基于單片機的步進電機控制及驅動系統(tǒng)設計-畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　Southwest Petroleum University Graduation Thesis</p><p>　　Control of stepping motor based on single chip and system design</p><p>　題目基于單片機的步進電機控制及<

2、/p><p>　驅動系統(tǒng)設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動，制動，正反轉和調(diào)速。具有步距角精度高，停止時能自鎖等特點，因此步進電機在自動控制系統(tǒng)中，特別是在開環(huán)的控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應用。</p><p>　　本

3、文以單片機為核心設計的步進電機控制系統(tǒng)，通過軟硬件的設計調(diào)試，實現(xiàn)步進電機加、減速控制，正反轉控制、步數(shù)控制，系統(tǒng)以最短的時間到達控制終點，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象；硬件是以AT89C52單片機為核心的控制電路，主要包括：鍵盤電路、步進電機的驅動電路等。本文用Keil軟件編寫C語言程序，與匯編語言相比，C語言在功能上、結構上、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，

4、通一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。并用Proteus軟件仿真單片機及外圍器件。</p><p>　　關鍵詞：步進電機控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Stepping motor is a kind of digital control system components.

5、It can achieve quick start-up, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be self-locking when it keeps still. As these characteristics, step

6、ping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied.</p><p>　　This article mainly focuses on taking Single-chip Computer and cycle pulse distributor as

7、the core, and designing the stepping motor control system. Through the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motor’s acceleration and deceleration automatically, according to par

8、ameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achieve start-up, positive inversion and shutdown. Hard</p><p>　　Key wor

9、ds: Stepping motor control system; speed control; Single-chip Compu</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1 課題提出的背景和研究意義1</p><p>

10、;　　1.2 課題的主要研究內(nèi)容1</p><p>　　2 步進電機概述3</p><p>　　2.1　步進電機的分類3</p><p>　　2.2 步進電機的原理3</p><p>　　2.3 步進電機的變速控制4</p><p>　　3 控制系統(tǒng)硬件設計7</p><p>　

11、　3.1 硬件結構圖7</p><p>　　3.2 各個模塊分析7</p><p>　　3.2.1電源電路7</p><p>　　3.2.2晶振電路8</p><p>　　3.2.3 復位電路9</p><p>　　3.2.4鍵盤控制電路9</p><p>　　3.2.5 AT

12、89C52單片機10</p><p>　　3.2.6步進電機驅動電路13</p><p>　　4 控制系統(tǒng)軟件設計15</p><p>　　4.1　系統(tǒng)軟件主流程圖15</p><p>　　4.2 Proteus仿真軟件15</p><p>　　4.3 Keil軟件16</p><p&g

13、t;　　4.4 Protel 99SE17</p><p>　　5 系統(tǒng)調(diào)試與分析19</p><p>　　Proteus仿真19</p><p><b>　　總 結21</b></p><p><b>　　致謝22</b></p><p><b>　　參

14、考文獻23</b></p><p><b>　　附 錄24</b></p><p>　　附錄A 系統(tǒng)程序24</p><p>　　附錄B 控制系統(tǒng)電路圖29</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1 課題提出的背景和研究意義&

15、lt;/p><p>　　由于步進電機不需要位置傳感器或者速度傳感器就可以實現(xiàn)定位，哪怕在開環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿意的，所以有利于裝置或設備的小型化和低成本，因此步進電機在計算機外圍設備、數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線等領域中都得到了廣泛的應用。</p><p>　　對于一個步進電機控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時間到達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生

16、失步。此外，一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差。當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動時有一個加速的過程。從高速運行到停止也應該有一個減速的過程，防止步進電機因為系統(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象。為此本文以

17、單片機作為控制核心，實現(xiàn)步進電機的自動加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時間到達控制終點，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因為步進電機的轉速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進電機的轉速，實質上是調(diào)節(jié)單片機輸出的脈沖頻率【1】。</p><p>　　由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響小，方向和轉角控制簡單，并且步進電機能直接接收數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。步進電機工作時，失步或者過沖都會直接影響其控制精度。

18、研究步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。</p><p>　　1.2 課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　1、步進電機的工作原理</p><p>　　通過查閱文獻對步進電機的單拍運行、雙拍運行、單雙拍運行等各種運行方式進行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進電機控制性能的影響。<

19、;/p><p>　　2、步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件設計</p><p>　　根據(jù)步進電機的原理和控制特點，對步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件進行分析和設計。</p><p>　　3、程序的調(diào)試及修改</p><p>　　用Keil軟件進行編程和調(diào)試，并且在Proteus環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真。</p><p>　　2 步進電機概述&

20、lt;/p><p>　　2.1　步進電機的分類</p><p>　　步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結構特點電磁式步進電機可分為反應式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應式和混合式步進電機[7]。</p><p>　　(1)反應式步進電機(Va

21、riable Reluctance，簡稱VR)反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型；</p><p>　　(2)永磁式步進電機(Permanent Magnet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉矩大，

22、動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電；</p><p>　　(3)混合式步進電機(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應式和永 磁式兩者的優(yōu)點。混合式與傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較

23、好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用。由于本設計的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結合，所以只采用反應式步進電機。</p><p>　　2.2 步進電機的原理</p><p>　　步進電機是

24、一種將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的常用開環(huán)電氣執(zhí)行元件，具有步進數(shù)可控、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。步進電機轉子的位移與脈沖數(shù)成正比，因而其轉速與脈沖頻率成正比，而不受電源電壓、負載大小及環(huán)境條件等影響。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度前進一步，這個角度即為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉的速度，方向信號決定了旋轉的方向。速度命令脈沖以時間速度圖的值輸出，當P個脈沖全部輸出以后停止輸出。四相步進電機原理圖

25、如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1四相步進電機原理圖</p><p>　　脈沖信號的產(chǎn)生：脈沖信號由單片機產(chǎn)生，脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉速越高，占空比則越大。</p><p>　　通電方式：常見的通電方式有單四拍（A-B-C-D-A），雙四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。<

26、/p><p>　　工作時序：單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 步進電機工作時序圖</p><p>　　2.3 步進電機的變速控制</p><p>　　對于大多數(shù)的任務而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能快一些，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外

27、一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。所謂的最高空載啟動頻率是指步進電機空載時，轉子從靜止狀態(tài)不失步地進入同步狀態(tài)（即步進電機每秒鐘轉過的角度和控制頻率相對應的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率

28、，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為0.1~1s之間。系統(tǒng)運行起來之后，如果到達終點時立即停止，可能會因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏差，所以從高速運行到停止也應該有減速的措施【6】。</p><p>　　為此，提出一種變速控制的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應頻率fs的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率fe后就以此速率恒速運行。當快要到達終點時，

29、又使其慢慢減速，在低于響應頻率fs的速率下運行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運行。這樣步進電機便可以以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程，上述的變速控制過程如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.3點—位控制的加減速過程</p><p>　　對于一個非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機的加減速過

30、程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。對于中等或比較長的運行距離，步進電機加速后應該有一個恒速的過程。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高。</p><p>　　加速時的起始速度應該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率，而不是從零開始。減速過程結束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步

31、低速運行后停止。</p><p>　　升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產(chǎn)生的轉矩為恒值。但實際上步進電機升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉矩會有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進電機輸出轉矩隨轉速變化的規(guī)律。</p><p>　　由于步進電機的速度正比于脈沖頻率

32、，控制步進電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機對步進電機進行加減速控制，即控制CP脈沖的時間間隔。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。本系統(tǒng)采用定時器中斷來控制步進電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應速度。</p><p>　　步進電機的加減速控制技術是步進電機控制中的一項關鍵技術，它直接影響步進

33、電機運行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。采用步進電機的加減速控制可以有效地克服步進電機啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應速度和精度。 </p><p>　　1、改變控制方式的變速控制</p>&l

34、t;p>　　最簡單的變速控制可以利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在0.1秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以達到減速的目的。</p><p>　　2、均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制</p><p>　　步進電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減

35、少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。</p><p>　　這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。</p><p>　　3、采用定時器的變速控制</p><p>　　在單片機控制系統(tǒng)中，可以采用單片機內(nèi)部的定時器來提供CP脈沖

36、。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向CPU申請一次中斷，CPU響應中斷后便發(fā)出一個脈沖。此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加減速的目的【9】。</p><p>　　這種方法的優(yōu)點是減少占用CPU的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理能力。為了提高單片機的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進行調(diào)速。</p><p>　　3 控制系統(tǒng)硬件設計</p><p&

37、gt;　　3.1 硬件結構圖</p><p>　　該系統(tǒng)的設計以89C52單片機為核心，以鍵盤輸入為為人機交換接口，以實現(xiàn)系統(tǒng)不同功能的選擇輸入，由于單片機輸出信號無法驅動步進電機，通過設計步進電機驅動電路以實現(xiàn)對步進電機的間接控制。與此同時，單片機還需一定的外圍輔助電路如復位、時鐘電路等，整個系統(tǒng)的結構圖如下:</p><p>　　圖3.1 硬件結構圖</p><p

38、>　　單片機最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，它主要負責產(chǎn)生控制步進電機轉動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比步進電機轉動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉動的的方向與輸出的脈沖順序有關。同時單片機系統(tǒng)還負責處理來自電機驅動電流檢測模塊檢測到的電流值。電機驅動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大，從而驅動電機工作。獨立按鍵作為一個外

39、部中斷源，和單片機端口連接，通過它設置了電機的正轉，反轉，加速，減速，步數(shù)控制等功能。</p><p>　　3.2 各個模塊分析</p><p>　　3.2.1電源電路 </p><p>　　本次電源電路使用的是三相集成穩(wěn)壓器，主要由集成電路、基準電壓電路

40、、取樣比較放大電路、調(diào)整電路、和保護電路等部分組成。 7805電路圖如下圖所示，這是一個輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容。當輸出電流較大時，7805應配上散熱板 。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。</p>

41、<p>　　圖3.2 7805電源電路</p><p><b>　　3.2.2晶振電路</b></p><p>　　AT89C52中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，其中引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成振蕩器。如下圖所示： 外接石英晶體（或陶瓷諧振器

42、）及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路，對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及濕度穩(wěn)定性,使用石英晶體和陶瓷諧振器要注意選擇的大小。 振蕩器特性:   XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTA

43、L2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平</p><p><b>　　圖3.3晶振電路</b></p><p>　　3.2.3 復位電路</p><p>　　單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復位信號

44、是從RST引腳端輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。</p><p><b>　　圖3.4復位電路</b><

45、;/p><p>　　3.2.4鍵盤控制電路 </p><p>　　獨立方式是指將每個按鍵按一對一的方式直接接到I/O輸入線上，讀鍵值時直接按I/O的狀態(tài)來反映，這種方式查鍵實現(xiàn)簡單，但占用I/O資源較多，一般在按鍵量較少的情況下采用。矩陣方式是用n條I/O線組成行輸入口，m條I/O線組成列輸入口，在行列線的每一個交點上設置一個按鍵，讀鍵值方法一般采用掃描方式，即輸出口按位輪換輸出低電平，再從輸

46、入口讀入鍵信息，最后獲得鍵碼。最后由于本次設計在按鍵上只用到6個，所以就用獨立方式就足以滿足設計需求。</p><p>　　圖3.5鍵盤控制電路 </p><p>　　3.2.5 AT89C52單片機</p><

47、p>　　隨著大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。在MCS-51系列單片機系列內(nèi)核8051/80C51的基礎上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL公司的AT89C52系列單片機是當今具有較高性能的單片微型計算機系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)

48、速電機控制系統(tǒng)等。</p><p><b>　　其主要特點有：</b></p><p>　?。?） CPU內(nèi)核完全和MCS-51系列兼容，具有MCS-51系列單片機的一切功能。</p><p>　?。?） 內(nèi)部集成了4K字節(jié)的在線可編程FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。</p><p>　?。?

49、） 可在0～24MHz的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實時處理控制系統(tǒng)中。</p><p>　?。?） 內(nèi)部具有256個字節(jié)的RAM和3個16位定時器，可以存放系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)和滿足定時或計數(shù)功能擴展的需要。</p><p>　　（6） 具有6個中斷源，完全可以滿足一般設計的中斷系統(tǒng)擴展需要。</p><p>　　因此，AT89C52系

50、列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設計中得到了廣泛的應用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設計中，選用了AT89C52單片機作為中央控制單元。</p><p>　　AT89C52是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes 的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準8

51、051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，功能強大。其中引腳功能說明如下：</p><p>　　圖3.6 AT89C52 管腳圖</p><p>　　其中單片機控制步進電機原理如下：</p><p>　　AT89C52單片機I/O借口發(fā)送的脈沖信號，經(jīng)過ULN2003芯片放大后，驅動步進

52、電機</p><p>　　本次畢業(yè)設計選用的步進電機是四相步進電機，通過軟件和硬件的結合實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉、反轉、加速、減速功能，主要通過三大塊來設計，包括驅動電路的設計、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分的設計?？梢酝ㄟ^控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度，從而達到調(diào)速的目的。</p><p>　　單片機控制步進電機原理圖如圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5單片機

53、控制步進電機原理圖</p><p>　　AT89C52單片機通過P1.0、P1.1、P1.2、P1.3控制步進電機通電相序，通電必須按順序進行通電，通過改變通電相序就可以控制步進電機的正反轉。其中電機正反轉和加減速的通電相序如表3.1所示：</p><p>　　表3.1 步進電機四相四拍相序表</p><p>　　步數(shù)控制的通電相序如表3.2所示：</p>

54、;<p>　　表3.2 步進電機四相八拍相序表</p><p>　　3.2.6步進電機驅動電路</p><p>　　步進電機不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設備—步進電機驅動器。步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與步進電機的自身性能有關外，在很大程度上也取決于驅動器的優(yōu)劣。步進電機的驅動電路應該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時又要保證驅動級功率器件的安全運行，另外還應

55、有較高的效率、較小的功耗和較低的成本。</p><p>　　本次設計時選用的驅動電路是ULN2003A，它是集成達林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它

56、的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。通常單片機驅動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。   </p><p>　　ULN2003是一個非門電路，包

57、含7個單元，但獨每個單元驅動電流最大可達350mA.資料的最后有引用電路，9腳可以懸空比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在VCC與16腳之間，不用9腳。  uln2003的作用：  </p><p>　　ULN2003是大電流驅動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅動繼電器等負載。  輸入5VTTL電平，輸出可達50

58、0mA/50V。 </p><p>　　ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下: ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。 </p><p>　　ULN2003 是高壓大電

59、流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅動的系統(tǒng)。 </p><p><b>　　圖3.7 驅動電路</b></p><p>　　電路工作原理：只要按一定的順序改變A、B、C、D通電的順序，就可控制步進電機按一定的方向步進。</p><p>　　4 控制系統(tǒng)軟件

60、設計</p><p>　　4.1　系統(tǒng)軟件主流程圖</p><p>　　當給系統(tǒng)供電以后，通過單片機復位電路對系統(tǒng)進行上電復位系統(tǒng)經(jīng)過初始化以后，便開始執(zhí)行按鍵查詢等待相應的操作，當有按鍵按下的時候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應的子程序，其具體的主流程圖4.1如下所示：</p><p><b>　　4.1　主程序圖</b></p><

61、p>　　4.2 Proteus仿真軟件</p><p>　　Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計

62、軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。</p><p>　　Proteus軟件的特點有：</p><p>　　1

63、.ProSPICE混合仿真：基于工業(yè)標準SPICE3F5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真；</p><p>　　2.超過27000個仿真器件：可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自行設計仿真器件，Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導入第三方發(fā)布的仿真器件；</p><p>　　3.多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號、單頻F

64、M、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入；</p><p>　　4.豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器等；</p><p>　　5.生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導線以不同顏色表示其對地電壓大小，結合動態(tài)器件（如電機

65、、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動；</p><p>　　6.高級圖形仿真功能（ASF）：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進行一致性分析；</p><p>　　使用Proteus軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設計，是虛擬仿真技術和計算機多媒體技術相結合的綜合運用，有利于培養(yǎng)我們的電路設計能力及仿真

66、軟件的操作能力；對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用 Proteus 進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設計效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價值。</p><p>　　4.3 Keil軟件</p><p>　　Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，

67、C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。并且Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。<

68、/p><p>　　KeiluVision2是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言易學易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，您可以在關鍵的位置嵌入，使程序達到接近于匯編的工作效率。KEILC51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51已被完全集成

69、到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　4.4 Protel 99SE</p><p>　　Protel 99SE的組成 ：Protel 99SE主要有兩大部分構成，每一部分又各有三個模塊。 第一部分是電

70、路圖設計，主要有 Advanced Schematic 99： 此模塊主要用于原理圖設計，包含原理圖編</p><p>　　輯器，元器件庫編輯器和相應報表生成器Advanced PCB 99： 此模塊用于電路板設計，主要包含電路板編輯器，元器件編輯器和電路板組件管理器；Advanced Route 99： 用于PC

71、B的自動布線器</p><p>　　第二部分是電路仿真和PLD設計，主要有Advanced PLD 99： 此模塊用于可編程器件設計，含有語法功能的文本編輯器，用于編譯和仿真設計結果的PLD和觀察仿真波形的Wave工具Advanced SIM 99： 此模塊用于電路仿真，主要包含一個功能強大的數(shù)/?；旌闲盘柗抡嫫?，能提供連續(xù)的模擬信號和離散的數(shù)字信號仿真

72、Advanced Integrity 99： 此模塊可進行高級信號完整性分析，包含一個高級信號完整性仿真器，可分析PCB設計，檢查設計參數(shù)，測試過沖、下沖、阻抗和信號斜率</p><p>　　Protel 99 SE的主要特點 ：</p><p>　　Protel 99 SE是PC環(huán)境下以獨特設計管理和協(xié)作技術

73、為核心的印制電路板設計軟件系統(tǒng)，是基于Windows 95/98/2000/NT的全32位EDA設計系統(tǒng)。它主要采用了以下技術：  SmartDoc技術 </p><p>　　所有文件均存于綜合設計數(shù)據(jù)庫中。包括原理圖、PCB圖、輸出文件和材料清單等，便于進行有效管理。 . SmartTool技術 所有設計工具，原理圖設計、電路仿真、PLD設計

74、、PCB設計、自動布線、信號完整性分析和文件管理都集中到一個獨立和直觀的設計管理器界面上。. SmartTeam技術 </p><p>　　設計組的所有成員可同時訪問同一個設計數(shù)據(jù)庫的綜合信息，更改通告和文件鎖定保護，確保整個設計組的工作協(xié)調(diào)與配合。</p><p><b>　　5 系統(tǒng)調(diào)試與分析</b></p><p>&

75、lt;b>　　Proteus仿真</b></p><p>　　由于Proteus軟件本身優(yōu)良的仿真特性，所設計的程序能用于Proteus中，完成仿真過程的同時，即基本驗證所設計程序的準確性，從而完成系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序的設計部分。Proteus仿真步進電機的界面如圖所示。</p><p><b>　　5.1 正、反轉圖</b></p>

76、<p>　　通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，正反轉結果符合設計要求。</p><p><b>　　5.2 停止圖</b></p><p>　　通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，電機停止圖結果符合設計要求</p><p><b>　　5.3 加、減速圖</b></p><p>　　通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，加減速結果符合設計要求</p

77、><p><b>　　5.4步數(shù)控制圖</b></p><p>　　通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，步數(shù)控制結果符合設計要求</p><p>　　通過Proteus軟件的仿真，所編寫的程序達到了預期的效果，仿真實現(xiàn)了程序的調(diào)試過程。</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　

78、經(jīng)過近兩個月的努力，終于完成了基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)軟硬件的研究和設計。通過這次設計，加深對單片機控制系統(tǒng)的了解。將所學的理論知識應用到實踐中，在系統(tǒng)的設計中做了如下的工作。</p><p>　　1、查閱相關資料。根據(jù)課題要求查閱資料，然后在老師的指導下，有針對性地學習相關知識，對資料進行消化和吸收。</p><p>　　2、根據(jù)系統(tǒng)的要求確定控制系統(tǒng)的總體設計方案。系

79、統(tǒng)以AT89C52單片機為控制核心，并設計相應的接口電路，包括鍵盤電路、顯示電路、步進電機的驅動電路等。</p><p>　　3、編寫應用程序。軟件是根據(jù)控制系統(tǒng)的要求設計的，包括主程序的設計、延時程序設計、鍵盤程序設計、調(diào)速程序設計等程序的設計。</p><p>　　4、用keil軟件完成程序的編寫和調(diào)試，并用Proteus軟件進行系統(tǒng)仿真。</p><p>　　

80、論文采用單片機技術，實現(xiàn)步進電機的自動調(diào)速控制，完成對控制系統(tǒng)的硬件電路和應用軟件設計。論文雖然完成了系統(tǒng)的設計，但由于開發(fā)經(jīng)驗不足，系統(tǒng)一定存在不妥之處，尤其是步進電機的應用方面有待進一步的研究和探討。論文中的不足之處敬請老師批評指正。</p><p>　　畢業(yè)設計是我作為一名學生即將完成學業(yè)的最后一次作業(yè)，它既是對學校所學知識的全面總結和綜合應用，又為今后走向社會的實際操作應用鑄就了一個良好開端。這次設計培養(yǎng)

81、和提高了我分析問題和解決問題的能力，更讓我學會了要多實踐，讓我懂得理論知識只是一個基礎，理論水平的高低并不能證明一個人的能力。我還要在以后的生活和工作中不斷的學習，提高自己的能力和綜合素質。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　轉眼間我的大學時光就走到了盡頭，回首剛入校的我，充滿了稚氣，那時也并未明白，何為大學，何為大學生?，F(xiàn)在的自己經(jīng)過了大

82、學四年的磨礪，讓我的肩頭多了一份責任和承擔，即將踏入社會的我，面臨的抉擇和困難也非常多，但不管前途多么的未知和艱難，我會毫無畏懼地前行，因為一直有人在支持我。</p><p>　　天下沒有不散的宴席，大四還剩下的日子也屈指可數(shù)，別離總是傷感，在這學校還留下了很多的遺憾，真希望自己還是大一的新生，一切也都還來得及。但是，人生總需要大膽往前看，過去的已不能挽回，我懷著感恩的心情，感恩我的母校，感謝她給我的成長，更需要

83、感謝的是那些曾經(jīng)給予我?guī)椭娜恕?lt;/p><p>　　我這次畢業(yè)設計得以順利的完成，要感謝的人實在太多。首先要衷心地感謝我的指導老師沈霞老師，這個畢業(yè)設計題目是她結合我的實際情況幫我選定的。她嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，開闊的思維，循循善誘的指導和對我們的關心及肯定給我們小組同學的幫助一直很大。在課間和課后放棄休息也要給予我們指導，并且對我們也很信任，大膽放手讓我們?nèi)プ鲈O計，給我們很多自由的空間和時間。在這次設計的不斷修改和

84、完善的過程中，老師也讓我更加懂得了“一分耕耘，一份收獲”的道理。</p><p>　　然后，還要感謝所有在大學期間傳授我知識和幫助我的老師，每一位老師的悉心教導和無私奉獻都是我完成這篇論文的基礎。沒有這些基礎知識，我不可能完成這次畢業(yè)設計，也不可能習得這么多良好的學習習慣，完善我的大學生活。</p><p>　　最后要感謝的是實驗室所有的同學們，當我遇到問題時，他們隨時為我解答，不管是多么

85、簡單的問題，還是多么困難的問題，他們從不推脫，放下自己手中的事情，把我的問題當成他們自己的事情來做，這真的讓我非常的感動。可以說，沒有他們我完成不了我的畢業(yè)設計，因為自己本身知識的匱乏，在沒有老師在的時候，我簡直我從下手，但是實驗室的同學往往就是我生活中的一道曙光，感謝他們給我?guī)砉饷鳎?lt;/p><p>　　當然也要感謝我的家人，我永遠都不會忘記你們的良苦用心和一如既往的支持。四年來，快樂的事情因為有你們分享而更

86、快樂，失意的日子因為有你們的關懷能忘卻傷痛。無論我成功與否，有你們陪伴我都會更加的努力！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1].謝克明.單片機原理及應用設計,電子工藝出版社,2005.2</p><p>　　[2].劉麗明. 控制電機,電子工藝出版社,2003</p><p>　　[3

87、].彭鴻才.電機原理及拖動,機械工業(yè)出版社,2007</p><p>　　[4].劉寶廷,程樹康.步進電機及其驅動控制系統(tǒng),哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997.</p><p>　　[5].李林功,單片機原理及應用,機械工業(yè)出版社,2007.3</p><p>　　[6].王玉林,王強. 步進電機的速度調(diào)節(jié)方法,電機與控制應用,2006</p><p

88、>　　[7].閆劍虹,何泰祥. 步進電機高速啟停控制的單片機實現(xiàn)[J],空間電子技術,2009</p><p>　　[8].王建,張玉峰,力磊.步進電機的加減速控制研究[J],工礦自動化,2006</p><p>　　[9].袁忠.基于單片機的步進電機控制[J],制造業(yè)自動化,2009</p><p>　　[10].杭柏林,房玉明.基于單片機的步進電機開環(huán)控制

89、系統(tǒng)[J],2006</p><p>　　[11].黃寧.S7-200PLC在自動生產(chǎn)線中的應用[J],自動化技術與應用,2009</p><p>　　[12].潘永雄.新編單片機原理與應用,西安電子科技大學出版社[M],2007.</p><p>　　[13].郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M],電子工業(yè)出版社,2009.</p><p&

90、gt;　　[14].李華.MCS－51系列單片機實用接口技術[M].北京航空航天大學出版社,1993</p><p>　　[15].楊宏,李國輝.基于Proteus與單片機的步進電機控制設計[J],現(xiàn)代電子技術,2010，</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　附錄A 系統(tǒng)程序</b>&l

91、t;/p><p>　　#include "reg52.h"</p><p>　　sbit D1 = P0^0;</p><p>　　sbit D2 = P0^1;</p><p>　　sbit D3 = P0^2;</p><p>　　sbit D4 = P0^3;</p><p&g

92、t;　　sbit D5 = P0^4;</p><p>　　sbit D6 = P0^5;</p><p>　　sbit K1 = P2^0;</p><p>　　sbit K2 = P2^1;</p><p>　　sbit K3 = P2^2;</p><p>　　sbit K4 = P2^3;</p>

93、<p>　　sbit K5 = P2^4;</p><p>　　sbit K6 = P2^5;</p><p>　　unsigned char code FFW[4]={0x08,0x04,0x02,0x01}; //??</p><p>　　unsigned char code FFZ[4]={0x01,0x02,0x04,0x08}; //??<

94、;/p><p>　　unsigned char code FF[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};</p><p>　　unsigned int j;</p><p>　　unsigned char x;</p><p>　　unsigned int l=0;</

95、p><p>　　int rate=500;</p><p>　　unsigned char i; </p><p>　　void delay(unsigned int t)</p><p>　　{ </p><p>　　unsigned int k;</p>

96、<p>　　while(t--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(k=0; k<80; k++)</p><p><b>　　{ }</b></p><p><b>　　}</b></p><p>&

97、lt;b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　//////////////////////////////////////////正傳////////////////////////////////////////////////// &

98、lt;/p><p><b>　　if(K1==0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　D1=0;</b></p><p>　　D2=D3=D4=D5=D6=1;</p><p><b>　　while(1)

99、</b></p><p>　　{unsigned char i;</p><p>　　for (i=0; i<4; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1 = FFZ[i];</p><p>　　delay(500); </p>

100、<p><b>　　}</b></p><p>　　if(K2==0||K3==0||K4==0||K5==0||K6==0){D1=1;</p><p><b>　　break;}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>

101、　　}</b></p><p>　　//////////////////////////反轉//////////////////////////////// </p><p><b>　　if(K2==0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b

102、>　　D2=0;</b></p><p>　　D1=D3=D4=D5=D6=1;</p><p><b>　　while(1)</b></p><p>　　{ unsigned char i;</p><p>　　for (i=0; i<4; i++)</p><p>&

103、lt;b>　　{</b></p><p>　　P1 = FFW[i];</p><p>　　delay(500);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(K1==0||K3==0||K4==0||K5==0||K6==0){D2=1;</p><p>

104、<b>　　break;}</b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//////////////////////////停止////////////////////////////////</p><p&

105、gt;<b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{ D3=0; D2=D1=D4=D5=D6=1;</p><p><b>　　P1=0x00;</b></p><p>　　K1=K2=K4=K5=K6=1;</p><p>　　while(!(K2||K1||K4||K5||K

106、6)){D3=1;</p><p><b>　　break;}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//////////////////////////加速////////////////////////////////</p><p><b>　　if(

107、K4==0)</b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　D4=0;D2=D1=D3=D5=D6=1;</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　

108、　if(K4==0){rate=rate-40;</p><p>　　if(rate==20){</p><p><b>　　rate=60;}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　for (i=0; i<4; i++)</p><p>

109、<b>　　{</b></p><p>　　P1 = FFZ[i];</p><p>　　delay(rate); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(K2==0||K3==0||K1==0||K5==0||K6==0){D4=1;</p><p

110、><b>　　break;}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//////////////////////////減速////////////////////////////////</p><p

111、><b>　　if(K5==0)</b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　D5=0;D2=D1=D3=D4=D6=1;</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b><

112、/p><p>　　if(K5==0){rate=rate+50;</p><p>　　if(rate==1500){</p><p>　　rate=1450;}</p><p><b>　　}</b></p><p>　　for (i=0; i<4; i++)</p><p&

113、gt;<b>　　{</b></p><p>　　P1 = FFZ[i];</p><p>　　delay(rate); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(K2==0||K3==0||K1==0||K4==0||K6==0){D5=1;</p>&l

114、t;p><b>　　break;}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/////////////////////////步數(shù)控制////////////////////////////////</p>&

115、lt;p><b>　　if(K6==0)</b></p><p><b>　　{ D6=0;</b></p><p>　　D2=D3=D4=D5=D1=1;</p><p><b>　　while(1)</b></p><p>　　{if(K6==0)</p>

116、;<p><b>　　{ </b></p><p><b>　　if(l>7)</b></p><p><b>　　{l=0;}</b></p><p>　　P1 = FF[l] ;</p><p>　　delay(500);</p><

117、p><b>　　l++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(K2==0||K1==0||K4==0||K3==0||K5==0)</p><p>　　{D6=1;break;}</p><p><b>　　}</b></p&g