【正文】 （ 1） 方案一： 單片機(jī)選擇 AT89S51 型單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī) 的驅(qū)動 選擇 L298N集成 驅(qū)動芯片， 顯示電路選擇七段數(shù)碼管，再輔以相應(yīng)的按鍵電路。由上述闡述可知步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計有多種不同的設(shè)計思路和不同的方案可供選擇。 軟件環(huán)形分配器是通過單片機(jī)內(nèi)部的定時器改變 CP 脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。常用的 集成化驅(qū)動芯片有 L298N、ULN2020 等。另 一種是通過 專用的驅(qū)動電路進(jìn)行驅(qū)動，由前面的介紹可知步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動。一種是延時，一 種是定時。 步進(jìn)電機(jī)控制是一個比較精確的控制，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。 指令 圖 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制 確定設(shè)計方案 由前面對與步進(jìn)電機(jī)的工作原理、驅(qū)動、調(diào)速、開環(huán)控制等的介紹，針對所提出的設(shè)計問題，確定相關(guān)的設(shè)計方案。因為一旦負(fù)載短時超重而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步 ，則整個機(jī)電傳動系統(tǒng)的定給就會出錯。但是為了保證定位不出錯，設(shè)計系統(tǒng)時要留出足夠的裕度。 步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制 對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行微機(jī)定位控制，有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。若將步進(jìn)電機(jī)換相子程序放在定時器中斷服務(wù)程序之中，則定時器每中斷一次，電動機(jī)就換相一次，定時器定時的大小就決定了電動機(jī)換相的頻率，從而可實現(xiàn)電動機(jī)的速度控制。 （ 2）定時器延時法：微機(jī)系統(tǒng)一般均帶有幾個定時器、計數(shù)器。這種方法的有點(diǎn)是程序簡單，占用片內(nèi)資源少，全部由軟件實現(xiàn)，且調(diào)用不同的延時子程序就可以實現(xiàn)不同的速度運(yùn)行。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(jìn)電機(jī)按照某一確定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)可用兩種方法確定 CP 脈沖的周期，一種是軟件延時法，另一種是定時器延時法。控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件按照電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)的要求，順序?qū)顟B(tài)表的內(nèi)容取出來送至 8051 的 P1 口。軟件環(huán)形分配器 如圖 所示。 在這種方法中，脈沖分配器的功能全部由軟件來完成。 CH250 如圖 所示。目前使用廣泛的是專用集成電路芯片環(huán)形分配器，如 CH250和 L297 等。軟件環(huán)形分配器采用微機(jī)的軟件實現(xiàn)脈沖分配，因此它往往受到微機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。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。因此，環(huán)形分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器 。各相 驅(qū)動信號來源于環(huán)形分配器。 如 L298N 雙 H 橋驅(qū)動器 ，是一款集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電動機(jī)驅(qū)動芯片。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(jìn)電機(jī)。高低壓功率驅(qū)動電路如圖 所示。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 RS，消除了附加損耗。但由于 RS引起了附加的損耗，故一般這種方法只適用 于小功率步進(jìn)電機(jī)。 在單電壓驅(qū)動電路情況下 ， 步進(jìn)電機(jī) 單步 相應(yīng)曲線如圖 所示。 VDARRsVT 2VT 1+ 12 v 圖 單電壓功率驅(qū)動電路 電動機(jī)繞組串有電阻 RS，使繞組回路的時間常數(shù)減少，縮短了繞組中電流上升的過渡時間。單電壓驅(qū)動是指電動機(jī)繞組在工作 時， 環(huán)形分配器 信號放大與處理級 推動級 驅(qū)動級 保護(hù)級 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計 8 只用一個電壓電源對繞組供電，它的特點(diǎn)是電路最簡單。 下面介紹兩種驅(qū)動電路的原理以及工作方式。 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。有時還需要對輸入信號進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常時也可以提供保護(hù)動作。保護(hù)級的作用是保護(hù)驅(qū)動級的安全。推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅(qū)動級輸入的較大信號。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。 從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號放大與處理級。因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都取決于 CP 脈沖的有無或頻率。 圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī)接受來自控制器的 CP 脈沖，并按步進(jìn)電機(jī) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。步進(jìn)電機(jī)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(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計 7 組成， 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器還要有多種保護(hù)電路。由于步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量輸入，所以它特別適合于微機(jī)控制 。使用步進(jìn)電機(jī)時，只需要將單路電脈沖信號先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C(jī)所需求的多路（單路）脈沖信號，再經(jīng)過功率放大后分別送入步進(jìn)電機(jī)各相繞組，即可使步進(jìn)電動機(jī)準(zhǔn)確運(yùn)行。 步進(jìn)電機(jī)的控制 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 本設(shè)計 是基于單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計，所謂單軸步進(jìn)電機(jī)就是指控制一個步進(jìn)電機(jī)。每一個脈沖信號就可 使步進(jìn)電機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度 .當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行的?；?AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計 6 四相步進(jìn)電機(jī)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 所示。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。 四相步進(jìn)電機(jī)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。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。開關(guān) SB 接通電源，其余斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 四相步進(jìn)電機(jī) 如圖 所示。每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。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。 通過對步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計，可以更深刻地理解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，而且由此設(shè)計我們可以舉一反三，對此類相關(guān)設(shè)計積累一定 經(jīng)驗。 （ 4）此設(shè)計不僅需要對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計，還需要有鍵盤以及相關(guān)的顯示電路，通過它們可以通過顯示器實時的觀察到步進(jìn)電機(jī)當(dāng) 前的運(yùn)行狀態(tài)，并可以實時地控制步進(jìn)電機(jī)。在到達(dá)指定位置后也能通過按鍵復(fù)位返回。 （ 2） 步進(jìn)電機(jī)在正向前進(jìn)過程中可以隨時停止，停止時顯示出當(dāng)前行程值。 （ 1） 按鍵設(shè)置步進(jìn)電機(jī) 所 要走的行程值（即線位）， 由 顯示器直觀顯示出來，按下啟動鍵后步進(jìn)電機(jī)由原點(diǎn)前進(jìn)到達(dá)所需位置。 為了進(jìn)一步研究步進(jìn)電機(jī)的控制，對步進(jìn)電機(jī)控制原理以及驅(qū)動電路有更深的了解，通過單片機(jī)硬件與軟件的結(jié)合，提出設(shè)計一個簡單實用的步進(jìn)電機(jī)控制器。自從步進(jìn)電機(jī)在計算機(jī)外圍設(shè)備上取代小型電動機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快的促進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展。 在人類社會進(jìn)入電氣化時代的今天，傳統(tǒng)電動機(jī)已不能滿足工業(yè)自動化和辦公自動化等各種運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)，因此非常適合于控制 。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計 4 第二章 方案設(shè)計 提出設(shè)計課題 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。 再者，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入發(fā)展，對步進(jìn)電機(jī)的研究也逐步從單機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化控制。細(xì)分驅(qū)動是將電機(jī)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。 （ 4） 向五相和三相電動機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩不完全對稱，振動和噪聲較大，而五相和三相電動機(jī)則是完全對稱的，因此更具有優(yōu)勢性。由于電動機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高?，F(xiàn)階段，最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動機(jī)，而混合式電動機(jī)又向以下四個方向發(fā)展： （ 1） 小型化方向發(fā)展，隨著電動機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓 寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動機(jī)也必須越來越小 。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計 3 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī) 技術(shù)仍然在不斷發(fā)展完善中。在我國，由于歷史緣由，磁阻式步進(jìn)電機(jī)還在一定的場合里使用，但混合式步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動化系統(tǒng)中的優(yōu)勢越來越明顯，市場占有率隨之不斷提高。 目前，對步進(jìn)電機(jī)在技術(shù)和生產(chǎn)應(yīng)用都已經(jīng)較為成熟。我國步進(jìn)電動機(jī)研究的初始階段，主要以高等院校的理論研究為主 ， 隨著 微電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，解決了長久以來限制步進(jìn)電動機(jī)大量應(yīng)用在工業(yè)自動化中的關(guān)鍵問題 —制造優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動控制電源，同時工業(yè)自動化系統(tǒng)本身的發(fā)展也不斷推進(jìn)步進(jìn)電動機(jī)的改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求。 步進(jìn)電機(jī)的需 求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色 。 以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在近30 年間，步進(jìn)電動機(jī)技術(shù)迅速地發(fā)展并成熟起來。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。其應(yīng)用主要以處理辦公業(yè)務(wù)能力很強(qiáng)的機(jī)器和工廠自動化機(jī)器為核心，并廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療器械、計量儀器、汽車、游戲機(jī)等 方面 。電機(jī)的應(yīng)用不僅在動力應(yīng)用反面不斷擴(kuò)大，而且在控制領(lǐng)域的使用范圍也在不斷擴(kuò)大。 在 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)用。人們用它來驅(qū)動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機(jī)、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(jī)器人等機(jī)械裝置?？刂葡到y(tǒng)通過單片機(jī)存儲器、 I/O 接口、中斷、鍵盤、 LCD 顯示器的擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分頻器、 驅(qū)動及保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、 等的設(shè)計，實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、急停、定位等功能。所以控制步進(jìn)脈 沖 信號的頻率，就可以對電機(jī)精確調(diào)速 ， 控制步進(jìn)脈沖的個數(shù)，就可以對電機(jī)精確定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角。 LCD1602。 L298N。 關(guān)鍵詞： AT89S51 單片機(jī)； L297； L298N；步進(jìn)電機(jī)； LCD1602；仿真 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計 II The Design of Single Axis Stepper Motor Controller Based on AT89S51 MCU Abstract: This paper has described the control principle of the stepper motor speed, angle, torque, and made the corresponding design of the stepping motor controller. Stepper motor is a precision electromechanical stepping motion of the Executive Yuan, it is the electric pulse signal into openloop control ponents of angular displacement or linear displacement of the. Through the microcontroller to control the stepper motor speed, in the nonoverload case, the motor speed, stop location only depends on the pulse signal frequency and pulse number, regardless of load changes. Characteristics and only a periodic error of stepper motors without the accumulation of the current relationship, makes the speed, position and other areas controlled by stepper motor control bees very simple. The design uses AT89S51 MCU, L297 step motor controller and L298N driver chip dedicated stepper motor control circuit to