基于Proteus的步进电机闭环控制仿真

1、本科毕业设计论文题题 目目 基于 Proteus 的步进电机闭环控制仿真 所所在在系系 电气与信息工程 学生姓名学生姓名 专专 业业 电子信息工程 班班 级级 学学 号号 指导教师指导教师 2013 年年 6 月月西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）摘要I摘 要步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，因为步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件，由于其精确性以及其良好的性能在实际当中得到了广泛的应用。本文介绍了以 51 系列单片机 AT89S51 为控制核心所设计的步进电机控制系统，从系统的硬件仿

2、真电路以及软件的设计方面实现了对步进电机的控制。并且由传感器 FC-SPX302 采集转速数据进而进行关于速度的闭环控制，经过仿真验证电路证明，该仿真控制系统的随动性能好，抗干扰能力强，稳定性好。关键词： 步进电机，闭环，控制西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）IIABSTRACTIIIABSTRACTStepper motor is a pulse signal is converted into the corresponding angular displacement (or linear displacement) of electromagnetic devices, bec

3、ause step motor does not need A/D conversion, digital pulse signal can be directly transformed into angular displacement, so It is considered to be an ideal actuator of CNC machine tools. Because of its good performance and accuracy in practice has been widely applied. This paper introduces to 51 se

4、ries microcontroller AT89S51 as control core design of stepping motor control system, From the hardware circuit simulation and software design and implementation of stepper motor control. And use the acquisition speed data sensor FC-SPX302 to make up a closed-loop of speed control system. Through th

5、e circuit simulation prove, dynamic performance with the simulation of the control system, strong anti-interference ability, good stability.KEY WORDS: Stepper motor，Closed loop，Control西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）IV目 录V目目 录录1 绪论.11.1 步进电机国内外研究现状 .11.2 研究主要内容及其意义 .21.3 步进电机的单片机控制优点 .32 步进电动机的介绍.52.1 步进电动机的基本

6、原理 .52.2 步进电动机分类 .52.3 步进电机的一些基本参数 .52.3.1 电机的拍数 .52.3.2 电机固有步进角 .62.3.3 步进电机的相数 .62.4 步进电机结构 .62.4.1 步进电机的旋转 .72.5 步进电动机的控制原理 .72.5.1 换相顺序的控制 .82.5.2 步进电动机的转向控制 .82.5.3 步进电动机的速度控制 .82.5.4 步进电动机的位置控制 .82.6 步进电动机的特点 .93 主要芯片介绍.113.1 89S5L单片机简介 .113.1.1 单片机的引脚功能 .113.1.2 单片机的主要特性 .113.2 L298 简介.123.2.

7、1 L298 的原理.123.2.2 L298 概述.123.3 光电开关 .144 硬件设计.154.1 总体设计方框图 .154.2 系统仿真图 .154.3 步进电动机的控制方式选择 .164.4 步进电动机的驱动方式选择 .17西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）VI4.5 键盘电路设计 .174.5.1 键盘原理图 .174.5.2 键盘功能 .184.6 显示电路 .184.7 测速电路 .195 软件设计.215.1 PID 控制算法.215.1.1 位置式 PID 的控制算法 .215.1.2 增量式 PID 的控制算法 .225.2 主程序 .236 实验结果及分析.256

8、.1 测量转速与实际转速比较 .256.2 结论 .25总结.27致谢.29参考文献.31附录 A 电路原理图（PROTEL） .33附录 B 电路仿真图（PROTEUS） .34附录 C 程序 .35Error! No text of specified style in document.11 绪论1.1 步进电机国内外研究现状步进电动机是一种新型增量式电机，是数字控制系统的一种执行元件。它是利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电动机。它的位移与输入脉冲信号相对应，步矩误差不长期积累，不需用电刷，电机本体部件少，易于启停、正反转及变速。用步进电机作为驱动装置构成

9、的控制系统，具有成本低，控制简单，容易维护等优点。步进电动机问世后，广泛地应用在等各个领域。做为机床控制、电子瞄准、工业自动化、办公自动化和机器人运动控制中应用的重要执行部件，显示出广阔的发展前景。步进电动机有多种不同的结构。经过近七十多年的发展，逐渐形成以混合式和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。既有反应式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。其综合了该两类步进电动机的特点，因而性能更好。具有分辨率高，控制功率小等优点，是应用最为广泛的步进电动机种类，至今没发现更合适取代它的产品。缺点

10、是带惯性负载能力差，低频振荡现象严重，高频运行时输出转矩下降。国外步进电动机研究较早，对步进电机驱动技术的研究一直很活跃，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。目前，这类电动机最大的生产国还是日本。日本有很多公司生产，像 JAPAN SERVO，SANYO DENKI 等。它们的产品无论是外观质量，内部性能指标，还是生产手段，都处于世界先进水平。而在我国，步进电动机的研制最早始于 1958 年。经过五十年的发展，目前发展趋于平缓，与国外相比，反应式步进电动机还占大量比例，只是随着近年来大批进口设备大量涌入我国，而这些设备大多数采用了混合式步进电动机，混合式步进电动机才为人们所

11、熟悉。在国外，特别是工业比较发达的国家，步进电动机及其驱动技术早已规模化生产，我国与之相比还有相当大的差距。虽然我国在该类电机的研制和生产上已形成一定规模，但生产规模较小，未形成商品化和系列化，仅处于按用户要求研制定制阶段，与国外产品相比尚无竞争能力。从步进电动机驱动技术发展历史来看，步进电动机的相数不同，有 2 相、3 相、4 相、5 相、9 相等。齿数也不同，使得产品规格品种繁多，生产格局复杂化，对用户选择不利。然而由于步进电动机和其它电机有着很大的差别，具有其它电机所没有的特性。因此，它仍然能根据市场的需求，沿着小型化、高效、低价的方向发展。步进电动机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系

12、，随着电力电子技术西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）2及微电子技术及其器件的发展，驱动器的面貌不断改变。最初使用的末级功放元件是可控硅。可控硅虽然触发简单，但关断困难，总的来说线路较复杂、易形成误触发、可靠性也差；且不便于调试和维护、抗干扰能力不好。但随着大功率晶体管的发展目前一般不再采用末级功放元件来驱动控制步进电动机。目前，功率开关管多采用功率场控晶体管(MOSFET)和全控型器件(IGBT)。功率集成电路(PIC)将功率器件、前级驱动电路、控制电路及保护电路等都集成在一起，具有较强的功能和较大的输出功率。用这种器件做成步进电动机驱动器，具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点。目前已应

13、用于中、小功率步进电动机的驱动。驱动器控制电路发展的一个重要方面是集成电路专用芯片的采用。如 F/V 变换器(LM2917)，V/W 变换器(SG3525，TL494)，微步控制与功率器件集成在一起的芯片(A3955SB)等，更使步进电机驱动器的研制上了一个新台阶，使其性能指标有了显著的提高。使步进电动机的控制系统达到了一个新的水平。其它一些控制技术，如矢量控制，模糊控制，神经网络控制等也获得了飞速发展和应用。步进电动机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的完善，以及与驱动技术的最佳配合。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，至今还有很多工作要做，它可以为各类问题

14、的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。其次，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起到明显的作用自不待说，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，使步进电动机的分辨率和特性与相数的关系不大，对步进电动机的设计，今后的发展会产生很大的影响，也提出了一系列新的研究课题和方向。1.2 研究主要内容及其意义 随着步进电动机系统在各种数字控制系统中的广泛应用，各种数字控制系统随步进电动机性能和使用条件的要求也越来越高。这就要求不断研制出高性能高可靠性高集成化低价位的驱动器和低成本的单片机控制满足需求。众所周知，国内对这方面的研究一直很活跃，但是可供选用

15、的高性能的步进电动机驱动器却很少，而且国内的驱动器方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能指标不稳定及远没有达到系列化等问题，这就给驱动器的选用和安装带来了极大的不便，另外，随着国内单片机技术的发展，更精度的步进电动机控制技术也得到很大的发展。国外虽然有通用的各种类型的步进电动机驱动器，但大都存在价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器；在驱动电源的设计方面目前采用更多的是由单片机提供脉冲驱动信号。步进电动机系统的性能，Error! No text of specified style in document.3除与电

16、动机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的性能。步进电动机在运行时，一般有以下问题:各相绕组都是开关工作，多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步进动机各相绕组都是脉冲式供电所以绕组电流不是连续的。电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有较大的电感。绕组通电时，电流不能迅速上升至额定值，电流上升率受到限制，绕组断电时，应该电流截止的相不能立即截止。绕组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响。电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流

17、越小，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。步进电动机的固有分辨率不高，不能精密位移。以应用最广的 8 极 50 齿两相混合式步进电动机为例，其步距角为0.9/1.8，需配合机械减速机构以达到所需要的脉冲当量精度，但是，机械系统的增加也同时带来了一个误差源。步进电动机在低频运行时的振荡及过冲问题，严重限制了步进电动机的应用范围。对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。在机电一体化中，步进电机是最常用的一种执行电机，它实现了机械中的角度、位移的数字化控制，从而使机械控制的精度大大提高。现代控制技术中普遍采用

18、的方式为开环控制和闭环控制，开环控制结构简单成本低但其精度不是太高；闭环控制可以实现高精度的控制，但其结构复杂投入成本高。步进电机的出现解决了这一技术难题，它使得开环控制的精度和速度大大提高，由它组成的步进式伺服控制系统实现了数字化机械生产过程。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向

19、。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制2。1.3 步进电机的单片机控制优点控制系统对步进电机的控制通过步进电机驱动器来完成。因此它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，实西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）4现起来成本高、费时多，而且一旦定型后，电路就很难改动，因此不得不重新设计控制器。单片机是一种微型计算机，它在一个集成芯片中，集成有微处理器（CPU）、存储器（RAM 和 ROM）、基本的 I/O 接口以及定时/计数部件，

20、即在一个芯片上实现了一台微型计算机的基本功能3。步进电机的控制部分以单片机为主的微处理器控制具有如下优点：1.灵活性和适应性。微处理器的控制方式是有软件完成时，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。2.可以实现较复杂的控制，控制精度高。微处理器具有很强的逻辑功能、运算速度快、精度高、有大量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制。3.可提供人机界面。在电机控制中要用到键盘和显示器作为人机界面来实现对步进电机的控制。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

21、性好开发也较为容易，国内近些年来已将其广泛应用4。在该设计中我选用了 MSC-51 作为步进电机的控制器, 用它来实现步进电机的空载时的一些控制功能。Error! No text of specified style in document.52 步进电动机的介绍2.1 步进电动机的基本原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，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

22、的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，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。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，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，广泛应用于各种开环控制5。 2.2 步进电动机分类步进电机的品种规格很多，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 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

23、15度；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。 混合式步进电机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，也是本方案所选用的步进电机6。2.3 步进电机的一些基本参数2.3.1 电机的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，四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运西安交通大学城市学院本科毕

24、业生（论文）6行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。2.3.2 电机固有步进角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关7。2.3.3 步进电机的相数产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数，是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三

25、相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角8。2.4 步进电机结构 电机转子均匀分布着 40 个小齿，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 、2/3 ,（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）下面是定子和转子的展开图： 图 2-1 定子和转

26、子的展开图Error! No text of specified style in document.72.4.1 步进电机的旋转 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 1/3，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

27、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9。 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。 图 2-2 电机的相与转子不过，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 1/3 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

28、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10。 2.5 步进电动机的控制原理 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，它不西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）8能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备步进电机控制驱动器，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几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入端，以

29、驱动步进电动机的转动。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形分配器要求的功能，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，以达到驱动步进电机的目的11。2.5.1 换相顺序的控制步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：混合式步进电机的工作方式，起各相通电顺序为 A-B-C-D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D 相地通断，这就是所谓脉冲环形分配器12。2.5.2 步进电动机的转向控制通过前面介绍的步进电动机原理

30、我们已经知道，如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转；如果按反序通电换相，则电动机就反转。2.5.3 步进电动机的速度控制如果给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电动机就转的越快。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13。2.5.4 步进电动机的位置控制步进电动机的位置控制，指的是控制步进电动机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。 对步进电动机位置控制的一般作法是：步进电动机每走一步，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，用步数等于 0 来判断是否移动到目

31、标位，作为步进电动机停止运行的信号14。下面举例来说明步进电动机加、减速控制程序的编制。Error! No text of specified style in document.9图 2-3 是近似指数加速曲线。由图可见，离散后速度并不是一直上升的，而是每升一级都要在该级上保持一段时间，因此实际加速轨迹呈阶梯状。如果速度是等间距分布，那么在该速度级上保持的时间不一样长。为了简化，我们用速度级数 N 与一个常数 C 的乘积去模拟，并且保持的时间用步数来代替。因此，速度每升一级，步进电动机都要在该速度级上走 NC 步（其中 N 为该速度级数）。为了简化，减速也采用与加速时相同的方法，只不过其过程

32、是加速时的逆过程。图 2-3 加速曲线离散化本程序的参数除了有速度级数 N 和级步数 NC 以外，还有以下参数 。（1）加速过程的总步数电动机在升速过程中每走一步，加速总步数就减 1，直到减为 0，加速过程结束，进入恒速过程。（2）恒速过程的总步数电动机在恒速过程中每走一步，恒速总步数就减 1，直到减为 0，恒速过程结束，进入减速过程。（3）减速过程的总步数电动机在减速过程中每走一步，减速的总步数就减 1，直到减为 0，减速过程结束，电动机停止运行15。2.6 步进电动机的特点步进电动机有如下特点：（1）步进电机的角位移与输出脉冲数成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。（2

33、）由步进电机和驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，又非常可靠。同事，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。（3）步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）10（4）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速情况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。（5）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接电源。（6）步进电机自身的噪声和震动比较大，带惯性负载的能力强16。Error! No text of specified style in document.113 主要芯片介绍3.1 89S5l

34、单片机简介本次设计以 CPU 选用 89S5l 作为步进电机的控制芯片89S51 的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写数达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容 MCS5l 系列单片机的所有功能。AT89S51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable And erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。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，A

35、TMEL 的 AT89S51 是一种高效微控制器，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17。3.1.1 单片机的引脚功能（1）VCC（40）：电源+5V。（2）VSS（20）：接地，也就是 GND。（3）XTL1（19）和 XTL2（18）：振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在 XTL2 上加外部时钟信号。（4）PSEN（29）：片外 ROM 选通信号，低电平有效。（5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/E

36、PROM 编程脉冲输入端。（6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 （7）EA/VPP（31）：内/外部 ROM 选择端（8）P0 口（39-32）：双向 I/O 口。（9）P1 口（1-8）：准双向通用 I/0 口。（10）P2 口（21-28）：准双向 I/0 口18。3.1.2 单片机的主要特性与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定、128*8 位内部西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）12RAM、32 可编程 I/O 线、两个 16 位定时器/计数器、5 个中断源

37、、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路19。（1）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。输入至其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20。（2）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

38、外，AT89S51 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21。3.2 L298 简介3.2.1 L298 的原理L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15 脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电

39、动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用 L298N 芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并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24。3.2.2 L298 概述L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个

40、两Error! No text of specified style in document.13相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，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 IO 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 457 V 电压。4脚 VS 接电源电压，VS 电压范围 VIH 为2546 V。输出电流可达 25 A，可驱动电感性负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电动机

41、，OUT1，OUT2 和OUT3，OUT4 之间可分别接电动机。图 3-5 是 L298N 功能逻辑图,图 3-6 是L298N 的引脚图25。图 3-5 L298N 芯片逻辑功能图图 3-6 L298N 引脚图西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）143.3 光电开关 本系统中所用传感器为FC-SPX302光电开关，该传感器为开关型传感器，四个接线脚分别为“+，L,OUT,-”其输入电压范围广为直流 5-24V,L 为控制指示端，当“L”与“+”相连时，传感器未检测到物体时 LED 灯发光，当“L”悬空时则相反，其特点为：1. 动作模式备有遮光时 ON/入光时 ON(可切换型)2. 应答频率

42、为 1KHZ 的高速响应3. 入光显示灯明显,容易进行动作确认4. 电源电压为 DC-24V 的广范围5. 备有遮光时入光显示灯灯亮型其连接电路如图 3-7 所示： 图 3-7 “L”与“+”相连时连接电路图“L”与“+”相连时，传感器未检测到物体时 LED 灯发光。 图 3-8 “L”悬空传感器检测到物体时连接电路图“L”悬空传感器检测到物体时 LED 灯发光。Error! No text of specified style in document.154 硬件设计启动系统后，从单片机的 I/O 口输出控制脉冲，经过 L298N 驱动电路对脉冲进行处理，输出能直接控制步进电机的脉冲信号。在

43、负载能力范围允许内，就能实现步进电机独立起停、转向、速度、位置变化的控制。4.1 总体设计方框图由 4-1 图中看以看出以单片机为控制核心。键盘做为外设，进行功能的选择，启动，转速增加，转速减少，停止等操作。1602 液晶屏显示实际转速和设定转速。通过 L298N 来驱动步进电机。把步进电机的实际转速通过单片机外部中断反馈到单片机。调用 PID 程序，通过改变脉冲周期调节转速。总体设计方框图如图 4-1 所示 图 4-1 总体设计方框图4.2 系统仿真图 系统仿真图如图 4-2。仿真图是根据实际电路所搭建。是以单片机为核心，L298 为驱动，1602 作为显示，按键作为输入所搭建的仿真模型。4

44、-2 图所示模键盘键盘电机驱电机驱动模块动模块298N 芯芯片片P3.2单片机单片机AT89S51P1.4P1.5 P2P1.5 P1.7 P0P3.0P3.1P3.31602 液液晶显示晶显示器器步进电动步进电动机机速度检速度检测反馈测反馈西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）16型处于运行状态。启动仿真模型，选择按键 START，模型开始正常运转，通过V+V-改变电机转速，最后选择按键 STOP 停止仿真。图 4-2 系统仿真图4.3 步进电动机的控制方式选择 步进电机控制是一个比较精确的控制，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统

45、的 CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。延时方法是在每个周期完成后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行脉冲输出程序，这样周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是 CP 脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行，适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出 CP 脉冲的周期，有点是定时时间准确。本次设计采用第二种方式改变频率，进而来控制速度的

46、方法来实现。Error! No text of specified style in document.174.4 步进电动机的驱动方式选择步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过 CPU 直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为 CPU 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过 CPU 来间接驱动，就是把从 CPU 输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过控制驱动器接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。因此本次设计应采用 CPU 间接驱动步进电机。而步进电动机的控制驱动器一般有两种：一种是使用多个功率放大器件驱动电机。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到

47、不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。另一种是：使用电机驱动模块芯片驱动电机。此次设计采用了、L298 芯片驱动电机。应用 L298 芯片可方便的驱动步进电机，并结合单片机进行控制，即可以实现用相对便宜的价格组成一个性能不错的步进电机驱动电路。 该电路为固定斩波频率的 PWM 恒流斩波驱动方式，适用四相双极性步进电机，最高电压 46V，每相电流可达 2A。采用此设计的步进电机驱动系统，需要的元件很少.从而使得装配成本低, 可靠性高和占空

48、间少。并且通过软件开发, 可以简化和减轻微型计算机的负担，并且在驱动二相或四相混合式步进电机时运动平稳，速度快，噪音低，控制精高,而且可选整步半步驱动。另外, L298 是独立的芯片, 所以应用是十分灵活的。可广泛应用于需要驱动电流小于 2A 的混合式两相或四相步进电机的系统中。电整个系统方案简洁、设计成本低廉、性能可靠、现场使用方便。4.5 键盘电路设计4.5.1 键盘原理图一般键盘分为两种接口情况，矩阵式键盘接口技术和独立式接口技术。矩阵式接口方式结构相对比较复杂，占用资源较少，通常用在按键较多的时候使用。采用独立式键盘接口技术，该接法结构相对简单，但占用资源多,通常用在按键数量较少的场合

49、。本次设计按键较少，因此本次设计采用了独立式键盘接口技术，其原理图如下：西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）18GNDSTARTV+V-STOP 图 4-3 键盘原理图4.5.2 键盘功能根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制、加速控制、减速控制、停止控制、反转控制按钮，分别为 S1、S2、S3、S4，控制电路如图所示，通过 S1 实现电机的启动，当 S1 状态变化时，内部程序检测 P1.3 的状态来跳动相应的启动程序，实现系统的启动控制。步进电机的转速控制主要通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。 表 4-1 按键功能表S1启动S2速度增加/定位加S3速度减少/定位减S4

50、停止4.6 显示电路在此次步进电机的控制中，要求显示电以加速、减速。如果采用 4 位段数码管组成显示电路，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后，很难再加入其他的功能，显示格式受限制且耗电量大，不宜用电池给系统供电。为了方便知道电机的运行状态和转速的多少，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于液晶显示器相结合，来显示所需数据。采用液晶显示器件，显示比采用数码管的电路结构要简单，电路的连线比较少，且液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求的显示状态，对后续的功能兼容性高，只需将软件作

51、修改即可，可操作性强，也易于读数，采用LM016 两行带中文字库显示，能同时显示实际转速与设定转速。如图 4-4。Error! No text of specified style in document.19D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3+5GNDR110kXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23

52、P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C55234567891RP1RESPACK-8+5RSRSRWENINTORWENIN2IN3IN4ENAENBIN1图 4-4 电机运行状态及转速显示电路4.7 测速电路测速电路很简单，我们选用的传感器为 FC-SPX30

53、2 关电开关，所以电路相对简单，如下图所示。-OUTL+5GNDFC-SPX302T1图 4-5 测速模块西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）20Error! No text of specified style in document.215 软件设计步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务，从而控制步进电机转动，以达到控制转动角度和位移之目的。首先要进行旋转方向的判断，然后转到相应的控制程序。正反向控制程序分别按要求的控制顺序输出相应的控制模型，再加上脉宽延时程序即可。5.1 PID 控制算法在计算机控制过程中，整个过程采用的是数值计算方法，当采样周期足够小时，这种数值近似计算相当谁确，

54、使离散的被控过程与连续过程相当接近。图 5-1 为单片机闭环控制系统框图。PID 算法是将描述连续过程的微分方程转化为差分方程，然后，根据差分方程编制计算程序来进行控制计算的。单片机控制系统脉冲发放电路生产过程转速检测电路图 5-1 单片机闭环控制系统框图5.1.1 位置式 PID 的控制算法如前所述 PID 调节的微分方程见公式（5-1）001()tepditdykeedtTyTd公式（5-1）将此微分方程写成对应的差分方程形式。1001()nnnnpnkdkieeyk ee TTyTT公式（5-2） 公式（5-2）式中-第n次采样周期内所获得的偏差信号；-第n-1次采样ne1ne西安交通大

55、学城市学院本科毕业生（论文）22周期内所获得的偏差信号；T-采样周期；-调节器第rt次控制变量的输出；为ny了编写计算机程序的方便，现将公式（5-2）写成下列形式100()nnpnakbnnkyk ekekeey公式（5-3）公式（5-3）中，。因为采样周期T，积分常数和微*paikTkT*pdbkTkTiT分常数选定后皆为常数，因此及必为常。当调整参数改善控制性能时，dTakbk也只须调整、和的大小即可。pkakbk5.1.2 增量式 PID 的控制算法在位置式PID控制算法中，每次的输出与控制偏差e过去整个变化过程相关，这样由于偏差的累加作用很容易产生较大的累积偏差，使控制系统出现不良的超

56、调现象。由公式（5-4）可得：12222001()nnnnpnkdkieeyk ee TTyTT公式（5-4）用（5-4）式减去（5-6）式，可得增量式PID的算式：112()*(2)dnpnnnnnniTTykeeeeeeTT公式（5-5）其中，1nnnyyy为了编写程序方便，将(5-5)式改写成下列形式 12*nnnnyA eB eC e公式（5-6）式中：，(1)dpiTTAkTT(12)dpTBkT *dpTCkT从增量式PID的算式中可知，只要知道了现时以前的三次采样周期内的偏Error! No text of specified style in document.23差信号，即可

57、计算出本次采样周期内的控制变量y的增量。ne1ne2neny综合以上分析，我们采用增量式PID算法。其控制算法的流程图为图 5-2 闭环控制流程图5.2 主程序开始 START键按下V+键按下V-键按下实际转速 =设定值初始化正常运行、显示YNY加速减速调用PID程序存储YYYNNN图 5-3 总程序框图西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）24Error! No text of specified style in document.256 实验结果及分析6.1 测量转速与实际转速比较 安装 Proteus7.7 版仿真软件 Keil4.1 版软件，在 Proteus 中编辑仿真界面，在 K

58、eil 中编写程序，在 Proteus 仿真界面中的 AT89C51 中导入 Keil 生成的 hes文件，在 Proteus 中点击开始运行，通过按键启动仿真，通过两个按键调节转速，测试不同转速下实际值与测量值的差距，反复测试 N 次，得到比较理想的结果。经过多次的数据记录显示，测量转速与实际转速偏差不是很大，多次不同测量数据最大偏差满足本设计的精度要求，表 6-1 和表 6-2 是不同时间的测量值和设定值的比较。表 6-1 5.12 测量值转速次数123456789测量值/（r/s）800766760723688670630586540实际值/（r/s）800766760723688670

59、630587539表 6-2 5.18 测量值转速次数123456789测量值/（r/s）800810840866760743721611600实际值/（r/s）8008108408667607437216105996.2 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的步进电机控制系统，达到了预期的目标。对于本次设计，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。系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据

60、用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。在完成本设计的过程中，我把注意力主要集中在程序编程和路调试上。合理地运用软件设计模块电路可以节省很多功夫，但完全照搬也不能达到预想的西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）26效果，因为实际参数无法与设计精确匹配，因此做到精益求精，尽量达到指标要求。本次设计综合运用了各类元器件，同时查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。在方案设计方面，讨论筛选出最优的设计方案，比如在设计显示电路时我们放弃了用数码管显示,而直接运用了 LCD 液晶来显示。 通过这次系统设计，我学会了步进电机的运转一般是有脉冲和方