【正文】 步進電機電機不轉(zhuǎn)， 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 26 不顯示當前狀態(tài)和當前行程值。 //顯示模式設置， 設置為 16*2 顯示， 5*7 點陣， 8 位數(shù)據(jù)口 write_(0x08)。 //顯示開不顯示光標且光標不閃爍 } 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 27 定時器 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)。 //延時消抖 while(!key2)。 Key2 為正向啟動按鍵， key3 為 停止按鍵，key4 為復位按鍵， key5 為正向減速按鍵， key6 為加速復位按鍵。 //啟動定時器工作 } 按鍵 子 程序 按鍵響應子程序，在本設計當中按鍵的一端接地，另一端接單片機的對應端口，所以當按鍵按下，既是將單片機對應端口電平拉低。 //裝入定時器初始值 55536 TL0=(6553610000)%256。 //顯示清屏 write_(0x06)。 程序入口LCD 1602 初始化定時器 T 0 中斷允許定時器 T 0 工作方式 1載入定時器初始值載入默認工作參數(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行簡單說明 ， LCD1602 初始化程序。設計中采用了定時器 T0， 工作方式為方式 1 即 16 為定時器 /計數(shù)器，裝入定時器的初始值為 55536也即計數(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 為所需要設置的行程值， now 為執(zhí)行完相應按鍵子程序后顯示當前已經(jīng)走的行程值， zt 為當前的狀態(tài)，有設置（ sz）、正向啟動（ zx）、停止（ tz）、復位（ fw）、正向減速（ ja）、加速復位（ js）等六個表示狀態(tài)。 } } 系統(tǒng)上電完成后，對 LCD1602 初始化，定時器也進行初始化，啟動顯示界面等待設置按鍵按下，進行行程值的設定。 delay(100)。 //延時 } write_(0x80 + 0x40)。 //LCD1602 顯示初始化 for(num1 = 0。本次設計中用 C 語言進行軟件編程。 事實上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個功能模塊對于整體設計都是非常重要，單片機 AT89S51 通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運行起來，軟件設計的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運行質(zhì)量。 本章就是通過對整個系統(tǒng)按照各個模塊分別講解來加深對整個系統(tǒng)的硬件部 分的理解。 獨立 按鍵 電路 的工作原理是按下按鍵之后就相當于是把對應的端口的電勢拉低。 獨立 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 背光電源負極 顯示電路中 1602 的 RS、 RW、 E 三個端口分別連接到了 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 單片機的單軸步進電機控制器設計 21 機的 ，用來輸入 /輸出數(shù)據(jù)。設計中通過按鍵設置步進電機要走的行程值，通過 LCD1602實時的顯示出來，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 給步進電機供電的，步進電機工作電壓為 12V，在設計硬件電路中應該再設計一個電源電路向步進電機供電，步進電機 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電路，用來避免因步進電機突然的正反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的感應電流流入 L298N 芯片燒壞L298N，用于保護驅(qū)動電路的正常工作。 步進電機驅(qū)動電路中 L297 芯片的 EN、 CW/CCW、 CLK、 HALF/FULL 引腳分別接到單片機的 四個并行 I/O 口上。 L297 與 L298N 配合使用控制雙極性步進電機工作電流可大 。步進電機外型 如圖 所示。 設計中把步進電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線位移。此引腳輸入高電平時為半步方式 (四相八拍 )，低電平時為全步方式。當改變此引腳的電平狀態(tài)時，步進電機反向旋轉(zhuǎn)。當它為低電平時， INH INH A、B、 C、 D 都為低電平。此引腳輸入負脈沖時，變換器恢復初始狀態(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。為了獲得電動機良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過 2 個 PWM 斬波器控制電動波器包含有一個比較器、一個觸發(fā)器和一個外部檢測電阻，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。單片機最小系統(tǒng)如圖 所示。 圖 整體框圖 單 片 機 電源電路 時鐘電路 復位電路 顯示電路 鍵盤電路 驅(qū)動電路 步進電機 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 14 第三章 硬件設計 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)作為基于單片機設計所必須的，也是整個控制系統(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)動信號控制步進電機。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電機。 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電機狀態(tài)的改變，并通過數(shù)碼管顯示出來。 （ 1） 方案一： 單片機選擇 AT89S51 型單片機，步進電機 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，再輔以相應的按鍵電路。 軟件環(huán)形分配器是通過單片機內(nèi)部的定時器改變 CP 脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步 進電機的轉(zhuǎn)速控制，實現(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)動電路進行驅(qū)動，由前面的介紹可知步進電機的驅(qū)動方式有單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動。 步進電機控制是一個比較精確的控制，步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。因為一旦負載短時超重而導致步進電機失步 ，則整個機電傳動系統(tǒng)的定給就會出錯。 步進電機的開環(huán)控制 對步進電機進行微機定位控制，有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。 （ 2）定時器延時法：微機系統(tǒng)一般均帶有幾個定時器、計數(shù)器。這樣周而復始，即可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖，從而控制步進電機按照某一確定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)的應用軟件按照電動機正、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)動電路較為復雜，所以過去僅用于大功率步進電機。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 ， 步進電機 單步 相應曲線如圖 所示。單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作 時， 環(huán)形分配器 信號放大與處理級 推動級 驅(qū)動級 保護級 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 8 只用一個電壓電源對繞組供電，它的特點是電路最簡單。 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。保護級的作用是保護驅(qū)動級的安全。信號處理是 指實現(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。因此步進電機轉(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。步進電機驅(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 單片機的單軸步進電機控制器設計 7 組成， 步進電機的驅(qū)動器還要有多種保護電路。使用步進電機時，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電機各相繞組，即可使步進電動機準確運行。每一個脈沖信號就可 使步進電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度 .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運轉(zhuǎn)的速度 .當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (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)生錯齒， 5 號齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 四相步進電機 如圖 所示。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一個矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個角度，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)一個角度。 （ 4）此設計不僅需要對步進電機驅(qū)動電路進行設計，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時的觀察到步進電機當 前的運行狀態(tài)，并可以實時地控制步進電機。 （ 2） 步進電機在正向前進過程中可以隨時停止，停止時顯示出當前行程值。 為了進一步研究步進電機的控制，對步進電機控制原理以及驅(qū)動電路有更深的了解，通過單片機硬件與軟件的結(jié)合，提出設計一個簡單實用的步進電機控制器。 在人類社會進入電氣化時代的今天，傳統(tǒng)電動機已不能滿足工業(yè)自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 4 第二章 方案設計 提出設計課題 步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。細分驅(qū)動是將電機繞組中的電流細分，由常規(guī)的矩形波 供電改為階梯波供電。由于電動機采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 3 步進電機的發(fā)展趨勢 步進電機技術(shù)，歷經(jīng)上世紀幾十年的發(fā)展，已成為相對成熟的技術(shù)．但隨著應用范圍的推廣和新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，步進電機 技術(shù)仍然在不斷發(fā)展完善中。 目前，對步進電機在技術(shù)和生產(chǎn)應用都已經(jīng)較為成熟。 步進電機的需 求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色 。在近30 年間，步進電動機技術(shù)迅速地發(fā)展并成熟起來。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。電機的應用不僅在動力應用反面不斷擴大，而且在控制領(lǐng)域的使用范圍也在不斷擴大。人們用它來驅(qū)動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、繪圖儀，磁盤光盤驅(qū)動器、各 種自動控制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。所以控制步進脈 沖 信號的頻率，就可以對電機精確調(diào)速 ， 控制步進脈沖的個數(shù)，就可以對電機精確定位。 LCD1602。 關(guān)鍵詞： AT89S51 單片機； L297； L298N；步進電機； LCD1602；仿真 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 II The Design of Single Axis Stepper Motor Controller Based on AT89S51 MCU Abstract: This paper