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1、1 绪论1.1 课题描述随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术 的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代 科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给 现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其体积小、重量 轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容 易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领 域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到 处都可见到单片机的踪影。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个 国家工业发展水平的标
2、志之一。本课题研究的内容就是以单片机为主要控制元 件，通过控制脉冲信号来定位步进电机。1.2 步进电机参数和特点1.2.1 基本参数1.电机固有步距角8它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时 给出了一个步距角的值，电机给出的值为 0.9/1.8(表示半步工作时为 0.9、 整步工作时为1.8),这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电 机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2. 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电 机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三 相的为 0.
3、75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。3. 保持转矩(HOLDING TORQUE)是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。1.2.2 步进电机的特点1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。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
4、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 减小，从而导致力矩下降。4. 步进电机低速时可以正常运转,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。伴随着不同的数字化技术的发展以及
5、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 总体方案设计2.1 总体设计框图 为了实现步进电机的加减速定位控制功能，设计采用的如图 2.1 的设计框图。本设计系统采用开环控制，利用AT89C51单片机作为脉冲分配器，通过功 率接口控制四相步进电机的加减速运行。键盘模块控制步进电机的起动 、加速、停止、以及定位等各项功能的选择。LCD显示器上实时的显示步进电机的运行转速和定位功能时候步进电机运 行的转速和总的转数。89C51 单片机系统是整个控制系统的核心，控制系统的各个模块协调工作 并且充当步进电机运转时候的脉冲分配器。图 2.1 总体设计框图2.2 控制系统芯片的选取2.
6、2.1 单片机芯片的选取随着科学技术的发展，微型计算机技术日益发展，已经在许多领域得到了 广泛的应用。随着集成电路工艺的发展，出现了单片机、DSP,ARM等多种单片 机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性 能CMOS 8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 6。 51 单片机虽然和DSP,ARM相比处理速度和运算速度
7、上都比较慢，但它的体积小、 质量轻、价格便宜，它的速度可以满足本次实验的要求，所以我们采用 AT89C51 这款单片机。2.2.2 步进电机驱动芯片的原理及其引脚功能对于设计中 的 步进电 机 驱动器 采 用 L298N 驱动器。 L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics 所生产的 双全桥 步进电机 专用 驱动芯片 ( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电
8、位信号，可 驱动 46V、 2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片 可直接由单片机的10端口来提供模拟时序信号。L298N的内部逻辑图如2.3所示1。CtIn4CTIn20UT10UT20U lOOnF+Vss图 2.3 L298 内部逻辑图3双列直插式封装的L298N，共20个引脚，引脚图及其引脚功能如下图2.4所示。fGND :1 20GNDSer-se A I-219-1 Sense BN.C :3IB N.C.Oul 1 _41703 45 PowerSO20 jeOut 2 :二 Out 3-1 Input 4Vs |615Input 1:7J4一 Enabl
9、e BEnab e A IS131 tnput 3Inul 2 厂& 12 -/ssGNC r10 11 GND图 2.4 L298N 引脚图2L298N驱动器的引脚功能如表2.1所示。表 2.1 L298 引脚功能引脚PowerSONameFunction功能说明1;152;19Sense A; Sense B电流监测端,1、15和PowerSO的2、19用法一样，SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地2; 34; 5Out 1; Out 21Y1、1Y2输出端46VS功率电源电压，此引脚与地必须连接100nF电容器5；77;9Input 1; Input 21A1
10、、1A2输入端，TTL电平兼容6;118;14Enable A; Enable BTTL电平兼容输入1EN、2EN使能端，低电平禁止输出81,10,11,20GNDGND地912VSS逻辑电源电压。此引脚与地必须连接100nF电容器10; 1213;15Input 3; Input 42A1、2A2输入端，TTL电平兼容13; 1416;17Out 3; Out 42Y1、2Y2输出端监测引脚153;18N.C.Not Connected 空2.2.3 显示芯片的选取及其引脚功能对于显示模块选用LM016L液晶显示器。LM016L液晶显示器（LCD）具有 功耗低、体积小、质量轻、显示好的特点。
11、点阵字符型液晶显示器把LCD控制 器、点阵驱动器、字符存储器集成在一块印刷电路板上，构成便于应用的液晶模 块。这类液晶模块不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量 自定义符号,并且可以实现屏幕的上下左右滚动、文字的闪烁等功能LM016L液 晶模块采用HD44780控制器。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实 现字符移动、闪烁等功能。图 2.5 LM016L 引脚图LM016L与单片机MCU (Microcontroller Unit)通讯可采用8位或者4位并行传输两种方式。LM016L液晶模块的引脚功能见表2.2。表 2.2 LM016L 引脚功能表管脚号名称电平功能
12、描述1VSS0V2VDD5V3VEE-4RSH/LH：数据线上为数据 信号；L：数据线上为 指令信号。5RWH/LH:读数据模式；L：写数据模式。6EH/L使能信号端714DB0DB7H/L数据线通过对HD44780写入控制指令，HD44780产生显示驱动信号来驱动 LM016L。HD44780的控制指令主要有：清除显示(Clear Display)、地址归位 (Return Home)、输入模式设定(Entry Mode Set)、显示开/关控制(Display On/Off Control)、功能设定(Function Set)、设定 CGRAM 的地址(Set CGRAM Address
13、)、 设定DDRAM 的地址(Set DDRAM Address)、写 DDRAM/CGRAM (Write Date to DDRAM/CGRAM)、读忙标志和地址(Read Busy Flagand Address)以及从 DDRAM 和CGRAM 中读数据(Read Date from DDRAM/CGRAM )。3 硬件电路设计3.1 AT89C51单片机最小系统3.1.1 AT89C51单片机主要特性和功能特性主要特性：与 MCS-51 兼容4K 字节可编程闪烁存储器全静态工作0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 RAM32可编程I/O线两个 16位定时器/计数器5
14、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3.1.2 AT89C51引脚分布图及管脚说明PDIPP1.0CP1.1 匚P1.2CP1.3CF1.4 匚P1.5IZP1.&CP1.7E RSTC RXD?P3.0IZ (TXD)P3.1 匚 (TW；. P3.2 匚 |1NTT：P3.3E(TO) P3.4 E (T1JP3.5LWR) P3.& L (RD:. P3.7 匚XTAL2 IXTAL1匚 图 3.189C4G3633373a3534333231302 3 4 576T 4 1 -1 4 4 JI加单片机引 vcc PO.C i：ADOj P0.1 (ADT) P0.2 (AD2：i P0.3 (AD3) P04 i：AD4) P0.5 (AD5：i PO.a !；ADS i P0.7 (AD7：i eXVPP ALEfPRDG P2.7 (A15) P2.8 (A14) P2.5 (Al 3JP2.4i：A12) P2.3 (A 11)JP2.2 (A1D) P2.1 fABl脚结构图由上图可知 89
