【導讀】步進電機作為最常見的一種電機，作為一種數字伺服執(zhí)行元件，步進電。床、機器人、自動化儀表等領域。為了實現步進電機的簡易運動控制，一般以單。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。正反轉功能，并用數字燈和數碼管顯示當前狀態(tài)。

　　

【正文】 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 第四節(jié) 核心芯片介紹 L297 的工作原理 L297 是意大利 SGS 半導體公司生產的步進電機專用控制器，它能產生 4 相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。芯片內的 PWM 斬波器電路可開關模式下調節(jié)步進電機繞組中的電機繞組中的電流。該集成電路采用了 SGS 公司的模擬 /數字兼容的 I2L 技術，使用 5V 的電源電壓，全部信號的連接都與 TFL/CMOS 或集電極開路的晶體管兼容。 L297的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插 20腳塑封封裝，其引腳見圖 28。 19 圖 28 L297 引腳圖 L297 驅動相序的產生 L297 能產生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當相序。 3種方式的驅動相序都可以很容易地根據變換器輸出的格雷碼的順序產生，格雷碼的順序直接與四八拍 (半步方式 )相符合 ，只要在腳 19 輸入一高電平即可得到。其波形圖如圖 29所示。 圖 29 四項八拍模式波形圖 通過交替跳過在八步順序中的狀態(tài)就可以得到全步工作方式，此時需在腳 19接一低電平，前已述及根據變換器的狀態(tài)可得到四拍或雙四拍 2種工作模式如圖 2 211。 20 210 單四拍波形圖 圖 211 雙四拍波形圖 L298 簡介 L298N 為 SGSTHOMSON Microelectronics 所出產的雙全橋步進電機專用驅動芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，內部包含 4 信道邏輯驅動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可同時驅動 2個二相或 1個四相步進電機，內含二個 HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準 TTL 邏輯準位信號，可驅動 46V、 2A 以下的步進電機，且可以直接透過電源來調節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的 IO 端口來提供模擬時序信號。 但在本驅動電路中用 L297 來提 供時序信號，節(jié)省了單片機 IO 端口的使用。L298N 之接腳如圖 212 所示。 21 圖 212 L298 引腳圖 297 加驅動器組成的步進電機控制電路具有以下優(yōu)點：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。 L297 與 L298 配合使用控制雙極步進電機工作電流可達 ；如與 L293E 配套使用，步進電機繞組電流。圖 213為 L297 和 L298 組成的控制驅動器的線路圖。 圖 213 L297L298 典型應用電路圖 L297 的特性是只需要時鐘、方向和模式輸入信號。相位是由內部產生的，因此可減輕單片機和程序設計的負擔。 L298 芯片是一種高壓、大電流雙 H 橋式驅動器。 22 驅動方式的確定 并于步進電機的驅動一般有兩種方法，一種是通過 CPU 直接來驅動，這種方法一般不宜采用，因為 CPU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉動；別一種是通過 CPU 來間接驅動，就是把從 CPU 輸出的信號進行放大，然后直接驅動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設計應采用 CPU間接驅動步進電機。固采用 L297 和 L298 并用。 用 光電開關作為轉速測量工具 ,因為選擇了閉環(huán)控制，就必須有反饋元件，采用同軸的測速電機，把步進電機的轉速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步進電機進行調節(jié)，個人覺得這樣設計比較簡單，價格便宜，安全可靠，污染少，用光電開關作為反饋元件。 第五節(jié) 本章總結 本章主要對單片機和步進電機及相關重要的芯片做了簡單的介紹，并系統(tǒng)的說明了本設計對器件的選擇，如單片機和步進電機是這個設計的主題，所以詳細的介紹了本設計所用的步進電機和單片機， L29 L298 的并用非常適合控制四相步進電機，其它的控制電路顯示電路在后面的章節(jié)會介紹。 23 第三章 系統(tǒng)的設計與實現 第一節(jié) 系統(tǒng)整體設計 系統(tǒng)原理圖 因本次設計的要求，選用四相步進電機，單片機選用 89C52 作為控制器。選取用 74LS244 來驅動顯示。選用 L297\L298 作為步進電機的驅動芯片來驅動步進電機。然后由于步進電機同軸的光電開關作為反饋元件，并把反饋回的信號經 CPU 處理后再由顯示器顯示出來。但由鍵盤輸入的速度數值了得通過顯示器來顯示，所以本次設計要兩排顯示，一排來顯示給定的轉速一排來顯示實際的轉速。系統(tǒng)原理框圖如 所示： 圖 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)整圖 系統(tǒng)整圖如圖 32 所示，本系統(tǒng)采用外部中斷方式， p1 口作為信號的輸入部分， p0、 p2 是數碼管顯示部分， p3 口作為電機的驅動部分。 74LS14 74LS244 顯示器 L298 AT89C52 鍵盤 L297 四相步進電機 光電開關 24 圖 32 系統(tǒng)整圖 第二節(jié) 系統(tǒng)硬件電路的設計 電源電路的設計 本次設計用了 +5V、 +12V 電源，采用的是 78系列的集成固定三端穩(wěn)壓管。 78系列集成穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定，漂移小，精度也比較高。其內部也有完善的保護電路。它有風部過流保護，保證輸出電流部會超出最大允許值；它有內部熱保護電路，如果輸出管的結溫達到允許的最大值，它會知道減小輸出電流；它內部還有工作區(qū)限制電路。使穩(wěn)壓器的工作臺不進入不安全區(qū)。因此，它的可靠性高。另外，它只有三條引腳，移位輸入，移位輸出，移位公共端，使用起來很簡單。 變壓 電源變壓器將 220V 的交流電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷褐?。因為在整流、濾波和穩(wěn)壓電路 中有一定的壓降，所以要使輸出電壓比所需電壓高 2V~3V。 .整流 整流電路將交流電壓變?yōu)槊}沖的直流電壓，常用的整流電路有單相半波，全波，橋式和倍壓整流電路。這里采用單相橋式不可控整流電路。 25 .濾波 濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的波紋，一般由電抗元件組成。如要負載兩端并聯(lián)電容或與負載串聯(lián)電感 L。以及 C 和 L 組合而成的各種復式濾波電路。因為電容濾波電路簡單，負載直流電壓較高，波紋較小，所以我們采用的是電容式濾波。 .穩(wěn)壓 穩(wěn)壓的作用電當電網電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。本設計采用三端集成穩(wěn)壓器，常用的是 7800 系列和 7900 系列。前者是三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器，后者是三端固定負輸出極集成穩(wěn)壓器，整流后的輸出波形與純直流相差甚遠，須經濾波才能作直流電源用。最常用的元件是電容。整流輸出的電壓升高時，輸出的電流一面供給負載應用，一面給濾波電容充電。當整流輸出電壓開始下降時，電容向負載放電以維持輸出電壓，總的輸出電壓波形就平滑得多。 下面以電源 +12V 為例介紹一下電路的工作原理： 圖 33 +12 電源電 路圖 利用 LM7812 和 LM7805 芯片得到 12V 和 5V 的電壓，它們的應用要注意以下幾點： 輸入輸出壓差不能太大 ,太大則轉換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； 輸出電流不能太大， 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導致高溫保護或熱擊穿； 輸入輸出壓差也不能太小 ,大小效率很差。 其中 12V 電壓給步進電機供電， 5V 電壓則給單片機供電。分別如圖 3圖 35所示。 （ 1）產生 12V 的電壓給步進電機供電 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 0 J u n 2 0 1 0 S h e e t o f F i l e : H : \ 電路原理圖 . d d b D r a w n B y :1234C40 . 3 3 uC50 . 1 uTV i n1GND2+ 1 2 v 3U + 1 2 v 26 圖 3412V 電路部分 （ 2）產生 5V 的電壓給單片機供電 圖 35 5V 電路部分 按鍵電路的設計 本次設計選用的是單片機的 P1口來控制信號的輸入，所以把按鍵開關和 P1口連接起來，當按下開關 K1 時，相當于給 口一個低電平，數碼管 LED1 亮；當按下開關 K2 時，相當于給 口一個低電平，數碼管 LED2 亮；當按下開關K3時，相當于給 口一個低電平，數碼管 LED3 亮；當按下開關 K4 時，相當于給 口一個低電平，數碼管 LED4 亮；當按下開關 K5 時，相當于給 口一個低電平；數碼管 LED5 亮；當按下開關 K6 時，相當于 口一個低電平；數碼管 LED6 亮。然后通過單片機實行相應的操作。如圖 36。各個開關都接有數碼管，表示此操作正常，這樣更好的讓我們視角上能夠感受。 27 圖 36 按鍵部分電路 驅動電路的設計 此電路是步進電機的驅動部分，我選用的是 L297和 L298芯片并用來驅動的，L29 L298 前面已經介紹了，這里不多作解釋。電路圖如 37。 圖 驅動部分電路 顯示部分電路 28 顯示電路的用 74LS244 芯片來驅動， 74LS244 芯片分別接兩排顯示器，每排為 4 位顯示，分別用來顯示步進電機的實際轉速與給定轉速。 74LS244 與 CPU的連接圖如 38 所示。 38 顯示部分電路 時鐘部分 時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏，可以通過提高時鐘頻率來提高 CPU 的速度，本次設計采用的晶振為 12MHz。如圖 39。 圖 39 時鐘部分電路 抗干擾設計 29 由于系統(tǒng)中不可避免會從外界引入干擾，影響系統(tǒng)的控制精度，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，故采用了 硬件和軟件抗干擾措施。 干擾對微機的作用可分為四部分： ①輸入系統(tǒng)：它使模擬信號失真，輸入數據信號出錯。 ②輸出系統(tǒng)：使各輸出信號混亂，不能反映微機系統(tǒng)的真實輸出量。從而導致一系列嚴重的后果，同時，還把現場的高電壓設備與主機隔離，防止出現高頻干擾現象。 ③微機控制的內核，使三總線上的數據信號混亂， CPU 得到錯誤的數據信息，使運算操作數失真。 ④電源系統(tǒng)：我們設計所采用的芯片都由直流穩(wěn)壓電源供電。這些直流穩(wěn)壓電源都是由 220 伏轉化而來，有可能產生波動現象。使電源的壓降上升或下降，對主機運行產生干擾。 本次設計采用的硬件抗干擾措施有： ①在電路排列方面，模擬電路和數字電路之間集中在一起，器件之間盡量縮短距離減小寄生電容。 ②在線路設計中，將所有器件的模擬地線和數字地線都區(qū)分開，兩者的地線不要混亂，分別與電源地線相連。 ③電源系統(tǒng)的干擾大部分是高次諧波，然后接穩(wěn)壓器件，以保持電源穩(wěn)定。 ④采用分散獨立功能模塊供電，在每塊系統(tǒng)功能模塊上用集成三端固定穩(wěn)壓器如 780 781 781 7915 等穩(wěn)壓源，而且也減少了公共阻抗的相互耦合，大大提高了供電的可靠性。 程序監(jiān)視系統(tǒng)中的抗干擾（電源部分） WATCHDOG 本身能獨立工作，基本上不依賴于 CPU，當電源受干擾而掉電時，WATCHDOG 自動產生中斷。使 CPU 備用電源起作用，對 CPU 正在執(zhí)行的數據進行保護。 第三節(jié) 系統(tǒng)軟件程序設計 30 與其它的微處理器一樣，開發(fā)步進電機驅動系統(tǒng)控制程序也需要一套完整的軟件和硬件開發(fā)工具。近年來，隨著以 51 單片機為內核的單片機的不斷發(fā)展和普及，國外的一些公司紛紛推出了以 51 單片機為基礎的集成開發(fā)環(huán)境。本次畢業(yè)設計選用的單片機是 AT89C52。 系統(tǒng)主程序 設計 系統(tǒng)分為電機正轉、電機反轉、電機加速與電機減速的幾部分組成，其主程序框圖如圖 310 所示。 圖 310 主程序框圖 鍵盤 控制 程序設計 控制鍵程序用于判斷 口與 口的值，當 口為 0 時，電機正轉，當 口為 0時，繼續(xù)判斷 口的值， 口為 0 時，電機反轉。如圖 311所示。 開始 初始化 調按鍵子程序 調按鍵子程序 調用正反轉子程序 調用 正反、 加減速子程序 停止 31 圖 311 鍵盤程序流程圖 正反轉程序設計 系統(tǒng)初始化之后，前進子程序 R0 用于給 P1 口送不同的值，根據電機轉動的相序，使電機正向轉動， P1 口的值分別為 01H， 03H， 02H， 06H， 04H， 0CH， 08開始 有鍵閉合否？ 閉合鍵釋放否？ 有鍵閉合否？ 調用子程序 延時 12ms 判斷閉合鍵號 棧 輸入鍵號 A 調用子程序 延時 6ms 返回 是 否 否 否 是 否 32 H， 09H。電機反轉原理與正轉相似，此時 P1 口的值分別為 09H， 08H， 0CH， 04H，06H， 02H， 03H， 01H。流程 如圖 312 所示。 圖 312 正反轉程序流程圖 加減速程序設計 當電機正轉或反轉的時候，按下加速鍵，調用加速子程序，使電機每轉動一步的延時時間變短，從而實現電機的加速。按下減速鍵，通過改 變電機每轉動一開始 設置控制步數 設置定時器工作方式 設置定時器的初始值方式 取反轉起始地址 開中斷 允許這時中斷 正轉否？ 是 否 啟動定時 中斷等待 取正轉起始地址 33 步的延時時間，使時間變長，從而實現電機減速。流程 如圖 313 所示。 313 轉速快慢程序流程圖 顯示子程序的設計 第一個顯示燈上的數據為電機初始速度的設定，第二個顯示燈上的數是有電開始 保護現場 輸出控制模塊 指向下一個控制模塊方式 取控制模塊 關中斷 恢復起始控制臺模塊 是控制模塊結束標志否？ 是 否 恢復現場 禁止定時中斷 步數夠否？ 返回 否 是 34 機后面的 74LS244 傳回的脈沖數進行計算得出實際轉速，流程如圖 314 所示。 圖 314 顯示程序流程圖 定時中斷流程圖 在電機轉速穩(wěn)定的時候我們的程序就暫停執(zhí)行，這個時候就需要中斷，流程圖如 315 所示。 74LS244 初始化 設置顯示數據區(qū)首址 設置位選字 輸出位選字 讀顯示數據 查段選碼 輸出段選碼 延時 1ms 顯示完 8 位數據否？ 返回 改變位選字 是 否 開始 35 圖 315 中斷子程序流程圖 第四節(jié) 本章總結 本章主要介紹了整個系統(tǒng)如何實現的，從器件的選擇到系統(tǒng)的成型，需要了解各種芯片的作用和使用方法，本系統(tǒng)使用了 AT89C5 74LS24 74HC24 74LS1 L29 L29 74LS1 TC232 等芯片，用到了四相步進電機、光電開關、八位數字燈等器件。經過對器件的了解在到連接配合各個芯片的使用到編程。使最終系統(tǒng)的確定和使用。 開始 關中斷 計數單元加 1 重新加載數據 觸發(fā) INTO 開中斷 8s定時到否？ 返回 是 否 36 第四章 系統(tǒng)的測試 第一節(jié) 測試的步驟 把編好的程序（包括正反轉程序、停止程序、顯示程序等）合理安排好結合到一起進行編譯。由于編譯只能檢查是否存在語法錯誤，所以還要看是否存在邏輯錯誤。程序修改好以后，當顯示編譯 0 錯誤， 0警告的時候，這說明已經沒有語法錯誤了，是否有邏輯錯誤還要看接上電路板通過仿真以后，步進電機能否正常轉動，顯示是否正常。 電路的工作離不開電源，所以電源是必不可少的。電源采用的是利用變壓器將 220V 的電壓轉換為 12V 的電壓，再利用橋堆整流使交流電變成直流電，最后分別利用 LM7812 和 LM7805 芯片得到 12V 和 5V 的電壓。 電路板焊接好以后，首先要檢查一下電路設計是否合理、元器件焊接是否正確，焊接好以后需要仔細檢查。用萬用表分別檢測從 7812 和 7805 第三個端口出來的是否是 12V和 5V，結果發(fā)現 7805兩端電壓正常， 7812兩端電壓非常不穩(wěn)定。用萬用表仔細檢查了每根線，發(fā)現了原因，電路板存在虛焊的現象。再次將電路板焊好，檢查好以后，用萬用表檢測兩端輸出電壓，結果正確，電源準備工作完畢。 步進電機一開始不能正常轉動，以為是電路焊接有問題，為了防止再次出現虛焊，首先將電路板用萬用表檢查了一遍，沒問題。程序也是正確的。后來 仔細看了步進電機工作原理，原來步進電機要正常實現正反轉，四個相序必須弄清。把電機接上電源，用高電平分別接觸電機的引線，每接觸一下電機就會向前或向后轉動一下，經過幾次試驗，終于搞清了電機的四個相序，排列順序分別是 1—A， 2— C， 3— B， 4— D。弄清了相序，把電路板重新布線，焊接好，結果電機能夠正常轉動了。 37 第二節(jié) 測試的數據 在單相四拍方式控制中，假如 A 相電源通電， B、 C、 D三相都不通電，在磁場作用下，使轉子齒和 A相的定子齒對齊。若此時為初始狀態(tài)，并設與 A相磁極對齊的齒為 0 號齒，由于 B 相齒與 A 相齒相差 90度。且 不為整數。所以此轉子不能和 B 號齒對齊，只有 13 號小齒靠近 B 相磁極的中心線，與中心線相差 3度，如果此時變?yōu)?B 相通電，萬里 A、 C、 D 三相不通電，則 B 相磁極迫使與 13號齒對齊，整個齒就轉了 3 度，稱為一步。步進電機就是以這種方式作為動力而轉動。 在單相三拍 ABCDA 通電一周，轉子轉動了 9度。固步距角可用公式 表示： （ ） 其中 為步距角， N為運行的拍數， 為轉子的齒數。其中 ， 為控制的相繞阻， C 在四拍中為 1，在八拍中為 2。 步距角的速度的控制是通過改變脈沖的時間間隔來控制的。如果步進電機每轉 20 圈要 2秒。則每進一步所在的時間為：計算公式如 所示： （ ） 可見只要輸出一個脈沖后延時 再輸脈沖就可以達到自定的速度。本次設計在求的轉速范圍為 0到 ，最高轉速時的 精度為 2%。功率為 1W。 得：步進脈沖之間的延遲時間為 。 。