基于at89s52單片機的步進電機控制畢業(yè)論文

1、<p>　　××××本科畢業(yè)論文</p><p>　　基于AT89S52單片機的步進電機控制</p><p>　　院（系）名稱：工學(xué)院</p><p>　　專 業(yè) 名 稱 ：電氣工程及其自動化 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 ：× × </p>&

2、lt;p>　　指 導(dǎo) 教 師 ：× × 講師 </p><p><b>　　二○一二年五月</b></p><p>　　BACHELOR'S DEGREE THESIS</p><p><b>　　OF ××××</b></p>&l

3、t;p>　　The stepping motor control based on AT89S52 SCM</p><p>　　College : Engineering College</p><p>　　Subject : Electrical engineering and automation</p><p>　　Name : &#

4、215;× </p><p>　　Directed by : ×× teacher </p><p><b>　　May 201 2</b></p><p><b>　　鄭 重 聲 明</b></p><p>　　本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行

5、研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。</p><p>　　本人簽名： </p><p>　　日 期： </

6、p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電動機控制是工業(yè)自動化進程中一個相當(dāng)重要的組成部分，隨著工業(yè)自動控制對電動機控制產(chǎn)品需求的不斷增加，現(xiàn)代電動機控制技術(shù)也變得越來越重要，基于單片機的控制已經(jīng)廣泛用于電機控制領(lǐng)域。</p><p>　　而步進電機已成為除直流電機和交流電機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝

7、置，在人類的生活和生產(chǎn)進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M入電氣化時代的今天，傳統(tǒng)電動機已不能滿足工業(yè)自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。如今發(fā)展一系列具有控制功能的電機系統(tǒng)，有其自己特點，且應(yīng)用十分廣泛的就是步進電機。</p><p>　　步進電機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關(guān)。自從步進電機在計算機外圍設(shè)備上取代小型直流電動機以后，其設(shè)備的性能提高，很快地促進了步進電機的發(fā)展。</p>

8、;<p>　　針對步進電機的應(yīng)用，以及基于單片機步進電機控制的設(shè)計，本文介紹了單片機控制步進電機的系統(tǒng)。在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu),其原理是通過對它每相線圈中的電流和順序切換來使電機作步進式旋轉(zhuǎn)。本設(shè)計的硬件組成主要有：51系列單片機、ULN2003驅(qū)動器等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AT89S52單片機控制；步進

9、電機；直流電機；系統(tǒng)設(shè)計原理</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Motor control is a very important part of the motor as industrial automation control products. For the growing demand of the control

10、products, the modern motor control technology is also becoming more and more important. The control based on single chip has been widely used in motor control areas.</p><p>　　The stepper motors have become t

11、he third category beside the DC and AC motor. Traditional electromechanical energy conversion device motor plays a key role as in human life and production into the electrification process. However, electrification of th

12、e human society entered the era, the traditional motors can not fulfill the industrial automation and office automation and other motion control systems. With the development of a series of new motor control system, whic

13、h has its own characteristic</p><p>　　The development of the stepper motor and computer industries are closely related. Since the stepper motor to replace the computer peripherals after small DC motors, to i

14、mprove the performance of its equipment, and soon to promote the development of the stepper motor.</p><p>　　For the applications of stepper motor and the control based on single chip design, This paper, we i

15、ntroduces a stepper motor system which controlled by SCM. In the Electrical era today, Motor has been playing a very important role in the modernization of production and life. Stepper motor is a common used implementing

16、 agency in motor control. The principle is by switching the coil current and the order in its each phase to make a step-by-step rotary motor. The hardware of the system including: 5</p><p>　　Key words:：AT89S

17、52 SCM control ；Stepping motor；DC motor；</p><p>　　Design principle of the system</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要Ⅰ</b></p><p>　　ABSTRACTII&l

18、t;/p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 單片機的發(fā)展及應(yīng)用1</p><p>　　1.2 步進電機的發(fā)展?fàn)顩r2</p><p>　　1.3 本文的設(shè)計意義和主要內(nèi)容3</p><p>　　第2章 基于AT89S52單片機的步進電機控制系統(tǒng)4</

19、p><p>　　2.1 基于AT89S52單片機的控制步進電機的控制4</p><p>　　2.2 主控芯片的選擇4</p><p>　　2.3 AT89S52單片機的特點5</p><p>　　2.4 步進電機的特點及工作原理7</p><p>　　2.5 單片機對步進電機的控制方法9</p>&

20、lt;p>　　第3章 步進電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計11</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件主電路11</p><p>　　3.2 +5V電源電路設(shè)計11</p><p>　　3.3 復(fù)位電路及晶振電路12</p><p>　　3.3.1 復(fù)位電路12</p><p>　　3.3.2 晶振電路13</

21、p><p>　　3.4 按鍵功能13</p><p>　　3.5 ULN2003驅(qū)動電路14</p><p>　　第4章 步進電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計17</p><p>　　4.1 軟件程序設(shè)計流程17</p><p>　　4.2 激磁方式17</p><p>　　4.3 步進電機驅(qū)動流程

22、18</p><p>　　第5章 總結(jié)和展望20</p><p><b>　　參考文獻21</b></p><p><b>　　致謝22</b></p><p><b>　　附錄23</b></p><p><b>　　第1章 緒論&l

23、t;/b></p><p>　　1.1 單片機的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　1971年Intel公司研制出世界上第一個4位的微處理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發(fā)明微處理器，霍夫被英國《經(jīng)濟學(xué)家》雜志列為“二戰(zhàn)以來最有影響力的7位科學(xué)家”之一 。 </p>&

24、lt;p>　　1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機系統(tǒng)（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器 ）其中4004包含2300個晶體管，尺寸規(guī)格為3mm×4mm，計算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的ENIAC，最初售價為200美元。</p><p>　　1972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道M

25、OS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。</p><p>　　1973年Intel公司研制出8位的微處理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。</p><p>　　主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個晶體管，處理速度為0.64M

26、IPS（Million Instructions Per Second ）。</p><p>　　1975年4月，MITS發(fā)布第一個通用型Altair 8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一臺微型計算機。</p><p>　　1976年Intel公司研制出MCS-48系列8位單片機，這也是單片機的問世。 </p><p>　　Zilog公司于19

27、76年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機和工業(yè)自動控制設(shè)備。當(dāng)時，Zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。</p><p>　　20世紀(jì)80年代初，Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎(chǔ)上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機。MCS-51系列單片機無論是片內(nèi)RAM容量，I/O口功能，系統(tǒng)擴展方面都有了很大的提高。</p><p>　　目前單片機技術(shù)已經(jīng)

28、滲透到入們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，自動控制領(lǐng)域的機器等等，這些都離不開單片機。單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算計應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師，由此可見在大學(xué)相關(guān)專業(yè)普及新型單片機應(yīng)用知識有重要的現(xiàn)實意義[1]。</p>&l

29、t;p>　　單片機在中國的發(fā)展起源于20世紀(jì)80年代。目前，中國各大學(xué)及院校普遍采用MCS-5系列作為單片機教學(xué)的教材。MCS-5l系列的實驗儀器也得到很大發(fā)展，許多單片機實驗儀生產(chǎn)廠家研制有多功能綜合性的MCS-5l系列的實驗系統(tǒng)，使得在高校MCS-5l系列實驗系統(tǒng)配備相當(dāng)完善[2]。在工業(yè)控制、消費電子產(chǎn)晶、辦公自動化設(shè)備、智能儀器儀表、汽車電子等不同的領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　但是

30、隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，MCS-51系列應(yīng)用領(lǐng)域己逐漸被新型單片機所代，例如AT89S52單片機采用精簡指令集、流水線取指的方式，抗干擾能力強，性能價格比高，深受電子設(shè)計專家的普遍歡逐。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種已經(jīng)過千，并還廣泛用于電動機控制領(lǐng)域。</p><p>　　1.2 步進電機的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　步進電機是一種將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動

31、元件, 具有快速起動和停止的特點。因為步進電動機組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制的基本要求，所以廣泛地應(yīng)用于手工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設(shè)備、照相機,投影儀、數(shù)碼攝像機，以及各種可控機械工具等等。直流電機廣泛應(yīng)用于計算機外圍設(shè)備( 如硬盤、軟盤和光盤存儲器) 、家電產(chǎn)品、醫(yī)療器械和電動車上, 無刷直流電機的轉(zhuǎn)子都普遍使用永磁材料組成的磁鋼, 并且在航空、航天、汽車、精密電子等行業(yè)也被廣泛應(yīng)

32、用[3]。</p><p>　　在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初，步進電動機經(jīng)歷過一個大的發(fā)展階段。步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，以后經(jīng)過不斷改良。在日本，60年代初期，開發(fā)了用于數(shù)控裝置及計算機外部設(shè)備的磁阻式步進電動機。60年代中期至今，開發(fā)了混合式步進電動。</p><p>　　在我國，步進電動機的研制始于1958年。 當(dāng)時只有清華

33、大學(xué)，華中理工大學(xué)等少數(shù)高等院校在從事這項工作。 到了70年代初，由于電子工業(yè)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展,特別是數(shù)字控制線切割機床發(fā)展的需要,才使步進電動機的研究工作蓬勃開展起來。 經(jīng)過五十幾年的發(fā)展,隨著步進電動機理論的日趨完善,特別是磁阻式步進電動機，產(chǎn)品規(guī)格、門類的系列化以及出現(xiàn)了像無刷直流電動機系統(tǒng)那種更優(yōu)越的系統(tǒng)，才使得步進電動機的發(fā)展勢頭有所緩和?？傮w看來，目前其發(fā)展正趨于平緩[4]。</p><p>　　

34、1.3 本文的設(shè)計意義和主要內(nèi)容</p><p>　　電動機控制是工業(yè)自動化進程中一個相當(dāng)重要的組成部分，隨著工業(yè)自動控制對電動機控制產(chǎn)品需求的不斷增加，現(xiàn)代電動機控制技術(shù)也變得越來越重要，基于單片機的控制已經(jīng)廣泛用于電動機控制領(lǐng)域。</p><p>　　本文以基于AT89S52單片機的步進電機控制系統(tǒng)為研究對象，通過AT89S52單片機、脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器) L298及其ULN2

35、003類的驅(qū)動IC，實現(xiàn)步進電機正反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到單片機對步進電機控制系統(tǒng)功能的目的。本文所做工作主要有以下幾個方面：</p><p>　　第1章是簡要介紹本文研究發(fā)展前景，國內(nèi)外研究動態(tài)以及發(fā)展趨勢，提出本文的設(shè)計意義，以及實現(xiàn)本設(shè)計的主要內(nèi)容。</p><p>　　第2章根據(jù)設(shè)計的大體思路，擬定設(shè)計框圖，并介紹系統(tǒng)設(shè)計主芯片的選擇和性能特點，以及步進電機、直流電機工作原理，從而，對本系統(tǒng)

36、的實現(xiàn)進行控制分析，明確設(shè)計要求。</p><p>　　第3章和第4章是全文的重點，是根據(jù)單片機步進電機控制的系統(tǒng)設(shè)計圖，對系統(tǒng)的硬件設(shè)計分各模塊工作原理進行概述，以及該系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計和系統(tǒng)的綜合分析。</p><p>　　第5章是對全文工作的總結(jié)，并對單片機步進電機控制研究設(shè)計等方面的工作展望</p><p>　　第2章 基于AT89S52單片機的步進電機控制

37、系統(tǒng)</p><p>　　根據(jù)我的設(shè)計思路，考慮到操作方便性，本文論述基于AT89S52單片機的控制步進電機的正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計研究，主要是系統(tǒng)在通電后，通過按動連接在AT89S52單片機上的按鍵開關(guān)，經(jīng)驅(qū)動電路控制步進電機的轉(zhuǎn)向并且能夠通過添加相應(yīng)程序及硬件達(dá)到顯示目的，從而實現(xiàn)本設(shè)計的預(yù)期效果。</p><p>　　2.1 基于AT89S52單片機的控制步進電機的控制</p>

38、<p>　　如圖2.1所示，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)主要包括單片機、復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、按鍵電路、步進電機及驅(qū)動電路幾部分。</p><p>　　圖2.1 基于AT89S52單片機的控制步進電機的控制圖</p><p>　　通過學(xué)習(xí)和查閱資料，本設(shè)計需要完成如下方面的工作：</p><p>　　（1）+5V電源電路設(shè)計； </p>

39、<p>　?。?）單片機復(fù)位電路原理分析及設(shè)計；</p><p>　?。?）單片機晶振電路原理分析及設(shè)計；</p><p>　?。?）按鍵電路的設(shè)計；</p><p>　?。?）驅(qū)動電路的原理分析及設(shè)計；</p><p>　?。?）單片機C語言程序設(shè)計。</p><p>　　2.2 主控芯片的選擇</p

40、><p>　　主芯片的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價比、精度和速度等來決定的。根據(jù)本設(shè)計的實際情況，由于5l系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列單片機，其典型產(chǎn)品AT89具有較高的性能價格比[3]。</p><p>　　根據(jù)我的設(shè)計思路，考慮到操作方便，節(jié)省成本等方面的要求，所以本文采用ATMEL公司生

41、產(chǎn)的AT89S52單片機作為本設(shè)計的核心部件。AT89S52單片機是AT89S系列單片機中的一種，它是在應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域的AT89C52系列單片機的換代產(chǎn)品。</p><p>　　2.3 AT89S52單片機的特點</p><p>　　AT89S52單片機是ATMEL公司新近推出的高檔、增強型產(chǎn)品。它是一個低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含通用8位中央處理器和ISP Fla

42、sh存儲單元，8k Byte ISP(IIl—system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適用于常規(guī)編程器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高比的解決方案[5]。</p

43、><p>　　AT89S52管腳結(jié)構(gòu)有PDIP、PLCC和TOF等三種封裝形式，如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 單片機AT89S52管腳PDIP排列圖</p><p>　　AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能特點： </p><p>　　(1) 與MCS51兼容</p><

44、p>　　(2) 8K支持在線編程(ISP)的FLASH結(jié)構(gòu)程序存儲器，1000次擦寫壽命</p><p>　　(3) 256*8位內(nèi)部RAM</p><p>　　(4) 工作電壓為4.0V~5.5V</p><p>　　(5) 全靜態(tài)工作：0~24MHz</p><p>　　(6) 3級程序安全加密保護</p><p

45、>　　(7) 32個可編程I／O口</p><p>　　(8) 3個16位定時／計數(shù)器</p><p><b>　　(9) 8個中斷源</b></p><p>　　(10) 一個全雙工異步串口</p><p>　　(11) 低功耗支持Idle和Power—down模式</p><p>　　(

46、12) Power down模式支持中斷喚醒</p><p>　　(13) 看門狗定時器</p><p>　　此外，與AT89C52相比，AT89S52新增加了許多功能，這將使單片機過程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗干擾性。</p><p>　　首先，AT89S52內(nèi)部增加了片內(nèi)看門狗定時器，這將有利于堅固用戶應(yīng)用系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性；其次，AT89S52獨有的雙數(shù)據(jù)指

47、針使數(shù)據(jù)操作更加快捷方便；再次，AT89S52運行速度更高，最高晶振可達(dá)到33MHZ；最后，AT89S52支持ISP(In—System Programming)在載功能。AT89S52中ISP引腳共有4個：RST、MOSI、MISO和接替換應(yīng)用系統(tǒng)中的AT89C52，而軟件硬件均不需作任何修改，這給正使用AT89C52單片機的用戶更新?lián)Q代帶來許多方便。</p><p>　　正因為AT89S52單片機增加了高可靠

48、性、安全性的功能，所以能避免因芯片擴展過多或傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生。從經(jīng)濟性的角度來看，AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且價格低、功能強、性價比高，符合本文的設(shè)計要求。</p><p>　　2.4 步進電機的特點及工作原理</p><p>　　步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定

49、的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時我們也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常

50、的簡單。</p><p><b>　　步進電機特點 ：</b></p><p>　　(1) 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。</p><p>　　(2) 步進電機外表不允許較高的溫度。</p><p>　　步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而

51、導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。</p><p>　　(3) 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。</p><p>　　當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用

52、下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　(4) 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。</p><p>　　(5) 由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常的可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　(6) 步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)

53、及變速。</p><p>　　(7) 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。</p><p>　　(8) 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。</p><p>　　(9) 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。</p><

54、p>　　(10) 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。</p><p>　　步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。</p><p>　　步進電機本質(zhì)上是一個數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器。圖2-3是最常見的三相反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖。</p>

55、;<p>　　圖2.3 三相反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　1—定子  2—轉(zhuǎn)子  3—定子繞組</p><p>　　步進電機的結(jié)構(gòu)特點：</p><p>　　電機的定子上有六個均布的磁極，其夾角是60º。各磁極上套有線圈，按圖2-3連成A、B、C三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布40個小齒。所以每個齒的齒距為θE=36

56、0º/40=9º，而定子每個磁極的極弧上也有5個小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。</p><p>　　步進電機的工作原理：</p><p>　　由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是30和40，其比值是一分?jǐn)?shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。</p><p>　　若以A相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對齊，如圖2.3，那么B相和C相磁極的齒就會分別和轉(zhuǎn)子齒相錯

57、三分之一的齒距，即3º。因此，B、C極下的磁阻比A磁極下的磁阻大。若給B相通電，B相繞組產(chǎn)生定子磁場，其磁力線穿越B相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動，直到B磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過3º；此時A、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯開三分之一齒距。接著停止對B相繞組通電，而改為C相繞組通電，同樣受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時針方向再轉(zhuǎn)過3º[6]。</

58、p><p>　　依次類推，當(dāng)三相繞組按A→B→C→A順序循環(huán)通電時，轉(zhuǎn)子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動3º的規(guī)律步進式轉(zhuǎn)動起來。</p><p>　　若改變通電順序，按A→C→B→A順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動3º的規(guī)律轉(zhuǎn)動。因為每一瞬間只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步矩角θb為30º

59、。</p><p>　　三相步進電機還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運行，即按AB→BC→CA→AB順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A順序循環(huán)通電的方式。六拍運行時的步矩角將減小一半。</p><p>　　反應(yīng)式步進電機的步距角可按2.1式計算：</p><p>　　θb=360º/NEr  

60、         （2.1）</p><p>　　式中Er——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；N——運行拍數(shù)，N=km，m為步進電動機的繞組相數(shù)。 </p><p>　　2.5 單片機對步進電機的控制方法</p><p>　　本系統(tǒng)是使用AT89S52單片機芯片，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速、往

61、返轉(zhuǎn)動的角度以及轉(zhuǎn)動的次數(shù)，通過軟件方式，以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)。</p><p>　　步進電機控制包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配，其中最大的特點就是開環(huán)控制，不需要反饋信號。通過局部總線與單片機直接連接，擴展總線通過總線控制器把按鍵模塊、L298脈沖分配器、74HC573芯片等與局部總線相連，從CPU出來的數(shù)據(jù)、地址、讀寫控制等信號構(gòu)成整個系統(tǒng)。</p><p>　　當(dāng)按下按鍵時，

62、通過單片機內(nèi)的程序，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度，即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。</p><p>　　整個系統(tǒng)主要是通過按鍵控制，操作方便，節(jié)省成本，可控制性較高，基本符合設(shè)計要求。</p><p>　　第3章 步進電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件主電路</p><p>　　根據(jù)前文中的圖2.1，可以設(shè)計出單片

63、機控制步進電機的硬件電路圖，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 單片機控制步進電機的硬件主電路圖</p><p>　　其中：AT89S52的晶振頻率為6MHz；</p><p>　　最大輸出電壓為50V；</p><p>　　最大連續(xù)輸出電流為0.5A；</p><p>　　最大連續(xù)輸入電流為25mA；&

64、lt;/p><p><b>　　功耗為1W。</b></p><p>　　3.2 +5V電源電路設(shè)計</p><p>　　由于CPU對+5V電源要求較高，一方面要使產(chǎn)生的電壓恒定，另一方面還要考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，故本文采用集成脈沖寬度調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電路和相關(guān)的抗干擾電路來實現(xiàn)。電路圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3

65、.2 +5V電源電路</p><p>　　電源的核心器件7805是一個常見的三端穩(wěn)壓集成電路，具有效率高、外圍元件少、應(yīng)用簡單、輸出電壓可調(diào)、誤差小、輸出電流大、轉(zhuǎn)換速率快、保護功能強等特點，特別適合小型開關(guān)電源。</p><p>　　三端穩(wěn)壓IC，顧名思義有三條引腳，分別是輸入端，接地端合輸出端。他的樣子像普通三極管。</p><p>　　C12和C15分別為輸

66、入端和輸出端濾波電容，1為輸入端，輸入可調(diào)電壓。2為接地端，3為輸出端，輸出穩(wěn)定的5V電壓。</p><p>　　3.3 復(fù)位電路及晶振電路</p><p>　　3.3.1 復(fù)位電路</p><p>　　單片機在啟動時都需要復(fù)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。本設(shè)計采用的是手動復(fù)位，如圖3.3所示。</p><p&g

67、t;　　圖3.3 單片機手動按鈕復(fù)位電路</p><p>　　工作原理：按S1鍵后，電容器被短路放電、RST直接和VCC相連，就是高電平，此時進入“復(fù)位狀態(tài)”；</p><p>　　松開S1鍵后：電源開始對電容器充電，此時，充電電流在電阻上，形成高電平送到RST，仍然是“復(fù)位狀態(tài)”；</p><p>　　稍后，充電結(jié)束，電流降為0，電阻上的電壓也將為0，RST降為

68、低電平，開始正常工作。</p><p>　　3.3.2 晶振電路</p><p>　　AT89S52單片機有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。</p><p>　　晶振模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集

69、成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?lt;/p><p>　　一般的晶振為石英振蕩器，如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 晶振電路</p><p>　　其作用是在電路產(chǎn)生震蕩電流,發(fā)出時鐘信號。它是時鐘電路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基準(zhǔn)頻

70、率，它就像個標(biāo)尺，工作頻率不穩(wěn)定會造成相關(guān)設(shè)備工作頻率不穩(wěn)定，自然容易出現(xiàn)問題。由于制造工藝不斷提高，現(xiàn)在晶振的頻率偏差、溫度穩(wěn)定性、老化率、密封性等重要技術(shù)指標(biāo)都很好，已不容易出現(xiàn)故障，但在選用時仍可留意一下晶振的質(zhì)量。</p><p><b>　　3.4 按鍵功能</b></p><p>　　按鍵采用3個功能鍵，K1、K2和K3按鍵開關(guān)分別接在單片機的P0.0~P

71、0.2引腳上，用來控制步進電機的轉(zhuǎn)向，作為控制信號的輸入端鍵。按K1時，步進電機正傳；按K2時，步進電機反轉(zhuǎn)；按K3時，步進電機停止轉(zhuǎn)動，如圖3.5所示,為了防止開關(guān)同時按下造成誤操作，這里可以使用互鎖開關(guān) 。</p><p>　　圖3.5 按鍵電路</p><p>　　3.5 ULN2003驅(qū)動電路</p><p>　　ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個

72、消線圈反電動勢的二極管,它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。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源[7]。</p><p>　　ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，但每個單元驅(qū)動電流最大可達(dá)350mA。如圖3.6所示

73、。</p><p>　　圖3.6 ULN2003繼電器驅(qū)動電路</p><p>　　ULN2003的作用：</p><p>　　ULN2003是大電流驅(qū)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?？芍苯域?qū)動繼電器等負(fù)載。 輸入5V TTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。</p><p>　　ULN2003引腳圖及功能，

74、如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 ULN2003引腳圖</p><p>　　ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動芯片。 經(jīng)常在以下電路中使用，作為顯示驅(qū)動、繼電器驅(qū)動、照明燈驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、伺服電機、步進電機驅(qū)動等電路中[7]。</p><p>　　ULN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻,在5

75、V 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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。</p><p>　　本設(shè)計可以添加顯示電路，顯示電路主要包括大型LED數(shù)碼管BSI20-1(共陽極，數(shù)字凈高12 cm)和高電壓大電流驅(qū)動器ULN2003，大型LED數(shù)碼管的每段

76、是由多個LED發(fā)光二極管串并聯(lián)而成的，因此導(dǎo)通電流大、導(dǎo)通壓降高。</p><p>　　ULN2003的1～7腳為信號輸入腳，依次對應(yīng)的輸出端為16～10腳，8腳為接地端。一塊ULN2003恰好驅(qū)動一個LED數(shù)碼管的7段[8]。大數(shù)碼管采用共陽極接法，低電平有效。鎖存器輸出的電平經(jīng)NPN三極管9014反相后，再由ULN2003放大后推動大數(shù)碼管顯示。</p><p>　　第4章 步進電機控

77、制系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　4.1 軟件程序設(shè)計流程</p><p>　　程序設(shè)計流程圖如圖4.1，主要包括按鍵掃描模塊、步進電機正轉(zhuǎn)模塊、步進電機反轉(zhuǎn)模塊和步進電機定時模塊。</p><p>　　圖4.1 程序設(shè)計流程圖</p><p><b>　　4.2 激磁方式</b></p><p&g

78、t;　　步進電機正轉(zhuǎn)采用1相激磁方式，正轉(zhuǎn)工作時序如表4.1所示；步進電機反轉(zhuǎn)采用1~2相激磁方式，工作時序如表4.2所示。</p><p>　　表4.1相激磁方式正轉(zhuǎn)時序</p><p>　　表4.2相激磁方式反轉(zhuǎn)時序</p><p>　　4.3 步進電機驅(qū)動流程</p><p>　　如下圖4.3所示，為步進電機驅(qū)動流程圖。</p&g

79、t;<p><b>　　第5章 總結(jié)和展望</b></p><p>　　該系統(tǒng)通過設(shè)計單片機AT89S52 來控制步進電機的運轉(zhuǎn)狀況, 實現(xiàn)了占用CPU時間少, 效率高；易控制步進電機的轉(zhuǎn)速； 易控制電機的轉(zhuǎn)向；提高了步進電機的步進精度等。而且，在設(shè)計過程中基本符合設(shè)計要求, 系統(tǒng)中除采用光電隔離有效地抑制電磁干擾, 以提高系統(tǒng)的可靠性外,還考慮到以下方面: </p>

80、;<p>　　在驅(qū)動回路中, 適當(dāng)減緩MOSFET開關(guān)的開通速度,同時可以采用RCD 吸收回路, 抑制浪涌的產(chǎn)生, 減少電磁干擾的強度。合理的接地設(shè)計，各單元回路的接地必須按照一定順序連接。</p><p>　　本系統(tǒng)在設(shè)計的擴展方面，仍然有很多需要完善的地方。例如，在系統(tǒng)中可以添加數(shù)字顯示功能，步進電機的數(shù)字顯示功能可以設(shè)計成四個LED管，用來顯示轉(zhuǎn)速就更加清晰、用途就更為廣泛。</p>

81、;<p>　　隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)的日新月異，單片機的功能將更加強大，可靠性更高。將眾多功能集成在一塊芯片上，使得芯片的功能更加強大，應(yīng)用更為廣泛，這是將來發(fā)展的趨勢。隨著步進電機技術(shù)的不斷改進，傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，未來步進電機的新概念將以創(chuàng)新、超越為理念，更多地融入高新技術(shù)的最新成果，充分展示將來工業(yè)領(lǐng)域上的人性化。</p><p><b>　　參考

82、文獻</b></p><p>　　[1] 李群芳等.單片機微型計算機與接口技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2005，(3):45-47</p><p>　　[2] 張洪潤,藍(lán)清華.單片機應(yīng)用技術(shù)教程[M].清華大學(xué)出版社,1997:65-68</p><p>　　[3] 南建輝等.MCS-51單片機原理及其應(yīng)用實例[M].清華大學(xué)出版社,2003:10-18

83、</p><p>　　[4] 董燕飛.步進電機轉(zhuǎn)臺的控制.微計算機信息，2005：31-32</p><p>　　[5] 江志紅.51單片機技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)案例精選[M].清華大學(xué)出版社,2008:68-69</p><p>　　[6] 張元良.單片機開發(fā)技術(shù)實例教程[M].機械工業(yè)出版社,2011：21-35</p><p>　　[7]

84、周潤景.單片機電路設(shè)計分析與制作[M].機械工業(yè)出版社,2010：125-150</p><p>　　[8] Zhongbo Li．Study on driving system of three—phase hybrid stepping motor．[M].Electrical Machines and Systems,2003．ICEMS 2003．Sixth International Conferen

85、ce on Volome 2.9-11 Nov．2003 Page(s)：608—610 vol.2．</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次我的論文能夠順利完成，是所有曾經(jīng)指導(dǎo)過我的老師，幫助過我的同學(xué)和一直支持我的家人對我的教誨、幫助、鼓勵的結(jié)果，我在這里對他們表示深深的謝意！</p><p>　　其次要感謝

86、武漢大學(xué)東湖分校工學(xué)院所有的專業(yè)任課老師，老師們教會我的不僅僅是專業(yè)知識，更多的是對待學(xué)習(xí)、對待生活的態(tài)度。</p><p>　　感謝我的輔導(dǎo)員對我生活的關(guān)心和照顧。</p><p>　　感謝我的父母親，你們是我力量的源泉，只要有你們，不管面對什么樣的困難，我都不會害怕。</p><p>　　感謝我的室友，因為有他們的幫助，我的論文得以順利完成。感謝他們，大學(xué)四年給

87、了我那么多的幫助與鼓勵，在我不開心的時候，總能讓我開心起來。不會忘記，大學(xué)四年里我們一起渡過的歡樂時光，那些開心的日子，總是那么令人難以忘懷。</p><p>　　最后本人對老師，同學(xué)和家人再次致以最衷心的感謝！</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　步進電機驅(qū)動程序</b></p

88、><p>　　K1 EQU P0.0</p><p>　　K2 EQU P0.1</p><p>　　K3 EQU P0.2</p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　LJMP MAIN</p><p><b>　　ORG 0100H</b>&

89、lt;/p><p>　　MAIN: MOV SP,50H </p><p>　　STOP: MOV P1,#0FFH ;步進電機停轉(zhuǎn)</p><p>　　LOOP: JNB K1,MZZ2 ;是否K1按下，是則運行正轉(zhuǎn)模塊</p><p>　　JNB K2,MFZ2

90、 ;是否K2按下，是則運行反轉(zhuǎn)模塊</p><p>　　JNB K3,STOP1 ;是否K3按下，是則運行步進電機停轉(zhuǎn)模塊</p><p>　　JMP LOOP ;循環(huán)</p><p>　　STOP1: ACALL DELAY ;按K3鍵，消除抖動</p><p&g

91、t;　　JNB K3,$ ;K3是否放開？</p><p>　　ACALL DELAY ;放開消除抖動</p><p>　　JMP STOP ;步進電機停轉(zhuǎn)</p><p>　　MZZ2: ACALL DELAY ;按K1鍵，消除抖動</p><p&g

92、t;　　JNB K1,$ ;K1是否放開？</p><p>　　ACALL DELAY ;放開消除抖動</p><p>　　JMP MZZ ;運行步進電機政治模塊</p><p>　　MFZ2: ACALL DELAY ;按K2鍵，消除抖動</p><

93、;p>　　JNB K2,$ ;K2是否放開？</p><p>　　ACALL DELAY ;放開消除抖動</p><p>　　JMP MFZ ;運行步進電機反轉(zhuǎn)模塊</p><p>　　;步進電機正轉(zhuǎn)模塊程序清單如下</p><p>　　MZZ: MOV

94、RO,#00H ;置表初值</p><p>　　MZZ1: MOV A,R0</p><p>　　MOV DPTR,#TABLE ;表指針</p><p>　　MOV A,@A+DPTR ;取表代碼</p><p>　　JZ MZ2

95、 ;是否取到結(jié)束碼</p><p>　　MOV P1,A ;從P1輸出，正轉(zhuǎn)</p><p>　　JNB K3,STOP1 ;是否K3按下，是則運</p><p><b>　　行步進電機停轉(zhuǎn)模塊</b></p><p>　　JNB K2,MFZ2

96、 ;是否K2按下，是則轉(zhuǎn)</p><p><b>　　政治模塊</b></p><p>　　ACALL DELAY ;步進電機轉(zhuǎn)速</p><p>　　INC R0 ;取下一個碼</p><p><b>　　JMP

97、 MZZ1</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　;步進電機反轉(zhuǎn)模塊程序清單如下</p><p>　　MFZ: MOV R0，#05 ;反轉(zhuǎn)到TABLE表初值</p><p>　　MFZ1： MOV A,R0&l

98、t;/p><p>　　MOV DPTR,#TABLE ;表指針</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR ;取表代碼</p><p>　　JZ MFZ ;是否取到結(jié)束碼？</p><p>　　MOV P1，A ;從P1輸出，反轉(zhuǎn)<

99、;/p><p>　　JNB K3，STOP1 ;是否K3按下，是則運行</p><p><b>　　步進電機停止模塊</b></p><p>　　JNB K1，MZZ2 ;是否K1按下，是則</p><p><b>　　運行政治模塊</b><

100、/p><p>　　ACALL DELAY ;步進電機轉(zhuǎn)速</p><p>　　INC R0 ;取下一個碼 </p><p><b>　　JMP MFZ1</b></p><p><b>　　RET</b></p>&l

101、t;p>　　DELAY: MOV R5，#40 ;延時20ms</p><p>　　DEL1： MOV R6，#248</p><p>　　DJNZ R6，$</p><p>　　DJNZ R5,DEL1</p><p><b>　　RET</b></

102、p><p><b>　　;控制代碼表如下</b></p><p>　　TABLE: DB 0FCH,0F9H,0F3H,0F6H ;正轉(zhuǎn)</p><p>　　DB 00H ;正轉(zhuǎn)結(jié)束碼</p><p>　　DB 0F7H,0F3H,0FBH,09H ;