【正文】 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 機(jī) 來(lái)說(shuō)比較經(jīng)濟(jì)合算?；谖⑿蛦纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。此外，其還可以在很寬的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖輸出頻率來(lái)調(diào)速，能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種常用執(zhí)行元件。s precise cutting of up and down, front and back. Relevant numerical value typed by the keyboard in real time controls each stepper motor39。s design and software39。由鍵盤模塊實(shí)時(shí)鍵入相應(yīng)數(shù)值來(lái)控制三個(gè)坐標(biāo)軸上各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值、行進(jìn)距離以及運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò) LCD液晶顯示屏顯示各個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、行進(jìn)距離、行進(jìn)中的坐標(biāo)值實(shí)時(shí)變化 狀態(tài)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及電機(jī)運(yùn)行是否到位等信息。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 AT89S52 單片機(jī)的兩相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 20xx 年 6 月 13 日 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 I 頁(yè) 基于 AT89S52 單片機(jī)的兩相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 摘 要 本文應(yīng)用 AT89S52 單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 ULN20xxA、字符型 LCD 液晶顯示屏和鍵盤陣列 ，構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。為滿足實(shí)際運(yùn)用需要，本系統(tǒng)以 PC 機(jī)作為平臺(tái)， 基于 VB 語(yǔ)言設(shè)計(jì)完成了一個(gè)人機(jī)交互性強(qiáng)的界面的上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)由 RS232構(gòu)成的串口通信方式，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位 機(jī) 串口的雙向通信運(yùn)用。s design which are controlled by the stepper motor, therefore, it realizes the stepper motor39。s revolving speed value, travel distance and running state in three coordinate axises. Corresponding revolving speed and travel distance of each motor, coordinate figure39。其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。由于它不需要變換就能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計(jì)算機(jī)控制 [1] 。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。而在小功率的場(chǎng)合依舊廣泛使用步進(jìn)電機(jī)，比如一些工業(yè)器材工業(yè)生產(chǎn)裝備、包裝機(jī)、銀行自動(dòng)柜員機(jī)、打印機(jī)及速印機(jī)等等。 到了 19 世紀(jì) 50 年代后期晶體管的發(fā)明也開始逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電 機(jī)上，使得對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行數(shù)字化的控制變得更為容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)近八十年的發(fā)展，逐漸形成以混合式與磁阻式為主的產(chǎn)品格局。當(dāng)某一相繞組通電時(shí) 相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成 NS 極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。 本設(shè)計(jì)采用 AT89S52 單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及步進(jìn)量的控制。 本課題的研究目的之一就是設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，交互性強(qiáng)，可靠性高但控制精度應(yīng)用要求不是很高的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí) 現(xiàn)完成一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。開環(huán)控制時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，然而卻未能實(shí)現(xiàn)較高精度的細(xì)分。由此可見，這種方案的靈活性不高，且不利于對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)改進(jìn)。該控制系統(tǒng)采用 PLC 控制器來(lái)產(chǎn)生控制脈沖，主要是通過(guò) PLC 軟件編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制機(jī)械機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場(chǎng)一般都有很多種專用芯片可以選用。并且在速度較高時(shí)，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度 也 就 隨之 降低了。 此外， 由于單片機(jī) 具有的 強(qiáng)大功能 ， 因此 可 以 設(shè)計(jì)大量的外圍電路 ；設(shè)計(jì) 鍵盤作為一個(gè)外部 輸入模塊 ，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔 速、以及步進(jìn)量的輸入 、停止等功能，采用 鍵值處理子程序 和 設(shè)置定時(shí)中斷子程序 相結(jié)合的方法 ， 調(diào)用 并執(zhí)行系統(tǒng)要求完成的一系列動(dòng)作 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 的子 程序 ，進(jìn)而 完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制， 利用 LCD 顯示器及時(shí)顯示 步進(jìn)電機(jī) 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn) 、檔 速 和進(jìn)給量 等 電機(jī)運(yùn)行 狀態(tài)。 系統(tǒng)各部分組成及其功能簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)的 整個(gè)系統(tǒng)組成包括單片機(jī)最小系統(tǒng) 、步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 、基于 VB 的上位機(jī)監(jiān)控顯示模塊、 串口下載 通信 模塊 、 LGM12641BS1R 液晶 顯示 屏顯示 模塊 及 鍵 盤輸入控制 模塊等組成。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將單片機(jī)輸送給步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功 率放大，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。 基于 VB 的上位機(jī)監(jiān)控顯示模塊，它 主要是通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面向單片機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦的雙向即時(shí)通信，并且將控制指令 發(fā)送給單片機(jī)，單片 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 機(jī)接收到指令并調(diào)用處理電機(jī)運(yùn)行的相應(yīng)子程序；單片機(jī)將電機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)、步進(jìn)量等狀態(tài)反饋輸送給上位機(jī)，上位機(jī) 接收到后就即刻在顯示界面顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互性的目的，這樣也就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。片內(nèi)含 8KB 字節(jié)的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器。 表 采用 PDIP 封裝形式的 AT89S52 單片機(jī)各引腳及功能說(shuō)明 序號(hào) 引腳名稱 引腳序號(hào) 功能說(shuō)明 1 P0 口 32~39 8 位并 行雙向的 I/O 口，訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，可作為低 8 位地址線 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用 2 P1 口 1~8 用戶使用的通用 I/O 口，準(zhǔn)雙向 8 位，編程和校驗(yàn)時(shí)作為低 8位地址線， 和 引腳另有第二功能 3 P2 口 21~28 通用 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，可作為高 8 位地址線 4 P3 口 10~17 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，還提供了一些第二功能 5 EA /VPP 31 訪問(wèn)芯片內(nèi)部和芯片外部程序存儲(chǔ)器的選擇 信號(hào) 6 RST 9 復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效 7 ALE/ PROG 30 低 8 位地址鎖存信號(hào) /編程脈沖輸入 8 PSEN 29 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效 9 VCC 40 電源電壓的輸入引腳， ~ 10 XTAL2 XTAL1 18~19 芯片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸出端和輸入端 11 GND 20 電源接地 引腳 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) P0 口 39~32 引腳： P0 口是 8 位并行、雙向、漏極開路型輸出的 I/O 口，也即地址I/O 數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。該口作為通用 I/O 口使用時(shí)，需要外接上拉電阻。引腳 同時(shí)還是定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入，引腳 同時(shí)還是定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T2 捕獲 /重裝操作的控制信號(hào)。在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVXRi指令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū) P2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。將該口的各引腳置成 1 時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。 RST 復(fù)位端口 9 引腳：該引腳為復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)地址到外接地址鎖存器中，以實(shí)現(xiàn)低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)復(fù)用。該位置位后，只一條 M0VX 和 M0VC 指令 ALE 才會(huì)被激活。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒(méi)有兩次有效的 PSEN 信號(hào)。 VPP 為片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器的編程電壓。 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)： AT89S52 單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，各自又有芯片內(nèi)和擴(kuò)展部分，因此 AT89S52 單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)共分為 4 部分，即片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 晶體振蕩器特性： AT89S52 一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30pF177。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 則懸空。 編程方法： AT89S52 的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用 AT89S52 單片機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。 ? P2 口的全部端口主要用于負(fù)責(zé)處理輸出脈沖給控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 ULN20xxA 從而讓其工作。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，因此可以通過(guò)控制脈沖數(shù)來(lái)控制角位移，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分，電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式 (VR)、永磁式 (PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相、三相以及三相以上。但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差，噪聲和振動(dòng)都很大。或15176。由于永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻且振動(dòng)小。盡管步進(jìn)電機(jī)的種類繁多，但他們的工作原理和工作方式是基本一致且相通的 ，由于在本設(shè)計(jì)中采用的是混合型兩相步進(jìn)電機(jī)，因此在下面對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作原理闡述時(shí)，只介紹兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理，其余類型的電機(jī)就不一一闡述了。根據(jù)脈沖信號(hào)的 分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到與定子磁場(chǎng)對(duì)直。 圖 激勵(lì)線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng) 圖 中顯示的線圈得電順序通常被稱為 “單相激勵(lì) ”的步進(jìn)方式，而圖 所示的是 “雙相激勵(lì) ”，是一種電機(jī)運(yùn)行的步進(jìn)方式。 將兩相步進(jìn)電機(jī)的單相通電工作方式和兩相電機(jī)的雙相通電工作方式相互結(jié)合起來(lái)，可得到較為常用的一種步進(jìn)方式，即電機(jī)定子線圈在轉(zhuǎn)換通電順序之間插入一個(gè)線圈斷電狀態(tài)而走 “ 半步 ” ，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)步距角將一分為二，這種方式也稱之為單 —雙 八拍驅(qū)動(dòng)方式。在每交換半步的過(guò)程中，由于其中一個(gè)繞組沒(méi)有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。 ULN20xxA 簡(jiǎn)介 ULN20xxA 是美國(guó) Texas Instruments 公司開發(fā)的高壓大電流 達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品，它是一種高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，其內(nèi)部由七個(gè)硅 NPN 復(fù)合晶體管組成。由于ULN20xxA 是集電極開路輸出，為了讓這個(gè)二極管起到續(xù)流作用，必須將 COM 引腳（ pin9）接在負(fù)載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路。 ? 3 引腳：脈沖信號(hào)輸入端。 ? 7 引腳：脈沖信號(hào)輸入端。如果該腳接地 ,實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對(duì)地接通。 ? 13 引腳 ：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng) 4 引腳信號(hào)輸入端。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 如圖 所示，由于本設(shè)計(jì)是要控制三個(gè)兩相六線制步進(jìn)電機(jī)，而由于單片機(jī)的 I/O數(shù)是有限，因此為節(jié)省 I/O 資源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要是由三個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片 ULN20xxA 及三個(gè)緩沖器芯片 74LS244 等外圍電子元器件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，其中每一個(gè) 74LS244 的四個(gè)輸出口對(duì)應(yīng)接每一個(gè) ULN20xxA 的四個(gè) 脈沖信號(hào)輸入端口，而 ULN20xxA 的脈沖輸出口步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)接線端。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁(yè) 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 串口通信模塊與上位機(jī)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用串口通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信。 圖 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁(yè) LCD12864 字符型液晶屏簡(jiǎn)介 LCD12864 字符型液晶顯示屏一般分為兩種，帶字庫(kù)的和不帶字庫(kù)。由于液晶顯示屏是不帶字庫(kù)的，所以要想顯示中文漢字需借助于字模取模軟件。 圖 內(nèi)置 KS0108 控制器的 LGM12641BS1R 字符 型液晶顯示器 圖 中，圖形液晶顯示器共有 18 個(gè)引腳，其中 DB0~DB7 為 8 位并行數(shù)據(jù)總線，傳送數(shù)據(jù)信號(hào)及控制指令。 R/W、 DI 分別