基于单片机的步进电机控制-毕业论文

目目 录录 前 言 .1 1 选题背景 3 1.1 课题背景3 1.2 研究的目的和意义3 1.3 课题研究的内容4 2 方案论证 5 2.1 单片机的介绍5 2.2 步进电机的介绍 .10 2.3 仿真软件的介绍 .15 2.4 驱动电路的选择 .16 2.5 显示电路的选择 .17 3 设计或实验过程论述 .18 3.1 硬件电路的设计 .18 3.2 软件部分 .23 4 基于 AT89C51 的步进电机控制系统的实现 .27 4.1 系统的故障及调试 .27 4.2 设计结果 .27 5 总结与展望 .29 5.1 总结.29 5.2 展望.29 参考文献 .30 基于单片机的步进电机控制系统设计 摘 要：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，广泛应用在各种自动化控制系统。本设计以 AT89C51 单片机 为核心，对步进电机进行控制，通过按键实现步进电机正转、反转、加速、减 速，并使用 LED 显示电机速度。经过 PROTEUS 仿真和硬件焊接，结果表明， 系统实现了要求。该电路简单，可靠性强，运行稳定。 关键词：AT89C51；ULN2003；LED；步进电机 中图分类号: :TM356 Design of Mcu-based Control System for Stepping Motor Abstract :Stepping motor is the open loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.In the overload situation, the speed of motor, stop position depends only on the pulse signal frequency and pulse number, regardless of load changes,and it is widely used in all kinds of automatic control system.This design is based on AT89C51 microcontroller as the core to control stepping motor.Through the keys,the foreward,reversal,acceleration,deceleration functions are implemented and use LED to show speed of motor.After the simulation results by Proteus software and the hardware is welded,the results show that the require has come true by the system.This circuit is simple,its reliability,stable operation1. Key words:AT89C51；ULN2003；LED；stepping motor 1 基于单片机的步进电机控制系统设计 前 言 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点， 广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、 温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片 机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强 大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。 同时用单片机还可以构成 形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、 各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算 机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单 片机智能控制，从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通 信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。此外，单 片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 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 CMOS 化、低功 耗、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。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2。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着工业自动化的发展， 步进电机的应用也越来越广泛，广泛应用在各种自动化控制系统中。步进电机是一种用 于开环控制的驱动元件。它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位 移或线位移的微电动机。步进电机作为电机的一种，可以靠开路控制做精确的定位，因 此普遍应用于电脑的外设及工业生产的自动化机具设备中，如 NC 车床、切割机，此外机 2 器人的各个关节控制也大量的使用步进电机。 近些年来，由于步进电机的控制精度不断提高，越来越多有较高控制精度要求的系 统也开始采用步进电机。对于小功率步进电机,一般采用单片机与专用步进电机驱动器联 合工作的方式，单片机产生脉冲,控制停启、正反转，变速等,专用步进电机驱动器则进行 脉冲环形分配及功率驱动。 步进电动机突出的优点是它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、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可， 步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且 在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即 可获得所需速度因此在众多领域有着极其广泛的应用。研制一种高性价比步进电机驱动 器及其控制系统具有重要的意义3。 本次毕业设计选用的步进电机是两相步进电机，通过软件和硬件的结合，使用按键 控制步进电机的复位、正转、反转、加速、减速功能，并且将步进电机所处的状态用相 应的发光二极管显示。主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和 按键部分的设计，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而控制转动的角度；同时 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的加速度，从而达到调速的目的。 本次论文分为六章，第一章是选题背景，主要探讨了课题背景、目的和课题研究内 容；第二章是方案论证，探讨了器件的选择和方案的确定；第三章是设计的过程，说明 了硬件和软件设计的设计过程；第四章是系统的实现，阐述了实验的结果；第五章是总 结和展望。通过五章的描述，详细介绍了此次毕业设计的内容、方法、以及设计中遇到 的问题和解决问题的途径，得出满意的结果。 1、选题背景 1.1、课题背景 3 步进电机是自动控制系统中常用的执行部件。步进电机的输入信号为脉冲电流 ,它 能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移 ,因而步进电机可看作是一个串 行的数 /模转换器。由于步进电机能够直接接受数字信号 ,而不需数 /模转换,所以使用 微机控制步进电机显得非常方便。 步进电机有以下优点: (1)通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制; (2)位置误差不会积累; (3)与数组设备兼容 ,能够直接接收数字信号; (4)可以快速启停。 步进电机的品种规格很多,按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式 (也称反应 式或变磁阻式 )电机、 混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。步进电机 不需位移传感器就可精确定位 ,所以在精确定位系统中应用广泛。目前打字机、计算机 外部设备、数控机床、传真机等设备都使用了步进电机。随着电子计算机技术的发展 , 步进电机必将发挥它的控制方便、 控制准确的特点 ,在工业控制等领域取得更为广泛的 应用4。 1.2、研究的目的和意义 1.2.1、研究的目的 综合运用所学的单片机原理与应用理论知识，通过实践加强对所学知识的理解， 具备设计单片机应用系统的能力，以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能 够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。 在设计的过程中，熟悉并掌握单片机的结构和使用方法，了解步进电机的内部结构以及 工作过程，将二者有机地结合起来，实现要求的结果，锻炼自己的软件编程和硬件焊接 的能力。 1.2.2、研究的意义 步进电机是用脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成和相应的角位移或线位移的 为电动机，他突出的优点是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 速启停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行， 因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随 着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及 4 其控制系统具有十分重要的意义。 1.3、课题研究的内容 本论文所选的步进电机是两相五线步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电 机的驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接受到一 个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定 的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的 目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目 的。本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显 示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转、加减速，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的特点，广泛应用于宏开环控制。 2、方案论证 2.1、单片机的介绍 2.1.1、单片机的概述 单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器（MCU），它的出现是计算机发展史上 的一个重要里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点而独具特色，在工业控 制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。51系列 单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一。经过20多年的推广与发展，51系列 单片机形成了以个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。随着嵌入式系统、片上系 统等概念的提出和普遍接受及应用，51单片机的发展又进入了以个新的阶段。许多专用 功能芯片的内核集成了51单片机，与51系列单片机兼容的微控制器以IP核的方式不断地 出现在FPGA的片上系统中。今年来，基于51单片机的嵌入式实时操作系统的出现与推广， 表明了51系列单片机在今后的许多年中依然会活跃如故，而且在很长一段时间中将占据 嵌入式系统产品的低端市场。 单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入输出（I/O） 接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块芯片上，组成单片微型计 算机，简称单片机。也就是说单片机是集成在一块芯片上的计算机，其功能之强大，在 实际应用中常常完全融入应用系统中，所以单片机也称为嵌入式控制器（Embedded 5 Microcon troller）。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使 用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎 “无处不在，无处不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪 表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大 领域。 单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器 和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿结构或称为冯诺依曼结构。另一 种是将程序和数据存储器截然分开而分别寻址的结构，称为哈佛（Har-vard）结构。目 前的单片机采用哈佛结构的较多。按数据总线的宽度，单片机分为4位、8位、16位以及 32位等。 2.1.2、单片机的特点 单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),简称单片计算机.就是将 CPU,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机. 其主要特点如下: （1）片内存储容量较小: 原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常 ROM,RAM可分别扩展至64KB. （2）可靠性高: 因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机. 系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏. 许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠. （3）便于扩展: 片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行和串行的输 入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统. （4）控制功能强: 具有丰富的控制指令:如:条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令. （5）实用性好: 体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化. 2.1.3、单片机的应用领域 6 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 导弹的导航装置，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处 理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自 动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。因此，单片机 的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广 泛应用于家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域， 大致可分如下几个范畴： （1）在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化 管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 （2）在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电 冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 （3）在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算 机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单 片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线 通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 （4）单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪， 超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航 空航天等领域都有着十分广泛的用途5。 2.1.4、单片机的选择 方案一：采用凌阳单片机。他具有以下特点：体积小 ，集成度高，可靠性好易于扩 展，采用 COMS 制造工艺，功耗低，工作电压范围大，并且能在较低的电压下工作，且能 用电池供电，内置 2K SRAM,32K FLASH,丰富的中断源，具有较强的中断处理能力，强大 的语音功能，可以语音读出测得的电压，以及当电压超过测量范围时，可以语音提示，具 有人性化，但是他的价格昂贵，不利于提高作品的性价比。 方案二、采用 51 系列的单片机。51 系列单片机应用很广泛，集成度高，可靠性强， 7 图 2.1 单片机芯片 系统结构简单，价格低廉，易于使用等等优点，STC89C51 系列的单片机是宏晶科技推出 的新一代超强抗干扰、高速低功耗的单片机，他的功能已完全能够实现本设计的要求。 由于此次设计需要完成的功能不多，要求在尽量节约成本的条件下完成设计，因此从 各方面进行综合考虑，最终选用 AT89C51 单片机。 2.1.5、AT89C51 简介 AT89C51 的主要参数如表 1-1 所示： 表 1-1 AT89C51 的主要参数 型号存储器 E2PROMROMRAM 定时器 I/O 串行口中断速度 （MH） 其他特点 89C514K1282321624 低电压 AT89C51 含 E2PROM 电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止 E2PROM 中的程序被非法复制，不用紫外线擦除，提高了编程效率，程序存储器 E2PROM 容 量可达 20K 字节。 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只 读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造， 与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组 合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版 本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚 排列如图： 8 主要特性：主要特性：（1）与 MCS-51 兼容； （2）4K 字节可编程 FLASH 存储器；（3）寿命：1000 写/擦循环；（4）数据保留时间：10 年；（4）全静态工作：0Hz-24MHz；（5）三级程序 存储器锁定；（6）1288 位内部 RAM；（7）32 可编程 I/O 线；（8）两个 16 位定时器/ 计数器；（9）5 个中断源；（10）可编程串行通道；（11）低功耗的闲置和掉电模式； （12）片内振荡器和时钟电路。 特性描述特性描述：AT89C51 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，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，AT89C51 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 中的内容，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。 管脚说明：管脚说明：V VC CC C：供电电压。 G GN ND D：接地。 P P0 0 口口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P0 口的 管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定 义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。 P P1 1 口口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低 电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为低 八位地址接收。 P P2 2 口口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因 此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口 当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。 在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和 控制信号。 P P3 3 口口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电 流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外 部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 9 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下 所示： 管脚备选功能： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 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（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 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） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 R RS ST T：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 A AL LE E/ /P PR RO OG G：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字 节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输 出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时 目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起 作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 P PS SE EN N：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期 两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 E EA A/ /V VP PP P：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管 是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高 电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源 （VPP）。 X XT TA AL L1 1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 X XT TA AL L2 2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性：振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何 要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 10 图2.2 步进电机实物图 芯片擦除芯片擦除：整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非 空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在 低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止 工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的 内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止6。 2.2、步进电机的介绍 2.2.1、步进电机的概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收 到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制 脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。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。 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。电机如图： 2.2.2、步进电机的工作原理 11 电机的 U1、V1、W1 接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2 分别接地。如果给处 于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位 置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子 电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进 电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。 它驱动时各线圈通电顺序如下: 表 1-2：步进电机线圈驱动顺序 相 顺序 ABAB 01100 10110 20011 31001 当电机定子绕组通电时序为 AB-BA-AB-BA-AB 时为正转，通电时序为 AB-B A-AB-BA-AB 时为反转。单片机作为核心部件，向步进电机输入端传送 1 或 0 信息， 则可实现上述操作。通过不同长度的延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到 多种步进速度，也就是改变电机的转动速度。 2.2.3、步进电机的结构及分类 步进电机结构分为转子和定子两部分： （1）定子：由硅钢片叠成的，定子上有 6 大磁极，每 2 个相对的磁极（，S）组 成一对，共有 3 对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示） ，即 A 与齿 1 相对齐，B 与 齿 2 向右错开 1/3，C 与齿 3 向右错开 2/3，A与齿 5 相对齐， （A就是 A，齿 5 就是齿 1） 。 （2）转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同， 并且小齿的大小相同，间距相同 分类：分类：步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一 般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；反应式步进一般为三相，可 实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年 12 代已被淘汰；混合式步进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 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 （1）永磁式步进电机： 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。 （2）反应式步进电机： 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般 为 1.5 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。反应式步进电动机结构简单，生产成本低， 步距角小；但动态性能差。 （3）混合式步进电机： 混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优 点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称 作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进 角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 2.2.4、步进电机的特点： （1）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 （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 80-90 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）的增大而相电流减小，从而导致力矩 下降。 （4）步进电机低速时可以正常运转,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） 。 13 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。伴随着不同的 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。 2.2.5、步进电机的选择 步进电机由步距角、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换算到电机轴上，每个 当量电机应走多少角度。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 0.36 度/0.72 度（五相电机） 、0.9 度/1.8 度（二、四相电机） 、1.5 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两种。单一的惯性负载和 单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时两种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性 负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍为好， 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。 （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： P=M (2.1) =2n/60 (2.2) P=2nM/60 (2.3) 其中 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 14 P=2fM/400（半步工作） (2.4) 其中 f 为每秒脉冲数（简称 PPS） 2.2.6、步进电机的指标术语 相数：相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示拍数：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 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B- BC-C-CD-D-DA-A。 步距角：步距角： 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/（50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度 （俗称半步） 。 定位转矩：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） 静转矩：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。 步距角精度：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。 失步：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。 失调角：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。 最大空载起动频率：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。 最大空载的运行频率：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。 运行矩频特性：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。其它特性还 有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然， 15 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。 电机的共振点：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 180-250pps 之间（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角为 0.9 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。 电机正反转控制：电机正反转控制：当电机绕组通电时序为 AB-BC-CD-DA 时为正转，通电时序为 DA-CA- BC-AB 时为反转7。 2.3、仿真软件的介绍 2.3.1、keil 软件 Keil uVision 系列是德国 Keil Software 公司推出的 51 系列兼容单片机软件开发系统。 它本次设计使用的是 Keil2，是集成的可视化 Windows 操作界面，其提供了丰富的库函数 和各种编译工具，能够对 51 系列单片机以及和 51 系列兼容的绝大部分类型的单片机进 行设计。Keil uVision 系列可以支持单片机 C51 程序设计语言，也可以直接进行汇编语言 的设计与编译。 与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易 学易用。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调 试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。 无论是使用 C 语言还是汇编语言进行程序的编写，其方便易用的集成环境、强大的软件 仿真调试工具也会使编程事半功倍。 KeilC51 的特点：（1）Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇 编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 （2）与汇编相 比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过 汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强 大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。 因此，本次设计采用 C 语言进行程序的编写。 2.3.2、proteus 软件 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及 16 外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学 的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具， 从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实 现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚 拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面， 它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。 功能及特点：功能及特点： （1）功能：1）原理布图 2）PCB 自动或人工布线 3）SPICE 电路仿真 （2）特点：1）互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如 RAM，ROM，键盘，马达， LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。2）仿真处理器及其外围电路可以 仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟 原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟 逻辑分析仪、示波器等，Proteus 建立了完备的电子设计开发环境8。 2.4、驱动电路的选择 方案一、使用达林顿驱动芯片 ULN2003，2003 为极电极开路驱动芯片，能驱动 4 相 步进电机，他的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻,在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2003 是高压 大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载 能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。缺点是如果用于驱动直流电机的 话只能按一个方向转动。换向要改变电机的接法。 方案二、使用驱动芯片 L298， L298 为 H 桥驱动芯片，可以为负载提供双向的电流。 适合驱动 2 相或 4 相的步进电机，也可以驱动 2 台普通的有刷直流电机。驱动电流为 2A，只用 L298 需要自己编写控制脉冲时序，而与 297 联合起来用只需单纯输入脉冲就可 以，简单方便，但是相应的成本增加了。 综合本设计的需求，在满足本设计的要求下，选用方案一较为经济。 2.5、显示电路的选择 方案一、采用 LCD 液晶显示，LCD 液晶显示具有方便，美观、显示信息量大的特点， 17 现在市场上集成度高的显示屏在编程方面也较为简洁，缺点是成本较高。 方案二、采用 LED 数码管显示，数码管显示在硬件连接方面显得较为复杂，在不同 的应用场合下配合使用的芯片也不同，但是对于 LCD 液晶显示来说，在成本方面占较大 优势。 由于本次设计只是在数码管上象征性地显示转速，对转速变化有一个感性的认识， 对显示器件要求不高，因此最终选择了方案二。 3、设计或实验过程论述 3.1、硬件电路的设计 3.1.1、硬件设计的总体方案 因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位 移的开环控制元件。所以怎样产生这个脉冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。 用单片机来产生这个脉冲信号，通过单片机的 P1 口输出脉冲信号，因为所选电机是 两相的，所以只需要 P1 口的低四位 P1.0P1.3 分别接到电机的四根电线上。定时器定时 来调整电机的转速，通过键盘的按钮，就可以改变定时初值从而改变了电机的转速，P0 口接 LED 数码管，可以显示当前的电机转速和按钮状态，具体结构见图： 18 图3.1 系统具体结构图 3.1.2、单片机最小系统 单片机最小系统包括始终振荡电路和复位电路，其电路图如图： p0.0p0.7 AT89C51 单片机 p2.0p2.3 p1.0p1.3 p3.0p3.4 步进 电机 四位数码显示管 复位、正转、反转 加速、减速按钮 19 图 3.2 单片机最小系统 说明说明: 复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合“电容电压不能突变“的性质,可以知道, 当系统一上电,RST 脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定. 典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐 C 取 10u,R 取 8.2K.当然也有其他取法的, 原则就要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机周期的高电平； 复位输入高电平有效，当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上的高电平， 使单片机复位。此电路除具有上电复位功能外，若要复位只需按“RST”键，此电源 Vcc 经电阻分压，在 RST 端产生一个复位高电平； 晶振电路:典型的晶振取 11.0592MHz(因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200 波 特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的方波便于 12 分频,方便定时操作)； 单片机:一片 AT89S51/52 或其他 51 系列兼容单片机； 注意:对于 31 脚(EA/Vpp),当 接高电平时,单片机在复位后从内部 ROM 的 0000H 开始执行；当接低电平时,复位后直接 从外部 ROM 的 0000H 开始执行； 电源部分：接+5 伏特的电压。 3.1.3、按键部分 本次设计选用的是单片机的 P3 口来控制信号的输入，所以把按键开关和 P3 口连接 起来，另一端接地。当按下其中一个开关时，P3.0P3.4 中的某一个 I/O 的电位被拉低， 则单片机控制步进电机进行相应的动作。接线如图： 图3.3 按键部分仿真图 20 3.1.4、电机驱动芯片 在实际的电路中，单片机的 I/O 口并不能直接驱动 LED 发光，因此，必须在单片机 和数码管之间加上驱动芯片，本次设计中使用了 74HC573，它起到驱动和锁存的作用，其 内部结构如图： 图 3.4 74HC573 芯片 74HC573 的八个锁存器都是透明的 D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随 数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影 响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时， 新的数据也可以置入。 这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需 要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。 3.1.5、电机驱动芯片 本设计使用的是生活中被广泛使用的电机驱动芯片 ULN2003AN ，ULN2003 是一个 7 路反向器电路，即当输入端为高电平时 ULN2003 输出端为低电平，当输入端为低电平 时 ULN2003 输出端为高电平，其内部结构及外形如图： 21 图 3.5 ULN2003 的内部结构图 ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅 NPN 达林顿管组成。 该电路的