1、單片機原理與應用技術課程設計報告（論文）基于單片機控制的步進電機控制器專業班級： 電氣113班 姓名： 呂志斌 時 間：2013.11.25-2013.12.14 指導教師： 邵峰 徐君鵬 2013年 12 月 14日單片機課程設計任務書 1設計目的與要求 設計出一個基于單片機控制的步進電機控制器。準確地理解有關要求，獨立完成系統設計，要求所設計的電路具有以下功能： （一）基本功能要求 1.實現步進電機的正反轉控制2.實現步進電機的加速控制3.實現步進電機的減速控制 （二）擴展功能要求 實現電機的正反轉狀態指示及速度快慢指示。2設計內容 （1）畫出電路原理圖，正確使用邏輯關系； （2）確定元器

2、件及元件參數； （3）進行電路模擬仿真； （4）SCH文件生成與打印輸出；3編寫設計報告 寫出設計的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。4 答辯 在規定時間內，完成敘述并回答問題。論文結構清晰，層次分明，理論嚴謹基于單片機控制的步進電機控制器電氣113班 呂志斌摘要：步進電機是一種純粹的數字控制電機，是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。本文應用單片機AT89C51和步進電機驅動器L298，構建了步進電機控制器和驅動器為一體的步進電機控制系統。通過AT89C51和脈沖分配器(又稱邏輯轉換器)完成步進電機的各種運行控制方式，實現步進電機在4相8拍的工作方式下的正反轉控制和加減速控

3、制。整個系統采用模塊化設計，結構簡單，可靠，通過人機交互換接口可實現各功能設置，操作簡單，易于掌握。該系統可應用于步進電機在機電一體化控制等大多數場合。實踐證明，基于單片機控制的步進電機比傳統的步進控制器具有更好的性能，更加簡單、方便、可靠。本設計的主要研究對象就是開環伺服系統中最常用的執行器件步進電機。關鍵詞： 步進電機 AT89C51 電機驅動 正反轉控制 LED顯示1 引言： 步進電機是一種進行精確步進運動的機電執行元件，它廣泛應用于工業機械的數字控制，為使系統的可靠性、通用性、可維護性以及性價比最優，根據控制系統功能要求及步進電機應用環境，確定了設計系統硬件和軟件的功能劃分，從而實現了

4、基于8051單片機的四相步進電機的開環控制系統。控制系統通過單片機存儲器、I/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴展、步進電機的環形分頻器、驅動及保護電路、人機接口電路、中斷系統及復位電路、單電壓驅動電路等的設計，實現了四相步進電機的正反轉，急停等功能。為實現單片機控制步進電機系統在數控機床上的應用，系統設計了兩個外部中斷，以實現步進電機在某段時間內的反復正反轉功能，也即數控機床的刀架自動進給運動，隨著單片機技術的不斷發展，單片機在日用電子產品中的應用越來越廣泛，自六十年代初期以來，步進電機的應用得到很大的提高。人們用它來驅動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、繪圖儀，磁盤光盤驅動器、各種自動控

5、制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。此外作為執行元件，步進電機是機電一體化的關鍵產品之一，被廣泛應用在各種自動化控制系統中，隨著微電子和計算機技術的發展，它的需要量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是機電數字控制系統中常用的執行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應用，大規模集成電路的發展以及單片機技術的迅速普及，為設計功能強，價格低的步進電機控制驅動器提供了先進的技術和充足的資源。2 總體設計方案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。控制電路只要由開關和按鍵組成，由

6、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。總體設計方案的框圖如下圖1所示。2.1步進電機的概念步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個步進電機L298步進電機驅動芯片AT89C51芯片 電源及時鐘電路 LED狀態顯示電路按鍵控制電路圖1系統總框圖脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。我們可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時我們也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

7、在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。  圖2.1步進電機外觀圖2.2 步進電機工作原理 2.2.1步進電機的靜態指標及術語 相數:產生不同隊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

8、。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(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

9、機械噪音。 2.2.2步進電機工作原理 電機的U1、V1、W1接電源，分別有三個開關控制，U2、V2、W2分別接地。如果給處于錯齒狀態的相通電，則轉子在電磁力的作用下，將向磁導率最大（即最小磁阻位置）位置轉動，即向趨于對齒的狀態轉動。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器 。以反應式步進電機為例：如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子

10、向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3 這樣經過A、B、C、A分別通電狀態，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉。如按A，C，B，A通電，電機就反轉。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-A

11、B-B-BCC-CA-A這種導電狀態，這樣將原來每步1/3改變為1/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變為1/12，1/24，這就是電機細分驅動的基本理論依據。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制這是旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。2.3 步進電機的特點2.3.1 步進電機的特點1. 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，角位移與輸入脈沖數嚴格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。2. 步進

12、電機外表不允許較高的溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3. 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。5. 由步進電機與驅動電路組成的開環數控系統，既非常簡單、廉

13、價，又非常的可靠。同時，它也可以與角度反饋環節組成高性能的閉環數控系統。6. 步進電機的動態響應快，易于啟停，正反轉及變速。7. 速度可在相當寬的范圍內平滑調節，低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。8. 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。2.3.2四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

14、序與波形分別如圖1 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。3.硬件設計本設計的硬件電路只要包括控制電路、晶振和復位電路、驅動電路、LED顯示電路四大部分。電源及時種模塊是為了使單片機正常工作。控制電路只要由開關和按鍵組成，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

15、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。 在使用單片機80C51和驅動電路時我們有必要先了解一下89C51和L298芯片。89C51單片機 ATMEI公司生產的89C51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。L29

16、8 L298是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路。可以方便的驅動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。L298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅動，設計用于連接標準TTL邏輯電平，驅動電感負載（諸如繼電器、線圈、DC和步進電機）。L298提供兩個使能輸入端，可以在不依賴于輸入信號的情況下，使能或禁用L298器件。L298低位晶體管的發射器連接到一起，而其對應的外部端口則可用來連接一個外部感應電阻。L298還提供一個額外的電壓輸入，所以其邏輯電路可以工作在更低的電壓下。L298 特性 ：L298工作電壓高達46V ；總

17、DC電流達4A ；低飽和電壓 ；L298具有過溫保護功能 ；邏輯“0”輸入電壓高達1.5V(高抗噪性) 。3.1控制電路根據系統的控制要求，控制輸入部分設置了正轉控制，反轉控制，加速控制和減速控制和停止控制按鈕，分別是K1, K2, K3 K4，K5控制電路如圖所示。通過K1, K2狀態變化來實現電機的正轉和反轉功能。當K1, K2的狀態變化時，內部程序檢測P3.2和P3.3的狀態來調用相應的正轉和反轉換相程序，發現系統的電機的啟動和正反轉控制。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

18、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K2, K3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3.1 控制電路圖3.2晶振和復位電路單片機的晶振和復位電路，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1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1路獨立式鍵盤。復位電路采用手動復

19、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100PF的電容和一個12M晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率，如圖3.2.1所示。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XTAL 1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示。其電容值一般為30pf,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。

20、圖3.2.1晶振和復位電路圖3.2.2晶振電路3.3驅動電路 步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口，這里予以介紹。通過L298構成比較多的驅動電路，電路圖如圖所示。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相。其中VCC和VS，ENA和ENB都接高電源，SENSA,SENSB和GND接電位，這樣就可以通過L298的輸入和輸出來驅動步進電機。具體電

21、路如下圖3.3所示。3.4顯示電路在該步進電機的控制器中，電機可以正反轉，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P1口。采用4個LED發光二級光作顯示。第一個數碼管接P1.4第二三四個二極管分別接P1.5-P1.7口，用于顯示電機正反轉狀態，正轉時LED燈D8亮，反轉時LED燈D7亮，不轉時燈滅。電路如圖3.4所示。圖3.3驅動電路 圖3.4 LED顯示電路4.步進電機的控制4.1 步進電機的速度控制 步進電機的速度控制是通過單片機發出的步進脈沖頻率來實現，對于軟

22、脈沖分配方式，可以采用調整兩個控制字之間的時間間隔來實現調速，對于硬脈沖分配方式，可以控制步進脈沖的頻率來實現調速。控制步進電機的速度的方法可有兩種：1. 軟件延時法：改變延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法CPU長時間等待，占用大量的機時，因此沒有實踐價值。2. 定時器中斷法：在中斷服務子程序中進行脈沖輸出操作，調整定時器的定時常數就可以實現調速，這種方法占有的CPU時間較少，在各種單片機中都能實現，是一種比較實用理想的調速方法。定時器法利用定時器進行工作，為了產生步進脈沖，要根據給定的脈沖頻率和單片機的機器周期來計算定時常數，這個定時器決定了定時時間，當定時時間到而使定時器產

23、生溢出時發生中斷，在中斷子程序中進行改變P1.0的電平狀態的操作，這樣就可以得到一個給定頻率的方波輸出，改變定時常數，就可以改變方波的頻率，從而實現調速。4.2 步進電機的位置控制 步進電機的位置控制，指的是控制步進電機帶動執行機構從一個位置精確地運行到另一個位置，步進電機的位置控制是步進電機的一大優點，它可以不用借助位置傳感器而只需要簡單的開環控制就能達到足夠的位置精度，因此應用很廣。步進電機的位置控制需要兩個參數：1. 第一個參數：步進電機控制執行機構當前的位置參數（我們稱為絕對位置），絕對位置時有極限的，其極限時執行機構運動的范圍，超越了這個極限就應報警。2. 第二個參數：從當前位置移動

24、到目標位置的距離 我們可以用折算的方式將這個距離折算成步進電機的步數，這個參數是外界通過鍵盤或可調電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應該在鍵盤程序或A/D轉換程序中完成。 對步進電機位置控制的一般作法是：步進電機每走一步，步數減1，如果沒有失步存在，當執行機構到達目標位置時，步數正好減到0，因此，用步數等于0來判斷是否移動到目標位，作為步進電機停止運行的信號。 4.3 步進電機的加減速控制步距角和轉速大小不受電壓波動和負載變化的影響，也不受各種環境條件諸如溫度、壓力、振動、沖擊等影響，而僅僅與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低可以大范圍地調節電機的轉速，并能實現快速起動、制動、正反轉、加減速

25、，而且有自鎖的能力，不需要機械制動裝置，不經減速器也可獲得低速運行。它每轉過一周的步數是固定的，只要不丟步，角位移誤差不存在長期積累的情況，主要用于數字控制系統中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現閉環控制。步進電機驅動執行機構從A點到B點移動的時，要經歷升速，恒速，減速過程，如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率，步進電機就有失步現象，因此會造成不能正常啟動，如果到終點時突然停下來，由于慣性作用 ，步進電機會發生過沖現象，會造成位置精度降低。如果升速非常緩慢的升降速，步進電機雖然不會發生失步和過沖現象，但影響執行機構的工作效率，所以，對步進電機的加減

26、速要有嚴格的要求，那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度（或最短的時間）移動到有可能指定位置。為滿足加減速要求，步進電動機運行通常按照加減速曲線進行。圖5.1是加減速運行曲線。加減速運行曲線沒有 一個固定的模式，一般根據經驗和實驗得到的。最簡單的是勻加速和勻減速曲線，如下圖4.3.1和4.3.2所示： 圖4.3.1 勻加減速其加減速曲線都是直線，因此容易編程實現。按直線加速時，加速度是不變的，因此要求轉矩也應該是不變的。但是，由于步進電動機的電磁轉矩玉轉速時非曲線關系，因而加速度玉頻率也應該是非曲線關系。因此，實際上當轉速增加時，轉矩下降，所以，按直線加速時，有可能造成因轉矩不足而產生

27、失步的現象。5.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， 圖4.3.2 瞬時加減速 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。 5.1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

28、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P3=1，即高電狀態，速度和方向初始值均設為0，就意味著步進電機按四相單四拍運行，系統上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉，顯示方向的LED燈不亮，顯示速度狀態的LED燈也不亮。流程圖如下圖所示。5.2 程序框圖根據設計任務，可畫出控制步進電機正反轉，加減速控制。我們以正轉開始鍵K1鍵為例來說明，其它反轉鍵，加速鍵，減速鍵，停止鍵的程序流圖與此相同。

29、程序流圖如下圖5.2。6.設計總結本設計通過單片機AT89C51和步進電機的驅動電路控制步進電機的正反轉，加減速，以實現進電機的運動控制。該設計實現了占用CPU時間少，效率高；易于控制步進電機的轉向轉速；提高了步進電機的步進精度等。再有，本設計過程考慮比較周全，可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態，以滿足不同用戶的要求，因此常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅動器。步進電機控制（包括控制脈沖的產生和分配）使用軟件方法，即用單片機實現，這樣既簡化了電路，也減低了成本。基于單片機的步進電機控制系統性能優于傳統的步進控制器，具有相應快，控制方便可靠等一系列優點，在機電一體化、數模轉換

30、裝置、計算機外圍設備中得到廣泛地應用，發展前景廣闊。7.結束語通過這次課題設計，經過自己動手查找資料，修改程序，自己動手畫原理圖，仿真圖，并進行仿真和修改。然后通過添加元器件封裝，和對原理圖布線。我對單片機知識有了更進一步的了解和學習，進一步鞏固了自己的知識。這次課題設計確實學的了許多，也收獲了許多。感謝老師，在這次課題設計期間給予我的幫助與耐心講解，也感謝老師給了我們這樣一個機會。開始 初始化 K1=1 ？ Y N 延時去抖K1仍然=1 ？ N Y加速 圖5.2程序流圖參考文獻1 李建忠，單片機原理及應用M.西安電子科技大學出版社,2008年2月第2版:32-52,244-2772 楊天明，電機與拖動，高等教育出版社 M.2013年5月：45-513 徐君鵬 ，單片機實驗指導. 河南科技學院機電學院 J,28-47.4 石磊 張國強，Altium Designer 電路設計，清華大學出版社M .2009年11月：23-355 康華光，電子技術基礎 ，高等教育出版社, 2005年7月第5版：56-65 5孫笑輝,韓曾晉. 減少感應電動機直接轉矩控制系統轉矩脈動的方法J. 電氣傳動, 2008: 8-21附件1： C語言程序#include<reg51.h>#define uint unsigned intsbit zz