【正文】 很大的提高。電機(jī) 仍舊 作為工業(yè)發(fā)展不可缺少的一大要素，扮演著重要的角色。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 2 第一章 設(shè)計(jì)背景 步進(jìn)電機(jī) 發(fā)展史 步進(jìn)電機(jī)最早是在 1920 年由英國人所開發(fā)。 20 世紀(jì) 60 年代后期，隨著永磁性材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場合步進(jìn)電機(jī)用得最多。 此時(shí) 我國在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研究方面生機(jī)勃勃 ， 這一階段是我國步進(jìn)電 機(jī)的研究和發(fā)展最為迅猛的階段。因此，開展混合式步進(jìn)電機(jī)的研究依然有其重要的意義。 （ 2） 改圓形電動(dòng)機(jī)為方形電動(dòng)機(jī)。 （ 5） 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用。 如果 將各種數(shù)控加工設(shè)備通過總線聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成 DNC 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集成化控制和管理，是 步進(jìn)電機(jī)很有前途的發(fā)展方向之一。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床 、 繪圖儀 、 打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)在 前進(jìn)過程中已走的行程數(shù)值和前進(jìn)的狀態(tài)也需通過顯示電路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。 （ 3）前進(jìn)后退是步進(jìn)電機(jī)控制器所必須具備的基 本功能，設(shè)計(jì)中增加步進(jìn)電機(jī)加減速前進(jìn)以及復(fù)位功能，在步進(jìn)電機(jī) 啟動(dòng)前進(jìn)、復(fù)位時(shí)和行進(jìn)過程中都可以加速復(fù)位以及減速前進(jìn)，并到達(dá)指定位置。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 5 步進(jìn)電機(jī) 工作 的 原理 步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。根據(jù)脈沖的分配方式，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)。當(dāng)開關(guān) SC接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。 脈沖A 相B 相C 相D 相 a 單四拍 b 雙四拍 c 八拍 圖 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序圖 通過對步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號進(jìn)行控制，改變其頻率以及個(gè)數(shù)。 步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)主要是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 由于微機(jī)控制系統(tǒng)的輸出脈沖電流往往都是 毫安級的，而步進(jìn)電機(jī)的電子繞組需要很大的電流步進(jìn)電機(jī)控制脈沖電流才可以驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)不能直接接到直流電源或者微機(jī)上工作，必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。每來一個(gè) CP 脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。信號放大的作用是將環(huán)分輸出信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動(dòng)級，這中間一般既需電壓放大，也需電流放大。 有時(shí)，推動(dòng)級還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。 驅(qū)動(dòng)級 直接與步進(jìn)電機(jī)各相繞組連接，它接受來自推動(dòng)級的信號，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通與截止，同時(shí)也繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)級常見的驅(qū)動(dòng) 方式有單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)等。 （ 1）單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路：對于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，繞組電流只要求向一個(gè)方 流動(dòng)，因此其驅(qū)動(dòng)電路采用單極性驅(qū)動(dòng)。 RS 還能緩解電動(dòng)機(jī)的低頻共振現(xiàn)象。 （ 2）高低壓 功率 驅(qū)動(dòng)電路 ： 高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓 Uh 供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓 Ul 來維持繞組的電流。 VDVDVTHUhUlVTlA+ Uh+ Ul 圖 高低壓功率驅(qū)動(dòng)電 路 （ 3）雙極性驅(qū)動(dòng)電路：永磁式或混合式步進(jìn)電機(jī)，由于 工作時(shí)要求定子磁極的極性交變，所以通常要求其繞組由雙極性驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，即繞組電流能正、反向流動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速 要使步進(jìn)電機(jī)正常工作，必須按照該種電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和順序一次對各相進(jìn)行通電或斷電控制。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種形式。 （ 1）專用集成電路芯片型環(huán)形分 配器：集成觸發(fā)器型環(huán)形分配器的硬件電路復(fù)雜，使用較少。 CH 250ABCV111213814 15616JalJbl JarJbrCLRRVVDD E1097121+ 12 V走步脈沖方向信號 圖 CH250 （ 2）軟件環(huán)形分配器：出了采用硬件環(huán)形分配器外，在微機(jī)系統(tǒng)資源及任務(wù)允許的情況下，還可以采用軟件環(huán)形分配器脈沖的方法。 圖 軟件環(huán)形分配器 采用這種純軟件方法，需要在微機(jī)的程序存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)存儲(chǔ)空間以存放這 6 種狀態(tài)，形成一張狀態(tài)表。 （ 1）軟件延時(shí)法：這種方法是在每次換相之后，調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換相。缺點(diǎn)是占用 CPU 時(shí)間太多，不能在運(yùn)行中處 理其他的工作，顯然，這種方法雖然簡單，但也只能在較的控制過程中采用。當(dāng)然，對于高精度要求的轉(zhuǎn)速控制場合，只考慮定時(shí)器的定時(shí) 值是不夠的，還要考慮諸如加載定時(shí)器、開關(guān)定時(shí)器、中斷響應(yīng)等待時(shí)間、中斷響應(yīng)進(jìn)出時(shí)間等對轉(zhuǎn)速的影響，從而對定時(shí)器的定時(shí)值進(jìn)行合理的修正。這就是說，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)載不能太重。 步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)主要在于步進(jìn)電機(jī)微機(jī) 功率驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 工作臺(tái) 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 12 驅(qū)動(dòng)電路以及調(diào)速的設(shè)計(jì)，輔以相關(guān)的按鍵和顯示電路。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過 CPU 直接來驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不宜采用，因?yàn)?CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩種形式。簡述三種設(shè)計(jì)方案并從中選擇出適合的方案，再進(jìn)行硬件以及軟件的設(shè)計(jì)。通過改變控制系統(tǒng)發(fā)出CP 脈沖的頻率或者換相的周期就可以改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的速度。 LCD1602 是指顯示的內(nèi)容為 16*2,即可以顯示兩行，每行16 個(gè)字符液晶模塊 ?？捎糜谖C(jī)控制的兩相雙極和四相單極步進(jìn)電機(jī)。 由于設(shè)計(jì)是針對步進(jìn)電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)，在顯示電路實(shí)時(shí)顯示的是步進(jìn)電機(jī)所走的直線位移，即把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 通過計(jì)算轉(zhuǎn)變成直線位移量進(jìn)行顯示。方案二選用了 LCD1602 液晶顯示，可是顯示較多的內(nèi)容，比較直觀，但是仍舊是軟件環(huán)形分配器的形式。 根據(jù)設(shè)計(jì)方案畫出整體設(shè)計(jì)的框圖 ，整體框圖 如圖 所示。在最小系統(tǒng)中 EA/VPP 引腳接高電平， CPU 訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器的指令。 L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。使用 L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī) 。 L297 是意大利 SGS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生 4 相控制信號， 內(nèi)部集成電路采用模擬 /數(shù)字兼容的 I2L 技術(shù)，使用 5V的電源電壓。由變換器產(chǎn)生 4 個(gè)輸出信號送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。 對 L297 多使用到的各個(gè)引腳功能進(jìn)行說明： （ 1） 4 、 9 引腳為四相驅(qū)動(dòng)輸出信號。 C 相、 D 相繞組電流檢測電壓反饋輸入端。 （ 4） 20 引腳為復(fù)位輸入端。 （ 6） 10 引腳為 L297 的使能輸入端。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向由繞組的連接方法決定。 （ 9） 19 引腳為半步、全步方式 選擇端。整步運(yùn)行時(shí)步距角為 度，半步運(yùn)行 時(shí)步距角為 度。這樣給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)信號脈沖步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過 度，轉(zhuǎn)動(dòng)一周即 360 度需要 400 個(gè)脈沖，通過計(jì)算則位移 1mm 則需要 20 個(gè)脈沖值 。 L297 加 L298N 驅(qū)動(dòng)器組成的步進(jìn)電機(jī)控制器電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高，體積小，軟件開發(fā)簡單，并且單片機(jī)硬件費(fèi)用大大減少。因此可以減輕單片機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。由于步進(jìn)電機(jī)需要在正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢因此會(huì)產(chǎn)較大的感應(yīng)電流。 MU3Motor step+12VEN A6EN B11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15VS4VSS9GND8U2L298NCLK18CTL11CW/CCW17EN10HALF/FULL19SEN213SEN114VREF15RST20A4B6C7D9SYNC1INH15INH28HOME3OSC16VS12GND2U1L297R3R5C622KR1GNDVCCVCCR21KR4GNDD21N4007D31N4007D61N4007D91N4007D41N4007D51N4007D71N4007D81N4007 圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 19 由 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖可知 L298N 芯片 VS 引腳接的為 12V 電壓。 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。 LCD1602 原理是基于 HD44780液晶芯片的， HD44780 內(nèi)置了 DDRAM、 CGROM 和 CGRAM。依據(jù)設(shè)計(jì)方案中所提出的把步進(jìn)電機(jī)所走的角位移轉(zhuǎn)換成直線 位移進(jìn)行顯示。 其中 LCD1602 顯示芯片 各引腳如表 所示。 1KR8VCCGNDVCCGNDGND1VCC2VO3RS4RW5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714BG VCC15BG GND16LCD1液晶 —LCD1602 圖 LCD1602 顯示電路 獨(dú)立 按鍵 電路 通過設(shè)計(jì)的鍵盤電路實(shí)現(xiàn)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)所要走的行程值，控制步進(jìn)電機(jī)正向啟動(dòng)、停止、繼續(xù)啟動(dòng)、停止、以及加減速啟動(dòng)復(fù)位等功能。 Key5key6 兩個(gè)按鍵分別連接到 AT89S51 的 口， key5 為正向減速轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)前進(jìn)時(shí)考慮到不需要太高的速度故設(shè)置此鍵， key6 為加速復(fù)位按鍵，考慮到復(fù)位時(shí)可以有較高的速度故可以加 速復(fù)位。這些在軟件編設(shè)計(jì)部分都會(huì)有說明。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 23 第四 章 軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序 、系統(tǒng)初始化子程序 、按鍵響應(yīng)子程序 、LCD1602 顯示子程序四個(gè)部分。 開始系統(tǒng)初始化子程序是否設(shè)置行程值是否正向啟動(dòng)相應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)是否有鍵按下相應(yīng)按鍵子程序相應(yīng)顯示子程序返回NNNYYY 圖 系統(tǒng) 主程序流程圖 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 24 主程序?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)程序的開始， 當(dāng)給系統(tǒng)供電以后，通過單片機(jī)復(fù)位電路對系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位系統(tǒng)經(jīng)過初始化以后，便開始執(zhí)行按鍵查詢 等待相應(yīng)的操作，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應(yīng)的子程序 執(zhí)行 。 init_lcd()。 delay(100)。 num2++) { write_data(table2[num2])。 //按鍵掃描程序 delay(5)。系統(tǒng)啟動(dòng)初始化程序后 LCD1602 顯示啟動(dòng)界面， 系統(tǒng) 啟動(dòng) 顯示界面如圖 所示。其中比較主要的是對定時(shí)器的設(shè)定，在設(shè)計(jì)中需要實(shí)時(shí)的顯示出當(dāng)前的行程值，這就需要設(shè)定定時(shí)器的中斷時(shí)間，每次中斷時(shí)間溢出后將當(dāng)前已經(jīng)走的行程值通過調(diào)用顯示子程序顯示出來。系統(tǒng)初始化流程圖如圖 所示。 //顯示關(guān)閉 write_(0x01)。 //定義定時(shí)器 0 的工作方式，為方式 1 TH0=(6553610000)/256。 //打開定時(shí)器 0 中斷 TR0=1。 程序入口判斷按鍵是否按下去抖動(dòng)再次判斷是否按下執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作返回 圖 按鍵 子程序流程圖 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 28 根據(jù)子程序流程圖編寫出子程序，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，按鍵子程序響應(yīng)，在程序中用到延時(shí)消抖判斷按鍵是否按下。 if(key2 == 0) //正向啟動(dòng)鍵按下 { delay(5)。 //松手檢測 step_go()。 //延時(shí)消抖 wh