1、總課程設(shè)計報告題 目：步進(jìn)電機(jī)的控制專 業(yè)：電子信息工程年 級： 2010級學(xué) 號： 學(xué)生姓名：張?zhí)旃鹇?lián)系電話： 指導(dǎo)老師：黃杰完成日期：2013 年 12 月 20 日步進(jìn)電機(jī)的控制 摘 要 利用8051單片機(jī)STC89C51，集成芯片ULN2003以及電阻晶振等集成元件和分立元件，制作簡易智能化的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于8051單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)測試，系統(tǒng)達(dá)到四相步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停，測速以及顯示速度等級等功能的要求，具有精度高、體積小、控制方便靈活的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：8051單片機(jī)；ULN2003；四相步進(jìn)電機(jī)ABSTRACTUsing 8051 microcontr

2、oller STC89C51, integrated chip ULN2003 resistance as well as integrated components such as crystals and discrete component, to make simple intelligent stepper motor control system, the implementation is based on 8051 single chip microcomputer of four phase stepper motor open-loop control system. Af

3、ter testing, the system achieve four phase stepper motor and reversing, stop, speed measuring and display speed level functions such as requirement, with high accuracy, the advantages of small volume, convenient control and flexible.Key Words:8051 single chip microcomputer; ULN2003; Four phase stepp

4、er motor.目錄摘 要IABSTRACTII1 設(shè)計要求及方案選擇11.1設(shè)計要求11.2方案選擇12 理論分析與設(shè)計32.1步進(jìn)電機(jī)原理及控制32.2 設(shè)計原理分析62.3 方案論證93電路設(shè)計93.1 硬件電路的設(shè)計93.2 軟件的設(shè)計144 系統(tǒng)測試214.1調(diào)試所用的基本儀器清單214.2調(diào)試結(jié)果與分析215 總結(jié)22參考文獻(xiàn)23附錄23PCB圖23實(shí)物圖241 設(shè)計要求及方案選擇1.1設(shè)計要求（1）查閱資料，了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理；（2）通過單片機(jī)給步數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動；（3）通過按鈕可控制啟停及正反轉(zhuǎn)； （4）測量步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；（5）所用到的電路板必須有作者的名字和學(xué)號。1.

5、2方案選擇1.2.1 步進(jìn)電機(jī)控制方案方案一：基于電子電路的控制步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如圖1-1所示。脈沖控制器環(huán)形分配器功 動 率 電 放 路大 驅(qū) 步進(jìn)電機(jī)圖1-1基于電子電路控制系統(tǒng)此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計簡單

6、，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自動給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計，因此靈活性不高。方案二：基于PLC的控制PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機(jī)。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有PLC

7、、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)大于4時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動電路將PLC輸出的控

8、制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。方案三：基于單片機(jī)的控制采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口

9、線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。本方案有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電

10、路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性5?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計采用基于單片機(jī)的控制方案。1.2.2 基于單片機(jī)的部機(jī)電機(jī)控制的方案單片機(jī)的選擇方案一：采用零陽單片機(jī)。特點(diǎn)：體積小，集成度搞可靠性好易于擴(kuò)展，采用COMS制造工藝，功耗低，工作電壓范圍大，但是它的價格昂貴，不利于提高作品的性價比。方案二：采用51系列的單片機(jī)。51系列的單片機(jī)應(yīng)用很廣泛，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，易于使用的優(yōu)點(diǎn)。由于此次對單片機(jī)的要求不高，所以采用51單片機(jī)。驅(qū)動電路的選擇方案一：使用達(dá)林頓驅(qū)動芯片ULN2003，2003為極電極開路驅(qū)動芯片，能驅(qū)動4相步進(jìn)電機(jī)，價格低廉。方案二：使用驅(qū)動

11、芯片L298，L298為H橋驅(qū)動芯片，可以為負(fù)載提供雙向的電流。簡單方便，但是相應(yīng)的成本增加了。綜合本設(shè)計的需求，在滿足本設(shè)計的要求下，選用方案一較為經(jīng)濟(jì)。顯示電路選擇方案一：采用LCD液晶顯示，LCD液晶顯示具有方便，美觀，顯示信息量大的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是成本高。方案二：采用LED數(shù)碼管顯示，數(shù)碼貢獻(xiàn)是在硬件連接方面顯得較為復(fù)雜，在不同的場合下配合使用的芯片不同。相對于LCD液晶顯示來說，LED在成本方面較為優(yōu)勢。2 理論分析與設(shè)計2.1步進(jìn)電機(jī)原理及控制 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備-步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器，典型步進(jìn)電機(jī)控

12、制系統(tǒng)如圖2-1所示：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的各項(xiàng)輸入端，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機(jī)軟件設(shè)計的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的目的，步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個方面。從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本

13、原理如下：（1） 換相順序的控制通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式下，其各相通電順序?yàn)锳BCA，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。三相雙三拍的通電順序?yàn)锳BBCCAAB，三相六拍的通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA。（2） 步進(jìn)電機(jī)的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵磁方式為三相六拍，即AABBBCCCAA。如果按反序通電換相，即AACCCBBBAA，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。（3） 步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)

14、得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。（4） 步進(jìn)電機(jī)的起停控制步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時會有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動平滑，減小振動，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時，為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。（5） 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號的變化，這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動時，必須有加速過程，在停止時波形有

15、減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個降速過程頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過程的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動頻率f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動

16、頻率（突跳頻率）一般為0.1KHz到34KHz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102KHz，以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動，會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。f/Hzfa fb0t/s圖2-1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中頻率變化曲線在一般的應(yīng)用中，經(jīng)過大量實(shí)踐和反復(fù)驗(yàn)證，頻率如按直線上升或下降，控制效果就可以滿足常規(guī)的應(yīng)用要求。用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加P減速控制，實(shí)踐上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時，使脈沖頻率增高，減速則相反。如果使用定時器來控制電機(jī)的速度，加減速控制就是不斷改變定時中斷的設(shè)定值。速度從v1v2變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加P減速；如果是突變，則按階梯加速處理。在此過程中要處理好兩個問題

17、：速度轉(zhuǎn)換時間應(yīng)盡量短。為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時初始表。通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時初值，就可控制電機(jī)的運(yùn)行。定時初值的計算是在定時中斷外實(shí)現(xiàn)的，并不占用中斷時間，保證電機(jī)的高速運(yùn)行。保證控制速度的精確性。要從一個速度準(zhǔn)確達(dá)到另一個速度，就要建立一個校驗(yàn)機(jī)制，以防超過或未達(dá)到所需速度。（6） 步進(jìn)電機(jī)的換向控制步進(jìn)電機(jī)換向時，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個脈

18、沖前發(fā)出。對于脈沖的設(shè)計主要要求其有一定的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了降速換向加速3個過程。2.2 設(shè)計原理分析2.2.1 元器件介紹（1）步進(jìn)電機(jī)3 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB)，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動

19、的執(zhí)行89C51單片機(jī)復(fù)位電路鍵盤控制電路ULN2003啟動電路步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)顯示電路電源及時鐘電路圖2-2 總體設(shè)計方框圖元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實(shí)現(xiàn)精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 該設(shè)計采用了20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的

20、時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。當(dāng)某一相繞組通電時，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)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(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍運(yùn)行方式即AABBBCCCDDDAA。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)

21、子齒角運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機(jī)為例。四相運(yùn)行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度，八拍運(yùn)行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(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）。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)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(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 目前，對步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散

22、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(jī)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(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。本設(shè)計的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)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(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)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(jī)允許的范圍內(nèi).（2） 89C51單片機(jī)2 Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓高性能的8位

23、單片機(jī)，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(jī)是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。2.3 方案論證從該系統(tǒng)的設(shè)計 要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線盒一根啟動信號線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān)。這里選四相步

24、進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以與單片機(jī)共用一個電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組用P1口的P1.0P1.3控制，由于P1口驅(qū)動能力不夠，因而用一片2003增加驅(qū)動能力。用P0口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉(zhuǎn)，用P2口控制第二個數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)速等級。數(shù)碼管采用共陽的。3電路設(shè)計3.1 硬件電路的設(shè)計 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(jī)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(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路主要是對單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。（1）控

25、制電路根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動控制，換向控制，加速控制和減速控制按鈕，分別是K1、K2、S2、S3，控制電路如圖3-1所示。通過K1、K2狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動和換向功能。當(dāng)K1、K2的狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測P1.0和P1.1的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動和正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于單片機(jī)而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷來實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過S2、S3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按

26、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(jī)的輸出脈沖頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖3-1 控制電路原理圖（2）最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤，單片機(jī)的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需4個鍵對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對控制功能的擴(kuò)展，使用了6路獨(dú)立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用30PF的電容和一12M晶體振蕩器組成為整個電路

27、提供時鐘頻率。如圖3-2示。晶振電路：8051單片機(jī)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XTAL1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(jī)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5示。其電容值一般在530pf,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(shí)用電路實(shí)用較多。圖3-2復(fù)位及時鐘振蕩電路（3）驅(qū)動電路通過ULN2003構(gòu)成比較多的驅(qū)動電路，電路圖如圖3-3所示。通過單片機(jī)的P1.0P1.3

28、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(jī)的A、B、C、D相。圖3-3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路（4）顯示電路在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級分為七級，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級，這里設(shè)計了電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)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(jī)的P0口和P2口。采用兩個共陽數(shù)碼管作顯示。第一個數(shù)碼管接的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P0.0P0.7口，用于顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時顯示“1”，反轉(zhuǎn)時顯示“一”，不轉(zhuǎn)時顯示“0”。第二個數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0P2.

29、7口，用于顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級別，共七級，即從17轉(zhuǎn)速依次遞增，“0”表示轉(zhuǎn)速為零。電路如圖3-4所示。圖3-4 顯示電路（5）總體電路圖 把各個部分的電路圖組合成總電路圖，如圖3-5所示。圖3-5總體電路圖3.2軟件的設(shè)計3.2.1 程序分析通過分析可以看出，實(shí)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，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

30、步進(jìn)電機(jī)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。（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(jī)的啟動速度，對方向值存儲區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為0，就意味著步進(jìn)電機(jī)按四相單四拍運(yùn)行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“0”，速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖

31、3-6所示。開 始初 始 化速度值為0？啟動開關(guān)為0？停止計時器顯 示啟動計時器延 時停止計時器圖3-6 主程序流程圖YNYN（2）定時中斷設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動主要是給電機(jī)各繞組按一定的時間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進(jìn)電機(jī)才會旋轉(zhuǎn)，時間間隔越短，速度就越快。在這個系統(tǒng)中，這個時間間隔是用定時器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時間間隔就是調(diào)節(jié)定時器的中斷次數(shù)，因而在定時器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向、發(fā)下一個脈沖，以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖3-7所示。中斷返回T0中斷入口發(fā)速度脈沖讀方向指示重送相關(guān)狀態(tài)恢復(fù)現(xiàn)場保護(hù)現(xiàn)場中斷次數(shù)-1=0？NY圖3-7 定時中斷程序流

32、程圖（3）外部中斷設(shè)計 外部中斷所要完成的工作是根據(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(jī)的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕S2為INT0中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于7時，不改變原數(shù)值返回，小于7時，數(shù)據(jù)加1后返回；速度減少按鈕S3，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為0，減1保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為0則保持不變。程序流程圖如圖3-8所示。外部中斷入口保護(hù)現(xiàn)場延時去抖中斷返回速度值1恢復(fù)現(xiàn)場速度=上或限值？按鈕是否彈起？NNNYY圖3-8 外部中斷程序流程圖4 系統(tǒng)測試4.1調(diào)試所用的基本儀器清單調(diào)試工具：5V直流電源，萬用表，調(diào)試輔助軟件：KEIL，Proteus4.2調(diào)試