【正文】 ............................. 10 ........................................................................... 10 硬件分配法 ............................................................................... 11 軟件分配法 ............................................................................... 12 ................................................................................... 12 ............................................................................... 14 正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計 ....................................................................... 14 加減速電路設(shè)計 ....................................................................... 14 ................................................................................... 15 第 4 章 步進(jìn)電機的程序設(shè)計 ................................................................... 16 ........................................................................................... 16 0程序 ................................................................................... 18 1程序 ................................................................................... 19 ....................................................................................... 19 ....................................................................................... 21 ....................................................................................... 22 ............................................................................................... 22 第 5 章 步進(jìn)電機的仿真 ............................................................................. 23 ........................................................................................... 23 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） IV ........................................................................... 24 ................................................................................... 25 結(jié) 論 ................................................................................................................ 28 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................... 29 致 謝 ................................................................................................................ 30 附 錄 ................................................................................................................ 31 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒 論 課題背景 步進(jìn)電機 我們又 稱為脈沖電動機或階躍電動機，它基于電磁 感應(yīng)原理 ，將電脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 與科技的進(jìn)步 ，步進(jìn)電機的應(yīng)用領(lǐng)域 將 更加廣闊 ，更好的服務(wù)于人類 。 1973年德國百格拉公司發(fā)明了五相混合式步進(jìn)電機及其驅(qū)動器， 1993 年又推出了性能更加優(yōu)越的三相混合式步進(jìn)電機 [2]。 圖 本文研究的內(nèi)容 本文研究試圖基于單片機采用軟件的方式發(fā)出脈沖信號，經(jīng)過功率放大器送給電機。設(shè)計兩個數(shù)碼管顯示電機的運行速度等級和方向，達(dá)到實時監(jiān)測步進(jìn)電機的運行狀態(tài)，既方便安全又經(jīng)濟(jì)實惠。 2．由步進(jìn)電機與單片機、驅(qū)動電路組成的開環(huán)系統(tǒng)，既方便廉價又可靠安全。 3．速度可以在比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，低速運行時仍具有較大轉(zhuǎn)矩，因此可以不需要減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。 5．步進(jìn)電機只能通過專門的脈沖電源供電，不能由一般的交流電或直流電供電，這由它的工作原理決定的。 7． 步進(jìn)電機的力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 步進(jìn)電機的構(gòu)造 步進(jìn)電機由轉(zhuǎn)子和定子組成，如圖 所示，分別介紹如下： 1. 定子：由硅鋼片疊成， 在 定子上有 6 大磁極，每 2 個相對的磁極組成一對， 一 共有 3對。 2. 轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面均勻分布著小齒 ,它們 大小相同，間距相同 [4]。 步進(jìn)電機的工作原理 如上圖所示 給處于錯齒狀態(tài)的 三 相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即磁阻最?。?的 位置轉(zhuǎn)動， 也就是 趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動 [5]。 以 四相 步進(jìn)電機為例 說明 [6]： （ 1）方向控制 通電換向的過程稱為脈沖分配。通電控制脈沖信號必須嚴(yán)格按照這一順序控制四相的通斷，才能保證步進(jìn)電機的正常運行。反轉(zhuǎn)時，四相單四拍通電順序為： ADCBA；四相雙四拍為：BAADDCCBBA。因此可以通過控制這一時間間隔來控制電機的轉(zhuǎn)速。 2．拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)，或電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，用 m表示。 其計算公式為： θz=2π/Z （ Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ） [6]。 θb=θz/N Z = 2π/NZ （ N是工作拍數(shù)， Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ）。 6．定位轉(zhuǎn)矩 ：電機在沒有通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩。 8．失步：電機運轉(zhuǎn)時的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)。 步進(jìn)電機的選型 步進(jìn)電機的選型包括三個方面：電機最大速度、電機定位精度和電機力矩選擇，下面分別介紹： （ 1）電機最大速度選擇 步進(jìn)電機最大速度一般在 6001200 r/min。機械傳動系統(tǒng)要根據(jù)此參數(shù)設(shè)計。一般選一個步距角對應(yīng)系統(tǒng)定位精度的 1/2或者更小。通常先確定電機的靜力矩，靜力矩的選擇依賴于電機工作的負(fù)載。直接起動（一般低速起動）時兩種負(fù)載都要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行時只考慮摩擦負(fù)載就可以了。 第 3 章 步進(jìn)電機的硬件設(shè)計 步進(jìn)電機的硬件設(shè)計包括單片機最小系統(tǒng)、脈沖分配、驅(qū)動模塊、運行控制模塊、顯示模塊。 單片機簡介 [7]李穎，五相混合式步進(jìn)電機控制技術(shù)研究 [D].西北工業(yè)大學(xué)， 2022 年 . 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 單片機誕生于 20 世紀(jì) 70 年代，美國 Intel 公司 1996 年宣布 1997 年推出MCS48 單片機，隨后單片機技術(shù)飛速發(fā)展，至今有 30 多年歷史 [8]。單片機從 8 位發(fā)展到16位和 32位，這不得不說是一個驚人的進(jìn)步。單片機是將中央處理器 CPU，程序存儲器ROM或 EPROM，數(shù)據(jù)存儲器 RAM，定時器 /計數(shù)器，并行及串行口等電路集成在一塊芯片上做成的微型計算機 [9]。 圖 單片機與一般的微型機相比，具有以下特點： 1．控制功能強。這些指令讓單片機更加靈活。 3．低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。 5．采用串行接口，可以大大減少器件的引腳，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 6．在程序存儲器發(fā)面， Flash ROM 單片機問世，讓程序存儲器的編寫可以擦除，單片機的使用更加便捷 [10]。 2． P0口： P0口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O口 。 P0口也可作為通用的 I/O口 使用，但要加上拉電阻，這時為準(zhǔn)雙向口。 3． P1口： P1口 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口。 另外 ， 和 還可分別作為定時 /計數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入（ ）和輸入（ ），參見表 。 [11]張友德 ， 趙志英 ， 涂時亮 ， 單片機微機原理 ， 應(yīng)用與實驗 [M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社 ， 2022： 122136. 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 表 和 的第二功能 引腳號 功能特性 T2（定時 /計數(shù)器 2外部計數(shù)脈沖輸入），時鐘輸出 T2EX（定時 /計數(shù) 2捕獲 /重裝載觸發(fā)和方向控制） 4． P2口： P2是一個內(nèi)部帶上拉電阻的 8位 準(zhǔn) 雙向 I/O口。 在 CPU從外部程序存儲器取指令和訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口輸出 16位地址中的高 8 位地址。 P3 口輸出可驅(qū)動 4個 TTL邏輯門電路。 P3 口如表 所示 ， 除了作為一般的 I/O 口外，更重要的用途是其具有 第二功能， 特別是五個中斷源，它在本設(shè)計中發(fā)揮了非常大的作用。當(dāng) 單片機 工作時， RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片 機 復(fù)位。 7． ALE/PROG：當(dāng) CPU訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。 對 Flash 存儲器編程 時 ，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。該位置位 以 后，只有 MOVX 和 MOVC指令才能將 ALE 激活。 [12]Ateml AT89S51 Data :. 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 8． PSEN：程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)CPU 由外部程序存儲器取指令時，每個機器周期 PSEN 兩次有效，即輸出兩個脈沖。 9． EA/VPP： EA 為片外程序存儲器訪問允許控制信號輸入端。當(dāng) EA 為低電平時，只讀片外程序存儲器。 10． XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 (2)單片機的最小系統(tǒng) 單片機的最小系統(tǒng)包括單片機、晶振電路、復(fù)位電路和電源。 圖 晶振電路：它控制著單 片機的工作節(jié)奏。如圖 。在單片機的外部引腳XTAL XTAL2 兩端接晶振和電容，構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，產(chǎn)生的脈沖信號送入內(nèi)部時鐘電路。為減小寄生電容和保證振蕩器更穩(wěn)定的工作，晶振和電容安裝時應(yīng)盡量與 XTAL XTAL2 靠近。 2．外部時鐘方式使用現(xiàn)成的外部振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號，外部時鐘信號接XTAL1端， XTAL2端懸空。 復(fù)位電路：在時鐘電路工作之后，只要在 RST引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，單片機就可以復(fù)位。本設(shè)計采用手動復(fù)位，按下復(fù)位鍵電容放電，電容迅速放電，RST變?yōu)楦唠娖剑?dāng)復(fù)位鍵彈起后，電源 VCC 對電容重新充電，使 RST 引腳出現(xiàn)正脈沖而復(fù)位。 硬件設(shè)計總體思路 如下圖 所示， 通過 P1 口發(fā)送脈沖信號。 。 P0口和 P2口接兩個共陽極的數(shù)碼管分別顯示步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向和速度等級。即給步進(jìn)電機發(fā)送一個脈沖，電機轉(zhuǎn)動 。故本設(shè)計采用軟件分配法。 硬件分配法 以