本科生毕业论文（设计）
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专 业:
班 级:
学 号: 步进电机的驱动控制的设计 周小云 工学院 农业电气化与自动化 电气81 3218119 指导教师: 徐进 职称: 讲师
2012 年 5月 4日
南京农业大学教务处制
目录
步进电机的驱动控制的设计 ................................ 错误！未定义书签。 摘要： .................................................................. ２ 1 绪论 ................................................................. ３
1.1引言 ................................................. 错误！未定义书签。
1.2 步进电机国内外研究概况 .............................. 错误！未定义书签。
1.3步进电机的发展 ....................................... 错误！未定义书签。 2 步进电机简介 ......................................... 错误！未定义书签。
2.1步进电机的概念 ....................................... 错误！未定义书签。
2.2步进电机工作原理 ...................................................... 7
2.3步进电机分类 .......................................................... 8
2.4步进电机驱动介绍...................................................... 8
2.4.1步进电机驱动技术简介 ................................................ 9
2.4.2步进电机常见的控制方案.............................................. 9
3 单片机简介............................................................ 9
3.1单片机介绍 ............................................................ 9
3.2单片机的分类 .......................................................... 9
3.3单片机的基本结构...................................................... 9
3.4单片机的工作原理.....................................................1 0
3.5 AT89C51简介.........................................................1 0 4 系统整体硬件结构及设计 ............................................. 1 4
4.1 系统原理图 ......................................................... 1 4
4.2 电源设计 ........................................................... 1 5
4.3 按键设计 ........................................................... 1 6
4.4驱动设计 ............................................................ 1 7
4.5状态指示设计 ........................................................ 1 8
4.6时钟设计 ............................................................ 1 8 5 系统软件设计 ........................................................ 1 9
5.1系统主程序 .......................................................... 1 9
5.2按键程序设计 ........................................................ 2 0
5.3正、反转程序设计 .................................................... 2 1
5.4加、减程序设计 ...................................................... 2 3 6 系统的调试记录 ...................................................... 2 5
6.1软件调试记录 ........................................................ 2 5
6.2硬件调试记录 ........................................................ 2 5 7 设计总结 ............................................................. 2 6
7.1 系统设计总结 ....................................................... 2 6
7.2 未来工作展望 ....................................................... 2 6 致谢 ................................................................... 2 7 参考文献： ............................................................. 2 8 附录： ................................................................. 2 8
步进电机的驱动控制的设计
电气专业学生 周小云
指导老师 徐进
摘要：步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线性位移）的电磁装置，是一种特殊的电动机。步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍了以51系列单片机AT89C51为控制核心所设计的步进电机的控制系统，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。
关键词：步进电机；AT89C51；控制
Based on SCM stepping motor control system
Student Zhou Xiaoyun
Tutor Xu Jin Abstract：Stepping motors is a pulse signal transformation into a corresponding angular displacement (or linear displacement) electromagnetic device, is a special kind of motor. Stepper motor due to its good performance and accuracy, the open loop system composed of is simple, cheap, and very feasible, therefore in the printer and other office automation equipment and various control device and so on varies domain has extremely extensive application. This paper introduces to 51 series microcontroller AT89C51 as control core designed by stepping motor control system, written in C out motor are turning, inversion, accelerate, slowing down, stop procedures, through the MCU, motor drive chip ULN2004 and corresponding button above functions, and realize the working state of the stepper motor with corresponding led displayed. This paper introduces the contents of stepping motor and single-chip microcomputer principle, the system of the hardware circuit and program of software and hardware, and the debugging, and introduces the debugging process problems and methods to solve the problems. This design has ideas clearly, high reliability, strong stability by commissioning etc, realized the function.
Key words: Stepping motor；AT89C51；Control
第一章 绪论
1.1引言
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。
正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，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，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用[2]。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用[3]。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。
为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现ｐｃ机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。
但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值
1.2.国内外的研究概况
步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。
总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。
在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。
1.3步进电机的发展
步进电机最早在1920 年由英国人开发，1950 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上．步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式．近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，最典型的产品是二相8 极50 齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10 极50 齿和一些转子10齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较的场合．驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透．步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA 及NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的．我国对步进电动
但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值
1.2.国内外的研究概况
步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。
总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。
在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。
1.3步进电机的发展
步进电机最早在1920 年由英国人开发，1950 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上．步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式．近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，最典型的产品是二相8 极50 齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10 极50 齿和一些转子10齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较的场合．驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透．步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA 及NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的．我国对步进电动
机的研究从1958 年开始，1970 年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主，如1960 年代末为快走丝数控线切割机床研制的BF1840-75，一直延续生产到现在。1970 年代受到国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受到当时日本数控机床系统的影响，开始发展磁阻式步进电动机的系列产品，以定子6 个极、转子40 齿的三相磁阻式电动机为主，还有定子10 个极、转子100 齿的五相磁阻式电动机和四相电动机等．1980 年代开始发展混合式步进电动机，以定子8 极、转子50 齿的二相(四相)混合式步进电动机为主．1987 年开始自行设计定子10 极、转子50 齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的非典型产品，如定子8 极、转子60 齿的二相(四相)混合式步进电动机．这是为了与磁阻式步进电动机的步距角相一致．转子200 齿的五相混合式步进电动机，转子100 齿的九相(三相)混合式步进电动机，主要特点是具有高分辨率和可变步矩角．经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，如图1 所示．其中最主要的产品系列，一是1970 年代形成的磁阻式步进电动机系列产品在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括引进技术和生产设备，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到几个限定的规格品种上。目前，最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：
(1) 小型化方向发展，随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42 机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25 方向向下延伸．瑞士ESCAP 公司最近还研制出外径仅10mm 的步进电动机。
(2) 改圆形电动机为方形电动机，由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高．同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30﹪～40﹪。
(3) 一体化设计即，把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。
(4) 向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其旋转磁场和电磁转矩不完全对称，振动和噪声较大，而五相和三相电动机则是完全对称的，因此更具有优势性．而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。
第二章 步进电机简介
2.1步进电机的概念
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。如图1所示
本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。
图1 步进电机
步进电机的基本参数：
1、步进电机的静态指标术语：
（1）相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。
（2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用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.
（3）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（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）（4）定位转矩：电机在不通电状态下，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）
（5）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙 ，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。2、步进电机动态指标及术语：
（1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
（2）失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步
（3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
（4）最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
（5）最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
（6）运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。
（7）电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
（8）电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。
步进电机的特征如下：1、一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累。
2、步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。
4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
2.2 步进电机工作原理
步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
如下所示的步进电机为一四相步进电机，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。图2.1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2.1 四相步进电机步进示意图
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极
产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.2所示：
2.3 步进电机的分类
步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机[7]。
(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；
(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；
(3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领图2.2步进电机工作时序波形图
域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机[7]。。这种步进电机的应用最为广泛。
2.4 步进电机的驱动介绍
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
2.4.1步进电机驱动技术简介
步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。
高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。
为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动
控制。
为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步迸电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
2.4.2常见的步进电机控制方案
1、基于电子电路的控制
步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。
图1.1 基于电子电路控制系统
此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。
2、基于PLC的控制
PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。
采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。
3、基于单片机的控制
采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。
本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性[5]。
基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。
第三章 单片机简介
3.1单片机介绍
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品开发人员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板，比较有名的例如电子人DZR-01A单片机开发板。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
单片机芯片
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
3.2 单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发
展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
（1） 通用型/专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
（2） 总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。
（3） 控制型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算 能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。
3.3 单片机的基本结构
而现在单片机主要包括：中央处理器、存储器、特殊功能寄存器。对于其内部资源各功能都体现一台计算机，如：
1、中央处理器：中央处理器是由运算部件和控制部件组成。
（1）运算部件包括：算术逻辑部件ALU，布尔处理器，累加器ACC，寄存器B，程序状态字PSW等等，该部件实现的功能是：数据的算术，逻辑运算，位变量的处理和数据传送。
（2）控制部件包括：定时控制逻辑，指令寄存器，译码器以及信息传送控制部件等等。
2、存储器：存储器包括：程序存储器和数据存储器。
（1） MCS51内部有4K的程序存储器，如果在实际运用中内存不够的话可以在此基础上扩展到64K大小，对于程序员来讲，无论是内部的EPROM，还是扩展的程序存储器是没有什么区别的，在MCU内部有一个十六位的程序记数器PC可以寻址片内及片外的EPROM。
（2）MCU51有128字节的RAM，也可以外接RAM电路，是数据存储器的容量达到64K字节如图2.3：
图2.3
在00H--1FH单元：共32字节的缓冲区，分为四组，每组为8个工作寄存器R0--R7，由PSW.3和PSW.4决定使用哪个组。若在实际使用中，不需要四组工作寄存器的话，那么这个区域的多余的单元可以作为一般的数据缓冲器使用。
在20H--2FH单元：共16字节的缓冲区，其中每一个字节的每一位都有一个位地址，他们占据地址空间0--7FH，一般在这个16*8位的单元里，用于存放各种程序标志，位控制变量。
在30H--7FH单元：是数据缓冲区，在中断系统中，往往需要一个堆栈来保护CPU的现场，这个堆栈一般设在30--7FH单元里，并且栈指针SP指出栈顶的位置。但是复位以后（SP）为07H，所以一般应对SP初始化。
总结：内部RAM中，除了作为工作寄存器，位标志和堆栈区以外的单元，都可以数据缓冲区使用，存放输入的数据或运算的结果。
3、特殊功能寄存器（如图2.4）：
图2.4
特殊功能寄存器包括：I/O锁存器，串口数据缓冲器，定时/记数器，以及各种控制寄存器和状态寄存器。
3.4 单片机工作原理
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令
取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
3.5 AT89C51简介
AT89C51的主要参数如表2.5所示：
表2.5 AT89C51的主要参数
AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E²PROM容量可达20K字节。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如图2.6所示：
1、 主要特性：
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：1000写/擦循环
图2.6单片机的引脚排列
全静态工作：0Hz-24Hz
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
2、 管脚说明：
VCC：供电电压
GND：接地
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电
流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3口管脚备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无
效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出
3、 I/O口引脚：
(1) P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；
(2) P1口，8位准双向I/O口；
(3) P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；
(4 )P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。
4、振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信。号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
5、芯片擦除：
整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
第四章 系统整体硬件结构及设计
4.1 系统原理图
系统整体图如图3.1所示，本系统采用外部中断方式，p0口作为信号的输入部分，p1口为发光二极管显示部分，p2口作为电机的驱动部分。
4.2电源设计
利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的电压，它们的应用要注意以下几点：
（1） 输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损
坏；
（2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；
（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 其中12V电压给步进电机。供电，5V电压则给单片机供电。分别如图3.2、图3.3所示。
（1）产生12V的电压给步进电机供电
图3.2 12V电路部分 （2）产生5V的电压给单片机供电
图3.3 5V电路部分
4.3按键设计
本次设计选用的是单片机的P0口来控制信号的输入，所以把按键开关和P0口连接起来，当按下开关S1时，相当于给P0.0口一个低电平；当按下开关S2时，相当于给P0.1口一个低电平；当按下开关S3时，相当于给P0.2口一个低电平；当按下开关S4时，相当于给P0.3口一个低电平；当按下开关S5时，相当于给P0.4口一个低电平。然后通过单片机实行相应的操作。如图3.4
图3.4 按键部分电路
此电路是步进电机的驱动部分，我选用的是ULN2004芯片来驱动的，ULN2004系列是一款高耐压，大电流达林顿管驱动器，包含7个NPN达林顿管。如图3.5
4.4 驱动设计
图3.5 驱动部分电路
状态指示用P1口控制发光二极管的显示，如果相应端口是低电平，相应的发光二极管就会亮，用它来表示步进电机所处的状态。如图3.6
4.5 状态指示设计
图3.6 状态指示部分电路
4.6 时钟设计
时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度，本次设计采用的晶振为12MHz。如图3.7
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其它的微处理器一样，开发步进电机驱动系统控制程序也需要一套完整的软件和硬件开发工具。近年来，随着以51单片机为内核的单片机的不断发展和普及，国外的一些公司纷纷推出了以51单片机为基础的集成开发环境。本次毕业设计选用的单片机是AT89C51
系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成，其主程序框图如图4.1所示
时钟设计 第五章 系统软件设计 5.1系统主程序
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图4.1 主程序框图 5.2 按键程序设计
按键程序用于判断P0.0口与P0.1口的值，当p0.0口为0时，电机正转，当p0.0口为1时，继续判断p0.1口的值，p0.1口为0时，电机反转如图4.2所示。
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图4.2
按键部分流程图
5.3 正、反转程序设计
系统初始化之后，前进子程序R0用于给P2口输送不同的值，根据电机转动的相序，使电机正向转动，P2口的值分别为01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H。正转流程图如图4.3所示。
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图4.3 前进部分流程图
电机反转原理与正转相似，此时P2口的值分别为09H，08H，0CH，04H，06H，02 03H，01H。反转流程图如图4.4所示。
２８
图4.4 后退部分流程图 5.4加、减程序设计
当电机正转或反转的时候，按下加速键，调用加速子程序，使电机每转动一步的延时时间变短，从而实现电机的加速。流程图如图4.5所示。
图4.5 加速部分流程图 2、减速部分
电机正转或反转的时候，按下减速键，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速。流程图如图4.6所示
图4.6 减速部分流程
第六章 系统的调试记录 6.1软件调试记录
把编好的程序（包括正反转程序、停止程序、显示程序等）合理安排好结合到一起进行编译。由于编译只能检查是否存在语法错误，所以还要看是否存在逻辑错误。程序修改好以后，当显示编译0错误，0警告的时候，这说明已经没有语法错误了，是否有逻辑错误还要看接上电路板通过仿真以后，步进电机能否正常转动，显示是否正常。
6.2硬件调试记录
1、LM7812输出电压错误与解决方法
电路的工作离不开电源，所以电源是必不可少的。电源采用的是利用变压器将220V的电压转换为12V的电压，再利用桥堆整流使交流电变成直流电，最后分别利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的电压。
电路板焊接好以后，首先要检查一下电路设计是否合理、元器件焊接是否正确，焊接好以后需要仔细检查。用万用表分别检测从7812和7805第三个端口出来的是否是12V和5V，结果发现7805两端电压正常，7812两端电压非常不稳定。用万用表仔细检查了每根线，发现了原因，电路板存在虚焊的现象。再次将电路板焊好，检查好以后，用万用表检测两端输出电压，结果正确，电源准备工作完毕。
2、步进电机转动错误及解决方法
步进电机一开始不能正常转动，以为是电路焊接有问题，为了防止再次出现虚焊，首先将电路板用万用表检查了一遍，没问题。程序也是正确的。后来仔细看了步进电机工作原理，原来步进电机要正常实现正反转，四个相序必须弄清。把电机接上电源，用高电平分别接触电机的引线，每接触一下电机就会向前或后转动一下，经过几次试验，终于搞清了电机的四个相序，排列顺序分别是1—A，2—C，3—B，4—D。弄清了相序，把电路板重新布线，焊接好，结果电机能够正常转动了。
第七章 总结
7.1 论文工作总结
本次毕业设计能够实现步进电机的启停、正反转以及速度的调节，通过本次毕业设计加强了我对软件编程和硬件设计的掌握，并且熟悉了ULN2004、74ls11等芯片。步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等，所以说步进电机有着广阔的市场和远大的发展前景。本设计实现了占用CPU时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速；提高了步进电机的步进精度等。再有，本设计过程考虑比较周全，可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求，因此常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制（包括控制脉冲的产生和分配）使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也减低了成本。
7.2 对后续工作的展望
本文虽然在应用单片机对步进电机的控制果真取得了一些研究成果，提出了解决方案和可行性算法。但是在芯片的发展，以及出现了更高级的芯片能够很好的控制步进电机，能够很大程度上提高电机的精确性和稳定性。
从总体来说，本文重点是实现了AT89C51对步进电机的控制实现以及对单片机的外围电路等进行了基础性的研究，由于时间和条件的限制，虽然取得了一定的效果，但尚存在一定不足之处有待今后进一步解决。
致谢
首先诚挚的感谢我的论文指导老师张东奎老师，从选题的确定、论文的写作、修改到最后定稿过程中，自始至终都倾注着老师的心血。特别是他多次询问写作进程，并为我指点迷津，帮助我开拓思路，老师以严谨的治学之道、宽厚仁慈的胸怀、积极乐观的生活态度，兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神为我树立了一辈子学习的典范，他的教诲与鞭策将激励我在学习和生活的道路上励精图治，开拓创新。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。我以最诚挚的心意感谢张东奎老师。
在毕业设计期间，我要感谢许多让我分享他们宝贵经验和知识的老师，教会我正确的思考方式。同时,也要感谢在论文写作过程中，帮助过我、并且共同奋斗四年的大学同学们，能够顺利完成论文，离不开他们的帮助，在此表示最深的谢意。
参考文献
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注：综合评定成绩等级：优秀（90-100），良好（80-89），中等（70-79），及格（60-69），不及格（60分以下）。
答辩委员会负责人（签名）： 年 月 日
本科生毕业论文（设计）
题 目:
姓 名: 学 院:
专 业:
班 级:
学 号: 步进电机的驱动控制的设计 周小云 工学院 农业电气化与自动化 电气81 3218119 指导教师: 徐进 职称: 讲师
2012 年 5月 4日
南京农业大学教务处制
目录
步进电机的驱动控制的设计 ................................ 错误！未定义书签。 摘要： .................................................................. ２ 1 绪论 ................................................................. ３
1.1引言 ................................................. 错误！未定义书签。
1.2 步进电机国内外研究概况 .............................. 错误！未定义书签。
1.3步进电机的发展 ....................................... 错误！未定义书签。 2 步进电机简介 ......................................... 错误！未定义书签。
2.1步进电机的概念 ....................................... 错误！未定义书签。
2.2步进电机工作原理 ...................................................... 7
2.3步进电机分类 .......................................................... 8
2.4步进电机驱动介绍...................................................... 8
2.4.1步进电机驱动技术简介 ................................................ 9
2.4.2步进电机常见的控制方案.............................................. 9
3 单片机简介............................................................ 9
3.1单片机介绍 ............................................................ 9
3.2单片机的分类 .......................................................... 9
3.3单片机的基本结构...................................................... 9
3.4单片机的工作原理.....................................................1 0
3.5 AT89C51简介.........................................................1 0 4 系统整体硬件结构及设计 ............................................. 1 4
4.1 系统原理图 ......................................................... 1 4
4.2 电源设计 ........................................................... 1 5
4.3 按键设计 ........................................................... 1 6
4.4驱动设计 ............................................................ 1 7
4.5状态指示设计 ........................................................ 1 8
4.6时钟设计 ............................................................ 1 8 5 系统软件设计 ........................................................ 1 9
5.1系统主程序 .......................................................... 1 9
5.2按键程序设计 ........................................................ 2 0
5.3正、反转程序设计 .................................................... 2 1
5.4加、减程序设计 ...................................................... 2 3 6 系统的调试记录 ...................................................... 2 5
6.1软件调试记录 ........................................................ 2 5
6.2硬件调试记录 ........................................................ 2 5 7 设计总结 ............................................................. 2 6
7.1 系统设计总结 ....................................................... 2 6
7.2 未来工作展望 ....................................................... 2 6 致谢 ................................................................... 2 7 参考文献： ............................................................. 2 8 附录： ................................................................. 2 8
步进电机的驱动控制的设计
电气专业学生 周小云
指导老师 徐进
摘要：步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线性位移）的电磁装置，是一种特殊的电动机。步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍了以51系列单片机AT89C51为控制核心所设计的步进电机的控制系统，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。
关键词：步进电机；AT89C51；控制
Based on SCM stepping motor control system
Student Zhou Xiaoyun
Tutor Xu Jin Abstract：Stepping motors is a pulse signal transformation into a corresponding angular displacement (or linear displacement) electromagnetic device, is a special kind of motor. Stepper motor due to its good performance and accuracy, the open loop system composed of is simple, cheap, and very feasible, therefore in the printer and other office automation equipment and various control device and so on varies domain has extremely extensive application. This paper introduces to 51 series microcontroller AT89C51 as control core designed by stepping motor control system, written in C out motor are turning, inversion, accelerate, slowing down, stop procedures, through the MCU, motor drive chip ULN2004 and corresponding button above functions, and realize the working state of the stepper motor with corresponding led displayed. This paper introduces the contents of stepping motor and single-chip microcomputer principle, the system of the hardware circuit and program of software and hardware, and the debugging, and introduces the debugging process problems and methods to solve the problems. This design has ideas clearly, high reliability, strong stability by commissioning etc, realized the function.
Key words: Stepping motor；AT89C51；Control
第一章 绪论
1.1引言
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。
正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，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，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用[2]。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用[3]。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。
为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现ｐｃ机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。
但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值
1.2.国内外的研究概况
步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。
总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。
在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。
1.3步进电机的发展
步进电机最早在1920 年由英国人开发，1950 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上．步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式．近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，最典型的产品是二相8 极50 齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10 极50 齿和一些转子10齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较的场合．驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透．步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA 及NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的．我国对步进电动
但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值
1.2.国内外的研究概况
步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。
总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。
在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。
1.3步进电机的发展
步进电机最早在1920 年由英国人开发，1950 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上．步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式．近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，最典型的产品是二相8 极50 齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10 极50 齿和一些转子10齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较的场合．驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透．步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA 及NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的．我国对步进电动
机的研究从1958 年开始，1970 年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主，如1960 年代末为快走丝数控线切割机床研制的BF1840-75，一直延续生产到现在。1970 年代受到国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受到当时日本数控机床系统的影响，开始发展磁阻式步进电动机的系列产品，以定子6 个极、转子40 齿的三相磁阻式电动机为主，还有定子10 个极、转子100 齿的五相磁阻式电动机和四相电动机等．1980 年代开始发展混合式步进电动机，以定子8 极、转子50 齿的二相(四相)混合式步进电动机为主．1987 年开始自行设计定子10 极、转子50 齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的非典型产品，如定子8 极、转子60 齿的二相(四相)混合式步进电动机．这是为了与磁阻式步进电动机的步距角相一致．转子200 齿的五相混合式步进电动机，转子100 齿的九相(三相)混合式步进电动机，主要特点是具有高分辨率和可变步矩角．经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，如图1 所示．其中最主要的产品系列，一是1970 年代形成的磁阻式步进电动机系列产品在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括引进技术和生产设备，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到几个限定的规格品种上。目前，最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：
(1) 小型化方向发展，随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42 机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25 方向向下延伸．瑞士ESCAP 公司最近还研制出外径仅10mm 的步进电动机。
(2) 改圆形电动机为方形电动机，由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高．同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30﹪～40﹪。
(3) 一体化设计即，把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。
(4) 向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其旋转磁场和电磁转矩不完全对称，振动和噪声较大，而五相和三相电动机则是完全对称的，因此更具有优势性．而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。
第二章 步进电机简介
2.1步进电机的概念
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。如图1所示
本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。
图1 步进电机
步进电机的基本参数：
1、步进电机的静态指标术语：
（1）相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。
（2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用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.
（3）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（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）（4）定位转矩：电机在不通电状态下，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）
（5）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙 ，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。2、步进电机动态指标及术语：
（1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
（2）失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步
（3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
（4）最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
（5）最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
（6）运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。
（7）电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
（8）电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。
步进电机的特征如下：1、一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累。
2、步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。
4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
2.2 步进电机工作原理
步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
如下所示的步进电机为一四相步进电机，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。图2.1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2.1 四相步进电机步进示意图
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极
产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.2所示：
2.3 步进电机的分类
步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机[7]。
(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；
(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；
(3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领图2.2步进电机工作时序波形图
域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机[7]。。这种步进电机的应用最为广泛。
2.4 步进电机的驱动介绍
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
2.4.1步进电机驱动技术简介
步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。
高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。
为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动
控制。
为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步迸电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
2.4.2常见的步进电机控制方案
1、基于电子电路的控制
步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。
图1.1 基于电子电路控制系统
此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。
2、基于PLC的控制
PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。
采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。
3、基于单片机的控制
采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。
本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性[5]。
基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。
第三章 单片机简介
3.1单片机介绍
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品开发人员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板，比较有名的例如电子人DZR-01A单片机开发板。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
单片机芯片
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
3.2 单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发
展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
（1） 通用型/专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
（2） 总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。
（3） 控制型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算 能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。
3.3 单片机的基本结构
而现在单片机主要包括：中央处理器、存储器、特殊功能寄存器。对于其内部资源各功能都体现一台计算机，如：
1、中央处理器：中央处理器是由运算部件和控制部件组成。
（1）运算部件包括：算术逻辑部件ALU，布尔处理器，累加器ACC，寄存器B，程序状态字PSW等等，该部件实现的功能是：数据的算术，逻辑运算，位变量的处理和数据传送。
（2）控制部件包括：定时控制逻辑，指令寄存器，译码器以及信息传送控制部件等等。
2、存储器：存储器包括：程序存储器和数据存储器。
（1） MCS51内部有4K的程序存储器，如果在实际运用中内存不够的话可以在此基础上扩展到64K大小，对于程序员来讲，无论是内部的EPROM，还是扩展的程序存储器是没有什么区别的，在MCU内部有一个十六位的程序记数器PC可以寻址片内及片外的EPROM。
（2）MCU51有128字节的RAM，也可以外接RAM电路，是数据存储器的容量达到64K字节如图2.3：
图2.3
在00H--1FH单元：共32字节的缓冲区，分为四组，每组为8个工作寄存器R0--R7，由PSW.3和PSW.4决定使用哪个组。若在实际使用中，不需要四组工作寄存器的话，那么这个区域的多余的单元可以作为一般的数据缓冲器使用。
在20H--2FH单元：共16字节的缓冲区，其中每一个字节的每一位都有一个位地址，他们占据地址空间0--7FH，一般在这个16*8位的单元里，用于存放各种程序标志，位控制变量。
在30H--7FH单元：是数据缓冲区，在中断系统中，往往需要一个堆栈来保护CPU的现场，这个堆栈一般设在30--7FH单元里，并且栈指针SP指出栈顶的位置。但是复位以后（SP）为07H，所以一般应对SP初始化。
总结：内部RAM中，除了作为工作寄存器，位标志和堆栈区以外的单元，都可以数据缓冲区使用，存放输入的数据或运算的结果。
3、特殊功能寄存器（如图2.4）：
图2.4
特殊功能寄存器包括：I/O锁存器，串口数据缓冲器，定时/记数器，以及各种控制寄存器和状态寄存器。
3.4 单片机工作原理
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令
取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
3.5 AT89C51简介
AT89C51的主要参数如表2.5所示：
表2.5 AT89C51的主要参数
AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E²PROM容量可达20K字节。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如图2.6所示：
1、 主要特性：
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：1000写/擦循环
图2.6单片机的引脚排列
全静态工作：0Hz-24Hz
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
2、 管脚说明：
VCC：供电电压
GND：接地
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电
流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3口管脚备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无
效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出
3、 I/O口引脚：
(1) P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；
(2) P1口，8位准双向I/O口；
(3) P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；
(4 )P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。
4、振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信。号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
5、芯片擦除：
整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
第四章 系统整体硬件结构及设计
4.1 系统原理图
系统整体图如图3.1所示，本系统采用外部中断方式，p0口作为信号的输入部分，p1口为发光二极管显示部分，p2口作为电机的驱动部分。
4.2电源设计
利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的电压，它们的应用要注意以下几点：
（1） 输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损
坏；
（2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；
（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 其中12V电压给步进电机。供电，5V电压则给单片机供电。分别如图3.2、图3.3所示。
（1）产生12V的电压给步进电机供电
图3.2 12V电路部分 （2）产生5V的电压给单片机供电
图3.3 5V电路部分
4.3按键设计
本次设计选用的是单片机的P0口来控制信号的输入，所以把按键开关和P0口连接起来，当按下开关S1时，相当于给P0.0口一个低电平；当按下开关S2时，相当于给P0.1口一个低电平；当按下开关S3时，相当于给P0.2口一个低电平；当按下开关S4时，相当于给P0.3口一个低电平；当按下开关S5时，相当于给P0.4口一个低电平。然后通过单片机实行相应的操作。如图3.4
图3.4 按键部分电路
此电路是步进电机的驱动部分，我选用的是ULN2004芯片来驱动的，ULN2004系列是一款高耐压，大电流达林顿管驱动器，包含7个NPN达林顿管。如图3.5
4.4 驱动设计
图3.5 驱动部分电路
状态指示用P1口控制发光二极管的显示，如果相应端口是低电平，相应的发光二极管就会亮，用它来表示步进电机所处的状态。如图3.6
4.5 状态指示设计
图3.6 状态指示部分电路
4.6 时钟设计
时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度，本次设计采用的晶振为12MHz。如图3.7
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其它的微处理器一样，开发步进电机驱动系统控制程序也需要一套完整的软件和硬件开发工具。近年来，随着以51单片机为内核的单片机的不断发展和普及，国外的一些公司纷纷推出了以51单片机为基础的集成开发环境。本次毕业设计选用的单片机是AT89C51
系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成，其主程序框图如图4.1所示
时钟设计 第五章 系统软件设计 5.1系统主程序
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图4.1 主程序框图 5.2 按键程序设计
按键程序用于判断P0.0口与P0.1口的值，当p0.0口为0时，电机正转，当p0.0口为1时，继续判断p0.1口的值，p0.1口为0时，电机反转如图4.2所示。
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图4.2
按键部分流程图
5.3 正、反转程序设计
系统初始化之后，前进子程序R0用于给P2口输送不同的值，根据电机转动的相序，使电机正向转动，P2口的值分别为01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H。正转流程图如图4.3所示。
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图4.3 前进部分流程图
电机反转原理与正转相似，此时P2口的值分别为09H，08H，0CH，04H，06H，02 03H，01H。反转流程图如图4.4所示。
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图4.4 后退部分流程图 5.4加、减程序设计
当电机正转或反转的时候，按下加速键，调用加速子程序，使电机每转动一步的延时时间变短，从而实现电机的加速。流程图如图4.5所示。
图4.5 加速部分流程图 2、减速部分
电机正转或反转的时候，按下减速键，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速。流程图如图4.6所示
图4.6 减速部分流程
第六章 系统的调试记录 6.1软件调试记录
把编好的程序（包括正反转程序、停止程序、显示程序等）合理安排好结合到一起进行编译。由于编译只能检查是否存在语法错误，所以还要看是否存在逻辑错误。程序修改好以后，当显示编译0错误，0警告的时候，这说明已经没有语法错误了，是否有逻辑错误还要看接上电路板通过仿真以后，步进电机能否正常转动，显示是否正常。
6.2硬件调试记录
1、LM7812输出电压错误与解决方法
电路的工作离不开电源，所以电源是必不可少的。电源采用的是利用变压器将220V的电压转换为12V的电压，再利用桥堆整流使交流电变成直流电，最后分别利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的电压。
电路板焊接好以后，首先要检查一下电路设计是否合理、元器件焊接是否正确，焊接好以后需要仔细检查。用万用表分别检测从7812和7805第三个端口出来的是否是12V和5V，结果发现7805两端电压正常，7812两端电压非常不稳定。用万用表仔细检查了每根线，发现了原因，电路板存在虚焊的现象。再次将电路板焊好，检查好以后，用万用表检测两端输出电压，结果正确，电源准备工作完毕。
2、步进电机转动错误及解决方法
步进电机一开始不能正常转动，以为是电路焊接有问题，为了防止再次出现虚焊，首先将电路板用万用表检查了一遍，没问题。程序也是正确的。后来仔细看了步进电机工作原理，原来步进电机要正常实现正反转，四个相序必须弄清。把电机接上电源，用高电平分别接触电机的引线，每接触一下电机就会向前或后转动一下，经过几次试验，终于搞清了电机的四个相序，排列顺序分别是1—A，2—C，3—B，4—D。弄清了相序，把电路板重新布线，焊接好，结果电机能够正常转动了。
第七章 总结
7.1 论文工作总结
本次毕业设计能够实现步进电机的启停、正反转以及速度的调节，通过本次毕业设计加强了我对软件编程和硬件设计的掌握，并且熟悉了ULN2004、74ls11等芯片。步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等，所以说步进电机有着广阔的市场和远大的发展前景。本设计实现了占用CPU时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速；提高了步进电机的步进精度等。再有，本设计过程考虑比较周全，可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求，因此常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制（包括控制脉冲的产生和分配）使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也减低了成本。
7.2 对后续工作的展望
本文虽然在应用单片机对步进电机的控制果真取得了一些研究成果，提出了解决方案和可行性算法。但是在芯片的发展，以及出现了更高级的芯片能够很好的控制步进电机，能够很大程度上提高电机的精确性和稳定性。
从总体来说，本文重点是实现了AT89C51对步进电机的控制实现以及对单片机的外围电路等进行了基础性的研究，由于时间和条件的限制，虽然取得了一定的效果，但尚存在一定不足之处有待今后进一步解决。
致谢
首先诚挚的感谢我的论文指导老师张东奎老师，从选题的确定、论文的写作、修改到最后定稿过程中，自始至终都倾注着老师的心血。特别是他多次询问写作进程，并为我指点迷津，帮助我开拓思路，老师以严谨的治学之道、宽厚仁慈的胸怀、积极乐观的生活态度，兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神为我树立了一辈子学习的典范，他的教诲与鞭策将激励我在学习和生活的道路上励精图治，开拓创新。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。我以最诚挚的心意感谢张东奎老师。
在毕业设计期间，我要感谢许多让我分享他们宝贵经验和知识的老师，教会我正确的思考方式。同时,也要感谢在论文写作过程中，帮助过我、并且共同奋斗四年的大学同学们，能够顺利完成论文，离不开他们的帮助，在此表示最深的谢意。
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本科生毕业论文（设计）成绩评定表
（由指导教师填写）
本科生毕业论文（设计）成绩评阅表
（由评阅教师填写）
本科生毕业论文（设计）答辩及综合评分表
（由答辩小组填写）
本科生毕业论文（设计）综合评定成绩
（由答辩委员会填写）
注：综合评定成绩等级：优秀（90-100），良好（80-89），中等（70-79），及格（60-69），不及格（60分以下）。
答辩委员会负责人（签名）： 年 月 日