【正文】 //松手檢測 step_go()。 程序入口判斷按鍵是否按下去抖動再次判斷是否按下執(zhí)行相應動作返回 圖 按鍵 子程序流程圖 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 28 根據子程序流程圖編寫出子程序，當有按鍵按下時，按鍵子程序響應，在程序中用到延時消抖判斷按鍵是否按下。 //定義定時器 0 的工作方式，為方式 1 TH0=(6553610000)/256。系統(tǒng)初始化流程圖如圖 所示。系統(tǒng)啟動初始化程序后 LCD1602 顯示啟動界面， 系統(tǒng) 啟動 顯示界面如圖 所示。 num2++) { write_data(table2[num2])。 init_lcd()。 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 23 第四 章 軟件設計 本系統(tǒng)的軟件設計主要分為主程序 、系統(tǒng)初始化子程序 、按鍵響應子程序 、LCD1602 顯示子程序四個部分。 Key5key6 兩個按鍵分別連接到 AT89S51 的 口， key5 為正向減速轉動，因為步進電機前進時考慮到不需要太高的速度故設置此鍵， key6 為加速復位按鍵，考慮到復位時可以有較高的速度故可以加 速復位。 其中 LCD1602 顯示芯片 各引腳如表 所示。 LCD1602 原理是基于 HD44780液晶芯片的， HD44780 內置了 DDRAM、 CGROM 和 CGRAM。 MU3Motor step+12VEN A6EN B11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15VS4VSS9GND8U2L298NCLK18CTL11CW/CCW17EN10HALF/FULL19SEN213SEN114VREF15RST20A4B6C7D9SYNC1INH15INH28HOME3OSC16VS12GND2U1L297R3R5C622KR1GNDVCCVCCR21KR4GNDD21N4007D31N4007D61N4007D91N4007D41N4007D51N4007D71N4007D81N4007 圖 步進電機驅動電路 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 19 由 步進電機驅動電路 圖可知 L298N 芯片 VS 引腳接的為 12V 電壓。因此可以減輕單片機和程序設計的負擔。這樣給步進電機一個信號脈沖步進電機就轉過 度，轉動一周即 360 度需要 400 個脈沖，通過計算則位移 1mm 則需要 20 個脈沖值 。 （ 9） 19 引腳為半步、全步方式 選擇端。 （ 6） 10 引腳為 L297 的使能輸入端。 C 相、 D 相繞組電流檢測電壓反饋輸入端。由變換器產生 4 個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。使用 L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機 。在最小系統(tǒng)中 EA/VPP 引腳接高電平， CPU 訪問內部存儲器的指令。方案二選用了 LCD1602 液晶顯示，可是顯示較多的內容，比較直觀，但是仍舊是軟件環(huán)形分配器的形式?？捎糜谖C控制的兩相雙極和四相單極步進電機。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電機運行的速度。 步進電機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。 步進電機控制器設計主要在于步進電機微機 功率驅動器 步進電機 工作臺 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 12 驅動電路以及調速的設計，輔以相關的按鍵和顯示電路。當然，對于高精度要求的轉速控制場合，只考慮定時器的定時 值是不夠的，還要考慮諸如加載定時器、開關定時器、中斷響應等待時間、中斷響應進出時間等對轉速的影響，從而對定時器的定時值進行合理的修正。 （ 1）軟件延時法：這種方法是在每次換相之后，調用一個延時子程序，延時結束后再次執(zhí)行換相。 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，在微機系統(tǒng)資源及任務允許的情況下，還可以采用軟件環(huán)形分配器脈沖的方法。 步進電機驅動電源的環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種形式。 VDVDVTHUhUlVTlA+ Uh+ Ul 圖 高低壓功率驅動電 路 （ 3）雙極性驅動電路：永磁式或混合式步進電機，由于 工作時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動電路驅動，即繞組電流能正、反向流動。 RS 還能緩解電動機的低頻共振現(xiàn)象。 驅動級 直接與步進電機各相繞組連接，它接受來自推動級的信號，控制電動機各相繞組的導通與截止，同時也繞組承受的電壓和電流進行控制驅動級常見的驅動 方式有單極性驅動和雙極性驅動等。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級，這中間一般既需電壓放大，也需電流放大。 由于微機控制系統(tǒng)的輸出脈沖電流往往都是 毫安級的，而步進電機的電子繞組需要很大的電流步進電機控制脈沖電流才可以驅動其旋轉，所以步進電機不能直接接到直流電源或者微機上工作，必須使用專用的步進電機驅動電路來進行驅動。 脈沖A 相B 相C 相D 相 a 單四拍 b 雙四拍 c 八拍 圖 步進電機工作時序圖 通過對步進電機的脈沖信號進行控制，改變其頻率以及個數。當開關 SC接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 5 步進電機 工作 的 原理 步進電機在結構上是由定子和轉子組成，可以對旋轉角度和轉動速度進行高精度控制。步進電機在 前進過程中已走的行程數值和前進的狀態(tài)也需通過顯示電路實時動態(tài)顯示。步進電機還具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數控機床 、 繪圖儀 、 打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。 （ 5） 步進電機細分驅動技術的應用。因此，開展混合式步進電機的研究依然有其重要的意義。在生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 2 第一章 設計背景 步進電機 發(fā)展史 步進電機最早是在 1920 年由英國人所開發(fā)。隨著單片機技術的不斷發(fā)展，單片 機在日用電子產品中的應用越來 越廣泛， 六十年代初期以來，步進電機的應用得到很大的提高。 stepping motor。這一現(xiàn)行關系的存在加上步進電機只有周期性 的誤差而無積累等特點，使得在速度、 位置等控制領域 得到了廣泛 應用 。本 設計中采用 AT89S51 型單片機、 L297 步進電機專用控制器以及 L298N 驅動芯片組成步進電機控制電路 實現(xiàn)對步進電機的 控制。 LCD1602。人們用它來驅動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、繪圖儀，磁盤光盤驅動器、各 種自動控制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，這對于數字化的控制變得更為容易。 步進電機的需 求量與日俱增，在各個國民經濟領域中扮演著越來越重要的角色 。 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，歷經上世紀幾十年的發(fā)展，已成為相對成熟的技術．但隨著應用范圍的推廣和新工藝、新技術的不斷出現(xiàn)，步進電機 技術仍然在不斷發(fā)展完善中。細分驅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。 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。 （ 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。當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一個矢量磁場，該矢量場會帶動轉子旋轉一個角度，使得轉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一個角度。而 0、 3 號齒和 A、B 相繞組產生錯齒， 5 號齒就和 A、 D 相繞組磁極產生錯齒。每一個脈沖信號就可 使步進電機旋轉一個固定的角度 .脈沖的數量決定了旋轉的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機運轉的速度 .當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度 (稱為 “步距角 ”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。步進電機驅動電路一般由環(huán)形分配器、信號放大與處理級、推動級、驅動級等各部分基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 7 組成， 步進電機的驅動器還要有多種保護電路。信號處理是 指實現(xiàn)信號的某些轉換、合成等功能，產生斬波、抑制等特殊 功能的信號，從而產生特殊功能的驅動。 單極性驅動電路包括有單電壓功率驅動電路、高低電壓功率驅動電路。 在單電壓驅動電路情況下 ， 步進電機 單步 相應曲線如圖 所示。由于雙極性橋式驅動電路較為復雜，所以過去僅用于大功率步進電機。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。 在這種方法中，脈沖分配器的功能全部由軟件來完成。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速運轉。 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。 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。 軟件環(huán)形分配器是通過單片機內部的定時器改變 CP 脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步 進電機的轉速控制，實現(xiàn)調速、快速起停、正反轉控制等。外部的按鍵可以控制步進電機狀態(tài)的改變，并通過數碼管顯示出來。能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。方案三中選用了 L297 硬件集成環(huán)形分配器，可以產生四相驅動信號控制步進電機。單片機最小系統(tǒng)如圖 所示。 L298N 芯片引腳如圖 所示。為了獲得電動機良好的速度和轉矩特性，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，晶片內部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。 （ 3） 1 13 引腳為 A、 B、 C、 D 相繞組電流檢測電壓反饋輸入端 。當它為低電平時， INH INH A、B、 C、 D 都為低電平。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。步進電機外型 如圖 所示。 步進電機驅動電路中 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。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。 DDRAM 就是顯示數據 RAM，用來寄存待顯示的字符代碼。 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 對比調整電壓 4 RS 0/1 輸入 0=輸入指 令 1=輸入數據 5 R/W 0/1 輸入 0=向 LCD 寫入指令或數據 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 數據總線 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 讀寫指令以及數據等信息， 數據端 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 /輸出數據。 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。 事實上每一部分都是緊密相關的，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)的運行質量。