以ULN2003A为驱动器单片机的步进电机的控制系统毕业论文.doc

xxxx大学设计以ULN2003A为驱动器单片机的步进电机的控制系统毕业论文目 录摘要1Abstract2第一章 绪论31.1 引言31.2 国内外步进电机控制的研究31.3 本文研究内容4第二章 步进电机概述62.1 步进电机的分类62.2 步进电机的特点62.3 步进电机的结构及工作原理82.3.1 结构82.3.2 对齿和错齿92.3.3 工作原理102.3.4 工作方式112.4 步进电机的常用术语112.5 步进电机的振荡和失步122.5.1 振荡122.5.2 失步132.6 步进电机的细分132.7 步进电机的矩频特性14第三章 步进电机的驱动系统153.1 步进电机的驱动系统简介153.2 单片机模块153.2.1 单片机简介153.2.2 STC89C52RC引脚功能说明173.2.3 单片机控制电路183.2.4 步进电机控制系统原理203.2.5步进电机的速度控制233.2.6 步进电机的位置控制243.3 步进电机驱动模块243.3.1 ULN驱动器简介243.3.2 ULN2003的作用243.4 显示模块263.4.1 1602LCD简介263.4.2 1602LCD的基本参数及引脚功能28第四章 步进电机控制器驱动程序的设计304.1 主程序流程图304.2 电机运行主流程304.3 键盘子程序流程31总结33参考文献34致谢35附录36第一章 绪论1.1 引言历史证明，一个国家的制造业水平在很大程度上可以体现国家的实力，国家的发展也在很大程度上依赖于先进的制造业，所以大多数国家都非常重视大力发展造业，二战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控(NC)、计算机数控(CNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计与制造(CADCAM)、计算机集成制造系统(CIMS)等多项先进制造技术与制造模式，推动着世界制造业进入一个崭新的阶段。而在这些技术环节中，具有很多优点的步进电机就是一个重要角色，比如在数控技术中。步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Stepping motor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。可以说步进电机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步迸电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。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，这是步进电机最突出的优点。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。1.2国内外步进电机控制的研究步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。随着现代科技的高速发展，步进电机在人们生产和生活中发挥越来越大的作用。我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。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。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。因而，对于步进电机控制的研究也就显得重要了。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由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式变得更加灵活多样。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。1.3本文研究内容 本设计主要是研究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。系统中采用单片机和驱动器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现脉冲的分配。第二章 步进电机概述2.1步进电机的分类步进电机的种类很多，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。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。2.2 步进电机的特点步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称 Stepper Motor 或Stepping Motor、Pulse Motor、Stepper Motor 等。步进电机有以下优点：1.可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2.直接接收数字信号，不必进行数模转换,使用方便。 3.一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。 4.无刷,电动机本体部件少，可靠性高。5.易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好。6.停止时，可有自锁功能。7.步距角选择范围大,可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在低速下以高转矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作。8.速度可以在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行。 但也有以下缺点: 1.步进电机外表不允许较高的温度: 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，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。 2.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。 3.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 4.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。 5.步进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的措施。 6.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。2.3步进电机的结构及工作原理2.3.1 结构图2.1 步进电机结构图 如图 2.1 所示，步进电机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，并且小齿的大同，间距相同。2.3.2 对齿和错齿图2.2 步进电机转子展开图 反应式步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态，如图2.2中的A相位置，这种现象被称为对齿。而对于三相步进电机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。2.3.3 工作原理图2.3 步进电机三相接线图 如图2.3所示，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。以反应式步进电机为例：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1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。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1/3，此时齿4与 A偏移为 1/3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1/3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）1/3,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-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，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。2.3.4 工作方式 1.单四拍：通电顺序为 ABCD； 2.双四拍：通电顺序为 ABBCCDDA； 3.四相八拍：通电顺序为 AABBBCCCDDDA； 这三种工作方式的区别，如下表所示：工作方式单四拍双四拍八拍步进周期TTT每相通电时间T2T4T走齿周期4T4T8T相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡容易较容易不容易功耗小大中 表2.1 步进电机的工作方式 由表2.1可以看出这三种工作方式中，八拍的性能最好，单四拍的性能最差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主要研究的是四相八拍工作方式。2.4 步进电机的常用术语 1.齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。z=2/Z(Z 是转子的齿数) 2.步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。b=z/N =2/NZ(N是工作拍数，Z是转子的齿数) 3.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。 4.失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 5.零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。6.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。 7.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。 8.响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。 9.运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。 10.单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。2.5 步进电机的振荡和失步2.5.1 振荡 步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。 步进电机的振荡现象主要发生于步进电机工作在低频区，步进电机工作在共振区，步进电机突然停止时。 当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运行，当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动，到达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点，这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。如此下去，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰弱振荡，最终稳定在平衡点。当步进电机工作在共振区时，步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率fo或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。振荡失步的过程可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第2个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆，接着第3个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点，这样，转子经过3个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。 当步进电机工作在高频率区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时，绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。2.5.2 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。 步进电机失步的原因有2种: 1.转子的转速慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。例如，步进电机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动频率，启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。 2.转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。2.6 步进电机的细分 随着步进电机在数控机械、自动化领域中的应用越来越广泛，对小步距、低振动和低噪声的步进电机要求愈来愈迫切。步距角是指每给一个电脉冲信号步进电机转子所转过的机械角度。步距角公式式2.1 式2.1中 Z一转子齿数； m一运行拍数，通常等于定子相数或相数的整数倍，即m=KM； M一定子相数； K一电机驱动方式。 由式2.1看出，步距角的大小由电机自身参数m、Z，和电机驱动方式k决定，受电机制造工艺的限制，靠增加m和z，来减小步距角受到一定限制，此时必须通过增大k来获得更小的步距角。当步进电机工作于整步工作方式时，k=l；当步进电机工作于半步工作方式时，k=2；为了获得更大的k，就必须采用细分控制方法。细分驱动技术可以大幅度减小步进电机的步距角，并且步距角越小，进入稳定区域越容易，这样就增加了电机运行的平稳性，还可以减弱甚至消除电机的低频振荡和噪声，提高起动频率和高速下的转矩，同时也可以提高电机的定位分辨率和精度。2.7 步进电机的矩频特性 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩Md与连续运行频率f之间的关系。矩频特性曲线上每一个频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩随连续运行频率的上升而下降下。 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曲线，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。步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般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，为使电机输出力矩大，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。如图2.4所示。图2.4力矩频率曲线第三章 步进电机的驱动系统3.1 步进电机的驱动系统简介如图3.1所示，是一个简单地步进电机驱动图，从图中我们可以看到步进电机主要由单片机控制，并通过驱动器放大信号进行驱动，所以说单片机和驱动器是步进电机驱动系统里必不可少的重要部分。本设计中用到的单片机是STC89C52，是一种常用的单片机，功能强大，价格低廉，完全能够达到本设计的要求；本设计中用到的驱动器是ULN2003A，是一种集成芯片，为步进电机提供了稳定可靠的驱动。本设计同时还用到了LCD显示模块，用来显示步进电机的工作状态。接下来我为大家介绍这些模块。图3.1 单片机控制步进电机的原理系统图3.2 单片机模块3.2.1 单片机简介STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统STC89C52RC单片机，选择12时钟/机器周期。 主要特性如下： 1. 增强型STC89C52RC单片机，12时钟/机器周期指，指令代码完全兼容传统STC89C52RC。 2. 工作电压：5.5V3.3V。 3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz。 4. 用户应用程序空间为8K字节。 5. 片上集成512字节RAM。 6. 通用I/O口（32 个）P1/P2/P3/P4是准双向口，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。 7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。8. 具有EEPROM功能。9. PDIP封装。 10. 共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。 11. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。 12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。 13. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级） STC89C52RC 单片机的工作模式掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。 空闲模式：典型功耗2mA典型功耗。正常工作模式：典型功耗4Ma7mA典型功耗。 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。3.2.2 STC89C52RC引脚功能说明 图3.2 STC89C52RC引脚图 1.主电源引脚（2根） VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源。 GND(Pin20)：接地线。 2.外接晶振引脚（2根） XTAL1(Pin18)：片内振荡电路的输入端。 XTAL2(Pin19)：片内振荡电路的输出端。 3.控制引脚（4根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号。 PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号。 EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 4.可编程输入/输出引脚（32根） STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。 PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7 P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.73.2.3单片机控制电路 1.时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3.3(a) 所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图3.3（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。 （a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图3.3时钟电路 2.复位电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3.1所示。寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H表3.1一些寄存器的复位状态RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图3.4所示图3.4复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3.5（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3.5（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图3.5（c）所示：（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图3.5复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于12MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。 本系统的复位电路采用图3.5（b）按键电平复位电路。3.2.4 步进电机控制系统原理 1.脉冲序列的生成图3.6 脉冲的生成 脉冲幅值：由数字元件电平决定。 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制。 要求：确保步进到位。 2.方向控制步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。四相八拍，通电顺序为: 正转: AABBBCCCDDDA 反转: AADDDCCCBBBA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向,通过软件实现脉冲分配。 按照给定的通电换相顺序，通过单片机IO向驱动电路发出控制脉冲，下面以四相八拍为例上面提到了工作方式通电换相得正序为 AABBBCCCDDDA ，反序为 AADDDCCCBBBA 在本设计中I/O口对应的相位为： P1.0：A相驱动 P1.1：B相驱动 P1.2：C相驱动 P1.3：D相驱动 如图3.7图3.7 用软件实现脉冲分配的接口示意图 四相八拍控制字如下表所示： 通电状态 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 控制字A000101HAB001103HB001002HBC011006HC010004HCD11000CHD100008HDA10010DH表3.2 四相八拍作方式的控制字 注：0代表使绕组断电，1代表使绕组通电。 在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。图3.8 控制电路图 图中1，2，3，5，6，7，8按钮分别控制步进电机正转、反转、停止，加速、减速，正点动，逆点动。3.2.5步进电机的速度控制 步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于脉冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，控制步进电机的速度的方法可有两种： 1.软件延时法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法CPU 长时间等待，占用大量的机时，因此没有实践价值。 2.定时器中断法：在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速，这种方法占有的CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用理想的调速方法。 定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0的电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出，改变定时常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。3.2.6 步进电机的位置控制 步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置，步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。步进电机的位置控制需要两个参数： 1.步进电机控制执行机构当前的位置参数（我们称为绝对位置），绝对位置是有极限的，其极限是执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。 2.从当前位置移动到目标位置的距离，我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数，这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。 对步进电机位置控制的一般作法是：步进电机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0，因此，用步数是否等于0来判断是否移动到目标位置，作为步进电机停止运行的信号。3.3 步进电机驱动模块3.3.1 ULN驱动器简介步进电机不像直流电机、交流电机一样，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动器。本文中用到的驱动器型号是ULN2003A，ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消除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,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。3.3.2 ULN2003的作用ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003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。在本设计中ULN用于驱动步进电机，为步进电机提供有效地脉冲信号。3.3.3 ULN2003A引脚图及功能图3.9 ULN2003A引脚图引出端序号符号功能引出端序号符号同意功能11B输入9COM公共端22B输入107C输出33B输入116C输出44B输入125C输出55B输入134C输出66B输入143C输出77B输入152C输出8E发射极161C输出表3.3 驱动器引脚的功能 在本电路中的接法如图3.10所示图3.10 ULN2003A驱动器在本电路中的接法图本设计中用到的步进电机是四相步进电机，所以单片机的脉冲输出端口P1.0，P1.1，P1.2，P1.3依次连接驱动器的1B,2B,3B,4B；8B端口接地。驱动器另一端1C,2C,3C,4C依次连接步进电机A,B,C,D四相，COM端接5V高电平，5C,6C,7C接地。达到控制步进电机的目的。3.4 显示模块3.4.1 1602LCD简介 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本设计中用到的液晶显示器主要用来显示步进电机的正转，反转，加速，减速，正点动，逆点动的实时状态。其外观结构和在本设计中的电路连接如图3.11所示图3.11 1602LCD液晶显示器外观和接线图3.4.2 1602LCD的基本参数及引脚功能 1.1602LCD主要技术参数 显示容量:162个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 2.引脚功能说明 1602采用标准的16脚接口，其中: 第1脚：VSS 为地电源 第2脚：VDD 接5V正电源 第3脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度 第4 脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚： RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS 为低电平RW 为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW 为低电平时可以写入数据。 第6 脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第1516脚：空脚。 3.1602LCD的指令说明及时序 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平） 指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。 指令2：光标复位，光标返回到地址00H。 指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 指令7：字符发生器RAM地址设置。 指令8：DDRAM地址设置。 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10：写数据。 指令11：读数据。 5.基本操作时序 如表5.1 规律：（都是通过对RS R/W E来控制）读状态输入 RS=L，RW=H，E=H 输出 DB0DB7=状态字 写指令输入 RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=指令码 输出 无 读数据输入 RS=H，RW=H，E=H 输出 DB0DB7=数据 写数据输入 RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=数据 输出 无 表3.4 基本操作时序总之就是RS ，R/W ，E就是决定读、写、数据、命令的组合。而DB0DB7就是决定具体的指令。第四章 步进电机控制器驱动程序的设计4.1主程序流程图 开始系统初始化YN按键判断相应按键子程序相应显示子程序结束图4.1主程序流程图 系统上电复位过，先经过必要的参数初始化后，便进入按键查询，等待操作，当有按键按下后，程序便调用相应的子程序运行。4.2电机运行主流程 即对相应的系统参数进行初始化，包括系统上电默认运行参数设定(正向、四相八拍工作方式)、系统各指针复位、中断设定、定时器设定、堆栈设定、变量初始值载入等等。其流程如图4.2所示: 图4.2电机运行主流程图4.3 键盘子程序流程 值得注意的是键盘扫描和各中断响应是同时进行的。其流程如图4.3所示：图4.3 键盘程序流程图参考文献1张洪润，蓝清华.单片机应用技术教程M.北京：清华大学出版社，1997.2秦曾煌.电工学M.北京:高等教育出版社，1999.3常斗南.可编程序控制器原理、应用、实验M.北京：机械工业出版社，1998.4于海生.微型计算机控制技术M.北京：清华大学出版社，1999.5王福瑞.单片机微机测控系统设计大全M.北京：北京航空航天大学出版社，1998.6陈理壁.步进电机及其应用M.上海：上海科学技术出版社，1989.7 刘保延.步进电机及其驱动控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1997.8季维发，过润秋，严武升.机电一体化技术M.北京：电子工业出版社，1995.9郭敬枢，庄继东，孔峰.微机控制技术M.重庆:重庆大学出版社，1994.10刘国荣.单片微型计算机技术M.北京：机械工业出版社，1996.11王福瑞.单片微机测控系统设计大全M.北京:北京航空航天大学出版社，1998.12 何立民.单片机应用技术选编M.北京：北京航空航天大学出版社，1993.13 李海滨、片春媛、许瑞雪，单片机技术课程设计与项目实例J.中国电力出版社, 2009 版.14孙笑辉,韩曾晋.减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法J.电气传动, 2001 (1).15冯江华,陈高华,黄松涛.异步电