【正文】 課程設計說明書 第 1頁 1 緒論 課題描述 隨著電子技術(shù)，特別是隨大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，人類生活發(fā)生了根本性的改變。如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學研究得到了質(zhì)的飛躍，那么可以毫不夸張地說，單片機技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。目前，單片機以其體積小、重量輕、抗干擾能力強、對環(huán)境要求不高、高可靠性、高性能價格比、開發(fā)較為容易，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應用，并已走人家庭，從洗衣機、微波爐到音響、汽車，到處都可 見到單片機的蹤影。因此，單片機技術(shù)開發(fā)和應用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。 本課題研究的內(nèi)容就是以單片機為主要控制元件， 通過控制脈沖信號來定位步進電機。 步進電機參數(shù)和特點 基本參數(shù) [8] 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，電機給出的值為 176。/176。（表示半步工作時為 176。、整步工作時為 176。），這個步距角可以稱之為 ?電機固有步距角 ?，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動 器有關(guān)。 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 176。/176。、三相的為 176。/176。、五相的為 176。/176。 。 3. 保持轉(zhuǎn)矩（ HOLDING TORQUE） 是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 步進電機的特點 課程設計說明書 第 2頁 1．一般步進電機的精度為步進角的 35%，且不累積。 2．步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩 下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應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，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 3．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當步進電機轉(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。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 4．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。 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載 啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 步進電機以其顯著的特點，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)域得到應用。 2 總體方案設計 總體設計框圖 為了實現(xiàn)步進電機的加減速定位控制功能，設計采用的如圖 的設計框圖。 本設計系統(tǒng)采用開環(huán)控制，利用 AT89C51 單片機作為脈沖分配器，通過功率接口控制四相步進電機的加減速運行。 鍵盤模塊控制步進電機的起動 、加速、停止、以及定位等各項功能的選擇。 LCD顯示器上實時的顯示步進電機的運行轉(zhuǎn)速和定位功能時候步進電機運行的轉(zhuǎn)速和總的轉(zhuǎn)數(shù)。 課程設計說明書 第 3頁 89C51 單片機系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)的各個模塊協(xié)調(diào)工作并且充當步進電機運轉(zhuǎn)時 候的脈沖分配器。 圖 總體設計框圖 控制系統(tǒng)芯片的選取 單片機芯片的選取 隨 著科學技術(shù)的發(fā)展，微型計算機技術(shù)日益發(fā)展，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。隨著集成電路工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了單片機、 DSP,ARM 等多種單片機。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 [6]。 51單片機雖然和 DSP,ARM 相比處理速度和運算速度上都比較慢，但它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜，它的速度可以滿足本次實驗的要求，所以我們采用 AT89C51這款單片機。 步進電機驅(qū)動芯片的原理及其引腳功能 對于設計中的步進電機驅(qū)動器采用 L298N 驅(qū)動器。 L298N 為SGSTHOMSON Microelectronics 所生產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相LCD 顯示器 鍵盤 89C51 單片機系統(tǒng) 功率接口電路 步進電機 課程設計說明書 第 4頁 步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動 2 個二相或 1 個四相步進電機，內(nèi)含二個HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL邏輯電位信號，可驅(qū)動 46V、 2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的 IO 端口來提供模擬時序信號。 L298N 的內(nèi)部邏輯圖如 所示 [1]。 圖 L298 內(nèi)部邏輯圖 [3] 雙列直插式封裝的 L298N，共 20 個引腳，引腳圖及其引腳功能如下圖 所示。 圖 L298N 引腳圖 [2] L298N 驅(qū)動器 的引腳功能如表 所示。 課程設計說明書 第 5頁 表