单片机控制步进电机设计.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目： 单片机控制步进电机设计单片机控制步进电机设计 作作 者：者： 系系 （部）：（部）： 机电控制工程系机电控制工程系 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 职职 称：称： 二零零九年五月二十八日二零零九年五月二十八日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 课题名称单片机控制步进电机设计 系 别机电控制工程系专业/班级机械制造与自动化 1 学生姓名学 号 指导教师张雪莲单位/职称浙工大浙西分校/讲师 课题来源企业生产任务成果形式论文 所属岗位技术员 一、毕业设计（论文）课题的主要内容、任务和目标、基本要求等： 1、课题研究的主要内容、课题研究的主要内容 单片机因其功能全、体积小、价格低而得到广泛应用，是计算机、自动控制、电子技术等专 业学生需要掌握的重要专业课程，实验教学和具体操作应用又是职业技术教育的重要环节和侧重 点。本课题结合学生的将来的职业岗位，主要是要求学生利用单片机控制系统代替脉冲发生器和 脉冲分配器，用软件的方法产生控制脉冲，通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角 度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以简化控制电路，降低生产成本，提高系统的运行效 率和灵活性。 2、任务和目标、任务和目标 通过本课题的工作，实现如下的工作任务： 1）确定利用单片机实现相应功能的设计方案,完成程序流程图的绘制； 2）完成汇编程序的编写。 目标：学生通过本毕业设计，能提出自己的应用心得（包括实际应用中解决问题的方法）或 可能的创新点；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练学生分 析问题和解决问题的能力，进一步提高学生的设计、计算、查阅手册、应用软件以及实际操作的 能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。 3、基本要求、基本要求 1）完成毕业顶岗实习周记 12 篇（每周 1 篇） ，毕业顶岗实习报告鉴定表一份、开题报告一 份 （2000 字左右） ，相关技术应用论文一篇（5000 字以上） 。 2）设计（论文）的写作规范： （1）封面。 （2）摘要：主要说明该课题主要研究内容及关键词。 （3）目录。 （4）正文：所 选课题的需求分析，方案论证，方案设计，以及所实现的功能，在设计过程中遇到问题所采用的 策略等。5）谢辞（6）参考文献。 （7）论文要求用 A4 开纸打印，并装订成册，形成书目结构。 （8）论文书写要求语言精练，简洁，表达力求准确。 二、实践要求： 该课题要求学生在企业金工车间的加工工艺管理岗位上顶岗实习 12 周，了解车间工艺管理 员的工作职责，熟悉车间常规零件的加工工艺过程及其特点，初步具有工艺规程的编制能力，完 成顶岗实习周记，在周记中能详细介绍每周的工作任务及工作中遇到的问题和解决方法等。 三、进度安排 第一阶段 （第 5 学期 16-19 周） 第 16、17 周：查阅相关文献资料，完成开题报告； 第 18、19 周：确定利用单片机实现相应功能的设计方案,完成程序流程图的绘制； 第二阶段（第 6 学期） 第 1 周： 完成汇编程序的编写； 第 2 周： 比较与总结，提出自己的应用心得（包括实际应用中解决问题的方法）或可能的 创新点； 第 3-14：毕业顶岗实习； 第 15 周：整理设计说明书，准备答辩； 第 16：答辩。 四、推荐的主要参考资料 1、李叶紫、王喜斌等， MCS-51 单片机应用教程 ，清华大学出版社，2005 年 12 月。 2、李华， MCS-51 系列单片机实用接口技术 ，北京航空航天大学出版社，2002 年 2 月。 3、胡锦等， 单片机技术实用教程 ，高等教育出版社，2006 年 12 月。 4、戴佳、 苗龙、 陈斌， 51 单片机应用系统开发典型实例 ，中国电力出版社，2005 年 10 月。 5、刘迎春， MCS-51 单片机原理及应用教程 ，清华大学出版社，2005 年 5 月 6、三恒星科技， MCS-51 单片机易学通 ，人民邮电出版社，2006 年 7 月。 7、肖玲妮、袁增贵， Protel 99 SE 印刷电路板设计教程 ，清华大学出版社，2003 年 8 月。 8、赵晶， Protel 99 高级应用 ，人民邮电出版社，20004 年 3 月。 指导教师签名 年 月 日 专业负责人签名 年 月 日 （注：课题来源填企业生产（管理）任务、产品开发、创新设计、科研课题等。（注：课题来源填企业生产（管理）任务、产品开发、创新设计、科研课题等。 ） 单片机控制步进电机设计 摘 要 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给 一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机 控制。 本设计是利用 AT89C51 单片机控制系统代替脉冲发生器和脉冲 分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进 电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以 简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。 步进电机的相位、转向、预置步数由串行显示方式的数码管显 示出来，步进电机的各项操作由非线形矩阵键盘实现。硬件结构由 串行显示电路、键盘接口电路、电机驱动电路、石英多谐振荡电路 构成。 软件采用模块化设计，通过调用一系列子程序，如中断、键盘 扫描、串行显示等实现步进电机三相单四拍、双四拍和单、双八拍 的运行。给出了硬件原理图、编程流程图和软件程序。 关键词：步进电机，8051 单片机，软件编程，脉冲信号 I 目目 录录 第一章 概 述.1 1.1 课题背景 .1 1.2 单片机发展状况 .1 1.2.1 单片机的发展史.1 1.2.2 单片机的发展趋势.2 1.3 主要研究工作 .4 1.4 课题研究内容与方法 .4 1.4.1 研究内容.4 1.4.2 研究方法.5 第二章 步进电机控制系统硬件电路设计.5 2.1 总体功能设计 .5 2.2 总体电路原理图 .6 2.3 单片机最小应用系统设计 .6 2.3.1 8051 单片机简介.6 2.3.2 时钟电路设计 .7 2.3.3 复位电路设计 .8 2.4 步进电机控制系统设计 .9 2.4.1 步进电动机概述 .10 2.4.2 步进电机的结构和原理.10 2.4.3 步进电机控制方法.12 2.4.4 步进电机的驱动.13 2.5 单片机对步进电机的控制原理 .14 第三章 控制系统软件设计.16 3.1 程序流程图 .16 3.1.1 主程序流程图.16 3.1.2 键输程序流程图.17 3.2 程序设计 .17 第四章 抗干扰设计及措施.22 4.1 硬件抗干扰设计 .22 4.1.1 抗串模干扰措施和设计 .22 4.1.2 抗共模干扰措施和设计 .23 4.1.3 CPU 抗干扰技术 .24 4.2 本章小结 .25 第五章 结束语.26 I 致 谢.27 参考文献.28 第一章 概 述 1.1 课题背景 步进电机是机电一体化产品关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行 元件。介绍了步进电机工作原理以及各项指标参数，分析了单片机控制步进电 机的方法。系统采用单片机与步进电机串行通讯控制方案，系统采用五个发光 二极管模拟步进电机绕组，以单片机 AT89C51 作为步进电机的控制器，实现 步进电机的正反转、加速、预置步数、复位等各项操作。步进电机的相位、转 向、预置步数由串行显示方式的数码管显示出来，步进电机的各项操作由非线 形矩阵键盘实现。硬件结构由串行显示电路、键盘接口电路、电机驱动电路、 石英多谐振荡电路构成。电机工作时，由 12MHz 的石英多谐振荡电路产生振 荡脉冲，数据写入到单片机 P3.0 端口，单片机 P3.1 口在机器周期中输出移位 脉冲到 74LS164 寄存器，数码管形成显示。键盘共阴极连接，P1.6 端口发出 脉冲对键盘进行扫描，CPU 不断对列线置高电平，有按键按下则行线高电平， 同时所有按键的信号还作为八输入端与非门 CD4068 的输入，经过与非后作为 INT1 中断控制信号。通过单片机的 P2.0P2.4 驱动步进电机。软件采用模块 化设计，通过调用一系列子程序，如中断、键盘扫描、串行显示等实现步进电 机三相单四拍、双四拍和单、双八拍的运行。给出了硬件原理图、编程流程图 和软件程序。 1.2 单片机发展状况 1.2.1 单片机的发展史 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 机电控制工程系毕业设计（论文） 1 （1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以 Intel 公司的 MCS 48 为代表。MCS 48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 Motorola 、Zilog 等，都取得了满意的效果。这就是 SCM 的诞生年代， “单机 片”一词即由此而来。 （2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS 48 基 础上推出了完善的、典型的单片机系列 MCS 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。MCS-51 设置了经典的 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。 CPU 外围功能单元的集中管理模式。 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（1982-1990）：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。Intel 公司推出的 MCS 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 MCS 51 系列的广应用，许多 电气厂商竞相使用 80C51 为内核，将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/16/32 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 1.2.2 单片机的发展趋势 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、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趋势。 CMOS 化，近年，由于 CHMOS 技术的进小，大 大地促进了单片机的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的 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 80C51 取代 8051 为标准 MCU 芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用 CMOS（金属栅氧化物） 机电控制工程系毕业设计（论文） 2 半导体工艺生产。CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用 双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，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 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工艺。CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。目前生产的 CHMOS 电路已达到 LSTTL 的速度，传输延迟时 间小于 2ns，它的综合优势已在于 TTL 电路。因而，在单片机领域 CMOS 正在逐 渐取代 TTL 电路。 低功耗化，单片机的功耗已从 Ma 级，甚至 1uA 以下；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。低电压化 几乎所有的 单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般 在 36V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 12V。目前 0.8V 供 电的单片机已经问世。 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 ROM 为 1KB4KB，RAM 为 64128B。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 内存储器大容量化。目前，单片机内 ROM 最大可达 64KB，RAM 最大为 2KB。 高 性能化，主要是指进一步改进 CPU 的性能，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（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运 行速度。现指令速度最高者已达 100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒） ，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/O 功能，由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 CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件 还有模/数转换器、DMA 控制器、声音发生器、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 机电控制工程系毕业设计（论文） 3 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 OTP（One Time Programble）及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、SPI 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构 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，80C51 系列是其中的佼佼者，加 之 Intel 公司将其 MCS 51 系列中的 80C51 内核使用权以专利互换或出售形式 转让给全世界许多著名 IC 制造厂商，如 Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等， 这些公司都在保持与 80C51 单片机兼容的基础上改善了 80C51 的许多特性。这 样，80C51 就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 80C51 系列。80C51 单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界 上的 MCU 品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明， 80C51 可能最终形成事实上的标准 MCU 芯片。 1.3 主要研究工作 硬件设计方面：通过单片机实验加深对步进电机的驱动电源和电机工作情 况了解，测定并研究其在单步运行状态，角位移和脉冲数关系，平均转速和脉 冲频率关系。观察转子振荡状态，并且掌握步进电机的基本特性和指标。根据 功能需要选择电路元器件和型号，设计电路并能解决现实抗干扰问题。画出电 路原理图，进行电子自动化设计，做出 PCB 图。软件设计方面：通过高效率的 汇编语言编写核心模块对步进电机进行控制。最终设计出一个单片机控制步进 电机电路，能够调节步进电机的转向和速度。由于转速是通过调节脉冲频率实 现的，该设计脉冲分配采用完全软件方式，既按照给定的通电换向顺序，通过 单片机 I/O 口向驱动电路发出控制脉冲，避免采用复杂脉冲分配器芯片，实现 单片机直接控制步进电机。程序设计按照掌握计算机相序控制方法，采用适合 三相单四拍、双四拍和单、双八拍的循环移位法。并且在现实操作中解决堵转 和启动失步等问题。设计采用 TKSCM1-型实验模板及伟福仿真器进行仿真，采 用个人计算机串口和单片机通讯，采用 LED 亮灭的快慢模拟电机的速度，用 LED 亮灭的顺序模拟电机的相序和拍数。 机电控制工程系毕业设计（论文） 4 1.4 课题研究内容与方法 1.4.1 研究内容 利用单片机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制 脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制 步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和 灵活性。 1.4.2 研究方法 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信 号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为 反应式步进电机（简称 VR） 、永磁式步进电机（简称 PM）和混合式步进电机 （简称 HB） 。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控 制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率 决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理 作用如下： (1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式， 其各相通电顺序为 A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A,B,C，D 相的通断。 (2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相， 则电机就反转。 (3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转 一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频 率，就可以对步进电机进行调速。 机电控制工程系毕业设计（论文） 5 第二章 步进电机控制系统硬件电路设计 2.1 总体功能设计 要求利用单片机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生 控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和 控制步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效 率和灵活性。 2.2 总体电路原理图 方案总体电路原理图如图 2-1 所示。 图 2-1 总体电路原理图 2.3 单片机最小应用系统设计 本设计采用的单片机为 MCS-51 系列单片机。 机电控制工程系毕业设计（论文） 6 2.3.1 8051 单片机简介 8051 是 MCS-51 系列单片机的最初产品，也是 MCS-51 器件的核心。8051 内 核的主要特征包括： （1）64K 程序存储器地址空间和 64K 数据存储器地址空间； （2）4K 字节的片上程序存储器和 128 字节的片上数据 RAM； （3）8-bit 最优化的用于控制应用程序的 CPU； （4）广泛的布尔处理能力(single-bit logic)； （5）两个 16-bit 定时器/计数器； （6）全双工 URAT(通用异步接收发送器)； （7）具有两个优先级的 S 个中断源； （8）32 个双向并可分别设定地址的 I/O 口； （9）一个片内振荡器。 MCS-S 1 单片机的内部结构主要由 8 个部件组成，即微处理器(CPU)、数据 存储器(RAM)、程序存储器、I/O 口(PO 口、P1 口、P2 口、P3 口)、串行口、定 时器/计数器、中断系统和特殊寄存器(SFR)。其中，微处理器由运算器和控制 逻辑组成，主要包括累加器(ACC)、B 寄存器、临时存储器(TMP1、TMP2)、算 术运算单元 ALU 等。特殊功能寄存器 SFR(Special Function Register)是用来 对片内各功能单元进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是位于 片内数据存储器上的一个特殊功能的 RAM 区，其地址范围为 80H-FFH。SFR 主要 包括 P0 口锁存器、P1 口锁存器、P2 口锁存器、P3 口锁存器、串行口控制寄存 器 SCOlV、中断允许寄存器 IE、定时器/计数器控制寄存器 TCON、程序状态字 寄存器 PSW、B 寄存器、累加器 ACC 等。图 2-2 给出了 MCS-51 单片机的结构框 图。 机电控制工程系毕业设计（论文） 7 内部总线 时钟电路 CPU INT0 T1T0 并行接口串行接口 P0 P1 P2 P3TXD RXD 中断系统 ROMRAM 定时/计数器 INT1 图 2-2 MCS-51 单片机的结构框图 2.3.2 时钟电路设计 51 单片机的时钟产生方式有两种，分别为：内部时钟方式和外部始终方式。 本设计采用内部时钟方式，如图 2-3 示。 图 2-3 时钟电路 单片机内部的振荡电路是一个电阻和高增益反相放大器构成一个稳定的自 激振荡器，引线 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作 电路的输入和来自反向振荡器的输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。 单片机内部虽然有震荡电路，但要形成成时钟，外部还需要附加电路。石晶振 荡和陶瓷振荡均可采用。 晶体和电容决定了单片机的工作时间精度为 1 微秒。晶体可在 1.2-12MHz 之间选择。MCS-51 单片机在通常应用情况下，使用震荡频率为 6MHZ 的石英晶 机电控制工程系毕业设计（论文） 8 体，而 12MHZ 频率的晶振主要是在高速串行通信情况下才使用，在这里我用的 是 12MHZ 石英晶体。对电容无严格要求，但它的取值对震荡频率输出的稳定性、 大小及震荡电路起震荡速度有一点影响。C1 和 C2 可在 20-100PF 之间取值，一 般情况取 30PF。 2.3.3 复位电路设计 MCS-51 单片机有一个复位引脚 RST/VPD，在该引脚上保持 2 个机器周期以 上的高电平，单片机就会复位。复位后，PC 初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。 复位方法主要有： 1、上电自动复位方式 2、按键电平复位方式(手动复位) 3、用看门狗技术实现自动复位。 本设计采用上电自动复位方式，如图 2-4 示。 图 2-4 复位电路 上电自动复位是在单片机接通电源时，对电容充电来实现的。上电瞬间， RST 端的电位与 VCC 相同。随着充电电流的减小，RST 端的电位逐渐下降,只要 在 RST 端有足够长的时间保持阈值电压，8051 单片机便可自动复位。 2.4 步进电机控制系统设计 旧式的步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如 机电控制工程系毕业设计（论文） 9 图 2-5 所示。步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控 制门等。其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正 反向控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱 动步进电机转动。在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本高，限制了 它的应用。 图 2-5 步进电机控制系统的组成图 随着微型计算机的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲 的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。这不 仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。图 2-6 为微机控 制步进 电机的系统结构图。 图 2-6 微机控制步进电机的系统结构图 2.4.1 步进电动机概述 把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置 中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电 动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁 盘等装置。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大 机电控制工程系毕业设计（论文） 10 器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定 于电机与驱动电源间的良好配合。 2.4.2 步进电机的结构和原理 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制现在比较 常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单 相式步进电机等。其中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。现阶段,感应子式步进电机获得较多 的应用。 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，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、 噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可 以作四相运行，也可以作二相运行。 （必须采用双极电压驱动） ，而反应式电机 则不能如此。例如：四相、八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用 二相八拍运行方式。一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电 机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的 动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相） ，这样使用时，既可以作四相 电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。 各种步进电机工作原理都大同小异，因为反应式步进电机工作原理比较简 单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 (1)结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，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、2/3H,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 H 表示） ，即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3H，C 与齿 3 向右错开 2/3H，A与齿 5 相对齐， （A就是 A，齿 5 就是齿 1）下面是定转子的展开图： 机电控制工程系毕业设计（论文） 11 图 2-7 定转子展开图 (1)旋转： 如 A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐， （转子不 受任何力以下均同） 。 如 B 相通电，A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3H，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3H，齿 4 与 A 偏移（H-1/3H）=2/3H。 如 C 相通电，A，B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3H，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3H 对齐。 如 A 相通电，B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3H 这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电 机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A，B，C，A通电，电机就每步 （每脉冲）1/3H,向右旋转。如按 A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关 系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB- B-BCC-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步 1/3H 改变为 1/6H。甚至于通过 二相电流不同的组合，使其 1/3H 变为 1/12H，1/24H，这就是电机细分驱动的 基本理论依据。 不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这 是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的 步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 (3)力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错开一 定角度产生力 F 与（d/d）成正比 机电控制工程系毕业设计（论文） 12 图 2-8 磁通量与受力图 其磁通量 =Br*S。Br 为磁密，S 为导磁面积，F 与 L*D*Br 成正比， L 为铁芯 有效长度，D 为转子直径。Br=NI/R，NI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数） R 为磁阻。力矩=力*半径。力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑 线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小， 电机力矩越大，反之亦然。 2.4.3 步进电机控制方法 串行方式：将单片机 8051 与串行接口芯片 8251 组成串行控制系统，与步 进电机驱动电源相连，通过将控制信号送入电源中的环行分配器，再经功率放 大器放大，就可控制步进电机的运行，如图 2-9 所示。 图 2-9 串行控制方式示意 并行方式：用单片机 8051 和 P1 的数条输出信号直接控制步进电机各相驱 动电路的方式，称为并行控制。在步进电机驱动电源内包括环行分配器，但其 功能由单片机系统完成。由系统实现脉分配器功能的凡是有 2 种，一是纯软件 方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止信号，主要 有寄存器移位法和缓冲区查表法；二是软硬件相结合的方法，单片机向可编程 接口芯片 8255 输出控制信号数据，在由可编程接口芯片输出步进电机的各相导 通或截止的控制信号。如图 2-10 所示。 机电控制工程系毕业设计（论文） 13 图 2-10 并行控制方式示意 2.4.4 步进电机的驱动 步进电机常用的驱动方式是全电压驱动,即在电机移步与锁步时都加载额定 电压，为了防止电机过流及改善驱动特性,需加限流电阻。由于步进电机锁步时,限 流电阻要消耗掉大量的功率,故限流电阻要有较大的功率容量,并且开关管也要 有较高的负载能力。 步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动,即在电机移步时,加额定或超过 额定值的电压,以便在较大的电流驱动下,使电机快速移步;而在锁步时则加低于 额定值的电压,只让电机绕组流过锁步所需的电流值这样,既可以减少限流电阻 的功率消耗,又可以提高电机的运行速度,但这种驱动方式的电路要复杂一些。 驱动脉冲的分配可以使用硬件方法,即用脉冲配器实现。现在,脉冲分配器已经 标准化、芯片化,市场上可以买到，但硬件方法结构复杂,成本也较高。 步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法,即用单片 机实现。使用单片机以软件方式驱动步进电机,不但可以通过编程方法,在一定 范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等,而且还可以 方便灵活地控制步进电机的运行状态,以满足不同用户的要求。因此,常把单片 机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制(包括控 制脉冲的产生和分配)使用软件方法,即用单片机实现,这样既简化了电路,也降 低了成本。 2.5 单片机对步进电机的控制原理 MCS-51 系列单片机工作时首先要进行复位。振荡器开始振荡后，可以通 机电控制工程系毕业设计（论文） 14 过在 RST 引脚上加上两个机器周期的高电平来使芯片实现复位。程序计数器 PC 和特殊功能寄存器 SFR 的复位状态如表 2-1 所示: 表 2-1 寄存器的复位状态 实现复位之后 PC 的值是 0000H，因此，程序的入口地址为 0000H, CPU 从 0000H 开始执行操作。模式控制寄存器 TMOD 为 00H，表示定时器/计数器都处于 方式 0 工作状态，而 TH0、TL0、TH1、TL1 均为 00H 则表示定时器/计数器复位 后都清零。P0、P1、P2 和 P3 端口复位后锁存器都处于“1”状态。工作状态下， 每当 ALE 是高电平的第一个时钟(S1P2、S4P2), P2 口被拉低而 P0 口为高阻态。 实际进行芯片解剖时，可以根据寄存器复位状态下的特殊值来判断功能电路块。 工作时如果芯片的外部选通信号 EA 被拉为高电平，则首先访问内部数据存 贮器。如果 EE1 总是保持低电平，则只访问外部程序存贮器，也就是说，无论 是否有内部程序存贮器，所有的程序取指都是直接指向外部 ROM 的。当执行外 部程序存贮器内的程序时，每个机器周期内都是 PSEN 两次有效，ALE 两次输出 高电平，用于锁存地址的低位字节。我们在开始进行反向解剖时，没有设计使 用芯片内部的 FLASH，因此只选用访问外部程序存贮器方式。在这种状态下， 得到的 PSEN、ALE 的频率是振荡器频率的 1/6,PSEN 信号波形占空比为 1/1，而 ALE 信号波形占空比为 1/2。每个机器周期中 ALE 信号的高电平为 S1P2、S2P1、S4P2、S5P1、 PSEN 信号的高电平为 S1P2、S2P1、S2P2、S4P2、S5P1、S5P2。总之，CPU 在 PSEN、ALE 和外部数据 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000B00H ACC00HTHO00H SP07HTLO00H TMOD00HTH100H DPTR0000HTL100H P0P3 锁存器 FFHPSW00H 机电控制工程系毕业设计（论文） 15 存储器写选通信号 WR、读选通信号 RD 而的共同作用实现功能。 第三章 控制系统软件设计 3.1 程序流程图 3.1.1 主程序流程图 主程序流程图如图 3-1 所示。 机电控制工程系毕业设计（论文） 16 图 3-1 主程序流程图 机电控制工程系毕业设计（论文） 17 3.1.2 键输程序流程图 两次按键值不同吗? 第一次发现键按下吗? 键有效标志 =0吗 ? 无键按下吗? 置第一次发现键 按下标志，存键值 清键有效标志 清第一次发现键 按下标志，清键值 下标志，保存键值 键处理 返回 开始 置键有效标志 键有效标志 =1吗? Y Y Y Y Y 图 34 键盘扫描程序流程图 3.2 程序设计 ASTEP EQU 01H BSTEP EQU 02H CSTEP EQU 04H DSTEP EQU 08H ESTEP EQU 60H ORG 0H STEP： MOV DLY_C,#10H JMP LOOP 机电控制工程系毕业设计（论文） 18 LOOP: ；单、双八拍工作方式 MOV A,#ASTEP ；A 相得电 CPL A MOV P2,A LCALL DELAY MOV A,#ASTEP+BSTEP ；A、B 两相得电 CPL A MOV P2,A LCALL DELAY MOV A,#BSTEP ；B 相得电 CPL A MOV P2,A LCALL DELAY MOV A,#BSTEP+CSTEP ；B、C 两相得电 CPL A MOV P2,A LCALL DELAY MOV A,#CSTEP ；C 相得电 CPL A MOV P2,A LCALL DELAY MOV A,#CSTEP+DSTEP ；C、D 两相得电 CPL A MOV P2,A LCALL DELAY MOV A,#DSTEP ；D 相得电 MOVX DPTR,A LCALL DELAY MOV A,#DSTEP+ASTEP ；D、A 两相得电 机电控制工程系毕业设计（论文） 19 CPL A MOV P2，A LCALL DELAY MOV A，DLY_C DEC A ；提高转速 CJNE A，#1，NN1 ；最快速度 INC A ；降低转速 NN1： MOV DLY_C，A LJMP LOOP LOOP1： ；双四拍工作方式 MOV A,#ASTEP+BSTEP ；A、B 两相得电 CPL A MOV P2,A LCALL DELAY MOV A,#BSTEP+CSTEP ；B、C 两相得电 CPL A MOV P2,A LCALL DELAY MOV A,#CSTEP+DSTEP ；C、D 两相得电 CPL A MOV P2,A CALL DELAY MOV A,#DSTEP+ASTEP ；D、A 两相得电 CPL A MOV P2，A LCALL DELAY MOV A，DLY_C DEC A ；提高转速 机电控制工程系毕业设计（论文） 20 CJNE A，#2，NN2 ；最快速度 INC A ；降低转速 NN2： MOV DLY_C，A JMP LOOP1 LOOP2： ；单四拍工作方式 MOV A,#DSTEP ；D 相得电 CPL A MOV P2,A CALL DELAY MOV A,#CSTEP ；C 相得电 CPL A MOV P2,A CALL DELAY MOV A,#BSTEP ；B 相得电 CPL A MOV P2,A CALL DELAY MOV A,#ASTEP ；A 相得电 CPL A MOV P2,A CALL DELAY MOV A，DLY_C DEC A ；提高转速 CJNE A，#3，NN3 ；最快速度 INC A ；降低转速 NN3： MOV DLY_C，A JMP LOOP2 机电控制工程系毕业设计（论文） 21 DELAY： MOV R6，DLY_C DD1： MOV R5，68H DD2： MOV R7，#0 DJNZ R7，$ DJNZ R5，DD2 DJNZ R6，DD1 RET END 机电控制工程系毕业设计（论文） 22 第四章 抗干扰设计及措施 4.1 硬件抗干扰设计 干扰信号可分为串模干扰和共模干扰两大类。针对这两种干扰己经有很多 成熟的抗干扰技术。下面将本论文用到的几种抗干扰技术和设计简单介绍一下。 4.1.1 抗串模干扰措施和设计 串模干扰通常是加在各种不平衡输入信号和输出信号上，还有很多情况下 是通过供电线路窜入系统的。因此，抗干扰电路