1、 電力電子課程設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)： 審定成績(jī)： 重 慶 郵 電 大 學(xué)自 動(dòng) 化 學(xué) 院 設(shè)計(jì)題目：基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)模型控制 單位（二級(jí)學(xué)院）： 自 動(dòng) 化 學(xué) 院 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化 班 級(jí) 0831104 指 導(dǎo) 教 師： 程安宇 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014年5月 目 錄 目 錄1摘 要11.緒論22.工作原理及設(shè)計(jì)方案33.步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)84.電路原理圖及PCB板圖115.調(diào)試與仿真116.數(shù)據(jù)分析127.結(jié) 論138.附錄表15摘要 國內(nèi)控制器的研究起步較晚，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，是一個(gè)以自動(dòng)控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包

2、括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域。如電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微計(jì)算機(jī)技術(shù)等，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是這些技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體?？傮w上來說，國內(nèi)研究取得很大的進(jìn)步，但無論從控制器還是從控制軟件上來看，與國外相比還是具有一定差距。 傳統(tǒng)上由純電路設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)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。單片機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，將會(huì)避免復(fù)雜電路的設(shè)設(shè)計(jì)，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性、可靠性及多功能性。本文主要介紹了步進(jìn)電機(jī)的基本原理及

3、AT89C51單片機(jī)的性能特點(diǎn)。設(shè)計(jì)主要研究了一種基于AT89C51單片機(jī)和L297和L298驅(qū)動(dòng)芯片的步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)可分為：控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、人機(jī)交互模塊四大部分。其中采用AT89C51單片機(jī)作為控制模塊的核心，利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速等功能的基本控制。驅(qū)動(dòng)模塊由L297和L298驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作；顯示部分由四段LED共陰數(shù)碼管組成；人機(jī)互換部分由相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。通過實(shí)際測(cè)試表明本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、人機(jī)接口簡(jiǎn)單方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞： AT89C51

4、單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 控制 步進(jìn)電機(jī) 1、問題概述1.1設(shè)計(jì)的題目步進(jìn)電機(jī)模型控制-實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)模型的控制，并根據(jù)上位機(jī)的控制要求，顯示電機(jī)速度和電機(jī)的當(dāng)前速度。串口單片機(jī)串口步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 PC機(jī)顯示模塊按鍵模塊 圖 1、系統(tǒng)框圖 單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過按鍵輸入步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，并能夠在LED上顯示目標(biāo)角度與實(shí)際運(yùn)行的情況。PC機(jī)通過串口與單片機(jī)通信，顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況。2、工作原理及設(shè)計(jì)方案2.1 步進(jìn)工作原理 步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)

5、旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)

6、只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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)控制等。2.2設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制器硬件電路圖，并使用相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的仿真、調(diào)試。實(shí)現(xiàn)功能如下：（1）控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；（2）控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速；（3）設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，能驅(qū)動(dòng)相電壓為12V的步進(jìn)電機(jī)工作；（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)圈數(shù)的預(yù)置；（5）同步顯示步進(jìn)電機(jī)速度。 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn),基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)可分為：AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)控制器、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)碼管顯示、按鍵輸入模塊及電源電路五大部分，如

7、圖2所示。本設(shè)計(jì)方案采用AT89C51單片機(jī)作為控制模塊的核心，利用軟件編程使單片機(jī)輸出脈沖序列和方向控制信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)停止、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制。驅(qū)動(dòng)電路部分由L297和L298驅(qū)動(dòng)芯片和必要的外圍電路組成，單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路使其功率放大，達(dá)到電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電壓和電流由此驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。由四段LED共陰數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)預(yù)置圈數(shù)和所轉(zhuǎn)圈數(shù)的同步顯示。用相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)預(yù)置圈數(shù)設(shè)置和清零的功能。 圖2、基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 3、系統(tǒng)的組成3.1模塊介紹3.1.1控制模塊采用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心。利用單片機(jī)編程產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需

8、脈沖序列和方向控制信號(hào)。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)、軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低，且可對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，附帶顯示設(shè)備，鍵盤輸入等設(shè)備，使用方便。還可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的位置、速度預(yù)設(shè)及顯示。步進(jìn)電機(jī)位置和速度實(shí)際上跟單片機(jī)產(chǎn)生脈沖的個(gè)數(shù)和脈沖頻率是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。并且，由于單片機(jī)芯片引腳少，軟硬件連接簡(jiǎn)便靈活，硬件容易實(shí)現(xiàn)。3.1.2驅(qū)動(dòng)模塊在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，采用了帶光耦隔離，抗干擾能力強(qiáng)的TLP521作為隔離電流保護(hù)芯片，其中L297的17腳通過給高低電平來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，而18腳為步進(jìn)時(shí)鐘輸入

9、端，控制每個(gè)步數(shù)的時(shí)間增量，19腳步進(jìn)電機(jī)的半步或者整步的選擇，10腳為使能控制端，來控制電機(jī)的啟停，而經(jīng)過內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路、高壓、大電流雙 H 橋式驅(qū)動(dòng)器L298來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),8個(gè)二極管起著續(xù)流保護(hù)的作用。3.1.3顯示模塊采用LED四段共陰數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。AT89C51單片機(jī)輸出的脈沖序列經(jīng)過上拉電阻驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，硬件電路簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)便、顯示信息清晰、器件價(jià)格低廉，但占用單片機(jī)I/O口較多。3.2主要元器件介紹3.2.1 四相六線步進(jìn)電機(jī)的介紹步進(jìn)電機(jī)工作原理：該設(shè)計(jì)中所用到的步進(jìn)電機(jī)為四相六線步進(jìn)電機(jī)，它是采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步

10、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)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖是該四相步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 圖3開始時(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(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)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(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)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，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 四相步進(jìn)電機(jī)按照

11、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(dòng)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(dòng)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(shí)序與波形分別如圖中a、b、c所示。圖4、步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形模組配備的步進(jìn)電機(jī)為25BY2406電機(jī)，工作方式為雙極性四相。電機(jī)是種將電脈沖轉(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(gè)脈沖信號(hào)，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)

12、速。 市面上一般的步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖5、 步進(jìn)電機(jī)的接線本設(shè)計(jì)采用的步進(jìn)電機(jī)是25BY2406，因生產(chǎn)廠家不同，其接線也有所不同。電機(jī)共引出四根線，其余兩根線是公共端，經(jīng)測(cè)量后可得到其正確的接線順序，表3.1給出了電機(jī)所對(duì)應(yīng)的相序。表1 步進(jìn)電機(jī)控制線控制線顏色黑橙棕黃控制線名稱ABCD其中，C與D是電機(jī)內(nèi)部一組線圈的兩個(gè)抽頭， A與B是另一組線圈的兩個(gè)抽頭。只需以一定的順序控制兩組線圈中的電流方向即可使步進(jìn)電機(jī)按指定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。25BY2406的主要技術(shù)參數(shù)如下表2所示。表2 步進(jìn)電機(jī)25BYJ1201技術(shù)參數(shù)電壓相電阻步距角啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（g.cm）啟動(dòng)頻率（P.P.S）定位轉(zhuǎn)矩（g.

13、cm）512V2015120200483.2.2 AT89C51單片機(jī)芯片介紹本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。AT89C51單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)中包含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、4個(gè)I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。采用HMOS制造工藝的MCS-51單片機(jī)都采用40管腳雙列直插式封裝，除采用40腳雙列式直插式封裝外，還有用方形的封裝方式。40管腳雙列直插式封裝管腳圖如6 圖6、 MCS-51系列單片機(jī)管腳圖3.2.3驅(qū)動(dòng)模塊L297和L298介紹  L298N的原理L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用1

14、5腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。   

15、;L297的原理L297芯片是具有20個(gè)引腳的雙列直插式塑膠封裝的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器(包括集成的硬件環(huán)形分配器)。它可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能用半步(八拍)和全步(四拍)等方式驅(qū)動(dòng)單片機(jī)控制兩相雙極或四相單極步進(jìn)電機(jī)。該芯片內(nèi)部的PWM斬波器允許在關(guān)模式下控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電流，由于相序信號(hào)也是由內(nèi)部產(chǎn)生的，因此它只需要時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)便能控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可減輕微處理器和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。L297單片步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器集成電路的核心是脈沖分配器，L297還設(shè)有兩個(gè)PWM斬波器來控制線繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制，以獲得良好的轉(zhuǎn)矩-頻率特性。適用于雙極性兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或單極性四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。L

16、297只需從上位機(jī)接受方向(正反轉(zhuǎn))，模式(半步基本步距)，時(shí)鐘(步進(jìn)脈沖)3個(gè)輸入信號(hào)。它產(chǎn)生3種相序的信號(hào)，對(duì)應(yīng)于3種不同的工作方式：半步方式(四相八拍)；基本步距，單相激勵(lì)方式(單相四拍)；基本步距，兩相激勵(lì)方式(兩相兩拍)。其工作方式輸出的波形如圖46所示，初狀態(tài)(HOME)是ABCD= 0101。L297是20腳雙列直插式塑料封裝，常以+5V供電。該單片步進(jìn)電機(jī)控制器集成電路的核心是脈沖分配器，L297還設(shè)有兩個(gè)PWM斬波器來控制繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制，以獲得良好的轉(zhuǎn)矩-頻率特性，實(shí)用于雙極兩相步進(jìn)電機(jī)或者單極四相步進(jìn)電機(jī)的控制。 3.2.4共陽數(shù)碼管簡(jiǎn)介四位共陽數(shù)碼管的管腳分配

17、如下圖7所示： 圖7數(shù)碼管的管腳排列：從數(shù)碼管的正面觀看，左下角的那個(gè)腳為1腳，從1腳開始，按照逆時(shí)針方向排列依次是1腳到12腳，其中12、9、8、6為公共角，為位選信號(hào)輸入端。剩余的八個(gè)腳是段選信號(hào)輸入端，其對(duì)應(yīng)方式是A-11、B-7、C-4、D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3。只有詳細(xì)的了解了數(shù)碼管的管腳定義，以及段選位選情況，我們才能通過編程對(duì)其正常的顯示進(jìn)行很好的控制。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，下面我們對(duì)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示作一詳細(xì)介紹。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d

18、,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給

19、人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低。4、步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)4.1 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)之前各元器件的功能原理步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)電路設(shè)計(jì)如下：4.1.1步進(jìn)電機(jī)部分控制模塊采用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心，如圖9所示。脈沖信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。信號(hào)分配實(shí)際上就是按照某一種控制方式（根據(jù)需要進(jìn)行選定）所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)方向的目的。根據(jù)要求，所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)八拍通電順序?yàn)锳ABBBCCCD

20、DDAA。步進(jìn)電機(jī)的方向控制方法是：用單片機(jī)輸出接口的每一位控制一根相繞組。本設(shè)計(jì)中，用P3.0，P3.1，P3.2,P3.3分別接至步進(jìn)電機(jī)的A，B，C,D四相繞組。 圖84.1.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 圖9、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖 圖10、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路PCB圖原理分析：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中需要精密測(cè)出相應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度，這就要求電機(jī)的靈敏度高，受慣性的影響較小，所以直流電機(jī)不滿足要求。故我們采用了帶光耦隔離，利用抗干擾能力強(qiáng)的TLP521作為隔離保護(hù)；利用L297進(jìn)行PWM脈寬平滑調(diào)速與輸出限流保護(hù)；利用L298實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其正反轉(zhuǎn)，并采用二極管進(jìn)行續(xù)流保護(hù)。如圖所示，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，采用了

21、帶光耦隔離，抗干擾能力強(qiáng)的TLP521作為隔離電流保護(hù)芯片，其中L297的17腳通過給高低電平來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，而18腳為步進(jìn)時(shí)鐘輸入端，控制每個(gè)步數(shù)的時(shí)間增量，19腳步進(jìn)電機(jī)的半步或者整步的選擇，10腳為使能控制端，來控制電機(jī)的啟停，而經(jīng)過內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路、高壓、大電流雙 H 橋式驅(qū)動(dòng)器L298來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（如圖11）。其中圖10上的8個(gè)二極管起著續(xù)流保護(hù)的作用。圖11、 L298內(nèi)部原理圖4.1.3數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的顯示部分可以用液晶顯示的方案可供選擇，液晶顯示和數(shù)碼管顯示的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，而液晶顯示器顯示內(nèi)容豐富，因?yàn)橐?/p>

22、晶一般都是七段八字的只能顯示單一的內(nèi)容，而液晶顯示的內(nèi)容就很豐富；數(shù)碼管還比液晶顯示耗電，而且使用液晶也比使用數(shù)碼管顯得美觀。但是控制液晶顯示器的時(shí)候占用的系統(tǒng)資源多，編程更復(fù)雜，最關(guān)鍵的是液晶顯示的成本是數(shù)碼管的幾十倍，所以考慮到應(yīng)用價(jià)值，最終還是確定選用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的顯示部分功能。本設(shè)計(jì)選用了數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)，其段選的控制A、B、C、D、E、F、G、DP按照數(shù)碼管的簡(jiǎn)介資料選用了P 0口作為其控制端口，其位選部分由于單片機(jī)的控制端口輸出的電壓不足以直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，所以在單片機(jī)控制端口和數(shù)碼管的位選控制端口加入了三極管，其具體的電路連接如圖12所示。圖12、 數(shù)碼管顯示電路 。 （5）步進(jìn)

23、電機(jī)部分，該設(shè)計(jì)中所用到的步進(jìn)電機(jī)為四相六線步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)部分硬件電路圖4.2 軟件設(shè)計(jì)綜合以上選取的方案4.2.1電路原理圖及PCB板圖圖13、電路原理圖 圖14、PCB板圖4.2.2程序與流程圖總的流程如圖所示 圖15、系統(tǒng)程序流程圖整個(gè)程序采用C 語言編程，使程序簡(jiǎn)單易讀，在整個(gè)過程中采用模塊化調(diào)試，可靠性好。詳細(xì)的源程序見附錄。4.3 調(diào)試與仿真系統(tǒng)電路軟件仿真的步驟如下：（1）打開protuse仿真軟件；（2）在軟件的元器件庫中選擇所需的器件；（3）按照硬件電路設(shè)計(jì)方案連線；（4）加載編譯好的HEX文件；（5）運(yùn)行、調(diào)試；（6）如有錯(cuò)誤或與設(shè)計(jì)預(yù)期不相符，則繼續(xù)進(jìn)行步驟35，進(jìn)行

24、調(diào)試，至到調(diào)試成功。系統(tǒng)仿真如圖所示。 圖16 5、結(jié)論通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成了全部的設(shè)計(jì)任務(wù)，具體如下：完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，能通過鍵盤電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速控制；通過編程實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)能輸出四相的脈沖控制序列。整個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能通過數(shù)碼管顯示出來；整個(gè)的成果形式是最終以步進(jìn)電機(jī)控制電路仿真的形式展示出來了。 由于在本次設(shè)計(jì)中更多的是注重整體功能的實(shí)現(xiàn)，注重的是操作簡(jiǎn)單，采用了閉環(huán)控制的方式，電機(jī)也是選用的最常用的步進(jìn)電機(jī)了通過在本設(shè)計(jì)中的學(xué)習(xí)和查閱各類資料，想要得到更高性能的控制，可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)電

25、路。 此外，在設(shè)計(jì)的過程中考慮到時(shí)間和成本的問題，沒有完成焊接出電路板的任務(wù)。仿真程序和顯示狀態(tài)和實(shí)際的電路板操作始終是有差距的，而且仿真也會(huì)由于時(shí)間延遲出現(xiàn)一些誤差。但是我們這次采用了protel畫出了模擬電路原理圖和PCB板圖，所以，還是收獲很大。如果有機(jī)會(huì)，下次希望能做出實(shí)物來，實(shí)現(xiàn)各種功能。參考文獻(xiàn)1 劉寶廷.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997,1200.2 王曉明. 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制M. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002,50150.3 王福瑞 等.單片機(jī)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998,6785.4 胡壽松.

26、自動(dòng)控制原理M. 北京: 國防工業(yè)出版社,2000,4388.5 楊寧 胡學(xué)軍.單片機(jī)與控制技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005,22175.6 陳隆昌，等.控制電機(jī)（ 第三版）M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2000,3565.7 楊寧 胡學(xué)軍.單片機(jī)與控制技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005,2392.8 馬忠梅，等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)(第三版)M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003,3472.9 韓全力單片機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，2004,2167.10譚建成新編電機(jī)控制專用集成電路與應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社2005,15附錄表 附錄1

27、電路原理圖與PCB板圖 圖14、PCB板圖附錄2 仿真電路圖附錄3 脈沖波形圖附錄4 串口通信模塊顯示附錄5 C語言源程序#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code fan=0xfc,0xf9,0xf3,0xf6; /反轉(zhuǎn)控制字uchar code zheng=0xfc,0xf6,0xf3,0xf9; /正轉(zhuǎn)控制字uint code X=55295,46081,39497,34561,30719,27640,25133,23036,21266,19748,18430,

28、17280,16263,15359,14551,13822,13165,12566,12020,11519,11059,10633,10239,9874,9533,9215,8918,8640,8377,8131,7899,7679,7472,7275,7088,6911,6742,6582,6429,6283,6143,6009,5881,5760,5642,5528,5420,5316,5216,5119,5026,4937,4850,4766,4685,4607,4532,4458,4387,4319,4253,4188,4126,4065,4006,3949,3893,3839,378

29、6,3736,3686,3637,3590,3544,3499,3456,3412,3371,3330,3291,3252,3214,3177,3141,3105,3071,3037,3004,2972,2940,2909,2880,2849,2821,2792,2764,2737,2710,2684,2658,2633,;uchar led=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; /共陰極碼uint code speed=10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,150

30、,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250,260,270,280,290,300,310,320,330,340,350,360,370,380,390,400,410,420,430,440,450,460,470,480,490,500,510,520,530,540,550,560,570,580,590,600,610,620,630,640,650,660,670,680,690,700,710,720,730,740,750,760,770,780,790,800,810,820,830,840,850,860,870,880,890,900

31、,910,920,930,940,950,960,970,980,990,1000;sbit qidong=P10;sbit tingzhi=P11;sbit zf=P12;sbit xsqh=P13;sbit jiasu=P14;sbit jiansu=P15;sbit P3_4=P34;sbit P3_5=P35;sbit P3_6=P36;sbit P3_7=P37;sbit P3_0=P30;sbit P3_1=P31;sbit P3_2=P32;sbit P3_3=P33; uint L,N,M,K,speednow,Q;uint cesu;uchar T1count,beforec

32、ount,aftercount;bit flag;/flag為1正轉(zhuǎn)，flag為0反轉(zhuǎn)bit star_flag;/啟動(dòng)為1，停止為0bit xianshi_flag; /測(cè)速為1，設(shè)定速度為0bit beforechange;bit afterchange;void delayuln(void) /1ms誤差 0us unsigned char a,b,c; for(c=1;c>0;c-) for(b=110;b>0;b-) for(a=2;a>0;a-);void delayled(uchar i) uchar j,k; for(j=i;j>0;j-) for(k=

33、100;k>0;k-);void delaykey(void) /10ms誤差 -0.000000000002us unsigned char a,b; for(b=100;b>0;b-) for(a=3;a>0;a-);void display(uint s) /顯示函數(shù) uint ge,shi,bai,qian; ge=s%10; shi=s/10%10; bai=s/100%10; qian=s/1000%10; P3_4=0; P0=ledge; delayled(50); P3_4=1; P3_5=0; P0=ledshi; delayled(50); P3_5=1; P3_6=0; P0=ledbai; delayled(50); P3_6=1; P3_7=0; P0=ledqian; delayled(50); P3_7=1; void motor_zf() /換向程序if(star_flag=0)flag=!flag;P3_2=!P3_2;elsebefore