【正文】 步進(jìn)電機(jī)電機(jī)不轉(zhuǎn)， 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 26 不顯示當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前行程值。 //顯示模式設(shè)置， 設(shè)置為 16*2 顯示， 5*7 點(diǎn)陣， 8 位數(shù)據(jù)口 write_(0x08)。 //顯示開不顯示光標(biāo)且光標(biāo)不閃爍 } 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 27 定時(shí)器 0 初始化程序 void init_time0() { TMOD=0x01。 //打開總中斷 ET0=1。按鍵子 程序流程圖如 所示。 void keyscan() { P3 = 0xff。 //延時(shí)消抖 while(!key2)。 //松手檢測 delay(5)。 //執(zhí)行正向啟動 } if(key3 == 0) //鍵 3 被按下 { delay(5)。 //延時(shí)消抖 while(!key2)。 Key2 為正向啟動按鍵， key3 為 停止按鍵，key4 為復(fù)位按鍵， key5 為正向減速按鍵， key6 為加速復(fù)位按鍵。 //啟動定時(shí)器工作 } 按鍵 子 程序 按鍵響應(yīng)子程序，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中按鍵的一端接地，另一端接單片機(jī)的對應(yīng)端口，所以當(dāng)按鍵按下，既是將單片機(jī)對應(yīng)端口電平拉低。 //裝入定時(shí)器初始值 55536 TL0=(6553610000)%256。 //顯示清屏 write_(0x06)。 程序入口LCD 1602 初始化定時(shí)器 T 0 中斷允許定時(shí)器 T 0 工作方式 1載入定時(shí)器初始值載入默認(rèn)工作參數(shù)返回 圖 系統(tǒng) 初始化流程圖 根據(jù)初始化流程圖編寫出系統(tǒng)初始化程序，下面對初始化程序進(jìn)行簡單說明 ， LCD1602 初始化程序。設(shè)計(jì)中采用了定時(shí)器 T0， 工作方式為方式 1 即 16 為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，裝入定時(shí)器的初始值為 55536也即計(jì)數(shù) 10000 次溢出。 D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3L C D 1L M 0 1 6 L 圖 系統(tǒng)啟動 顯示界面 其中 在 LCD1602 顯示界面 第一行 set 為所需要設(shè)置的行程值， now 為執(zhí)行完相應(yīng)按鍵子程序后顯示當(dāng)前已經(jīng)走的行程值， zt 為當(dāng)前的狀態(tài)，有設(shè)置（ sz）、正向啟動（ zx）、停止（ tz）、復(fù)位（ fw）、正向減速（ ja）、加速復(fù)位（ js）等六個(gè)表示狀態(tài)。 } } 系統(tǒng)上電完成后，對 LCD1602 初始化，定時(shí)器也進(jìn)行初始化，啟動顯示界面等待設(shè)置按鍵按下，進(jìn)行行程值的設(shè)定。 delay(100)。 //延時(shí) } write_(0x80 + 0x40)。 //LCD1602 顯示初始化 for(num1 = 0。本次設(shè)計(jì)中用 C 語言進(jìn)行軟件編程。 事實(shí)上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對于整體設(shè)計(jì)都是非常重要，單片機(jī) AT89S51 通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來，軟件設(shè)計(jì)的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。 本章就是通過對整個(gè)系統(tǒng)按照各個(gè)模塊分別講解來加深對整個(gè)系統(tǒng)的硬件部 分的理解。 獨(dú)立 按鍵 電路 的工作原理是按下按鍵之后就相當(dāng)于是把對應(yīng)的端口的電勢拉低。 獨(dú)立 按鍵電路如圖 所示。 表 LCD1602 顯示芯片各 引腳 引腳號 引腳名 電平 輸入 /輸出 作用 1 GND 電源地 2 VCC 電源（ +5V） 3 VO 對比調(diào)整電壓 4 RS 0/1 輸入 0=輸入指 令 1=輸入數(shù)據(jù) 5 R/W 0/1 輸入 0=向 LCD 寫入指令或數(shù)據(jù) 1=從 LCD 讀取信息 6 E 1,10 輸入 使能信號， 1 時(shí)讀取信息， 10（下降沿）執(zhí)行指令 7—14 DB0DB7 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line 8 BG VCC +VCC LCD 背光電源正極 9 BG GND 接地 LCD 背光電源負(fù)極 顯示電路中 1602 的 RS、 RW、 E 三個(gè)端口分別連接到了 AT89S51 的 端口用來控制向 1602 讀寫指令以及數(shù)據(jù)等信息， 數(shù)據(jù)端 DB0DB7 連接到單片基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 21 機(jī)的 ，用來輸入 /輸出數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中通過按鍵設(shè)置步進(jìn)電機(jī)要走的行程值，通過 LCD1602實(shí)時(shí)的顯示出來，顯示單位為 mm 級。 DDRAM 就是顯示數(shù)據(jù) RAM，用來寄存待顯示的字符代碼。 液晶 LCD1602 芯片引腳如圖 所示。這是 給步進(jìn)電機(jī)供電的，步進(jìn)電機(jī)工作電壓為 12V，在設(shè)計(jì)硬件電路中應(yīng)該再設(shè)計(jì)一個(gè)電源電路向步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī) 12V 電源電路如圖 所示。故需要在驅(qū)動電路中加上二極管保護(hù)電路，用來避免因步進(jìn)電機(jī)突然的正反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的感應(yīng)電流流入 L298N 芯片燒壞L298N，用于保護(hù)驅(qū)動電路的正常工作。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中 L297 芯片的 EN、 CW/CCW、 CLK、 HALF/FULL 引腳分別接到單片機(jī)的 四個(gè)并行 I/O 口上。 L297 與 L298N 配合使用控制雙極性步進(jìn)電機(jī)工作電流可大 。步進(jìn)電機(jī)外型 如圖 所示。 設(shè)計(jì)中把步進(jìn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線位移。此引腳輸入高電平時(shí)為半步方式 (四相八拍 )，低電平時(shí)為全步方式。當(dāng)改變此引腳的電平狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它為低電平時(shí)， INH INH A、B、 C、 D 都為低電平。此引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)，變換器恢復(fù)初始狀態(tài) (ABCD=0101)。 （ 3） 1 13 引腳為 A、 B、 C、 D 相繞組電流檢測電壓反饋輸入端 。 （ 2） 8 引腳控制 A 相和 B 相的驅(qū)動極。為了獲得電動機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過 2 個(gè) PWM 斬波器控制電動波器包含有一個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)外部檢測電阻，晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。L297 芯片引腳如圖 所示。 L298N 芯片引腳如圖 所示。該芯片采用 15腳封裝。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 所示。 圖 整體框圖 單 片 機(jī) 電源電路 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 顯示電路 鍵盤電路 驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī) 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 14 第三章 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為基于單片機(jī)設(shè)計(jì)所必須的，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。方案三中選用了 L297 硬件集成環(huán)形分配器，可以產(chǎn)生四相驅(qū)動信號控制步進(jìn)電機(jī)。這樣更加方便直觀。能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。 LCD1602 可以顯示更多的內(nèi)容，而且比較直觀。外部的按鍵可以控制步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)的改變，并通過數(shù)碼管顯示出來。 （ 1） 方案一： 單片機(jī)選擇 AT89S51 型單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī) 的驅(qū)動 選擇 L298N集成 驅(qū)動芯片， 顯示電路選擇七段數(shù)碼管，再輔以相應(yīng)的按鍵電路。 軟件環(huán)形分配器是通過單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器改變 CP 脈沖的頻率從而實(shí)現(xiàn)對步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。另 一種是通過 專用的驅(qū)動電路進(jìn)行驅(qū)動，由前面的介紹可知步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動。 步進(jìn)電機(jī)控制是一個(gè)比較精確的控制，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP脈沖的頻率或者換向周期實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。因?yàn)橐坏┴?fù)載短時(shí)超重而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步 ，則整個(gè)機(jī)電傳動系統(tǒng)的定給就會出錯(cuò)。 步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制 對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行微機(jī)定位控制，有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。 （ 2）定時(shí)器延時(shí)法：微機(jī)系統(tǒng)一般均帶有幾個(gè)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器。這樣周而復(fù)始，即可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)按照某一確定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用軟件按照電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)的要求，順序?qū)顟B(tài)表的內(nèi)容取出來送至 8051 的 P1 口。 在這種方法中，脈沖分配器的功能全部由軟件來完成。目前使用廣泛的是專用集成電路芯片環(huán)形分配器，如 CH250和 L297 等。硬件環(huán)形分配器可分為集成觸發(fā)器型、專用集成電路芯片型等。各相 驅(qū)動信號來源于環(huán)形分配器。由于雙極性橋式驅(qū)動電路較為復(fù)雜，所以過去僅用于大功率步進(jìn)電機(jī)。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 RS，消除了附加損耗。 在單電壓驅(qū)動電路情況下 ， 步進(jìn)電機(jī) 單步 相應(yīng)曲線如圖 所示。單電壓驅(qū)動是指電動機(jī)繞組在工作 時(shí)， 環(huán)形分配器 信號放大與處理級 推動級 驅(qū)動級 保護(hù)級 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 8 只用一個(gè)電壓電源對繞組供電，它的特點(diǎn)是電路最簡單。 單極性驅(qū)動電路包括有單電壓功率驅(qū)動電路、高低電壓功率驅(qū)動電路。保護(hù)級的作用是保護(hù)驅(qū)動級的安全。信號處理是 指實(shí)現(xiàn)信號的某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊 功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都取決于 CP 脈沖的有無或頻率。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路一般由環(huán)形分配器、信號放大與處理級、推動級、驅(qū)動級等各部分基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 7 組成， 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器還要有多種保護(hù)電路。使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，只需要將單路電脈沖信號先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C(jī)所需求的多路（單路）脈沖信號，再經(jīng)過功率放大后分別送入步進(jìn)電機(jī)各相繞組，即可使步進(jìn)電動機(jī)準(zhǔn)確運(yùn)行。每一個(gè)脈沖信號就可 使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度 .脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度 .當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度 (稱為 “步距角 ”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。而 0、 3 號齒和 A、B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 四相步進(jìn)電機(jī) 如圖 所示。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一個(gè)矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。 （ 4）此設(shè)計(jì)不僅需要對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需要有鍵盤以及相關(guān)的顯示電路，通過它們可以通過顯示器實(shí)時(shí)的觀察到步進(jìn)電機(jī)當(dāng) 前的運(yùn)行狀態(tài)，并可以實(shí)時(shí)地控制步進(jìn)電機(jī)。 （ 2） 步進(jìn)電機(jī)在正向前進(jìn)過程中可以隨時(shí)停止，停止時(shí)顯示出當(dāng)前行程值。 為了進(jìn)一步研究步進(jìn)電機(jī)的控制，對步進(jìn)電機(jī)控制原理以及驅(qū)動電路有更深的了解，通過單片機(jī)硬件與軟件的結(jié)合，提出設(shè)計(jì)一個(gè)簡單實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)控制器。 在人類社會進(jìn)入電氣化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動機(jī)已不能滿足工業(yè)自動化和辦公自動化等各種運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 4 第二章 方案設(shè)計(jì) 提出設(shè)計(jì)課題 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。細(xì)分驅(qū)動是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波 供電改為階梯波供電。由于電動機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計(jì)得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 3 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)，歷經(jīng)上世紀(jì)幾十年的發(fā)展，已成為相對成熟的技術(shù)．但隨著應(yīng)用范圍的推廣和新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī) 技術(shù)仍然在不斷發(fā)展完善中。 目前，對步進(jìn)電機(jī)在技術(shù)和生產(chǎn)應(yīng)用都已經(jīng)較為成熟。 步進(jìn)電機(jī)的需 求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色 。在近30 年間，步進(jìn)電動機(jī)技術(shù)迅速地發(fā)展并成熟起來。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。電機(jī)的應(yīng)用不僅在動力應(yīng)用反面不斷擴(kuò)大，而且在控制領(lǐng)域的使用范圍也在不斷擴(kuò)大。人們用它來驅(qū)動時(shí)鐘和其他采用指針的儀器，打印機(jī)、繪圖儀，磁盤光盤驅(qū)動器、各 種自動控制閥、各種工具，還有機(jī)器人等機(jī)械裝置。所以控制步進(jìn)脈 沖 信號的頻率，就可以對電機(jī)精確調(diào)速 ， 控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，就可以對電機(jī)精確定位。 LCD1602。 關(guān)鍵詞： AT89S51 單片機(jī)； L297； L298N；步進(jìn)電機(jī)； LCD1602；仿真 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) II The Design of Single Axis Stepper Motor Controller Based on AT89S51 MCU Abstract: This paper