畢業(yè)設(shè)計(jì)--步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　編號(hào)：（ ）字 號(hào)</p><p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題目： </p><p>　　姓名： 學(xué)號(hào)： </p><p>

2、;　　班級(jí)： </p><p><b>　　*畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　任務(wù)下達(dá)日期： 2003年 12 月 30 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)日期： 2003年 12 月 30 日至 2004 年 6 月 10 日</p><p&

3、gt;　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)專題題目：</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：</p><p>　　1. 弄清并理解關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類及特點(diǎn)等基本知識(shí)；</p><p>　　2. 理解有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)，并提出自己針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制

4、方案；</p><p>　　3. 利用Proteus仿真環(huán)境，繪制基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理電路；</p><p>　　4. 利用C語(yǔ)言編制基于AT89C51的步進(jìn)電機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度、方向、復(fù)位、點(diǎn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制；</p><p>　　5. 搭建硬件電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能；</p><p><b>

5、　　6. 撰寫(xiě)論文。</b></p><p>　　院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字：</p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)又稱為脈動(dòng)電機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功能是將脈沖電信號(hào)變

6、換為相應(yīng)的角位移或直線位移。步進(jìn)電機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速；能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。它不需要變換能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計(jì)算機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)與其他類型電機(jī)相比具有易于開(kāi)環(huán)精確控制、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)生活特別是精密控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)不可以直接連接交流電源或直流電源，只能通過(guò)脈沖電源驅(qū)動(dòng)。使用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，能夠自動(dòng)并精

7、確控制復(fù)雜的控制過(guò)程，使控制精度不受失步、震蕩的影響，接口電路的靈活性和通用性也大大提高，并且顯示電路、鍵盤(pán)電路、復(fù)位電路等外圍電路可以很好的結(jié)合起來(lái)，系統(tǒng)交互性好。本次設(shè)計(jì)首先對(duì)步進(jìn)電機(jī)和控制與驅(qū)動(dòng)芯片的性能做了一個(gè)細(xì)致的了解與認(rèn)識(shí)，用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，加減速，復(fù)位和點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行的控制，在proteus仿真環(huán)境中進(jìn)行仿真，調(diào)試成功后，再進(jìn)行硬件電路的焊接在包板上實(shí)現(xiàn)，將理論聯(lián)系到實(shí)踐。</p><p>　

8、　關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)芯片；仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The pulse motor is also called a stepper motor , the control system is a digital actuator . Its function is converted into an

9、electric signal pulse corresponding angular displacement or linear displacement . Stepper motor speed control can be in a wide range by varying the pulse frequency ; fast start , reverse and brake . It does not transform

10、 the digital pulse signal can be directly converted to angular displacement , it is suitable for the use of microcomputer control. Stepper motor compared </p><p>　　Stepper motor can not be directly connected

11、 to AC or DC power , can only be driven by a pulsed power supply . The use of single-chip stepper motor control, can automatically and precisely control the complex control process , the control accuracy is not out of st

12、ep , the impact of the shock , the flexibility and versatility of the interface circuit is also greatly improved , and the display circuit , keyboard circuit, reset circuit and other peripheral circuits can be well combi

13、ned, system inter</p><p>　　Keywords : stepper motor; microcontroller ; driver chip; simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p

14、>　　1.1課題背景及意義1</p><p>　　1.1.1 課題的目的和意義1</p><p>　　1.1.2 國(guó)內(nèi)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)研究的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外較為常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)1</p><p>　　1.2.1 基于電子電路的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)1</p><p>

15、;　　1.2.2 基于PLC的控制2</p><p>　　1.2.3 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制3</p><p>　　1．3 論文研究的目的和內(nèi)容3</p><p>　　1．4 論文安排4</p><p><b>　　2 元器件介紹5</b></p><p><b>　　2.1

16、步進(jìn)電機(jī)5</b></p><p>　　2.1.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)5</p><p>　　2.1.2步進(jìn)電機(jī)的分類5</p><p>　　2.1.3步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)6</p><p>　　2.1.4步進(jìn)電機(jī)的工作原理7</p><p>　　2.1.5本設(shè)計(jì)所選的步進(jìn)電機(jī)9</p>

17、<p>　　2.2 89C51單片機(jī)10</p><p>　　2.2.1主要性能10</p><p>　　2.2.2 AT89C51的定時(shí)器結(jié)構(gòu)11</p><p>　　2.2.3系統(tǒng)端口分配14</p><p>　　2.3 L297工作原理14</p><p>　　2.4 L298簡(jiǎn)介17&

18、lt;/p><p>　　2.5本章小結(jié)17</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計(jì)18</b></p><p>　　3.1 L297和L298組合電路18</p><p>　　3.2方案設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3proteus電路仿真設(shè)計(jì)20</p><p&g

19、t;　　3.3.1控制電路20</p><p>　　3.3.2驅(qū)動(dòng)電路21</p><p>　　3.3.3顯示模塊21</p><p>　　3.3.4時(shí)鐘與復(fù)位部分22</p><p>　　3.3.5總體電路圖22</p><p>　　3.4 Proteus仿真結(jié)果23</p><p&g

20、t;　　3.4.1 proteus仿真步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)23</p><p>　　3.4.2 proteus仿真步進(jìn)電機(jī)加速24</p><p>　　3.4.3 proteus仿真步進(jìn)電機(jī)減速26</p><p>　　3.4.4 proteus仿真步進(jìn)電機(jī)單步運(yùn)行28</p><p>　　3.4.5 proteus仿真步進(jìn)電機(jī)復(fù)位30&

21、lt;/p><p>　　3.5本章小結(jié)30</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)31</b></p><p>　　4.1軟件設(shè)計(jì)描述31</p><p>　　4.1.1主程序的設(shè)計(jì)方案31</p><p>　　4.1.2定時(shí)中斷設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.1

22、.3外部中斷設(shè)計(jì)33</p><p><b>　　4.2源程序33</b></p><p>　　4.3本章小結(jié)33</p><p><b>　　5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)34</b></p><p>　　5.1 硬件電路的可行性實(shí)驗(yàn)34</p><p>　　5.2 硬件電路的焊接

23、35</p><p>　　5.2.1錫焊工具35</p><p>　　5.2.2錫焊條件35</p><p>　　5.2.3錫焊步驟35</p><p>　　5.2.3焊接自我檢查36</p><p>　　5.3硬件調(diào)試38</p><p>　　5.4 本章小結(jié)38</p&g

24、t;<p><b>　　6總結(jié)與思考39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　文獻(xiàn)翻譯41</b></p><p><b>　　英文原文41</b></p><p><b>

25、　　中文譯文47</b></p><p><b>　　致 謝53</b></p><p><b>　　附 錄54</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題背景及意義</p><p>　　

26、1.1.1 課題的目的和意義</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)在機(jī)電一體化中是一種非常重要的執(zhí)行元件，其良好的伺服性能使得步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵組成，它由步進(jìn)電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)器、系統(tǒng)軟件等部件構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)主要由步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)可在非常廣的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，它還可以快速啟停、正反轉(zhuǎn)、自鎖等，這使得步進(jìn)電機(jī)組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、廉

27、價(jià)、可靠。所以，它被廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、計(jì)算裝置、自動(dòng)記錄儀、工人機(jī)器人、無(wú)損檢測(cè)等系統(tǒng)和裝置中。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)與其控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)密不可分，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)較為滯后時(shí)，就會(huì)使得步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在接近工作頻率時(shí)產(chǎn)生共振，在低速運(yùn)行中平穩(wěn)性差，在高速運(yùn)行中快速響應(yīng)能力差，容易產(chǎn)生不同步現(xiàn)象，并且伴有震蕩和較差的矩頻特性，出現(xiàn)弊端?；谝陨侠碚?，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。</p

28、><p>　　1.1.2 國(guó)內(nèi)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)研究的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)迅速地崛起，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。步進(jìn)電機(jī)是把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的執(zhí)行元件，它的驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的一部分，步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)不可分割的整體，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行與驅(qū)動(dòng)器密切相關(guān)，隨著晶體管技術(shù)的應(yīng)用，使驅(qū)動(dòng)器向小

29、型化得到了很大的發(fā)展。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器技術(shù)在20世紀(jì)70年代進(jìn)入鼎盛時(shí)期，步進(jìn)電機(jī)與其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器脫穎而出，如日本的EMP系列、美國(guó)的M系列、德國(guó)的IBS/IBC系列等。功放驅(qū)動(dòng)元件除了用到晶體管以外，還用到了晶閘管，電源線路采用兩種不同電壓等級(jí)的驅(qū)動(dòng)器而不再是采用單一電壓等級(jí)的驅(qū)動(dòng)器。</p><p>　　隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，其驅(qū)動(dòng)器

30、也在日新月異的發(fā)展完善和提高，驅(qū)動(dòng)電路集成化也發(fā)展到了較高的技術(shù)水平。以美國(guó)為例，它生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器體積小，在功能上可驅(qū)動(dòng)較大的步進(jìn)電機(jī)，且工作發(fā)熱低，電機(jī)工作平穩(wěn)，可靠性高。驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前應(yīng)用較多的有斬波驅(qū)動(dòng)、升頻生壓驅(qū)動(dòng)等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一個(gè)有極具發(fā)展優(yōu)勢(shì)的方向是微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，又稱為步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外較為常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)</p><p&g

31、t;　　在長(zhǎng)期的步進(jìn)電機(jī)發(fā)展過(guò)程中，涌現(xiàn)出了多種步進(jìn)電機(jī)的控制方案。</p><p>　　1.2.1 基于電子電路的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)</p><p>　　該方法采用電脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，而電脈沖信號(hào)的相關(guān)變化（包括脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配和放大等）則主要通過(guò)電子元器件的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。鑒于脈沖控制信號(hào)通常只具備很弱的驅(qū)動(dòng)能力，因此系統(tǒng)中必須額外增加有功功率放大驅(qū)動(dòng)電路。然后將步進(jìn)電機(jī)、控制電路

32、以及功率放大驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行組合，就可以組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。整部系統(tǒng)可以劃分為三大主要部分，如圖1.1所示。即：</p><p>　　1）脈沖信號(hào)的產(chǎn)生電路；2）脈沖信號(hào)的分配電路；3）實(shí)現(xiàn)功率放大功能的驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　圖1.1 基于電子電路的控制系統(tǒng)</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p

33、>　　這種控制方案的控制電路相對(duì)而言設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，通常來(lái)講，大多數(shù)的步進(jìn)電機(jī)任務(wù)都可以完成。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，該控制方案既可實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，也可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制的時(shí)候，它的造價(jià)比較低，且設(shè)計(jì)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，并且平穩(wěn)性能很好，但是該系統(tǒng)此時(shí)將無(wú)法完成高精度細(xì)分。使用閉環(huán)控制的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分及其無(wú)級(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制可以連續(xù)地通過(guò)直接或間接的方法檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置及其速度，然后通過(guò)反饋環(huán)節(jié)把檢測(cè)到的信息進(jìn)行反向輸送并

34、進(jìn)行及時(shí)的處理，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出脈沖鏈，通過(guò)控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的每一步運(yùn)轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)只要控制策略是正確的，電機(jī)就不會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象。</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　該控制電路的脈沖輸出頻率及其脈沖輸出數(shù)主要是通過(guò)使用一些大規(guī)模集成電路來(lái)進(jìn)行控制；方案可以實(shí)現(xiàn)的功能較少；一旦控制方案需要稍加改變，就必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，缺乏必要的靈活性。

35、</p><p>　　1.2.2 基于PLC的控制</p><p>　　PLC是一種工用計(jì)算機(jī)，俗稱可編程控制器。它的優(yōu)點(diǎn)是：通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高。因此可以在自動(dòng)控制系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成有以下幾個(gè)部分，即PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路。各部分功能如下：PLC主要是為控制系統(tǒng)產(chǎn)生控

36、制脈沖，調(diào)整控制脈沖頻率的強(qiáng)弱即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度，而它所輸出的方波脈沖則可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)給量而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量；將PLC輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組是環(huán)形脈沖分配器的主要功能，它主要有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩大類，軟件環(huán)形分配器是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，硬件環(huán)形分配器則是用硬件組成的環(huán)形分配器。相對(duì)而言，硬件環(huán)形分配器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但

37、它占用的PLC資源較少，所以目前被用在多種芯片中，相對(duì)的，軟件環(huán)形分配器則會(huì)占據(jù)較多的PLC資源，但是可以控制多相步進(jìn)電機(jī)，比較適合用于大型生產(chǎn)線；步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的主要功能就是放大PLC輸出的控制脈沖，使驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)[1]。</p><p>　　出于降低硬件成本的考慮，我們利用PLC的定時(shí)器產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，再用軟件產(chǎn)生環(huán)形脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。但這樣的

38、組成有一個(gè)缺點(diǎn)，就是步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速控制，并且在速度較高時(shí)，相應(yīng)的控制精度會(huì)降低，這是因?yàn)镻LC的掃描周期通常為千分之幾秒到百分之幾秒，相應(yīng)的頻率就能達(dá)到幾百赫茲[2]。</p><p>　　1.2.3 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制</p><p>　　將步進(jìn)電機(jī)用單片機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，可以使用軟硬件相結(jié)合的控制方法。將環(huán)形分配器用軟件代替，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。步進(jìn)

39、電機(jī)的各相驅(qū)動(dòng)電路是使用單片機(jī)接口進(jìn)行直接控制的。鑒于單片機(jī)具有非常強(qiáng)大的功能，我們還可以設(shè)計(jì)大量的外圍控制電路，將鍵盤(pán)作為外部中斷源，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的一系列的功能進(jìn)行設(shè)置，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔位、停止等；利用單片機(jī)的軟件編程完成脈沖分配，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能；使用中斷和查詢相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)[3]。</p><p>　　單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)具

40、有很多優(yōu)點(diǎn)，以下簡(jiǎn)單地列寫(xiě)如下：</p><p>　　（1）編程使用單片機(jī)軟件，能夠自動(dòng)并精確控制復(fù)雜的控制過(guò)程，從而有效控制精度不受失步、震蕩的影響；</p><p>　?。?）將環(huán)形分配器用軟件代替，然后設(shè)定單片機(jī)，可以完成同一電路控制并驅(qū)動(dòng)多相步進(jìn)電機(jī)的功能，使得接口電路的靈活性和通用性大大提高；</p><p>　?。?） 單片機(jī)可以使顯示電路、鍵盤(pán)電路、復(fù)

41、位電路等外圍電路很好的結(jié)合起來(lái)，使系統(tǒng)的交互性得以提高，故采用單片機(jī)完成本次設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　1．3 論文研究的目的和內(nèi)容</p><p>　　本文的研究目的有兩個(gè)：作為一個(gè)電氣自動(dòng)化學(xué)生，在日常學(xué)習(xí)過(guò)程中我總感覺(jué)到目前的教材各種知識(shí)技術(shù)太過(guò)涇渭分明，無(wú)法把一些學(xué)過(guò)的課程知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐活動(dòng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，所以我始終希望自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠有機(jī)地把電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)的控制技術(shù)

42、等幾門(mén)課程綜合起來(lái)，并著力于相應(yīng)的生產(chǎn)實(shí)踐；第二個(gè)目的就是運(yùn)用自己所學(xué)習(xí)的知識(shí)致力于完善步進(jìn)電機(jī)的控制與設(shè)計(jì)，能親自設(shè)計(jì)出來(lái)一套較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的硬件系統(tǒng)，且適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便、交互性強(qiáng)并且可靠性高的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。出于以上兩個(gè)目的，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這半年多時(shí)間里，按照模塊化的思想，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，完成了這篇論文。</p><p>　　整個(gè)論文的內(nèi)容包括：</p><p>　　1.

43、弄清并理解關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類及特點(diǎn)等基本知識(shí)；</p><p>　　2. 理解有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)，并提出自己針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制方案；</p><p>　　3. 利用Proteus仿真環(huán)境，繪制基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理電路；</p><p>　　4. 利用C語(yǔ)言編制基于AT89C51的步進(jìn)電機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度、方向、點(diǎn)

44、動(dòng)、復(fù)位的控制；</p><p>　　5. 搭建設(shè)計(jì)模型；</p><p><b>　　6. 撰寫(xiě)論文。</b></p><p><b>　　1．4 論文安排</b></p><p>　　本文開(kāi)篇首先介紹了步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的背景及意義，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，提出了自己的設(shè)計(jì)目的

45、及論文任務(wù)。接著開(kāi)始詳細(xì)地介紹步進(jìn)電機(jī)原理、分類、控制技術(shù)及特點(diǎn)，然后對(duì)設(shè)計(jì)所用元器件，如AT89C51、L297、L298等進(jìn)行介紹，最后用模塊化思想對(duì)所要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行描述，最后對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并得到仿真結(jié)果，最后完成實(shí)物的焊接與調(diào)試。具體的安排如下：</p><p>　　第一章為緒論，介紹設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的背景及意義，進(jìn)而介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)，又列舉了步進(jìn)電機(jī)的幾種控制方案，并分析了各種

46、方案的優(yōu)勢(shì)和不足，提出了自己的設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容；</p><p>　　第二章是對(duì)步進(jìn)電機(jī)和設(shè)計(jì)所需元器件的概述，步進(jìn)電機(jī)的介紹主要包括步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類、特點(diǎn)，元器件則主要是AT89C51、L297、L298等，為后面的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ)；</p><p>　　第三章是硬件設(shè)計(jì)部分，首先提出框架，然后根據(jù)模塊化思想對(duì)系統(tǒng)的控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大部分

47、進(jìn)行具體地描述；</p><p>　　第四章為軟件設(shè)計(jì)部分，分別對(duì)主程序、定時(shí)中斷、外部中斷設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)流程圖及部分程序展現(xiàn)如何對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的過(guò)程，包括中斷的優(yōu)先級(jí)等；</p><p>　　第五章是實(shí)物的焊接，整體功能的展現(xiàn)。</p><p><b>　　2 元器件介紹</b></p><p><b

48、>　　2.1步進(jìn)電機(jī)</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電機(jī)，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其功能是將脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的角位移量θ或線位移量s與脈沖數(shù)k成正比；它的轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f成正比。在負(fù)載范圍內(nèi)這些關(guān)系不隨電源電壓

49、、負(fù)載大小、環(huán)境條件的變化而變化?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)化。并且可以在很寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率加速減速；能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，特別適合采用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制。</p><p>　　2.1.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)</p>

50、<p>　　1. 步進(jìn)電機(jī)不積累誤差，一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%~5%；</p><p>　　2.步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在130攝氏度以上，有的甚至高達(dá)200攝氏度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在80攝氏度到90攝氏度完全正常；</p><p

51、>　　3.步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)域非常廣，可以在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣一來(lái)，就可以保證在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低的情況下，仍然可以獲得非常大的轉(zhuǎn)矩，因此，這個(gè)時(shí)候就可以在沒(méi)有減速器的情況下去直接的進(jìn)行負(fù)載驅(qū)動(dòng)[2][3]；</p><p>　　4. 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速若

52、高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)難以獲得較大轉(zhuǎn)矩，超載時(shí)會(huì)失步。步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降；</p><p>　　5.步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和加速減速；帶慣性載荷的能力強(qiáng)；</p><p>　　6.通常來(lái)講，步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)主要是由步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路兩大部分組成的，不僅方便便宜，并且滿足可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它也可以由一個(gè)角度反饋環(huán)

53、節(jié)構(gòu)成閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；</p><p>　　7.步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，每相繞組按一定的規(guī)律輪流通電。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行只能通過(guò)脈沖電源驅(qū)動(dòng)，不可以直接使用交流電源或者直流電源；</p><p>　　8.步進(jìn)電機(jī)的可靠性很高，這是因?yàn)榕c普通電機(jī)相比較，步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有電刷等，不至于造成很大損耗，從而可以大幅度地去提高軸承的使用壽命；</p><p>　　9.能源利用率低，同等功率的電

54、機(jī)，步進(jìn)電機(jī)體積和重量大；</p><p>　　10.如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振。</p><p>　　2.1.2步進(jìn)電機(jī)的分類</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上有三種主要類型：反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。下面簡(jiǎn)要說(shuō)明這三種類型的步進(jìn)電機(jī)。

55、</p><p><b>　　反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：</b></p><p>　　該種步進(jìn)電機(jī)的定子上安有繞組，它的轉(zhuǎn)子材料是軟磁。此種步進(jìn)電機(jī)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)，相對(duì)而言，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本比較低，控制精度高，最小步距角可達(dá)1.2度；當(dāng)然，它也具有很多其他方面的缺點(diǎn)，比如說(shuō)動(dòng)態(tài)性能差、效率低且發(fā)熱較為嚴(yán)重，這樣一來(lái)可靠性就難以得到必要的保證了。</p>

56、<p><b>　　永磁式步進(jìn)電機(jī)：</b></p><p>　　顧名思義，永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子材料是由永磁材料制成的。此種步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)特點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)是相同的。永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩很大，可以在沒(méi)有減速器的情況下驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并且動(dòng)態(tài)性能也很好。它的缺點(diǎn)就是精度很差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度控制，步距角通常為15度或者7.5度。</p><p>

57、;<b>　　混合式步進(jìn)電機(jī)：</b></p><p>　　混合電機(jī)就是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的綜合。具體來(lái)講，就是定子有多相繞組，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成，為了提高控制的精確度，在轉(zhuǎn)子和定子上安有許多個(gè)小齒。這樣一來(lái)，它就集合了永磁式和反應(yīng)式的雙重優(yōu)點(diǎn)，也就是說(shuō)它具有輸出扭矩大，動(dòng)力性能好，步距角小的優(yōu)點(diǎn)，但是，這也同樣使得混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本也比較高。</p&

58、gt;<p>　　如果我們按照定子上的繞組來(lái)劃分步進(jìn)電機(jī)，則可以分為兩相、三相和五相等系列的步進(jìn)電機(jī)。為了改變步進(jìn)電機(jī)控制的精度和效果，我們可以給步進(jìn)電機(jī)配置不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，兩相的混合式步進(jìn)電機(jī)，這種電機(jī)的步距角大約是每步一點(diǎn)八度，假如我們給該電機(jī)配置半步驅(qū)動(dòng)器，那么步距角就會(huì)減少為0.9度，而配置細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，它的步距角可以達(dá)到0.007度每微步。</p><p>　　當(dāng)然，在實(shí)際

59、的生產(chǎn)生活中，往往由于一系列的影響因素，如摩擦力和制造精度等，實(shí)際的控制精度達(dá)不到理想狀態(tài)，實(shí)際精度會(huì)比較低一點(diǎn)。并且，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)并不能解決。</p><p>　　2.1.3步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)</p><p>　　1.步距角。步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次, 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。它是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。數(shù)控機(jī)床中常見(jiàn)的反應(yīng)式

60、步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為。步距角越小，數(shù)控機(jī)床的控制精度越高；</p><p>　　2.矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。矩角特性是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要特性，它是指步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律。最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定通電相數(shù)下矩角特性上的最大轉(zhuǎn)矩值。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是能夠使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的最小轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　3.啟動(dòng)頻率?？蛰d時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的

61、正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。若啟動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常啟動(dòng)?？蛰d啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率；</p><p>　　4.連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率。步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速；</p><p>　　5

62、.加減速特性。步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中, 定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí), 變化速度必須逐漸上升; 同樣, 從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時(shí), 變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過(guò)小, 否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步。</p><p>　　2.1.4步進(jìn)電機(jī)的工作原理<

63、/p><p>　　圖2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例。圖2.1是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個(gè)磁極，磁極上繞有繞組。兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。</p><p>　　下面介紹反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。所謂“三相”，是指此步進(jìn)電機(jī)具有三相定子繞組；“單”是指每次

64、只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個(gè)循環(huán)第四次換接重復(fù)第一次的情況。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理是利用了物理上的“磁通總是力圖使自己所通過(guò)的路徑的磁阻最小"所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)一步步轉(zhuǎn)動(dòng)的。</p><p>　　單三拍通電方式的基本原理</p><p>　　當(dāng)A相控制繞組通電，而B(niǎo)相和C相不通電時(shí)，由于磁通具有力圖走磁阻最小的路徑的特點(diǎn)，所以轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A級(jí)軸線

65、對(duì)齊。同理，當(dāng)斷開(kāi)A相接通B相時(shí)，轉(zhuǎn)子便按順指針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30°，使轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線與定子B級(jí)軸線對(duì)齊。斷開(kāi)B相，接通C相，則轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30°，使轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與C級(jí)軸線對(duì)齊。如此按A→C→B→A……順序不斷接通和斷開(kāi)控制繞組，轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2.2所示。</p><p>　　(a)A相通電 (b) B相通電 (c

66、) C相通電</p><p>　　圖2.2單三拍通電方式時(shí)轉(zhuǎn)子位置</p><p>　　其轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。如上述電機(jī)通電次序改為A→B→C→A……則電機(jī)轉(zhuǎn)向相反。</p><p>　　六拍通電方式的基本原理</p><p>　　三相六拍運(yùn)行的供電方式是A→AB→B→BC→C→AC→A……這時(shí)，每

67、一循環(huán)換接6次，總共有6種通電狀態(tài)，這6種通電狀態(tài)中有時(shí)只有一相繞組通電，有時(shí)有兩相繞組同時(shí)通電。圖2.3表示按這種方式對(duì)控制繞組供電時(shí)轉(zhuǎn)子位置和磁通分布的圖形。</p><p>　　開(kāi)始單獨(dú)接通A相，轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A級(jí)軸線對(duì)齊，如圖2.3(a)所示。當(dāng)A相和B相同時(shí)接通時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置應(yīng)當(dāng)兼顧到使A、B兩對(duì)磁極所形成的兩路磁通在氣隙中所遇到的磁阻同樣程度地達(dá)到最小。這時(shí)，相鄰兩個(gè)A、B磁極與轉(zhuǎn)子齒相作用

68、的磁拉力大小相等且方向相反，使轉(zhuǎn)子處于平衡。按照這樣原則，當(dāng)A相通電后轉(zhuǎn)到A、B兩相同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子只能按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)15°，如圖2.3(b)所示。這時(shí)，A級(jí)與B級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力互相平衡。當(dāng)斷開(kāi)A相使B相單獨(dú)接通時(shí)，在磁拉力作用下繼續(xù)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線與定子B級(jí)軸線對(duì)齊為止，如圖2.3(c)所示。這時(shí)，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)15°。依此類推，如果下面繼續(xù)按照BC→C→AC→A……的順序換接，那么

69、步進(jìn)電機(jī)就不斷地按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，當(dāng)接通順序改為A→AC→C→CB→B→BA→A……時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就反方向即按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)[4]。</p><p>　　(a)A相通電; (b)A、B相通電; (c)B相通電; (d)B、C相通電</p><p>　　圖2.3六拍通電方式時(shí)轉(zhuǎn)子位置</p><p>　　雙三拍通電方式的基本原理</p><p>

70、　　三相雙三拍的運(yùn)行方式是按AB→BC→CA→AB……方式供電。這時(shí)，與單三拍運(yùn)行時(shí)一樣，每一循環(huán)也得換接三次，總共有3種通電狀態(tài)，但不同的是每次換接都同時(shí)有兩相繞組通電，如圖2.3(b)、(d)所示，步距角為30°。</p><p>　　因此一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可以采用不同的供電方式，步距角可以有兩種不同數(shù)值，如上面這臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)三拍運(yùn)行時(shí)步距角為30°，六拍運(yùn)行時(shí)為15°。</p

71、><p>　　2.1.5本設(shè)計(jì)所選的步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　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。本設(shè)計(jì)所用的步進(jìn)電機(jī)是的常州市運(yùn)控電子有限公司生產(chǎn)的35BYGH 1.8°步進(jìn)電機(jī)，它就是單極兩相四線的步進(jìn)電機(jī)。如圖2.4所示：</p><p><b>　　圖2.4

72、 步進(jìn)電機(jī)</b></p><p>　　表2.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)相關(guān)參數(shù)</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)機(jī)械尺寸和繞線圖如圖2.5，2.6所示 ：</p><p>　　圖2.5 步進(jìn)電機(jī)機(jī)械尺寸圖</p><p>　　圖2.6 步進(jìn)電機(jī)繞線圖</p><p>　　2.2 AT89C51單片機(jī) </p>

73、;<p><b>　　AT89C51簡(jiǎn)介</b></p><p>　　AT89C51單片機(jī)是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)，它采用 CMOS 和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 兼容；片內(nèi)的Flash ROM 允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來(lái)編程，內(nèi)部除 CPU 外，還包括 256 字節(jié) RAM，4 個(gè) 8 位并行 I/O

74、 口，5 個(gè)中 斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，AT89C51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、 靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。</p><p>　　圖2.7 AT89C51的引腳排列</p><p><b>　　2.2.1主要性能</b></p><p>　　主要性能如下[5][6]：</p><

75、p>　　1．與MCS一5l產(chǎn)品兼容；</p><p>　　2．具有2K的可編程FLASH ROM；</p><p>　　3．耐久性：1000次寫(xiě)、擦除；</p><p>　　4．2．7—6V的電壓操作范圍；</p><p>　　5．全靜態(tài)操作：0—24MHz；</p><p>　　6．兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；<

76、/p><p>　　7．128B*8的內(nèi)部RAM；</p><p>　　8．15條可編程I／O引線；</p><p>　　9．兩個(gè)16位可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；</p><p><b>　　10．5個(gè)中斷源；</b></p><p>　　11．直接LED驅(qū)動(dòng)輸出；</p><p>

77、　　12．片內(nèi)模擬比較器；</p><p>　　13．低功耗空載和掉電方式。</p><p>　　2.2.2 AT89C51的定時(shí)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.8所示是AT89C51的定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖。其中，我們可以看到有兩個(gè)單芯片的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，也就是下圖的定時(shí)器T0和定時(shí)器T1。它們實(shí)際上是一個(gè)16位的加1計(jì)數(shù)器。T0是由兩個(gè)8位的特殊功能寄存器TH0

78、和TL0所構(gòu)成得; 而T1由TH1和TL1構(gòu)成。</p><p>　　下面簡(jiǎn)單介紹下引腳的功能。</p><p>　　圖2.8 AT89C51定時(shí)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　每個(gè)定時(shí)器都可以有許多種的設(shè)置方式。比如用軟件定時(shí)工作方式或者是工作計(jì)數(shù)方式以及其他的一些可控的、相對(duì)靈活的方式進(jìn)行設(shè)置。以上所說(shuō)的這些功能都是由特殊功能寄存器TMOD和TCON來(lái)進(jìn)行控制的。&

79、lt;/p><p>　　一、工作模式寄存器 TMOD</p><p>　　TMOD用于控制T0和T1的工作模式，TMOD不能位尋址，只能用字節(jié)傳送方式設(shè)置定時(shí)器的工作模式，低半字節(jié)設(shè)置T0，高半字節(jié)設(shè)置T1。</p><p>　　TMOD各位定義及具體意義如下圖2.9所示。</p><p>　　圖2.9TMOD各位定義及具體的意義</p&g

80、t;<p><b>　　1.GATE門(mén)控位</b></p><p>　　當(dāng)設(shè)置GATE=0時(shí)，無(wú)論INT0（或INT1）的電平是高電平還是低電平，只要軟件將TR0（或TR1）設(shè)置為1，就可以讓計(jì)時(shí)器開(kāi)始啟動(dòng)了。</p><p>　　而當(dāng)把GATE設(shè)置為1的時(shí)候，只有當(dāng)把INT0（或INT1）的引腳設(shè)置為高電平時(shí)，再用該軟件將TR0（或TR1）設(shè)置為1，才

81、能啟動(dòng)定時(shí)器。</p><p>　　2.C/T—計(jì)數(shù)器/定時(shí)器方式選擇位</p><p>　　C/T=0，設(shè)置為定時(shí)方式。定時(shí)器計(jì)數(shù)8051片內(nèi)脈沖，即對(duì)機(jī)器周期計(jì)數(shù)。 </p><p>　　C/T=1，設(shè)置為計(jì)數(shù)方式。計(jì)數(shù)器的輸入來(lái)自T0（P3.4）或T1（P3.5）端的外部脈沖。 </p><p>　　3.M1和M0—操作模式控制位

82、</p><p>　　M1和M0是操作模式控制位。它們位可形成四種編碼，對(duì)應(yīng)于四種模式，00，10，01，11。</p><p>　　表2.2 M1和M0—操作模式控制位</p><p>　　二、控制器寄存器 TCON</p><p>　　TCON除可字節(jié)尋址外，各位還可位尋址。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，TCON的所有位被清0。 </p>&

83、lt;p>　　TCON各位定義及具體的意義歸納如圖2.10所示。</p><p>　　圖2.10 TCON各位定義及具體的意義</p><p>　　1.TF1（TCON.7) —T1溢出標(biāo)志位</p><p>　　當(dāng)T1溢出時(shí)，由硬件自動(dòng)使中斷觸發(fā)器TF1置1，并向CPU申請(qǐng)中斷；當(dāng)CPU響應(yīng)中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，TF1由硬件自動(dòng)清0。TF1也可以用軟件清0

84、。</p><p>　　2.TR1(TCON.6)—T1運(yùn)行控制位</p><p>　　可通過(guò)軟件置1（TR1=1）或清0（TR1=0）來(lái)啟動(dòng)或關(guān)閉 T1。在程序中用指令“SETB TR1”使TR1位置1，定時(shí)器T1便開(kāi)始計(jì)數(shù)。</p><p>　　3.TF0（TCON.5）-T0溢出標(biāo)志</p><p>　　其同TF1的功能和操作。 <

85、;/p><p>　　4.TR0(TCON.4)—T0運(yùn)行控制位</p><p>　　其功能和操作情況同TR1。</p><p>　　5.IE1，IT1，IE0，IT0（TCON.3?TCON.0）—外部中斷INT1，INT0的中斷請(qǐng)求和觸發(fā)控制位 </p><p><b>　　三、定時(shí)器工作模式</b></p>

86、<p>　　本實(shí)驗(yàn)所搭模型中定時(shí)器工作在模式2，模式 2 的邏輯電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：</p><p>　　圖2.11 T0（或T1）模式2結(jié)構(gòu)－8位計(jì)數(shù)器</p><p>　　該模式把TL0(TL1)配置成一個(gè)可以自動(dòng)重裝載的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 </p><p>　　工作時(shí)，TL0用作8位計(jì)數(shù)器，TH0用以保存初值。 TL0計(jì)數(shù)溢出時(shí)，不僅使溢出中斷

87、標(biāo)志位TF0置1，而且還自動(dòng)把TH0中的內(nèi)容重新裝載到TL0中。</p><p>　　在程序初始化時(shí)，TL0和TH0由軟件賦予相同的初值。用于計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)長(zhǎng)度最大為：28=256(個(gè)外部脈沖)</p><p>　　該模式可省去軟件中重裝常數(shù)的語(yǔ)句，并可產(chǎn)生相當(dāng)精確的定時(shí)時(shí)間，適合于作串行口波特率發(fā)生器。</p><p>　　計(jì)數(shù)工作過(guò)程：通過(guò)引腳T0（P3.

88、4）和T1（P3.5）的外部脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制。當(dāng)由落下1-0產(chǎn)生的輸入脈沖信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)器的值就會(huì)加1。CPU檢測(cè)到由一到零，過(guò)渡的過(guò)程大約需要2個(gè)機(jī)器周期，1/24的振蕩頻率為最大的計(jì)數(shù)頻率。</p><p>　　2.2.3系統(tǒng)端口分配</p><p>　　表2.3 AT89C51端口分配</p><p>　　2.3 L297工作原理</p>

89、<p>　　L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號(hào)，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可在開(kāi)關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與TFL/CMOS或集電極開(kāi)路的晶體管兼容。L297 的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插 20 腳塑封封裝，其引腳見(jiàn)圖2.1

90、2，內(nèi)部方框見(jiàn)圖2.13。</p><p>　　圖2.12 L297引腳</p><p>　　圖2.13 L297內(nèi)部方框電路圖</p><p>　　在圖2.13所示的L297的內(nèi)部方框圖中。變換器是一個(gè)重要組成部分。變換器由一個(gè)三倍計(jì)算器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個(gè)基本的八格雷碼(順序如圖2.14所示)。由變換器產(chǎn)生 4個(gè)輸出信號(hào)送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏

91、輯提供禁止和 斬波器功能所需的相序。為了獲得電動(dòng)機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號(hào)是通過(guò) 2 個(gè)PWM斬波器控制電動(dòng)波器包含有一個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)外部檢測(cè)電阻，如圖2.15所示，晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。每個(gè)斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載電流提高時(shí)檢測(cè)電阻上的電壓相對(duì)提高，當(dāng)電壓達(dá)到Uref時(shí)(Uref是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的)，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個(gè)振蕩脈沖到來(lái)、此線路的輸出(即觸發(fā)器Q輸出)是

92、一恒定速率的PWM信號(hào)，L297 的CONTROL端的輸入決定斬波器對(duì)相位線A，B，C，D或抑制線INH1 和INH2 起作用。CONTROL為高電平時(shí)，對(duì)A，B， C，D有抑制作用；為低電平時(shí)，則對(duì)抑制線INH1 和INH2 有抑制作用。</p><p>　　圖2.14 L297 變換器換出的八步雷格碼（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)） 圖 2.15 斬波器線路</p><p>　　L297能產(chǎn)

93、生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當(dāng)相序。3種方式的驅(qū)動(dòng)相序都可以很容易地根據(jù)變換器輸出的格雷碼的順序產(chǎn)生，格雷碼的順序直接與四相八拍(半步方式)符合 ，只要在腳19輸入一高電平即可得到。其波形圖如圖2.16所示。</p><p>　　圖2.16 四相八拍模式波形圖</p><p>　　通過(guò)交替跳過(guò)在八步順序中的狀態(tài)就可以得到工作全步工作方式，此時(shí)需要在腳19接一個(gè)低電平，前已述及根據(jù)

94、變換器的狀態(tài)可得到四拍或者雙四拍2種工作模式，如圖2.17、2.18所示。</p><p>　　圖2.17 單四拍模式波形圖</p><p>　　圖2.18 雙四拍模式波形圖</p><p>　　2.4 L298簡(jiǎn)介</p><p>　　L298N為SGS-THOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片(

95、Dual Full-Bridge Driver)，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)二相或 1 個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)，但在本驅(qū)動(dòng)電路中用L297來(lái)提供時(shí)序信號(hào)，節(jié)省了單片機(jī)IO端口的使用。

96、L298N之接腳如圖2.19所示，Pin1和Pin15可與電流偵測(cè)用電阻連接來(lái)控制負(fù)載的電路；OUTl、OUT2 、OUT3和OUT4用來(lái)接步進(jìn)電機(jī)；INPUT1到INPUT4輸入控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；ENABLE則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2.19 L298引腳</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　

97、本章主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)和設(shè)計(jì)所需元器件的概述，步進(jìn)電機(jī)的介紹主要包括步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類、特點(diǎn)，元器件則主要是89C51、L297、L298等，對(duì)包括工作引腳圖等一系列相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了講解，為后面的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ)。</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 L297和L298組合電路</p>&l

98、t;p>　　L297 加驅(qū)動(dòng)器組成的步進(jìn)電機(jī)控制電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用元件少,組件的損耗低，可靠性高體積小，軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單,并且計(jì)算機(jī)(或單片機(jī))硬件費(fèi)用大大減少。 L297 與 L298 配合使用控制雙極步進(jìn)電機(jī)工作電流可達(dá) 2.5A。圖3.1為 L297 和 L298 組成的控制驅(qū)動(dòng)器的線路圖。</p><p>　　L297 的特性是只需要時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)。相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的，因此可減輕計(jì)算機(jī)(或

99、單片機(jī))程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。L297 和 L298 組合控制驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)可用于如打印機(jī)的托架位置、記錄儀的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，以及打字機(jī)、數(shù)控機(jī)床、軟盤(pán) 驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)、閥門(mén)等設(shè)備和裝置。L298N就是L298的立式封裝的器件。</p><p>　　圖3.1 L297/L298典型應(yīng)用電路</p><p><b>　　3.2方案設(shè)計(jì)</b></p>

100、<p>　　從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求看出，系統(tǒng)的輸入量為速度、方向、復(fù)位和單步運(yùn)行，速度分為加速、減速，方向分為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，信號(hào)線的開(kāi)始需要六個(gè)輸入線。根據(jù)所選的四相步進(jìn)電機(jī)，得出使該步進(jìn)電機(jī)工作在四相八拍方式的脈沖分配表。</p><p>　　表3.1 四相八拍脈沖分配表</p><p>　　該電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以與單片機(jī)共用一個(gè)電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組控制過(guò)程如下

101、：P0.0口控制L297的方向控制端（CW/CCW），P0.1控制步進(jìn)時(shí)鐘輸入端（CLOCK）。使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序（A,B,C,D四相）。L297的四相輸出接L298的IN0---IN4，使L298的OUT0---OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。用P1口的P1.0~P1.7控制LM016L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。</p><p>　　總體設(shè)計(jì)方案如圖3.2所示。&l

102、t;/p><p>　　圖3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案</p><p>　　3.3proteus電路仿真設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件設(shè)計(jì)使用Proteus設(shè)計(jì)軟件，Proteus是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與仿真軟件。該軟件的特點(diǎn)是：①集原理圖設(shè)計(jì)、仿真和PCB設(shè)計(jì)于一體，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計(jì)工具。②具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式

103、系統(tǒng)（不高于ARM7）設(shè)計(jì)與仿真功能。③具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等多種形式的調(diào)試功能。④具有各種信號(hào)源和電路分析所需的虛擬儀表。⑤支持Keil C51 uVision2、MPLAB等第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，⑥具有強(qiáng)大的原理圖到PCB板設(shè)計(jì)功能，可以輸出多種格式的電路設(shè)計(jì)報(bào)表。擁有PROTEUS電子設(shè)計(jì)工具，就相當(dāng)于擁有了一個(gè)電子設(shè)計(jì)和分析平臺(tái)。</p><p>　　設(shè)計(jì)的硬件電路包括控制電路，最小系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)

104、電路和顯示電路四個(gè)部分。最小系統(tǒng)是使單片機(jī)能夠正常工作。所述控制電路由開(kāi)關(guān)和按鈕，操作者需要根據(jù)相應(yīng)的操作工作。顯示電路是用來(lái)顯示電機(jī)和速度的工作狀態(tài)。脈沖驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)單片機(jī)輸出的功率進(jìn)行放大，來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 </p><p><b>　　3.3.1控制電路</b></p><p>　　圖3.3 控制電路原理圖</p><p>　　根據(jù)該

105、系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了電動(dòng)，復(fù)位，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速和減速按鈕K1，K2， K3，K4，K5，K6，如圖3.3所示的控制電路，通過(guò)K5，K6的狀態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制。當(dāng)改變K5，K6的狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部程序檢測(cè)到P3.4和P3.5的狀態(tài)來(lái)調(diào)用電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制程序。</p><p>　　根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)的速度控制主要是通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的。單片機(jī)所采用的主要方法是軟件

106、延時(shí)和定時(shí)器中斷，本次設(shè)計(jì)在速度控制上主要是由定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，該電路通過(guò)控制電機(jī)加速、減速按鈕K3，K4 ，控制外部中斷，根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)即定時(shí)器中斷的次數(shù)），從而改變了輸出脈沖頻率，從而改變電機(jī)速度。</p><p><b>　　3.3.2驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　圖3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p

107、>　　通過(guò)L297和L298構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖3.4所示。P0.0口控制L297的方向控制端（CW/CCW），P0.1控制步進(jìn)時(shí)鐘輸入端。使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序i（A,B,C,D四相）。L297的四相輸出接L298的IN0---IN4，使L298的OUT0---OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。</p><p>　　3.3.3顯示模塊 </p><

108、;p><b>　　圖3.5 顯示模塊</b></p><p>　　通過(guò)P1口的P1.0~P1.7，控制LM016L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。</p><p>　　3.3.4時(shí)鐘與復(fù)位部分</p><p>　　時(shí)鐘電路控制著CPU的工作節(jié)奏，是單片機(jī)運(yùn)行的心臟，可以通過(guò)提高時(shí)鐘頻率來(lái)提高CPU的速度，本設(shè)計(jì)采用的晶振為12MHz。時(shí)鐘電

109、路如圖所示。 </p><p><b>　　圖3.6 時(shí)鐘電路</b></p><p>　　3.3.5總體電路圖 </p><p>　　把各個(gè)部分的電路圖組合成總電路圖，如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 總體電路圖</p><p>　　3.4 Proteus仿真結(jié)果</p>

110、;<p>　　3.4.1 proteus仿真步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　一、電機(jī)正轉(zhuǎn)</b></p><p>　　按正轉(zhuǎn)按鈕，Proteus仿真電機(jī)正轉(zhuǎn)。如圖3.8所示。</p><p><b>　　圖3.8 電機(jī)正轉(zhuǎn)</b></p><p><b>　　正轉(zhuǎn)

111、中斷程序</b></p><p>　　void_0(void) interrupt 1 //定時(shí)器0中斷程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　RunState=RIGHT_RUN; </p><p><b>　　P0_0=1;</b></p>

112、<p><b>　　P1=0x01; </b></p><p>　　cmd_wr(); //寫(xiě)控制字</p><p>　　ShowState(); //顯示狀態(tài)與速度</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　

113、二、電機(jī)反轉(zhuǎn)</b></p><p>　　按反轉(zhuǎn)按鈕，Proteus仿真電機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖3.9所示。</p><p><b>　　圖3.9 電機(jī)反轉(zhuǎn)</b></p><p><b>　　反轉(zhuǎn)中斷程序</b></p><p>　　void_1(void) interrupt 3 //定時(shí)器