基于单片机控制的步进电机控制系统毕业论文

1 目录 1 绪论 3 2 步进电机原理及硬件软件设计 4 进电机原理及其控制技术 4 体设计方框图 7 计原理分析 7 器件介绍 7 案论证 9 件设计 9 件设计 12 3结论 15 参考文献 16 附录 1 电路原理图 17 附录 2 程序清单 18 致谢 21 2 基于步进电机控制系统的设计 摘要 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于 8051 单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、 /O 接口、中断、键盘、 示器的扩展、步进电机的环形分配器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转 ，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动 。 随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛， 自六十年代初期以来 , 步进电机的应用得到大大提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪、磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需要量与日惧增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强、价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的 技术和充足的资源。 关键词： 8051 单片机 ,四相步进电机 ,控制 3 on 1 is a in to I/O of of a to a To C in to a of NC of in it to a of as as In as as is of of in a of of of in of of of to to so in he of of 051, 4 1. 绪论 早在十九世纪三十年代就出现了步进电机，那时候的步进电机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电机 没有什么区别 。我国对步进电机的研制及应用起步不算太晚，早在 1958 年，我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电机，并开始应用于数控机床中，进入上世纪六十年代中期，结构新颖的步进电机相继问世，为了降低电动机功耗以及提高效率，人们发明了永磁式和混合式步进电动机。到上世纪七十年代，步进电机的生产进入了全盛时期，其产量每年都以 11%的指数递增。到目前为止，步进电机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面，所以对步进电机的研究越来越重要。 国外方面， 1952 年，美国麻 省工学院首先研制成三坐标数控铣床。数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件一直是争论的焦点，经过理论分析和现场试验，发现使用步进电机作为进给机构的驱动元件是理想的选择，这一应用使得步进电机的使用范围更加广泛。 步进电动机已成为初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。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统 的要求。为了适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应有十分广泛的一类便是步进电动机 。 步进电机的发展与计算机工业密切相关，自从步进电机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用于其它领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。 任何一种产品的成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在， 步进电机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式、和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电机，由于混合式步进电机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。 由于步进电机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动机水平。 5 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。它有输入脉冲 与电机轴转 角成比例的特征。它将电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。 单片机在一个集成芯片中，集成有微处理器 (存储器（ 基本的 /O 接口以及定时 /计数部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。 步进电机的控制部分以单片机为主的微处理器控制，其特点如下： 处理器的控制方式是由软件完成时，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只需修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。 制精度高。微处理器有更强的逻辑功能、运算速度快、精度高、 有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。并且不论控制量的大或小，都可以保证足够的控制精度。 电机的控制中，要用到键盘和显示器作为人机界面，实现步进电机的控制。由于单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，指令功能强，运行速度快，可靠性高及灵活性好，开发也较为容易，所以国内近些年来已将其广泛应用于工业测控、机电设备、仪器仪表、军事设置、家用电器 等方面的自动化、智能化。 2. 步进电机原理及硬件软件设计 进电机原理及其控制技术 由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备 控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称 软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大 步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制 2 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍 3 种 , 其基本原理如下： (1) 换相顺序的控制 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如 ,三相步进电机在单三拍的工作方式下 ,其各相通电顺序为 A B C A ,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序 分 6 别控制 A、 B、 C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 三相六拍的通电顺序为 A B C A。 (2) 步进电机的转向控制 如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A B C A。如果按反序通电换相 ,即 A C B A ,则电机就反转。其他方式情况类似。 (3) 步进电机的速度控制 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。 2 个脉冲 的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。 (4) 步进电机的起停控制 步进电机由于其电气特性 ,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机转轴不能自由转动。 (5) 步进电机的加减速控制 在步进电机控制系统中 ,通过实验发现 ,如果 信号变化太快 ,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化 ,这时就会产生堵转和丢步现象。所以步进电机在启动时 ,必须有加速过程 ,在停止时必须有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线 ,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律 ,能充分利用步进电机的有效转矩 ,快速响应性好 ,缩短了升降速的时间 ,并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中 ,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率” ,与此类似“ , 停止频率”是指 系统控制信号突然关断 ,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应 ,有了这些数据 ,才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程由突跳频率加加速曲线组成 (减速过程反之 ) 。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率 f 0 。步进电机的最高起动频率 (突跳频率 ) 一般为 0. 1 3 4 而最高运行频率则可以达到 N 102 以超过最高起动频率的频率直接起动 ,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实 际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法 ,即阶梯加速法。一般可按 2 种情况处理 : 已知突跳频率则按突跳频率分段起动 ,分段数 n = f 0 ; 7 未知突跳频率 ,则按段拟合至给定的起动频率 ,每段频率的递增量 (后称阶梯频率 ) f = 即采用 8 段拟合。在运行控制过程中 ,将起始的速度 (频率 ) 分为 n 分 ,作为阶梯频率 ,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度 ,然后锁定 ,按预置的曲线运行 ,如图 1 所示。 在一般的应用中 ,经过大量实践和反复验证 ,频率如按直线上升或下降 ,控制效果就可以满足常规的应用要求。用 现步进电机的加减速控制 ,实际上就是控制发脉冲的频率。加速时 ,使脉冲频率增高 ,减速时则相反。如果使用定时器来控制电机的速度 ,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从 化 ,如果是线性增加 ,则按给定的斜率加 如果是突变 ,则按阶梯加速法处理。在此过程中要处理好 2 个问题 : 速度转换时间应尽量短 为了缩短速度转换的时间 ,可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率 ,就可以建立一个连续的数据表 ,并通过转换程序将其转换为定时初值表。 通过在不同的阶段调用相应的定时初值 ,就可控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的 ,并不占用中断时间 ,保证电机的高速运行。 保证控制速度的精确性 要从一个速度准确达到另外一个速度 ,就要建立一个校验机制 ,以防超过或未达到所需速度。 (6) 步进电机的换向控制 步进电机换向时 ,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第 1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低 电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向加速 3 个过程。 步进电机有如下特点： 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 8 由步进 电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，有非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 速度可在相当宽的 范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行 ，它不能直接用交流电源或直流电源。 步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。 体设计方框图 总体设计方框图如图 2 所示 。 图 2 总体设计方框图 计原理分析 器件介绍 (1)步进电机 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。 步进电机分三种：永磁式（ 、 反应式（ 混合式（ 步进电动机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动、反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于在开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进 /倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进 电动机为数字 /角度转换器。 状态显示电路 电源及时钟电路 89片机 复位电路 键盘控制电路 步进 电机 9 四相步进电机的工作原理 该设计采用了 20步进电机，该电机为四相步进电机，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。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。 步进电机的静态指标及术语 相数：产生不同对 N、 常用 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用 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 相八拍运行方式即 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（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为 50 齿电机为例。四相运行时步距角为 =360 度 /(50 4)=，八拍运行时步距角为 =360 度 /（ 50 8）=。 定位转矩：电机在不通电的状态下，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：电机在额定静态作用下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩 是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子与转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 四相步进电机的脉冲分配规律 目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用 软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍，和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图 3 a、 b、 设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律 表 1、 2 所示。 在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定的程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉频率一定要控制在步进电机允许的范围内。 10 图 3 步进电机工作时序波 形图 表 1 四相单四拍脉冲分配表 表 2 四相双四拍脉冲分配表 (2)89片机 司的生产的 89片机是一种低功耗 /低电压、高性能的 8 位单片机，它采用 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 容；片内的 许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除 ，还包括 256 字节 4个 8 位并行 I/O 口，5个中断源， 2 个中断优先级， 2 个 16 位可编程定时计数器， 89片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。 (3)片功能 集成达林顿管 部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列 16 脚封装 ,体管矩阵 ,最大驱动电压 =50V,电流=500入电压 =5V,适用于 达林顿管组成驱动电路。 集成达林顿管 部还集成了一个消线圈反电动势的二极管 ,它的输出端允许通过电流为 200和压降 1V 左右，耐压 为 36V。通常单片机驱动 ，上拉 2K 的电阻较为合适，同时， 脚应该悬空或接电源。 高耐压、大电流达林顿陈列 ,由七个硅 林顿管组成。 该电路的特点如下 : 每一对达林顿都串联一个 基极电阻 ,在 5V 的工作电压下它能与 路 直接相连 ,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。 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。 其方框图如图 4 所示 11 图 4 框图 案论证 从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向指示，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要 2 根口线，再加上一根方向线和一根启动信号线共需要 4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选用的是国产 20步进电机，它使用 +5V 直流电源，步距角为 18 度的四相步进电机，该电机共有 4 相绕组，工作电压为 5伏，可以和单片机共用一个电源。步进电机的 4 相绕组用 的 制，由于 驱动能力不够，因而用一片 2003 增加驱动能力。用串口输出方式显示，外接串并转换芯片74以实现静态显示，减少了软件开销，同时只占两根口线，串口 扩两片 74并转换芯片即可满足显示要求，选用共阳接法的数码管。 本设计的硬件电路主要包括控制电路、最小系统 、驱动电路、显示电路四大部分组成。 控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需求进行操作； 最小系统主要是为了使单片机正常工作； 驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电路转动 ； 显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。 (1)控制电路 根据系统的控制要求， 控制输入部分设置了启动控制、换向控制、加速控制和减速控制按钮，分别是 制电路 如图 5 所示。通过 状态变化时，内部程序检测 状态来 调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。 根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通 12 入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断 在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过 制外部中断 0，外部中断 1，实现加速和减速的控制。通过 断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而 改变了电机的转速。 图 5 控制电路原理图 (2) 最小系统 单片机最小系统或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。 复位电路：使用了独立式键盘，单片机的 键盘的接口。该设计要求中只需要 4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了6路独立示键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路有两 30电容和一 12路如图 6所示。 晶振电路： 8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部 振荡方式和外部 振荡 方式。在引脚 接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部 有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 5 所示。其电容值一般在 5振频率的典型值为 12用 6部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。 6 P P 0 1 /V S E 012 113 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E E / C 5 1 13 图 6 复位及时钟振荡电路 (3) 驱动电路 通过 成步进电机的驱动电路 ,电路图如图 2所示。通过单片机 经 7407 缓冲器和光电偶合后对 发送方波脉冲信号，起时序图如图 7示。 图 7 步进电机驱动电路 (4) 显示电路 在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转 P P 0 H A L 218X T A L 119 8 9 C 5 1V C C 14 速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要 是利用了单片机的串行口，单片机 89串行口是一个全双工的串行通信口，可作为同步移位寄存器使用，其数据由 串行输出和输入；而同步移位时钟由 串行输出，在同步时钟作用下，可实现由串行到并行的数据通信。该电路中，主要是利用串行口加外围芯片 74成的电机状态及转速等级显示电路，第一个数码管显示电机状态，正转时显示“ 0”，反转时显示“”。第二个数码管显示电机的转速级别，共 7级，显示数字从 17，“ 0”为停止。电路如图 8 所示，使用了共阳数码管。 图 8 电机运行状态及转速显示电路 (5) +5V 稳压电源 电路中用到的模块电源大多是 +5V 的直流电源，本设计同时设计一个 +5V 的稳压电源。 电路为输出电压 +5V，输出电流 压电源。它的电压变压器 B，桥式整流电路 4，滤波电容 止自激电路 一只固定式三端稳压器（ 7805）极为简捷方便的搭成。 200V 交流电通过电源变压器变换成交流低压，在经过桥式整流电路 4和滤波电容 整流和滤波，在固定式三端稳压器 端形成一个并不十分稳定的直流电压 （该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。此直流电压经过 稳压和 滤波便在稳压电源的输出端产生精度高、稳定性好的直流输出电压。稳压电源电路如图 9 所示。 E A /V S E 012 113 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E E / C 5 1 L S 1 6 4 L S 1 6 4 2 1V C 5 图 9 5V 稳压电源 件设计 通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、减速信号和方向信号，因而用中断方式效率最高，这样总共要完成 4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断 0及外部中断 1中断部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关 的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。 (1) 主程序设计 主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对 送初值以决定脉冲分配方式、速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度、对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容 。若初始化 1H、速度和方向初始值均设为 0，这意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“ 8”，速度值显示 0，主程序流程如图 10 所示： 16 图 10 主程序流程图 (2) 定时中断设计 步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，步进电机的速度就越高。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断 一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数。因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图 11所示。 (3) 外部中断设计 外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮 断，其程序流程为读原数据，当值 7 时，不改变原数值返回，值 7，数据 1 返回；速度减少按钮 原数据不为 0，减 1 保存数据，原数 据为 0 则保持不变。程序流程图如图 12所示。 停止计时器 停止计时器 启动计时器 速度值为 0? 延时 启动开关 为 0? 显示 初始化 开始 N N 17 图 11 定时中断程序流程图 断入口 保护现场 中断次数 1=0？ 读方向指示 发速度脉冲 重送相关状态 恢复现场 中断返回 Y N 18 图 12 外部中断程序流程图 3. 结论 本设计 通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的生产场合，又可很有效的用于职业 学校的相关实践教学中的步进电机控制系统，达到了预期的目标。 对于本次设计，有以下结论： (1)采用单片机为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便、交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。 （ 2）键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术，节约了单片机资源。 （