基于单片机的步进电机控制器的设计论文

基于单片机的步进电机控制器毕业论文11.1 引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点 1。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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 2。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用 3。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活基于单片机的步进电机控制器毕业论文2多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介1.2.1 常见的步进电机控制方案1、基于电子电路的控制步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图 1.1 所示。基于单片机的步进电机控制器毕业论文3脉冲控制器功率放大驱动电路环形分配器步进电机图 1.1 基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步 4。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。2、基于 PLC 的控制PLC 也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC 作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有 PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用 PLC 来产生控制脉冲。通过 PLC 编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将 PLC 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC 控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用 PLC 资源较多，特别是步进电机绕组相数大于 4 时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省 PLC 资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将 PLC 输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。 采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用 PLC 中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于 PLC 的扫描周期一般为但由于 PLC 的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其基于单片机的步进电机控制器毕业论文4扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。3、基于单片机的控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性 5。基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。1.2.2 步进电机驱动技术步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪 80 年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低基于单片机的步进电机控制器毕业论文5的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成 n 个台阶，转子则需要 n 次才转过一个步距角，即 n 细分细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步迸电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃 6。1.3 本文研究的内容在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成 N-S 极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对其，从而使基于单片机的步进电机控制器毕业论文6步进电机向前“走”一步。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。本设计采用 AT89S51 单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。第 2 章 步进电机概述2.1 步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机 7。(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称 VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称 PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；(3)混合式步进电机(Hybrid，简称 HB)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电基于单片机的步进电机控制器毕业论文7流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机 7。2.2 步进电机的工作原理 2.2.1 结构及基本原理步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图2.1 所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。图2.1 激励线圈产生电磁场2.2.2 两相电机的步进顺序1、两相电机的单相通电步进顺序基于单片机的步进电机控制器毕业论文8在图 2.2 中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的步进顺序。在第 1 步中，两相定子的 A 相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当 A 相关闭、B 相通电时，转子顺时针旋转 90。在第 3 步中，B 相关闭、A 相通电，但极性与第 1 步相反，这促使转子再次旋转90。在第 4 步中，A 相关闭、B 相通电，极性与第 2 步相反。重复该顺序促使转子按 90的步距角顺时针旋转 8 9。图2.2 两相电机的单相通电步进顺序2、两相电机的双相通电步进顺序图 2.2 中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图 2.3 所示。在第 1 步中，两相定子的 A 相和B 相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step1 位置。在第2 步中，两相定子的 A 相关闭，而 B 和 a 相（此时的 a 相通电极性与第 1 步 A 相反）同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step2 位置。在第 3 步中，两相定子的基于单片机的步进电机控制器毕业论文9a 相和 b 相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step3 位置。在第 4 步中，两相定子的 b 相和 A 相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step4 位置。按照这样的通电方式电机就转过了一周 8 9。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了 41.1%的力矩，但输入功率却为 2 倍。图2.3 两相电机的双相通电步进顺序3、步进电机的半步工作方式电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个 90的步进电机将每半步移动 45，见图 2.4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致 15%30%的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。从原理图我们很容易看到半步工作方式其实就是将两相电机的单相通电工作方式和两相电机的基于单片机的步进电机控制器毕业论文10双相通电工作方式相互结合起来。两相步进电机的工作模式有两相四拍和两相八拍等两种，其中我们在图 2.2 和图 2.3 中展示的都叫做两相四拍工作模式，而下面的 2.4 图展示的就是两相八拍工作模式 8 9。图2.4 两相电机的半步步进顺序第 3 章 系统的硬件设计3.1 系统设计方案 3.1.1 系统的方案简述与设计要求本设计采用单片机 AT89S51 来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片 L298 及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。系统的具体功能和要求如下：1.单片机最小系统板的设计；基于单片机的步进电机控制器毕业论文112.设计兼有两相两拍和两相四拍的脉冲分配器;3.实现步进电机的启停、正转、反转控制；4.驱动电路可提供电压为 12V，电流为 0.3A 的驱动信号;5.能实现步进电机的转速调节，最低转速为 25 转/分，最高转速为 100 转/分；6.步进电机的转速由数码管显示；7.键盘扫描电路的设计3.1.2 系统的组成及其对应功能简述整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载模块，数码管显示模块，电机驱动电流检测模块，独立按键等模块组成。具体框图如图 3.1 所示：独立按键控制模块计算机串口通信模块单片机最小系统电机驱动模块步进电机数码管显示模块驱动电流检测模块图3.1 系统总体框图单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。基于单片机的步进电机控制器毕业论文12数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。电机驱动电流检测模块主要是检测通过电机驱动芯片的电流，然后通过运放将检测到的信号放大，最后将放大后的信号通过模数转换芯片ADC0804处理后送给单片机。独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速，显示电机电流等功能。采用了中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成了对步进电机的最佳的及时的控制。本节主要是在第一章和第二章的基础上引出了本论文将要采用的设计方案，并详细的清楚的一条条列出了设计要实现的基本设计要求。然后是基于我的设计方案，比较简单的但有条理的描述了系统的各个部分的组成以及其对应的基本功能。通过这一章的内容，我们能对本设计有一个简单的总体的把握，既是能清楚的知道本题目的设计内容，设计方法，以及最终的预期目标。33.2 单片机最小系统3.2.1 AT89S51 简介AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4kbytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8 位微处理器于单片芯片中，功能强大。1、主要性能参数与 MCS-51 产品指令系统完全兼容 4k 字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 4.05.5V 的工作电压范围 全静态工作模式：0Hz33MHz 三级程序加密锁 1288 字节内部 RAM 32 个可编程 IO 口线 2 个 16 位定时计数器 基于单片机的步进电机控制器毕业论文136 个中断源 全双工串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗（WDT）及双数据指针 掉电标识和快速编程特性 灵活的在系统编程（ISP 字节或页写模式）2、功能特性概述AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I O 口线，看门狗（WDT） ，两个数据指针，两个 16 位定时计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3、引脚功能说明3.2 AT89S51该设计使用到的单片机芯片对应 管脚名称位置等如图 3.2 的引脚功能图详细说明。基于单片机的步进电机控制器毕业论文14VCC：电源电压GND：地P0 口：P 0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I0 口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 F1ash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位） 。P1 口：Pl 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口，Pl 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“l” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 （IIL ） 。P2 口：P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 （IIL ） 。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRi 指令）时，P2 口线上的内容 （也即特殊功能寄存器（ SFR）区 P2 寄存器的内容） ，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控制信号。 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 （IIL ） 。P3 口除了作为一般的 I O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。具体功能如表 2.1 所示表 3.1 P3 口的引脚及功能端口引脚 第二功能P3.0 RXD（串行输入口）基于单片机的步进电机控制器毕业论文15P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外部中断 0）P3.3 INT1（外部中断 1）P3.4 T0（定时/计数器 0 外部输入）P3.5 T1（定时/计数器 1 外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的 DISRT0 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0 位缺 为 RESET 输出高电平打开状态。ALE PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对 F1ash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲 （PROG） 。如 必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只一条 M0VX 和 M0VC 指令 ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的 PSEN 信号。EA VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端） ，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。F1ash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程电压 Vpp 。 XTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。基于单片机的步进电机控制器毕业论文16存储器结构 ：MCS-51 单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具 64KB外部程序和数据的寻址空间。 程序存储器 ：如果 EA 引脚接地（GND） ，全部程序均执行外部存储器。在 AT89S51，假如 EA 接至 Vcc（电源+） ，程序首先执行地址从 0000H0FFFH （4KB ）内部程序存储器，再执行地址为1000HFFFFH （60KB）的外部程序存储器。数据存储器：AT89S51 的具 128 字节的内部 RAM，这 128 字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128 字节均可设置为堆栈区空间。4、晶体振荡器特性 AT89S51 一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 Cl、C2 接在放大器的反馈回路 构成并联振荡电路。对外接电容 Cl、C2 虽然没 十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pF 10pF。用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。5、Flash 闪速存储器的并行编程AT89s51 单片机内部 4k 字节的可快速编程的 Flash 存储阵列。编程方法可通过传统的 EPROM 编程器使用高电压（+12V）和协调的控制信号进行编程。AT89S51 的代码是逐一字节进行编程的。 编程方法：编程前，须设置好地址、数据及控制信号，AT89S51 编程方法如下： 1在地址线上加上要编程单元的地址信号。2在数据线上加上要写入的数据字节。3激活相应的控制信号。基于单片机的步进电机控制器毕业论文174将 EA Vpp 端加上+12V 编程电压。5每对 Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个 ALE PROG 编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，大多数约为 50us。改变编程单元的地址和写入的数据，重复15 步骤，直到全部文件编程结束。3.2.2 单片机最小系统设计采用 AT89S51 单片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。在本设计当中，单片机的 P 0 口、 P 1 口、P 2 口、P 3 口全部参与系统工作，单片机最小系统的接线如图 3.3 所示：图3.3 单片机最小系统图3.2.3 单片机端口分配及功能1、其中 P 0 口用于控制数码管的具体显示功能，既是数码管的段选。基于单片机的步进电机控制器毕业论文182、P 1 口主要用于控制电机驱动芯片 L298 的工作，以及 ADC0804 芯片的编程的读写控制。3、P 2 口主要用于控制数码管的公共端，既是数码管的位选。与此同时还处理键盘扫描电路的。4、P 3 口主要用于负责处理 ADC0804 的模数转化芯片的工作。3.3 串口通信模块本设计采用串口通信，来实现计算机与单片机的通信。其具体的电路图如图 3.4 所示。图3.4 串口通信模块3.4 数码管显示电路设计本设计的显示部分可以用液晶显示的方案可供选择，液晶显示和数码管显示的区别主要体现在以下几个方面：数码管显示内容单一，而液晶显示器显示内容丰富，因为液晶一般都是七段八字的只能显示单一的内容，而液晶显示的内容就很丰富；数码管还比液晶显示耗电，而且使用液晶也比使用数码管显得美观。但是控制液晶显示器的时候占用的系统资源多，编程更复杂，最关键的是液晶显示的成本是数码管的几十倍，所以考虑到应用价值，最终还是确定选用数码管实现本设计的显示部分功能。基于单片机的步进电机控制器毕业论文193.4.1 共阳数码管简介四位共阳数码管的管脚分配如下图 3.5 所示：图3.5 四位共阳数码管管脚定义数码管的管脚排列：从数码管的正面观看，左下角的那个脚为 1 脚，从 1 脚开始，按照逆时针方向排列依次是 1 脚到 12 脚，其中 12、9、8、6 为公共角，为位选信号输入端。剩余的八个脚是段选信号输入端，其对应方式是 A-11、B-7、C-4、D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3。只有详细的了解了数码管的管脚定义，以及段选位选情况，我们才能通过编程对其正常的显示进行很好的控制。在本设计当中采用了数码管动态扫描的方式进行显示，下面我们对数码管动态扫描显示作一详细介绍。数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp “的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 口，而且功耗更低。34.2本设计选用了数码管显示设计，其段选的控制 A、B、C、D、E、F、G、DP 按照数码管的简介资料选用了 P 0 口作为其控制端口，其位选部分由于单片机的控制端口输出的电压不足以直接点亮数码管，基于单片机的步进电机控制器毕业论文20所以在单片机控制端口和数码管的位选控制端口加入了三极管，其具体的电路连接如图 3.6 所示。图 3.6 数码管显示电路3.5 电机驱动模块设计在第一章的 1.2.2 中已经详细的介绍了目前的电机的驱动技术的基本类型，考虑要硬件设计驱动电路的方法会电路复杂，调试不方便，而且采用多个元器件搭接，成本高。而直接采用集成的驱动芯片时电路稳定，成本低，易于控制，所以最终本设计是直接采用电机驱动芯片 L298 作为电机驱动部分的核心部件。3.5.1 L298 简介L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准：TTL 逻辑准位信号，可驱动 46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号。L298N 之接脚如图 3.7 所示，Pin1 和 Pin15 可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路； OUTl、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接 2 个步进电机；input1input4 输入控制电位来控制电机的基于单片机的步进电机控制器毕业论文21正反转；Enable 则控制电机停转。图3.7 L298管脚图引脚功能介绍：1、1；15 脚（Sense A；Sense B）：电流检测端，分别为两个 H 桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地；2、2；3 脚（Output1；Output2）：1Y1、1Y2 输出端；3、4 脚（VS）：功率电源电压,此引脚与地必须连接 100nF 电容器；4、5；7 脚（Input 1； Input）：1A1、1A2 输入端，TTL 电平兼容；5、6；11 脚（Enable A；Enable B）：TTL 电平兼容输入 1EN、2EN 使能端，低电平禁止输出；6、8 脚（GND）：GND 接地端；7、9 脚（VSS）：逻辑电源电压。此引脚必须与地连接 100nF 电容器；8、10；12 脚（Input3；Input4）：2A1，2A2 输入端，TTL 电平兼容；9、13；14 脚（Out3；Out4）：2Y1、2Y2 输出端，监测引脚 15；3.5.2 电机驱动电路设计如图 2.8 所示，本设计的电机驱动部分是由驱动芯片 L298 及其外围电路构成，其中从 L298 的2、3 脚和 13、14 脚（即芯片的输出端）依次按顺序连成一个插座，分别与步进电机的四根线相连。基于单片机的步进电机控制器毕业论文22而 5、6、7、10、11、12 脚就依次与单片机的 P1 口的六个管脚相连。通过这一连接实现了单片机与L298 以及步进电机的串联控制。图中很重要的部分是由四个二极管连成的保护电路，其作用是防止由于步进电机的转速提高而产生的自感电动势损坏芯片。由于本设计使用的电机驱动电压是使用了 9V (也可以使用 12V)，所以二极管的负端接 9V 的参考电压。如果驱动芯片的电压改变，那么这个参考电压也随之一起改变。图2.8 电机驱动电路图3.6 驱动电流检测模块设计本设计的驱动芯片电流检测模块的实际应用意义在于，检测流过电机的电流值并及时显示，对于防止电机过流而损坏电机有一定的意义。从上面的 L298 的芯片资料当中我们可以知道 L298 的 Pin1和 Pin15 可与电流侦测电阻连接来侦测电机正常工作的情况下的工作电流。一般检测电流的方法是通基于单片机的步进电机控制器毕业论文23过检测电压值，然后通过欧姆定律换算电流值的方法测试电流，本设计也不例外。设计采用的42BYG101 反应式步进电机，其额定电流值 0.2 安，在加上一般常用的电流侦测电阻都是 1 欧姆或 0.1欧姆，这样换算来检测到的电压值一般是在 mV 级，这样以来，要是直接将检测到的电压值送给ADC0804 进行模数转换那么由于精度的原因势必会对检测结果的准确性造成很大的影响。所以考虑到这一原因我们是先将检测到的电流值经过 OP07 作放大处理后再将信号送给模数转换芯片处理这样保证了检测值的可靠性。ADC0804 输出的数字信号再送给单片机的 P 3 口，经过单片机处理后最后将检测到的数字信号通过数码管显示出来。而在显示这一部分有这样一个问题，就是步进电机的工作电流不是一个恒定值，它是随着时间的变化，会在一个小范围内不停的波动为了使显示出来的电流数据更可靠，我们通过单片编程，采用了取一段时间的电流的平均值显示出来。形象的展示这一模块的整个工作流程就是如下的图 3.9 所示：图 2.9 电流检测框图3.6.1 OP07 芯片简介1、OP07 功能介绍Op07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于 OP07 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V） ，所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07 同时具有输入偏置电流低（OP07A 为2nA）和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。2、特点超低偏移：150V 最大低输入偏置电流：1.8nA低失调电压漂移：0.5V/超稳定时间：2V/month 最大高电源电压范围： 3V 至22V3、芯片引脚功能说明基于单片机的步进电机控制器毕业论文241 脚和 8 脚：是偏置平衡（调零端）2 脚：为反相输入端3 脚：为同向输入端4 脚和 7 脚：分别为和5 脚：悬空6 脚：为输出端其引脚图如图 3.10图2.10 OP07芯片及管脚图3.6.2 ADC0804 芯片简介1、芯片主要技术指标(1) 分辨率：8 位(0255)(2) 存取时间：135 ms(3) 转换时间：100 ms(4) 总误差：-1+1LSB(5) 工作温度：ADC0804C 为 0 度70 度；ADC0804L 为-40 度85 度(6) 模拟输入电压范围：0V5V(7) 参考电压：2.5V(8) 工作电压：5V1、芯片引脚功能及说明接脚说明见下图：ADC0804 为一只具有 20 引脚 8 位 CMOS 连续近似的 A/D 转换器。芯片具体引脚图如图 3.11 所示。基于单片机的步进电机控制器毕业论文25图2.11 ADC0804芯片及管脚图(1). PIN1 (CS )：Chip Select，与 RD、WR 接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准(low) 时会 active。(2). PIN2 ( RD )：Read。当 CS 、RD 皆为低位准(low)时，ADC0804 会将转换后的数字讯号经由 DB7 DB0 输出至其它处理单元。(3). PIN3 (WR )：启动转换的控制讯号。当 CS 、WR 皆为低位准(low) 时 ADC0804 做清除的动作，系统重置。当 WR 由 01 且 CS 0 时，ADC0804 会开始转换信号，此时 INTR 设定为高位准(high)。(4). PIN4、PIN19 (CLK IN、CLKR)：频率输入/输出。频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为 100 kHz 至 800 kHz。而频率输出频率最大值无法大于 640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。若在 CLKR 及 CLK IN 加上电阻 R 及电容 C，则可产生 ADC 工作所需的时序，其频率约为(1.1RC)(5). PIN5 ( INTR )：中断请求。转换期间为高位准(high)，等到转换完毕时 INTR 会变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。(6). PIN6、PIN7 (VIN(+)、VIN(-)：差动模拟讯号的输入端。输入电压 VINVIN(+) VIN(-)，通常使用单端输入，而将 VIN(-)接地。(7). PIN8 (A GND):模拟电压的接地端。(8). PIN9 (VREF/2):辅助参考电压输入端2、ADC0804 工作原理ADC0804 是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的 A/D 转换器，这类型的 A/D转换器除了转换速度快（几十至几百 us） 、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。以输出 8 位的 ADC0804 动作来说明“连续渐进式 A/D 转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起） 。基于单片机的步进电机控制器毕业论文26第一次寻找结果：10000000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第二次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第三次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0）第四次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第五次寻找结果：11010000 （若