【正文】 ................................... 38 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 緒論 概述 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。 根據(jù) 步進電機控制系統(tǒng) 功能設(shè)計要求， 本設(shè)計 完成了步進電機多功能的按鍵選擇和 LED指示顯示 ，并且使得每個模塊完成各自功能又相互影響、合作 。硬件設(shè)計是系統(tǒng) 重要組成部分，是系統(tǒng)運行實現(xiàn)的平臺， 包括 脈沖發(fā)生模塊、電流驅(qū)動模塊、 LED 顯示模塊和鍵盤選擇模塊等。任何復(fù)雜的步進電機的工作都是基于這些功能 設(shè)計而成，這使得步進電機設(shè)計應(yīng)用非常簡便，也非常廣泛。當(dāng)接收到一個 脈沖信號，就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 ；同時其轉(zhuǎn)速也將與脈沖頻率成正比率改變。 本設(shè)計對步進電機的工作原理和步進方式作了深刻的研究。江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 本設(shè)計是 根據(jù)步進電機的工作方式，結(jié)合所學(xué)單片機、數(shù)字設(shè)備接口等專業(yè)理論知識和基本技能，對實際問題進行研究與解決 的一次綜合訓(xùn)練。通過設(shè)計全過程，培養(yǎng)了 利用所學(xué)的知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新精神。 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。結(jié)合步進電機的這個特性，本設(shè)計將實現(xiàn)步進電機的各項基本功能，如： 步進電機的 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、制動等。 本設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。軟件設(shè)計更具靈活， 其設(shè)計將根據(jù)具體功能要求來實現(xiàn)。 關(guān)鍵字： 步進電機 ； 電脈沖 ； 脈沖發(fā)生 器 ； 步進電機控制系統(tǒng) Abstract The design is based on the stepper motor work, bined with the microcontroller, digital equipment interface and other professional theoretical knowledge and basic skills, to study and solve a prehensive training on practical problems. Through the whole process of design, training the knowledge solution actual problem ability and creative spirit. The design of the working principle and the stepper mode makes a profound study on. Stepping motor is a kind of electrical pulses into angular displacement of the implementing agencies. When receiving a pulse signal, will drive the stepper motor rotate in the direction set by a fixed point of view。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個 脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。 雖然步進電機是一種數(shù)控原件，易于同數(shù)字電路接口。 步進電機本體和步進電機驅(qū)動電路兩者密不可分的組成步進電機系統(tǒng) 。 結(jié)合 微處理器 對其他信號的采集、運算及控制，使得步進電機的 使用更加 廣泛 、智能化 。 步進電機控制系統(tǒng) 研究目標(biāo)與內(nèi)容 步進電機控制系統(tǒng)研究目標(biāo) 結(jié)合步進電機的角位移特性，可以通過控制通過其中的 脈沖數(shù)目精確的步進電機的轉(zhuǎn)角 ，達到精確控制的功能。微處理器控制端口的脈沖 數(shù)和脈沖頻率的 輸出 ，使得步進電機的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速的控制靈活。 實現(xiàn)了這些基本功能就可以使得步進電機在每個領(lǐng)域正常的工作 。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 步進電機控制系統(tǒng)研究內(nèi)容 本課題將通過 微處理器控制脈沖數(shù)和脈沖頻率的輸出控制電流驅(qū)動器 從而達到步進電機的各項控制 。 這是步進電機的最基本控制。 3) 加速 ： 步進電機將以越來越快的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。（在極限頻率以內(nèi)） 5) 制動： 步進電機 獲得制動信號后將在任何狀態(tài)下 停止轉(zhuǎn)動。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第二章 微 控制器 處理器的選型 在步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計中，微控制器起著關(guān)鍵的作用。從成本和電路簡化方面考慮，我們希望尋找一款體積較小、功能全面、價格低廉的單片機。結(jié)合以上的選型考慮最終選擇 STM32F10X系列的處理器作為步進電機電機控制系統(tǒng)設(shè)計的核心處理器。 ATM32F10X 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的 ARM CortexM3 內(nèi)核。增強型系列時鐘頻率達到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為 36MHz，以 16 位產(chǎn)品的價格得到比 16位產(chǎn)品大幅提升的性能 ，是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。時鐘頻率 72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼， STM32F10X 功耗 36mA，是 32 位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于 。它是為功耗和價格敏感的應(yīng)用領(lǐng)域而專門設(shè)計的、具有較高性能的處理器，應(yīng)用范圍可從低端微控制器到復(fù)雜 SoC。它包含了一個高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，可提供 快速的。 為降低器件成本， ARM CortexM3 處理器采用了與系統(tǒng)部件緊耦合的實現(xiàn)方法，來縮小芯片面積，其內(nèi)核面積比現(xiàn)有的三級流水線內(nèi)核縮小了 30%。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 圖 22 CortexM3 部件圖 CortexM3 內(nèi)核具有如下特點： 1) ARMv7M Thumb2 指令架構(gòu)（ ISA）的子集，包括了所有 16 位和 32 位的Thumb2 基本指令，不包括 SIMD 、 DSP 和 ARM 系統(tǒng)訪問 。 3) 三級流水線。 5) 硬件除法器。 7) Handler 和 Tread 模式。 9) 課打斷 繼續(xù) LDM/STM,PUSH/POP。 11) ARMv6 不對齊訪問。所以在時鐘配置是，只需開啟 APB2上的時鐘，這樣不僅精簡了代碼量而且降低了功耗。 STM32F10X 的 時鐘結(jié)構(gòu) 在 STM32F10X 處理器中系統(tǒng)時鐘 SYSCLK 來源有三個： ? HSI 內(nèi)置時鐘振蕩器 ? HSE 外部時鐘振蕩器 ? PLL 時鐘 系統(tǒng)時鐘 SYSCLK，它是供 STM32 中絕大部分部件工作的時鐘源。系統(tǒng)時鐘最大頻率為 72MHz，它通過 AHB分頻器分頻后送給各模塊使用， AHB 分頻器可選擇 1 6 1225 512 分頻。 2) 通過 8 分頻后送給 Cortex 的系統(tǒng)定時器時鐘。 4) 送給 APB1 分頻器。該倍頻器可選擇 1 或者 2 倍頻，時鐘 輸 出供定時器 4使用。 APB2 分頻器可選擇 16 分頻，其輸出一路供 APB2 外設(shè)使用 (PCLK2，最大頻率 72MHz)，另一路送給定時器 (Timer)1倍頻器使用。另外，APB2 分頻器還有一路輸出供 ADC 分頻器使用，分頻后送給 ADC 模塊使用。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 24 時鐘樹 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 STM32F10X 的 GPIO 結(jié)構(gòu) 通用輸入輸出接口 (每個 GPIO 端口 都可以由軟件配置成輸出 (推挽或開漏 )、 輸入 (帶或不帶上拉或下拉 )或復(fù) 用的外設(shè)功能端口。除了具有模擬輸入功能的端口，所有的 GPIO 引腳都有大電流通過能力。 在 APB2 上的 I/O 腳可達 18MHz 的翻轉(zhuǎn)速度。采用 50MHZ 速率輸出（不考慮功耗）。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。所有型號的器件都包含 2 個 12 位的 ADC、 3 個通用 16 位定時器和一個 PWM 定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口：多達 2 個 I2C 和 SPI、 3 個 USART、一個 USB和一個 CAN。C 至 +105176。完整的 STM32F103C8增強型系列產(chǎn)品包括從 36 腳至 100 腳的五種不 同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。這些豐富的外設(shè)配置，使得 STM32F103C8 增強型微控制器適合于多種應(yīng)用場合： ? 電機驅(qū)動和應(yīng)用控制 ? 醫(yī)療和手持設(shè)備 ? PC 外設(shè)和 GPS 平臺 ? 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機和掃描儀 ? 警報系統(tǒng)，視頻對講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng) STM32F103C8 封裝 實物圖 見 STM32F103C8 芯片圖 （圖 21） 。步進電機廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領(lǐng)域，如數(shù)控機床、繪圖儀、自動記錄儀表和數(shù)模轉(zhuǎn)換等裝置，在航空航天遙測等高端精密領(lǐng)域中應(yīng)用也十分廣泛。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 單極性步進電機 單極性 步進電機之所以稱為單極性是因為每個繞組中電流僅沿一個方向流動。兩個線圈的極性相反，卷繞在同一鐵芯上，具有同一個中間抽頭。單極性步進電機的引線有 5 或 6 根。如果步進電機的引線是 6 根，那么它是多段式單極性步進電機有兩個繞組，每個繞組分別有一個中間抽頭引線。 （以 5 線 4相為例） 1) 單拍： A – B – C – D 它指每次僅給一個繞組通電，使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且運動到轉(zhuǎn)子永磁體與具體相反記性的繞組對齊的位置。雙拍方式的優(yōu)點是比單拍方式多獲得 %的輸出力矩，不過代價是需要花費后者的雙倍的能量，因為它有兩相繞組同時通電。半拍方式的輸出力矩比雙拍方式小，隨設(shè)計不同，在 15% 30%之間變化，不過它可以獲得雙拍方式兩倍的步進分辨率（每圈兩倍的步數(shù)）。因此每個繞組都既可以是 N 極又可以是 S 極。 雙極性步進電機有四根引線，每個繞組兩條。雙極性步進電機的每個繞組需要一個可逆電源，通常由 H 橋驅(qū)動電路提供。這也是軟盤驅(qū)動器的磁頭步進機械系統(tǒng)的驅(qū)動之所以總是采用雙極性步進電機的原因。如果在某兩根引線之間能夠測量到阻值，那么這兩 根引線之間就屬于一個繞組，其他兩根線之間是另外一個繞組。也就是每周 200 步。 （以 4 線 2 相為例） 1) 單拍： (A) – B – A – (B) 2) 雙拍： (A B) – AB – (AB) – (AB) 3) 半拍： (A) – (A B) – B – AB – A– (AB) – (B – (AB) ULN2020 達林頓陣列驅(qū)動芯片 特性與應(yīng)用 ULN2020 是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個硅 NPN 復(fù)合晶體管組成。 在自動化密集的的場合會有很多被控元件如繼電器，微型電機，風(fēng)機，電磁閥，空調(diào)，水處理等元件及設(shè)備，這些設(shè)備通常由 CPU 所集中控制，由于控制系統(tǒng)不能直接驅(qū)動被控元件，這需要由功率電路來擴展輸出電流以滿足被控元件的電流，電壓。因此，許多公司都生產(chǎn)高壓大電流達林頓晶體管陣列產(chǎn)品，從而形成了各種系列產(chǎn)品。ULN2020 也是一個 7 路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時 ULN2020 輸出端為江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 低電平，當(dāng)輸入端為低電平時 ULN2020 輸出端為高電平，繼電器得電吸合。 功能 特點 ： 1) 高電壓輸出 50V 2) 輸出鉗位二極管 3) 輸入兼容各種類型的邏輯電路 4) 應(yīng)用繼電器驅(qū)動器 圖 36 ULN2020 原理圖 按鍵 開關(guān) 按鍵 開關(guān)是一種電子開關(guān)，使用時輕輕點按開關(guān)按鈕就可使開關(guān)接通，當(dāng)松開手時開關(guān)即斷開，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是靠金屬彈片受力彈動來實現(xiàn)通斷的。但輕觸開關(guān)也有它不足的地方，頻繁的按動會使金屬彈片疲勞失去彈性而失效。 圖 37 按鍵開關(guān) 實物圖 發(fā)光二極管 發(fā)光二極管 是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能， 常簡寫為 LED。當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從 P 區(qū)注入到 N 區(qū)的空穴和由 N 區(qū)注入到 P 區(qū)的電子，在 PN 結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與 N 區(qū)的電子和 P 區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。 在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。 發(fā)光二極管 具有 的反向擊穿電壓約 5 伏。 圖 38 LED 原理圖 圖 39 LED 實物 圖 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件 系統(tǒng) 設(shè)計 概要 步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計分為兩大部分：硬件 系統(tǒng)設(shè)計 部分和軟件 系統(tǒng)設(shè)計部分。軟件 系統(tǒng)設(shè)計 部分的設(shè)計包括鍵盤掃描模塊、脈沖發(fā)出模塊、 LED 顯示模塊、延時模塊和速度調(diào)節(jié)模塊等。 如下圖 41 是 硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖 ， 其中包括了硬件