【正文】 nd deceleration forward and reset. The liquid crystal display LCD1602 positioning travel, rotating direction, the stroke value and status. Altium designer software is mainly used to draw schematic in the design, the theoretical simulation and functional verification code using the Proteus software, pleted the design of the stepper motor controller. Key words: AT89S51。 L297。 L298N。 stepping motor。 LCD1602。 simulation 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 1 引 言 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機(jī)技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計(jì)功能強(qiáng)，價(jià)格低的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的資源。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號，通過驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。也就是說步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進(jìn)脈 沖 信號的頻率，就可以對電機(jī)精確調(diào)速 ， 控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，就可以對電機(jī)精確定位。 為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及性價(jià)比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用環(huán)境，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實(shí)現(xiàn)了基于 8051 單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過單片機(jī)存儲器、 I/O 接口、中斷、鍵盤、 LCD 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、 等的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、急停、定位等功能。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片 機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來 越廣泛， 六十年代初期以來，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用得到很大的提高。人們用它來驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和其他采用指針的儀器，打印機(jī)、繪圖儀，磁盤光盤驅(qū)動(dòng)器、各 種自動(dòng)控制閥、各種工具，還有機(jī)器人等機(jī)械裝置。伴 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增， 被廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用 。 在 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)用。電機(jī) 仍舊 作為工業(yè)發(fā)展不可缺少的一大要素，扮演著重要的角色。電機(jī)的應(yīng)用不僅在動(dòng)力應(yīng)用反面不斷擴(kuò)大，而且在控制領(lǐng)域的使用范圍也在不斷擴(kuò)大。隨著控制電機(jī)重要性的增加，控制電機(jī)的使用量也逐年增加。其應(yīng)用主要以處理辦公業(yè)務(wù)能力很強(qiáng)的機(jī)器和工廠自動(dòng)化機(jī)器為核心，并廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療器械、計(jì)量儀器、汽車、游戲機(jī)等 方面 。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 2 第一章 設(shè)計(jì)背景 步進(jìn)電機(jī) 發(fā)展史 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。 此后，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。 20 世紀(jì) 60 年代后期，隨著永磁性材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30 年間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)迅速地發(fā)展并成熟起來。從發(fā)展趨向來講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)，以及同步電動(dòng)機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。 以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場合步進(jìn)電機(jī)用得最多。 步進(jìn)電機(jī)的需 求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色 。 我國步進(jìn)電機(jī) 的 發(fā)展 我國開展步進(jìn)電機(jī)的研究工作相對較晚， 上 世紀(jì) 50 年代才開始對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行研究和制造，到目前為止已有六十多年。我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研究的初始階段，主要以高等院校的理論研究為主 ， 隨著 微電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，解決了長久以來限制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)大量應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化中的關(guān)鍵問題 —制造優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動(dòng)控制電源，同時(shí)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)本身的發(fā)展也不斷推進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求。 此時(shí) 我國在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研究方面生機(jī)勃勃 ， 這一階段是我國步進(jìn)電 機(jī)的研究和發(fā)展最為迅猛的階段。 目前，對步進(jìn)電機(jī)在技術(shù)和生產(chǎn)應(yīng)用都已經(jīng)較為成熟。小型化、機(jī)電一體化、電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高電機(jī)效率、降低生產(chǎn)成本等是這一階段乃至今后步進(jìn)電機(jī)發(fā)展的趨勢和方向。在我國，由于歷史緣由，磁阻式步進(jìn)電機(jī)還在一定的場合里使用，但混合式步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的優(yōu)勢越來越明顯，市場占有率隨之不斷提高。因此，開展混合式步進(jìn)電機(jī)的研究依然有其重要的意義。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 3 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)，歷經(jīng)上世紀(jì)幾十年的發(fā)展，已成為相對成熟的技術(shù)．但隨著應(yīng)用范圍的推廣和新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī) 技術(shù)仍然在不斷發(fā)展完善中。主要表現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)本身的改進(jìn)以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的多樣化和精密化等幾個(gè)方面?，F(xiàn)階段，最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而混合式電動(dòng)機(jī)又向以下四個(gè)方向發(fā)展： （ 1） 小型化方向發(fā)展，隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓 寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來越小 。 （ 2） 改圓形電動(dòng)機(jī)為方形電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計(jì)得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。 （ 3） 一體化設(shè)計(jì)，即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系 統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。 （ 4） 向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩不完全對稱，振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)則是完全對稱的，因此更具有優(yōu)勢性。 （ 5） 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波 供電改為階梯波供電。減少步距角， 減少步進(jìn)誤差， 即提高了分辨率和步距精度。 再者，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入發(fā)展，對步進(jìn)電機(jī)的研究也逐步從單機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化控制。 如果 將各種數(shù)控加工設(shè)備通過總線聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成 DNC 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集成化控制和管理，是 步進(jìn)電機(jī)很有前途的發(fā)展方向之一。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 4 第二章 方案設(shè)計(jì) 提出設(shè)計(jì)課題 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件?？梢灾苯佑脭?shù)字信號驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。在沒有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)，因此非常適合于控制 。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床 、 繪圖儀 、 打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。 在人類社會進(jìn)入電氣化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)已不能滿足工業(yè)自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。一方面步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)密 切相關(guān)。自從步進(jìn)電機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備上取代小型電動(dòng)機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快的促進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。 為了進(jìn)一步研究步進(jìn)電機(jī)的控制，對步進(jìn)電機(jī)控制原理以及驅(qū)動(dòng)電路有更深的了解，通過單片機(jī)硬件與軟件的結(jié)合，提出設(shè)計(jì)一個(gè)簡單實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)控制器。此步進(jìn)電機(jī)控制器應(yīng)具有以下相關(guān)功能和性能指標(biāo)。 （ 1） 按鍵設(shè)置步進(jìn)電機(jī) 所 要走的行程值（即線位）， 由 顯示器直觀顯示出來，按下啟動(dòng)鍵后步進(jìn)電機(jī)由原點(diǎn)前進(jìn)到達(dá)所需位置。步進(jìn)電機(jī)在 前進(jìn)過程中已走的行程數(shù)值和前進(jìn)的狀態(tài)也需通過顯示電路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。 （ 2） 步進(jìn)電機(jī)在正向前進(jìn)過程中可以隨時(shí)停止，停止時(shí)顯示出當(dāng)前行程值。并可以隨時(shí)啟動(dòng)前進(jìn)、復(fù)位返回原點(diǎn)。在到達(dá)指定位置后也能通過按鍵復(fù)位返回。 （ 3）前進(jìn)后退是步進(jìn)電機(jī)控制器所必須具備的基 本功能，設(shè)計(jì)中增加步進(jìn)電機(jī)加減速前進(jìn)以及復(fù)位功能，在步進(jìn)電機(jī) 啟動(dòng)前進(jìn)、復(fù)位時(shí)和行進(jìn)過程中都可以加速復(fù)位以及減速前進(jìn)，并到達(dá)指定位置。 （ 4）此設(shè)計(jì)不僅需要對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需要有鍵盤以及相關(guān)的顯示電路，通過它們可以通過顯示器實(shí)時(shí)的觀察到步進(jìn)電機(jī)當(dāng) 前的運(yùn)行狀態(tài)，并可以實(shí)時(shí)地控制步進(jìn)電機(jī)。 基于此上功能分析提出設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器。 通過對步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，可以更深刻地理解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，而且由此設(shè)計(jì)我們可以舉一反三，對此類相關(guān)設(shè)計(jì)積累一定 經(jīng)驗(yàn)。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 5 步進(jìn)電機(jī) 工作 的 原理 步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一個(gè)矢量磁場，該矢量場會帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定 的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。根據(jù)脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 四相步進(jìn)電機(jī) 如圖 所示。 圖 四相步進(jìn)電機(jī) 該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用 單極性直流電源供電。開關(guān) SB 接通電源，其余斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號齒對齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān) SC接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。而 0、 3 號齒和 A、B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推， A、B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙 四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。單雙八拍工作方式： AABBBCCCDDDA (即一個(gè)脈沖 ,轉(zhuǎn) 度 )八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）?；?AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 6 四相步進(jìn)電機(jī)單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 所示。 脈沖A 相B 相C 相D 相 a 單四拍 b 雙四拍 c 八拍 圖 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序圖 通過對步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號進(jìn)行控制，改變其頻率以及個(gè)數(shù)。每一個(gè)脈沖信號就可 使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度 .脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度 .當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，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?？梢酝ㄟ^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。 步進(jìn)電機(jī)的控制 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 本設(shè)計(jì) 是基于單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，所謂單軸步進(jìn)電機(jī)就是指控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)主要是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，只需要將單路電脈沖信號先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)所需求的多路（單路）脈沖信號，再經(jīng)過功率放大后分別送入步進(jìn)電機(jī)各相繞組，即可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確運(yùn)行。在正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比。由于步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量輸入，所以它特別適合于微機(jī)控制 。 由于微機(jī)控制系統(tǒng)的輸出脈沖電流往往都是 毫安級的，而步進(jìn)電機(jī)的電子繞組需要很大的電流步進(jìn)電機(jī)控制脈沖電流才可以驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)不能直接接到直流電源或者微機(jī)上工作，必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一般由環(huán)形分配器、信號放大與處理級、推動(dòng)級、驅(qū)動(dòng)級等各部分基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 7 組成， 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還要有多種保護(hù)電路。 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)接受來自控制器的 CP 脈沖，并按步進(jìn)電機(jī) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。每來一個(gè) CP 脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速