1、單片機課程設計課題：步進電機加減速設計系 別： 電氣與電子工程系專 業： 姓 名： 學 號：1、 設計目的通過這次課程設計，掌握51單片機的原理，了解步進電機的工作原理，提高動手能力和排除故障的能力。同時通過本次設計與調試，調高自己的動手能力，鞏固已學的理論知識，建立單片機理論和實踐的結合，了解步進電機控制系統中電路之間的關系及相互影響，從而能正確設計各個單元電路。初步掌握步進電機控制系統的測試方法。提高動手能力和排除故障的能力。二、設計要求1、 設置開始、停止及加減速鍵。2、 要求顯示運行狀態，并設置一個極限值，當速度超過極限值時發出報警信號。3、 總體設計89c51單片機復位電路鍵盤控制電

2、路uln2803啟動電路步進電機狀態顯示電路電源及時鐘電路圖2 總體設計方框圖硬件部分 本設計的硬件電路只要包括控制電路、最小系統、驅動電路、顯示電路四大部分。最小系統只要是為了使單片機正常工作?？刂齐娐分灰砷_關和按鍵組成，由操作者根據相應的工作需要進行操作。顯示電路主要是為了顯示電機的工作狀態和轉速。驅動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅動電機轉動。軟件部分單片機控制主程序，定時中斷程序，外部中斷程序以及顯示子程序。四、各部分電路設計1.步進電機原理及硬件和軟件設計1.1步進電機原理及控制技術 由于步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執行元件，它不能直接接到交直流電

3、源上，而必須使用專業設備-步進電機控制驅動器，典型步進電機控制系統如圖1所示：控制器可以發出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續變化的脈沖信號，它為環形分配器提供脈沖序列，環形分配器的主要功能是把來自控制環節的脈沖序列按一定的規律分配后，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸入端，以驅動步進電機的轉動，環形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現環形分配器要求的功能，通常稱軟環形分配器。另一類是用硬件構成的環形分配器，通常稱硬環形分配器。功率放大器主要對環形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機的目的，步進電機的基本控制包括轉向控制和速度控制兩個方面。從結構上看，

4、步進電機分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本原理如下：（1） 換相順序的控制通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進電機在單三拍的工作方式下，其各相通電順序為abca，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制a、b、c相的通斷。三相雙三拍的通電順序為abbccaab，三相六拍的通電順序為aabbbcccaa。（2） 步進電機的速度控制如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調試。（3） 步進電機的起?？刂撇竭M電機由于其電氣特性，運轉時會有步進感。為了使電機轉動平

5、滑，減小振動，可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波，可以減小步進電機的步進角，跳過電機運行的平穩性。在步進電機停轉時，為了防止因慣性而使電機軸產生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產生鎖定磁力矩，鎖定步進電機的轉軸，使步進電機轉軸不能自由轉動。（4） 步進電機的加減速控制在步進電機控制系統中，通過實驗發現，如果信號變化太快，步進電機由于慣性跟不上電信號的變化，這時就會產生堵轉和失步現象。所有步進電機在啟動時，必須有加速過程，在停止時波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數曲線，步進電機整個降速過程頻率變化規律是整個加速過程頻率變化規律的逆過程。選定的曲線比較符合步進電機升降過程的運

6、行規律，能充分利用步進電機的有效轉矩，快速響應性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現象。在一個實際的控制系統中，要根據負載的情況來選擇步進電機。步進電機能響應而不失步的最高步進頻率稱為“啟動頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統控制信號突然關斷，步進電機不沖過目標位置的最高步進頻率。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉矩都要和負載的轉動慣量相適應，有了這些數據，才能有效地對電機進行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動頻率f0。步進電機的最高啟動頻率（突跳頻率）一般為0.1khz到34khz，而最高運行頻率則可以達到n*102khz，以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動，會產生堵轉和失步的現象

7、。f/hzfa fb0t/s圖1 步進電機運行過程中頻率變化曲線在一般的應用中，經過大量實踐和反復驗證，頻率如按直線上升或下降，控制效果就可以滿足常規的應用要求。用plc實現步進電機的加p減速控制，實踐上就是控制發脈沖的頻率。加速時，使脈沖頻率增高，減速則相反。如果使用定時器來控制電機的速度，加減速控制就是不斷改變定時中斷的設定值。速度從v1v2變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加p減速；如果是突變，則按階梯加速處理。在此過程中要處理好兩個問題：速度轉換時間應盡量短。為了縮短速度轉換的時間，可以采用建立數據表的方法。結合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個連續的數據表，并通過轉換

8、程序將其轉換為定時初始表。通過在不同的階段調用相應的定時初值，就可控制電機的運行。定時初值的計算是在定時中斷外實現的，并不占用中斷時間，保證電機的高速運行。保證控制速度的精確性。要從一個速度準確達到另一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達到所需速度。1.2設計原理分析1.2.1元器件介紹（1） 步進電機 步進電機分三種：永磁式（pm），反應式（vr）和混合式(hb)，步進電機又稱為脈沖電機，是工業過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉和制動的執行元件，其功用是將電脈沖轉換為相應的角位移或直線位移，由于開環下就能實現精確定位的特點，使其在工業控制領域獲得了廣泛應用。步進電機的運轉是由電脈

9、沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數成正比，每個一個脈沖，步進電機就轉動一個角度（不距角）或前進、倒退一步。步進電機旋轉的角度由輸入的電脈沖數確定，所以，也有人稱步進電機為數字/角度轉換器。 步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 四相步進電機的工作原理 該設計采用了28bjy-48型步進電機，該電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適

10、的時序通電，就能使步進電機轉動。當某一相繞組通電時，對應的磁極產生磁場，并與轉子形成磁路，這時，如果定子和轉子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉子將轉動一定的角度，使轉子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉的原因。 步進電機的靜態指標及術語 相數：產生不同對n、s磁場的激磁線圈對數，常用m表示。 拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即abbccddaab,四相八拍運行方式即aabbbcccdddaa。步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表示。=360度（

11、轉子齒角運行拍數），以常規二、四相，轉子齒角為50齒角電機為例。四相運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度，八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度。定位轉矩：電機在不通電的狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。靜轉矩：電機在額定靜態作業下，電機不做旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜態轉矩與電磁激磁匝數成正比，與定子和轉子間的氣隙有關。但過分采用減小氣隙，增加勵磁匝數來提高靜轉矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。 四相步進電機的脈沖分配規律 目前，對步進電機的控制主要有分

12、散器件組成的環形脈沖分配器、軟件環形脈沖分配器、專用集成芯片環形脈沖分配器等。本設計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環形脈沖分配。四相步進電機的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序 與波形分別如圖3 a、b、c所示: 本設計的電機工作方式為四相單四拍，根據步進電機的工作的時序和波形圖，總結出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規律，四相雙四拍的脈沖分配規律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現失步現象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內。步進電機的技術參數：步進電

13、機型號本次設計所采用的電機型號：28bjy-48 四相五線微型步進電機實物如下圖：步進電機的基本參數：（2）89c52單片機 atmel公司生產的89c52單片機是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片機，它采用cmos和高密度非易失性存儲技術，而且其輸出引腳和指令系統都與mcs-51兼容；片內的flash rom允許在系統內改編程序或用常規的非易失性編程器來編程，內部除cpu外，還包括256字節ram，4個8位并行i/o口，5個中斷源，2個中斷優先級，2個16位可編程定時計數器，89c51單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統設計需要。1.2.2方案論證從該系統的設計 要

14、求可知，該系統的輸入量為速度，速度應該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線。系統的輸出線與步進電機的繞組數有關。這里選步進電機，該電機共有四相繞組，工作電壓為+5v，可以個單片機共用一個電源。步進電機的四相繞組用p1口的p1.0p1.3控制，由于p1口驅動能力不夠，因而用一片2803增加驅動能力。用p2口控制數碼管用于顯示轉速等級。數碼管采用共陽的。1.2.3硬件設計（1）控制電路根據系統的控制要求，控制輸入部分設置了啟動控制，減速控制按鈕，分別是k1、.s2、s3，控制電路如圖4所示。通過k1、狀態變化來實現電機的啟動功能。當k1、的狀態變化時，內部程序檢測p1.0和p1.1

15、的狀態來調用相應的啟動程序，發現系統的電機的啟動控制。根據步進電機的工作原理可以知道，步進電機轉速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉速。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機的轉速控制主要是通過定時器的中斷來實現的，該電路控制電機加速度主要是通過s2、s3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據按鍵次數，改變速度值存儲區中的數據（該數據為定時器的中斷次數），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，從而改變了電機的轉速。圖4 控制電路原理圖（2）最小系統 單片機最小系統或者稱為最小應用系統，素質用最少的元件組成的單片機可以工作的系統，對51系列單片機來說，最小

16、系統一般應該包括：單片機、復位電路、晶振電路。復位電路：使用了獨立式鍵盤，單片機的p1口鍵盤的接口。該設計要求只需4個鍵對步進電機的狀態進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，使用了6路獨立式鍵盤。復位電路采用手動復位，所謂手動復位，是指通過接通一按鈕開關，使單片機進入復位狀態，晶振電路用30pf的電容和一12m晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。如圖5示。晶振電路：8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳xtal1和xtal2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構成了內部晶振方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了

17、自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。內部振蕩方式的外部電路如圖5示。其電容值一般在530pf,晶振頻率的典型值為12mhz,采用6mhz的情況也比較多。內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩定，實用電路實用較多。圖5 復位及時鐘振蕩電路（3）驅動電路通過uln2803構成比較多的驅動電路，電路圖如圖6所示。通過單片機的p1.0p1.3輸出脈沖到uln2803的1b4b口，經信號放大后從1c4c口分別輸出到電機的a、b、c、d四相。圖6 步進電機驅動電路（4）顯示電路 在該步進電機的控制器中，電機可以加速、減速，其中電機轉速的等級分為七級，為了方便知道電機的運行狀態和電機的轉速的等級，這里設計了電機轉速和電

18、機的工作狀態的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機的p2口。采用一個共陽數碼管作顯示。數碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接p2.0p2.6口，用于顯示電機的轉速級別，共七級，即從17轉速依次遞增，“0”表示轉速為零。電路如圖7所示。圖7 顯示電路1.2.4軟件設計通過分析可以看出，實現系統功能可以采用多種方法，由于隨時有可能輸入加速、加速信號和方向信號，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時器中斷部分、外部中斷0和外部中斷1部分，其中主程序的主要功能是系統初始參數的設置及啟動開關的檢測，若啟動開關合上則系統開始工作，反之系統停止

19、工作；定時器部分控制脈沖頻率，它決定了步進電機轉速的快慢；兩個外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析主程序與定時器中斷程序及外部中斷程序。（1）主程序設計主程序中要完成的工作主要有系統初始值的設置、系統狀態的顯示以及各種開關狀態的檢測判斷等。其中系統初始狀態的設置內容較多，該系統中，需要初始化定時器、外部中斷；對p1口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲區送初值決定步進電機的啟動速度，對方向值存儲區送初值決定步進電機旋轉方向等內容。若初始化p1=11h、速度和方向初始值均設為0，就意味著步進電機按四相八拍運行，系統上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉，方向值顯示“0”

20、，速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖9所示。（2）定時中斷設計步進電機的轉動主要是給電機各繞組按一定的時間間隔連續不斷地按規律通入電流，步進電機才會旋轉，時間間隔越短，速度就越快。在這個系統中，這個時間間隔是用定時器重復中斷一定次數產生的，即調節時間間隔就是調節定時器的中斷次數，因而在定時器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機的運行方向、發下一個脈沖，以及保存當前的各種狀態。程序流程圖如圖10所示。中斷返回t0中斷入口發速度脈沖讀方向指示重送相關狀態恢復現場保護現場中斷次數-1=0？ny圖10 定時中斷程序流程圖（3）外部中斷設計 外部中斷所要完成的工作是根據按鍵次數改變速度值存儲區中的數據（

21、該數據為定時器的中斷次數），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，也就改變了電機的轉速。速度增加按鈕s2為int0中斷，其程序流程為原數據，當值等于7時，不改變原數值返回，小于7時，數據加1后返回；速度減少按鈕s3，當原數據不為0，減1保存數據，原數據為0則保持不變。程序流程圖如圖11所示。外部中斷入口保護現場延時去抖中斷返回速度值1恢復現場速度=上或限值？按鈕是否彈起？nnnyy圖11 外部中斷程序流程圖c語言程序如下： #include #define uint unsigned int sbit k1=p34; /啟動開關sbit w2=p35; /換向開關sbit s2=p32; /加速

22、按鈕sbit s3=p33; /減速按鈕sbit beep=p30;void isr_int0(void);/外部中斷0中斷服務函數聲明void isr_int1(void);void zd_t0ist(void);uint speed,count,r1,i,t,k,l,k2;main()k2=1;k=0;t=0;r1=0x11 ;speed=0;count=1;tmod=0x01;et0=1;ea=1;ex0=1;ex1=1;th0=0xcf;tl0=0x2c;for(;) if(w2=0)for(l=550;l0;l-)if(w2=0)while(!w2);k2+;if(k=2)k2=0;

23、if(speed=6)beep=0;elsebeep=1;if(k1=0)p0=0xff;p2=0xff;speed=0;tr0=0;else if(k2=0)p0=0xbf;else p0=0xf9;if(speed=0)p2=0xc0;tr0=0;else tr0=1;void isr_int0(void) interrupt 0if(speed7)speed=speed+1;while(s2=0)for(i=0;i0)speed=speed-1;while(s3=0)for(i=0;i0)t=t-1;if(k2=0)if(t=0)switch(k)case 0:p1=0x01;break;case 1:p1=0x02;break;case 2:p1=0x04;break;case 3:p1=0x08;break;default :break;k=k+1;if(k=4)k=0;else if(t=0)switch(k)case 0:p1=0x08;break;case 1:p1=0x04;break;case 2:p1=0x02;break;case 3:p1=0x01;break;