【正文】 32 延時(shí)模塊 ............................................................................33 延時(shí)模塊的功能 ..........................................................33 SysTick 定時(shí)器 .............................................................34 配置 SysTick ................................................................35 步進(jìn)電機(jī)工作模塊 .............................................................35 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)相序表 ...................................................35 步進(jìn)電機(jī)控制 ..............................................................36 按鍵掃描 ............................................................................37 第六章 運(yùn)行結(jié)果 ................................................................... 38 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 概述 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)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè) 脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。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)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 雖然步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)控原件，易于同數(shù)字電路接口。但是，一般數(shù)字電路的信號能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作，必須有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)本體和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路兩者密不可分的組成步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 。 微處理器具有可編程 特性 ， 可以 控制端口脈沖的輸出， 從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路（以下也可以 成為電流驅(qū)動電路）， 達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速 的 精確控制，使得步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用更加方便、 靈活 。 結(jié)合 微處理器 對其他信號的采集、運(yùn)算及控制，使得步進(jìn)電機(jī)的 使用更加 廣泛 、智能化 。步進(jìn)電機(jī)的使用在工控、家電、航天等領(lǐng)域都有非常廣的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 研究目標(biāo)與內(nèi)容 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究目標(biāo) 結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的角位移特性，可以通過控制通過其中的 脈沖數(shù)目精確的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角 ，達(dá)到精確控制的功能。 對于脈沖的控制輸出直接交給微處理器 。微處理器控制端口的脈沖 數(shù)和脈沖頻率的 輸出 ，使得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速的控制靈活。 本課題 的研究目標(biāo)是 將 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的基本功能 ，包括：正轉(zhuǎn)、反向、 加速、減速、制動等。 實(shí)現(xiàn)了這些基本功能就可以使得步進(jìn)電機(jī)在每個(gè)領(lǐng)域正常的工作 。結(jié)合微處理器的課編程特性可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的其他精確控制，同時(shí) 延展出 LED 顯示功能反饋用戶步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，延展按鍵選擇功能提供用戶 人機(jī)交互功能，使得步進(jìn)電機(jī)的控制更加方便、直接。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究內(nèi)容 本課題將通過 微處理器控制脈沖數(shù)和脈沖頻率的輸出控制電流驅(qū)動器 從而達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)控制 。 1) 正轉(zhuǎn)： 步進(jìn)電機(jī)將以一定轉(zhuǎn)速沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動 。 這是步進(jìn)電機(jī)的最基本控制。 2) 反向： 步進(jìn)電機(jī)將 以獲得反向信號 時(shí)刻同樣的速率反向轉(zhuǎn)動。 3) 加速 ： 步進(jìn)電機(jī)將以越來越快的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。（在極限頻率以內(nèi)） 4) 減速：步進(jìn)電機(jī)將以越來越慢的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。（在極限頻率以內(nèi)） 5) 制動： 步進(jìn)電機(jī) 獲得制動信號后將在任何狀態(tài)下 停止轉(zhuǎn)動。 6) 其他 ： 改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動的拍數(shù) ，以不同拍數(shù)工作。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二章 微 控制器 處理器的選型 在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，微控制器起著關(guān)鍵的作用。步進(jìn)電機(jī)控制的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算并不多，不要求微控制器具有很高的處理速度和較大的 RAM 存儲空間。從成本和電路簡化方面考慮，我們希望尋找一款體積較小、功能全面、價(jià)格低廉的單片機(jī)。通過系統(tǒng)分析，我們確立微處理器的選型原則如下： 1) 基于控制類微處理器 2) 內(nèi)置程序存儲空間 3) 內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲空間 4) 具備足夠的 I/O 端口 5) 具有常見的封裝形式，且便于電路制作和焊接 6) 性價(jià)比高，容易選購 此外還需考慮處理器在市場的應(yīng)用廣泛情況、學(xué)習(xí)與參考的資料是否豐富。結(jié)合以上的選型考慮最終選擇 STM32F10X系列的處理器作為步進(jìn)電機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心處理器。 STM32F10X 系列微控制器 簡介 STM32F10X 系列微控制器 概述 圖 21 STM32F10X 芯片 圖 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 STM32F10X 系列是由意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的芯片。 ATM32F10X 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARM CortexM3 內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列： STM32F103―增強(qiáng)型 ‖系列和 STM32F101―基本型 ‖系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為 36MHz，以 16 位產(chǎn)品的價(jià)格得到比 16位產(chǎn)品大幅提升的性能 ，是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置 32K 到128K 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率 72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼， STM32F10X 功耗 36mA，是 32 位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于 。 ARM CortexM3 內(nèi)核 處理器 概述 ARM CortexM3 內(nèi)核 處理器是一個(gè)低功耗的處理器，具有門數(shù)少 , 中斷延遲小 , 調(diào)試容易等特點(diǎn)。它是為功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用領(lǐng)域而專門設(shè)計(jì)的、具有較高性能的處理器，應(yīng)用范圍可從低端微控制器到復(fù)雜 SoC。 ARM CortexM3 內(nèi)核 處理器使用了 ARM v7M 體系結(jié)構(gòu)，是一個(gè)可綜合的、高度可配置的處理器。它包含了一個(gè)高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，可提供 快速的。在一個(gè)具有 32 個(gè)物理中斷的標(biāo)準(zhǔn)處理器實(shí)現(xiàn)上（ Metro @50MHz），達(dá)到了突出的 。 為降低器件成本， ARM CortexM3 處理器采用了與系統(tǒng)部件緊耦合的實(shí)現(xiàn)方法，來縮小芯片面積，其內(nèi)核面積比現(xiàn)有的三級流水線內(nèi)核縮小了 30%。 ARM CortexM3 處理器實(shí)現(xiàn)了 Thumb2 指令集架構(gòu)，具有很高的代碼密度，可降低存儲器需求，并能達(dá)到非常接近 32 位 ARM 指令集的性能。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 22 CortexM3 部件圖 CortexM3 內(nèi)核具有如下特點(diǎn)： 1) ARMv7M Thumb2 指令架構(gòu)（ ISA）的子集，包括了所有 16 位和 32 位的Thumb2 基本指令，不包括 SIMD 、 DSP 和 ARM 系統(tǒng)訪問 。 2) 采用哈弗持利器結(jié)構(gòu)，在取指的同時(shí)可以讀取 /存儲數(shù)據(jù)。 3) 三級流水線。 4) 單周期 32 位乘法。 5) 硬件除法器。 6) Thumb2 和 Debug 狀態(tài)。 7) Handler 和 Tread 模式。 8) 處理器狀態(tài)自動保存于回復(fù)，保證低延時(shí)的 ISR 進(jìn)入和退出。 9) 課打斷 繼續(xù) LDM/STM,PUSH/POP。 10) 支持 ARMv6de BE8/LE(大小端 )。 11) ARMv6 不對齊訪問。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 STM32F10x 系列微控制器特性 ATM32F10X 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 控制類芯片 ，以下將羅列 其部分功能特性 ： 核心 1) ARM 32 位的 Cortex?M3CPU 2) 72MHz，高達(dá) 90DMips， 3) 單周期硬件乘法和除法 ——加快計(jì)算 存儲器 1) 從 32K 字節(jié)至 128K 字節(jié)閃存程序存儲器 2) 從 6K 字節(jié)至 20K 字節(jié) SRAM 3) 多重自舉功能 時(shí)鐘、復(fù)位和供電管理 1) 至 伏供電和 I/O 管腳 2) 上電 /斷電復(fù)位 (POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測器 (PVD)、掉電監(jiān)測器 3) 內(nèi)嵌 4 至 16MHz 高速晶體振蕩器 4) 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的 8MHz 的 RC 振蕩器 5) 內(nèi)嵌 40kHz 的 RC 振蕩器 6) 內(nèi)嵌 PLL 供應(yīng) CPU 時(shí)鐘 7) 內(nèi)嵌使用外部 32kHz 晶體的 RTC 振蕩器 多達(dá) 80 個(gè)快速 I/O 口 1) 26/36/51/80 個(gè)多功能雙向 5V 兼容的 I/O 口 2) 所有 I/O 口可以映像到 16 個(gè)外部中斷 STM32F10x 內(nèi)部結(jié)構(gòu) STM32F10X 的 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 下圖是 STM32F10X 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中主要部分包括： 四個(gè)主控端： 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 CortexM3 內(nèi)核指令總線，數(shù)據(jù)總線以及系統(tǒng)總線 、 DMA(通用 DMA) 四個(gè)受控端： 內(nèi)部 SRAM、 內(nèi)部 Flash 存儲器 、 AHB 到 APB 橋（ AHB2APBX）該橋用來連接有的 APB 設(shè)備 圖 23 STM32F10X 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 除了 Flash、系統(tǒng)時(shí)鐘的必須使用的模塊，其他設(shè)備在圖中標(biāo)出的部分在本文中需要使用，這些都是基于 APB2 橋設(shè)備。所以在時(shí)鐘配置是，只需開啟 APB2上的時(shí)鐘，這樣不僅精簡了代碼量而且降低了功耗。這在較大工程中是必須設(shè)計(jì)考慮的。 STM32F10X 的 時(shí)鐘結(jié)構(gòu) 在 STM32F10X 處理器中系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLK 來源有三個(gè)： ? HSI 內(nèi)置時(shí)鐘振蕩器 ? HSE 外部時(shí)鐘振蕩器 ? PLL 時(shí)鐘 系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLK，它是供 STM32 中絕大部分部件工作的時(shí)鐘源。系統(tǒng)時(shí)江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 鐘可選擇為 PLL 輸出、 HSI 或者 HSE。系統(tǒng)時(shí)鐘最大頻率為 72MHz，它通過 AHB分頻器分頻后送給各模塊使用， AHB 分頻器可選擇 1 6 1225 512 分頻。其中 AHB 分頻器輸出的時(shí)鐘送給 5 大模塊使用： 1) 送給 AHB 總線、內(nèi)核、內(nèi)存和 DMA 使用的 HCLK 時(shí)鐘。 2) 通過 8 分頻后送給 Cortex 的系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)鐘。 3) 直接送給 Cortex 的空閑運(yùn)行時(shí)鐘 FCLK。 4) 送給 APB1 分頻器。 APB1 分頻器可選擇 16 分頻，其輸出一路供 APB1 外設(shè)使用 (PCLK1，最大頻率 36MHz)，另一路送給定時(shí)器 (Timer) 4 倍頻器使用。該倍頻器可選擇 1 或者 2 倍頻，時(shí)鐘 輸 出供定時(shí)器 4使用。 5) 送給 APB2 分頻器。 APB2 分頻器可選擇 16 分頻，其輸出一路供 APB2 外設(shè)使用 (PCLK2，最大頻率 72MHz)，另一路送給定時(shí)器 (Timer)1倍頻器使用。該倍頻器可選擇 1 或者 2 倍頻，時(shí)鐘輸出供定 時(shí)器 1 使用。另外，APB2 分頻器還有一路輸出供 ADC 分頻器使用，分頻后送給 ADC 模塊使用。ADC 分頻器可選擇為 8 分頻。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 24 時(shí)鐘樹 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 STM32F10X 的 GPIO 結(jié)構(gòu) 通用輸入輸出接口 (每個(gè) GPIO 端口 都可以由軟件配置成輸出 (推挽或開漏 )、 輸入 (帶或不帶上拉或下拉 )或復(fù) 用的外設(shè)功能端口。多數(shù) GPIO 引腳都與數(shù)字或模擬的復(fù)用外設(shè)共用。除了具有模擬輸入功能的端口，所有的 GPIO 引腳都有大電流通過能力。 在需要的情況下， I/O 引腳的外設(shè)功能可以通過一個(gè)特定的操作鎖定，以避免意外的寫入 I/O 寄存器。 在 APB2 上的 I/O 腳可達(dá) 18MHz 的翻轉(zhuǎn)速度。 圖 25 端口位的基本結(jié)構(gòu) 在本課題步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用 GPIO 輸出脈沖序列，結(jié)合輸出特性將配置成推挽輸出。采用 50MHZ 速率輸出（不考慮功耗）。 推挽輸出的特性： 1) 推挽輸出 可以輸出高 ,低電平 ,連接數(shù)