基于单片机的步进电机控制系统设计

基于单片机的步进电机控制系统设计摘要步进电机是机电设备中广泛使用的一种电机，经过长期的发展，步进电机的应用已渗透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械中广泛利用了其开环控制的特点。近年来，随着微电子技术、大功率电力电子技术及驱动技术的进步，步进电机在工业机械等领域作为控制用电机和驱动用电机被广泛使用。传统上由纯电路设计的步进电机的控制和驱动电路一般较复杂，成本又高，而且一旦成型就难于修改,可移植性差，难以适应一些智能化要求较高的场合。本文介绍一种利用AT89S52单片机作为控制器，L298N作为电机驱动芯片来实现对步进电机的简易控制。该控制系统具有电路简单可靠，通用性强，成本低廉，灵活方便等特点。关键词单片机；步进电机；L298NBASEDONSCMSTEPPERMOTORCONTROLABSTRACTSTEPPERMOTORISWIDELYUSEDINELECTRICALANDMECHANICALEQUIPMENT,THROUGHALONGPERIODOFDEVELOPMENT,THEAPPLICATIONOFSTEPPERMOTORHASPENETRATEDINTOALLFIELDSOFDIGITALCONTROL,ESPECIALLYMAKINGUSEFULOFCNCMACHINERYINTHEOPENLOOPCONTROLCHARACTERISTICSINRECENTYEARS,WITHTHEIMPROVENTOFMICROELECTRONICTECHNOLOGY,HIGHPOWERPOWERELECTRONICSANDDRIVINGCHNOLOGY,STEPPERMOTORASACONTROLLINGANDDRIVINGELECTRICMOTORISWIDELYUSEDINTHEFIELDSOFINDUSTRIALMACHINERYTRADITIONALLYTHATITISPROVIDEDBYTHEPURECIRCUITDESIGNSTEPPERMOTORCONTROLANDDRIVECIRCUITISMORECOMPLEXANDMOREEXPENSIVEONCETHEMOLDINGONTHEDIFFICULTANDREVISEDPOORPORTABILITY,ITISDIFFICULTTOADAPTTOANUMBEROFOCCASIONALDEMANDINGINTELLIGENTTHISPAPERPRESENTSASINGLECHIPMICROCOMPUTERWITHTHECONTROLLERAT89S52ANDL298NASAMOTORDRIVERCHIPTOACHIEVEASIMPLESTEPPERMOTORCONTROLLINGTHECONTROLSYSTEMISSIMPLE,RELIABLE,HIGHUNIVERSALITY,LOWCOST,FLEXIBLEANDCONVENIENTKEYWORDSSCMSTEPPINGMOTORL298N目录摘要IABSTRACTII第一章引言111步进电机概述112步进电机的特点与应用2121步进电机的特点2122步进电机的应用213研究背景314本课题研究的主要内容5第二章步进电机工作原理721步进电机分类722步进电机工作原理8221反应式步进电机8222永磁式步进电机9223混合式步进电机923步进电机的参数1024步进电机步距角和旋转角度的计算1025步进电机的速度控制11251控制步进电机速度的方法11252步进电机步数的计算12第三章硬件设计1331单片机模块1332键盘显示模块1433驱动电机模块15第四章软件设计1841系统软件设计概述1842系统软件主程序及子程序流程图18421主程序18422L298N控制程序19423键盘处理程序20424电机正反转显示程序2143C51编程语言及其总结22第五章系统调试2451硬件调试2452软件调试2553整机调试25第六章总结26参考文献28附录A硬件电路图30附录B源程序31致谢39第一章引言11步进电机概述步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为STEPPERMOTOR、STEPPINGMOTOR或STEPPER等。它是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的控制电机。它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机，由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移动一步。这种电动机的运动形式与普通迅速旋转的电动机有一定的差别，它是步进式运动的，所以称为步进电动机。又因其绕组上所加的电源式脉冲电压，有时也称它为脉冲电动机。步进电机受脉冲信号控制，它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。所以，电机步距角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响。它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。这些特点使它广泛使用于数字控制的开环系统中，并使整个系统大为简化而又运行可靠。步进电机有多种不同的结构，主要类型可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。近20多年来，步进电机驱动技术和电机结构都得到了很大的发展，逐渐形成以混合式及反应式为主的产品格局。混合式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的，其综合了该两类步进电机的特点，因而性能更好。国外步进电机研究较早，步进电机驱动技术的研究成果也很多，如今正在研究开发以步进电动机为执行机构的高性能伺服系统。我国步进电机的研究及制造始于上世纪50年代后期，对步进电机精确模型也做了大量研究工作，如今，各种步进电机及其驱动器作为产品被广泛利用。12步进电机的特点与应用121步进电机的特点步进电机具有自身的特点，归纳起来有1高精度的定位步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制；2位置及速度控制步进电机在停止状态下（无电脉冲信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持；3动作灵敏步进电机因为加速性能优越，所以在做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作；4开回路控制步进电机的控制系统结构简单，不需要速度感应器及位置传感器，按输入的脉冲来对转子的速度及位置进行控制；5中低速时具备高转矩步进电机在中低速是具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出；6小型、高功率步进电机体积小、扭力大、尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装并提供高转矩输出；步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源；带负载惯量的能力不强；此外在应用中，步进电机运转也可能出现低频振荡，而使用细分驱动技术可以有效克服低频共振的危害。122步进电机的应用通常选择步进电机我们希望步进电机的输出转矩大、启动频率和运行频率高、步距误差小等等。首先应考虑的是系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量（每输入一个脉冲使被控制对象产生的位移）小。但脉冲当量太小，要求的减速比大，而最高速度将受到步进电机的最高运行频率限制。故应兼顾精度与速度。经过长期的发展，步进电机的应用已渗透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械中广泛利用了其开环控制的特点。近年来，随着微电子技术、大功率电力电子技术及驱动技术的进步，步进电机在办公自动化机器、工业机械和计算机外设等领域作为控制用电机和驱动用电机被广泛使用。13研究背景数控机床最早生产于美国，是军备竞赛的产物，为解决航天与航空方面的大型和复杂零件的单件、小批量生产而发展起来的。1952年美国试制了世界上第一台三坐标数控立体铣床。此后数控系统经历了二个阶段和六代产品的发展。这主要是指电子管数控系统、晶体管数控系统、集成电路数控系统、小型计算机数控系统、微处理器数控系统和基于工业PC的通用CNC系统。前三代为第一阶段，数控系统主要是由硬件连接构成，称为硬件数控；后三代称为计算机数控，其主要功能有软件完成，又称味软件数控。我国1958年研制出第一台数控机床，同样经历了留待发展史。近20年来，随着微电子技术及相关技术的发展，特别是微处理器技术的应用，使数控机床的性能价格比有了极大的提高，实际应用普及率越来越高，使得数控机床已成为现代机械制造技术的基础。战后全球社会经济发展的历史经验证明，一个国家的实力及其繁荣，主要取决于其制造业所能提供的产品与劳务的竞争力。我国与工业化国家的技术差距主要是制造技术方面的差距。制造是人类最古老的生产活动之一，18世纪中叶的工业革命促进了现代工业化生产的出现，19世纪电气技术的发展和20世纪初内燃机的发明，引发了制造业的革命，流水线生产和泰勒式工作制得到广泛的应用，二战期间，大批大量的制造技术有了很大的发展。二战后50年来，计算机、微电子、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CAD/CAM、计算机集成制造系统CIMS等多项先进制造技术与制造模式。制造业正经历着一场新的技术革命。而作为机械制造技术中主要发展方向的精密加工技术是集测量学、微电子学、近代光学、控制论信息论等先进技术与机械制造技术相融合的一门交叉学科，是现代许多尖端技术和国防技术赖以存在和发展的基础，代表了一个国家科技发展的水平。因而许多国家竞相发展精密加工及超精密加工技术，可以说，精密机械制造技术的水平在很大程度上将成为衡量一个国家科技水平的标志。现代机械制造技术是一个多技术紧密耦合的技术族，其中数控技术是实现其最终目标的基础，它的发展和运用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。目前世界各国都在大力发展数控技术，而且国外的数控加工系统在精度和自动化的程度上都达到了很高的水平。经历了几个五年计划的努力，我国的数控系统已经取得了很大的发展，六五期间的技术引进，七五期间的消化吸收，到八五末，我国已经自行研制开发了适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。但是，由于我国许多因素的影响，我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，利用率也不高。经济型数控在我国占有比较重要的地位，并起了很大的作用，它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。统计表明八五期间，国内采用交、直流伺服驱动系统的第一章绪论数控机床仅占数控机床总数的15左右，其余80以上的数控机床则是采用步进电机作为执行元件。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。在经济型数控系统中，有南京微分电机厂、南京大方股份有限公司生产的JWK系列、常州宝马集团公司生产的BK系统、上海开通机电科技公司开发的KT4007等，这些企业除了进一步提高系统的可靠性外，还在步进电动机的驱动电源控制技术、半闭环或闭环控制技术、各种专用的机械控制系统等方面进行研究开发，具有较好的市场前景。步进电机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的，以及与驱动技术的最佳匹配。首先，精确的分析和设计，模型的建立和完善，是一项重要的基础研究，至今还有许多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。其次，随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。最后，电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材料的应用及优化设计技术对步进电机的发展起到重要作用，同时驱动技术改进的作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，对步进电机的设计和发展产生了很多的影响，也提出了一系列研究的新课题和新方向。14本课题研究的主要内容AT89S52单片机键盘LED驱动器L298N步进电机驱动器L298N步进电机图11系统组成框图本设计系统组成框图如图11所示。主要采用AT89S52单片机做为控制核心,并由AT89S52单片机产生相应的脉冲信号，通过I/O端口输出，送到驱动芯片L298N对脉冲信号进行处理，驱动步进电机转动。系统设有键盘和显示电路，键盘可完成启动、停止、正转、反转、调速功能，点击的启动与停止、正反装可以通过LED显示。此设计主要由3个模块组成键盘、LED人机对话模块单片机模块；单片机驱动步进电机模块。可实现如下功能1通过键盘可设定步进电机转速；2通过“启动/暂停”键设定电机启停；3通过“正向”和“反向”按键改变电机的转向。整个系统简单、可靠、显示稳定、易于编程。第二章步进电机工作原理21步进电机分类步进电机的品种规格很多，按结构特点可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。步进电机主要结构类型如表1所列，图21为它们的结构示意图表1步进电机结构类型反应式步进电动机永磁式步进电动机旋转电机混合式步进电动机VR型PM型直线电机HB型图21三种类型步进电机的结构示意图反应式步进电动机在结构上来说，定子上由多相绕组，定子磁极和转子上开有小齿。其主要特点是结构简单，坚固耐用；齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高；断电时无定位力矩，需用带电定位，消耗功率大，效率较低。永磁式步进电动机转子为永磁体，要想减小步距角，可增加转子的磁极数及定子的齿数。但转子要制成NS相间的多对磁极较为困难，而且定子的极数也必须增加，线圈数也相应增加，这将受到定子空间的限制。所以，永磁式步进电动机步距角都比较大。同时，其起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，消耗功率小。混合式步进电动机转子采用永磁体，是一种永磁式步进电动机，而同时定转子的铁芯均为齿状结构，具有小的步距角，故又同反应式步进电动机结构相似，所以混合式步进电动机可以看作是VR和PM两种步进电动机的组合。从转矩作用原理来看，混合式步进电动机可看作是定子磁势与转子永磁体相互作用的结果。因而，混合式步进电机具有反应式步进电机和永磁式步进电机的双重优点。同反应式步进电动机相比，相同的电动机体积，混合式步进电动机具有输出转矩大、步距角小、分辨率高等优点，因而其应用领域也越来越广泛，形成了二相和五相混合式步进电动机两个主要系列产品的工业生产格局。五相混合式步进电动机结构复杂，成本高，但其分辨率高，运行性能好，主要应用在对性能指标要求较高的场合。二相混合式步进电动机结构简单，成本低，但电机本身的分辨率不是很高。但是，随着驱动极数的发展和在步进电动机系统中的应用，使得步进电动机系统的分辨率可以在不增加相数的情况下得以提高。这为二相混合式步进电动机系统运行性能的提高提供了广阔的前景。22步进电机工作原理221反应式步进电机反应式步进电机的典型结构如图21所示。反应式步进电机的工作原理利用凹极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。下面以一个简单的三相反应式步进电机为例。图22所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理因。它的定子上有六个极，每极上都装有控制绕组，每个相对两极组成一相。转子只有四个齿，上面没有绕组。输入A相控制绕组通电时，因磁通要沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1、3和定子极A、A对齐，图22（A）所示。A相断电、B相控制绕组通电时，转子将在空间转过30。即步距角T30。使转子齿2、4与定子极B、B对齐，如图22（B）所示。如再使B相断电。C相控制绕组通电，转子又在空间转过T30，使转子齿1、3和定子极C、C对齐，如图22（C）所示。如此循环往复，并按顺序通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或断开的变化频率。控制绕组与电源的接通或断开，通常是由电源逻辑线路来控制的。图22三相反应式步进电机222永磁式步进电机永磁式步进电机是转子上安装了永久磁钢的步进电机，它的工作原理是转子上的永磁体建立的磁场，与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转矩。223混合式步进电机混合式步进电机既有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点；又有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点。从结构上看，它通常有多相绕组，它的定转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电机。转子上有永久磁铁产生单向的轴向磁场，这与永磁式步进电机相似。如图23所示，每相绕组绕在8个定子磁极中的4个极上，如绕组A绕在1、3、5、7磁极上，则绕组B绕在2、4、6、8磁极上；而且每个相邻的磁极以相反方向绕，这样就使得相邻两个磁极的磁场径向相反。在绕组通电以后，定子和转子上分别形成对应的S极或N极，通过磁场产生的作用力驱使转子转动，实现电机运行。图23混合式电机垂直轴剖面图混合式步进电机以相数可分为二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。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。混合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。例如四相八拍运行（AABBBCCCDDDAA）完全可以采用二相八拍运行方式不难发现其条件为C/A,D/B。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。23步进电机的参数步进电机的基本参数有1步进电机的相数；是指电机内部的线圈组数，常用的有二相、三相、四相、五相步进电机；2保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机的最重要的参数之一；3最大静转矩步进电机在规定的通电相序下，距角特性上的转矩最大值。绕组电流越大，最大静转矩也就越大。按最大静转矩的值可以把步进电机分为伺服步进电机和功率步进电机；4步距角每输入一个电脉冲信号时电机转子转过的角度；5起动频率和起动矩频特性指步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。在一定的负载惯性下，启动频率随负载转矩变化的特性称为起动矩频特性；6运行频率和运行矩频特性步进电机启动后，控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率。在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性。24步进电机步距角和旋转角度的计算由于选择的是二相步进电机，它的工作方式是二相四拍，所以根据公式可以计算出电机的步距角。步距角的计算公式为SQ1821360RNZ式中，NMCC为运行拍数，N4，为转子齿数，50。RZ由于输入一个CP脉冲会使步进电机绕组的状态变化一次，并相应地旋转一个角度，因此步进电机旋转的角度可由输入的CP脉冲数确定。其计算公式为22SQN式中，为旋转角度，S为步距角，N为脉冲个数。例如，让步进电机运行100S，在延时1的状态下，也就单片机每隔4S发一个脉冲，那么单片机会发出25个脉冲，从而步进电机旋转；同样，在延时2的状态下，也45就单片机每隔1S发一个脉冲，那么单片机会发出100个脉冲，从而步进电机旋转。18025步进电机的速度控制251控制步进电机速度的方法在此，介绍控制步进电机的三种方法。在本设计中，考虑到编程时的难易程度，最后选择了第二种方法来实现步进电机的速度控制。1、改变控制方式的变速控制最简单的变速控制可利用改变步进电机的控制方式实现。例如，在三相步进电机中，启动或停止，用三相六拍，大约01S以后，改用三相三拍的分配方式；在快达到终点时，再度采用三相六拍的控制方式，以达到减速的目的。2、均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制步进电机的加速（或减速）控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。例如，在加速控制中，可以均匀地减少时间间隔；在减速控制时，则可均匀地增加演示时间间隔。具体的说，就是均匀地减少（或增加）延时一程序中的延时时间常数。由此可见，所谓步进电机控制程序，实际是那个就是按一定时间间隔输入不同的控制字。所以，改变传送控制字的时间间隔（亦即改变延时时间），即可以改变步进电机的控制频率。这种方法的优点是，由于延时的长短不受限制，因此，使步进电机的工作频率变化范围较宽。另外，这种方法咋编程上也容易实现。3、采用定时器的变速控制在单片机控制系统中，也可以使用单片机内部的定时器来提供延时时间。其方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间，由定时器向CPU申请一次中断。CPU响应中断后，便可以发出一次控制脉冲。此时，只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或减速）的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。252步进电机速度与步数的计算步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转速也会跟着加快；脉冲速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。电机的运转速度RPM与脉冲速度PPS间的关系式如下电机的运转速度RPM脉冲速度PPS60步进电机分割数/圈说明（1）RPM为一般电机的速度单位，即每分钟电机所冲转的圈数；PPS为脉冲的速度单位，即每秒所送出的脉冲数；（2）由于RPM与PPS的单位不同，所以在转换的过程中要先将PPS的秒钟乘以60变为分钟；（3）步进电机分割数/圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数；（4）上述公式拆解后之单位表示为RPMPPS601/分割数。假如还让步进电机运行100S，那么在延时1时，脉冲速度为25PPS；在延时2时，脉冲速度为100PPS。因此，可得在延时1时，步进电机的运转速度为375RPM；在延时2时，步进电机的运转速度为150RPM。另外，单片机送一个脉冲，步进电机就会走一步，所以单片机送多少个脉冲，步进电机就会走多少步。因此可以根据脉冲个数来确定步进电机的步数。另外还可以根据步进电机旋转的角度来确定步进电机走的步数，用公式表示为23/SMQ式中，M为步进电机走的步数，为步进电机的步距角，为步进电机旋转过的角度。Q假如还让步进电机运行100S，那么在延时1时，步进电机就会走25步；在延时2时，步进电机就会走100步。第三章硬件设计31单片机模块本设计使用的是AT89S52单片机作为核心。在本控制系统中，利用它的可编程性来分别实现A与B步进电机的启动、停止、正转、反转功能，从而初步模拟出数控机床的基本功能。并且还实现了人机对话功能。单片机主要完成脉冲的分配，使步进电机按照设定的方式运转，通过程序设定，从单片机的I/O口输出一系列有规律的脉冲信号；由于直接输出的脉冲信号驱动功率有限，很难直接驱动步进电机运转，所以必须经过驱动器进行脉冲放大，本设计采用的L298N芯片能解决这个问题。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。引脚图如图31所示图31AT89S52引脚图AT89S52单片机的主要性能（1）与MCS51单片机产品兼容；（2）8K字节在系统可编程FLASH存储器；（3）32个可编程I/O端口；（4）三个16位定时器/计数器；（5）八个中断源；（6）全双工UART串行通道；（7）低功耗空闲和掉电模式；（8）看门狗定时器。32键盘显示模块键盘是最常用也是最主要的输入设备，在单片机控制步进电机的控制系统中主要用它来设定A、B电机的启动与正反转，在控制过程中可以利用这四个键来分别控制A、B电机的工作状态。本设计采用的22键盘，22键盘扫描连线图如图32所示P10P11P14P15K1K3K4K2图3222矩阵式键盘上图为22矩阵式键盘，它由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端，与微型计算机的连接采用I/O接口直接接入P1口。在这种键盘中，每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，在软件编程上也容易实现。设计采用单片机对键盘进行行扫描实现设定，在程序上易于理解，易于调试和修改。此外，本设计还设了一个独立键，用来调控步进电机的转速。它是直接和单片机的I/O端口相连。当本按键按下时，步进电机在高速档运转；当没按时，步进电机在低速档运转。另外，本设计使用了四块共阳极结构的LED，它是直接由三极管驱动的。LED显示方法有俩种静态显示和动态显示。静态显示就是由单片机一次输出显示信息后，保持到下次送新的显示信息为止，各个LED数码管的信息同时传送，这种方法占用CPU资源少、无位选信号、显示可靠，但线路复杂、成本高。动态显示就是单片机定时对LED扫描，使其逐个输出显示，利用人眼的视觉暂留现象，仍感觉所有的数码管同时显示，该方法使用硬件扫描，成本低，但占用CPU资源多，亮度也不如静态显示。本设计采用的显示方法为动态显示。其中的俩快分别用来显示A、B步进电机的正反转，这样使得单片机控制步进电机的结果更加的直观。例如，设定按键使A步进电机正转，那么相应的一块LED的六个笔断码会被按照顺时针的方向依次点亮；若反转，则相应的一块LED的六个笔断码会被按照逆时针的方向依次点亮。另外的俩快是分别用来作为俩个步进电机的启动标示，当电机启动时就会显示1。33驱动电机模块图33L298N引脚图L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚MULTIWATT封装的L298N,如图33所示。L298N芯片可以方便的驱动两个二相直流电机，也可以驱动一个二相步进电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的I/O口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围为2546V。输出电流可达25A，可驱动电感性负载。L298N可驱动一台二相步进电机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接二相步进电机的俩个绕组，本设计选用驱动二台二相步进电机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。下表是L298N的真值表表2L298N真值表ENAENBIN1IN2IN3IN4运转状态00停止11依次给IN1IN4送低电平正转11依次给IN4IN1送低电平反转图34是单片机与一片L298N的连接线路图，其中ENA和ENB分别与单片机的P12口和P13口相连，用于控制二相步进电机的运转和停止，相当于始能端。由表2可知，当ENA和ENB为低电平时，步进电机处于停止状态；当ENA和ENB为高电平时，步进电机处于启动状态；当ENA和ENB为高电平时，依次给IN1IN4送低电平，则步进电机实现正转；当ENA和ENB为高电平时，依次给IN4IN1送低电平，则步进电机实现正转。这四个端口分别与P2口的P27、P26、P27、P28端口相连。SENSEA与SENSEB脚是输出电流反馈引脚，在通常使用中这两个引脚可以直接接地。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4是电机驱动芯片L298N的输出端，它们可以接一个二相步进电机，其中OUT1和OUT2是接步进电机的一相绕组，OUT3和OUT4接另外一相绕组。AT89S52L298NENAENBSENSEASENSEBIN1IN2IN3IN4OUT1OUT2OUT3OUT4GNDVSSVSVCCVDDMAB/A/B231314496111155710128图34单片机与L298N连接图步进电机的驱动芯片L298N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ABCA,控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,A相的通断。在本设计中，采用的是二相四拍的工作方式，其各相通电顺序为AB/AB/A/BA/B。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。具体正反转的控制字可见表3和表4。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。由于电机在工作时对电源的干扰很大，所以在控制部分和电机驱动部分之间用了八个续流二极管（如图35所示），以免影响其它部分的正常工作。续流二极管并联在线圈的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于前端芯片的反向击穿电压时，会把芯片烧坏。续流二极管并联在线圈两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。丛而保护了电路中的其它原件的安全。图35续流二极管第四章软件设计41系统软件设计概述在实际控制系统中，系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，还与功能完善的软件设计是分不开的，基于单片机的步进电机控制系统的软件设计主要是基于结构化程序设计的思想，采用模块化设计，对系统每个子程序模块单独进行设计、编制和调试，使程序避免重复性且具有清晰的总体结构，从而实现控制功能。单片机控制步进电机的系统软件不是单一的控制程序，而是使系统正常运行必不可少的软件系统，从而实现人机对话与系统资源的合理的有效使用。本系统采用C51语言编程，充分利用C51语言编程的优点，使程序效率满足实时性要求。42系统软件主程序及子程序流程图421主程序控制系统软件模块主要由主程序、L298N控制程序、键盘处理程序、电机正反转显示程序组成，主程序流程图如图41所示初始化开始扫描键盘程序显示L298N控制程序返回图41主程序流程图（1）主程序主要完成控制系统的初始化、自诊断、显示及键盘扫描等功能；（2）L298N控制程序主要完成对步进电机的控制功能；（3）键盘处理程序主要完成键盘信号的输入，分别设定俩个步进电机的工作状态的功能；（4）电机正反转显示程序主要是用来更直观的显示步进电机的正反转，使工作人员能直观的看到电机的工作状态。422L298N控制程序此部分是整个控制系统的核心，是用了L298N电机驱动芯片来完成的，利用芯片本身的控制字（见表2）来实现了诸如电机的启停、正反转功能。当ENA和ENB为低电平时，电机停止；当ENA和ENB为高电平时，电机启动。要实现步进电机的旋转，输入信号端IN1，IN2，IN3，IN4依次接入低电平。正转接入低电平的顺序是IN1IN2IN3IN4，如表3所示；反转接入低电平的顺序是IN4IN3IN2IN1，如表4所示。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。另外，如果给步进电机发一个控制脉冲，它他就转一步，再发一个脉冲它就会再转一步。俩个脉冲时间间隔越短，步进电机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。在本设计中设定了高速、低速俩个速度档位，当按键5被按下时，即选择高速档，也就是选择延时时间为1S；当按键5被松开时，即选择低速档，也就是选择延时时间为4S。因此，通过这种方式达到了控制俩个脉冲之间时间的长短，从而控制了步进电机连续走两步之间的时间间隔。这个时间间隔越长，说明步进电机连续走两步的用时也就越多，那么它的速度也就越慢；反之，它的速度就越快，既而完成了速度控制。此外，通过编程还模拟的实现了数控机床中把工件切割成一个特定形状（方波）的功能。在设计中，A电机模拟数控机床中X轴上的电机，B电机模拟数控机床中Y轴上的电机。通过这俩个电机的正反转和启停的功能实现了把物体切割出一个方波形状的功能。其程序流程图见图42所示。L298N初始化开始正转反转正转反转延时2启动B电机启动A电机送控制字送控制字送控制字送控制字YNYN返回返回YYYYNNN延时1延时2延时1延时2延时2延时1YYYYNNNNCOUT3是否为1COUT4是否为1延时1COUT5是否为1COUT5是否为1COUT5是否为1COUT5是否为1COUT1是否为1COUT2是否为1YYNNCOUT1是否为0COUT1是否为0COUT1是否为0COUT1是否为0图42L298N控制程序流程图表3电机正转控制字输入端口IN1IN2IN3IN4第一步0111第二步1011第三步1101第四步1110表4电机反转控制字输入端口IN1IN2IN3IN4第一步1110第二步1101第三步1011第四步0111423键盘处理程序键盘初始化逐行扫描并读取键值开始判断有无键按下延时有键按下处理子程序NYNY返回图43键盘扫描流程图系统采用22键盘实现步进电机工作状态的设定，它的扫描程序任务是键盘初始化，确定有无键按下，判断哪一个键按下，定义键的功能；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查询主函数定义的功能键，查出该键的功能，键盘扫描流程图如图43所示。键盘处理程序的关键是如何识别键码。本设计系统中，微处理器对22键盘控制的办法是“扫描”，它采用查询扫描法对键盘进行扫描，判别键盘上闭合键的键号，并做相应的处理。当CPU查询到所按下的功能键，立刻执行相应的电机转向和转速，使系统实时控制电机运转，并提高系统工作效率。424电机正反转显示程序电机正转显示延时点亮发光二极管B延时点亮发光二极管A数码管各个发光二极管初始化Y显示下一位六个发光二极管是否都点亮图44电机正转流程图这一部分是用来显示电机的正反转，通过整个系统相应的要求来分别显示每个电机的正反转。电机正转显示程序的流程图如图44所示。电机反转与其相类似，只是六个二极管的点亮顺序不同，那么就会直观的反映出这六个二极管是依次被顺时针点亮还是被逆时针点亮。如果是被顺时针点亮，就代表电机正转；反之，电机反转。43C51编程语言及其总结随着单片机的普及应用，单片机控制系统的软件开发语言也在不断地发展更新。目前，开发单片机控制系统的软件可以用汇编语言编程，也可以用PL/M51单片机程序设计语言，还可以用C51编制控制软件。C51语言是一种结构化语言，与标准C语言完全兼容，具有代码效率高、可移植性强、库函数丰富、支持浮点运算、可直接操作硬件资源和实时性强等特点。根据本系统的控制任务，本设计中控制系统的软件程序采用C51语言编程。C语言具有很强的功能性和结构性，可以缩短单片机控制系统的开发周期，而且易于调试和维护，已经成为目前单片机语言中最流行的编程语言。本控制系统根据以下方法进行编写（1）对局部变量、函数参数和返回值使用VOID和UNSIGNEDCHAR类型，避免在编程过程中类型转换。（2）循环体形式采用FOR或WHILE循环体进行循环。（3）函数参数个数定义少，并利用全局变量传递参数，以此提高函数调用的效率。（4）使用各种逻辑操作替代位操作运行，使用左移和右移的方法代替除法操作运行。（5）使用SWITCH与BREAK语句联用构成多分支选择结构的执行流程，实现了系统参数设定功能，并且减少了运行时间，加快了运行速度。第五章系统调试完成一个设计系统需经过硬件设计、硬件仿真、制板、软件设计和系统调试等几部分，缺少哪一部分都将不会实现系统功能，而本系统调试工作主要由硬件调试，软件调试，整机调试三部分来完成。系统调试方法介绍如下（1）本系统硬件调试主要是运用了以AT89S52单片机搭建的硬件平台，然后利用万用表等工具对焊接电路板进行检查，最后应用程序进行功能调试。（2）硬件调试是基础，软件调试是检测硬件电路和实现系统功能的关键。本设计应用KEIL编辑器或仿真软件进行软件调试，单片机C51编辑软件KEIL软件提供了一个集成开发环境UVISION，它包括C编辑器、宏编辑器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器。通过编译、运行，可以检测程序错误。在软件调试过程中要仔细耐心，即使是多写或少写一两个字符，都无法编译成功。另外，程序在KEIL中编译、运行无错，有时烧录到单片机中运行起来也会出错，很可能是编程时管脚或时序编辑的不对。（3）系统除了进行软硬件调试外，还得进行整机调试，这样即能设计系统完善可靠工作，也能进一步对系统进行优化。51硬件调试单片机最小系统电路包括电源、单片机、外部时钟震荡电路、复位电路、MAX232串行接口电路以及LED显示电路。调试过程中注意了以下几点（1）检查电源是否完好；（2）单片机电源是否连接正确，并保证AT89S52的31号引脚接高电平。AT89S52的31号引脚是外部程序存储器选择信号端，当该引脚为高电平时，单片机会一直从片内程序存储器内取指令；（3）使用P0口作显示电路的I/O口，必须接上拉电阻；（4）使用万用表排查电路中是否存在短路或者断路情况。设计在制作最小系统时使用排针引出了单片机的40个引脚，焊接过程中容易出现管脚之间短路，所以在上电之前先排查了电路；5设计显示电路利用PNP三极管驱动共阳极动态LED数码管显示电路。在连接显示电路明确了共阳型8段LED的各个管脚与各段发光二极管的对应关系以及三极管的基极、发射极、集电极与动态LED显示数码管引脚的对应关系，并对PNP三极管的工作原理进行了分析，然后开始连接；（6）编辑了一个正确的跑8程序并烧录到单片机内，上电运行，检查电源正负端和各片选位的连接正确性，使单片机、复位电路、显示电路能正常工作。52软件调试在硬件电路调试完毕的基础上，需要进一步完善程序，也就是进入软件调试阶段。这部分的调试需要分步去做，首先要做的就是对L298N程序块的调试；然后再对键盘扫描程序的调试；最后是显示部分的调试。虽然这部分的调试比较繁琐，但是一个控制系统需要一个完善、正确的软件部分，所以这部分的调试是必须的。只有软件部分正确无误，它才能去配合好硬件部分去实现整个系统的功能。53整机调试设计一个控制系统，在确定软、硬件无误后，必须进行整机调试，因为它能整个系统更优化，更完善，更可靠。本设计通过整机调试，把硬件部分和软件部分有机的联系到了一起，共同实现了控制步进电机的功能。第六章总结2009年3月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。3月初，我的题目定了下来，是基于单片机的步进电机控制系统设计。当题目定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。我在学校图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。4月初，资料已经查找完毕了，我开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。4月底，论文的文字叙述已经完成。5月开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细学习了PROTEL和VIOSO绘图软件。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。方案中电机驱动部分的设计是个比较头疼的问题，在反复推敲，对比的过程中，最终定下了使用L298N电机驱动芯片。当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了很多单片机、步进电机的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今单片机、步进电机的最新发展技术有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。参考文献1李强基于单片机的步进电机控制系统设计与实现A罗定职业技术学院,2008年2贾方,张志胜AT89C2051单片机在步进电机控制中的应用J机械设计与制造工程,2002年3霍迎辉,陈宇翔步进电机的微机和单片机控制M电机电器技术,2003年4张航鲜新型步进电机驱动电路的研制西安电子科技大学硕士学位论文,2004年5王鸿钰步进电机控制技术入门上海同济大学出版社,1990年6陈隆昌,陈筱艳控制电机上第二版西安西安电子科技大学出版社,1996年7陈隆昌,陈筱艳控制电机下第二版西安西安电子科技大学出版社,1996年8魏守山,莫以为,黄云奇基于单片机和驱动芯片的步进电机控制系统设计B广西大学,2008年9付家才,单片机控制工程实践技术M北京化学工业出版社,2004年10李忠杰,宁守信步进电动机应用技术M北京机械工业出版社,1998年11宋锦,步进电机的单片机控制方法A武汉工程职业技术学院学报,2006年12柳旭英,张继东,苗红霞,张杰基于AT89C2051的步进电机驱动电路B河海大学常州分校学报,2007年13王晓明电动机的单片机控制M北京北京航空航天大学出版社,2002年14崔金宝,王艺兵8089单片机在步进电机控制中的应用山东纺织工学院学报，1995年15,黄立陪,电动机控制北京清华大学出版社,2003年16王宗陪步进电动机及其控制系统哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,1984年17张劲利用AT89S52单片机控制步进电机常州工程职业技术学院学报,2008年18贾方,张志胜AT89S52单片机在步进电机控制中的应用J机械设计与制造工程,2002年19鹿守杭,任中全基于MCS51单片机的步进电机控制B西安科技大学,2007年20丁伟雄,杨定安步进电机控制原理及