步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)

1、步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì) 摘要步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。結(jié)合對(duì)步進(jìn)電機(jī)的了解,然后對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制原理包括步進(jìn)電機(jī)的控制方式和驅(qū)動(dòng)方式作了系統(tǒng)的說明,采用8051單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī),并給出了步進(jìn)電機(jī)的雙相三拍控制單片機(jī)控制和三相六拍的單片機(jī)控制的具體實(shí)現(xiàn)方法，用匯編程序進(jìn)行控制運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)通過單片機(jī)存儲(chǔ)器、I/O

2、接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分頻器、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動(dòng)電路等的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了四相步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。電機(jī)的控制系統(tǒng)由AT80C51單片機(jī)控制，具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高而且系統(tǒng)擴(kuò)展容易等優(yōu)勢(shì)。本次課程設(shè)計(jì)中著重于通過控制脈沖數(shù)來控制位移，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位?；诓竭M(jìn)電機(jī)本身的優(yōu)越性和應(yīng)用的廣泛性，這正是用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計(jì)的實(shí)際意義。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī) ,角位移,單片機(jī) ,脈沖 目 錄1 課題描述12總體實(shí)現(xiàn)原理13 步進(jìn)電機(jī)原理及硬件設(shè)計(jì)23.1 單片機(jī)電路23.1.1 AT89C51單片機(jī)的組成結(jié)構(gòu)23.1.2 AT

3、89C51單片機(jī)的引腳及功能43.2步進(jìn)電機(jī)63.2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理63.2.2控制原理73.2.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式83.2.4最小系統(tǒng)93.3輸入顯示部分103.4 電源114 軟件程序設(shè)計(jì)114.1 主程序的設(shè)計(jì)124.2 定時(shí)中斷設(shè)計(jì)134.3 外部中斷設(shè)計(jì)134.4 系統(tǒng)軟件程序14總結(jié)19致謝20參考文獻(xiàn)211 課題描述 傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制方法是由觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來進(jìn)行的，此種方法工作方式單一且難于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)發(fā)生變化是，需要重新進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。而且由傳統(tǒng)的觸發(fā)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有控制電路復(fù)雜、控制精度低、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。由單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)克服了

4、以上缺點(diǎn)。它具有很高的精度，一般用在精確定位方面。步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動(dòng)元件，具有快速起動(dòng)和停止的特點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)速度和指令脈沖能嚴(yán)格同步，具有較高的重復(fù)定位精度，并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。它的運(yùn)行速度和步距不受電源電壓的波動(dòng)及負(fù)載的影響，因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。常見的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式(PM)、反應(yīng)式(VR)、混合式(HB)，永磁式步進(jìn)一般分為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)

5、都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家早已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度，這種步進(jìn)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。目前使用單片機(jī)控制，單片機(jī)為微控制器的下位機(jī)和以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，用軟件代替步進(jìn)控制器,使得線路簡(jiǎn)單,成本低,可靠性大大增加,靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案,無需邏輯電路組成時(shí)序發(fā)生器，軟件編程可靈活產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式。用此方式設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)順應(yīng)了目前國內(nèi)外控制系統(tǒng)微機(jī)化發(fā)展的趨勢(shì)，充分利用了單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，使得通用性得到了提高。伴隨不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提

6、高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。2總體實(shí)現(xiàn)原理步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)總體框圖如圖1，在系統(tǒng)中采用AT89C51單片機(jī)產(chǎn)生A、B、C、D四相信號(hào)（更具實(shí)際需要，可以擴(kuò)充更多相信好）。當(dāng)采用單片機(jī)控制時(shí)，需要在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間設(shè)置隔離電路以使強(qiáng)弱分開。由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)較大，可增設(shè)放大電路來提供步進(jìn)電機(jī)的工作電流。系統(tǒng)電路由5部分組成，即：輸入顯示部分;AT89C51 單片機(jī)；直流電壓和步進(jìn)電機(jī)。 圖1 系統(tǒng)總體框圖 3 步進(jìn)電機(jī)原理及硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)電路本系統(tǒng)采用A89C51單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)單片機(jī)內(nèi)部的內(nèi)存即可滿足要求。如需要擴(kuò)展較多的外部RAM和ROM可加上數(shù)據(jù)緩沖器。步進(jìn)電

7、機(jī)控制信號(hào)通過AT89C51單片機(jī)其中一個(gè)口進(jìn)行擴(kuò)充。為了增加步進(jìn)電機(jī)工作的靈活性，在啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作之后，當(dāng)有鍵按下，設(shè)置產(chǎn)生外部中斷，達(dá)到靈活控制電機(jī)的目的。下面介紹一下AT89C51單片機(jī)。3.1.1 AT89C51單片機(jī)的組成結(jié)構(gòu)AT89C51單片機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它由一個(gè)8位中央處理器（CPU）、一個(gè)256B片內(nèi)RAM及4KBFlashROM、21個(gè)特殊功能寄存器、4個(gè)8為并行I/O口以及中斷系統(tǒng)等部分組成，各功能部件通過片內(nèi)單一總線連成一個(gè)整體，集成在一塊芯片上。（1） CPU CPU是單片機(jī)的核心部分，CPU包括兩個(gè)基本部分：運(yùn)算器和控制器。運(yùn)算器運(yùn)算器即算術(shù)邏輯單元

8、ALU,是進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算的部件。可實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。操作的結(jié)果一般送回累加器ACC，而其狀態(tài)信息送至程序狀態(tài)寄存器PSW。控制器控制器是用來控制計(jì)算機(jī)工作的部件?？刂破鹘邮諄碜源鎯?chǔ)器的指令，使各部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。 圖2 AT89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（2）內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT89C51芯片內(nèi)共有256B（地址為00H-FFH）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中高128B（地址為：80H-FFH）被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是低128B(地址為：00H-7FH),用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)，如程序執(zhí)行過程中的變量。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器AT89C51共有（地址為：000

9、0H-0FFFH）的flash程序存儲(chǔ)器，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格常數(shù)。（3）定時(shí)/計(jì)數(shù)器 AT89C51共有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用于對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)；也可設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)運(yùn)行的控制。（4）并行I/O口 用于進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)外的傳輸，4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）。每個(gè)8位的口，既可用作輸入口，也可用作輸出口，每個(gè)口即可以8位同步讀寫，又可對(duì)每一位進(jìn)行單獨(dú)的操作。標(biāo)準(zhǔn)I/O口的主要功能相當(dāng)于一個(gè)8位鎖存器，能存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以保持與之相連接的8條口線各自電位的高低狀態(tài)。3.1.2 AT89C51單片機(jī)的引

10、腳及功能AT89C51共有40個(gè)引腳，下面介紹一下它們的主要功能。（1）P0口P0口某一位的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)緩沖器、一 圖3 P0口的結(jié)構(gòu)示意圖個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)電路（T1和T2）和一個(gè)與門及一個(gè)非門組成。（2）P1，P2，P3口 P1口是唯一的單功能口，位結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，僅能作為通用I/O口使用，P1口是8位準(zhǔn)雙向口，作通用輸入輸出口使用， Pl口有別于P0口，它接有內(nèi)部上拉電阻。P1口的每以一位可以獨(dú)立地定義為輸人或者輸出，因此，P1口既可作為8位并行輸入輸出口，又可作為8位輸入輸出端。CPU既可以對(duì)P1口進(jìn)行字節(jié)操作，又可以進(jìn)行位操作。當(dāng)作輸入方式

11、時(shí)，該位的鎖存器必須頂寫1。P2口是8位準(zhǔn)雙向輸入輸出接口，當(dāng)外接程序存儲(chǔ)據(jù)時(shí)，P2口給出地址的高8位，此時(shí)不能用作通用，IO口。當(dāng)外按數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，若RAM小于256KB，用R0、R1作間址寄存器，只需要P0口送出地址低8位，P2口可以用 圖4 P1口的位結(jié)構(gòu)圖作通用IO ；若RAM大于256KB，必須用16位寄存器DPTR作間址寄存器則P2口只能在一定限度內(nèi)作一股IO 口使用。 P3口是多功能口，同P0口一樣，當(dāng)做輸入口時(shí)，必須先向鎖存器寫“1”，使場(chǎng)效應(yīng)管T截止。（3）主電源引腳GND和VccGND(20)：接地；Vcc(40)：正常操作時(shí)接十5V電源（4）外接晶體引腳XTAL1和XTA

12、L2當(dāng)外接晶體振蕩器時(shí)，XTAL1和XTAL2分別接在外接晶體兩端，當(dāng)采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接外來振蕩信號(hào)。（5）控制引腳 RST/Vpp(9)：當(dāng)振蕩器正常運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)二個(gè)機(jī)器周期以上的高電平使單片機(jī)復(fù)位。Vcc掉電期間，此引腳可接備用電源，以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)。當(dāng)Vcc下降掉到低于規(guī)定的水平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。ALE(30)：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，由單片機(jī)的P2口送出地址的高8位，P0口送出地址的低8位，數(shù)據(jù)也是通過P0口傳送。作為P0口某時(shí)選出的信息到底是低8位地址還是傳送的數(shù)據(jù)，需要有一信號(hào)同步地進(jìn)行分別。

13、當(dāng)ALE信號(hào)(允許地址鎖存)為高電平(有效)P0口送出低8位地址，通過ALE信號(hào)鎖存低8位地址。 PSEN(29)：程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。EAVpp(31)：當(dāng)EA保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器(4K8)，但當(dāng)PC(程序計(jì)數(shù)器)值超過OFFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器(從0000H地址開始)，不管單片機(jī)內(nèi)部是否有程序存儲(chǔ)器。3.2 步進(jìn)電機(jī)3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，

14、而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。 設(shè)計(jì)中采用了 20BY-0 型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊。 其中步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語如下。（1） 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。 （2）拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)

15、周期性變化所需脈沖用n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA。（3）步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 表示。（4）定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒的諧波以及機(jī)械誤差造成的 ）。 （5）靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。3.2.2 控制原理根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動(dòng)控制，換向控

16、制，加速控制和減速控制按鈕，分別是K1、K2、S2、S3，控制電路如圖 5 所示。通過 K1、K2 狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和換向功能。當(dāng) K1、K2 的狀態(tài)變化時(shí)，內(nèi)部程序檢測(cè)P1.0 和 P1.1 的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動(dòng)和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)控制。 圖5 控制電路原理圖根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于單片機(jī)而言，主要的方法有：軟件延時(shí)和定時(shí)中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時(shí)器的中斷來實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過S2、S3 的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)

17、區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式是全電壓驅(qū)動(dòng)，即在電機(jī)移步與鎖步時(shí)都加載額定電壓。為了防止電機(jī)過流及改善驅(qū)動(dòng)特性，需加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時(shí)，限流電阻要消耗掉大量的功率，故限流電阻要有較大的功率容量，并且開關(guān)管也要有較高的負(fù)載能力。 圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過 ULN2803 構(gòu)成比較多的驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖6所示。通過單片機(jī)的P1.0-P1.3 輸出脈沖到ULN2803 的 1B-4B口，經(jīng)信號(hào)放大后從 1C-4C 口分別輸出到電機(jī)的A、B、C、D相。步進(jìn)電機(jī)的另一種驅(qū)

18、動(dòng)方式是高低壓驅(qū)動(dòng)，即在電機(jī)移步時(shí)，加額定或超過額定值的電壓，以便在較大的電流驅(qū)動(dòng)下，使電機(jī)快速移步；而在鎖步時(shí)，則加低于額定值的電壓，只讓電機(jī)繞組流過鎖步所需的電流值。這樣，既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機(jī)的運(yùn)行速度，但這種驅(qū)動(dòng)方式的電路要復(fù)雜一些。驅(qū)動(dòng)脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)。3.2.4 最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，即用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì)單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。 復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤，單片機(jī)的 P1 口鍵盤的接口。該設(shè)計(jì)要求只需4 個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)控

19、制功能的擴(kuò)展，使用了6路獨(dú)立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，所謂手動(dòng)復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用 30PF 的電容和一 12M 晶體振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率。如圖7所示。 圖7 復(fù)位及時(shí)鐘振蕩電路晶振電路：89C51 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振電路器（簡(jiǎn)稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖7所示。其電容值一般在 5-30pf,晶振頻率的典型值

20、為 12MHz,采用6MHz 的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。3.3 輸入顯示部分 本系統(tǒng)是基于提高智能機(jī)靈活性而設(shè)計(jì)的，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的頻率、步數(shù)、位置和停止等通過鍵盤輸入相應(yīng)指令，由單片機(jī)輸出步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)控制，用數(shù)碼管顯示輸入的參數(shù)并在工作時(shí)動(dòng)態(tài)顯示剩下的步數(shù)。顯然，要顯示一個(gè)字型就應(yīng)該使此字型的相應(yīng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，實(shí)際上就是送一個(gè)不同電平的組合代表的數(shù)據(jù)到數(shù)碼管。在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級(jí)分為七級(jí)，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級(jí)，這里設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示

21、電路中，主要是利用了單片機(jī)的 P0 口和 P2 口。采用兩個(gè)共陽數(shù)碼管作顯示。顯示電路如圖8所示。 圖8 顯示電路第一個(gè)數(shù)碼管接的 a、b、c、d、e、f、g、h 分別接 P0.0P0.7 口，用于顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時(shí)顯示“1” ，反轉(zhuǎn)時(shí)顯示“一”，不轉(zhuǎn)時(shí)顯示“0”。第二個(gè)數(shù)碼管的 a、b、c、d、e、f、g、h分別接 P2.0P2.7口，用于顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級(jí)別，共七級(jí)，即從 17 轉(zhuǎn)速依次遞增，“0”表示轉(zhuǎn)速為零。3.4 電源系統(tǒng)中包含弱電和強(qiáng)電兩部分，需要提供兩種電源電壓。這里采用集成穩(wěn)壓器CW7805和輸出電壓可變的LM317來分別提供5V和1.25V-37V電壓，兩電壓不共地。其

22、中一路給單片機(jī)供電，另一路給步進(jìn)電機(jī)供電。將各部分合在一起總體電路如圖9所示 圖9 總體電路4 軟件程序設(shè)計(jì) 在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中，相應(yīng)的控制信號(hào)由單片機(jī)來產(chǎn)生，根據(jù)需要通過鍵盤輸入電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速率和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，在工作使用數(shù)碼管來動(dòng)態(tài)顯示剩下的步數(shù)。所以，軟件部分由4大模塊組成： 主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷 0 和外部中斷1 部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動(dòng)開關(guān)的檢測(cè)，若啟動(dòng)開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析主程序與定時(shí)器中斷程序及外部中斷

23、程序。4.1 主程序的設(shè)計(jì)主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時(shí)器、外部中斷；對(duì) P1 口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度，對(duì)方向值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為 0，就意味著步進(jìn)電機(jī)按相單四拍運(yùn)行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“0”，速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖10所示 圖10 主程序流程圖4.2 定時(shí)中斷設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷

24、地按規(guī)律通入電流，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，速度就越快。在這個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)時(shí)間間隔是用定時(shí)器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時(shí)間間隔就是調(diào)節(jié)定時(shí)器的中斷次數(shù)，因而在定時(shí)器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向發(fā)下一個(gè)脈沖，以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖11所示。圖11 定時(shí)中斷程序流程4.3 外部中斷設(shè)計(jì)外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕 S2 為 INT0 中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于7 時(shí)，不改變?cè)瓟?shù)值返回，小于 7 時(shí)，數(shù)據(jù)加 1 后

25、返回；速度減少按鈕 S3，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為 0，減 1 保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為 0 則保持不變。程序流程圖如圖 12所示。 圖12 外部中斷程序流程圖4.4 系統(tǒng)軟件程序 SPEED EQU 10H ;SPEED為轉(zhuǎn)速等級(jí)標(biāo)志，共 7 級(jí)，即1-7 FX EQU 11H ;FX 為方向標(biāo)志 COUNT EQU 12H ;COUNT 中斷次數(shù)標(biāo)志 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H ;外部中斷0入口地址，加速子程序 AJMP UP ORG 0013H ;外部中斷1入口地址，減速子程序 AJMP DOWN ORG 000BH ;定時(shí)器0 中斷入口地址，控制中斷次數(shù)來達(dá)到控制轉(zhuǎn)速 A

26、JMP ZDT0 ORG 0030H MAIN: MOV SP,#60H MOV TMOD,#01H ;工作于定時(shí)、軟件置位啟動(dòng)！模式 1（16 位計(jì)時(shí)器） MOV TH0,#0CFH MOV TL0,#2CH MOV COUNT,#01H SETB ET0 ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器允許中斷 CLR IT0 ;外部中斷為電平觸發(fā)方式，低電平有效 CLR IT1 SETB EX0 ;外部允許中斷 SETB EX1 SETB EA ;開總中斷 MOV R1,#11H ; 四相單四拍運(yùn)行，共陽數(shù)碼管方向顯示 8，速度值顯示 0 MOV SPEED,#00H MOV FX,#00H XIANS: MOV A,S

27、PEED MOV DPTR,#LED MOVC A,A+DPTR ;查表獲取等級(jí)對(duì)應(yīng)數(shù)碼管代碼 MOV P2,A ;第二個(gè)數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速等級(jí) MOV A,FX ;準(zhǔn)備判斷轉(zhuǎn)向 CJNE A,#11H,ELS MOV P0, #0F9H ;第一個(gè)數(shù)碼管顯示 1，表示正轉(zhuǎn) AJMP QD ELS: CJNE A,#00H,ZHENG MOV P0,#0C0H ;第一個(gè)數(shù)碼管顯示 0，表示不轉(zhuǎn) AJMP QD ZHENG: MOV P0,#0BFH ;第一個(gè)數(shù)碼管顯示-，表示反轉(zhuǎn) QD: JB P3.4,DD ;P3.4 接啟動(dòng)開關(guān) K1，P3.4=1 時(shí)啟動(dòng) CLR TR0 ;停止定時(shí)/計(jì)數(shù)器 M

28、OV P0,#0C0H ;第一個(gè)數(shù)碼管顯示 0，表示不轉(zhuǎn) MOV P2,#0C0H ;第二個(gè)數(shù)碼管顯示 0，表示轉(zhuǎn)速為 0 MOV SPEED,#00H ;重新賦初值 MOV FX,#00H AJMP QD DD: MOV A,SPEED JNZ GO ;A 不等于 0，即初始速度不為零，則轉(zhuǎn)移到 GO CLR TR0 ;停止定時(shí)/計(jì)數(shù)器 AJMP QD GO: SETB TR0 ;開啟定時(shí)/計(jì)數(shù)器 ACALL DELAY AJMP XIANS DELAY: MOV R6,#10 ;延時(shí)子程序 DEL1: MOV R7,#250 HERE1: DJNZ R7, HERE1 DJNZ R6,DE

29、L1 RET ;以下 ZDT0為定時(shí)器中斷程序 ZDT0: PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H DJNZ COUNT,EXIT JB P3.5,NIZHUAN ;查詢方向標(biāo)志,P3.5 接換向開關(guān) K2 MOV FX,#11H NIZHUAN:MOV A,FX CJNE A,#11H,FZ ;若 A不等于 11，即正轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)移到 FZ MOV A,R1 ;R1 記錄上一次電機(jī)脈沖狀態(tài) MOV P1,A RR A ;循環(huán)右一位 MOV R1,A MOV P1,A AJMP RE FZ: MOV A,R1 MOV P1,A

30、RL A ;循環(huán)左移一位 MOV P1,A MOV R1,A RE: MOV A,SPEED MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV COUNT,A ;把轉(zhuǎn)速級(jí)別賦給 COUNT JB P3.5 ,FFX ; P3.5 接換向開關(guān) K2, 即換向位，若 P3.5=1，則跳到 FFX MOV FX,#11H AJMP EXIT FFX: MOV FX,#0FEH ;只要 FX不等于 11H,就可以通過循環(huán)左移或右移進(jìn)行換向 EXIT: POP DPL POP DPH POP ACC RETI ;以下 UP 為加速中斷程序 UP: PUSH ACC ACALL DELAY

31、;延時(shí)防抖動(dòng) JB P3.2,UPEX ;P3.2 為外部中斷 0 位，接增速開關(guān) S2，低電平有效，若 P3.2=1，則退出 MOV A,SPEED CJNE A,#7,SZ ;最大等級(jí)為 7，若 A不等于 7，則轉(zhuǎn)移到SZ AJMP UPEX ;若A=7,則退出 SZ: INC SPEED ;SPEED= SPEED+1 UPEX: POP ACC HERE2: JNB P3.2,HERE2 ;本條指令為防止開關(guān) S2 按下去后彈不起，導(dǎo)致一直產(chǎn)生中斷 RETI 以下 DOWN為減速中斷程序 DOWN: PUSH ACC ACALL DELAY JB P3.3,DEX ; P3.3 為外部

32、中斷 1 位，接減速開關(guān) S3，低電平有效，若 P3.3=1，則退出 MOV A,SPEED CJNE A,#0,SJ AJMP DEX SJ: DEC SPEED ;SPEED= SPEED-1 DEX: POP ACC HERE3: JNB P3.3,HERE3 RETI TAB: DB 0,60,40,35,30,28,25,21; 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 LED: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,98H END 總結(jié)本設(shè)計(jì)通過分析步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理，查閱步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)科技文獻(xiàn)，遵循實(shí)用、簡(jiǎn)單、可靠和低成

33、本的原則，設(shè)計(jì)了一種既可用于精度要求不高，但控制需完備的場(chǎng)合。對(duì)本次設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)為控制核心，利用其強(qiáng)大的功能，把鍵盤和顯示電路有機(jī)的結(jié)合起來，組成一個(gè)操作方便、交互性強(qiáng)的控制系統(tǒng)。采用鍵盤電路和顯示電路采用了動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，節(jié)約了單片機(jī)資源。 系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，具有易維護(hù)性，根據(jù)用戶新的要求，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行少量的修改，使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制電路稱之為可編程步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)控制(包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配)使用軟件方法，即用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣既簡(jiǎn)化了電路，也降低了成本。這次的課程設(shè)計(jì)更注重于對(duì)我們