【正文】 一個電脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 , 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。由于脈沖信號數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，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 ~ AT89C51 單片機(jī) ~ ~ ~ 128X64LCD 控制按鍵 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動 部分 外部晶 振電路 圖 1 系統(tǒng)方框圖 4 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。 注：由于此設(shè)計程序較復(fù)雜，在此沒有列出程序的框圖，程序框圖詳見軟件設(shè)計。 用軟件控制單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號，通過單片機(jī)的 P1口輸出脈沖信號，因?yàn)樗x電機(jī)是兩相的，所以只需要 P0口的低四位 通過 ULN2020A接到電機(jī)的五 根電線上。 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的控制是通過脈沖信號來控制的， 將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。 3 隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,步進(jìn)電機(jī)必將發(fā)揮它的控制方便、控制準(zhǔn)確的特點(diǎn) ,在工業(yè)控制等領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)不需位移傳感器就可精確定位 ,所以在精確定位系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 (4)可以快速啟停。 (2)位置誤差不會積累 。由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接接受數(shù)字信號 ,而不需數(shù)/模轉(zhuǎn)換 ,所以使用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)顯得非常方便。 步進(jìn)電機(jī)是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件。 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑 調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)動一周后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。鑒于傳統(tǒng)的脈 沖系統(tǒng)移植性不好 ,本文提出微機(jī)控制系統(tǒng)代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器 ,用軟件的方法產(chǎn)生控制脈沖 ,通過軟件編程可以任意設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 步進(jìn)電機(jī)具有控制簡便、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)。 三 、 總體設(shè)計 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的數(shù)字控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 二 設(shè)計要求 具有速度和轉(zhuǎn)向設(shè)定功能 。 單片機(jī)課程設(shè)計 課題：步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)設(shè)計 系 別： 電氣與電子工程系 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 ： 河南城建學(xué)院 2020 年 01 月 09 日 2 一 設(shè)計目的 增進(jìn)對單片機(jī)的感性認(rèn)識，加深對單片機(jī)理論方面的理解； 掌握單片機(jī)的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用，如定時器 /計數(shù)器、中斷、片內(nèi)外存貯器、 I/O口、 A/D、 D/A、串行口通訊等； 了解和掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程、方法及實(shí)現(xiàn) 。 了解步進(jìn)電機(jī)控制的基本原理， 能實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動控制 ，掌握控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的編程方法。 設(shè)置開始、停止以及正反轉(zhuǎn)健； 轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向有數(shù)碼管顯示 (本設(shè)計使用的為 LCD12864)。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,在許多領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。以簡化控制電路 ,降低生產(chǎn)成本 ,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和靈活性。由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、 廉價，又非?？煽?。步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。步進(jìn)電機(jī)的輸入信號為脈沖電流 ,它能將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移 ,因而步進(jìn)電機(jī)可看作是一個串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。 步 進(jìn)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制 。 (3)與數(shù)組設(shè)備兼容 ,能夠直接接收數(shù)字信號 。 步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多 ,按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應(yīng)式或變磁阻式 )電機(jī)、混合式電機(jī)、永磁式電機(jī)和特種電機(jī)等四種主要型式。目前打字機(jī)、計算機(jī)外部設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、傳真機(jī)等設(shè)備中都使用了步進(jìn)電機(jī)。 本設(shè)計采用 16 位單片機(jī) AT89C51 對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過 I/O 口輸出的具有時序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號，信號經(jīng)過驅(qū)動芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；同時，用觸發(fā)按鍵來對電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用 128X64LCD 顯示電機(jī)的狀態(tài)及轉(zhuǎn)速。 所以怎樣產(chǎn)生這個脈沖信號和產(chǎn)生怎樣的信號是電機(jī)控制的關(guān)鍵?？梢酝ㄟ^調(diào)整輸出脈沖的頻率來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過改變輸入脈沖的順序來改變轉(zhuǎn)動方向， P2口 和 P3口 接 128X64LCD，可以顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，設(shè)置復(fù)位鍵可使正在轉(zhuǎn)動的電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，大概可分為如下圖所示的幾部分。 四 、 主要 器件介紹及 電路設(shè)計 、 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是 將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的 速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)是一種 感應(yīng)電機(jī) ，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)， 交流電機(jī) 在常規(guī)下使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，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) 域都有應(yīng)用。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動 四相步進(jìn)電機(jī) ， 采用單極性直流電源供電。圖 1是該四相 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖。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 5 的磁極對齊。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。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。 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 、 b、 c所示： a單四拍 b雙四拍 c 八拍 圖 序波形圖 ULN2020 ULN是集成達(dá)林頓管 IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。 ULN是集成達(dá)林頓管 IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管 ,它的輸出端允許通過電流為 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V左右，耐壓 BVCEO 約為 36V。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或 固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。 ULN2020是一個非門電路，包含 7個單元，但獨(dú)每個單元驅(qū)動電流最大可達(dá)， 9腳可以懸空。 ULN2020的作用： ULN2020是大電流驅(qū)動陣列 ,多用于單片機(jī)、智能儀表、 PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。輸入 5VTTL電平，輸出可達(dá) 500mA/50V。 該電路的特點(diǎn)如是 : ULN2020的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個 ,在 5V的工作電壓下它能與 TTL和 CMOS電路 直接相連 ,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。 ULN2020A引腳圖及功能 如下： 6 圖 4 ULN2020A 引腳圖 ULN2020 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅 NPN達(dá)林頓管組成的驅(qū)動芯片。 ULN2020的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻 ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2020 的封裝采用 DIP— 16 或 SOP— 16 ULN2020A在各種控制電路中常用它作為驅(qū)動繼電器的芯片，其芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器 (SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。每對達(dá)林頓管的額定集電極電流是 500mA，達(dá)林頓對管還可并 聯(lián)使用以達(dá)到更高的輸出電流能力。 12864LCD 12864A1漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192個中文漢字（ 16X16 點(diǎn)陣， 16*8=128， 16*4=64，一行只能寫 8 個漢字， 4 行；）、 128個字符（ 8X16 點(diǎn)陣）及 64X256 點(diǎn)陣顯示 RAM（ GDRAM）。 A 為數(shù)據(jù)傳送方向控制： H 表示數(shù)據(jù)從LCD到 MCU， L表示數(shù)據(jù)從 MCU到 LCD。 C 固定為 0 第二字節(jié)： (并行 )8 位數(shù)據(jù)的高 4位 — 格式 DDDD0000 第三字節(jié)： (并行 )8 位數(shù)據(jù)的低 4位 — 格式 0000DDDD 串行接口時序參數(shù)： (測試條件： T=25℃ VDD=) 系統(tǒng)的時鐘電路 時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時所必需的時鐘信號。時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直 接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 10 pF。同時，在系統(tǒng)中采用 12MHz 的晶體振蕩器來產(chǎn)生時鐘脈沖。 步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動電路 由單片機(jī)直接輸出的脈沖不足以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正常工作所以需要驅(qū)動電路給步進(jìn)電機(jī)提供電源，在本設(shè)計中采用型號為 ULN2020A 的芯片，使步進(jìn)電機(jī)正常工作。 圖 11 主程序設(shè)計流程 程序如下 include //include 主程序 初始化程序 逆 序輸出脈沖 按鍵 2 閉合 按鍵 1 閉合 正序輸出脈沖 調(diào)用顯示子程序 1 調(diào)用顯示子程序 2 N Y N Y 11 //include include void iniLCD(void)。 uchar buf_Direction。 //設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 uchar step_motor_loop[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x09}。 uchar buf_SpeedString[]= 。 speed_delay++。 if(speed_delay =set_speed) { speed_delay =0。 //大于 7，從頭再來 if(step_index 7) step_index =0。 if(speed_delay =set_speed ) { speed_delay =0。 if(step_index =0) step_index =7。 P0=0x00。 uint u16Temp=0。 buf_SpeedString[0]=39。+(u16Temp/100)。039。 buf_SpeedString[2]=39。+(u16Temp%100%10)。%39。buf_SpeedString)。 uchar temp=0。 temp=P1amp。 if(key_loose 0) { if(temp==0xFF) key_loose=0。 } else if(temp !=0xFF) { key_loose=10。0xFF。 13 write_hz_str(6,20,反轉(zhuǎn) )。 break。 write_hz_str(6,20,正轉(zhuǎn) )。 break。 buf_Direction=CST_STEP_MOTOR_ST。 caluate()。 case 0xEF: if(buf_Direction !=CST_STEP_MOTOR_ST) { set_speed+=5。 //減速 } caluate()。