基于单片机控制的步进电机控制系统毕业论文.doc 24页

'目录1绪论…………………………………………………………………………………32步进电机原理及硬件软件设计……………………………………………………42.1步进电机原理及其控制技术………………………………………………42.2总体设计方框图……………………………………………………………72.3设计原理分析………………………………………………………………72.3.1元器件介绍…………………………………………………………72.3.2方案论证…………………………………………………………92.3.3硬件设计……………………………………………………………92.3.4软件设计…………………………………………………………123结论…………………………………………………………………………………15参考文献……………………………………………………………………………16附录1电路原理图…………………………………………………………………17附录2程序清单……………………………………………………………………18致谢…………………………………………………………………………………2122 基于步进电机控制系统的设计摘要步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、Ｉ/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分配器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动。随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来,步进电机的应用得到大大提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪、磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日惧增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强、价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。关键词：8051单片机,四相步进电机,控制22 Realizesbasedonsinglechipmicrocomputer51thestepingmotorthecontrolsystemABSTRACTSteppermotorisasteppermotorforpreciseelectricalandmechanicalactuators,whicharewidelyusedinindustrialmachinery,digitalcontrol,forthesystemreliability,interoperability,maintainability,andcost-optimal,accordingtothecontrolsystemfunctionalrequirementsandControlsystemthroughthemicrocontrollermemory,I/Ointerface,interrupt,keyboard,LEDdisplayoftheexpansionoftheannulardistributorsteppingmotor,driveandprotectioncircuit,man-machineinterfacecircuit,interruptsystemandresetcircuit,asinglevoltagedrivecircuit,etc.designedtoachieveafour-phasesteppermotorrotating,andemergencystopfunctions. ToachievethesteppingmotorsysteminNCMachineTools,systemdesign,twoexternalinterrupts,inordertoachievewithinacertainperiodoftimesteppermotorrepeatedReversiblefunction,ie,theturretCNCautomaticfeed movement.Withthecontinuousdevelopmentofsinglechipmicrocomputer,microcontrollerinhouseholdelectronicproductswidelyapplied,sincethesincetheearlysixties,thesteppermotorapplicationsaregreatlyenhanced. Peopleuseittodrivetheclockandotherinstrumentswithpointers,printers,plotters,diskCD-ROMdrive,avarietyofautomaticcontrolvalves,varioustools,aswellasrobotsandothermechanicaldevices. Inaddition,astheacInaddition,astheactuator,steppermotorisoneofmechanicalandelectricalintegrationofthekeyproductsarewidelyusedinavarietyofautomaticcontrolsystems,microelectronicsandcomputertechnologywiththedevelopmentofitsrequirementswiththeJapanesefearofgrowinginall thefieldofapplicationofthenationaleconomyhas. Steppermotordigitalcontrolsystemofelectromechanicalactuatorscommonlyused,duetoitshighprecision,smallsize,flexibletocontrol,sothesmartmeterandpositioncontrolhasbeenwidelyusedinlarge-scaleintegratedcircuitstechnologydevelopment,andSCM Theincreasingpopularityofdesignfeatures,thelowest22 priceofthesteppermotorcontroldriverprovidesadvancedtechnologyandadequateresources.Keywords:singlechipmicrocomputer8051,four-phasestepmotor,control1.绪论早在十九世纪三十年代就出现了步进电机，那时候的步进电机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电机没有什么区别。我国对步进电机的研制及应用起步不算太晚，早在1958年，我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电机，并开始应用于数控机床中，进入上世纪六十年代中期，结构新颖的步进电机相继问世，为了降低电动机功耗以及提高效率，人们发明了永磁式和混合式步进电动机。到上世纪七十年代，步进电机的生产进入了全盛时期，其产量每年都以11%的指数递增。到目前为止，步进电机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面，所以对步进电机的研究越来越重要。国外方面，1952年，美国麻省工学院首先研制成三坐标数控铣床。数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件一直是争论的焦点，经过理论分析和现场试验，发现使用步进电机作为进给机构的驱动元件是理想的选择，这一应用使得步进电机的使用范围更加广泛。步进电动机已成为初直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置。在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为了适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应有十分广泛的一类便是步进电动机。步进电机的发展与计算机工业密切相关，自从步进电机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用于其它领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。22 任何一种产品的成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式、和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电机，由于混合式步进电机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。由于步进电机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动机水平。步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。单片机在一个集成芯片中，集成有微处理器(CPU)、存储器（RAM和ROM）、基本的Ｉ/O接口以及定时/计数部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。步进电机的控制部分以单片机为主的微处理器控制，其特点如下：1.灵活性和适应性。微处理器的控制方式是由软件完成时，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只需修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。2.可以实现较复杂的控制，控制精度高。微处理器有更强的逻辑功能、运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。并且不论控制量的大或小，都可以保证足够的控制精度。3.可提供人机界面。在电机的控制中，要用到键盘和显示器作为人机界面，实现步进电机的控制。由于单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，指令功能强，运行速度快，可靠性高及灵活性好，开发也较为容易，所以国内近些年来已将其广泛应用于工业测控、机电设备、仪器仪表、军事设置、家用电器等方面的自动化、智能化。2.步进电机原理及硬件软件设计2.1步进电机原理及其控制技术由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器,控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大.以达到驱动步进电机目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制222 个方面。从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种,其基本原理如下：(1)换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如,三相步进电机在单三拍的工作方式下,其各相通电顺序为A→B→C→A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。三相双三拍的通电顺序为AB→BC→CA→AB,三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。(2)步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通电换相,即A→AC→C→CB→B→BA→A,则电机就反转。其他方式情况类似。(3)步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。2个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。(4)步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。(5)步进电机的加减速控制在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和丢步现象。所以步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时必须有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”,与此类似“,停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程由突跳频率加加速曲线组成(减速过程反之)。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率f0。步进电机的最高起动频率(突跳频率)一般为0.1kHz到3～4kHz22 ,而最高运行频率则可以达到N×102kHz,以超过最高起动频率的频率直接起动,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即阶梯加速法。一般可按2种情况处理:①已知突跳频率则按突跳频率分段起动,分段数n=fP、f0;②未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量(后称阶梯频率)Δf=fP8,即采用8段拟合。在运行控制过程中,将起始的速度(频率)分为n分,作为阶梯频率,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图1所示。在一般的应用中,经过大量实践和反复验证,频率如按直线上升或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。用PLC实现步进电机的加减速控制,实际上就是控制发脉冲的频率。加速时,使脉冲频率增高,减速时则相反。如果使用定时器来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从v1～v2变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加P减速;如果是突变,则按阶梯加速法处理。在此过程中要处理好2个问题:①速度转换时间应尽量短　为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率,就可以建立一个连续的数据表,并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值,就可控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的,并不占用中断时间,保证电机的高速运行。②保证控制速度的精确性　要从一个速度准确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。(6)步进电机的换向控制步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→加速3个过程。22 步进电机有如下特点：①步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。②由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，有非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。③步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。④速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。⑤步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。⑥步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。2.2总体设计方框图总体设计方框图如图2所示。状态显示电路电源及时钟电路89C51单片机复位电路键盘控制电路ULN2803驱动电路步进电机图2总体设计方框图2.3设计原理分析2.3.1元器件介绍(1)步进电机步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机分三种：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。22 步进电动机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动、反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于在开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电动机为数字/角度转换器。①四相步进电机的工作原理该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。②步进电机的静态指标及术语相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿电机为例。四相运行时步距角为θ=360度/(50＊4)=1.8度，八拍运行时步距角为θ=360度/（50＊8）=0.9度。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。静转矩：电机在额定静态作用下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子与转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。③四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍，和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图3a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律表1、2所示。在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定的程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉频率一定要控制在步进电机允许的范围内。22 图3步进电机工作时序波形图表1四相单四拍脉冲分配表表2四相双四拍脉冲分配表(2)89C51单片机Atmel公司的生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的FlashROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。(3)ULN2003芯片功能ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。22 ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。其方框图如图4所示图4ULN2003方框图2.3.2方案论证从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向指示，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线和一根启动信号线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选用的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度的四相步进电机，该电机共有4相绕组，工作电压为＋5伏，可以和单片机共用一个电源。步进电机的4相绕组用P1口的P1.0-P1.3控制，由于P1口驱动能力不够，因而用一片2003增加驱动能力。用串口输出方式显示，外接串并转换芯片74LS164可以实现静态显示，减少了软件开销，同时只占两根口线，串口P3.0、P3.1外扩两片74LS164串并转换芯片即可满足显示要求，选用共阳接法的数码管。2.3.3硬件设计本设计的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分组成。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需求进行操作；最小系统主要是为了使单片机正常工作；驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电路转动；显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。(1)控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制、换向控制、加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图522 所示。通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P1.0和P1.1的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3控制外部中断0，外部中断1，实现加速和减速的控制。通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。图5控制电路原理图(2)最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。复位电路：使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。该设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了6路独立示键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路有两30PF的电容和一12M晶体震荡器组成为正个电路提供时钟频率。电路如图6所示。晶振电路：8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图522 所示。其电容值一般在5-30pf,晶振频率的典型值为12MHZ，采用6MHZ的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。图6复位及时钟振荡电路(3)驱动电路通过ULN2803构成步进电机的驱动电路,电路图如图2所示。通过单片机TA89S5的P2.2—P2.5口经7407缓冲器和光电偶合后对ULN2803的IB1～IB4口发送方波脉冲信号，起时序图如图7示。22 图7步进电机驱动电路(4)显示电路在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的串行口，单片机89C51的串行口是一个全双工的串行通信口，可作为同步移位寄存器使用，其数据由RXD（P3.0）端串行输出和输入；而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，在同步时钟作用下，可实现由串行到并行的数据通信。该电路中，主要是利用串行口加外围芯片74HC164构成的电机状态及转速等级显示电路，第一个数码管显示电机状态，正转时显示“0”，反转时显示“－”。第二个数码管显示电机的转速级别，共7级，显示数字从1~7，“0”为停止。电路如图8所示，使用了共阳数码管。22 图8电机运行状态及转速显示电路(5)+5V稳压电源电路中用到的模块电源大多是+5V的直流电源，本设计同时设计一个+5V的稳压电源。电路为输出电压+5V，输出电流1.5A稳压电源。它的电压变压器B，桥式整流电路D1~D4，滤波电容C1、C3，防止自激电路C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成。200V交流电通过电源变压器变换成交流低压，在经过桥式整流电路D1~D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生精度高、稳定性好的直流输出电压。稳压电源电路如图9所示。图95V稳压电源2.3.4软件设计22 通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、减速信号和方向信号，因而用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0及外部中断1中断部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。(1)主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式、速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度、对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均设为0，这意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“8”，速度值显示0，主程序流程如图10所示：停止计时器停止计时器启动计时器速度值为0?延时启动开关为0?显示初始化开始NNＹＹ22 图10主程序流程图(2)定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，步进电机的速度就越高。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数。因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图11所示。(3)外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为读原数据，当值＝7时，不改变原数值返回，值＜7，数据＋1返回；速度减少按钮S3，当原数据不为0，减1保存数据，原数据为0则保持不变。程序流程图如图12所示。T0中断入口保护现场中断次数—1=0？读方向指示发速度脉冲重送相关状态恢复现场中断返回YN图11定时中断程序流程图22 速度值＝上下限值？NYYN按钮抬起?外部中断入口保护现场延时去抖速度值±1恢复现场中断返回图12外部中断程序流程图3.结论22 本设计通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的生产场合，又可很有效的用于职业学校的相关实践教学中的步进电机控制系统，达到了预期的目标。对于本次设计，有以下结论：(1)采用单片机为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便、交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。（2）键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术，节约了单片机资源。（3）系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。同时，本人深知自己做的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待于进一步提高。由于时间的原因，设备的原因，试验做的不好不够，相关验证性的数据、信息不够丰富。可以肯定，随着技术的不断发展，步进电机的控制应用前景将越来越宽阔，而其控制系统也将向着智能化和网络化的方向发展。本论文的研究和探讨还远远不够，我们要在现在的基础上，不断吸取新的技术和方法，并将它们应用于本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取有更多的收获。参考文献[1]李国厚.步进电机驱动与控制系统的设计［Ｍ］.河南：PLC技术与应用，2009[9]:2-5.[2]李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）[Ｍ].北京:北京航空大学出版社,2005[3]王晓明.电动机的单片机控制（第二版）［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，2007[4]蒋辉平.周国雄.单片机原理及应用技术［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，2007[5]张大明.单片机控制实训指导及综合应用［Ｍ］.北京：机械工业出版社，2007[6]张迎新.单片机初级教程（第二版）［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，2006[7]刘玉宾.朱焕立.单片机原理及接口技术［Ｍ］.北京：机械工业出版社，200422 [8]谢自美.电子线路设计实验测试（第三版）[Ｍ].武汉：华中科技大学出饭社，2006[9]童诗白.华成英.模拟电子技术基础(第三版)[Ｍ].北京:高等教育出版社,2001[10]万光毅.单片机实验与实践教程(第二版)[Ｍ].北京:北京航空航天大学出版社,2006年,第2版[11]杨辉媛.杨红海.谭伟杰.基于AT89C51单片机步进电机控制系统的设计［Ｍ］.2002[7]:1-3.附录1电路原理图22 附录2程序清单22SPEEDEQU10HFXEQU11HCOUNTEQU12HORG0000AJMPMAINORG0003HAJMPUPORG0013HAJMPDOWNORG000BHAJMPZDT0ORG0030HMAIN:MOVSP,#60HMOVTMOD,#01HMOVTH0,#0CFHMOVTL0,#02CHMOVCOUNT,#01HSETBET0CLRIT0CLRIT1SETBEX0SETBEX1SETBEAMOVP1,#11HMOVSPEED,#00HMOVFX,#00HXIANS:MOVA,SPEEDMOVDPTR,#LEDMOVCA,@A+DPTRMOVSBUF,AMOVR6,#5DJNZR6,$MOVA,FXMOVSBUF,AQD:JBP3.4,DDCLRTR022 AJMPQDDD:MOVA,SPEEDJNZGOCLRTR0AJMPQDGO:SETBTR0ACALLDELAYAJMPXIANSDELAY:MOVR6,#10DEL1:MOVR7,#250DJNZR7,$DJNZR6,DEL1RETZDT0:PUSHACCPUSHDPHPUSHDPLMOVTH0,#0D8HMOVTL0,#0F0HDJNZCOUNT,EXITMOVA,FXCJNEA,#11H,FZMOVA,P1RRAMOVP1,AAJMPREFZ:MOVA,P1RLAMOVP1,ARE:MOVA,SPEEDMOVDPTR,#TABMOVCA,@A+DPTRMOVCOUNT,AJBP3.5,FFXMOVFX,#11HAJMPEXITFFX:MOVFX,#FEHEXIT:POPDPLPOPDPHPOPACCRETIUP:PUSHACCACALLDELAYJBP3.2,UPEXMOVA,SPEEDCJNEA,#7,SZAJMPUPEXSZ:INCSPEED22 UPEX:POPACCJNBP3.2,$RETIDOWN:PUSHACCACALLDELAYJBP3.3,DEXMOVA,SPEEDCJNEA,#0,SJAJMPDEXSJ:DECSPEEDDEX:POPACCJNBP3.3,$RETITAB:DB0,20,15,11,7,4,2,1LED:DB11H,0D7H,32H,92H,0D4H,98H,18H,D3HDB10H,90H,50H,3EH,9CH,7AH,9EH,8EHEND24 致谢值此论文完成之际，首先衷心感谢我的导师。在几个月的论文写作期间，田老师在课题和格式等多方面给我很大的帮助和指导，本课题的选择和撰写等各个环节，都凝聚了导师的辛勤汗水和大量心血，提供了很多的专业知识，给予热情的指导，在此谨向他表示诚挚的谢意。田老师渊博的知识、敏捷的思维、严谨的治学态度将使我终身受益。24'