1第一章系統(tǒng)分析概述步進電機是用電脈沖信號控制，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程或設(shè)備的數(shù)字控制，它是過程控制中一種十分重要和常用的功率執(zhí)行器件，它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器或角位移發(fā)生器等，近年來由于計算機應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，步進電機常常和計算機一起組成高精度的數(shù)字控制系統(tǒng)。由于它是由數(shù)字脈沖控制，因此非常適合于用單片機控制，本設(shè)計便是在此基礎(chǔ)上，以MCS51型單片機為核心，并結(jié)合外圍電路以步進電機為控制對象的控制系統(tǒng)。1.1功能簡介本設(shè)計系統(tǒng)有單片機最小系統(tǒng)、8個按鍵輸入控制、四個數(shù)碼管顯示和步進電機驅(qū)動電路一共四大部分組成，通過按鍵輸入數(shù)值來控制步進電機轉(zhuǎn)速，并且在數(shù)碼管上顯示數(shù)值（1）8個按鍵包括：數(shù)字鍵15；3個功能鍵：設(shè)置SET、清零CLR、開始START；（2）顯示器上第一位顯示次數(shù)，后三位顯示每次行走的角度；（3）通過鍵盤的按鍵，設(shè)置步進電機各次的角度值；第一位設(shè)置次數(shù)，后三位設(shè)置角度值。（4）按START鍵啟動步進電機開始轉(zhuǎn)動，按SET鍵停止；按CLR鍵清零。1.2方案選擇1.2.1步進電機驅(qū)動電路方案本設(shè)計的重點在于對步進電機的控制和驅(qū)動，設(shè)計中受控電機為四相六線制的步進電機（內(nèi)阻33歐，步進1.8度，額定電壓12V）方案一：使用多個功率放大器件驅(qū)動電機通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率，如圖1-1，使用三極管組成的步進電機驅(qū)動電路。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制2作也比較復(fù)雜。注：A、B、C、D分別為步進電機四相輸入圖1-1三極管組成的步進電機驅(qū)動電路方案二：使用ULN2003芯片驅(qū)動電機ULN2003芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，如圖1-2。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。（注：IN1-IN7為單片機I/O輸入，OUT為與輸入對應(yīng)的的驅(qū)動輸出，接電機的四相A、B、C、D）圖1-2ULN2003芯片驅(qū)動電路通過比較，使用ULN2003芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動步進電機，且價格不高，故選用ULN2003驅(qū)動電機。由于控制并不復(fù)雜，直接用單片機I/O模擬出時序信號。31.2.2數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計方案一：串行接法設(shè)計中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約IO口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。如圖1-3圖1-3數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路方案二：并行接法使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用IO口單獨輸入數(shù)據(jù)，如果采用并行接法，每個數(shù)碼管的控制需要8個I/O，本設(shè)計有四個數(shù)碼管，占用資源較多，如圖1-4。41圖1-4數(shù)碼管并行驅(qū)動電路由于設(shè)計中用一塊單片機進行控制，資源有限，故需要選擇了方案一。另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。5第二章硬件電路設(shè)計2.1步進電機控制原理步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定，圖2-1為電機內(nèi)部原理圖。圖2-1四相步進電機內(nèi)部原理圖開始時，B相接通電源，A、C、D斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時轉(zhuǎn)子1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5齒和A、D相繞組產(chǎn)生錯齒。當C相接通電源，B、A、D斷開，由于C相繞組的磁力線和1、4號之間磁力線的作用使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，C相磁極和轉(zhuǎn)子1、4號齒對齊，而轉(zhuǎn)子0、3號齒就和A、B相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5齒和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。以此類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，轉(zhuǎn)子就會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。四相步進電機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，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，圖2-2為三種節(jié)拍控制方式的時序圖。6圖2-2-a單四拍圖2-2-b雙四拍圖2-2-c八拍(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：四相步進電機的單四拍工作方式，其各相通電順序為A-B-CD,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。(2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。2.2步進電機轉(zhuǎn)速與脈沖關(guān)系計算首先介紹一個概念：步距角，步進電機每改變一次通電狀態(tài)（一拍）轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步進電機的步距角。假設(shè)我們想實現(xiàn)25轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，而上述四相步進電機的步距角為7.5，即每48個脈沖為1周，也就是要求為1200脈沖/分，相當于50ms/脈沖。若我們想實現(xiàn)要求為100轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，即48000脈沖/分，相當于12.5ms/脈沖。其他轉(zhuǎn)速與脈沖關(guān)系如下：步進電機轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系速度單步時間(us)TH1TL1實際定時（us）255000076049996.82648077822368074.182746296898646292.612844643957344640.15510012500211012499.2表中不僅計算出了TH1和TL1，而且還計算出了在這個定時常數(shù)下，真實的定時時間，可以根據(jù)這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。表中TH1和TL1是根據(jù)定時時間算出來的定時初值，這里用到的晶振是11.0592M。有了上述表格，程序就不難實現(xiàn)了，使用定時/計數(shù)器T1為定時器，定時時間到后切換輸出腳即可。2.3硬件電路中的主要芯片功能介紹及原理圖2.3.1單片機最小系統(tǒng)7本設(shè)計單片機最小系統(tǒng)采用單片機的型號為STC89C52，結(jié)構(gòu)包括CPU、存儲器、并行接口、串行接口、兩個定時/計數(shù)器T0和TI、兩個外部中斷INT0和INT1和中斷系統(tǒng)，外接晶振頻率為11.0592MHZ如圖2-3-1圖2-3-1單片機最小體統(tǒng)2.3.2數(shù)碼管驅(qū)動芯片由于本設(shè)計有8個按鍵,4位數(shù)碼管顯示，四相步進電機驅(qū)動。而且還不包括其它的外圍器件。這時整個系統(tǒng)的I/O資源就很吃緊了。系統(tǒng)的擴展性也不好。這時我們就需要考慮對單片機的I/O進行擴展，即采用串行接法控制數(shù)碼管顯示。雖然專門的I/O擴展芯片市場上也有不少，但對于我們一般的應(yīng)用，沒有必要設(shè)計的那么復(fù)雜。用一些簡單的移位寄存器芯片一樣