【正文】 種開環(huán)控制。 本設(shè)計(jì)的目的是以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出一個(gè)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用 STC89C51 作為控制單元，通過鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)顯示在數(shù)碼管上。 主要實(shí)現(xiàn)功能： （ 1）、 5 個(gè)按鍵控制整個(gè)電路，對(duì)應(yīng)功能分別是：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度加、速度減、啟停； （ 2）、數(shù)碼管顯示電機(jī)運(yùn)行速度的檔數(shù)和正反轉(zhuǎn)的指示； （ 3）、 5 個(gè)小紅燈，一個(gè)為電源指示，四個(gè)指示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 2 步進(jìn)電機(jī)控制總系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框架 硬件主要以單片機(jī)為核心，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，通過軟件和硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能，并且步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示。主要通 過三大塊來設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分是設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總框圖如圖 1 所示。 圖 1 總體設(shè)計(jì)框圖 主控芯片選擇 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 從控制系統(tǒng)的大小和復(fù)雜度出發(fā)，必須考慮單片機(jī)的基本 參數(shù)和增強(qiáng)功能。前者往往需要考慮芯片的速度， ROM容量， I/O 引腳數(shù)量和工作電壓 ()等，后者則包括是否擁有看門狗，雙指針，雙串口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘， CAN 接口， SPI接口， USB 接口等附加模塊。本設(shè)計(jì)中受控對(duì)象只有超聲波、聲光報(bào)警，復(fù)雜度低，采用低端的通用的單片機(jī)芯片就能夠滿足要求。 從容易學(xué)習(xí)掌握的角度出發(fā)，要求所選單片機(jī)支持簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語言，并且擁有軟件支持的良好編程環(huán)境。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)有豐富的資料支持，包括詳盡的芯片說明書，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序等。 從工作可靠性的角度出發(fā)，要求所選芯 片有較寬工作溫度范圍，較低的功耗和一定的姓名： xxx 論文題目：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 抗干擾能力。按適用的工作溫度分，常用單片機(jī)芯片可分為商用級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)，這里選擇一般的商用機(jī)即可。在功耗和抗干擾方面，本控制系統(tǒng)的要求都不高，一般的單片機(jī)芯片都能滿足要求。 綜上所述，本系統(tǒng)選擇 STC89C51 單片機(jī)作為主控芯片。足夠本設(shè)計(jì)運(yùn)行，且價(jià)格便宜，下載程序方便。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖 信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 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；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。 系統(tǒng)是單片機(jī)控制，整個(gè)設(shè)計(jì)的電壓是 5v，所以電機(jī)的電壓也要選擇 5v 可以驅(qū)動(dòng)的，所以本實(shí)驗(yàn)選擇 28BYJ48 步進(jìn)電機(jī)作為設(shè)計(jì)對(duì)象，步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48 型四相八拍電機(jī)，電壓為 DC5V— DC12V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要將單片機(jī)發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，我們?cè)谶@里采用 ULN2020 為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號(hào)。ULN2020 七 NPN 達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如 TTL,CMOS 或PMOS/NMOS）和 大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。 ULN2020 的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn) TTL 系列兼容。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成 以 51 單片機(jī)為核心處理器 、單片機(jī)作為主控制器， DC5V步進(jìn)電機(jī)，集成芯片 ULN2020作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。五個(gè)按鍵輸入，對(duì)應(yīng)功能分別是：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位、速度加、速度減；LED 數(shù)碼管顯示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，同時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行速度的檔數(shù)； 5 個(gè)小紅燈一個(gè)為電源指示，四個(gè) 指示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 步進(jìn)電機(jī) 系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。 使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，單路電脈沖信號(hào)可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相2020 屆電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。 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；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制 【 1】 。 步進(jìn)電機(jī)的原理 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 HB）。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī) 的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下： 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?A—B—C—D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、 B、 C、 D 相的通斷。 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它 會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 2. 步進(jìn)電機(jī)外表 不 允許較高的溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(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)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)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(jìn)電機(jī)外表溫度在 攝氏 8090 度完全正常。 3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 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。 4. 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 5. 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。同時(shí)，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)。 6. 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。 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(dòng)負(fù)載。 8. 步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 9. 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 姓名： xxx 論文題目：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 10. 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無法啟動(dòng) ,并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)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(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)的分類 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、 混合式步進(jìn)電機(jī) （ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 1. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用 磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 2. 永磁式步進(jìn)電機(jī)：一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度； 3. 混合式步進(jìn)電機(jī)：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 度而五相步進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，性能最好。 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理 在本設(shè)計(jì)以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。其接線圖如圖 2 所示 : 圖 2 永磁步進(jìn)電機(jī)接線圖 從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有 5 根引出線 。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM端標(biāo)識(shí)為 C，只要 AC、 BC 或 /AC、 /BC，輪流加電就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，如果將 COM端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管），將 A、 B或 /A、 /B 輪流接地。 不難設(shè)計(jì)出控制電路，因其工作電壓為 12V，因此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器（這里用 ULN2020，關(guān)于 ULN2020 將在后面介紹）作為驅(qū)動(dòng)，通過 、 來控制各線圈的接通與切斷。開機(jī)時(shí)， 、 均為高電平，依次將 、 （或 、 ）切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間。改變轉(zhuǎn)速，只要改變 、 （或 、 反向）輪流變低電平的時(shí)間即可達(dá)到要求，因?yàn)椴粫?huì)影響到其他功能的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)間可以用延時(shí)來實(shí)現(xiàn)。這里以定時(shí)的方式來實(shí)現(xiàn)。下面首先計(jì)算一下定時(shí)時(shí)間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn) /分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 ，即每 48 個(gè)脈沖為 1周，即在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 960 脈沖 /分，相當(dāng)于。而在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 100 轉(zhuǎn) /分，即 48000 脈沖 /分，相 當(dāng)于 。 2020 屆電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 單片機(jī)系統(tǒng) 本次設(shè)計(jì)選用 STC89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片 。 STC89C51的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容 MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。 STC89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 （ FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 E A /V P31X119X218R E S E T9P 3 7 / R D17P 3 6 W R16P 3 2 / IN T 012P 3 3 / IN T 113P 3 4 / T014P 3 5 / T115P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E/ P30P 3 1 / TX D11P 3 0 / R X D10GND