【正文】 。然而實(shí)際使用中，大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)都是在帶有負(fù)載的情況下啟動，因此，所以產(chǎn)品介紹通常會以表格或曲線的形式給出啟動的矩頻特性，即啟動頻率特性，以便確定負(fù)載啟動頻率。運(yùn)行頻率是衡量步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電變化頻率快慢的一個重要參數(shù)。運(yùn)行頻率隨負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開環(huán)控制，不需要反饋信號。 四相電機(jī)運(yùn)行時，可以是四相中每次只有一相繞組通電來工作，也可以是兩相同時通電，或者是單相和兩相交替通電。這里所謂的“四相”是指步進(jìn)電機(jī)具有四相定子繞組；“單”是指每次只有一相繞組通電；“四拍”是指四次換接為一個循環(huán)，第五次換接重復(fù)第一次的情況。電機(jī)的通電順序?yàn)锳BCDAB...，如表11所示。電機(jī)的通電順序?yàn)锳BBCCDDAABBC...，如表12所示。電機(jī)的通電順序?yàn)锳ABBBCCCDDDAAAB...，如表13所示。使用單片機(jī)的定時器0，把工作方式設(shè)置為1，單片機(jī)的每一次中斷都會給步進(jìn)電機(jī)的繞組輸入一個脈沖電壓，步進(jìn)電機(jī)隨即將脈沖信號轉(zhuǎn)化為線位移或角位移，轉(zhuǎn)動一個角度。環(huán)形脈沖分配器的作用是將輸入的連續(xù)脈沖信號，按照一定的規(guī)律順序，分別分配給驅(qū)動元件的各個端口。由于環(huán)形脈沖分配器輸出的脈沖信號電流很小，往往只有幾微安，所以要想驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作就需要添加功率放大器，將功率就行放大。但是，若采用基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，由軟件代替脈沖發(fā)生器和環(huán)形分配器的作用，不僅大大簡化了電路的組成，也降低了成本，穩(wěn)定性和可靠性也大大提高。常用的基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖，如圖15所示：圖15 基于單片機(jī)的控制系統(tǒng) 將圖2與圖1相比，主要區(qū)別在與用單片機(jī)代替了脈沖發(fā)生器和環(huán)形分配器的作用。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入線上得到一個脈沖，它使沿著方向控制線信號所確定的方向行進(jìn)。若能已知其行進(jìn)的步數(shù)和行進(jìn)前的初始位置。其中較常用的控制電路是采用硬件電路的方式，即利用數(shù)字邏輯單元組成的電子電路。缺點(diǎn)是功能性比較單一，電路的功能不能更改。（2）基于單片機(jī)的控制方式:采用基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制方式，實(shí)現(xiàn)了軟、硬件相結(jié)合的控制方法。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可以擴(kuò)張大量的外圍電路，鍵盤作為一個外圍中斷源，可控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速等功能，也可以利用數(shù)碼管作為顯示電路，來顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，電路設(shè)計(jì)工作量相對較大。通過PLC，將控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)的上。采用軟件環(huán)形分配器時，占用PLC資源較多，電路結(jié)構(gòu)簡單；而采用硬件環(huán)形分配器時，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，PLC資源占用較少，但增加成本。缺點(diǎn)是不能在高頻率下對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，且控制精度小。結(jié)合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成本等因素的考量，故本設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方式。 硬件部分主要是以，本設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)是，通過軟、硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的、/、功能，并且將電機(jī)的在上。其中、是本次設(shè)計(jì)的。凌陽單片機(jī)是一款控制處理數(shù)據(jù)以及數(shù)字信號處理的設(shè)備。它具有集成度高、數(shù)/?；旌稀⒐δ苋?、低功耗、低電壓和易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，并且能用電池供電，具有較強(qiáng)的中斷處理能力。缺點(diǎn)是價格較貴，不利于提高產(chǎn)品的性價比。51單片機(jī)是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)。同時，它的價格低廉，有利于提高性價比。現(xiàn)實(shí)生活中，為了使電路更穩(wěn)定的工作，有時單片機(jī)芯片需要具有一定的抗干擾能力以及一定范圍的工作環(huán)境溫度等等特殊的要求。按抗干擾能力方面的要求，由于本次設(shè)計(jì)的功能有限，一般的單片機(jī)均能滿足該要求，因此，抗干擾方面不需要特別考慮。此外，本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)最好具有豐富的相關(guān)學(xué)習(xí)資料，便于查找學(xué)習(xí)，使其具有更高的通用性。綜上所述，通過從各方面的綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案二51單片機(jī)作為主控芯片。 驅(qū)動電機(jī)芯片的選擇方案一： 使用驅(qū)動芯片ULN2003。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由組成的，并且。特點(diǎn)是高、高、強(qiáng)、好、小、低廉等等。L298N芯片屬于H橋集成電路。由于其輸出電流大、功率大的特點(diǎn)，可以直接驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行工作。該芯片具有體積小，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是使用該芯片時需要添加光電耦合器件，進(jìn)行光電隔離，消除電機(jī)對單片機(jī)產(chǎn)生的干擾，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。 顯示電路的選擇方案一:采用LCD液晶顯示器。缺點(diǎn)是對單片機(jī)的接口要求高，一般多采用并行接口，占用資源多，同時也需要專門的驅(qū)動電路，且器件價格昂貴。LED數(shù)碼管的顯示模塊的數(shù)碼管。采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，具有亮度高、響應(yīng)速度快、防潮防濕性能好、使用壽命長、硬件電路簡單、編程簡便、顯示信息清晰、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但占用單片機(jī)I/O端口較多。 步進(jìn)電機(jī)的選擇由于本次設(shè)計(jì)的供電電源是5V的直流電源，STC89C51單片機(jī)的VCC電壓也為5V，該設(shè)計(jì)的最高電壓也是5V。28BYJ48步進(jìn)電機(jī)屬于四相八拍電機(jī)，輸入電壓范圍為直流5V12V。例如，當(dāng)輸入步進(jìn)電機(jī)的通電狀態(tài)改變一次時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子也就轉(zhuǎn)過對應(yīng)的一個步距角，與之相對。帶4K，是典型的嵌入。單片機(jī)如圖31所示：圖31 單片機(jī) 鍵盤控制電路根據(jù)控制系統(tǒng)功能的要求，需要設(shè)置四個控制按鍵，即：KKKK5，分別來控制步進(jìn)電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向、加速和減速功能。通過KK3狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向控制功能。由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是受輸入步進(jìn)電機(jī)的頻率大小所決定的。本設(shè)計(jì)采用是定時中斷的方法。根據(jù)K4或K5按鍵開關(guān)的輸入次數(shù)，將其輸入到單片機(jī)中，更改程序定時器中的中斷次數(shù)，改變輸出的脈沖頻率，繼而，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)加速或減速的控制。（1）復(fù)位及復(fù)位電路的設(shè)計(jì)：在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是不可缺少的。要實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，必須使單片機(jī)RESET管腳至少保持2個機(jī)器周期以上的高電平即可。單片機(jī)的復(fù)位電路有很多種，主要分為上電復(fù)位和手動按鍵復(fù)位兩種。手動按鍵復(fù)位方式的工作原理：當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)K1時，電源VCC與單片機(jī)的復(fù)位口RST直接相連，將復(fù)位端口置于高電平，極性電容C2也放電；當(dāng)松開復(fù)位開關(guān)K1時，由于電容兩端的電壓值不能突變，故復(fù)位端口RST仍為高電平，此時電源VCC對電容C2充電，直至充電完成，電容相當(dāng)于開路，復(fù)位端口RST被置為低電平，電路復(fù)位工作完成。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，所有的工作都是在一個節(jié)拍（時鐘）下同步工作，這樣才不會出現(xiàn)沖突。在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)的工作快慢主要取決于時鐘電路中晶振頻率的大小。時鐘電路的地一定要和同一時鐘的芯片的地共地。在單片機(jī)系統(tǒng)中，時鐘信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。晶振電路是由兩個30PF的電容和一個12M的晶體振蕩器組成的，兩端分別跨接在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2的兩個端口上。 圖33 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管顯示器，也稱為LED顯示器，通常是由多個發(fā)光二極管組成的，可以顯示字段的顯示器件。各段LED顯示器需要由驅(qū)動電路驅(qū)動。按發(fā)光二極管單元連接方式的不同，數(shù)碼管可分為以下兩類： （1）共陽極接法。當(dāng)輸入端為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通點(diǎn)亮，可以顯示相應(yīng)的字符信息。 （2）共陰極接法。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。如圖35所示。數(shù)碼管選用7段共陽4位LED,第一位顯示步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，第一位顯示“0”或“1”，第三、四位顯示電機(jī)的速度等級。而第三四位顯示的速度等級有10個，即“00”到“10”。ULN2003芯片是高壓、大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品。具有電流增益高、工作電壓高、驅(qū)動能力強(qiáng)、體積小、價格低廉等特點(diǎn)，通常被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)、PLC、儀表電器等控制驅(qū)動電路中。因此，它被廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。它的管腳連接圖如圖37所示:圖37 ULN2003管腳連接圖其主要特性如表38，所示：表38 ULN2003主要特性參數(shù)輸入電流/(mA)輸入電壓/（V)功耗/(W)工作溫度/(℃)數(shù)值2530120~+85ULN2003芯片的特點(diǎn)：（1） ULN2003，在5V的工作電壓下，它能來處理的數(shù)據(jù)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的工作過程是： 首先，單片機(jī)從P1口輸出00000001B，同時，所以這四個管腳中每時每刻只有一個管腳處于導(dǎo)通狀態(tài)，剩余的三個管腳則處于斷開狀態(tài)（單片機(jī)采用的是單拍方式對步進(jìn)電機(jī)控制）。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖39所示：圖39 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理圖 步進(jìn)電機(jī)的其他電路 步進(jìn)電機(jī)的其他部分電路，包括5V電源電路和下載接口電路，如圖310和311所示： 圖310 5V電源電路 圖311 下載接口電路 將各部分接口外圍電路，通過單片機(jī)使各部分結(jié)合起來形成一個完整的電路，如附錄：系統(tǒng)總體電路圖所示。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)動的速度，并通過發(fā)光二極管指示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的快慢，即四個發(fā)光二極管來回閃爍的速度越快則表明步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度越快；反之，則越慢。同時，數(shù)碼管顯示模塊中的第一位可以實(shí)時顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)向，“0”表示正轉(zhuǎn)，“1”表示反轉(zhuǎn)；第三、四位則實(shí)時的顯示電機(jī)的速度等級，變化范圍為“01”至“10”；而第二位數(shù)碼管不顯示，以區(qū)分開電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的顯示信息。本設(shè)計(jì)中，主程序采用的是查詢尋址方式掃描鍵盤端口，檢查按鍵是否發(fā)生動作，此時，調(diào)用的是讀取按鍵子程序進(jìn)行工作 ；若有按鍵發(fā)生動作，則進(jìn)入按鍵處理子程序，根據(jù)按鍵的次數(shù)，更改程序定時器的中斷次數(shù)，改變輸出的中斷次數(shù)，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。 主程序流程圖開始初始化調(diào)按鍵、顯示子程序調(diào)按鍵子程序調(diào)用正反轉(zhuǎn)子程序調(diào)用加減速子程序停止圖41 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖 讀按鍵子程序流程圖按鍵電路采用的是掃描方法，與初始值進(jìn)行比較，若兩者相等，則說明按鍵沒有被按下；若兩者不相等，則進(jìn)行軟件消抖，確認(rèn)按鍵是否被按下。如圖42所示:啟動否是否有鍵按下處理鍵盤子程序是圖42 掃描鍵盤字程序流程圖 按鍵處理子程序流程圖初始化變量開始退出TR0取反，通過啟停T0啟停步進(jìn)電機(jī)取反方向控制為，改變電機(jī)轉(zhuǎn)動方向修改速度參數(shù)值，減速修改速度參數(shù)值，加速 是是是是圖43鍵盤處理子程序流程圖 電機(jī)控制中斷程序流程圖開始設(shè)置T0時間參數(shù)判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值有控制位查詢輸出脈沖退出改變方向控制變量值是圖44 定時器中斷0服務(wù)程序流程圖5 仿真與測試 仿真軟件介紹 Proteus軟件是由化軟件。該軟件可以實(shí)現(xiàn)多種軟件的功能，例如:原理圖的繪制、電路圖的仿真與測量以及生成PCB文件等等。 由于Proteus軟件操作簡單，易于掌握，且通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，相信在不遠(yuǎn)的未來會有更多的電子工作者學(xué)習(xí)并使用它。由于Proteus軟件具有良好的仿真特性，能對輸出的信號進(jìn)行準(zhǔn)確測量、分析，節(jié)省了大量的動手操作時間，更加方便于電子產(chǎn)品初期制作的操作需求。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路軟件仿真步驟如下：（1） 打開Proteus仿真軟件；（2） 在軟件的元器件庫中選擇所需的元器件；（3） 按照硬件電路設(shè)計(jì)方案連線；（4） 將生成的HEX文件添加到單片機(jī)芯片中；（5） 保存工程文件，并編譯。 系統(tǒng)