【導讀】步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動，制動，正反轉和調速。具有步距角精度高，停止時能自鎖等特點，因此步進電機在自動?？刂葡到y(tǒng)中，特別是在開環(huán)的控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應用。硬件是以AT89C51單片機為核心的控制電路，主要包括：環(huán)形脈沖分配器、鍵盤顯示電路、步進電機的驅動電路等。軟件部分采用C語言編程，主要包括鍵盤顯示。程序、步進電機的調速程序、停止判斷程序等。

　　

【正文】 畢業(yè)論文） 26 圖 2716 管腳 排列 2716 管腳定義如下： A0— A10：地址線， 11 位 (對應 2K 存儲單元 )地址信號 輸入 引腳 ； O7— O0： 8 位雙向 數(shù)據(jù)線，編程時作數(shù)據(jù)輸入線，讀出時作數(shù)據(jù)輸出線； CE ：片選允許輸入 端 ， 低電平有效； OE ： 數(shù)據(jù)輸出 允許 控制信號引腳 ，低電平有效； Vpp： +25V 電源，用于專用裝置上進行寫操作 ； 表 2716 工作方式 引腳 方式 CE /PGN OE Vpp O7 — O0 讀出 低 低 +5V 程序讀出 未選中 高 X +5V 高阻 編程 正脈沖 高 +25V 程序寫入 程序校驗 低 低 +25V 程序讀出 編程禁止 低 高 +25V 高阻 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 27 可逆計數(shù)器的選擇 由于環(huán)形脈沖分配器不但需要 接收 脈沖信號 CP，還需要接收方向電平，因此所選的計數(shù)器需要是一個可逆的計數(shù)器。 計數(shù)器選用 74LS191，這是一種單時鐘 4 位二進制 可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從 CP 端輸入， 加 /減脈沖由同一端輸入，加 /減控制線的高低電平控制加減計數(shù) 。 74LS191 是單時鐘方式的可逆計數(shù)器 ， 計數(shù)器的輸出 QA～ QD 接 EPROM 的 低 四位地址線，這樣可以選通 EPROM的十六個地址（ 00H～ 0FH） ，將步進電機的勵磁狀態(tài)從 EPROM 中輸出 ，控制繞組的導通和截止 。 74LS191 的 工作 方式選擇如表 所示 。 用 74LS164 的 clk 端作為環(huán)形脈沖分配器的 CP 脈沖信號輸入端，加減 計數(shù) 控制端作為正反轉控制信號輸入端。 表 74LS191 功能表 輸入 工作模式 置數(shù) 使能 加減 時鐘 H L L H L H L X X X H H X X 加計數(shù) 減計數(shù) 預置 保持 控制系統(tǒng)接口電路的設計 環(huán)形脈沖分配器 設計 環(huán)形 脈沖 分配器 是 用來接收單片機的 CP 脈沖，并根據(jù)步進電機 的勵磁 狀態(tài)轉換表的狀態(tài)順序輸出各相繞組 的 導通或截止信號。每來一個 CP 脈沖，環(huán)內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 28 形脈沖 分配器的輸出就轉換一次。因此，步進電機 轉速 的 高 或 低、 加 速或 減 速、啟動或停止都完全取決于 CP 脈沖的有無 和 頻率。同時，環(huán)形 脈沖 分配器還必須 接收 控制器 發(fā)出 的方向 電平 信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉換是按正序轉換還是反序轉換，于是就決定了步進電機正反轉。接 收來自控制器 的 CP 脈沖和方向電平是環(huán)形 脈沖 分配器的最基本功能。 環(huán)形脈沖分配器由 EPROM 和可逆計數(shù)器構成，將步進電機的勵磁狀態(tài)以二進制的形式存入 EPOROM，只要按照地址的正向或反向 順序依次 取出地址內容， EPROM 的輸出就是步進電機的勵磁狀態(tài) ?？赡嬗嫈?shù)器的輸出作為EPROM 的地址輸入端，計數(shù)器的一個計數(shù)狀態(tài)就對應步進電機的一 個 勵磁狀態(tài) ，控制計數(shù)脈沖 CP 就可以控制步進電機的運行，加減 計數(shù) 控制端可以控制步進電機正反轉 。 環(huán)形脈沖分配器 電路如圖 所示。 圖 環(huán)形脈沖分配器電路 這種方法適用于控制任意類型的步進電機。對于不同 類型 的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用 CPU 的時間，提高了 系統(tǒng)的 響應速度，軟件方法 的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 29 改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用 CPU 時間較多， 降低系統(tǒng)的響應速度 。 為了提高系統(tǒng)的響應速度，本文采用硬件設計 環(huán)形 脈沖分配器。 顯示電路設計 單片機與顯示電路的接法一般有如下兩種方法： （ 1）串行接法： 設計中要顯示 4 位數(shù)字，用 74LS164 作為顯示驅動，其中 74LS164 帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約 I/O 口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 （ 2） 并行接法 ： 使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用 I/O 口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 由于設計 中用一塊單片機進行控制，資源有限， 故使用串行接法， 另外，74LS164 的 鎖存 作用 也 起到節(jié)約資源的作用。 數(shù)碼管顯示 電路 是 通過串行口方式 0 擴展單片機的輸出口， 在“串入并出”芯片 74LS164 的配合下，單片機 RXD 引腳接 74LS164 串行數(shù)據(jù)輸入端， TXD引腳接 74LS164 移位脈沖輸入端 CLK，電路 如圖 所示 【 14 】 。 圖 數(shù)碼管顯示電路 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 30 外部復位電路 設計 MCS51 系列單片機采用高電平復位方式，為保證 CPU 內部各單元電路可靠復位， RST 引腳的復位脈沖高電平維持時間必須大于 2 個機 器周期 （即 24個振蕩周期） 。單片機外部的復位電路如圖 所示，該電路具有手動復位 和上電復位 的 功能。 外部復位電路 上電復位： 接通電源的瞬間，電容 C 上的電壓很小， RST 引腳為高電平 。在電容充電過程中， RST 引腳的電位逐漸下降，當 RST 引腳的電位小于某一特定值后， CPU 就會脫離復位狀態(tài)，只要 電容 C 的容量足夠大，就能保證 RST引腳高電平時間大于 24 個振蕩周期，使 CPU 可靠復位。二極管 VD 的作用 在于 ：掉電后給電容 C 提供放電 回 路，保證 再次 上電時 RST 引腳為高電平，使CPU 可靠復位。 當 VCC=0 時， VCC 端與地等電位，電容 C 通過 VD 迅速放電 。放電 回 路為 C 正極、電源 Vcc 端（與地等電位）、二極管 VD 正極、二極管 VD負極 、 C 負極 ，保證再 次 上電時， RST 引腳為高電平， CPU 可靠復位。 手動復位： 當按下手動復位按鈕時，電容 C 通過 R2 放電，當電容 C 放電內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 31 結束后， RST 引腳電位由 R R1 分壓比決定，由于 R2R1，因此 RST 引腳為高電平， CPU 進入復位狀態(tài) 。松開復位按鍵后，電容 C 充電， RST 引腳電位下降，使 CPU 脫離復位狀態(tài)。 控制系統(tǒng)整體電路設計 將各接口電路有機結合起來形成 一個 完整的電路 ， 電路圖如附錄 C 所 示。它是以單片機為核心的控制電路，可以實現(xiàn) 步進電機 根據(jù)設定 的 步數(shù)進行自動加減速控制 ， 使 控制系統(tǒng) 以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù) 而又不發(fā)生失步 的現(xiàn)象 。 步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。 在 系統(tǒng) 工作的過程中 ，數(shù)碼管 顯示 步進電機需要運行的步數(shù) ， 并通過 LED 指示 步進電機 的 工作運行狀態(tài)。 本章小結 本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設計原則 和 控制系統(tǒng)總體設計，其次 對 主要元 器件 進行了 選擇和介紹。最后對 控制系統(tǒng)各部分的電路進行 了分析和 設計 ，并把各模塊 有機 組合起來形成一個較完整的電路 ，如附錄 C 所示 。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 32 第 四 章 控制系統(tǒng)軟件設計 軟件系統(tǒng)設計原則 系統(tǒng)中的應用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計的，應可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。應用系統(tǒng)種類繁多，應用軟件各不相同，但是一個優(yōu)秀的應用系統(tǒng)應具有下列特點 【 15】 ： （ 1）軟件結構清楚、簡潔、流程合理。 （ 2）各功能程序實現(xiàn)模塊化，子程序化。便于調試、連接、移植、修改。 （ 3）程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)格合理，既能節(jié)約內存容量，又操作方便。 （ 4）運行狀態(tài)實現(xiàn)標志化管理。各個功能程序運行狀態(tài)、運行結果以及運行要求 都設置狀態(tài)標志以便查詢，程序的轉移、運行、控制都可通過狀態(tài)標志條件來控制。 （ 5）經(jīng)過調試修改后的程序應進行規(guī)范化，除去修改 “痕跡”。 規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為今后的軟件模塊化，標準化打下基礎。 （ 6）實現(xiàn)全面軟件抗干擾設計。軟件抗干擾是計算機應用系統(tǒng)提高可行性的有力措施。 本系統(tǒng)的軟件采用 C 語言編寫，在此本文主要介紹軟件的各個模塊功能與軟件流程。本系統(tǒng)軟件設計主要包括主程序 ，定時器 T0 啟動 程序， 調速程序，鍵盤顯示程序， 停止判斷 程序。 步進電機控制系統(tǒng)功能設計 軟件主要 功能是單片機根據(jù)設定的步 數(shù)， 實現(xiàn)步進電機的自動 加減速 控制 ， 使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所 設 定的步數(shù)， 并通過數(shù)碼管和 LED 顯示內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 33 步進電機的運行參數(shù)。其具體功能如下： 按正轉按鍵時，步進電機正轉；按反轉按鍵時， 步進電機反轉；按停止按鍵時，步進電機步進電機停止運行；通過鍵盤 可 輸 入所需要 運行 的步數(shù)，輸入的步數(shù)的范圍為 0— 9999 步，當輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動按鍵步進電機開始運行，同時數(shù)碼管顯示所需要 運行 的步數(shù)并通過 LED 顯示步進電機的運行狀態(tài)。單片機根據(jù)所輸入的步數(shù)判斷是否需要 進行 加速啟動，當輸入的步數(shù)小于 100時，步進電機以最低速度 25 r/ min 運行。當輸入的步數(shù)大于 100 時，步進電機從最低速度 25 r/min 開始加速運行，當加速到 99 r/min 時步數(shù)仍大于 100 時，步進電機以設定的最大速度 99 r/min 恒速運行，當步數(shù)小于 100 時，步進電機開始減速，減速到 25 r/min 時，步進電機以設定的最低轉速 25 r/min 走完所規(guī)定的步數(shù)。當步數(shù)為 0 時，步進電機停止運行。 輸入步數(shù)大于 100 時的調速過程如圖 所示。 圖 變速控制中 轉速 與步長之間的關系 主程序設計 主程序工作過程 （ 1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化包 括定時器 T0 初始化，步進電機工作狀態(tài)內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 34 的初始化。步進電機的初始化狀態(tài)為停止、正轉，數(shù)碼管 顯示 步數(shù) 為 0。 （ 2）鍵盤掃描及按鍵處理。判斷是否有按鍵按下，若有則進行按鍵處理。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動按鍵，停止按鍵，正轉按鍵，反轉按鍵 、復位按鍵 等功能按鍵 。 （ 3）系統(tǒng)啟動。單片機讀取開關狀態(tài) 標志 ，判斷是否啟動系統(tǒng)。 （ 4）定時器 T0 啟動。 T0 的中斷服務程序 主要 用于 根據(jù)步數(shù) ， 產(chǎn)生一個頻率可 以 改變的脈沖信號，調節(jié)步進電機 的 加減速過程。 （ 5）調速。根據(jù)輸入的步數(shù)判斷是否需要進行調速，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的 步數(shù)。 （ 6） 步數(shù)為 0 判斷 。 判斷是否已經(jīng)走完所設定的步數(shù)，若步數(shù)為 0，則單片機停止產(chǎn)生脈沖信號， 讓 步進電機停止轉動 ，即 T0 停止計數(shù) 。 主程序工作流程圖 主程序工作流程圖如圖 所示。在圖中簡單的反映出了整個控制系統(tǒng)的主程序 工作 流程。 定時器 T0 中斷 程序 流程圖 T0 中斷流程圖如圖 所示。 T0 中斷程序 的 主要功能是能根據(jù)設定的步數(shù)產(chǎn)生一個頻率可調的脈沖信號， 從而控制步進電機的轉速， 并將調速范圍控制在 25～ 99 r/min。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 35 初 始 化開 始鍵 盤 掃 描 程 序有 按 鍵 按 下 ？ 按 鍵 處 理 程 序讀 入 開 關 狀 態(tài)是 否 復 位 ？是 否 啟 動 ？啟 動 定 時 器 T 0NYYNNYT 0 停 止 計 數(shù)正 轉 ？P 0 . 1 = 0 P 0 . 1 = 1NY 圖 主程序流程圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 36 由 s p e e d f l a g 求 定時 初 值重 裝 定 時 初 值步 數(shù) 減 1 程 序步 數(shù) 顯 示 程 序步 數(shù) 為 0 ?步 數(shù) 大 于 1 0 0 ?s p e e d f l a g 加1 r / m i ns p e e d f l a g 大 于9 9 r / m i n ?s p e e d f l a g 為計 算 值中 斷 返 回T 0 停 止計 數(shù)s p e e d f l a g 減 1 r / m i ns p e e d f l a g 小 于2 5 r / m i n ?s p e e d f l a g 為計 算 值s p e e d f l a g = 2 5 r / m i nT 0 中 斷 服 務 程 序s p e e d f l a g = 9 9 r / m i nYNYNNY YN一 個 周 期 ？NY 圖 T0 中斷服務程序 流程圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 37 Prote