1、目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 摘要2一、系統(tǒng)方案31、元件介紹3二、實驗原理41、 步進電機原理4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 三相六拍環(huán)形脈搏沖分配器5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 三、源程序13 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 四、結果分析與總結15 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 五、主要參

2、考資料16摘要本次課程設計主要基于試驗臺的步進電機控制的設計。主要使用 AT89C51芯片以及ULN2003驅動芯片等來驅動步進電機，主要通過脈 沖的輸入順序來控制步進電機的正反轉，通過延時來控制步進電機的 轉速，軟件部分采用了匯編語言編寫程序代碼，通過判斷，跳轉， 循環(huán)，延時等基本技術實現(xiàn)，通過按鍵控制實現(xiàn)了電機的正反轉以及 三個速度調節(jié)檔。關鍵詞：Keil 步進電機 AT89C51 ULN2003系統(tǒng)方案1、元件介紹本實驗用到了 AT89C51.ULN2003、步進電機等主要芯片。實驗的 主要過程是通過按鍵的掃描和串口程序的輸入，根據輸入值的不同來 設置不同的數(shù)值。然后通過8255輸出不同

3、的電壓來控制步進電機的 轉速通過8253設置延時中斷，以每一步中間的延時來控制轉動速度。 LED模塊的功能是顯示步進電機的速度。此次試驗主要分為軟件設計和硬件設計兩方面來實施，在掌握步 進電機的原理之上來了解硬件電路，再通過匯編語言的編程和串口的 功能擴展實現(xiàn)外部串口的軟件通信。2、流程圖如圖1所示、結束圖1、試驗流程圖二、實驗原理1、步進電機原理電機是工業(yè)過程控制及儀表中常用的控制元件之一，例如在機械 裝置中可以用絲杠把角度變?yōu)橹本€位移，也可以用步進電機帶螺旋電 位器，調節(jié)電壓或電流，從而實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制。步進電機可以 直接接收數(shù)字信號，不必進行數(shù)模轉換，用起來非常方便。步進電機 還具有

4、快速啟停、精確步進和定位等特點，因而在數(shù)控機床、繪圖儀、 打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。步進電機實際上是一個數(shù)字/角度轉換器，三相步進電機的結構 原理如圖所示。從圖中可以看出，電機的定子上有六個等分磁極，A、 A、B、B、C、C ，相鄰的兩個磁極之間夾角為60，相對的 兩個磁極組成一相（A-A，B-B，C-C），當某一繞組有電流通過 時，該繞組相應的兩個磁極形成N極和S極，每個磁極上各有五個均 勻分布矩形小齒，電機的轉子上有40個矩形小齒均勻地分布的圓周 上，相鄰兩個齒之間夾角為9。當某一相繞組通電時，對應的磁極就產生磁場，并與轉子形成磁 路，如果這時定子的小齒和轉子的小齒沒有對齊，則在

5、磁場的作用下， 轉子將轉動一定的角度，使轉子和定子的齒相互對齊。由此可見，錯 齒是促使步進電機旋轉的原因。例如在三相三拍控制方式中，若A相通電，B、C相都不通電，在磁場作用下使轉子齒和A相的定子齒對齊，我們以此作為初始狀態(tài)。設 與A相磁極中心線對齊的轉子的齒為0號齒，由于B相磁極與A相磁 極相差120，不是9。的整數(shù)倍(1209=40/3),所以此時轉子齒 沒有與B相定子的齒對癖，方是第賦號淅齒靠近說相磁極的中心線， 與中心線相差3,如果此時突然變?yōu)锽相通電：A、C相不通電，則 B相磁極迫使雁號轉子齒與之對齊，轉子就轉動這樣使電機轉 了一步。如果按照ABT的順序輪流通電一周，則轉于將動9。 步

6、進電機的運轉是由脈沖信號控制的，傳統(tǒng)方法是采用數(shù)字邏輯電路 -環(huán)形脈沖分配器控制步進電機的步進。下圖為環(huán)形脈搏沖分配器 的簡化框圖。 質l_t ljlA AB 0 HC D CA A三相六拍環(huán)形脈搏沖分配器運轉方向控制。如圖所示，步進電機以三相六拍方式工作，若按 AABBBCCCAA次序通電為正轉，則當按AACCCBB BAA次序通電為反轉。運轉速度的控制。圖中可以看出，當改變CP脈沖的周期時，ABC 三相繞組高低電平的寬度將發(fā)生變化，這就導至通電和斷電時速率發(fā) 生了變化，使電機轉速改變，所以調節(jié)CP脈沖的周期就可以控制步 進電機的運轉速度。旋轉的角度控制。因為每輸入一個CP脈沖使步進電機三相

7、繞組狀 態(tài)變化一次，并相應地旋轉一個角度，所以步進電機旋轉的角度由輸 入的CP脈沖數(shù)確定。超想一3000 TB實驗儀選用的是20BY-0型4相步進電機，其工作 電壓為4.5V,在雙四拍運行方式時 其步距角為18O，相直流電阻為 55Q,最大靜電流為80Ma。采用8031單片機控制步進電機的運轉， 按四相四拍方式在P1 口輸出控制代碼，令其正轉或反轉。因此P1 口輸出代碼的變化周期T控制了電機的運轉速度：n=60/T.N 式中：n 一步進電機的轉速（轉/分）；N 一一步進電機旋轉一周需輸出的字節(jié)數(shù)；T 代碼字節(jié)的輸出變化周期。設N=360 / 18 =20, T=1.43ms,則步進電機的轉速為

8、2100轉/ 分?？刂芇1 口輸出的代碼字節(jié)個數(shù)即控制了步進電機的旋轉角度。正方向:反方向: A B K D hA D B h步進電動機有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相 同，必須以脈沖電流來驅動。若每旋轉一圈以20個勵磁信號來計算， 則每個勵磁信號前進18度，其旋轉角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉 可由脈沖順序來控制。步進電動機的勵磁方式可分為全部勵磁及半步勵磁，其中全步勵 磁又有1相勵磁及2相勵磁之分，而半步勵磁又稱1-2相勵磁。圖為 步進電動機的控制等效電路，適應控制A、B、/A、/B的勵磁信號， 即可控制步進電動機的轉動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機只走 一步。因此，依序不斷

9、送出脈沖信號，即可步進電動機連續(xù)轉動。相勵磁法：在每一瞬間只有一個線圈導通。消耗電力小，精確度 良好，但轉矩小，振動較大，每送一勵磁信號可走18度。若欲以1 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反 向傳送，則步進電動機反轉。勵磁順序： ABC DASTEPABCD11000201003001040001相勵磁法：在每一瞬間會有二個線圈同時導通。因其轉矩大，振 動小，故為目前使用最多的勵磁方式，每送一勵磁信號可走18度。 若以2相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖所示。若勵磁 信號反向傳送，則步進電動機反轉。勵磁順序：ABBCCDDAABSTEPABCD1110020

10、1103001141001相勵磁法：為1相與2相輪流交替導通。因分辨率提高，且運轉 平滑，每送一勵磁信號可走9度，故亦廣泛被采用。若以1相勵磁法 控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送， 則步進電動機反轉。勵磁順序：AABBBCC CDDDAASTEPABCD1100021100300104011050010600117000181001電動機的負載轉矩與速度成反比，速度愈快負載轉矩愈小，當速 度快至其極限時，步進電動機即不再運轉。所以在每走一步后，程序 必須延時一段時間。本實驗需要用到CPU模塊康3區(qū)）和步進電機模塊您7區(qū)）。步進電機電路原理參見圖2。丁圖2步進電機電路步

11、進電機是將給定的電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控 制元件。給定一個電脈沖信號，步進電機轉子就轉過相應的角度，這個角 度就稱作該步進電機的步距角。目前常用步進電機的步距角大多為 1.8度（俗稱一步）或0.9度（俗稱半步）。以步距角為0.9度的進 步電機來說，當我們給步進電機一個電脈沖信號，步進電機就轉過 0.9度；給兩個脈沖信號，步進電機就轉過1.8度。以此類推，連續(xù) 給定脈沖信號，步進電機就可以連續(xù)運轉。由于電脈沖信號與步進電 機轉角存在的這種線性關系，使得步進電機在速度控制、位置控制等 方面得到了廣泛的應用。步進電機的使用至少需要三個方面的配合，一是電脈沖信號發(fā)生 器，它按照給定的設置

12、重復為步進電機輸送電脈沖信號，目前這種信 號大多數(shù)由可編程控制器或單片機來完成；二是驅動器（信號放大 器），它除了對電脈沖信號進行放大、驅動步進電機轉動以外，還可 以通過它改善步進電機的使用性能，事實上它在步進電機系統(tǒng)中起著 重要的作用，一般一種步進電機可以根據不同的工況具有多種驅動 器；三是步進電機，它有多種控制原理和型號，現(xiàn)在常用的有反應式、 感應子式、混合式等。步進電機的速度控制是通過輸入的脈沖頻率快慢實現(xiàn)的。當發(fā)生 脈沖的頻率減小時，步進電機的速度就下降；當頻率增加時，速度就 加快。還可以通過頻率的改變而提高步進電機的速度或位置精 度。步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數(shù)量控制的。給定一

13、個脈 沖，轉過一個步距角，當停止的位置確定以后，也就決定了步進電機 需要給定的脈沖數(shù)。在包裝機控制中，給定脈沖數(shù)的多少，還與機構 的參數(shù)有關，例如螺桿的直徑等。在包裝機械中，很多情況下需要控制執(zhí)行機構的運行速度和運行 位置，以前都是通過機械或其它方式來完成的，機構復雜、調節(jié)不易。 改用步進電機后，不僅能使包裝機械結構變得簡單、調節(jié)方便可靠性增加，而且粗度會得到很大提試驗電路及連線步進電機的驅動電壓輸入接J10的VB腳；步進電機的A、B、C、 D四相輸入接J10的A、B、C、D腳。步進電機有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同， 必須以脈沖電流來驅動。若每旋轉一圈以20個勵磁信號來計算

14、，則 每個勵磁信號前進18，其旋轉角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉可 由脈沖順序來控制。步進電動機的勵磁方式可分為全步勵磁及半步勵磁，其中全步勵 磁又有1相勵磁及2相勵磁之分，二半步勵磁又稱1-2相勵磁。圖 5-1為步進電機的控制等效電路，適應控制A、B、/A、/B的勵磁信 號，即可控制步進電動機的轉動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機 只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號，即可使步進電動機連續(xù)轉 動。相勵磁法：在每一瞬間只有一個線圈導通。消耗電力小，精確度 良好，但轉矩小，振動較大，每送一勵磁信號可走18。若欲以1 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如表5-1所示。若勵磁信 號反向傳送，則步進

15、電動機反轉。表5-1以1相勵磁法控制步進電動機正轉的勵磁順序勵磁順序：Af Bf CDf ASTEPABCD11000201003001040001b. 2相勵磁法：在每一瞬間有兩個線圈同時導通。因其轉矩大，振動小，故為目前使用最多的勵磁方式，每送一勵磁信號可走18。若以2相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如表5-2所示。若 勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。勵磁順序：f ABAB f BC f CD f DASTEPABCD11100201103001141001表5-2以2相勵磁法控制步進電動機正轉的勵磁順序 c. 1-2相勵磁法：為1相與2相輪流交替導通。因分辨率提高，且 運轉平滑

16、，每送一勵磁信號可走9，故亦被廣泛采用。若以1 -2相 勵磁法控制步進電機正轉，其勵磁順序如表5-3所示，若勵磁信號反 向傳送，則步進電動機反轉。表5-3以1-2相勵磁法控制步進電動機正轉的勵磁順序 勵磁順序：AfABf BfBCfCfCDfDf DAf ASTEPABCD1100021100301004011050010600117000181001電動機的負載轉矩與速度成反比，速度越快負載轉矩越小，當速 度快至其極限時，步進電動機即不再運轉。所以在每走一步后，程序 必須延時一段時間。本實驗需要用到CPU模塊康3區(qū)）和步進電機模塊您7區(qū)）。步 進電機電路原理參見圖3R.PIAU12A4678

17、9I I679荃41AVCC2AIY3A2Y4A3Y5A4Y6A5YGND6Y74LS142XA4XBxExcgXD10-r127VCC 14T1CKINIOUT1IN2OUT2IN3OUT3IN4OUT4IN5OUT5IN6OUTSIN7OUT?GNDCOMUI3AIXN200316Ar15B114Cr A13D121 1109VCCVCCMO 丁曰 ELEDI IA1 D5LED KIA4c32LED9a1BLEDKAJVCCARP2A圖3步進電機電路3、數(shù)碼顯示數(shù)碼管中的每一段相當于一個發(fā)光二極管，8段數(shù)碼管則具有8 個發(fā)光二極管。對于“共陽極”的數(shù)碼管，內部每個發(fā)光二極管的陽 極被接在

18、一起，成為該各段的公共選通線；發(fā)光二極管的陰極則成為 段選線。對于“共陰極”數(shù)碼管，則正好相反， 內部發(fā)光二極管的陰極接在一起，陽極成為段二選線。這兩種數(shù)碼管的驅動方式是不同的。當f 需要點亮“共陽極”數(shù)碼管的一段時，公共段 需接高電平（即寫邏輯1）、該段的段選線接低 巳 電平（即寫邏輯0），從而該段被點亮。當需要,如點亮“共陰極”數(shù)碼管的一段時，公共段需接d低電平（即寫邏輯0）、該段的段選線接高電平（即寫邏輯1），該段被點亮。數(shù)碼管的段位順序如右圖所示：一般來說在一個字節(jié)中按照abcdefg dp的順序放置字型碼，比如在一個“共陰極”數(shù)碼管上要顯示1 ”， 則b、c段需被點亮，因此在段選線中

19、寫A60H。例如使用P0 口接段 選線，則使用下面的語句即可點亮數(shù)碼管：MOV P0，#06H TOC o 1-5 h z 對應規(guī)則: aD7bD6cD5dD4eD3fD2gD1dpD0 多位數(shù)碼管的顯示在多位8段數(shù)碼管顯示時，為了簡化硬件電路，通常將所有位的 段選線相應地并聯(lián)在一起，由一個單片機的8位I/O 口控制，形成段 選線的多路復用。而各位數(shù)碼管的共陽極或共陰極分別由單片機獨立 的I/O 口線控制，順序循環(huán)地點亮每位數(shù)碼管，這樣的數(shù)碼管驅動方 式就稱為“動態(tài)掃描”。在這種方式中，雖然每一時刻只選通一位數(shù) 碼管，但由于人眼具有一定的“視覺殘留”，只要延時時間設置恰當， 便會感覺到多位數(shù)碼

20、管同時被點亮了。8位8段LED動態(tài)顯示器電原理圖如圖2-1所示。復M的段選續(xù)-HE的花選01縷圖2-1 8位8段LED動態(tài)顯示器電原理圖圖2-1所示為一個8位8段LED動態(tài)顯示器電路原理圖。其中段選線 占用一個8位I/O 口，位選線占用一個8位I/O 口，由于各位的段選 線并聯(lián)，段線碼的輸出對各位來說都是相同的。因此，同一時刻，如 果各位位選線都處于選通狀態(tài)的話，8位LED將顯示相同的字符。若 要各位LED能夠顯示出與本位相應的顯示字符，就必須采用掃描顯示 方式，即在某一位的位選線處于選通狀態(tài)時，其它各位的位選線處于 關閉狀態(tài)，這樣，8位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其它 位則是熄滅的

21、。同樣，在下一時刻，只讓下一位的位選線處于選通狀 態(tài)，而其他的位選線處于關閉狀態(tài)。如此循環(huán)下去，就可以使各位“同 時”顯示出將要顯示的字符。由于人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位顯 示間隔足夠短，則可造成多位同時亮的假象，達到顯示的目的。三、源程序；功能：開關控制步進電機的正轉、反轉、停止以及速度的調節(jié)。；接線：用導線對應連接步進電機模塊的SMASMD到CPU模塊的 P10P13,；八位邏輯電平輸出的K0K3對應連接CPU模塊的P2.0P2.3，K4 對應連接P2.6,K5對應連接P2.7。; 個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個個

22、個個個4* 4* 4* 4* 4* 4* 4* 4*個*ORG0000STOP:ORLP1, #00H步進電機停止LOOP:MOVP1, #00HJBP2.0,FOR;如果p2.0按下正轉JBP2.1,REV;如果p2.1按下反轉JBP2.2,STOP;如果p2.2按下停止JMPLOOP;反復監(jiān)測鍵盤FOR:MOVR0, #00H;正轉到tab取碼指針初值FOR1:MOVA,R0取碼MOVDPTR,#TABLEMOVCA,A+DPTRJZFOR;是否到了結束碼00hCPLA;把acc反向MOVP1,A;輸出到P1開始正轉JBP2.2,STOP;如果p2.2按下停止JBP2.1,REV;如果p2.1按下反轉JBP2.0,FOR如果p2.0按下正轉CALLDELAY;轉動的速度INCR0取下一個碼JMPFOR1;繼續(xù)正轉REV:MOVR0,#05H;反轉到tab取碼指針初值REV1: MOVA,R0MOVDPTR,#TABLE取碼MOVCA,A+DPTRJ