【正文】 畢業(yè)論文 題 目 基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 院 系 專 業(yè) 指導(dǎo)教師 二Ｏ 年 月 日 1 摘要 介紹了步進(jìn)電機(jī)和直 流電機(jī)原理及其驅(qū)動(dòng)程序控制控制模塊，通過(guò)AT89S52單片機(jī)及脈沖分配器 (又稱邏輯轉(zhuǎn)換器 ) L298完成步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)各種運(yùn)行方式的控制。實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)速度控制并且顯示數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì) ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠 ,通過(guò)按鍵控制，操作方便，節(jié)省成本。 關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) 。單片機(jī)控制 。 AT89S52。 Please enter the This paper introduces the principle of stepping motor and dc motor control module and its driver control, by AT89S52 single chip microputer and pulse distributor (also called logical converter) L298 to plete the operation ways of stepping motor and dc motor control. Implementation of step motor and reversing speed control and display the data. The whole system USES modular design, simple structure, reliable, through the button control, convenient operation, cost savings. keywords Stepping motor。 Single chip microputer control。 AT89S52 devices。 To translate the text 2 目錄 3 引言 隨著數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動(dòng)元件 , 具有快速起動(dòng)和停止的特點(diǎn)。 因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制的基本要求， 所以廣泛地應(yīng)用于手工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī) ,投影儀、數(shù)碼攝像機(jī)、大型望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器件以及各種可控機(jī)械工具等等。直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè) 備 ( 如硬盤、軟盤和光盤存儲(chǔ)器 ) 、家電產(chǎn)品、醫(yī)療器械和電動(dòng)車上 , 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子都普遍使用永磁材料組成的磁鋼 , 并且在航空、航天、汽車、精密電子等行業(yè)也被廣泛應(yīng)用。 在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)、蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái) 拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動(dòng)機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。他們都是 利用電和磁的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn) 向 機(jī)械能能的轉(zhuǎn)換。 1. 電機(jī)的工作原理 1. 步進(jìn)電機(jī)原理 步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器。以三相電機(jī)為例 , 其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖 1。各相夾角為 120176。的定子磁極上均勻分布了 5 個(gè)矩形小齒 , 沒(méi)有繞組的轉(zhuǎn)子圓周上也均勻的分布著40 個(gè)小齒（相鄰齒夾角為 9176。）。利用電磁學(xué)的性質(zhì) , 在某相繞組通電時(shí) , 相應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng) , 與轉(zhuǎn)子形成磁路如此時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊 , 則在磁場(chǎng)作用下 , 轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度 , 達(dá)到齒的對(duì)齊。在單三拍控制方式下 , 若 A 相通電 , B、 C 相不通電 , 在磁場(chǎng)作用下使轉(zhuǎn)子齒和 A相定子齒相對(duì)假設(shè)此時(shí)為初態(tài)并且令與 A相中心對(duì)齊的轉(zhuǎn)子齒為 0 號(hào)齒 , 因?yàn)?B 相與 A 相相差 120176。，可知 120176。 /9176。 =13 3?9, 不為整數(shù) , 即此時(shí)轉(zhuǎn)子齒與 B 相不對(duì)齊 , 只是 13 號(hào)齒靠近相的中心 , 且相差 3176。如果此時(shí)突然變?yōu)?B 相通電 , 而 A、 C 相都不通電 , 那么 , 13 號(hào)齒會(huì)在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到與相 中心對(duì)齊的位置 , 這就是常說(shuō)的走一步 , 此時(shí) ,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了。這樣 , 按照 A 一 B 一 C 一 A 順序通電次 , 可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 9176。那么步進(jìn)電機(jī)的步距角 Q=(360/NZ)176。（式中 N=MC 為運(yùn)行拍數(shù)； M 為控制繞組相數(shù)； C 為狀態(tài)系數(shù) , 單三拍或雙三拍時(shí) C=1, 單六拍或雙六拍時(shí) C=2 為轉(zhuǎn)子齒數(shù)）。 4 2. 直流電機(jī)的原理 由直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由 定子和轉(zhuǎn)子 兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 和風(fēng)扇等組成。 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)：電機(jī)要實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量變換，電路和磁路之間必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以旋轉(zhuǎn)電機(jī)具備靜止的和旋轉(zhuǎn)的兩大部分。靜止和旋轉(zhuǎn)部分之間有一定大小的間隙，稱為氣隙。靜止的部分稱為定子，作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)和作為電機(jī)的機(jī)械支撐。包括主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋、軸承、電刷裝置等。旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子或電樞，作用是感應(yīng)電勢(shì)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。包括電樞鐵心，電 樞繞組，換向器、軸和風(fēng)扇等。 5 定子部分： 主磁極：也稱為主極。作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。 換向極：也稱為附加極或間極。作用是改善換向。裝在主極之間。 機(jī)座：由鑄鋼或厚鋼板焊成。是電機(jī)的機(jī)械支撐。 電刷裝置：將直流電壓、電流引入或引出的裝置。其組數(shù)與主極極數(shù)相等。 轉(zhuǎn)動(dòng)部分：（轉(zhuǎn)子部分） 電樞鐵心：主磁路的主要部分及嵌放電樞繞組，由硅鋼片迭壓而成。 電樞繞組：由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成。用來(lái)感應(yīng)電勢(shì)和通過(guò)電流，是電路的主要部分。 換向器：由許多彼此絕緣的換向片構(gòu)成。 2. 硬件系統(tǒng) 1. 原理流程 6 2. ULN2020 ULN 是集成達(dá)林頓管 IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列 16腳封裝 ,NPN 晶體管矩陣 ,最大驅(qū)動(dòng)電壓 =50V,電流 =500mA,輸入電壓 =5V,適用于 TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN 是集成達(dá)林頓管 IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管 ,它的輸出端允許通過(guò)電流為 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V 左右，耐壓 BVCEO 約為 36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直 接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2020時(shí)，上拉 2K 的電阻較為合適，同時(shí)， COM 引腳應(yīng)該懸空或接電源 。 ULN2020是一個(gè)非門電路，包含 7個(gè)單元，但獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá) 路， 9腳可以懸空。 比如 1腳輸入， 16腳輸出，你的負(fù)載接在 VCC 與 16腳之間，不用 9腳。 7 ULN2020的作用： ULN2020是大電流驅(qū)動(dòng)陣列 ,多用于單片機(jī)、智能儀表、 PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。 輸入 5VTTL 電平，輸出可達(dá) 500mA/50V。ULN2020 是 高 耐 壓 、 大 電 流 達(dá) 林 頓 陳 列 , 由 七 個(gè) 硅 NPN 達(dá) 林 頓 管 組 成 。 ULN2020的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 的基極電阻 ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和CMOS 電路 直接相連 ,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。 ULN2020 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品 ,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn) ,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。 ULN2020A 引腳圖及功能 : ULN2020 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。 經(jīng)常在以下電路中使用，作為顯示驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)、照明燈驅(qū)動(dòng)、電磁閥驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路中。 ULN2020 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 的基極電阻 ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理 8 的數(shù)據(jù)。 ULN2020 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。 ULN2020 的封裝采用 DIP—16 或SOP—16 。 ULN2020可以驅(qū)動(dòng) 7個(gè)繼電器 ,具有高電壓輸出特性，并帶有共陰極的續(xù)流二極管使器件可用于開(kāi)關(guān)型感性負(fù)載。每對(duì)達(dá)林頓管的額定集電極電流是 500mA，達(dá)林頓對(duì)管還可并聯(lián)使用以達(dá)到更高的輸出電流能力。 顯示電路主要包括大型 LED 數(shù)碼管 BSI201(共陽(yáng)極，數(shù)字凈高 12 cm)和高電壓大電流驅(qū)動(dòng)器 ULN2020，大型 LED 數(shù)碼 管的每段是由多個(gè) LED 發(fā)光二極管串并聯(lián)而成的，因此導(dǎo)通電流大、導(dǎo)通壓降高。 ULN2020是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，他具有 7個(gè)獨(dú)立的反相驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出灌電流可達(dá) 500 mA，導(dǎo)通時(shí)輸出電壓約 1 V，截止時(shí)輸出電壓可達(dá) 50 V。 ULN2020的 1～ 7腳為信號(hào)輸入腳，依次對(duì)應(yīng)的輸出端為 16～ 10腳， 8腳為接地端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源電壓為 +12 V 時(shí)，若要求數(shù)碼管每段導(dǎo)通電流為 40 mA，則每段的限流電阻為 50Ω。則一塊 ULN2020恰好驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED 數(shù)碼管的 7段。大數(shù)碼管采用共陽(yáng)極接法，低電平有效。鎖存 器輸出的電平經(jīng) NPN 三極管 9014反相后，再由 ULN2020放大后推動(dòng)大數(shù)碼管顯示 . 3. L298 L298是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是 15腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含 4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。 L298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用于連接標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平，驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載（諸如繼電器、線圈、 DC 和步進(jìn)電機(jī)）。 L298提供兩個(gè)使能輸入端，可以在不依賴于輸入信號(hào)的情況下，使能或禁用 L298器件。 L298低位晶體管的發(fā)射器連 接到一起，而其對(duì)應(yīng)的外部端口則可用來(lái)連接一個(gè)外部感應(yīng)電阻。 L298還提供一個(gè)額外的電壓輸入，所以其邏輯電路可以工作在更低的電壓下。 L298 特性 ： L298工作電壓高達(dá) 46V ； 總 DC 電流達(dá) 4A ； 低飽和電壓 ； L298具有過(guò)溫保護(hù)功能 ； 邏輯 “0”輸入電壓高達(dá) (高抗噪性 ) ； 4. 74HC573 SL74HC573 跟 LS/AL573 的管腳一樣。器件的輸入是和標(biāo)準(zhǔn) CMOS 輸出兼容的； 9 加上拉電阻，他們能和 LS/ALSTTL 輸出兼容。