1、單片機原理與應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計報告（論文）基于單片機控制的步進(jìn)電機控制器專業(yè)班級： 電氣113班 姓名： 呂志斌 時 間：2013.11.25-2013.12.14 指導(dǎo)教師： 邵峰 徐君鵬 2013年 12 月 14日單片機課程設(shè)計任務(wù)書 1設(shè)計目的與要求 設(shè)計出一個基于單片機控制的步進(jìn)電機控制器。準(zhǔn)確地理解有關(guān)要求，獨立完成系統(tǒng)設(shè)計，要求所設(shè)計的電路具有以下功能： （一）基本功能要求 1.實現(xiàn)步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)控制2.實現(xiàn)步進(jìn)電機的加速控制3.實現(xiàn)步進(jìn)電機的減速控制 （二）擴展功能要求 實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)指示及速度快慢指示。2設(shè)計內(nèi)容 （1）畫出電路原理圖，正確使用邏輯關(guān)系； （2）確定元器

2、件及元件參數(shù)； （3）進(jìn)行電路模擬仿真； （4）SCH文件生成與打印輸出；3編寫設(shè)計報告 寫出設(shè)計的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。4 答辯 在規(guī)定時間內(nèi)，完成敘述并回答問題。論文結(jié)構(gòu)清晰，層次分明，理論嚴(yán)謹(jǐn)基于單片機控制的步進(jìn)電機控制器電氣113班 呂志斌摘要：步進(jìn)電機是一種純粹的數(shù)字控制電機，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。本文應(yīng)用單片機AT89C51和步進(jìn)電機驅(qū)動器L298，構(gòu)建了步進(jìn)電機控制器和驅(qū)動器為一體的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)。通過AT89C51和脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器)完成步進(jìn)電機的各種運行控制方式，實現(xiàn)步進(jìn)電機在4相8拍的工作方式下的正反轉(zhuǎn)控制和加減速控

3、制。整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，可靠，通過人機交互換接口可實現(xiàn)各功能設(shè)置，操作簡單，易于掌握。該系統(tǒng)可應(yīng)用于步進(jìn)電機在機電一體化控制等大多數(shù)場合。實踐證明，基于單片機控制的步進(jìn)電機比傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器具有更好的性能，更加簡單、方便、可靠。本設(shè)計的主要研究對象就是開環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件步進(jìn)電機。關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機 AT89C51 電機驅(qū)動 正反轉(zhuǎn)控制 LED顯示1 引言： 步進(jìn)電機是一種進(jìn)行精確步進(jìn)運動的機電執(zhí)行元件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機械的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及性價比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電機應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實現(xiàn)了

4、基于8051單片機的四相步進(jìn)電機的開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過單片機存儲器、I/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴展、步進(jìn)電機的環(huán)形分頻器、驅(qū)動及保護(hù)電路、人機接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等的設(shè)計，實現(xiàn)了四相步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。為實現(xiàn)單片機控制步進(jìn)電機系統(tǒng)在數(shù)控機床上的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計了兩個外部中斷，以實現(xiàn)步進(jìn)電機在某段時間內(nèi)的反復(fù)正反轉(zhuǎn)功能，也即數(shù)控機床的刀架自動進(jìn)給運動，隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，自六十年代初期以來，步進(jìn)電機的應(yīng)用得到很大的提高。人們用它來驅(qū)動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、繪圖儀，磁盤光盤驅(qū)動器、各種自動控

5、制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。此外作為執(zhí)行元件，步進(jìn)電機是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機是機電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、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)展以及單片機技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計功能強，價格低的步進(jìn)電機控制驅(qū)動器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的資源。2 總體設(shè)計方案本設(shè)計的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機正常工作?？刂齐娐分灰砷_關(guān)和按鍵組成，由

6、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的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。總體設(shè)計方案的框圖如下圖1所示。2.1步進(jìn)電機的概念步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個步進(jìn)電機L298步進(jìn)電機驅(qū)動芯片AT89C51芯片 電源及時鐘電路 LED狀態(tài)顯示電路按鍵控制電路圖1系統(tǒng)總框圖脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時我們也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

7、在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止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，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。  圖2.1步進(jìn)電機外觀圖2.2 步進(jìn)電機工作原理 2.2.1步進(jìn)電機的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 相數(shù):產(chǎn)生不同隊N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。拍數(shù):完成一個磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍運行方式即AABBBCCCDDDAA

8、。步距角:對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度(轉(zhuǎn)子齒角運行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機為例。四相運行時步距角為=360度/(50*4) =1.8度，八拍運行時步距角為=360度/(50*8)=0.9度。定位轉(zhuǎn)矩:電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的)。靜轉(zhuǎn)矩:電機在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機不做旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(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，增加勵磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及

9、機械噪音。 2.2.2步進(jìn)電機工作原理 電機的U1、V1、W1接電源，分別有三個開關(guān)控制，U2、V2、W2分別接地。如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，步進(jìn)電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機分時供電的，多相時序控制器 。以反應(yīng)式步進(jìn)電機為例：如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子

10、向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-A

11、B-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制這是旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。2.3 步進(jìn)電機的特點2.3.1 步進(jìn)電機的特點1. 一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。2. 步進(jìn)

12、電機外表不允許較高的溫度。步進(jìn)電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3. 步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4. 步進(jìn)電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。5. 由步進(jìn)電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉

13、價，又非常的可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。6. 步進(jìn)電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。7. 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。8. 步進(jìn)電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。2.3.2四相步進(jìn)電機的脈沖分配規(guī)律目前，對步進(jìn)電機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)計利用單片機進(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的時

14、序與波形分別如圖1 a, b, c所示。本設(shè)計的電機工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機的工作的時序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規(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)電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進(jìn)電機允許的范圍內(nèi)。3.硬件設(shè)計本設(shè)計的硬件電路只要包括控制電路、晶振和復(fù)位電路、驅(qū)動電路、LED顯示電路四大部分。電源及時種模塊是為了使單片機正常工作。控制電路只要由開關(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的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路主

15、要是對單片機輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。 在使用單片機80C51和驅(qū)動電路時我們有必要先了解一下89C51和L298芯片。89C51單片機 ATMEI公司生產(chǎn)的89C51單片機是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片機，它采用CMOS和高密度非易失性存儲技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51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8位并行I/O口，5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，89C51單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。L29

16、8 L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進(jìn)電機。L298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅(qū)動，設(shè)計用于連接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，驅(qū)動電感負(fù)載（諸如繼電器、線圈、DC和步進(jìn)電機）。L298提供兩個使能輸入端，可以在不依賴于輸入信號的情況下，使能或禁用L298器件。L298低位晶體管的發(fā)射器連接到一起，而其對應(yīng)的外部端口則可用來連接一個外部感應(yīng)電阻。L298還提供一個額外的電壓輸入，所以其邏輯電路可以工作在更低的電壓下。L298 特性 ：L298工作電壓高達(dá)46V ；總

17、DC電流達(dá)4A ；低飽和電壓 ；L298具有過溫保護(hù)功能 ；邏輯“0”輸入電壓高達(dá)1.5V(高抗噪性) 。3.1控制電路根據(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和停止控制按鈕，分別是K1, K2, K3 K4，K5控制電路如圖所示。通過K1, K2狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)功能。當(dāng)K1, K2的狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測P3.2和P3.3的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)換相程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機的啟動和正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機的工作原理可以知道，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。對于單片機而言，主要的方法有:軟件延時和定時中

18、斷在此電路中電機的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷來實現(xiàn)的，該電路控制電機加速度主要是通過K2, K3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù))，這樣就改變了步進(jìn)電機的輸出脈沖頻率，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。圖3.1 控制電路圖3.2晶振和復(fù)位電路單片機的晶振和復(fù)位電路，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、復(fù)位電路、晶振電路。復(fù)位電路使用了獨立式鍵盤，單片機的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需1個鍵對步進(jìn)電機的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對控制功能的擴展，使用了1路獨立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)

19、位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用100PF的電容和一個12M晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率，如圖3.2.1所示。晶振電路:8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到:內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL 1和XTAL2外部接晶振電路器(簡稱晶振)或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖示。其電容值一般為30pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路實用較多。

20、圖3.2.1晶振和復(fù)位電路圖3.2.2晶振電路3.3驅(qū)動電路 步進(jìn)電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動機驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動單元與步進(jìn)電動機直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動機微機控制器的功率接口，這里予以介紹。通過L298構(gòu)成比較多的驅(qū)動電路，電路圖如圖所示。通過單片機的P1.0P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B4B口，經(jīng)信號放大后從1C4C口分別輸出到電機的A, B, C, D相。其中VCC和VS，ENA和ENB都接高電源，SENSA,SENSB和GND接電位，這樣就可以通過L298的輸入和輸出來驅(qū)動步進(jìn)電機。具體電

21、路如下圖3.3所示。3.4顯示電路在該步進(jìn)電機的控制器中，電機可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機轉(zhuǎn)速的等級分為七級，為了方便知道電機的運行狀態(tài)和電機的轉(zhuǎn)速的等級，這里設(shè)計了電機轉(zhuǎn)速和電機的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機的P1口。采用4個LED發(fā)光二級光作顯示。第一個數(shù)碼管接P1.4第二三四個二極管分別接P1.5-P1.7口，用于顯示電機正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時LED燈D8亮，反轉(zhuǎn)時LED燈D7亮，不轉(zhuǎn)時燈滅。電路如圖3.4所示。圖3.3驅(qū)動電路 圖3.4 LED顯示電路4.步進(jìn)電機的控制4.1 步進(jìn)電機的速度控制 步進(jìn)電機的速度控制是通過單片機發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實現(xiàn)，對于軟

22、脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個控制字之間的時間間隔來實現(xiàn)調(diào)速，對于硬脈沖分配方式，可以控制步進(jìn)脈沖的頻率來實現(xiàn)調(diào)速?？刂撇竭M(jìn)電機的速度的方法可有兩種：1. 軟件延時法：改變延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法CPU長時間等待，占用大量的機時，因此沒有實踐價值。2. 定時器中斷法：在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時器的定時常數(shù)就可以實現(xiàn)調(diào)速，這種方法占有的CPU時間較少，在各種單片機中都能實現(xiàn)，是一種比較實用理想的調(diào)速方法。定時器法利用定時器進(jìn)行工作，為了產(chǎn)生步進(jìn)脈沖，要根據(jù)給定的脈沖頻率和單片機的機器周期來計算定時常數(shù)，這個定時器決定了定時時間，當(dāng)定時時間到而使定時器產(chǎn)

23、生溢出時發(fā)生中斷，在中斷子程序中進(jìn)行改變P1.0的電平狀態(tài)的操作，這樣就可以得到一個給定頻率的方波輸出，改變定時常數(shù)，就可以改變方波的頻率，從而實現(xiàn)調(diào)速。4.2 步進(jìn)電機的位置控制 步進(jìn)電機的位置控制，指的是控制步進(jìn)電機帶動執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確地運行到另一個位置，步進(jìn)電機的位置控制是步進(jìn)電機的一大優(yōu)點，它可以不用借助位置傳感器而只需要簡單的開環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度，因此應(yīng)用很廣。步進(jìn)電機的位置控制需要兩個參數(shù)：1. 第一個參數(shù)：步進(jìn)電機控制執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)（我們稱為絕對位置），絕對位置時有極限的，其極限時執(zhí)行機構(gòu)運動的范圍，超越了這個極限就應(yīng)報警。2. 第二個參數(shù)：從當(dāng)前位置移動

24、到目標(biāo)位置的距離 我們可以用折算的方式將這個距離折算成步進(jìn)電機的步數(shù)，這個參數(shù)是外界通過鍵盤或可調(diào)電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應(yīng)該在鍵盤程序或A/D轉(zhuǎn)換程序中完成。 對步進(jìn)電機位置控制的一般作法是：步進(jìn)電機每走一步，步數(shù)減1，如果沒有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時，步數(shù)正好減到0，因此，用步數(shù)等于0來判斷是否移動到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電機停止運行的信號。 4.3 步進(jìn)電機的加減速控制步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受各種環(huán)境條件諸如溫度、壓力、振動、沖擊等影響，而僅僅與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低可以大范圍地調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并能實現(xiàn)快速起動、制動、正反轉(zhuǎn)、加減速

25、，而且有自鎖的能力，不需要機械制動裝置，不經(jīng)減速器也可獲得低速運行。它每轉(zhuǎn)過一周的步數(shù)是固定的，只要不丟步，角位移誤差不存在長期積累的情況，主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)從A點到B點移動的時，要經(jīng)歷升速，恒速，減速過程，如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率，步進(jìn)電機就有失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動，如果到終點時突然停下來，由于慣性作用 ，步進(jìn)電機會發(fā)生過沖現(xiàn)象，會造成位置精度降低。如果升速非常緩慢的升降速，步進(jìn)電機雖然不會發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響執(zhí)行機構(gòu)的工作效率，所以，對步進(jìn)電機的加減

26、速要有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度（或最短的時間）移動到有可能指定位置。為滿足加減速要求，步進(jìn)電動機運行通常按照加減速曲線進(jìn)行。圖5.1是加減速運行曲線。加減速運行曲線沒有 一個固定的模式，一般根據(jù)經(jīng)驗和實驗得到的。最簡單的是勻加速和勻減速曲線，如下圖4.3.1和4.3.2所示： 圖4.3.1 勻加減速其加減速曲線都是直線，因此容易編程實現(xiàn)。按直線加速時，加速度是不變的，因此要求轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是不變的。但是，由于步進(jìn)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩玉轉(zhuǎn)速時非曲線關(guān)系，因而加速度玉頻率也應(yīng)該是非曲線關(guān)系。因此，實際上當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，轉(zhuǎn)矩下降，所以，按直線加速時，有可能造成因轉(zhuǎn)矩不足而產(chǎn)生

27、失步的現(xiàn)象。5.軟件設(shè)計通過分析可以看出，實現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時有可能輸入加速、加速信號和方向信號，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個部分的工作才能滿足課題要求， 圖4.3.2 瞬時加減速 即主程序部分、定時器中斷部分、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)置及啟動開關(guān)的檢測，若啟動開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速的快慢；兩個外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析主程序與定時器中斷程序及外部中斷程序。 5.1主程序設(shè)計 主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系

28、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，需要初始化定時器、外部中斷；對P1口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲區(qū)送初值決定步進(jìn)電機的啟動速度，對方向值存儲區(qū)送初值決定步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。若初始化P3=1，即高電狀態(tài)，速度和方向初始值均設(shè)為0，就意味著步進(jìn)電機按四相單四拍運行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進(jìn)電機不旋轉(zhuǎn)，顯示方向的LED燈不亮，顯示速度狀態(tài)的LED燈也不亮。流程圖如下圖所示。5.2 程序框圖根據(jù)設(shè)計任務(wù)，可畫出控制步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)，加減速控制。我們以正轉(zhuǎn)開始鍵K1鍵為例來說明，其它反轉(zhuǎn)鍵，加速鍵，減速鍵，停止鍵的程序流圖與此相同。

29、程序流圖如下圖5.2。6.設(shè)計總結(jié)本設(shè)計通過單片機AT89C51和步進(jìn)電機的驅(qū)動電路控制步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)，加減速，以實現(xiàn)進(jìn)電機的運動控制。該設(shè)計實現(xiàn)了占用CPU時間少，效率高；易于控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速；提高了步進(jìn)電機的步進(jìn)精度等。再有，本設(shè)計過程考慮比較周全，可以方便靈活地控制步進(jìn)電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求，因此常把單片機步進(jìn)電機控制電路稱之為可編程步進(jìn)電機控制驅(qū)動器。步進(jìn)電機控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也減低了成本。基于單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器，具有相應(yīng)快，控制方便可靠等一系列優(yōu)點，在機電一體化、數(shù)模轉(zhuǎn)換

30、裝置、計算機外圍設(shè)備中得到廣泛地應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。7.結(jié)束語通過這次課題設(shè)計，經(jīng)過自己動手查找資料，修改程序，自己動手畫原理圖，仿真圖，并進(jìn)行仿真和修改。然后通過添加元器件封裝，和對原理圖布線。我對單片機知識有了更進(jìn)一步的了解和學(xué)習(xí)，進(jìn)一步鞏固了自己的知識。這次課題設(shè)計確實學(xué)的了許多，也收獲了許多。感謝老師，在這次課題設(shè)計期間給予我的幫助與耐心講解，也感謝老師給了我們這樣一個機會。開始 初始化 K1=1 ？ Y N 延時去抖K1仍然=1 ？ N Y加速 圖5.2程序流圖參考文獻(xiàn)1 李建忠，單片機原理及應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社,2008年2月第2版:32-52,244-2772 楊天明，電機與拖動，高等教育出版社 M.2013年5月：45-513 徐君鵬 ，單片機實驗指導(dǎo). 河南科技學(xué)院機電學(xué)院 J,28-47.4 石磊 張國強，Altium Designer 電路設(shè)計，清華大學(xué)出版社M .2009年11月：23-355 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ) ，高等教育出版社, 2005年7月第5版：56-65 5孫笑輝,韓曾晉. 減少感應(yīng)電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動的方法J. 電氣傳動, 2008: 8-21附件1： C語言程序#include<reg51.h>#define uint unsigned intsbit zz