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1、步进电机步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机控制是一个比较精确的控制，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制
2、方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。延时方法占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。仪器设备单片机的选择：本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能步进电机的选择：硬件设计包括AT89
3、C51单片机的最小系统、电源模版、键盘控制模版、步进电机驱动（达林顿驱动器ULN2003）模块、数码显示（四位一体数码管SMK）模块、测速模块（含霍尔传感器UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转速速度的控制，并将步进电机的转速速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。步进电机控制系统共分为六个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、测速模块、步进电机驱动模块和电源模块。1.单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电
4、路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。 2.键盘控制模块包括方向控制键、加速键和减速键、启停键，分别与单片机的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相连。实现对步进电机的控制。并且键盘上连接有发光二极管，以指示键盘状态。键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为510ms；两次抖动之间为稳定的闭合状
5、态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。 按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。 为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其原理是在第一次检测到有
6、键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。其原理图如图2-3所示：3.数码显示模块采用共阴极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利用I/O口为数码管的com端提供低电平。二号单片机的P1口提供数码管的段选信号，P2.6和P2.7控制数码管的位选信号。 4.测速模块采用开关霍尔片对安放在步进电机转盘上的小磁片的磁信号进行检测，步进电机转盘每次带动小磁片经过霍尔片时，其都将有脉冲信号从霍尔片输出。单片机外部中断口对信号进行采集。 5.步进电机驱动模块选用七个NPN达林顿连接晶体管ULN2003为
7、步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。该模块与单片机的P1.0P1.3相连。 6.电源模块是通过将市电220V转变为直流12V和直流5V分别供给驱动模块和单片机模块。程序设计思路 步进电机控制系统的软件需要同时完成读取键盘、处理键盘、控制步进电机转动、控制数码管动态显示等任务，这就必须通过中断技术来实现。 在本设计中，主程序采用查询方式扫描键盘端口，检测按键动作是否发生，若有按键动作则处理键盘，根据按键值修改相应参数值，实现键盘的实时处理功能。定时器0中断服务程序控制步进电机的转动：根据当前显示的速度进行键盘手动改变T0定时时间常数，设置TH0和TL0的值，达到对转速精确控制的目的；根据转动
8、方向控制位的值，控制脉冲信号循环移动的方向，达到对转动方向控制的目的。 说明如下： 1.单片机接受键盘信息，改变系统内部变量值。 2.单片机输出脉冲信号，控制步进电机转动。 3.单片机根据步进电机实际转动值，控制数码管显示。步进电机控制系统的主程序在对整个系统初始化后主要完成读键盘和处理键盘的功能系统上电复位后，先调用初始化子程序，对步进电机各端口，相关参数进行初始化，设置T0工作方式控制时间常数。初始化完成后，步进电机处于停止状态，T0定时器处于关闭状态。然后循环调用读键盘子程序和键盘处理子程序，等待中断，以便实现步进电机转动控制。读键盘子程序流程图首先初始化实际键值参数为0FH，然后扫描P
9、2口，与初始值比较，相等则说明没有键按下，不相等则软件消抖，以便确认是否真的有键按下。延时10ms后再次扫描P2口，第二次与初始值比较，若相等则表明前一次比较不相等是由抖动产生；如果相等则表明确实有键按下。执行键盘之程序里的指令，将相应的变量值改变，为键盘处理子程序做准备。步进电机的启停控制通过启停定时器T0来实现，因为定时器T0控制着脉冲信号的输出，关闭定时器T0也就阻止了脉冲信号的输出。电机控制中断程序流程图定时器中断0服务程序的中断时间由当前的转速决定。进入中断程序后，首先要保护现场，再根据当前值设置TH0和TL0的值。然后判断转动方向控制位的值，如果是0则控制脉冲信号P1.0、P1.2
10、输出，如果是1则控制脉冲信号P1.1、P1.3输出。最后恢复现场，返回，等待下次中断。 通过用当前转速控制中断时间，控制了脉冲的输出频率，也就到达了控制步进电机转动速度的目的；通过检测方向控制位的电平，选择脉冲信号P1.0、P1.2与P1.1、P1.3间的切换，控制了步进电机各引出端的接通顺序，也就到实现了步进电机转动方向的控制。系统整图如图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。按键部分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
11、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。状态指示部分状态指示用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。时钟部分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。系统主程序系统分为电机正转、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-
12、1所示。查键部分查键程序用于判断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。前进部分系统初始化之后，前进子程序R0用于给P2口送不同的值，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。流程图如图4-3所示。后退部分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，02H，03H，01H。流程图如图4-4所示。加速部分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。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。
