【文章內(nèi)容簡介】 C相繞組的磁極對齊。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。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、 B、 C、 D方向轉(zhuǎn)動。 四相步進電機按照通電順序的不 同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。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。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 中 a、 b、 c所示。 圖 5 步進電機工作時序波形 本設計中步進電機的參數(shù)： 模組配備的步進電機為 25BY2406電機，工作方式為雙極性四相。電機是種將電脈沖 轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進電機接收到一個脈沖信號，它就按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱 為“步距角” )?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。 市面上一般的步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 6 步進電機的接線 本設計采用的步進電機是 25BY2406，因生產(chǎn)廠家不同，其接線也有所不同。 電機共引出四根線，其余兩根線是公共端，經(jīng)測量后可得到其正確的接線順序，表。 表 1 步進電機控制線 控制線顏色 黑 橙 棕 黃 控制線名稱 A B C D 其中， C 與 D是電機內(nèi)部一組線圈的兩個抽頭， A與 B是另 一組線圈的兩個抽頭。只需以一定的順序控制兩組線圈中的電流方向即可使步進電機按指定方向轉(zhuǎn)動。 25BY2406 的主要技術(shù)參數(shù)如下表 所示。 表 2 步進電機 25BYJ1201技術(shù)參數(shù) 電壓 相電阻 步距角 啟動轉(zhuǎn)矩（ ） 啟動頻率（ ） 定位轉(zhuǎn)矩（ ） 5~12V 20Ω 15 ≥ 120 ≥ 200 ≥ 48 AT89C51 單片機芯片介紹 本設計采用 AT89C51 單片機作為控制系統(tǒng)的核心。 AT89C51 單片機組成結(jié)構(gòu)中包含運算器、控制器、片內(nèi)存儲器、 4個 I/O 口、串行口、定時 器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。 采用 HMOS 制造工藝的 MCS51 單片機都采用 40 管腳雙列直插式封裝，除采用 40 腳雙列式直插式封裝外，還有用方形的封裝方式。 40 管腳雙列直插式封裝管腳圖如 圖所示。 圖 7 MCS51 系列單片機管腳圖 ULN2020 芯片介紹 ULN2020 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅 NPN 達林頓管組成的驅(qū)動芯片，如圖 所示。經(jīng)常在以下電路中使用，作為：顯示驅(qū)動、繼電器驅(qū)動、照明燈驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、伺服電機、步進電機驅(qū)動等電路中。 圖 8 ULN2020 芯 片圖 LED 七段數(shù)碼管介紹 本設計采用六位 LED 共陰數(shù)碼顯示管作為顯示部分，即將每個數(shù)碼管的 a～ g及 dp端串聯(lián)在一起，公共端作為位選信號輸入端。如圖 所示。 圖 9 六位 LED 共陰數(shù)碼顯示管圖 步進電機控制及驅(qū)動系統(tǒng)電路設計實現(xiàn) 硬件設計 根據(jù)之前確定方案及各元器件的功能原理步進電機控制及驅(qū)動系統(tǒng)的詳細電路設計如下： （ 1）控制模塊 采用 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機作為系統(tǒng)控制的核心，如圖 所示。 圖 10 控制模塊硬件電路圖 脈沖信號由 單片機 產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為 左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。信號分配實際上就是按照某一種控制方式（根據(jù)需要進行選定）所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達到控制步進電機方向的目的。 根據(jù)要求，所設計的步進電機八拍通電順序為 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A。 步進電機的方向控制方法是： 用單片機輸出接口的每一位控制一根相繞組。本設計中，用 ， ， ,分別接至步進電機的 A， B， C,D 四相繞 組。 （ 2） 驅(qū)動模塊 直接采用 ULN2020 芯片，如圖 所示。由單片機產(chǎn)生的脈沖序列和方向控制信號從 ～ 口輸出，直接送入 ULN2020 芯片進行功率放大，達到步進電機所需的驅(qū)動電流和電壓，以此驅(qū)動步進電機工作。 圖 11 驅(qū)動模塊硬件電路圖 （ 3）顯示模塊 采用六位 LED 七段共陰數(shù)碼管進行動態(tài)顯示，如圖 所示。由AT89C51 單片機產(chǎn)生的段選信號從 P0輸出，經(jīng)過 1K左右的上拉排阻驅(qū)動數(shù)碼管顯示，位選信號從 P2 口輸出直接送數(shù)碼管顯示。 采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，硬件電路簡單、編程簡便、 顯 示信息清晰。 圖 12 顯示模塊硬件電路圖 （ 4） 人機交互模塊 采用獨立式按鍵，中斷工作方式。 總共設置了 15 個按鍵，如圖 所示，其中四個控制按鍵分別執(zhí)行對步進電機的啟動 /停止、正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)、加速、減速四種控制功能，由單片機的 ～ 口輸入。四個按鍵不可同時按下，當其中一個按下時控制電機的某一種狀態(tài)。按鍵 0～ 9 完成預置步進電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)的功能，剩余一個按鍵實現(xiàn)清零的功能，由單片機的 P1 口輸入。 采用獨立式按鍵，原理易懂，軟件編序簡單。 圖 13 人機交互模塊硬件電路圖 （ 5）步進電機部分， 該 設計中所用到的步進電機為四相六線步進電機， 圖 14 步進電機部分硬件電路圖 軟件設計 綜合以上選取的方案，總的流程如圖 所示 。 整個程序采用 C 語言編程，使程序簡單易讀，在整個過程中采用模塊化調(diào)試，可靠性好。 詳細的源程序見附錄。 圖 15 系統(tǒng)程序流程圖 3 電路調(diào)試 以上為本作品的設計過程和結(jié)果的詳細介紹，但是，從本質(zhì)上來講，都是純理論的設計和分析。為了驗證作品的可行性，我還做了硬件電路，來對設計作品中設計方案的主要功能及其理論進行實際驗證 。同時，在軟硬件電路的調(diào)試過程，也可以發(fā)現(xiàn)本設計作品中有沒有一些不足和錯誤的地方。為了能檢驗本畢業(yè)設計的可行性，并將其質(zhì)量推向一個更高的層次， 我們 認真地設計了硬件電路，也進行了仔細的功能調(diào)試。 軟件的仿真 系統(tǒng)電路軟件仿真的步驟如下： （ 1）打開 protuse 仿真軟件； （ 2）在軟件的元器件庫中選擇所需的器件； （ 3）按照硬件電路設計方案連線； （ 4）加載編譯好的 HEX 文件； （ 5）運行、調(diào)試； （ 6）如有錯誤或與設計預期不相符，則繼續(xù)進行步驟 3～ 5，進行調(diào)試，至到調(diào)試成功。 系統(tǒng)仿真如圖 所示。 圖 16 系統(tǒng)仿真軟件圖 硬件電路的調(diào)試 當硬件設計從布線到安裝完成之后，就開始進入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體分為以下幾步。 （ 1）排除邏輯故障 （ 2）排除電源故障 （ 3）排除元器件失效 （ 4） 脫機調(diào)試 （ 5）接入單片機調(diào)試 硬件電路調(diào)試如圖 所示。 圖 17 硬件電路調(diào)試圖 4 數(shù)據(jù)分析及 總結(jié) 測試數(shù)據(jù)及說明 圈數(shù)測試：在步進電機的機殼上做一個標記，從該標記處讓步進電機開始運行，對步進電機的運行圈數(shù)進行記數(shù)，記數(shù)結(jié)果與預定 值及顯示值進行比較。 預設時，第一位置 0，不分正反轉(zhuǎn)。因為設計時，步進電機的步距角以 15度為準