单片机控制步进电机.docx
《单片机控制步进电机.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机控制步进电机.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
单片机控制步进电机
1绪论
1.1引言
步进电机也就是市场上的脉冲电动机和阶跃电动机。
它是一种开环控制元件。
步进电机的主要工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或者将电脉冲信号转变为线位移，这种开环控制元件的位移速度和它的脉冲频率有着很好的比例关系，其脉冲数目也和它的位移量呈现很好的比例关系。
步进电机主要是依据电磁感应作用的原理来工作的。
这种定子、转子相互结合组成的结构不仅可以精确地控制步进电机的旋转角度和转动速度。
而且当电流流过定子绕组时，便会产生一个矢量磁场，转子在这个矢量磁场的作用下会一定的角度，定子也依据转子磁场的方向转动一个角度。
单片机控制的步进电机在现代化领域应用非常广泛。
例如工业自动控制、组合机床、计算机外围设备、照相机、卫星天线定位系统等。
最早的步进电机模型大概起源于19世纪，70年代的步进电机还在尝试以控制为目的。
到二十世纪50年代步进电机还应用于晶体管的发明上。
直到60年代后期，随着永磁材料的发展，在已经对数字化有了很好的控制的基础上，各种实用性步进电机也随之出现在人们的眼球面前。
在日常生活中，我们随处可见步进电机的身影。
在生产自动化过程中，步进电机可以为人类节省不必要的人力物力。
而且其效率非常高。
我们通常看中步进电机的这些优点，所以在实践中广泛的加以应用以达到我们预期的目的。
1.2国内外控制方案
二十世纪20年代英国人最早开发了步进电机，50年代后期步进电机还逐渐应用于晶体管的发明上，越来越精确地进行了数字化控制。
今日的步进电机经过不断的改良已经产生广泛的应用。
在日常的生产生活过程中，步进电机随处可见。
它实现了机器系统的自动化、高效率等优点。
现代科技的高速发展使步进电机对人们的生产和生活中产生越来越重要的作用。
步进电机作为执行元件，不仅应用于经济型的数控系统，而且还可以用先进的检测和反馈元件加以辅助，组成高精度全封闭的环数控系列，据此达到很高的加工精度。
因此在数控系统中都了广泛采用这种方式。
我国现在已经能够自行研制并开发适合于我国数控机床发展的需要的各种档次数控系统。
研究步进电机的控制系统变得越来越重要。
我们一直没对步进电机进行研究也是为了使能够良好的控制其性能。
微型计算机出现以后，尤其是现在的微型计算机都能够实现多种功能，因此现实生活中很多重大的技术都能够得已突破，对于步进电机的控制也采用越来越灵活的控制方式。
以前我们对于步进电机的回路控制大多都是分立元件的控制方法。
这种控制方法不仅调试安装的过程特别复杂，而且对于元器件的消耗需求也特别大，其一个电路只能使用一个设计电路，对于别的设计电路只能重新加以设计。
一般情况下系统很难进行升级。
通过软件实现对步进电机的微型单片机控制系统的控制，将步进电机的潜力发挥到了极致。
因此利用微型单片机来控制步进电机现在己经成为了一种必然的趋势，这也非常符合数字化时代的发展要求。
现如今，我们在步进电机的发展过程中总结了很多控制方案：
①基于电子电路的控制
步进电机经过电脉冲信号的控制，电子元器件实现了电脉冲信号的产生、分配和放大。
但是脉冲控制信号一般都具有很弱的驱动能力，所以必须有一个功率放大驱动电路。
步进电机控制电路和功率放大驱动电路结为一体，构成了步进电机的驱动系统。
这种控制电路的优点是它不仅设计简单，而且拥有强大的功能，通常可以实现一般步进电机的细分任务。
这个系统由三个部分组成：
脉冲信号产生电路、功率放大驱动电路、脉冲信号分配电路。
系统组成如图1.1所示。
图：
1.1基于电子电路控制系统
本方案称为开环控制，也可称为闭环控制。
开环时平稳性好，设计简单，成本低，但不能实现高精度的细分。
在采用闭环控制的情况下，步进电机不仅能够精确地进行细分，又能实现无级调速。
闭环控制是通过不断直接或间接的来检测转子的位置和速度，再通过反馈和适当处理，来自动给出脉冲链，使步进电机响应每一步的控制信号的命令，所以只要控制策略是正确的，电机就不可能轻易失步。
该方案大多通过一些大规模的集成电路来控制脉冲输出频率和输出数，相对而言功能比较单一，如果需要改变控制方案，则必须需重新设计，所以其灵活性不高。
②基于PLC的控制
PLC即可编程控制器，它是一种工业计算机。
PLC是新生的工业控制器，他有着旧版本控制器无法比拟的通用性以及实用性，配合PLC的硬件设施很多很齐全，适用于PLC的编程结构简单易学，同时还能够保持较高的可靠性和稳定性，因此被广泛应用，尤其是在自动控制系统之中。
一个步进电机控制系统中有可编程控制器、环形分配器、功率驱动电路。
控制系统采用可编程控制器来产生控制脉冲。
步进电机的转角从通过一定数量方波脉冲来控制伺服机构进给量，这种方波脉冲是可编程控制器编程来输出的，可编程控制器通过控制其产生的脉冲频率来控制步进电机的转动速度，从而得以成功的控制步进电机的进给速度。
可编程控制器输出的控制脉冲通过环形分配器的分配从而按照步进电机的通电顺序加到相应的绕组。
可编程控制器控制的步进电机既可以应用软件环形分配器，又可以应用硬件环形分配器。
③基于单片机的控制
基于单片机的控制系统，实现了软硬件相结合的控制方法。
软件代替环形分配器可以对步进电机进行最佳的控制。
这种系统对步进电机各相驱动线路的控制都是采用单片机的接口线直接完成的。
实验中大量的外围电路的设计都依靠的是单片机强大的功能，数码显示器相应显示正转、反转对应的按键数等状态。
作为一个外部中断源的键盘，用于完成对步进电机的启停、正转、反转、加速、减速等功能，这一部分功能的实现采用的是调用中断服务程序，中断与查询相结合，完成了对步进电机的最佳控制。
单片机系统还负责完成环形分配器的功能，采用软件编程实现对脉冲的分配。
本方案具有下列优点：
（1）单片机软件编程使复杂的控制过程得到自动控制的效果，从而完成了精确的控制，避免了失步和振荡的情况等影响其精度；
（2）本设计用软件编程来代替环形分配器，通过对单片机加以设置，完成控制、驱动多相步进电机等一系列功能，我们可以同种电路来实现，从而使接口电路变得更加灵活，其通用性有了极大地提高；
（3）单片机强大的功能使得其外围设备电路很好的组合在一起，大大提高了系统的交互性。
综合比较上述情况，所以在本次设计中采用基于单片机的最佳的控制方案。
1.3单片机控制步进电机研究意义
步进电机是纯粹的数字化控制的。
外加的控制脉冲加到步进电机控制器导致其各项绕组导通或者截止，电动机基于这样的原理产生相应的步进运动。
也就是说在试验中，我们任意给定一个电脉冲信号，步进电机就会根据我们给定的电脉冲信号发生转动，其转过的角度或前进的步数与它的输入脉冲数和频率都有紧密的联系。
这种关系在一定的范围内，只要不超过附在范围，其就不会随着其他条件的变化而发生改变。
只要保证没有超载的情况，那么步进电机只会根据脉冲信号产生的频率及其相应的脉冲数目决定转动的速度以及其在什么位置停止转动，负载的变化不会对其产生影响。
而步进电机的误差也是具有一定的周期性的，其没有累积误差、并且精度很高。
因此只要不超过步进电机能够工作的频率范围，我们相应的改变脉冲频率就能够控制空进电机实现启停、调速、正转反转控制等功能。
试验中我们一般采用硬件来实现对步进电机的控制，这种设计电路可以做到高集成度，但是一般其花费也是非常，而且功能也比较呆板，如果换一个设计要求，那么整个的硬件电路都需要加以更改，不能照用这个设计电路，使得设计过程非常繁琐。
因此我们采用的是改进过的软硬件相结合的方式，充分利用单片机的资源，灵活的运用单片机来完成我们的编程任务和运算任务。
实现对单片机最大限度的利用。
单片机还有不同的工作模式，可以运用着多种模式来达到我们需要的功能的实现。
在这种情况下，其硬件电路的适用性也特别强，只要改变相应的软件编程就能够适用于新的设计电路。
本设计中利用了动态扫描技术，其把显示电路和键盘电路很好的结合起来，做到了一定的人机交换，并且加强了抗干扰性、可靠性，实现了一定的应用价值。
2关键技术
2.1步进电机概述
2.1.1步进电机的分类
步进电动机从广义上说可以分为机械式、电磁式、组合式这三大类。
按结构上的特点，电磁式步进电机又可以分为反应式（VR）、永磁式（PM）、混合式（HB）这三大类；按照相数则可以分为单相、两相和多相。
目前为止使用最广泛的是反应式步进电机和混合式步进电机。
本设计中设计的目的更注重于整个系统的有机结合，所以采用了反应式步进电机。
2.1.2步进电机的原理
步进电机有定子和转子两个结构部分，这种结构对步进电机的旋转角度和转动速度都能够进行高精度的控制。
当在定子绕组上通上一定的电流，这个电流的作用会产生一个矢量磁场，转子在这个矢量磁场的作用下会旋转一个角度，转子的磁极磁场向着定子的磁场方向旋转一个角度。
因此，步进电机的旋转是根据电流产生磁场来实现的。
每过来一个脉冲电压，转子就会旋转一个步距角，或者说旋转一步。
然后电压脉冲的分配、各项绕组电流进行切换再配上连续脉冲，步进电机便能够一步一步地连续转动，从而完成一整套的旋转动作。
步进电机将电能转换为机械能，将电脉冲转换为特定的旋转运动。
每一个脉冲所都能产生可重复的连续转动，因此，步进电机在定位应用中会如此有效。
通过电磁感应定律，我们能够知道激励一个线圈绕组将会产生一个电磁场，这个电磁场分为南极和北极，如图2.1所示。
定子产生的磁场使得转子转动，直到与定子磁场对直。
然后改变定子线圈的通电顺序来使电机的转子产生连续的旋转运动。
图：
2.1激励线圈产生电磁场
步进电机在试验中通常作为一个数字、角度通用的转换器，或者作为数模转换器，通常是串行的。
每个步进电机的都包括控制启停、转向、调速3个方面。
步进电机按结构上的不同可分为三相步进电机、四相步进电机和五相步进电机等,本次设计使用的是四相电机。
四相步进电机的通常有有单四拍、双四拍和单双八拍三种工作方式。
本设计使用的是四相单八拍的工作方式。
P1口给步进电机输入连续的高电平实现步进电机的旋转运动，两次输出的间隔时间不同引起步进电机用不同的速度来运行，从而对速度进行控制。
图2.2步进电机内部结构截图
由于步进电机是将电脉冲信号转换为直线或角位移的一种执行元件，因此它不可以直接的与交流电源和直流电源相连接，而一定得使用专用的机器设备，即步进电机控制器。
日程生活中最典型的步进电机的控制系统如下图2.3所示：
步进电机的控制器发出一个脉冲，其脉冲信号的频率在几HZ到几千HZ内连续变化，为环形分配器提供脉冲序列。
环形分配器再按一定的规律分配其产生的脉冲序列，然后功率放大器再将这个脉冲序列进行放大，放大以后的脉冲序列加到步进电机的驱动电源的各项输人端，从而驱动步进电机的转动。
图2.3典型步进电机控制框图
2.1.3步进电机的特点
本设计采用的是42BYG型号的感应式步进电机，但是它在古老的反应式步进电机的基础上其转子加了永磁体，电机效率高，发热低，电流小。
由于这种步进电机中含有永磁体，使得这种步进电机具有较强的反电势和很好的自身阻尼作用，能够比较平稳的进行运转、而且其低频振动小、噪音低。
对于目前步进电机的应用情况，总结步进电机的自身特点具体有：
（1）步进电机必须在接收到用以驱动的脉冲信号之后才可以运转，一旦没有驱动的脉冲信号步进电机的运转便会停止，步进电机会随其输入的脉冲信号的大小按照一定的角度或步角转动。
脉冲信号的频率越高，转动速度越快，反之则越慢。
（2）步进电机能够瞬间启动和急速停止。
（3）步进电机转动方向的改变可以决定于步进电机驱动器的输入脉冲的顺序。
（4）步距角的选择范围很大，可以在几十角分到一百八十度的范围内选择。
步距较小，步进电机还能在此低速下以高转矩去运行，因而实验中负载的驱动工作不需要经过减速器。
（5）普通的交流电源不能够驱动步进电机。
2.2L298概述
2.2.1L298功能介绍
L298N是一种专门用来驱动步进电机的芯片，由SGS-THOMSONMicroelectronics出产，本设计中作为四相步进电机专用的驱动器，内部含有2个高电压的大电流的驱动器，接收标准为：
TTL逻辑准位信号，可以驱动46V、2A以下的步进电机，而且能够直接通过电源调节输出电压；这种芯片可以由单片机的IO端口提供模拟时序信号。
L298N之接脚如图2.2.1所示，Pin1和Pin15可以和电流侦测用电阻连接从而控制负载电路；OUTl、OUT2、OUT3、OUT4之间分别接了2个步进电机；input1、input2、input3、input4输入控制电位控制步进电机的正反转；Enable控制电机的停转。
图：
2.4L298管脚图
引脚功能介绍：
1、1；15脚（SenseA；SenseB）：
为电流检测端，分别是两个H桥的电流反馈脚，当其不用时可以直接接地；
2、2；3脚（Output1；Output2）：
为1Y1和1Y2输出端；
3、4脚（VS）：
为功率电源电压,必须与地连接100nF的电容器；
4、5；7脚（Input1；Input）：
为1A1、1A2输入端，与TTL电平兼容；
5、6；11脚（EnableA；EnableB）：
为TTL电平兼容、输入1EN、2EN为使能端，低电平时禁止输出；
6、8脚（GND）：
为GND接地端；
7、9脚（VSS）：
为逻辑电源电压端。
必须与地连接100nF电容器；
8、10；12脚（Input3；Input4）：
为2A1，2A2输入端，与TTL电平兼容；
9、13；14脚（Out3；Out4）：
为2Y1、2Y2输出端，用以监测引脚15；
2.2.2L298驱动原理
图2.5L298驱动原理图
此模块上的VIN是电机的电压输入端，VCC是芯片的5V供电端
内部的供电跳线设计中，ON的操作是选择内部供电，OFF即为不选择
如果电机的电压在7V-14V范围内，那么稳压供电可以作为最好的内部选择，此时的VCC不需要用外接电源，但可外接线作为外问逻辑供电
电机的工作电压在7V以下时或者在14V以上时，要想使本系统的电路稳定地工作，一般不选择内部5V供电即跳线设置为OFF，同时还需要外接5V给予模块芯片供电。
这点非常重要。
外接5V电源的GND要与逻辑部分供电的GND连接在一起，这点也很重要
L298N芯片设有使能端ENA、ENB，当不使用这两个端口的时候需要将其置为高电平
3系统硬件设计
硬件设计是整个系统的平台，是实现各种功能和软件运行的基础，所以硬件设计是否合理从根本上决定整个系统的质量。
要想尽可能地去发挥单片机的优势，通过单片机实现更多更完善更稳定的功能，节省整个系统设计的成本以及更可靠的工作，人机交互性更强的操作，使整个系统能真正对各类院校的实践教学起到促进作用，我们对硬件电路进行了精心的设计。
每一个方案都要进行不止一遍的讨论和验证，虽然设计不一定能够保证是多完美多先进的，但是一定是最适合本次设计目的的。
3.1总体设计
本系统由电源、单片机（AT89C51）最小化系统、按键电路、电机驱动电路和数码管等组成。
用单片机P1口控制步进电机的驱动芯片L298来实现对步进电机的控制。
由于L298控制简单，接口线较少。
所以对于AT89C51单片机来说，其P1口完全能够满足芯片的驱动控制。
其主要的控制位P1.0、P1.1、P1.2、P1.3分别控制细分电路的控制端IN1、IN2、IN3、IN4。
L298驱动模块连接着步进电机的四根引线。
利用单片机来实现对步进电机的手动控制。
步进电机的转动有本系统的单片机产生的脉冲信号经L298功率放大后进行直接驱动，这种转动方式可控性能高。
如果需要调节步进电机的转速和改变步进点击的状态都由按键来进行选择。
单片机的P0口接五个控制按钮。
P2口接数码管显示所执行操作的按钮号码。
图3.1系统总体设计图
3.2按键模块
图3.2按键模块图
按键模块控制启停、正转、反转、减速、加速功能的a1、a2、a3、a4、a5分别连接的是单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4。
当没有按键按下时，其P0口被置为高电平。
此时不执行相应按键的功能。
一旦有按键按下时，单片机便会有一个低电平有效地脉冲信号。
此时单片机控制步进电机应该执行相应按键的功能。
3.3步进电机驱动模块
图3.3步进电机驱动模块图
P1.0、P1.1、P1.2、P1.3分别作为控制细分电路的控制端IN1、IN2、IN3、IN4。
输出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4连接着步进电机。
因为单片产生的脉冲信号比较小，不足以驱动步进电机进行运转。
因此需要连接一个步进电机驱动模块，其输入端将单片机产生的脉冲信号进行功率放大，然后连接至步进电机上使其达到能够运转的功率大小。
3.4数码管显示模块
图3.4数码显示模块图
本设计中使用的是共阴极的八段数码显示管，连接着单片的P2口。
当有代表一定功能的按键被按下时，单片机会接收到产生的脉冲信号。
每个相应的按键都与将数码管的八段设置成显示其对应的按键数字。
4系统软件设计
本系统的软件设计分为系统初始化、按键及数码显示输出，执行相应按键功能几个部分。
事实上每个部分都紧密相关，每一个功能模块对整体的设计都非常重要。
单片机AT89C5l通过软件编程能够获得一个完整的可正常运行的系统，软件部分设计的质量更是关系着整个系统运行的稳定性和有效性。
程序流程图的设计准则都是遵循着同一个模式，自顶向下，从主体到各模块的设计原则。
本程序主要由初始化程序、定时器0中断服务程序、按键程序几个部份组成。
主程序首先初始化各变量，中断使能为低电平，既不允许中断。
然后调用检测按键程序检测中断的允许情况，如果有键按下，就立刻进行键盘处理程序的调用。
4.1系统软件总体设计
图4.1系统主程序流程图
主程序中P2口共阴极数码管全设置成低电平。
即如果发现数码管不显示数字，就实行定时器中断服务的调用。
接着执行通过按键改变中断允许引起中断请求的循环语句。
4.2定时器0中断服务程序
图4.2定时器0中断服务流程图
首先设置一个定时器初始值，设定定时器模式和中断情况。
然后定时器每记满就会产生脉冲使得步进电机进行运转，而且步进电机会转一圈。
我们采用了T0方式0控制发出脉冲的个数以及频率，也就是在系统中断响应后需要进行初值的重新加载，以期获得变速灵活性的提升和进步。
根据四相八拍步进电机的性质可知四相八拍步进电机绕行一周需要八拍，即一旦步进电机进入运转，就会连续进行八次转动相同角度才会跳出运行程序。
4.3按键子程序流程
图4.3按键子程序流程图
在没有按键按下的初始情况下，通过上拉电源已经将与按键相接的几个P0口都置成高电平，此时则跳出if循环语句。
当启停键被按下时则开启中断允许，P2口通过数码管显示相应的按键序号。
在此基础上如再按下别的按键，则会出现对应按键描叙的功能。
同时P2口数码管显示相应的按键序号。
值得注意的是本程序已经将初始定时器至设置成1-10范围内。
因为经过反复试验结果发现当定时器初始值在6以后的所有数值中加速减速对步进电机的转速影响不大。
5仿真
本步进系统采用PROTEUS作为仿真模拟环境，该软件的良好应用性能有力地保证了本设计的顺利进行和有效进行。
图5.1系统仿真图
仿真开始后，按下启停键，则步进电机便会开始运转，在此基础上，按下正转、反转、加速、减速步进电机便会执行相应的操作。
但是在本设计中，加速减速的范围设置成N在1到10的范围内。
当减速到1的时候再减速，则不会出现变化。
同样的，当加速到10时再加速，步进电机的转速也不会再出现变化。
6总结
通过本次的课程设计，我首次接触到单片机的应用，一开始我简直难以想象这个系统要怎么做，我对单片机的使用根本一无所知，具体的详细知识很犹如抓瞎。
但是通过老师的指导，我自己也在课后翻阅书籍并上网搜集了不少关于步进电机的知识。
但是这些离课程设计需要掌握的知识还相差很远，为了弥补这种差距，我只能不断地查阅资料并仔细揣摩。
终于在这次课程设计中，我用单片机控制步进电机的启停、正转、反转、加速、减速。
使我对单片机的知识进行了温习和加强。
在设计仿真电路的过程中，我们必须要有耐心。
在设计过程中的，电路的连接设计最耗心神，小到每个单元电路的连接，大电路的细节设计，都要耗费大量的时间和精力。
比如在多种方案的选择中，我们需要仔细比较分析各个方案的原理以及是否可行、可行的原因。
所以，对硬件系统的各个组成部分，以及整个硬件系统的整体，我们都应该有着深刻的理解和透彻的研究，做到了然于胸，才能够灵活运用。
同时在本次设计过程中，我还学会了如何高效率的查阅资料、利用网络查找资料。
我们书本上的很多知识都知识规范化，模式化的教学内容，在面对现实多变的实情时，具体应用的繁杂让我们措手不及，书本上的这些知识并不能够很好地进行贯彻。
这就要求我们要更加注重实践环节。
虽然那时候会觉得学习单片机非常的枯燥乏味，只是单纯的学习那些指令事做什么的，觉得学了一点用处都没有。
现在想想，其实那些生硬的指令组合起来竟可以实现这么多的实用功能。
而只会理论的人，永远都成不了巨人，而我们作为新生代先进的力量，不能眼高手低，也不能纸上谈兵，要具体分析现实的实际，再结合我们所学的理论，才能够做到相结合，相辅相成。
所以，做毕业设计的这段时间以来，我深刻地了解了理论与实践结合的重要意义，可以说我们不仅要站在巨人的肩膀上，还要自己努力成长，成为一名巨人！
参考文献
[1]张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程[M].北京:
清华大学出版社,1997.
[2]潘新民等:
单片微型计算机实用系统设计1北京:
人民邮电出版社,1992.
[3]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1993.
[4]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1998.
[5]刘国荣.单片微型计算机技术[M].北京:
机械工业出版社,1996.
[6]陈理壁.步进电机及其应用[M].上海:
上海科学技术出版社,1989.
[7]郭敬枢,庄继东,孔峰.微机控制技术[M].重庆:
重庆大学出版社,1994.
[8]季维发,过润秋,严武升等.机电一体化技术[M].北京:
电子工业出版社,1995.
[9]刘保延,等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,1997.
[10]王福瑞,等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1998.
[11]于海生,等.微型计算机控制技术[M].北京:
清华大学出版社,1999.
[12]常斗南,等.可编程序控制器原理、应用、实验[M].北京:
机械工业出版社,1998.
[13]秦曾煌.电工学[M].北京:
高等教育出版社,1999.
附录
附录1
附录2
#include
#include
#defineBYTEunsignedchar
#defineWORDunsignedint
#defineFOSC11059200//波特率宏定义11.0592MHZ
#defineKEYP0//按键端口宏定义按键都接在P0口
#defineBYTEunsignedchar
#defineWORDunsignedint
//4相8拍步进电机励磁方式
//A->AB->B->BC->C->CD->D->DA正转可以查看相关资料
BYTEcodeFFW[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};
//AD->D->CD->C->BC->B-
升级会员 