【毕业论文】基于MSP430步进电机控制器的设计.doc

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1、I 基于 MSP430 步进电机控制器的设计 II 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。 本设计是采用 MSP430 单片机对步进电机的控制，通过 I/O 口输出的时序方波作为步 进电机的控制信号，信号经过芯片 ULN2003 驱动步进电机；同时，用 4 个按键来对电机 的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括

2、 MSP430 单片机的电源 模块、键盘控制模块、测速模块、步进电机驱动（集成达林顿 ULN2003）模块、数码显示 （SM420361K 数码管）模块 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动速度的控制，并将步进电机的转动速度 动态显示在 LED 数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在 IAR for MSP430 软件 环境下编辑的 C 语言。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 MSP430 单片机 角位移 转速控

3、制 方向控制 III AbstractAbstract With the development of microelectronics and computer technology, increasing demand for stepper motor, which is widely used in printers, electronic toys and consumer products such as CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and electrical products, and its

4、various national fields are applied. Of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation and so important. This design is used MSP430 of Stepping motor control, through the IO port as a square wave output of the timing of step motor control signal,

5、 the signal through the ULN2003 driver chip stepper motor; the same time, with four buttons to the status of the motor control, and dynamic display with digital control motor speed. System consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design, including minimum syste

6、m MSP430 microcontroller, power supply module, keyboard control module, stepper motor drive (integrated Darlington ULN2003) module, digital display (SM420361K digital control) module, speed modules (including the Hall probe UGN3020) six function modules, and each module in the circuit board to achie

7、ve the organic combination. Software design, including keyboard control, stepping motor pulse, the digital dynamic display and speed signal acquisition module, control procedures, and ultimately to the stepper motor rotation direction and rotation speed control of stepper motor rotation speed and dy

8、namic display in the LED digital tube, real-time monitoring of the speed display. Software used in the software environment to edit IAR for MSP430 C language. This system has the intelligence, practicality and reliability features. Key Words： Stepping motor MSP430 Angular displacement Speed control

9、Direction control IV 目 录 摘摘 要要I 第一章第一章 绪论绪论 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 国内外发展现状 .1 1.3 本文设计的任务 .3 第二章第二章 系统概述系统概述 .4 2.1 系统的总体框架 .4 2.1.1 系统的组成 4 2.1.2 系统的工作原理 .5 2.2 系统的主要功能 .5 2.2.1 步进电机的主要功能 5 2.2.2 系统的特点 5 3.1 MSP430 系列单片机简介.6 3.1.1 MSP430 系列单片机功能特性 6 3.1.2 MSP430 系列单片机的应用 8 3.2 MSP430F149 型单片机.8 3.2.1 M

10、SP430F149 的引脚图8 3.2.2 MSP430F149 的微处理器 CPU .9 3.2.3 工作方式 .9 3.3 步进电机 .11 3.3.1 步进电机概述 11 3.3.2 步进电机的特性 11 3.3.3 步进电机的种类 12 3.3.4 永磁步进电机的控制原理 12 3.4 步进电机控制器系统的组成 .14 3.4.1 电源设计 15 3.4.2 键盘控制电路 15 V 3.4.3 LED 数码显示电路.16 3.4.4 测速电路介绍 18 3.4.5 步进电机驱动电路 19 第第 4 章章 控制系统软件的设计控制系统软件的设计 .22 4.1 程序设计前期准备 .22 4

11、.1.1 程序设计平台 22 4.1.2 程序设计思路 24 4.2 程序流程图25 4.2.1 主程序流程图 25 4.2.2 读键盘子程序流程图 26 4.2.3 键盘处理子程序流程图 27 4.2.4 电机控制中断程序流程图 30 第第 5 章章 系统调试系统调试 .35 5.1 系统的调试 .35 5.2 运行结果 .35 第第 6 章章 总总 结结 .37 致致 谢谢 .38 参考文献参考文献 .39 附附 录录 .41 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.11.1 课题背景课题背景 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机 是最

12、常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件，是机电 一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。 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。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到 一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从 而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、

13、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累 的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、 雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电 机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制 核心采用 MSP430 单片机，它以其独特的低耗能，强大的中断控制，当然其易编程也是不 可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进 电机转动速度和转动方向的高效控制。 1.21.2 国内外发展现状国内外发展现状 步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是

14、基于最基本的电磁感应作用，将电 脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于 工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜， 卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的 应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。 步进电机的原始模型起源于 1830 年至 1860 年，1870 年前后开始以控制为目的的尝 试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。 第一章 绪论 2 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容 易。到 20 世

15、纪 60 年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步 进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高 定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中 要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视 速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 图 1.1 步进电机的外观图 我国步进电机的研究及制造起始于本世界 50 年代后期，从 50 年代后期到 60 年代后 期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大 革命中开始大量生产和

16、应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有 投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的， 当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形 分配器。 中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70 年代初期，步进电机的生产和研究 都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计 研究发展到一个较高的水平。70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能 电动机不断被开发。至 80 年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各 种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。 国外

17、在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动 电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不 划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应 用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 3 工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国内过去是用 大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床， 在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先 进的控制理论作为软件，

18、写在控制器内部。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的 厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲 目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛地 应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形 脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉 及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 1.3 本文设计的任务本文设计的任务 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系 统采用 MSP430 作为控制单元，

19、通过键盘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 数码管上。 设计的步进电机控制器应具有以下功能： 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 5. 步进电机转速的动态显示 第二章 系统概述 4 第二章 系统概述 2.12.1 系统的总体框架系统的总体框架 2.1.1 系统的组成 本设计是采用 MSP430 单片机对步进电机的控制，通过 I/O 口输出的时序方波作为步 进电机的控制信号，信号经过芯片 ULN2003 驱动步进电机；同时，用 4 个按键来对电机 的状态进行控制，并用数码管动态显示

20、电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括 MSP430 单片机的电源 模块、键盘控制模块、测速模块、步进电机驱动（集成达林顿 ULN2003）模块、数码显示 （SM420361K 数码管）模块 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动速度的控制，并将步进电机的转动速度 动态显示在 LED 数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在 IAR for MSP430 软件 环境下编辑的 C 语言。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点

21、。系统的总体框架图 如下 图 2-1 总体设计框图 MSP430步进电机驱动 步进电机 键盘 显示 电源 串口 通信 UART 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 5 2.1.2 系统的工作原理 本设计是以单片机为核心的步进电机的控制系统。本系统采用 MSP430 作为控制单元，通 过键盘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 2.22.2 系统的主要功能系统的主要功能 2.2.1 步进电机的主要功能 设计的步进电机控制器应具有以下功能： 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 5. 步进电机转速

22、的动态显示 2.2.2 系统的特点 由 MSP430 系列单片机设计的步进电机控制器具有如下几个特点 1 低功耗 由于 MSP430 单片机的低功耗特性决定了系统的低功耗 2 可移植性 C 语言的开发环境决定了系统的可移植性 3 易操作性：图形化、语音化、让信息大多可自动生成，便于操作。 4 安全性：系统具有较完善的安全防范措施。 5 实用性：系统具有强大的中断功能、功能实际等特点，使整个系统有很强的 实 用性 第三章 控制系统硬件的设计 6 第 3 章 控制系统硬件的设计 3.13.1 MSP430MSP430 系列单片机简介系列单片机简介 近几年来，随着微电子技术的日新月异，世界上的许多芯

23、片制造商纷纷推出自己的 新产品，品种极为丰富。由于竞争激烈，其中串行接口多、低功耗、本身具有液晶显示 驱动器与看门狗定时器的多功能芯片将成为主流器件。全球著名 DSP 制造商美国德州 仪器(TI)公司所生产的新型芯片 MSP430 系列，以其独特的性能和丰富的片内外设成为电 子技术设计开发人员的新宠。 3.1.1 MSP430 系列单片机功能特性 TI 公司 MSP430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器 件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。它们具有 16 位 RISC 结构，CPU 的 16 个寄存器和常数发生器使 MSP430 微控制器能达到最高的代码效率

24、。灵活的时钟源可以 使器件达到最低的功率消耗。数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒， 在小于 6s 的时间内被激活到正常的工作方式。MSP430 系列单片机的 16 位定时器是应 用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表、水表和手持式仪表等的理想配置， 其内置的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围，提高了数据处理 能力 MSP430 单片机具有如下特点： (1)低电压、超低功耗 MSP430 系列单片机，在 1.83.6V 电压、1MHz 的时钟条件下运行，工作电流(在 0.1400A 之间)因不同的工作模式而不同；具有 16 个可以任意嵌套的中断源，使

25、用灵 活方便：将 CPU 置于省电模式时，用中断方式可唤醒程序，其过度响应时间小于 6 us， 编制出的源代码程序实时性较高。 (2)强大的处理能力 MSP430 系列单片机为 16 位 RISC 结构，具有丰富的寻址方式(7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址)、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内 数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在晶振 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 7 频率为 8MHz 驱动时，其指令周期为 125s。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 (3)系统工作稳定 上电复位后，首先由 DCOCLK 启动

26、 CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证 晶体振荡器有足够的起振及稳定时问。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最 后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作 CPU 时钟 MCLK 时发生故障，DCO 会自动 启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可以用看门狗将其复位。 (4)丰富的片内外设 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是以下一些外围 模块的不同组合：看门狗(WDT)、定时器 A(Timer_A)、定时器 B(Timer_B)、比较器、串 口 0、1(USARTO、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、l0/12 位 ADC、48 个 I/O 端口、基本

27、 定时器(Basic Timer)，可在线仿真的 FLASH 内存，7 路 PWM 输出，以及内嵌的 LCD 驱 动等。本设计所选用的主控芯片 MSP430F149 就包含了：FLL+(频率锁相环)时钟系统， 看门狗，精密模拟比较器(Comparator)，带有 3 个捕获比较寄存器的 16 位定时器 (Timer_A ) 串口、0，1，48 个 I/O 通用引脚、并且端口 Pl、P2 有中断能力。 (5)高效的开发方式 MSP430 支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大。具有 FLASH 存储器型的单片机， 利用其本身具有 JTAG 接口，可以在一台 PC 机及一个 JTAG 控制器的帮助

28、下实现程序的 下载，完成程序的在线调试，实时修改片内寄存器和存储器的内容，对开发人员来说将 大大提高程序的调试效率。MSP430 系列器件均为工业级的，运行环境温度为- 40+85。 第三章 控制系统硬件的设计 8 图 3-1 MSP430F14X 单片机的内部结构 由图 3-1 MSP430F14X 系列单片机内部结构图可以看出，MSP430 系列单片机由很多 模块组成。在 MSP430 系列单片机中，与其它的单片机最大的区别就是系统各个模块完 全是独立运行的，定时器(Timer)、输输出口(I/O Port)、A/D 转换(以芯片型号的不同而 有无)、看门狗(WOT)、液晶显示器(LCD)

29、等都可以在主 CPU 休眠的状态下独立运行。当 需要主 CPU 工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒 CPU，从而使系统运行在最低功耗 上。这一点是 MSP430 系列单片机突出的优点。此外由于 MSP430 系列单片机具有 LCD 驱动、A/D 转换、模拟比较器、多路中断和定时器、多组串行通信口，因而其用途极广。 3.1.2 MSP430 系列单片机的应用 MSP430 系列单片机有如此独特的性能，因而一问世便受到广大用户的欢迎，有了 MSP430 系列单片机，人们再也不用为那些使用干电池的仪器仪表耗电太快而犯愁了，用 户可以设计出只用一节 3V 电池便能工作数年的智能工业仪表，也可以设计出

30、从设备端口 (如计算机并口或串口)信号线直接获取电能的无源智能仪器等等。总之，MSP430 系列单 片机可用于工业及民用的诸多领域：如在工业控制中可以用于各种机床控制、电机控制、 航天导航系统控制等；在智能化仪器仪表中用于包括温度、湿度、流量、电压、频率等 各类仪器仪表中，使仪器仪表数字化、智能化，功能大大提高；在日常生活中使用的电 器产品中可用于电子秤、彩电、冰箱、洗衣机、智能玩具等，还可以用于如火警智能探 头、便携仪器仪表、保险柜、汽车单元控制器等方面。本文就是利用 MSP430F149 型单 片机做 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 9 为主控制器设计的机车通信系统。 3.23.2 M

31、SP430F149MSP430F149 型单片机型单片机 3.2.1 MSP430F149 的引脚图 MSP430F149 的引脚图如图 3-2 所示： 图 3-2 MSP430F149 的引脚图 3.2.2 MSP430F149 的微处理器 CPU MSP430F149 型单片机 CPU 具有一个 16 位的 RISC 精简指令计算机结构，对应用是 高度透明的。所有的操作，除了程序流程指令，都是通过源操作数的 7 种寻址模式和目 标操作数的四种寻址模式的组合对寄存器进行的。CPU 集成了 16 个寄存器，减少了指令 执行时间。寄存器到寄存器操作的执行时间是一个 CPU 周期。4 个寄存器(程

32、序计数器、 堆栈指针、状态寄存器、常数发生器)用作特殊用途，其余的都可以用作通用寄存器。外 第三章 控制系统硬件的设计 10 围模块通过数据、地址、和控制总线与 CPU 相连。通过所有存储器操作指令可以很容易 的对它们进行控制。 3.2.3 工作方式 通过对不同模块操作模式和 CPU 状态的智能化管理，MSP430 芯片的工作方式可以 适应多种超低功耗的需求，即便在中断处理期间也是一样。MSP430 单片机的各个模块运 行是完全独立的，定时器、输入/输出端口、A/D 转换、看门狗、液晶显示等都可以在 CPU 休眠的状态下独立运行。当需要 CPU 工作时，任何一个模块都可以通过中断唤醒 CPU，

33、从而使系统以最低功耗运行。这一特点是 MSP430 单片机最突出的优点，也是与其 它的单片机的最大区别。一个中断事件可以把系统从各种低功耗方式唤醒并且通过 RETI 指令返回到中断以前的工作状态。系统适用的时钟信号有三种 ACLK(晶振的频率信号)、 MCLK 和 SMCLK(ACLK 的倍频信号)。具体有以下六种运行模式： 1)活动模式 AM：可由软件设定，所有的时钟都是活动的。 2)低功耗模式 0(LPMO)： CPU 关闭， ACLK 和 SMCLK 信号保持活动， MCLK 可以用于模块，FLL+锁相环保持活动； 3)低功耗模式 l(LPM1) CPU 关闭， MCLK 可用于模块，F

34、LL+锁相环关闭； 4)低功耗模式 2(LPM2) CPU 关闭， ACLK 保持活动， MCLK 和 FLL+锁相环、DCO 被禁止； 5)功耗模式 3(LPM3) CPU 关闭， ACLK 保持活动， MCLK 和 FLL+锁相环、DCO、DCOCLK 被关闭； 6)低功耗模式 4(LPM4) CPU 关闭， ACLK 信号关闭， 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 11 MCLK 和 FLL+锁相环、和 DCOCLK 被禁止，DCO 的 DC 发生器被禁止； 系统处于何种工作模式下主要取决于状态寄存器 SR 中的 4 位用于控制 CPU 和系统 时钟发生器的控制位，即 CPUOff,OS

35、COff,SCG0 和 SCG1。如果用软件将 4 位控制位全部 复位，这时系统进入活动模式(AM)，CPU、时钟处于活动状态。不同的运行模式由软件 控制内部时钟系统来控制。表 3.1 是各种低功耗工作模式的控制位一览表。时钟系统通过 硬件和软件的大量组合达到应用的最低功耗和成本最优化。由下表可见，在低功率方式 下，CPU 均停止了工作。 表表 3.1 各种低功耗工作模式的控制位各种低功耗工作模式的控制位 SCG1SCG2OSCOffCPUOff LPM0LPM00001 LPM1LPM10101 LPM2LPM21001 LPM3LPM31101 LPM4LPM4xx11 MSP430 系列

36、在电源为 3V 时活动方式下的工作电流大约为 300A，而在低功耗模式 3(LPM3)下则可低到 09A。在任何低功耗方式下均支持中断操作，一旦中断发生即可 将系统从当前低功耗模式中唤醒进入活动方式，而且可在中断处理结束后返回原先的低 功耗方式。在 LPM3 方式下， 32768Hz 晶振、ACLK、基本定时器、复位逻辑和部分选定的 外设保持工作，本设计利用这种方式来降低电池的消耗 3.33.3 步进电机步进电机 3.3.1 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

37、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，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，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）。 第三章 控制系统硬件的设计 12 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。 3.3.2 步进电机的特性 步进电机转动使用的是脉冲信号，而

38、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（启停和反转）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： 1难以获得较大的转矩 2.不宜用作高速转动 3在体积重量方面没有优

39、势，能源利用率低。 4超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 3.3.3 步进电机的种类 目前常用的步进电机有三类： 表 3.3.3 步进电机分类 类别结构步距力矩动态性能 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小小较差 永磁式步进电 动机（PM） 转子采用多磁极圆筒形的永磁铁，其外侧 配置齿状定子吸引和排斥力产生转动 大大好 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 小大好 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 13 结构 3.3.4 永磁步进电机的控制原理 在本设计以常用的永磁式步进电机为

40、例，用单片机控制步进电机。图 3-3 是 CZ-2801 型永磁步进电机的外形图，图 3-4 是该电机的接线图。 图 3-3 CZ-2801 型永磁步进电机外形图 图 3-4 CZ-2801 型永磁步进电机接线图 从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一 共 有 5 根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将 COM 端 标识为 C，只要 AC、BC 或/AC、/BC，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以 有多种，如果将 COM 端接正电源，那么只要用开关元件（如三极管） ，将 A、B 或 /A、/B 轮流接地。 不难设计出控制电路，因

41、其工作电压为 12V，因此用一块开路输出达林顿驱动器 （这里用 ULN2003，关于 ULN2003 将在后面介绍）作为驱动，通过 P1.0、 P1.3 来控制 各线圈的接通与切断。开机时，P1.0、 P1.3 均为高电平，依次将 P1.0、 P1.2 （或 P1.1、 P1.3 反向）切换为低电平即可驱动步进电机运行。如果要改变电机的转动速度只 要改变两次接通之间的时间。改变转速，只要改变 P1.0、 P1.2 （或 P1.1、 P1.3 反向） 轮流变低电平的时间即可达到要求，因为不会影响到其他功能的实现，这个时间可以用 延时来实现，。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。 按

42、要求，最低 转速为 20 转/分，而上述步进电机的步距角为 7.5，即每 48 个脉冲为 1 周，即在最 第三章 控制系统硬件的设计 14 低转速时，要求为 960 脉冲/分，相当于 62.5ms/脉冲。而在最高转速时，要求为 100 转 /分，即 48000 脉冲/分，相当于 12.5ms/脉冲。可以列出下表： 表 3.3.3 步进电机转速与定时器定时常数关系 转速单步时间(ms)TH0TL0 2062.51F0 2159.5238095229B6 2256.818181823374 2354.347826093C59 2452.083333334480 25504C0 2648.07692

43、30852EC 2746.29629635955 2844.642857145F49 9313.44086022CF9C 9413.29787234D020 9513.15789474D0A1 9613.02083333D120 9712.88659794D19B 9812.75510204D214 9912.62626263D28B 10012.5D30 表中不仅计算出了 TH0 和 TL0，而且还计算出了在这个定时常数下，真实的定时时 间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。 表中 TH0 和 TL0 是根 据定时时间算出来的定时初值，这里用到的晶振是 12.000M。有了

44、上述表格，程序就不 难实现了，使用定时/计数器 T0 为定时器，定时时间到后切换输出脚即可。 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 15 3.43.4 步进电机控制器系统的组成步进电机控制器系统的组成 步进电机控制系统共分为六个模块：电源模块、键盘控制模块、数码显示 （SM420361K 数码管）模块、测速模块、步进电机驱动（集成达林顿 ULN2003）模块。 1.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。 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

45、机的控制。并且键盘上连接有发光二极管， 以指示键盘状态。 3.串口通信模块 4.I/O 初始化模块 5.步进电机驱动模块选用七个 NPN 达林顿连接晶体管 ULN2003 为步进电机提供脉冲 信号，驱动步进电机转动。该模块与单片机的 P1.0P1.3 相连。 6.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。 3.4.1 电源设计 在此系统中因要用到两路电源，再三考虑购买了一个输出为交流 9V（电压表实测电 压在 12V 左右）的适配器，然

46、后通过 4 个 IN4007（图中未标出）搭建的整流桥，分出两 路一路引出供驱动器，另一路再经 LM7805 降为 5V，完全符合要求，同时避免了电路设计 中电路板上存在的大电源干扰等问题。 电路电源设计如图 3-5 所示： 第三章 控制系统硬件的设计 16 图 3-5 电源原理图 3.4.2 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，

47、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

48、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 3-6 所示： 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 17 图 3-6 键盘控制模块原理图 3.4.3 LED 数码显示电路 发光二极管 LED 是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。 LED 数码显示器就是由发光二极管组合而成的 1 种新型显示器件。在单片机系统中应用非 常普遍。 LED 数码显示器是 1 种由 LED 发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了 8 个 LED 发光二极管，其中 7

49、个用于显示字符，1 个用于显示小数点。LED 数码显示器有两种 连接方法： （1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接 +5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二 极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。 （2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接 地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二 极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。 在本设计中所采用的是共阴极 LED 数码显示器，其内部结构如图 3-7 所示： 第三章 控制系统硬件的设计 18 图 3-7 LED 数码管结构图 这里用四位一体数码管 SM420361K： 型号：SM420361K-12P 类别：4 位一体共阴 规格：长宽高-30.114.17.3mm 管脚标号：12-9-8-6 公共脚、A-11、B-7、C-4 D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3 在本设计中采用数码管动态显示转速，数码显示电路通过交替向 P2.6 和 P2.7 输出 低电平，使得与这两个端口连接的数码管公共端交替为低电平，从而为数码管提供导通 回路，通过对交替时间的控制实现数码管在视觉上的不间断显示。通过 P1 口