《步进电机的控制 毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电机的控制 毕业论文.doc（29页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、I 步进电机的控制 摘 要 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印 机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其 在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速 度、节约能源等都具有重要意义。 本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包 括单片机最小系统、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块等功能模块的 设计，以及硬件电路在电路板上的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程 序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动 态显示在 LED
2、 数码管上。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。 关键词：关键词： 步进电机；单片机；转速控制；方向控制步进电机；单片机；转速控制；方向控制；角度控制；角度控制 II Abstract As microelectronics and computer technology development, the growing demand for step motor, it is widely used in the printer, electric toys consumer products and CNC machines, industrial robots, medical de
3、vices and other electrical and mechanical products in every national economy, its application domain has. Research stepping motor control systems, to improve the control precision and response speed, saving energy has important significance. The design of the control system, the hardware design and
4、software design two parts. Among them, the hardware design includes single chip minimize system, the keyboard control module, stepping motor driver module, digital display module function module design, hardware circuit in the circuit and the realization. The software design including the procedures
5、 and modules, and finally achieve the control program of stepping motor rotation direction and rotating speed control, and will be stepping motor rotation speed LED digital display in dynamic tube. This system has aptitude, practical and reliable characteristic. Key words: stepping motor; SCM; Speed
6、 control; Direction control; Angle control III 目目 录录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 1.1 步进电机介绍 1 1.2 系统功能.2 第第 2 2 章章 方案论证与比较方案论证与比较 3 3 2.1 步进电机的选择 3 2.2 单片机的选择 3 2.3 步进电机驱动电路的设计 4 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 5 5 3.1 硬件设计思路 5 3.2 总体设计框图.5 3.3 单片机系统.6 3.3.1 单片机概述.6 3.3.2 STC89S52 单片机
7、7 3.4 步进电机 .10 3.4.1 步进电机概述10 3.4.2 步进电机的特性11 3.5 外围电路设计及分析 .11 3.5.1 键盘控制电路11 3.5.2 步进电机驱动电路 12 3.6 步进电机控制系统电路图 .14 3.7 步进电机控制系统实物图 .15 第第 4 4 章章 软件设计软件设计 1616 4.1 程序设计思路 .16 4.2 程序流程图16 4.2.1 主程序流程图16 4.2.2 键盘处理子程序流程图16 第第 5 5 章章 调试与改进调试与改进 1818 IV 5.1 调试与改进 .18 5.2 运行结果 .18 第第 6 6 章章 总结与展望总结与展望 1
8、919 参考文献参考文献 2020 附录附录 A A2121 致谢致谢 2525 1 第 1 章 引言 1.11.1 步进电机介绍步进电机介绍 步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为制执行元件， 是电气自动化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。 例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡 需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技 术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用1。 上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今 天的反应式步
9、进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在 本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动 机的技术得到了长足的进步。到了 80 年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态 出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件 或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定 型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机， 更好地挖掘出电动机的潜力2。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的 趋势，也符合数字化的时代趋势。 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接
10、受脉冲信号的控制。步进电机靠一 种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流 电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空 间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速 就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关3。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电 机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有 多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式
11、，正是这个特点，步进 电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、 低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场 合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。 使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美4。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中， 因为步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认 2 为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要， 在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电
12、动机技术的发展，步 进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电 动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时 完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂 轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在 其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可 以应用在打印机和绘图仪中。 步进电动机以其显著的特点，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。 1.21.2 系
13、统功能系统功能 设计的步进电机控制系统有以下功能： （1）步进电机的启停控制 （2）步进电机的正反转控制 （3）步进电机的加速控制 （4）步进电机的减速控制 3 第 2 章 方案论证与比较 2.12.1 步进电机的选择步进电机的选择 方案一：选择反应式步进电动机（VR） 。 采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做 的相当小，但动态性能相对较差。 方案二：选择永磁式步进电动机（PM） 。 转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间 的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是 7.50。它的出力大，动态性能好；但 步距角一般比较大。 方案
14、三：选择混合步进电动机（HB） 。 这是 PM 和 VR 的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突 起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能 好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。 由于永磁式步进电机的动态性能比较好，而且结构相对比较简单，价格适中，是 电子业余爱好者中常用的步进电机。故在此选用永磁式步进电机。 2.22.2 单片机的选择单片机的选择 方案一：选择 ARM7TDMI S3C44BOX 单片机 S3C44BOX 单片机包含 ARM7TDMI 处理器。ARM7TDMI 处理器是 ARM 公司通用的 32
15、 位 微处理器家族的成员之一，是一种高性能、廉价、低功耗的 RISC 处理器，同时又具有 非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。 方案二：选择 STC89C52 单片机 STC89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能 COMOS8 的微处理 器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 搞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。STC89C52 功能强大，操作简便，故在本次试验中 采用 STC89C52
16、 作为单片机5。 4 2.32.3 步进电机驱动电路的设计步进电机驱动电路的设计 方案一：使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大 后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别 进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定， 而且电路的制作也比较复杂。 方案二：使用 ULN2003 八 NPN 达林顿连接晶体管驱动电机 简介：高耐压、大电流复合晶体管 ICULN2003 ，ULN2003 是高耐压、大电流 复合晶体管阵列，由七个硅 NPN 复合晶体管组成。 特点： ULN20
17、03 的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻,在 5V 的工作 电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器 来处理的数据。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够 在关态时承受 50V 的电压，输出还 可以在高负载电流并行运行。 所以在本实验中 才用 ULN2003 作为步进电机驱动电路驱动芯片。 5 第 3 章 硬件电路设计 3.13.1 硬件设计思路硬件设计思路 步进电机控制系统共分为四个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码 显示模块、步进电机驱动模块。 单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。
18、复位电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。 键盘控制模块包括启停键、方向控制键、加速键和减速键，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。 数码显示模块采用共阳极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利用三极 管为数码管的 com 端提供高电平。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。 步进电机驱动模块选用八 NPN 达林顿连接晶体管 2803 为
19、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 P3.4P3.7 相连。 3.23.2 总体设计框图总体设计框图 总体设计框图如图 3-1 所示： STC89C52 键盘控制模块 电机驱动模块 步进电机 图 3-1 总体设计框图 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。 6 3.33.3 单片机系统单片机系统 3.3.13.3.1 单片机概述单片机概述 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功 耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单 片机的主
20、要发展趋势。 近年，由于 CHMOS 技术的进步，大大地促进了单片机的 CMOS 化6。CMOS 芯片除了 低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这 也是今后以 80C51 取代 8051 为标准 MCU 芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用 CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、 低价格。采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技 术和工艺水平的提高，又出现了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工艺。CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。目前生产的 CHMOS 电路
21、已达到 LSTTL 的速度，传输延迟时间小于 2ns，它的综合优势已在于 TTL 电路。因而，在单片机领域 CMOS 正在逐渐取代 TTL 电 路。 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将 列强。在单片机家族中，8051 系列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司将其 MCS 51 系 列中的 8051 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 IC 制造厂商， 如 Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与 8051 单片机兼容的基 础上改善了 8051 的许多特性。这样，8051 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百
22、 品种的大家族，现统称为 8051 系列。8051 单片机已成为单片机发展的主流。专家认为， 虽然世界上的 MCU 品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明， 8051 可能最终形成事实上的标准 MCU 芯片7。 单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把 CPU、存储器、定时器 和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言， 一块单片机芯片就是一台计算机。 单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总 线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU 通过它们将地址输出到存储器或
23、 I/O 接口；/数据总线的作用是在 CPU 与存储器或 I/O 接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括 CPU 发出的控制信号线和外 部送入 CPU 的应答信号线等8。 单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前 发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控 型/家电型。 7 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助 手。它的应用遍及各个领域 ，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一 方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和 设计方法。从前必须由模
24、拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通 过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制 技术的一次革命。 3.3.23.3.2 STC89S52STC89S52 单片机单片机 STC89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能 COMOS8 的微处理 器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 搞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。 单片机总控制电路如图 3-2 所示
25、： 图 3-2 单片机总控制电路 (1) 时钟电路 STC89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 RXD 和 TXD 分别 8 是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。在 RXD 和 TXD 引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和 电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在 1.212MHz 之间选择，电容值在 530pF 之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。 外部方式的时钟电路如图 3-3 所示，RXD 接地，TXD 接外部振荡器。对外部振荡信 号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12M
26、Hz 的方波信号。片内时 钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 P1 和 P2，供单片机使用。RXD 接地， TXD 接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率 低于 12MHz 的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 P1 和 P2，供单片机使用。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频 率低于 12MHz 的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 P1 和 P2，供单片机使用。 图 3-3 外部方式时钟电路 (2)复位及复位电路 复位操作： 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化为
27、 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操 作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。 复位信号及其产生： RST 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续 24 个 9 振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为 6MHz 的晶振，则复位信号持续时间应 超过 4us 才能完成复位操作。 整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特 触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的 S5P2 时刻对施密特触发器的输出进行采 样，然后才得到内部复位操作所需要的信号
28、。 复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，这佯，只要电源 Vcc 的 上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端 经电阻与 Vcc 电源接通而实现的，其电路如图 3-4 所示；而按键脉冲复位则是利用 RC 微分电路产生的正脉冲来实现的， 图 3-4 复位电路 上述电路图中的电阻、电容参数适用于 6MHz 晶振，能保证复位信号高电平持续时 间大于 2 个机器周期。 STC89C52 具体介绍如下： 主电源引脚（2 根） VCC
29、(Pin40)：电源输入，接5V 电源 GND(Pin20)：接地线 外接晶振引脚（2 根） XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端 10 控制引脚（4 根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号 PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号 EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令， 如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 可编程输入/输出引脚（32 根） STC89C52 单片机有 4 组 8
30、 位的可编程 I/O 口，分别位 P0、P1、P2、P3 口，每个口 有 8 位（8 根引脚），共 32 根。 PO 口（Pin39Pin32）：8 位双向 I/O 口线，名称为 P0.0P0.7 P1 口（Pin1Pin8）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P1.0P1.7 P2 口（Pin21Pin28）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P2.0P2.7 P3 口（Pin10Pin17）：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P3.0P3.7 STC89C52 主要功能如表一所示。 表一 STC89C52 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统8K 可反复擦写 Flash
31、 ROM 32 个双向 I/O 口256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时/计数器中断时钟频率 0-24MHz 2 个串行中断可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源共 6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 3.43.4 步进电机步进电机 3.4.13.4.1 步进电机概述步进电机概述 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上 是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很 小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。 使用多相步进电动机
32、时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信 号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器， 11 电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）7。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率 的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负 载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 3.4.23.4.2 步进电机的特性步进电机的特性 步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理 的数据类型。从 20 世纪 80 年代开始
33、开发出了专用的 IC 驱动电路，今天，在打印机、 磁盘器等的 OA 装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说， 步进电机有如下优点： (1) 不需要反馈，控制简单。 (2) 与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。 (3) 没有角累积误差。 (4) 停止时也可保持转距。 (5) 没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。 (6) 即使没有传感器，也能精确定位。 (7) 根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺 点。 (8) 难以获得较大的转矩 (9) 不宜用作高速转动 (10) 在体积重量方面没有优势，能源利用率低
34、。 (11) 超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 3.53.5 外围电路设计及分析外围电路设计及分析 3.5.13.5.1 键盘控制电路键盘控制电路 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8。 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 12
35、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。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 3-5 所示： 图 3-5 键盘控制模块原理图 3.5.23.5.2 步进电机驱动电路步进电机驱动电路
36、 本系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将脉冲转化为步进角度，才能控制 步进电机转动，我们在这里采用 ULN2003 为步进电机提供脉冲信号。管脚如图 3-6 所示： 图 3-6 内部管脚图 ULN2003 内部集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是 双列 16 脚封装,NPN 晶体管矩阵,最大驱动电压 =50V,电流=500mA,输入电压=5V,适 用于 TTL COMS,由达林顿管组成 驱动电路。 ULN 是集成达林顿管 IC,内部还集成了 13 一个消线圈反电动势的二极管 ,它的输出端允许通过电流为 200mA，饱和压降 VCE 约 1V 左右，耐压 BV
37、CEO 约为 36V。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接 驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003 时， 上拉 2K 的电阻较为合适，同时， COM 引脚应该悬空或接电源。 ULN2003 是一个非门电路，包含 7 个单元，单独每个单元驱动电流最大可达 350mA，9 脚可以悬空。比如 1 脚输入，16 脚输出，你的负载接在 VCC 与 16 脚之 间，不用 9 脚。 ULN2003 是大电流驱动阵列 ,多用于单片机、智能仪表、 PLC、数字量输出卡等 控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL 电平，输出可达 500mA/50V。 ULN200
38、3 是高耐压、大电流达林顿陈列 ,由七个硅 NPN 达林顿管组成。 该 电路的特点如下 : ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻,在 5V 的 工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓 冲器。 ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品 ,具有电流增益高、工 作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点 ,适应于各类要求高速大功率驱动的 系统。引脚如图 3-7 所示： 图 3-7 ULN2003 芯片引脚图 ULN2003 芯片引脚介绍 ： 引脚 1：CPU 脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚 2：CPU 脉
39、冲输入端。 引脚 3：CPU 脉冲输入端。 引脚 4：CPU 脉冲输入端。 引脚 5：CPU 脉冲输入端。 引脚 6：CPU 脉冲输入端。 引脚 7：CPU 脉冲输入端。 引脚 8：接地。 14 引脚 9：该脚是内部 7 个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别 接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。 如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚 10：脉冲信号输出端，对应 7 脚信号输入端。 参考接法如图 3-8 所示： 图 3-8 参考电路接法 引脚 11：脉冲信号输出端，对应 6 脚信号输入端。 引脚 12：脉冲信号输出端，对应 5 脚信
40、号输入端。 引脚 13：脉冲信号输出端，对应 4 脚信号输入端。 引脚 14：脉冲信号输出端，对应 3 脚信号输入端。 引脚 15：脉冲信号输出端，对应 2 脚信号输入端。 引脚 16：脉冲信号输出端，对应 1 教信号输入端。 驱动电路如图 3-9 所示： 15 图 3-9 步进电机驱动原理图 3.63.6 步进电机控制系统电路图步进电机控制系统电路图 通过上述对步进电机控制系统设计与分析，步进电机控制系统总体设计电路如图 3-10 所示： 图 3-10 步进电机控制系统总体设计电路图 3.73.7 步进电机控制系统实物图步进电机控制系统实物图 步进电机控制系统实物图如图 3-11 所示： 1
41、6 图 3-11 步进电机控制系统实物图 第 4 章 软件设计 4.14.1 程序设计思路程序设计思路 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 等任务，这就必须通过查询技术来实现。 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，根据按键实现键盘的实时处理功能。查询控制步进电机的转动。 4.24.2 程序流程图程序流程图 4.2.14.2.1 主程序流程图主程序流程图 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，如图 4-1 所示： 17 开始 初始化参数 读键盘 键盘处理 图 4-1
42、 步进电机控制系统主程序流程图 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。初始化完成后，步进电机处于停止状态，然后循环扫描按键是否被按下。如果检 测到有按键被按下，先软件去抖动，确定被按下后则执行相应的子程序，然后返回， 继续执行主程序。 4.2.24.2.2 键盘处理子程序流程图键盘处理子程序流程图 按键处理子程序流程图如图 4-2 所示： 18 开始 查询键值 P2.3 是否按下 P2.2 是否按下 P2.0 是否按下 P2.1 是否按下 退出 步进电机加速 步进电机停止 步进电机将反转 步进电机正传 N N N N N Y Y Y Y 图 4-2 键盘处
43、理子程序流程图 键盘处理子程序开始时要从存放实际键值的参数中取出刚读取到的键值送到累加 器 A，依次判断累加器 A 的低四位。若检测到低电平，则说明与该位对应的按键按下， 从而转到相应的处理子程序段，完成相应的操作，实现相应的功能后返回。若没有检 测到高电平，则返回。 19 第 5 章 调试与改进 5.15.1 调试与改进调试与改进 在系统完成后测试系统，检查硬件和软件是否能够协调运行，并对系统出现的情 况进行分析，看是否能够达到系统创作之初所设想的效果，如达不到则重新修改系统 的硬件结构或者修改软件的程序部分，直到达到设计需要为止。 本系统的设计思路为：首先从整体上划分出各功能模块，然后硬件
44、和软件同时进 行依次完成各个功能模块，最后将各个模块联系起来完成整个系统。 在硬件调试的过程中，遇到了很多问题。主要有： 设计好单片机最小系统后，上电复位，程序不能正常运行，检查后发现单片机的 31 引脚未接高电平。31 脚为内外程序存储器选择控制端，当保持低电平时，只访问外 部程序存储器，不论是否有内部程序存储器；31 脚保持为高电平时，单片机优先访问 内部程序存储器，PC 值超出内部程序存储器最大值时才执行外部程序存储器内的程序。 修改电路板，使单片机 31 引脚接上高电平后问题解决。 软件测试的时候也有些问题，主要有： (1) 键盘程序段设计完成后，调试运行，当按下加速键后，速度迅速增加
45、到最高 转速，多次调试问题没有解决，最后在老师的帮助下，发现键盘触发方式为电平触发， 增加相应程序代码，将电平触发修改为边沿触发，从新运行程序，问题得到解决。 (2) 控制步进电机转动的程序段完成后，调试发现对步进电机速度的控制范围过 小，查阅资料后发现设计思路不太合理，原先的设计思路是用主程序控制步进电机转 动，采用延时方式控制步进电机速度，由定时器处理键盘；随即改进程序，主程序用 来处理键盘，由定时器控制步进电机转动，步进电机转动速度由定时器定时时间决定。 问题得到解决，不仅扩大了步进电机速度的控制范围，也使得单片机对步进电机速度 的控制更加精确。 5.25.2 运行结果运行结果 连接好硬
46、件电路，上电复位，程序开始运行。此时步进电机不转动，按下启停键， 步进电机开始转动，初始值设为正传，按反转键开始反转，再按正传键则开始正传。 当按下加速键时电机开始加速，当按下减速键时电机开始减速。运行结果正常，符合 设计要求。 20 第 6 章 总结与展望 经过老师耐心细致的指导，经过近一个月的努力，本次毕业设计课题步进电机控 制系统告一段落。步进电机控制系统主要分为硬件设计和软件设计两个部分： 硬件设计主要是把单片机最小系统、键盘控制模块、步进电机驱动模块、等各个 硬件功能模块及其它元件合理搭配并连接起来使其能够为软件运行提供一个硬件平台。 软件设计主要是通过编写程序代码，实现对整个系统的
47、控制。在系统上电复位后 程序自动运行，通过接受查询外部的键盘参数值，控制步进电机的启停，以及转速的 增减和转动方向的改变；本系统具有相当的实用功能,能基本符合实际应用需求，本次 设计由于设计时间较短，个人能力以及精力等因素的限制，加之设计经验的不足，该 系统还有许多不尽如人意的地方。该系统未能完全的实现设计的所有功能。如：利用 键盘输入转速值实现转速的控制，动态设置最低转速和最高转速等。 通过这次毕业设计，使我从一开始对系统的不太熟悉，到能开发一个简单的系统， 在这整个过程中我学到了很多东西，掌握了一些常用的开发技能,也发现了大量的问题， 有些在设计过程中已经解决，有些还有待今后慢慢学习。只要
48、学习就会有更多的问题， 有更多的难点，但也会有更多的收获。 近一个学期的设计，使我受益匪浅。我不仅了解了把理论设计转换成现实实物的 整个过程。如：电路设计、分析计算、画电路图、焊接电路、检查调试、软件流程控 制、编写调试软件、烧写软件到整个软硬件系统的调试，最后直到系统完成。为我以 后的设计打下了一个好的基础。而且使我更加熟悉了整个设计的过程和一些软件及硬 件设备的使用。对我以后面对这方面的工作有了很大的帮助。 21 参考文献 1 王鸿钰.步进电机控制技术入门M.上海：同济大学出版社.1996 2 刘宝廷.步进电动机及其驱动控制系统M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.1997。 3 康光华,陈大
49、钦. 电子技术基础（模拟部分M.北京：高等教育出版社.1999.6.第四版. 4 谢自美.电子线路设计实验测试M.武汉：华中科技大学出版社.2002 5 鲍宏亚.MCS-51 系列单片机应用系统设计及使用技术M.北京：中国宇航出版社.2005 6 陆春.步进电机细分调速系统的研究M.北京：北京交通大学硕士毕业论文.2003 7 松井信行.控制用电机入门M.北京：科学出版社.2000 8 朱志坚.三种典型的步进电动机驱动电路特性分析J.新疆工学院学报.步进电机驱动， 1999,(26):12-15. 22 附录 A 程序代码：程序代码： #include /51 芯片管脚定义头文件 #include /内部包含延时函数 _nop_(); #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar code FFW8=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09; uchar code REV8=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x0