【正文】 課程設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么可以毫不夸張地說，單片機(jī)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(jī)以其體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、高可靠性、高性能價(jià)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(dòng)化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用，并已走人家庭，從洗衣機(jī)、微波爐到音響、汽車，到處都可 見到單片機(jī)的蹤影。因此，單片機(jī)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。 本課題研究的內(nèi)容就是以單片機(jī)為主要控制元件， 通過控制脈沖信號來定位步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)和特點(diǎn) 基本參數(shù) [8] 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，電機(jī)給出的值為 176。/176。（表示半步工作時(shí)為 176。、整步工作時(shí)為 176。），這個(gè)步距角可以稱之為 ?電機(jī)固有步距角 ?，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng) 器有關(guān)。 是指電機(jī)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(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)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(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 課程設(shè)計(jì)說明書 第 2頁 1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。 2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(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；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。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)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)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載 啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 步進(jìn)電機(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)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 2 總體方案設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)框圖 為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速定位控制功能，設(shè)計(jì)采用的如圖 的設(shè)計(jì)框圖。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用開環(huán)控制，利用 AT89C51 單片機(jī)作為脈沖分配器，通過功率接口控制四相步進(jìn)電機(jī)的加減速運(yùn)行。 鍵盤模塊控制步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng) 、加速、停止、以及定位等各項(xiàng)功能的選擇。 LCD顯示器上實(shí)時(shí)的顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和定位功能時(shí)候步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和總的轉(zhuǎn)數(shù)。 課程設(shè)計(jì)說明書 第 3頁 89C51 單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作并且充當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 候的脈沖分配器。 圖 總體設(shè)計(jì)框圖 控制系統(tǒng)芯片的選取 單片機(jī)芯片的選取 隨 著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著集成電路工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了單片機(jī)、 DSP,ARM 等多種單片機(jī)。 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(jī)。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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jià)廉的方案 [6]。 51單片機(jī)雖然和 DSP,ARM 相比處理速度和運(yùn)算速度上都比較慢，但它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，它的速度可以滿足本次實(shí)驗(yàn)的要求，所以我們采用 AT89C51這款單片機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的原理及其引腳功能 對于設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用 L298N 驅(qū)動(dòng)器。 L298N 為SGSTHOMSON Microelectronics 所生產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相LCD 顯示器 鍵盤 89C51 單片機(jī)系統(tǒng) 功率接口電路 步進(jìn)電機(jī) 課程設(shè)計(jì)說明書 第 4頁 步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)二相或 1 個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電位信號，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A以下的步進(jìn)電機(jī)，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(jī)的 IO 端口來提供模擬時(shí)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(gè)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(dòng)器 的引腳功能如表 所示。 課程設(shè)計(jì)說明書 第 5頁 表