【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(yīng)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(shè)計 28 根據(jù)子程序流程圖編寫出子程序，當(dāng)有按鍵按下時，按鍵子程序響應(yīng)，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(shè)計 23 第四 章 軟件設(shè)計 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為主程序 、系統(tǒng)初始化子程序 、按鍵響應(yīng)子程序 、LCD1602 顯示子程序四個部分。 Key5key6 兩個按鍵分別連接到 AT89S51 的 口， key5 為正向減速轉(zhuǎn)動，因為步進電機前進時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)位時可以有較高的速度故可以加 速復(fù)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(nèi)置了 DDRAM、 CGROM 和 CGRAM。 MU3Motor step+12VEN A6EN B11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15VS4VSS9GND8U2L298NCLK18CTL11CW/CCW17EN10HALF/FULL19SEN213SEN114VREF15RST20A4B6C7D9SYNC1INH15INH28HOME3OSC16VS12GND2U1L297R3R5C622KR1GNDVCCVCCR21KR4GNDD21N4007D31N4007D61N4007D91N4007D41N4007D51N4007D71N4007D81N4007 圖 步進電機驅(qū)動電路 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 19 由 步進電機驅(qū)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(shè)計的負(fù)擔(dān)。這樣給步進電機一個信號脈沖步進電機就轉(zhuǎn)過 度，轉(zhuǎn)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(chǎn)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(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)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(nèi)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(nèi)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(shè)計主要在于步進電機微機 功率驅(qū)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(shè)計 12 驅(qū)動電路以及調(diào)速的設(shè)計，輔以相關(guān)的按鍵和顯示電路。當(dāng)然，對于高精度要求的轉(zhuǎn)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(guān)定時器、中斷響應(yīng)等待時間、中斷響應(yīng)進出時間等對轉(zhuǎn)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(diào)用一個延時子程序，延時結(jié)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(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。 步進電機驅(qū)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(qū)動電 路 （ 3）雙極性驅(qū)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(qū)動電路驅(qū)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(qū)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(dǎo)通與截止，同時也繞組承受的電壓和電流進行控制驅(qū)動級常見的驅(qū)動 方式有單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)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(qū)動其旋轉(zhuǎn)，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(qū)動電路來進行驅(qū)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(shù)。當(dāng)開關(guān) 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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(shè)計 5 步進電機 工作 的 原理 步進電機在結(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(shù)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(shù)控機床 、 繪圖儀 、 打印機以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。 （ 5） 步進電機細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)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(chǎn)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(shè)計 2 第一章 設(shè)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(shù)的不斷發(fā)展，單片 機在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來 越廣泛， 六十年代初期以來，步進電機的應(yīng)用得到很大的提高。 stepping motor。這一現(xiàn)行關(guān)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(lǐng)域 得到了廣泛 應(yīng)用 。本 設(shè)計中采用 AT89S51 型單片機、 L297 步進電機專用控制器以及 L298N 驅(qū)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(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。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，這對于數(shù)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(jīng)濟領(lǐng)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(shè)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(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)，步進電機 技術(shù)仍然在不斷發(fā)展完善中。細(xì)分驅(qū)動是將電機繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波 供電改為階梯波供電。 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(dāng)前行程值。當(dāng)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。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。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(dāng)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(shè)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。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(shè)計 7 組成， 步進電機的驅(qū)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(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。 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。 在單電壓驅(qū)動電路情況下 ， 步進電機 單步 相應(yīng)曲線如圖 所示。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(fù)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)。 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(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。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。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(chǎn)生四相驅(qū)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(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。 （ 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(dāng)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(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。這是 給步進電機供電的，步進電機工作電壓為 12V，在設(shè)計硬件電路中應(yīng)該再設(shè)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(shù)據(jù) 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(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(fù)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(shè)計 21 機的 ，用來輸入 /輸出數(shù)據(jù)。 獨立 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。 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(shè)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(shè)計的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運行質(zhì)量。