基于单片机的步进电机控制系统设计方案

鄂东职业技术学院毕业设计 1 基于单片机的步进电机控制系统 设计方案 第 1 章 绪论 言 随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度极高的方向发展。 生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。如 运算位数从 4位、 8位 到 32位机的发展，运算速度从 8 32 到 以说是日新月异的发展着。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（ 核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单片 机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。由此可以认识到，单片机在工业领域运用中，对工业发展、提高工业生产力等有重大意义。因此，掌握好单片机的应用，对以后的生产生活有很强的指导意义。 科技的进步需要技术不断的提升。一块大而复杂的模拟电路花费了巨大的精力，繁多的元器件增加了成本。而现在 ，只需要一块几厘米见方的单片机，写入简单的程序，就可以使以前的电路简单很多。由此可见掌握了单片机技术后 ,不管今后开发或是工作上，一定会带来意想不到的惊喜。 内外设计现状 外发展回顾及产生背景 如果将 8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段： （ 1）第一阶段（ 1976单片机的控索阶段。以 48为代表。 48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 ，都取得了满意的效果。这 就是 诞生年代，“单机片”鄂东职业技术学院毕业设计 2 一词即由此而来。 （ 2）第二阶段（ 1978片机的完善阶段。 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列 51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。 置了经典的 8 位单片机的总线结构，包括 8 位数据总线、 16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增 加了许多突出控制功能的指令。 （ 3）第三阶段（ 1982 8位单片机的巩固发展及 16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着 51 系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道 A/D 转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。 （ 4） 第四阶段（ 1990 ）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8位 /16位 /32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 内外单片机发展研究现状 单片机的应用在后 代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以 6等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中 、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由 高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面： （ 1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。 （ 2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。既要外设丰富、功鄂东职业技术学院毕业设计 3 能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。 （ 3）产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。特别是仿真工 具要有延续性，能适应多种 免重复投资，增加开发费用。 （ 4）产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。 单片机出现至今，单片机技术已走过了近 20 年的发展路程。纵观 20 年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器 (术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。单片机长寿命 这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作 十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。 随着半导体技术的飞速发展， 新换代的速度越来越快，以 386、 486、 586为代表的 短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如 688051等年龄已有 15岁，产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类 成以更多 I/模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的 会随 着 I/着相当长的生存周期。新的 使单片机队伍 不断壮大 ,给用户带来了更多的选择余地。 8位、 16位、 32位单片机共同发展 这是当前单片 机技术发展的另一动向。 长期以来，单片机技术的发展是以 8位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭， 32位单片机应用得到了长足发展。以 8 32 位单片机 97 年的销售量达 8 千万枚。过去认为由于 8 位单片机功能越来越强， 32位机越来越便宜，使 16位单片机生存空间有限，而 16 位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。单片机速度越来越快 展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降 低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些 8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多， 68片机使用 部振荡器而鄂东职业技术学院毕业设计 4 内部时钟达 32M，而 列 32 位单片机使用 32K 的外部振荡器频率内部时钟可达16电压与低功耗 自 80年代中期以来， 耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技 术由 3 静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降。 8051 类单片机最早由 司推出的 8051/31 类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于 86、 386、奔腾等与 8051类单片机主要由 星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与 8051 单片机兼容的基础上改善了 8051 许多特性 (如时序特性 )。提高了速度、降低了时钟频率，放 宽了电源电压的动态范围，降低了产品价格。 片机步进电机控制系统的研究成果 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： （ 1） 在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 （ 2） 在机电一体化中的应用 机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征 的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 （ 3） 在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 （ 4） 在分布式多机系统中的应用 鄂东职业技术学院毕业设计 5 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各 异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 （ 5） 在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方 面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 片机在国内的发展 我国开始使用单片机是在 1982 年，短短五年时间里发展极为迅速。 1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一 个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界，在 2003年 7月， 上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。单片机，亦称单片为微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（ 随机存取存储器（ 只读存储器（ 输入 /输出端口 （ I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是毕竟它体积大。所以微计算机（单片机）在这种情况下诞生了。 鄂东职业技术学院毕业设计 6 纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据 处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能 、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控 制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。 据统计，我国的单片机年容量已达 1 3 亿片，且每年以大约 16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到 1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。 片机的未来发展方向 目前，单片 机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展方向。 近年，由于 大地促进了单片机的 。 具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以 80代 8051为标准 片的原因。因为单片机芯片多数是采用 属栅氧化物）半导体工艺生产。 路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半 导体工艺的 路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了 密度、高速度 艺。前生产的 输延迟时间小于 2的综合优势已在于 而，在单片机领域 在逐渐取代 低功耗化 单片机功耗使用电压在 36V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 鄂东职业技术学院毕业设计 7 低电压化 几乎所有的单片机都有 许使用的电压范围越来越宽，一般在 36电压供电的单片机电源下限已可达 12V。目前 低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。 大容量化 以往单片机内的 4128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大量化 。目前，单片机内 大可达 64大为 2 高性能化 主要是指进一步改进 性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（ 构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达 100兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其 I/此引入了虚拟外设的新概念。 小容量、低价格化 与上述相反，以 4 位、 8 位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。 外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的 时器 /计数器等以外，片内集成的部件还有模 /数转换器、 音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 串行扩展技术 在很长一段时间里，通用型 单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位 各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是 I C、 以使单片机的引脚设计得更少，单鄂东职业技术学院毕业设计 8 片机系统结构更加简化及规范化。 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中， 80之 1系列中的 80式转让给全世界许多著名 造厂商，如 邦等，这些公司都在保持与 80片机兼容的基础上改善了 80许多特性。这样， 80变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为 8080片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的 种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明， 80片 在当前单片机应用的基础上，对于单片机各个方面应 用情况下步进电机种类与控制方式的选择 . 硬软组态相结合；各部分通信程序的算法及调试；大功率负荷用编程算法实现稳定运行；网络链接的设置等这都是当前单片机研究的热点问题。由此可见掌握步进电机控制系统的编程和调试都对生产生活有着十分重要的实际意义。 计的目标、重点与特色 题设计的目的和意义 目的：巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。同时培养针对课题的需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。通过课题 设计方案的分析、选择、比较，熟悉单片机用系统开发、研制的过程。并与他人团队协作，增加关于软硬件设计的方法、内容及步骤的了解和认识。 理论意义：掌握单片机指令和器件的操作与应用，以及单片机步进电机的基本原理和编程，可以让自己在学习和生活中应用自己所学知识，提高工业生产力，促进工业发展。 实践意义：通过理论和实践相结合，使个人能力得到全面发展。同时也让学生加鄂东职业技术学院毕业设计 9 深了对专业知识及相关领域更深入的了解，也培养和加强了动手解决问题能力和理论探讨、推导和分析问题的能力。 题来源和主要设计目标 目前，我国正处于 工业飞速发展阶段，而单片机在海洋开发、宇宙探索、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域等有着广泛的应用，并且正朝着智能化和多样化等方向发展。同时，单片机涉及到的技术也不断扩展，如多传感器信息融合、路径规划、硬软组态相结合、网络链接的设置等，产生了一系列研究课题。在当前单片机应用基础上，对于单片机在硬软组态相结合；网络链接的设置等不同情况下，正确选择步进电机种类和控制方式对实际生产生活都有着现实意义。 计的重点与特色 单片机步进电机驱动控制系统设计主要包括以下几个方面的内容：控制系统总体方案 设计，包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检测元件及变送器；建立数学模型及确定控制算法；选择单片机，并决定是自行设计还是购买成套设备；系统硬件设计：包括接口电路，逻辑电路及操作面板；系统软件设计：包括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有硬件设计与软件设计两部分；系统的调试与试验。 本论文主要从四个部分阐述了单片机控制系统的过程。各章节的内容说明如下： 第一章：引言。介绍了单片机现状及其发展趋势，以及步进电机控制系统设计的热点 ，确定本文的重难点，以及设计的目的、意义和目标；并由此确定了论文的设计方向和开展的主要工作。 第二章：详细的介绍了单片机关键技术，并从中总结得出了步进电机控制系统设计及其各项要求。 鄂东职业技术学院毕业设计 10 第三章：对步进电机硬件进行分析和设计。 第四章：介绍了步进电机系统的设计和实现，并分析了其达到的效果和性能，并对步进电机控制系统进行了展望分析。 第 2 章 步进电机控制系统硬件 （ 1） 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） 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） 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） 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。 进电机结构和基本原理 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。 鄂东职业技术学院毕业设计 11 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（ 永磁式步进电机（ 混合式步进电机（ 单相式步进电机等。 图 1 031 步进电机驱动系统结构图 如图 1所示，数控系统发出的控制信号（方向、节拍、使能、脉冲等）通过用户接口单元到达到 8031处理器芯片，该芯片经软件编程实现脉冲的接收、环分和显示，环分后的电脉冲通过总线到达功率驱动电路，再次放大后经驱动总线到用户接口和步进电机，使步进电机 按数控系统的要求运行。同时，故障检测单元不停地检测故障（过流、过压、过温等）信号，发现故障时将信号送入 031)，通过编程 时发出故障处理信号并显示其类型，以保护步进电机和驱动系统不致受到进一步损害。步进电机的运行状态通过测速装置测出并反馈到数控系统，与其给定状态进行对比后，决定发出怎样的控制信息，以实现对步进电机运行状态的精确控制。 数控系统 用户接口单元 速单元 步进电机 驱 动 总 线 A 相驱动 B 相驱动 E 相驱动 D 相驱动 C 相驱动 显示单元 故障检测单元 鄂东职业技术学院毕业设计 12 片机步进电机驱动控制系统部分的设计 步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角 整步方式下，步进电 机每接收一个脉冲，旋转 ，旋转一周，则需要 200个脉冲，在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转 转一周，则需要 400 个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲，以上述四相六线制步进电机为例，其半步工作方式和整步工作方式的控制时序如表 1 和表 2所列。 时序 A B A B 1 0 0 0 1 2 0 0 1 1 3 0 0 1 0 4 0 1 1 0 5 0 1 0 0 6 1 1 0 0 7 1 0 0 0 8 1 0 0 1 表 1 时序 A B A B 1 1 0 0 1 2 0 0 1 1 3 0 1 1 0 4 1 1 0 0 表 2 鄂东职业技术学院毕业设计 13 步 进电机原理图如图 2 所示： 图 2 步进电机驱动原理图 单片机 将控制脉冲从 的 出，经 74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 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 2 中 步进电机的一相绕组。 单片机 选用频率22晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式 2 下尽量减小 单片机 对上位机脉冲信号 周期的影响。 鄂东职业技术学院毕业设计 14 图 2中的 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。 4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（ 4）而衰减掉，从而保护了功率管 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，也起到提高高频工作性能的作用。 尽管单片机集成度高，内部含有 I/计数器。但在组成单片机系统时，扩展若干接口仍是设计者必不可少的任务。扩展接口有 2种方案，一种是购置现成的接口板，另一种是根据系统实际需要，选用适合的芯片进行设计控制系统。就后一种而言，主要包括以下几个方面的内容。 (1)存储器扩展 ：由于单片机有 4种不同的存储器，且程序存储器和数据存储器是分别编址的，所以单片机的存储器容量与同样位数的微型机相比扩大了一倍多。扩展时，首先要注意单片机的种类；另一方面要把程序存储器和数据存储器分开。 (2)模拟量输入通道的扩展 ：主要有以下 2个问题：一个是数据采集通道的结构形式，一般单片机控制系统都是多通道系统。因此选用何种结构形式采集数据，是进行模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。多数系统都采用共享 A/D 和 S/H 形式。但是当被测参数为几个相关量时，则需选用多路 S/H，共享 A/D 形式。对于那些参数比较多的分布式控制系统，可把模拟量先就地进行 A/D 转换，然后再送到主机中处理。对于那些被测参数相同（或相似）的多路数据采集系统，为减少投资，可采用模拟量多路转换，共享仪用放大器、 S/H 和 A/D 的所谓地电平多路切换形式。另外一个问题是A/D 转发器的选择， A/量选用位数比较低的 A/ (3)模拟量输出通道的扩展 ：模拟量输出通道是单片机控制系统与执行机构（或控制设备）连接的纽带和桥梁。设计时要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。对于那些可直接接受数字量的执行机构，可由单片机直接输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等。对于那些需要接收模拟量的执行机构，则需要用 D/A 转化，即把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。 鄂东职业技术学院毕业设计 15 (4)开关量的 I/O 接口设计 ：由于开关量只有 2 种状态“ 1”或“ 0”，所以，每个开关量只需一位二进制数表示即可。因为 51 系列单片机设有一个专用的布尔处理机，因而对于开关量的处理尤为方便。为了提高系统的抗干扰能力，通常采用光电隔离器把单片机与外部设备隔开。 (5)操作面板 ：操作面板是人机对话的纽带，它根据具体情况，可大可小。为了便于现场操作人员操作，单片机控制系统设计一个操作面板的要求：操作方便、安全可靠、并具有自保功能，即使是误操作也不会给生产带来恶果。 (6)系统速度匹配 ：在不影响系统总功率的前提下，时钟频率选得低一些较好，这样可降低系 统对其他元器件工作速度的要求，从而降低成本和提高系统的可靠性。但系统频率选的比较高时，要设法使其他元器件与主机匹配。 步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一 ,是一种性能良好的数字化执行元件。随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入 ,步进电机的需要量越来越大。有资料说明 ,世界上步进电机的年产量以 10%以上的速度增长。国内对步进电机的需求同样也与日俱增。实际工作中 ,很多工程技术人员和技术工人都希望比较全面地了解步进电机及其控制技术。本文对步进电机的控制方法进 行了详细的论述 ,包括硬件接口的设计、软件方案的设计和汇编控制程序的编写。此种方法高效、方便、成本低廉 ,在实际应用中有着很高的利用价值。 鄂东职业技术学院毕业设计 16 第 3 章 系统软件与通信的设计 在步进电机控制系统中单片机的主要作用是把并行二进制码转换成串行脉冲序列并实现方向控制。单片机控制步进电机是通过向接口芯 8255 写控制模型 ,改变相应端口的状态来完成的。系统软件编制采用定时器定时中断产生周期性脉冲序列 ,不使用软件延时 ,不占用 非中断时间内可以处理其它事件 ,唯有到了中 断时间才驱动步进电机转动一步。在此 ,定时器 定时周期为1每秒产生 1000次中断 ,这就使步进电机的工作频率为每秒 1000步。 进电机驱动系统软件程序的实现 器根据拨码开关 进电机 有三种工作方式供选择： 方式 1为中断方式： 步进脉冲输入端， 位机（ 驱动器仅以 2条线相连。 方式 2为串行通讯方式：上位机（ 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 5 的不同组合，直接控制步进电机。当上电或按下复位键 X、 据 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，避免了电鄂东职业技术学院毕业设计 17 机换向时产生错步。 图 3 步进电机驱动源程序图 以下是源 程序设计： 20H,#00H ;20H 单元置初值，电机正转位置指针 21H,#00H ;21机反转位置指针 0 ;置初值，防止电机上电短路 60H ;开中 断 0 0 $ 鄂东职业技术学院毕业设计 18 片机步进电机驱动系统通信分析 当下位机工作在干线联动模式时，需要与 交换数据，采取一定的优化算法对干线或者区域整体进行优化。因此，上位机对图像处理的结果，即待加工芯片的位置坐标需要传输给下位机，以便下位机采取合适的运行方式到达目标位置。 由于下位机主控芯片 89此通信过成需要占用 下位机要在控制步进电机平稳运动的同时完成同巨位机的通信，如果通信时间太长，将会导致 89法正常实现步进电机控制，造成步进电机抖动，严重影响系统的定位精度和系统的工作稳定性。因此在通信过程中，希望通信速率尽可能高，以减少对步进电机的影响。但是，通信速率越高，数据通信的可靠性就越低、相应的传输距离也就越短，显然一味的追求高通信速率是不可取的。我们需要在确保通信可靠性的前提下尽可能提高通信速率。 片机仿真技术设计 传统的单片机仿真器硬件系统一般有三种实现方法。一、采用专用仿真的单片机。二、采用两套单片机，一个单片机用于仿真，并完成诸如通讯，中断等功能；另一个单片机则用于目标单片 机，这样其资源不会被占用。三、用目标单片机作为仿真器，单片机即仿真器也作目标机的单片机用，其实质是一种 控器。第三种方法会占用单片机的部分资源，但结构简单，对于特定的开发者来说，实用性强，性价比高，且易于自行制作。本文开发设计的仿真器正是基于第三种原理，巧妙实现了数据空间与程序空间的互换，设计出一款实用廉价的仿真器，工程实践性强。仿真器工作时，要把程序从 下载到仿真器的存储器中。在此先详细分析 51 单片的存储器结构和寻址方法，再分析片外存储器的扩展，最后给出设计原理并分析系统结构。 由于现在以 8051 为内核的单片机几乎都带有内部的 序存储器。如本设计中要用到的 自带 4 序存储器，有的单片机带有20此在单片机开发中，很少用专门的程序存储器芯片来扩展外部程序存储器，通常也没有必要。基于以上这些因素，下面分析本文中的鄂东职业技术学院毕业设计 19 仿真器实现的原理。 下载程序时， 高电平，单片机执行内部 ；当程序数据下载完后，在保持 单片机的 并把单片机复位。这样单片机就只能从片外存储器中读数据。然后利用 “与”来选通 读允许片选端 得单片机能够从 样就实现了仿真功能。因为单片机从片内程序存储器和片外程序存储器取指时的执行速度相同，所以这个设计方案下的仿真器性能比起传统仿真器毫不逊色。 叉开发调试算法设计 真软件开发 软件仿真开发利用主机上的资源模拟目标机资源，在主机上完成整个应用的仿真执行。基本思想是在主机上创建以个虚拟的目标机环境，然后将应用程序下载到虚拟目 标机上运行和调试，当在虚拟机上调试完成后，还必须移植到实际的目标硬件，做进一步测试。与交叉开发相比，优点是不需要实际的目标硬件环境，而且编译调试方便。其缺点是不大可能仿真目标机上的所有功能。 真调试算法： （ 1）在主机平台上编写程序代码； （ 2）固定仿真器至目标机上； （ 3）连接主机和目标机； （ 4）编译连接应用程序，生成可执行代码； （ 5）将可执行代码下载到目标机； （ 6）使用仿真器进行调试； （ 7）如果程序调试没有发现异常，转至（ 11)； （ 8）调试程序时发生错误，利用 错误； （ 9）修改错误代码； （ 10）编译连接应用程序，生成可执行代码；将可执行代码下载到目标机；使用仿真器进行调试；如果程序调试没有发现异常，将目标机程序固化在单片机上。很明显，该调试技术降低了单片机软件的调试难度，提高了开发的效率。调试程序时发生鄂东职业技术学院毕业设计 20 错误，利用 改错误代码； （ 11）将目标机程序固化在单片机上。 很明显，该调试技术降低了单片机软件的调试难度，提高了开发的效率。 章小节 本章首先对步进电机驱动系统的仿真软件做了简单的介绍，然后对步进电机驱动系统 仿真技术特点分别给予了详细的分析，特别针对仿真软件的工作方式和特点作了重点阐述。其次，介绍了步进电机驱动系统仿真软件的通信方法。最后，对单片机仿真调试技术进行了设计与分析。 鄂东职业技术学院毕业设计 21 第 4 章 结论 验结果 通过标志位 判断电机的旋转方向 ,然后输出相应的控制脉冲序列 ;判断要求的脉冲信号是否输出完毕。三相双三拍控制模型完成的步进电机控制程序设计如下 : 三相双三拍控制程序流程图如图 4 所示。正转控制模型 03H、 06H、 05H 存放在以反转控制模型 03H、 05H、 06 图 4 主程序流程图 开始 设置控制步数 设置定时器工作方式 设置定时器初始值 正转否 取正转模型起始地址 取反转模型起始地址 开中断 允许定时器中断 启动定时 启动定时 鄂东职业技术学院毕业设计 22 进电机的优缺点 优点： 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。 缺点：步进电机 低速转动时振动 和噪声大是