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1、. . . . 摘 要步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛地用于工业机械的数字控制。为使系统的可靠性，通用性，可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电动机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电动机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O口、中断、键盘、LED显示器的扩展，步进电动机的环形分配器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计。实现了四相步进电动机的正反转、急停等功能。为实现单片机控制步进电动机系统在数控机床上的特殊应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电动机在某段时间
2、的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动。关键词：8051单片机，四相步进电动机，控制ABSTRACTThe stepping motor is a precision electromechanical incremental actuator.It widely uses the digital approach for control of industrial machines.For dependable,in general use that make system,can support sex an sex price ratio superior,divide the
3、 line according to control system funcion request and a function for entering electric motor applying environment,making sure designing system hardware with softwares, from but realizes to base on single chip microcomputer 8051 of four mutually the step enters the dynamoelectric opening the wreath t
4、he control the system.The control system passes the single saving maching,I/O in a machine, break off,the keyboard, the display of LED expands, a wreah for entering elecreic motor form assigns the machine,drive and the design of its protection electric circuit, man-machine connection electric circui
5、t, interrupt system and reset circuit, single-voltage driver circuit and so on,realizes four mutually the step enters the electric motor positive and negative to turn, nasty stop to wait the function.For realizing single chip microcomputer control a special application for entering electric motor sy
6、stem in severalth contorling machine bed, the system designed two exteriors breaks off,toing realize a the step enters electric motor is in a certain time of again and again positive and negative turn the function, also count namely the knife that control the machine bed is automatic to enter to the
7、 sport.KEYWORD：single chip microcomputer 8051；four-phase stepper motor ；control目 录摘要Abstract第一章 引言11.1 课题的来源与意义11.1.1 课题的意义2第二章 步进电动机原理及其控制技术52.1 步进电动机的原理52.2 步进电动机的速度及其加减速控制62.2.1 步进电动机的速度控制62.2.2 步进电动机的加、减速控制 62.3 步进电动机的驱动系统 7第三章 系统总体设计简介 83.1 系统功能 83.2 系统组成及其器件选择 93.2.1 系统组成 93.2.2 器件选择 93.3 系统的可
8、靠性及抗干扰设计 103.3.1 软件的可靠性设计103.3.2 硬件抗干扰措施 103.3.3 软件抗干扰措施 11第四章 硬件的设计124.1 单片机控制步进机系统原理图及说明124.1.1 系统模块之一四相混合式步进电动机环形分配器124.1.2 系统模块之二四相步进电动机驱动及保护电路144.1.3 系统模块之三人机接口电路144.1.4 系统模块之四中断系统及复位电路 144.1.5 系统模块之五各档直流电源154.2 单片机原理 164.2.1 MCS51单片机 164.2.2 MCS51单片机引脚功能 174.2.3 MCS51单片机的存储器结构 204.2.4 并行输入及输出端
9、口结构214.3 单片机的片外总线结构 254.3.1 单片机的片外总线结构254.4 系统外设接口274.4.1 键盘接口原理 274.4.2 键盘的控制要求 294.5 译码器及地址锁存器304.5.1 38译码器：74LS138 304.5.2 地址锁存器：74LS373 30第五章 软件的设计 325.1 软件设计流程图325.2 设计相关程序 34结论 44参考文献45致47附录48 . . . 第一章 引言1.1 课题的来源与意义早在十九世纪三十年代就出现了步进电动机，那时候的步进电动机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电动机没有什么区别。到上世纪初，由于
10、战争的需要，造船工业发展迅猛。在上世纪二十年代到三十年代间，一些杂志先后刊登了一些步进电动机在航海技术方面应用的文章，介绍了步进电动机的设计和计算方法。直到上世纪三十年代初这些理论才被真正用于指导步进电动机的设计与生产。但由于其性能不能满足速度不断提高的舰船的要求，使得这项技术徘徊了数十年之久，一度几乎被废弃。后来，由于无触点式电子开关元器件的出现，解决了步进电动机励磁绕组快速换向的问题。所以，在上世纪中期，步进电动机又重新崛起。1952年，美国麻省理工学院首先研制成三坐标数控铣床。数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件一直是争论的焦
11、点，经过理论分析和现场试验，发现使用步进电动机作为进给机构的驱动元件是较理想的选择，这一应用使得步进电动机的使用围更加广泛。1.1.1 课题的意义我国对步进电动机的研制及应用起步不算太晚，早在1958年，我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电动机，并开始应用到数控机床中。进入上世纪六十年代中期，结构新颖的步进电动机相继问世，为了降低电机功耗以及提高效率，人们发明了永磁式和混合式步进电动机。到上世纪七十年代，步进电动机的生产进入了全盛时期，其产量每年都已11%的指数递增。到目前为止，步进电动机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面。步进电动机
12、已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动化水平。步进电动机是机电一体化产品中的
