基于单片机步进电机控制系统设计

中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第1页共26页1引言步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单1。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电动机有如下特点1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。国内控制器的研究起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距2。而目前国内已有的步进电机驱动器，一般采用高低压驱动方式或者调频调压驱动方式，这些驱动电路仅可实现基本步距的运行，电路构成复杂，而且多由分立元件组成，可靠性不高,还存在运行速度低、缺乏保护电路、驱动效率低和发热损耗大等缺点。随着微电子技术的发展，出现了集成化的驱动电路，但由于我国在电子材料与元器件、系统集成中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第2页共26页技术等基础工业水平和相关前沿领域与国际水平差距较大，所以步进电机驱动芯片主要依靠进口。而且，现有的许多步进电机驱动芯片，大多仅提供整步、半步控制选择，步进电机的运行性能并没有太大的提高。而且价格也比较贵。本文主要介绍了步进电机以及其控制驱动电路的研究现状与发展趋势，研究了一种用单片机制作的步进电机的控制驱动电路，使其能够进行速度和正反转控制，经实验证明效果良好且可以驱动不同功率的步进电机。电路结构简单，成本也非常低，有较好的应用价值4。11课题研究的背景和意义步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中1。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用5。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度3。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态4。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为100的特点，广泛应用于各种开环控制8。本设计所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第3页共26页12本课题的研究现状步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用AT89C51型单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转的功能。目前，布进电机在工业控制生产以及仪器上应用十分广泛。通常都要对一些机械部件平移和转动，对移动的位移和角度控制要求较高，一般的电机很难实现对位置和角度的精确控制，在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片控制器及信号发生器来控制有一定的局限性。而用单片机控制步进电机可以改善性能，步进电机能实现精确的角度和转数，具有良好的步进特性，最适合数字控制。在工控设备中得到了广泛的应用。而单片机具有芯片体积小，兼容性强，低电压，低功耗等特点，使单片机成为驱动布进电机的最佳单元，所以单片机控制步进电机系统控制精度高，运行稳定，得以广泛应用10。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第4页共26页2步进电机简介21步进电机介绍211步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制23。本次毕业设计采用的是步距角为18度的四相八拍永磁式步进电机。步进电机的基本参数（一）步进电机的静态指标术语1、相数产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用M表示。2、拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用N表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍运行方式即AABBBCCCDDDAA3、步距角对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。360度（转子齿数运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为360度/（504）18度（俗称整步），八拍运行时步距角为360度/（508）09度（俗称半步）。4、定位转矩电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）5、静转矩电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第5页共26页隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音12。（二）步进电机动态指标及术语1、步距角精度步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示误差/步距角100。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5之内，八拍运行时应在15以内。2、失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步3、失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、电机的共振点步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180250PPS之间（步距角18度）或在400PPS左右（步距角为09度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8、电机正反转控制当电机绕组通电时序为AABBBCCCDDDA时为正转，通电时序为DADCDCBCBABA时为反转。步进电机的特征如下中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第6页共26页1、一般步进电机的精度为步进角的35，且不积累。2、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏8090度完全正常。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用15。212步进电机的工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率F成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图211是该四相反应式步进电机工作原理示意图。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第7页共26页图211四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图212所示脉冲A相B相C相D相图212步进电机工作时序波形图213步进电机的分类与选择现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为15度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第8页共26页永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为75度或15度。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相两相步进角一般为18度而五相步进角一般为072度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有036度/072度（五相电机）、09度/18度（二、四相电机）、15度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的23倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第9页共26页PM2N/60P2NM/60（1）其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，N为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P2FM/400半步工作）（2）其中F为每秒脉冲数（简称PPS）22步进电机驱动系统介绍221步进电机驱动系统简介步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行24。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第10页共26页3单片机简介31单片机概述单片机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。311AT89C205151简介89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。95年出现在中国市场。其主要特点为采用FLASH存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。1引脚89C2051共有20条引脚，详见图31从图中可见，2051继承了8031最重要引脚P1口共8脚，准双向端口。P30P36共7脚，准双向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P30、P31的串行通讯功能，P32、P33的中断输入功能，P34、P35的定时器输入功能。在引脚的驱动能力上面，89C2051具有很强的下拉能力，P1,P3口的下拉能力均可达到20MA相比之下，89C51/87C51的端口下拉能力每脚最大为15MA。但是限定9脚电流之和小于71MA这样，引脚的平均电流只9MA。89C2051驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管。为了增加对模拟量的输入功能，2051在内部构造了一个模拟信号比较器，其输入端连到P10和P11口，比较结果存入P36对应寄存器，（P36在2051外部无引脚）对于一些不大复杂的控制电路我们就可以增加少量元件来实现，例如，对步进电机的控制，过压的控制等。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第11页共26页图3189C2051引脚图2电源89C2051有很宽的工作电源电压，可为276V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。89C2051工作于12HZ时，动态电流为55MA，空闲态为1MA,掉电态仅为20NA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。3存储器89C2051片内含有2K字节的FLASH程序存储器，128字节的片内RAM,与80C31内部完全类似。由于2051内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为020MHZ,也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为35MHZ，因为其内部的RAM是动态刷新的。89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR一类的引脚。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第12页共26页4内部I/O控制89C2051在内部I/O控制上继承了MCS51的特性5路2级优待中断，串等口。2路定时器/计数器，内部组成参见图32图32内部I/O控制电路图中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第13页共26页4系统整体硬件结构系统总体工作原理框图如图41所示。本系统主要由按键电路、单片机最小系统、AT89C2051单片机、步进电机电机电路、驱动电路以及步进电机等几部分组成驱动电路可以采用FT5754芯片来实现,芯片内部有四组3A、5W、100V的PNP达林斯顿电路及4个二极管,输出4个管脚11,分别与步进电机的四相绕组向连接但考虑到所采用的步进电机功率和额定电流都较小,以及经济性方面,本设计直接采用4个NPN型三极管来作为驱动电路步进电机的控制主要通过5个按键来实现,这5个按键分别表示“正转”、“反转”、“加速”、“减速”和“停止”单片机输出四路脉冲信号触发驱动电路的4个NPN型三极管,其中触发导通的三极管可驱动步进电机的相应绕组得电,即步进电机获得脉冲,而产生一定的角位移单片机循序不断的输出时序脉冲,就可以实现步进电机的旋转了总体设计原理见图31所示图41系统总体工作原理框图41系统原理图系统原理图如图42所示，AT89C2051将控制脉冲从P1口的P14P17输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选按键控制部分最小单片机系统89C2051单片机步进电机状态显示电路步进电机驱动电路步进电机中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第14页共26页用频率22MHZ的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。图中的RL1RL4为绕组内阻，50电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D1D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。在50外接电阻上并联一个200F电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，起到提高高频工作性能的作用。图42系统原理图42AT89S51单片机及其最小系统ATMEL公司的生产的89C2051单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机,它中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第15页共26页采用CMOS和高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容单片机最小系统包括振荡电路和复位电路两部分,振荡电路采用12M晶振,这样一个机器周期T12FOSC1212M1S复位电路采用手动复位,当按下RESET按键,电阻R1、R2接通5V电源,此时R2分得电压大约为4V,为高电平,即置单片机RST脚为高电平,单片机复位。43按键电路采用5个按键用来控制步进电机的5种状态,即“正转”、“反转”、“加速”、“减速”和“停止”当按下其中一个按键时,电源通过上拉电阻和按键到地形成通路,使相应输入管脚接地,即给单片机送入一个低电平,此低电平即为有效电平其电路如图33所示。图43按键部分电路44步进电机状态显示电路状态指示采用3种颜色的发光二极管,“绿色”、“黄色”和“红色”分别表示步进电机的“正转”、“反转”和“停止”状态限流电阻选择1K的电阻,使发光二极管的电压降为3V左右。45步进电机驱动电路中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第16页共26页从单片机输出4路脉冲信号,经过非门和限流电阻,送到4个NPN型三极管的基极。如果从单片机输出的是高电平,经过非门变成低电平,送入三极管,使三极管截止如果从单片机输出的是低电平,经过非门变成高电平,此高电平使三极管导通。步进电机的每相绕组并上一个二极管,目的是防止在三极管瞬间截止时,绕组电感所产生很高的感应电动势击穿三极管。非门采用74LS04芯片,其内部共有6个独立的非门,这里只用了其中的4个。驱动电路如图45所示。图45驱动电路图中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第17页共26页5系统软件设计该驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择方式1为中断方式P35INT1为步进脉冲输入端，P37为正反转脉冲输入端。上位机（PC机或单片机）与驱动器仅以2条线相连。方式2为串行通讯方式上位机（PC机或单片机）将控制命令发送给驱动器，驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。方式3为拨码开关控制方式通过K1K5的不同组合，直接控制步进电机。当上电或按下复位键KR后，AT89C2051先检测拨码开关KX、KY的状态，根据KX、KY的不同组合，进入不同的工作方式。以下给出方式1的程序流程框图与源程序。在程序的编制中，要特别注意步进电机在换向时的处理。为使步进电机在换向时能平滑过渡，不至于产生错步，应在每一步中设置标志位。其中20H单元的各位为步进电机正转标志位；21H单元各位为反转标志位。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值；在反转时也如此。这样，当步进电机换向时，就可以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第18页共26页设计结论通过本次毕业设计我学习了单片机、步进电机等相关知识。本次设计要求是通过单片机控制步进电机，其原理是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调速。具体的延时时间可以通过软件来实现。本次毕业设计能够实现步进电机的启停、正反转以及速度的调节，通过本次毕业设计加强了我对软件编程和硬件设计的掌握，并且熟悉了89C2051等芯片。步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等，所以说步进电机有着广阔的市场和远大的发展前景。中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第19页共26页附录A图51程序流程框图开始正反转位置标志置初值正反转指针置初值计数器T1初始化开中断启动计数器T1等待中断INT1中断入口检测正反转指检测位置标志P1口送数置新位置标志中断返回中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第20页共26页附录B源程序如下MOV20H,00H20H单元置初值，电机正转位置指针MOV21H,00H21H单元置初值，电机反转位置指针MOVP1,0C0HP1口置初值，防止电机上电短路MOVTMOD,60HT1计数器置初值,开中断MOVTL1,0FFHMOVTH1,0FFHSETBET1SETBEASETBTR1SJMP计数器1中断程序IT1PJBP37,FAN电机正、反转指针电机正转JB00H,LOOP0JB01H,LOOP1JB02H,LOOP2JB03H,LOOP3JB04H,LOOP4JB05H,LOOP5JB06H,LOOP6JB07H,LOOP7LOOP0MOVP1,0D0HMOV20H,02H中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第21页共26页MOV21H,40HAJMPQUITLOOP1MOVP1,090HMOV20H,04HMOV21H,20HAJMPQUITLOOP2MOVP1,0B0HMOV20H,08HMOV21H,10HAJMPQUITLOOP3MOVP1,030HMOV20H,10HMOV21H,08HAJMPQUITLOOP4MOVP1,070HMOV20H,20HMOV21H,04HAJMPQUITLOOP5MOVP1,060HMOV20H,40HMOV21H,02HAJMPQUITLOOP6MOVP1,0E0HMOV20H,80HMOV21H,01HAJMPQUITLOOP7MOVP1,0C0HMOV20H,01HMOV21H,80H中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第22页共26页AJMPQUIT电机反转FANJB08H,LOOQ0JB09H,LOOQ1JB0AH,LOOQ2JB0BH,LOOQ3JB0CH,LOOQ4JB0DH,LOOQ5JB0EH,LOOQ6JB0FH,LOOQ7LOOQ0MOVP1,0A0HMOV21H,02HMOV20H,40HAJMPQUITLOOQ1MOVP1,0E0HMOV21H,04HMOV20H,20HAJMPQUITLOOQ2MOVP1,0C0HMOV21H,08HMOV20H,10HAJMPQUITLOOQ3MOVP1,0D0HMOV21H,10HMOV20H,08HAJMPQUITLOOQ4MOVP1,050HMOV21H,20HMOV20H,04H中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第23页共26页AJMPQUITLOOQ5MOVP1,070HMOV21H,40HMOV20H,02HAJMPQUITLOOQ6MOVP1,030HMOV21H,80HMOV20H,01HAJMPQUITLOOQ7MOVP1,0B0HMOV21H,01HMOV20H,80HQUITRETIEND中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书第24页共26页参考文献1张友德单片微型机原理、应用与实验M上海复旦大学出版社，20052袁任光,张伟武电动机控制电路选用与258实例M北京机械工业出版社,20053王秀和永磁电机M北京中国电力出版社,20074房玉明,杭柏林基于单片机的步进电机开环控制系统J电机与控制应用，2006，33（4）64645江一，朱凌,申仲涛异步电动机直接转矩控制仿真研究J华北电力大学学报,2003，110136张巍浅谈单片机控制步进电机J安防科技,2006，3257乔璐,景林,韩英桃一种实用的步进电动机驱动器设计J微特电机,2005，1029318康晶采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路J电力电子技术,2003,3716162,659白恩远王俊元孙爱国现代数控机床伺服及检测技术M北京国防工业出版社,200210刘宝廷步进电动机及其驱动控制系统M哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,199711李海波何雪涛步进电机升降速的离散控制J北京化工大学学报自然科学版,200312张晓宏张怀宁基于光栅信号的步进电机速度控制J光电工程,200013陈爱国杨红红等步进电机升降速曲线的研究J机电产品开发与创新,200314王福瑞等单片机微机测控系统设计大全M北京北京航空航天大学出版社，199815杨宁胡学军单片机与控制技术M北京北京航空航天大学出版社，200516陈隆昌，等控制电机（第三版）M西安西安电子科技大学出