步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 課程設(shè)計(jì)

1、目錄一、本次課程設(shè)計(jì)的目的2二、本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求2三、步進(jìn)電機(jī)的原理及選擇2 1、概述2 2、步進(jìn)電機(jī)的分類3 3、步進(jìn)電機(jī)的基本原理3 4、步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)6 5、步進(jìn)電機(jī)的主要特性7 6、步進(jìn)電機(jī)的測速方法7 7、步進(jìn)電機(jī)的選擇8四、AT89C51單片機(jī)9 1、簡介9 2、主要特性10 3、管腳說明10五、硬件設(shè)計(jì)11 1、本設(shè)計(jì)使用的控制芯片11 2、LCD液晶顯示器工作原理12六、完整的電路圖14七、程序設(shè)計(jì)15八、總結(jié)24九、參考文獻(xiàn)25一、本次課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的：1、電機(jī)傳動(dòng)與控制課程設(shè)計(jì)的目的是為了讓同學(xué)們熟悉電機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，并且利用小型的控制系統(tǒng)對電機(jī)傳動(dòng)與控制

2、業(yè)課程理論知識(shí)的再現(xiàn)，讓同學(xué)們體會(huì)電機(jī)在小型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用的廣泛性，為今后實(shí)際工作中應(yīng)用電機(jī)奠定基礎(chǔ)。2、通過設(shè)計(jì)的小型控制系統(tǒng)，熟練掌握電機(jī)結(jié)構(gòu)、原理、特性。二、本課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)的內(nèi)容和要求： 課程設(shè)計(jì)任務(wù)：根據(jù)給定的任務(wù)和要求選擇合適的單片機(jī)和其他的電子元件，進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，根據(jù)系統(tǒng)制作并調(diào)試系統(tǒng)電路板，使之實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求。有關(guān)參數(shù)選擇要符合國家標(biāo)準(zhǔn)。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：1、 步進(jìn)電機(jī)控制、模擬交通燈控制、模擬鍵盤輸入及顯示模塊。2、 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。3、 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。三、步進(jìn)電機(jī)的原理及選擇：  步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制

3、元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。1、概述：步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)

4、用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過控制脈沖頻率

5、來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2、步進(jìn)電機(jī)的分類：步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。2.1、永磁式步進(jìn)

6、電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩大，動(dòng)態(tài)性能好，但步距角大。2.2反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動(dòng)態(tài)性能差。2.3混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它有時(shí)也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.

7、8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。3、步進(jìn)電機(jī)的基本原理：通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。3.1、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。3.1

8、.1結(jié)構(gòu)：電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。 0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3，C與齒3向右錯(cuò)開2/3，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：3.1.2旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時(shí)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(yīng)與C對齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又

9、向右移過1/3，此時(shí)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(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/2

10、4，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。3.1.3力矩：電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力 F與（d/d）成正比 S 其磁通量=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R

11、為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)） 因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。3.2、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 3.2.1特點(diǎn)：感應(yīng)子式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式某種程度上可以看作是低速同步的電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)）

12、，而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。3.2.2、分類感應(yīng)子式電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70

13、BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。3.2.3、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語：相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*

14、8）=0.9度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。3.2.4、動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：（1）、步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行

15、時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。（2）、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。(3)、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。(4)、最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。(5)、最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。(6)、運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、

16、起動(dòng)頻率特性等。 電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 如下圖所示： 其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。(7)、電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之

17、亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。(8)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CD-BC-AB或()時(shí)為反轉(zhuǎn)。4、步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)： 4.1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。 4.2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。4.3

18、、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4.4、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)

19、，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。5、主要特性： 5.1、步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候， 步進(jìn)電機(jī)靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)， 就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。5.2、騰龍版步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個(gè)脈沖完成。 5.3、步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。 5.4、改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。因此，目前打印機(jī)，繪圖儀，機(jī)器人，等等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。6、步進(jìn)電機(jī)

20、測速方法步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降的情況，步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)對速度和位置都有嚴(yán)格要求。二是控制方便。步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。三是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進(jìn)電機(jī)后，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。 測速電機(jī)是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號(hào)。測速電機(jī)為一種輔助型電機(jī)，在普通直流電機(jī)的尾端安裝測速電機(jī)，通過測速電機(jī)所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源，來達(dá)到控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的7、步進(jìn)電機(jī)的選擇：B-步進(jìn)電機(jī)，Y-永磁型。48-是四相

21、八拍步進(jìn)電機(jī)。本次課程設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)是28BYJ-48型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。（1）四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 該設(shè)計(jì)采用了20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)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(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。（2）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場周期性變化所

22、需脈沖用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍運(yùn)行方式即AABBBCCCDDDAA。步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒角運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機(jī)為例。四相運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*4）=1.8度，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*8）=0.9度。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)

23、電源等無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過分采用減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。（3）四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律： 目前，對步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)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(shí)的時(shí)序 與波形分別如圖1 a、b、c所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配

24、規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。 四、AT89C51單片機(jī)：1、簡介：AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH儲(chǔ)存器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀儲(chǔ)存器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器

25、制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖所示：圖4.1 AT89C51的引腳排列2、主要特性：·與MCS-51 兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM&#

26、183;32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路3、管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電

27、流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。

28、P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如口管腳備選功能等。五、硬件設(shè)計(jì)：1、本設(shè)計(jì)使用的控制芯片：本設(shè)計(jì)使用的控制芯片是AT89C51，由于單片機(jī)接口信號(hào)不夠大需要通過ULN2003A放大再連接到相應(yīng)的電機(jī)接口，ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003 的每一對

29、達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003A的輸出結(jié)構(gòu)是集電極開路的，所以要在輸出端接一個(gè)上拉電阻，在輸入低電平的時(shí)候輸出才是高電平。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的時(shí)候，電流是由電源通過負(fù)載灌入U(xiǎn)LN2003A的。電路圖如下圖所示：圖5.1 ULN2003A引腳圖2、LCD液晶顯示器工作原理LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個(gè)列有細(xì)槽的平面之間。這兩個(gè)平面上的槽互相垂直(相交成

30、90度)。也就是說，若一個(gè)平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子?xùn)|西向排列，而位于兩個(gè)平面之間的分子被強(qiáng)迫進(jìn)入一種90度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時(shí)也被扭轉(zhuǎn)90度。但當(dāng)液晶上加一個(gè)電壓時(shí)，分子便會(huì)重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機(jī)發(fā)散的。極化濾光器實(shí)際是一系列越來越細(xì)的平行線。這些線形成一張網(wǎng)，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個(gè)垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個(gè)濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個(gè)極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。

31、LCD正是由這樣兩個(gè)相互垂直的極化濾光器構(gòu)成，所以在正常情況下應(yīng)該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個(gè)濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個(gè)濾光器后，會(huì)被液晶分子扭轉(zhuǎn)90度，最后從第二個(gè)濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個(gè)電壓，分子又會(huì)重新排列并完全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，所以正好被第二個(gè)濾光器擋住。總之，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。 然而，可以改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時(shí)射出，而不加電時(shí)被阻斷。但由于計(jì)算機(jī)屏幕幾乎總是亮著的，所以只有“加電將光線阻斷”的方案才能達(dá)到最省電的目的。從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分

32、組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，其間由包含有液晶(LC)材料的5m均勻間隔隔開。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點(diǎn)上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個(gè)個(gè)小的光閥。在液晶材

33、料周邊是控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。本次我們采用的是LCD1602，所謂1602是指顯示的內(nèi)容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。圖5.2

34、 顯示電路六、完整的電路圖：圖6 主電路圖七、程序設(shè)計(jì)：1、程序框圖：開始按下正反轉(zhuǎn)鍵判斷加速減速并顯示轉(zhuǎn)速調(diào)用延時(shí)程序delay掃描按鍵情況2、C 程序#include <reg51.h> /51芯片管腳定義頭文件#include <intrins.h> /內(nèi)部包含延時(shí)函數(shù) _nop_();#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define delayNOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();uchar code FFW8=0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0

35、xf4,0xfc,0xf8,0xf9;uchar code REV8=0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1;sbit K1 = P32; /運(yùn)行與停止sbit K2 = P33; /設(shè)定圈數(shù)sbit K3 = P34; /方向轉(zhuǎn)換sbit K4 = P35; /速率調(diào)整sbit BEEP = P36; /蜂鳴器sbit LCD_RS = P20; sbit LCD_RW = P21;sbit LCD_EN = P22;bit on_off=0; /運(yùn)行與停止標(biāo)志bit direction=1; /方向標(biāo)志bit rate_dr=1; /速率標(biāo)志bit

36、snum_dr=1; /圈數(shù)標(biāo)志uchar code cdis1 = " STEPPING MOTOR "uchar code cdis2 = "CONTROL PROCESS"uchar code cdis3 = " STOP "uchar code cdis4 = "NUM: RATE: "uchar code cdis5 = " RUNNING "uchar m,v=0,q=0;uint number=0,number1=0; uchar snum=10,snum1=10; /預(yù)設(shè)定圈數(shù)u

37、char rate=2; /預(yù)設(shè)定速率uchar data_temp,data_temP1,data_temp2; /*/* /* 延時(shí)t毫秒 /* 11.0592MHz時(shí)鐘，延時(shí)約1ms /* /*/void delay(uint t) uchar k; while(t-) for(k=0; k<125; k+) /*/void delayB(uchar x) /x*0.14MS uchar i; while(x-) for (i=0; i<13; i+) /*/void beep() uchar j; for (j=0;j<100;j+) delayB(4); BEEP=

38、!BEEP; /BEEP取反 BEEP=1; /關(guān)閉蜂鳴器 delay(170); /*/* /*檢查LCD忙狀態(tài) /*lcd_busy為1時(shí)，忙，等待。為0時(shí),閑，可寫指令與數(shù)據(jù)。 /* /*/ bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result = (bit)(P0&0x80); LCD_EN = 0; return(result); /*/* /*寫指令數(shù)據(jù)到LCD /*RS=L，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=指令碼。 /* /*/void lcd_wcmd(uch

39、ar cmd) while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0; /*/* /*寫顯示數(shù)據(jù)到LCD /*RS=H，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=數(shù)據(jù)。 /* /*/void lcd_wdat(uchar dat) while(lcd_busy(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; P0 = dat; delayNOP(); LCD_EN = 1

40、; delayNOP(); LCD_EN = 0; /*/* /* LCD初始化設(shè)定 /* /*/void lcd_init() delay(30); lcd_wcmd(0x38); /16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù) delay(5); lcd_wcmd(0x38); delay(5); lcd_wcmd(0x38); delay(5); lcd_wcmd(0x0c); /顯示開，關(guān)光標(biāo) delay(5); lcd_wcmd(0x06); /移動(dòng)光標(biāo) delay(5); lcd_wcmd(0x01); /清除LCD的顯示內(nèi)容 delay(5);/*/* /* 設(shè)定顯示位置 /* /*/vo

41、id lcd_pos(uchar pos) lcd_wcmd(pos | 0x80); /數(shù)據(jù)指針=80+地址變量/*/* /* LCD1602初始顯示子程序 /* /*/void LCD_init_DIS() delay(10); /延時(shí) lcd_init(); /初始化LCD lcd_pos(0); /設(shè)置顯示位置為第一行的第1個(gè)字符 m = 0; while(cdis1m != '0') /顯示字符 lcd_wdat(cdis1m); m+; lcd_pos(0x40); /設(shè)置顯示位置為第二行第1個(gè)字符 m = 0; while(cdis2m != '0') lcd_wdat(cdis2m); /顯示字符 m+; delay(3000); /延時(shí) lcd_pos(0); /設(shè)置顯示位置為第一行的第1個(gè)字符 m = 0; while(cdis3m != '0') /顯示字符 lcd_wdat(cdis3m); m+; lcd