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

...wd......wd......wd...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)電動(dòng)機(jī)由于用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價(jià)，又非?？尚校虼嗽诖蛴C(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。本文介紹的是一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用匯編語言編寫出電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停頓程序，通過單片機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片ULN2004以及相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)以上功能，并且步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)要用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示出來。本文內(nèi)容介紹了步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時(shí)對軟、硬件進(jìn)展了調(diào)試，同時(shí)介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設(shè)計(jì)具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了上述功能。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；脈寬調(diào)制；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；單片機(jī)；轉(zhuǎn)動(dòng)DesignofTheControlSystemofStep-motorAbstract:Theopen-loopsystemwhichiscomposedbystep-motorissimple,cheapandverypractical,sothereareverywiderangeofapplicationsinprintersandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldevices,andmanyotherfields.Thisarticledescribesonedesignofstep-motorsystembasedonmicrocontroller.Theprogramofthepreparationofamotor,reverse,speedup,slowdown,stopiswrittenbycompilelanguage.Theabovefunctionsarerealizedthroughthemicrocontroller,motordriverchipULN2004andcorrespondkey,andtheworkstateofsteppermotorisdiaplayedthroughthelight-emittingdiode.Thisarticleintroducestheprincipleofsteppermotorandsingle-chipmicrocomputer,thesystemhardwarecircuit,theprogramcomponents,whilesoftwareandhardwareforthedebugging,atthesametimeintroducestheproblemswhichareappearedinthedebuggingprocessandthesolutionsoftheproblems.Thedesignhastheadvantagesofclear,highreliability,strongstability,etc.,andtheabove-mentionedfunctionsarerealizedthroughthedebugging..KeyWords:Steppermotor;Pulse-widthmodulated;drivingmechanism;singlechip;rotation目錄序言1第1章緒論21.1課題研究的目的和意義21.2國內(nèi)外研究概況21.3論文的主要研究內(nèi)容3第2章步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡介42.1步進(jìn)電機(jī)介紹42.1.1步進(jìn)電機(jī)概述42.1.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理62.1.3步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇82.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹92.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡介92.2.2步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性102.3單片機(jī)原理112.3.1單片機(jī)原理概述112.3.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)122.3.3AT89C51簡介13第3章系統(tǒng)整體硬件構(gòu)造173.1系統(tǒng)整圖173.2電源局部183.3按鍵局部183.4驅(qū)動(dòng)局部193.5狀態(tài)指示局部203.6時(shí)鐘局部20第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)214.1系統(tǒng)開發(fā)軟硬件環(huán)境214.2系統(tǒng)主程序214.3查鍵局部224.4前進(jìn)局部224.5后退局部234.6加速局部244.7減速局部25第5章系統(tǒng)的調(diào)試與檢測265.1程序編譯時(shí)的錯(cuò)誤與解決方法265.2LM7812輸出電壓錯(cuò)誤與解決方法265.3步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)錯(cuò)誤及解決方法265.4結(jié)論與展望27參考文獻(xiàn)28致謝29附錄29附錄1：源程序清單30附錄2：英文資料及其中文翻譯35基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)序言步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。它是用電脈沖信號進(jìn)展控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價(jià)，又非?？尚?，因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，通過軟件和硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能，并且步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示。主要通過三大塊來設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、狀態(tài)顯示局部和按鍵局部是設(shè)計(jì)。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和加速度，從而到達(dá)調(diào)速的目的。本次論文分為六章，序言簡要介紹了此次設(shè)計(jì)中有關(guān)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)概念。第1章是緒論，主要探討了步進(jìn)電機(jī)的研究背景和本論文的主要研究內(nèi)容；第2章步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的原理；第3章系統(tǒng)整體硬件構(gòu)造；第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；第5章系統(tǒng)的調(diào)試與檢測；最后是參考文獻(xiàn)、附錄和致謝。通過七章內(nèi)容的描述，詳細(xì)介紹了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法、以及設(shè)計(jì)中遇到的問題和解決問題的途徑。第1章緒論1.1課題研究的目的和意義步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖信號進(jìn)展控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價(jià)，又非?？尚校虼嗽诖蛴C(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。1.2國內(nèi)外研究概況步進(jìn)電機(jī)是國外創(chuàng)造的。中國在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。國外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)上，目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)閺尿?qū)動(dòng)電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動(dòng)機(jī)，加電動(dòng)機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。一些少數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。國外在小功率的場合，還使用步進(jìn)電機(jī)，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動(dòng)柜員機(jī)。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國內(nèi)過去是用大力矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實(shí)力的公司現(xiàn)在也采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動(dòng)設(shè)備的主要差距，是國外對交流電動(dòng)機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部?？偟膩碚f，步進(jìn)電機(jī)是一種簡易的開環(huán)控制，對運(yùn)用者的要求低，不適合在大功率的場合使用。在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)，在高品質(zhì)的控制場合，有時(shí)還不能使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開放初期，國內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制相比，難度要低得多。1.3論文的主要研究內(nèi)容本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，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，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?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而到達(dá)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，從而到達(dá)調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別。另外通過單片機(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。第2章步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡介2.1步進(jìn)電機(jī)介紹2.1.1步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(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、停頓的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(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，電機(jī)那么轉(zhuǎn)過一個(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)來控制變的非常的簡單。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過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。本次畢業(yè)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)。步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)：〔一〕步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。2、拍數(shù)：完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)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：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=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θ=360度/〔50*4〕=1.8度〔俗稱整步〕，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=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)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音?！捕巢竭M(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：1、步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(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)載的情況下，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)在某種測試條件下測得運(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)選擇的基本依據(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，那么共振區(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)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-D-CD-C-BC-B-AB-A時(shí)為反轉(zhuǎn)。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)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(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)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。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〕的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。4、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但假設(shè)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)到達(dá)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〕。步進(jìn)電動(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)的開展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。2.1.2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，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)速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停頓的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(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，電機(jī)那么轉(zhuǎn)過一個(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。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按適宜的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反響式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖2-1

四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開場時(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、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，那么轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。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2-2所示：圖2-2步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖2.1.3步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反響式步進(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。反響式步進(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，其構(gòu)造簡單，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。反響式步進(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，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，但動(dòng)態(tài)性能相對較差。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響式的優(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，定子那么為齒狀的突起構(gòu)造。此類電機(jī)綜合了反響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)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。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)的型號便確定下來了。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。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)座及長度便能確定下來〔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)行特性差異很大，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，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=

Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米P=2πfM/400(半步工作〕其中f為每秒脈沖數(shù)〔簡稱PPS〕2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹2.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡介步進(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)本體三局部組成。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號，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)速的上下、升速或降速、啟動(dòng)或停頓都完全取決于脈沖的有無或頻率的上下?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q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)器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進(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?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿?，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)展功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)局部。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，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。保護(hù)電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時(shí)迅速停頓驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行。2.2.2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。圖2-3電感-電阻串聯(lián)電路及其電流波形步進(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。圖2-3說明了一個(gè)電感一電阻電路的電氣特性。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通電瞬間繞組電流上升速率為:di(0)/dt=V/t經(jīng)過一段時(shí)間，電流到達(dá)最大值:Imax=V/RL/R定義為該電路的時(shí)間常數(shù)，是電路中的電流到達(dá)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，電路中的電流以初始速率一V/L開場下降，電流變化規(guī)律為:I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上，電流波形如圖3-2所示。低頻時(shí)電流能夠到達(dá)最大值(a);當(dāng)矩形波頻率上升到達(dá)某一臨界頻率，電流剛到達(dá)最大值就開場下降((b):矩形波頻率超過此臨界值后，繞組中的電流不能到達(dá)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)能夠到達(dá)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。圖2-4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，有兩種方法: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)?；蛘咴陔娐分写?lián)電阻，使L/R減少。2.3單片機(jī)原理2.31單片機(jī)原理概述單片機(jī)〔single-chipmicrocomputer〕是把微型計(jì)算機(jī)主要局部都集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。圖2-5中表示單片機(jī)的典型構(gòu)造圖。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號傳送距離，優(yōu)化了構(gòu)造配置，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)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。圖2-5典型單片機(jī)構(gòu)造圖2.3.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)在進(jìn)展實(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。人們需要通過人機(jī)對話，了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)展控制。單片機(jī)芯片與其它CPU比較，功能雖然要強(qiáng)得多，但由于芯片構(gòu)造、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2-6所示。圖2-6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)行的最簡單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、構(gòu)造簡單，常用來構(gòu)成簡單的控制系統(tǒng)，如開關(guān)量的輸入/輸出控制、時(shí)序控制等。對于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片來說,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；對與片內(nèi)沒有ROM/EPROM芯片來說，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作為程序存儲器使用。2.3.3AT89C51簡介AT89C51的主要參數(shù)表2-1AT89C51的主要參數(shù)型號存儲器定時(shí)器I/0串行口中斷速度〔MH〕其它特點(diǎn)E2PROMROMRAM89C514K1282321624低電壓AT89C51含E2PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統(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。程序存儲器E2PROM容量可達(dá)20K字節(jié)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器〔FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕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。其引腳如圖2-7所示。1、主要特性：

·與MCS-51兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器

壽命：1000寫/擦循環(huán)

圖2-7單片機(jī)的引腳排列·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

·三級程序存儲器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2、管腳說明：VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向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)展校驗(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)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)展存取時(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，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)展讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向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

P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕

P3.2/INT0〔外部中斷0〕

P3.3/INT1〔外部中斷1〕

P3.4T0〔記時(shí)器0外部輸入〕

P3.5T1〔記時(shí)器1外部輸入〕

P3.6/WR〔外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通〕

P3.7/RD〔外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通〕

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。

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，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對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)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想制止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制止，置位無效。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，那么在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。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〕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)鐘信號要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的上下電平要求的寬度。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正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1〞且在任何非空存儲字節(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停頓工作。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，制止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。第3章系統(tǒng)整體硬件構(gòu)造3.1系統(tǒng)整圖系統(tǒng)整圖如圖3-1所示，本系統(tǒng)采用外部中斷方式，p0口作為信號的輸入局部，p1口為發(fā)光二極管顯示局部，p2口作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)局部。圖3-1系統(tǒng)整圖3.2電源局部利用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〕輸入輸出壓差不能太大,太大那么轉(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，否那么會導(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電壓那么給單片機(jī)供電。分別如圖3-2、圖3-3所示。〔1〕、產(chǎn)生12V的電壓給步進(jìn)電機(jī)供電圖3-212V電路局部〔2〕產(chǎn)生5V的電壓給單片機(jī)供電圖3-35V電路局部3.3按鍵局部本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的P0口來控制信號的輸入，所以把按鍵開關(guān)和P0口連接起來，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。然后通過單片機(jī)實(shí)行相應(yīng)的操作。如圖3-4。圖3-4按鍵局部電路3.4驅(qū)動(dòng)局部此電路是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)局部，我選用的是ULN2004芯片來驅(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。如圖3-5。圖3-5驅(qū)動(dòng)局部電路3.5狀態(tài)指示局部狀態(tài)指示用P1口控制發(fā)光二極管的顯示，如果相應(yīng)端口是低電平，相應(yīng)的發(fā)光二極管就會亮，用它來表示步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)。如圖3-6。圖3-6狀態(tài)指示局部電路3.6時(shí)鐘局部時(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，可以通過提高時(shí)鐘頻率來提高CPU的速度，本次設(shè)計(jì)采用的晶振為12MHz。如圖3-7。圖3-7時(shí)鐘局部電路第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1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，隨著以51單片機(jī)為內(nèi)核的單片機(jī)的不斷開展和普及，國外的一些公司紛紛推出了以51單片機(jī)為根基的集成開發(fā)環(huán)境。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)是AT89C51。4.2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)減速的幾局部組成，其主程序框圖如圖4-1所示。開場開場初始化調(diào)按鍵子程序調(diào)按鍵子程序調(diào)用正反轉(zhuǎn)子程序調(diào)用加減速子程序停頓圖4-1主程序框圖4.3查鍵局部查鍵程序用于判斷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)。如圖4-2所示。NNNYY調(diào)按鍵子程序P0.0是否為0P0.1是否為0前進(jìn)后退圖4-2查鍵局部流程圖4.4前進(jìn)局部系統(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4-3所示。開場開場〔R0〕+1→R0延時(shí)子程序〔R0〕是否等于17H10H→〔R0〕NY圖4-3前進(jìn)局部流程圖4.5后退局部電機(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4-4所示。開場開場〔R0〕—1→R0延時(shí)子程序〔R0〕是否等于10H17H→〔R0〕NY圖4-4后退局部流程圖4.6加速局部當(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)時(shí)間變短，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速。流程圖如圖4-5所示。YYN開場〔R1〕是否為25H〔〔R1〕+1〕→R1正反轉(zhuǎn)子程序圖4-5加速局部流程圖4.7減速局部電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候，按下減速鍵，通過改變電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的延時(shí)時(shí)間，使時(shí)間變長，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速。流程圖如圖4-6所示。YYN開場〔R1〕是否為20H〔〔R1〕—1〕→R1正反轉(zhuǎn)子程序圖4-6減速局部流程圖第5章系統(tǒng)的調(diào)試與檢測5.1程序編譯時(shí)的錯(cuò)誤與解決方法把編好的程序〔包括正反轉(zhuǎn)程序、停頓程序、顯示程序等〕合理安排好結(jié)合到一起進(jìn)展編譯。由于編譯只能檢查是否存在語法錯(cuò)誤，所以還要看是否存在邏輯錯(cuò)誤。程序修改好以后，當(dāng)顯示編譯0錯(cuò)誤，0警告的時(shí)候，這說明已經(jīng)沒有語法錯(cuò)誤了，是否有邏輯錯(cuò)誤還要看接上電路板通過仿真以后，步進(jìn)電機(jī)能否正常轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示是否正常。5.2LM7812輸出電壓錯(cuò)誤與解決方法電路的工作離不開電源，所以電源是必不可少的。電源采用的是利用變壓器將220V的電壓轉(zhuǎn)換為12V的電壓，再利用橋堆整流使交流電變成直流電，最后分別利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的電壓。電路板焊接好以后，首先要檢查一下電路設(shè)計(jì)是否合理、元器件焊接是否正確，焊接好以后需要仔細(xì)檢查。用萬用表分別檢測從7812和7805第三個(gè)端口出來的是否是12V和5V，結(jié)果發(fā)現(xiàn)7805兩端電壓正常，7812兩端電壓非常不穩(wěn)定。用萬用表仔細(xì)檢查了每根線，發(fā)現(xiàn)了原因，電路板存在虛焊的現(xiàn)象。再次將電路板焊好，檢查好以后，用萬用表檢測兩端輸出電壓，結(jié)果正確，電源準(zhǔn)備工作完畢。5.3步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)錯(cuò)誤及解決方法步進(jìn)電機(jī)一開場不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，以為是電路焊接有問題，為了防止再次出現(xiàn)虛焊，首先將電路板用萬用表檢查了一遍，沒問題。程序也是正確的。后來仔細(xì)看了步進(jìn)電機(jī)工作原理，原來步進(jìn)電機(jī)要正常實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，四個(gè)相序必須弄清。把電機(jī)接上電源，用高電平分別接觸電機(jī)的引線，每接觸一下電機(jī)就會向前或向后轉(zhuǎn)動(dòng)一下，經(jīng)過幾次試驗(yàn)，終于搞清了電機(jī)的四個(gè)相序，排列順序分別是1—A，2—C，3—B，4—D。弄清了相序，把電路板重新布線，焊接好，結(jié)果電機(jī)能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)了。5.4結(jié)論與展望本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及速度的調(diào)節(jié)，通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)加強(qiáng)了我對軟件編程和硬件設(shè)計(jì)的掌握，并且熟悉了ULN2004、74ls11等芯片。步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動(dòng)輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等，所以說步進(jìn)電機(jī)有著廣闊的市場和遠(yuǎn)大的開展前景。參考文獻(xiàn)[1]張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2005.[2]李夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.[3]王鴻鈺.步進(jìn)電機(jī)控制入門[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1990.[4]袁任光,張偉武.電動(dòng)機(jī)控制電路選用與258實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.[5]王秀和.永磁電機(jī)[M].北京:中國電力出版社,2007.[6]房玉明,杭柏林.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33〔4〕：64-64.[7]孫笑輝,韓曾晉.減少感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法[J].電氣傳動(dòng),2001，(1):8-11.[8]馮江華,陳高華,黃松濤.異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1999，(6):29-33.[9]江一，朱凌,申仲濤.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2003，(1):10-13.[10]韓利虎.淺談步進(jìn)電機(jī)的基本原理[J].內(nèi)蒙古石油化工,InnerMongoliaPetrochemicalIndustry,2007，(11):109.[11]張巍.淺談單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)[J].安防科技,2006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外部中斷0ORG0030HMAIN:///初始化MOVR0,#0FHMOV10H,#01HMOV11H,#03HMOV12H,#02HMOV13H,#06HMOV14H,#04HMOV15H,#0CHMOV16H,#08HMOV17H,#09HMOV20H,#50MOV21H,#40MOV22H,#30MOV23H,#20MOV24H,#10MOV25H,#5MOVR1,#20HMOVIE,#10000001BCLRQIANCLRHOUCLRJIACLRJIANCLRTINGMOVA,@R1MOVR2,ASETBIT0 ////邊沿觸發(fā)形式LOOP1:JNBQIAN,LOOP2 ACALLFRONT1LOOP2:JNBHOU,LOOP1ACALLBACK1DUAN:MOVA,P0CPLA ANLA,#1FH///去高三位，使按下去的一位為1 CJNEA,#00H,CHA AJMPDUANCHA:ACALLDELAY10MSMOVA,P0CPLAANLA,#1FH JZDUAN ///為零轉(zhuǎn)移 ACALLZHAO RETIZHAO:MOVA,P0 //查找是哪一位，下面置1JNBACC.0,FRONT JNBACC.1,BACK JNBACC.2,FAST JNBACC.3,SLOW JNBACC.4,STOPFRONT:SETBQIAN RETBACK:SETBHOURETFAST:SETBJIARETSLOW:SETBJIANRETSTOP:SETBTINGRETFRONT1:CLRQIANCLRHOU CLRJIA CLRJIAN CLRTINGINCR0 ///前進(jìn)子程序R0用于給P2口送不同的值MOVP2,@R0 MOVA,@R1 MOVR2,A ///R2用于延時(shí)不同的時(shí)間 ACALLDELAYCJNE R0,#17H,XIA MOVR0,#10HXIA:JBQIAN,HUI//回主程序////////XIA子程序用于過度 JBHOU,HUI JBTING,HUI JNBJIA,XIA1 ACALLJIA1XIA1:JNBJIAN,XIA2 ///XIA子程序用于過度 ACALLJIAN1JBTING,HUIXIA2:AJMPFRONT1 HUI:RET //返回主程序JIA1:CJNER1,#25H,XIA3///加速 RETXIA3:INCR1RETBACK1:CLRQIAN //后退CLRHOU CLRJIA CLRJIAN CLRTING CJNER0,#0FH ,XIA8 MOVR0,#17HXIA8:DECR0 MOVP2,@R0 MOVA,@R1 MOVR2,A ACALLDELAY CJNER0,#10H,XIA5 MOVR0,#17HXIA5:JBQIAN,HUIJBTING,HUI JBHOU,HUI JNBJIA,XIA6 ACALLJIA1XIA6:JNBJIAN,XIA7 ACALLJIAN1XIA7:AJMPBACK1JIAN1:CJNER1,#20H,XIA4 //減速 RETXIA4:DECR1RETDELAY10MS: MOVR3,#20D1:MOVR4,#250DJNZR4,$ DJNZR3,D1 RETDELAY:MOVR5,#50 //根據(jù)r2的狀態(tài)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的每一步的時(shí)間D2:MOVR6,#150D3:DJNZR6,$DJNZR5,D2DJNZR2,DELAYRETEND附錄2：英文資料及其中文翻譯Steppermotorisanelectricalpulsewillbeconvertedintoangulardisplacementoftheimplementingagencies.Putitinsimplelanguage-speaking:Whenthestepperdrivepulsesignaltoareceiver,itdrivessteppermotorrotationdirectionbysettingafixedpointofview(andthestepangle).Youcancontrolthenumberofpulsestocontroltheamountofangulardisplacement,soastoachievethepurposeofaccuratepositioning;Atthesametime,youcanbycontrollingthepulsefrequencytocontrolthemotorrotationspeedandacceleration,soastoachievethepurposeofspeed.SteppermotordirectlyfromtheAC-DCpowersupply,andmustusespecialequipment-steppermotordrive.Steppermotordrivesystemperformance,inadditiontotheirownperformancewiththemotorontheoutside,butalsotoalargeextentdependonthedriveisgoodorbad.Atypicalsteppermotordrivesystemisoperatedbythesteppermotorcontroller,steppermotordrivesandsteppermotorbodyiscomposedofthreeparts.Steppermotorcontrollerstepperpulseanddirectionsignal,eachmadeofapulse,steppermotor-drivensteppermotordrivesarotorrotatingstepangle,thatis,step-by-stepfurther.Highorlowspeedsteppermotor,orspeed,ordeceleration,startorstoppulsesareentirelydependentonwhetherthelevelorfrequency.Decidethedirectionofthesignalcontrollersteppermotorclockwiseorcounterclockwiserotation.Typically,thesteppermotordrivecircuitfromthelogiccontrol,powerdrivercircuit,protectioncircuitandpowercomponents.Steppermotordrivecontroller,oncereceivedfromthedirectionofthesignalandsteppulse,thecontrolcircuitonapre-determinedwayoftheelectricalpower-phasesteppermotorexcitationwindingsoftheconductionorcut-offsignal.Controlcircuitoutputsignalpowerislow,cannotprovidethenecessarysteppingmotoroutputpower,theneedforpoweramplifier,whichissteppermotordrivenpowerdrivepart.Powersteppermotordrivecircuittocontroltheinputcurrentwindingtoformaspaceforrotatingmagneticfieldexcitation,therotor-drivenmovement.Protectioncircuitintheeventofshortcircuit,overload,overheating,suchasfailuretostoptherapiddriveandmotor.Motorisusuallyforthepermanentmagnetrotor,whenthecurrentflowsthroughthestatorwindings,thestatorwindingsproduceamagneticfieldvector.Themagneticfieldwillleadtoarotorangleofrotation,makingapairofrotorandstatormagneticfielddirectionofthemagneticfielddirection.Whenthestatorrotatingmagneticfieldvectorfromadifferentangle.Alsoastherotormagneticfieldtoapointofview.Anelectricalpulseforeachinput,themotorrotationanglestep.Itsoutputandinputoftheangulardisplacementisproportionaltothepulses,withpulsefrequencyproportionaltospeed.Powertochangetheorderofwinding,theelectricalwillbereversed.Wecan,therefore,controlthepulsenumber,frequencyandelectricalpowerwindingsofeachphasetocontroltheorderofrotationofsteppermotor.Steppermotortypes:Permanentmagnet(PM).Magneticgenerallytwo-phasestepper,torqueandaresmallerandgenerallysteppingangleof7.5degreesor15degrees;putmorewindforair-conditioning.Reactive(VR),thedomesticgeneralcalledBF,haveacommonthree-phasereaction,stepangleof1.5degrees;alsohavefive-phasereaction.Noise,notorquehasbeensetatalargenumberofout.Hybrid(HB),commontwo-phasehybrid,five-phasehybrid,three-phasehybrid,four-phasehybrid,two-phasecanbecommonwiththefour-phasedrive,five-phasethree-phasemustbeusedwiththeirdrives;Two-phase,four-phasehybridstepangleis1.8degreesmorethanasmallsize,greatdistance,andlownoise;Five-phasehybridsteppingmotorisgenerally0.72,themotorstepanglesmall,highresolution,butthecomplexityofdrivecircuits,wiringproblems,suchasthe5-phasesystemof10lines.Three-phasehybridsteppingmotorstepangleof1.2degrees,butaccordingtotheuseof1.8degrees,thethree-phasehybridsteppingmotorhasatwo-phasemixedthanthefive-phasehybridmorepolewillhelpelectricfoldersymmetricangle,itcanbemorethantwo-phase,five-phasehighaccuracy,theerrorevensmaller,runmoresmoothly.Steppermotortomaintaintorque:steppermotorpowermeansnorotation,thestatorlockedrotortorque.Itisasteppermotor,oneofthemostimportantparameters,usuallyinthelow-speedsteppermotortorqueatthetimeofclosetomaintainthetorque.Asthesteppermotoroutputtorqueincreaseswiththespeedofconstantattenuation,theoutputpoweralsoincreaseswiththespeedofchange,soastomaintaintorqueonthesteppermotortomeasuretheparametersofoneofthemostimportant.Forexample,whenpeoplesaythatthesteppermotor2N.m,intheabsenceofspecialcircumstancesthatmeansformaintainingthetorqueofthesteppermotor2N.m.Precisionsteppermotors:steppermotorstepangleaccuracyof3-5%,notcumulative.Startfrequencyofno-load:thesteppermotorincaseofno-loadtothenormalstartofthepulsefrequency,ifthepulsefrequencyishigherthanthevalueofmotordoesnotstart,possibletolosestepsorblocking.Inthecaseoftheload,startfrequencyshouldbelower.Ifyouwanttoachievehigh-speedrotationmotor,pulsefrequencyshouldbetoacceleratetheprocess,thatis,thelowerfrequencytostart,andthenrosetoacertainaccelerationofthedesiredfrequency(