wr（)； ShowState（); /中斷0:加速程序void SpeedUp（） interrupt 0 if（RunSpeed=12） RunSpeed=RunSpeed2； DoSpeed（)； P1=0x01； cmd_wr()； ShowState(）；/中斷1:減速程序void SpeedDowm（) interrupt 2 if（Run

34、Speed=100） RunSpeed=RunSpeed+2; DoSpeed（）; P1=0x01； cmd_wr(）； ShowState(）； int delay（） /判斷LCD是否忙 int a；start: RS=0； RW=1； E=0； for（a=0;a2；a+)； E=1; P1=0xff; if（P1_7=0） return 0； else goto start；void inti_lcd(） /設(shè)置LCD方式 P1=0x38;/設(shè)置16x2顯示 cmd_wr(）； delay（)； P1=0x01; /清除 cmd_wr(); delay（）; P1=0x0f； cmd

35、_wr（）； delay（）; P1=0x06;/光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置 cmd_wr（）; delay()； P1=0x0c；/顯示開及光標(biāo)設(shè)置 cmd_wr（）； delay（);void cmd_wr() /寫控制字 RS=0; RW=0; E=0; E=1;void show_lcd(int i) /LCD顯示子程序 P1=i； RS=1； RW=0； E=0； E=1;void ShowState（） /顯示狀態(tài)與速度 int i=0; while(SpeedChari！='0）/char SpeedChar=”SPEED（n/min):”; delay（）； show_lcd（Spe

36、edChari）; i+； delay()； P1=0x80 | 0x0d；/數(shù)據(jù)首地址為80H，所以數(shù)據(jù)地址為80H+地址碼（0-27H，40-67H）cmd_wr（）； i=0; while(SPEEDi!='0'） delay()； show_lcd(SPEEDi）；/SPEED3="050”； i+; delay(）; P1=0xC0; cmd_wr（); i=0； while（StateChari！='0') delay（）; show_lcd（StateChari)；/char StateChar=”RUNSTATE:"； i+； delay（)； P1=0xC0 0x0A；/0x0c顯示開及光標(biāo)設(shè)置 cmd_wr（）; i=0; if(RunState=RIGHT_RUN) while(STATE_CWi！=0） delay（）； show_lcd（STATE_CWi）；/char STATE_CW="CW”； i+； else while（STATE_CCWi!=0） delay（）；