毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机的步进电机控制系统设计.doc

毕业论文设计 论文标题： 学 院： 电气工程学院 班 级： 08计2w学生姓名： xxx学 号： 08141203指导老师： xxx完成日期： 2011年 4月 11日 目 录摘 要iabstractii第一章 绪论1第二章 方案比较2第三章 单片机概述33.2 单片机的选择43.3单片机复位和中断7第四章 步进电机概述94.1步进电机简介94.2步进电机工作原理104.3步进电机分类114.4步进电机的指标概述114.4.1 步进电机的静态指标114.4.2 步进电机动态指标及术语12第五章 led 显示概述14第六章 步进电机控制的硬件设计166.3 步进电机驱动电路设计176.4 led显示电路设计17第七章 步进电机控制的软件设计19第八章 设计体会28参考文献29附 录：设计原理图30摘 要 目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造利用是一种必然性。在工业控制系统中, 通常要控制机械部件的平移和转动, 对位移和角度的控制要求较高, 一般电机很难实现对位置和角度的精确控制, 而步进电机可精确实现所设定的角度和转数, 具有良好的步进特性。步进电机以其独特的特点可以在无速度传感器和无位置传感器系统中实现精确的开环状态定位或同步运行。我们通过调节发送给步进电机的步进脉冲个数来实现精确的位移或者角度定位，而调节发送的步进脉冲频率就可以实现速度调节，这些都有利装置或设备的小型化和低成本，因而在众多领域中得到广泛的应用。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法,通过at89c51单片机及ht-335m驱动器完成步进电机各种运行方式的控制,实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统采用模块化设计,结构简单、可靠,通过按键控制，操作方便，节省成本。由此集成电路构成的数控系统通过简单的编程就可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制电机运行状态，并通过led数码管显示。关键字：单片机、步进电机、驱动器、at89c51、ledabstractat present our country enterprise numerical control machine tool proportion is extremely low, less than 5%, various enterprises use most of the old machine for the traditional, it is difficult to satisfy the business enterprise of high technology products production demand and production efficiency. for cost saving, further develop the efficacy and old traditional machine potential value of traditional old machine reconstruction using is a necessity. in industrial control system, usually to control the mechanical components of translation and rotation angle of displacement and the control requirements of taller, general motors to difficult to realize accurate control of the position and angle, and step-motor accuracy can achieve a set of angle and rpm, has good stepping characteristics. among them, the stepping motor with its unique characteristics may be in speed sensorless and sensorless system achieve precise open-loop state orientation or synchronization operation. we send by adjusting the stepping motor of stepping pulse number to achieve precise displacement or angle positioning and the adjustable send stepping pulse frequency can realize speed adjustment, these are favorable device or equipment miniaturized and low cost, so in many areas widely applied. stepping motor control system developed the software and hardware collaborative simulation method, through at89c51 and 335m drive - ht finish stepping motor various operation mode, to realize the control of the stepper motor speed control and positive &negative display the data. this system uses modular design, simple structure, reliable, through the button control, convenient operation, cost savings. thus integrated circuit consisting of cnc system through simple programming can set arbitrary stepper motor speed, rotation angle, the rotation frequency and control motor running condition, and through led digital pipe display. keywords: single chip microcomputer、 the stepping motor、 at89c51 、 335m drive - ht、ledii第一章 绪论我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统其中特别是大型设备还的依赖进口，由于种种原因企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。通过对我国现有的经济和科技状况来看，对老式机床设备的改造利用便成了一件迫在眉睫的事，于是怎么改，改那些，怎样最省钱这一系列的问题就摆在了我们面前，当拿到一台或多台老式设备时我们第一步该做的便是对老式设备的改造项目的可行性进行评估。这种评估可以是对自己已有机床设备的评估，也可以是对将要购买的机床设备进行评估，只有这样才能确定这台机床设备是否有改造和利用的价值。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。给一个电脉冲信号，步进电机就回转一个固定的角度，称为一步，所以成为步进电机。作为一种数字伺服执行元件，步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。本论文为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。 采用单片机为控制核心，利用其体积小、兼容性强、高速度、低价格、低工作电压、低功耗等特点，使键盘电路和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的控制系统，而且整个系统所包含的技术几乎包括了现学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术，节约了单片机资源。该系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的请求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。所以基于单片机控制的步进电机系统控制精度高、运行稳定, 在控制领域有着广泛的应用。 31第二章 方案比较2.1控制方式的确定步进电机控制虽然是一个比较精确的，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，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。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的cp脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是cp脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。但占用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。综上，对于本次设计的控制方式，在此选用延时调速来实现步进电机的速度控制。2.2 驱动方式的确定并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过cpu直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为cpu的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过cpu来间接驱动，就是把从cpu输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用cpu间接驱动步进电机。ht-335m是采用当今最先进的细分型技术生产的高性能步进驱动器(m=micro step),适合驱动中大型的任何两相或四相混合式步进机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率。其细分功能使步进电机运转精度提高，振动减小，噪声降低。2.3 基本方案的确定为此本设计采用at89c51 mcu作为控制芯片忽略了传统时序方法,软件通过汇编语言编写,硬件方面规划由单片机应用电路、44矩阵按键电路、步进电机驱动电路ht-335m高性能步进驱动器以及led数码管显示电路组成，通过设定电机转速并在数码管中显示其转速大小，从而能智能化控制。第三章 单片机概述3.1 单片机简介单片微型计算机(single chip microcomputer)简称单片机。它把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器cpu、随机存取存储器ram、只读存储器rom、可编程存储器eprom、并行及串行输入输出i/o接口电路、定时器/计数器、中断控制器、等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。随着大规模集成电路的发展，组成微型机算计的各功能部件：中央处理器、储存器、串/并输入输出接口、定是器/计数器、中断控制器，以及许多特殊功能单元，如：a/d、d/a转换器、高速输入输出部件、dma、浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上，构成一个完整的微型算计机单片机。由于它具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、所以方便等特点，因此特别适合于工业控制有关的数据处理系统，愈来愈广泛地应用于自动控制、智能化仪器、仪表、数据采集、军工产品以及家用电器等各个领域。由于其结构及应用特点，不同于通用的微型计算机，因此，了解单片机的原理及应用是非常必要的。随着大规模集成电路的发展，组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、存储器、串/并行输入/输出接口，定时器/计数器/中断控制器，以及计多特殊功能单元，如a/d、d/a转换器、高速输入输出部件、dma、浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上，构成一完整的微型计算机单片机。单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段：第1阶段(1971-1976)：单片机发展的初级阶段。1971年11月intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的四位微处理器intel 4004，并配有ram、rom 和移位寄存器，构成第一台mcs- 4微处理器，而后又推出了8位微处理器intel 8008，以及其它各公司相继推出的8位微处理器。它们虽说还不时单片机，但从此拉开了研究单片机的序幕。第2阶段(1976-1980)：低性能单片机阶段。以1976年intel公司推出的mcs-48系列为代表，采用将8位cpu、8位并行i/o接口、8位定时/计数器、ram和rom等集成于一块半导体芯片上的单片结构，虽然其寻址范围有限(不大于4kb)，也没有串行i/o,ram、rom容量小，中断系统也比较简单，但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。这种采用将cpu与计算机外围电路集成到一块芯片上的技术，标志着单片机与通用cpu的分道扬镳，在构成新型工业控制器方面取得了成功，为进一步发展单片机开辟了成功之路。第3阶段(1980-1983)：高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统多个16位定时器/计数器。片内ram、rom的容量加大，个别片内还带有a/d转换接口。其典型为1986年intel公司推出的mcs-51系列单片机，其它代表产品有motorola公司的6801和zilog公司的z8等。这类单片机拓宽了单片机的应用范围，使之能用于智能终端、局部网络的接口等。因而，它是目前国内外产品的主流，各制造公司还在不断地改进和发展它。第4阶段(1983-80年代末)：16位单片机阶段。1983年intel公司又推出了高性能的16位单片机mcs-96系列，由于其采用了最新的制造工艺，使芯片集成度高达12万只晶体管/片。cpu为16位，支持16位算术逻辑运算，并具有32位除16位的除法功能；片内ram 和rom容量更进一步增大；除两个16位定时/计数器外，还可设定4个软件定时器；具有8个中断源；片内带又多通道高精度a/d转换和高速输入、输出部件(hsio)；运算速度和控制功能也大幅度提高，具有很强的实时处理能力。第5阶段(90年代)：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。如：cpu的位数有8位、16位、32位，而结构上更进一步采用双cpu结构或内部流水线结构，以及提高处理能力和运算速度；时钟频率高达20mhz，使指令执行速度相对加快；提供新型的串行总线结构，为系统的扩展与配置打下良好的基础；增加新的特殊功能部件(如：pwm输出、监视定时器wdt、可编程计数器阵列pca、dma传输，调制解调器、通信控制器、浮点运算单元等)；半导体制造工艺的不断改进，失芯片高集成化、低功耗发展等等。以上这些方面的发展，使单片机在大量数据的实时处理，高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制，高级机器人以及局域网络方面得到大量应用。3.2 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，at89c51是美国atmbl公司生产的低电压，高性能cmos8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（perom）和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmbl公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，功能强大的at89c51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 at89c51主要包括算术/逻辑部件、累加器、只读存储器、随机存储器ram、指令寄存器ir、程序计数器pc、定时器/计数器、i/o接口电路、程序状态寄存器、寄存器组，此外还有堆栈寄存器、数据指针寄存器dptr等部件。这些部件集成在一块芯片上，通过内部总线连接，构成完整的微型计算机，下面按其部件功能分类予以介绍1主要特性：与mcs-51 兼容 4k字节可重擦写falsh闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0hz-24mhz三级加密程序存储器128*8位内部ram32可编程i/o线2个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式 2管脚说明：（1）主电源引脚vcc：供电电压。gnd：接地。（2）输入/输出引脚 p0.0 p0.7、p10.p1.7、p2.0 p2.7 和p3.0p3.7p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，也即地址/数据总线复合口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个逻辑门电路，对端口写“”可做为高阻抗输入端用。p0用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下所示： 端口引脚 兼 用 功 能 p3.0rxd （串行输入口） p3.1txd （串行输出口） p3.2/int0 （外部中断0） p3.3/int1 （外部中断1） p3.4t0 （ 定时器0的外部输入） p3.5t1 （定时器1的外部输入） p3.6/wr （外部数据存储器写选通） p3.7/rd （外部数据存储器读选通）p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。(3).控制或与其它电源复用引脚rst、ale/prog、/psen和/ea/vpprst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ale/prog：当访问外部存储器时，ale（地址锁存允许）的输出电平用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲/prog。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时，ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。此外，该引脚被略微拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。（4）外接晶体引脚xtal1和xtal2xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。3振荡器特性： xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除：整个perom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，at89c51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.3单片机复位和中断复位的实现通常用开机上电复位和外部手动复位中断就是指由于外部活内部事件而改变原来cpu正在执行指令顺序的一种工作机制. at89c51单片机共有3类中断源:2个外部中断,2个定时器/计数器中断,1个串行口中断。1 外部中断int0 和int1 可根据寄存器tcon 中的it0 和it1 位状态分别设置为电平或者边沿触发实际产生的中断标志是tcon 中的位ie0 和ie1 当产生外部中断时如果是边沿触发进入中断服务程序后由硬件清除中断标志位如果中断是电平触发由外部请求源而不是由片内硬件控制请求标志。2 定时器0 和定时器1中断由tf0 和tf1 分别由各自的定时/计数寄存器控制定时器0 (工作在模式3时除外)产生,当产生定时器中断时进入中断服务程序后由片内硬件清除标志位。3 串口中断由ri 和ti 的逻辑或产生进入中断服务程序后这些标志均不能被硬件清除。实际上中断服务程序通常需要确定是由ri 还是ti 产生的中断然后由软件清除中断标志,所以这些产生中断的位都可通过软件置位或清零与通过硬件置位或清零的效果相同简而言之中断可由软件产生推迟或取消，每个中断源可通过置位或清零寄存器ie的相应位分别使能或禁止。ie 中还包含一个全局禁止位ea 可以立即禁止所有的中断。 每个中断源都可通过编程中断优先级寄存器单独设置优先级一个中断服务程序可响应更高级的中断但不能响应同优先级或低级中断最高级中断服务程序不响应,其它任何中断如果两个不同中断优先级的中断源同时申请中断时响应较高优先级的中断申请,如果2个同优先级的中断源同时申请中断内部查询顺序将确定首先响应哪一个中断请求查询顺序，如下图中断源查询优先级请求位向量地址外部中断（int0）1ie00003h定时器0（t0）2tf0000bh外部中断0（int1）3ie10013h定时器1（t1）4tf1001bh串行口5r1,t10023h第四章 步进电机概述4.1步进电机简介步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、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。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。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。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。步进电机还具有快速启动、高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、动作灵敏、开回路控制不必依赖传感器定位、中低速时具备高转矩、高信赖性、小型、高功率等特征，使其具有广泛的应用现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（vr）、永磁式步进电机（pm）、混合式步进电机（hb）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。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。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。4.2步进电机工作原理步进电机是机电控制中一种常用的执行机构行它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。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，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时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。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： (1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：两相步进电机的双相四拍工作方式，其各相通电顺序时序如图所示：通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制a、b两相的通断图4.2.1 步进电机原理图 图4.2.2 步进电机双相四拍工作时序图(2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 (3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。4.3步进电机分类步进电机分三相，四相和六相，同一步进电机有多种控制方式，以三相步进电机为例，有以下几种基本的控制方式:(1)单三拍控制方式：即a，b，c三个绕组以a_b_c(或c_一b)的顺序通电(2)六拍控制方式：通电顺序为aabb_一bccca(或一ac_一ccbb_一ab)(3)双三拍通电方式：通电顺序为abbc_一ca(或abcabc)4.4步进电机的指标概述 4.4.1 步进电机的静态指标1.相数：产生不同对极n、s磁场的激磁线圈对数。常用m表示。2.拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一 个齿距 角所需脉冲数3.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数j*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。4.定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）5.静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。4.4.2 步进电机动态指标及术语 1.步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示： 误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内2.失步: 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3.失调角:转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4.最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5.最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6.运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。7.电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 8.电机正反转控制：当电机绕组通电时序为ab-bc-cd-da时为正转，通电时序为da-ca-bc-ab时为反转。4.5 驱动控制系统在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（a，b）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。ht-335m是采用当今最先进的细分型技术生产的高性能步进驱动器(m=micro step),适合驱动中大型的任何两相或四相混合式步进机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率。其细分功能使步进电机运转精度提高，振动减小，噪声降低。驱动器ht-335m特点 1 高性能、低价格 2双极恒流斩波方式3 供电最高+40vdc/29vac 4 光隔离信号输入5 20khz斩波频率 6 静止时电流自动减半7 输入电信号ttl兼容 8 最大驱动电流有效值3.5a/相9精巧的外形尺寸便于安装 10可通过拨码开关设定电流方便实用 11可驱动任何两相或四相混合式步进电机12引脚定义p1 (4位)p2 (6位引脚序号信号引脚序号信号1pul1gnd(ac)2dir2v+(ac)3opto(+5v)3a+4ena4a-55b+66b-第五章 led 显示概述5.1 led之内部结构及特性单片机中经常使用7段led来显示数字，也就是用7个led构成字型“8”，并另外用一个圆点led来显示小数点，也就是说一共有8个led,构成了“8.”的字型，如下图led显示器又分为共阴显示器(代号dc)和共阳显示器(代号da)若是共阴显示器，它每一个字符之七个发光二极管负值连在一起引出一个公共脚，几个字符之同一个字划的二极管阳极连在一起引出一个字划脚，则为共阴显示器，反之则为共阳：三个字符共引出10个脚，若有一个小数点(以p表示)则为11个脚，以此类推，一般地，p？表示小数点，二极管之公共脚是在第二字符上5.2 7段led动态显示原理对于led，有共阳极7段led和共阴极7段led，对于本设计，在此处用共阴极7段led，由于单片机at89c51的i/o电流较小，所以在位选端要使用三极管来进行7段led的推动，向7段led提供足够大的电流来点亮led。led的静态显示虽然有编程容易、管理简单等优点，但是静态显示所要占的i/o口资源很多，所以在显示的led点较多的情况下，一般都采用动态显示方式。在多位7段led显示中，为了简化电路，降低成本，则将所有位的段选线并联在一起，刚好有8个i/o口来控制8个段。而公共端则分别由相应的i/o口控制，以实现各个位的分时选通。由于所有的段选线并联到同一个i/o，由这个i/o口来控制，因此，若是所有的四位7段都选通的话，4位7段led将会显示相同的字符。要使各个位的7段led显示不同的字符，就必须采用动态扫描方法来轮流点亮每一位7段led，即在每一瞬间只选通一位7段led进行单独的字符。在此段点亮时间内，段选控制i/o输出要显示灯相应字符的段选码，而位选控制i/o口则输出位信号，向要显示的位送出选通低电平，使得该位显示相应字符。这样将四位7段led轮流去点亮，使得每位分时显示该位应显示的字符。由于人眼的视觉暂留时间为0.1秒，当每位显示的时间间隔未超过33ms时，并在显示时保持直到下一位显示，则由于人眼的视觉暂留效果眼睛看上去就像是4位7段led都在点亮。设计时，要注意每位显示的间隔时间，由于一位7段led的熄灭时间不能超过100ms，也就是说点亮其他位所用的时间不能超过100ms，这样当有n位的7段led用来显示时，每一位间隔的时间t就必须符合下面的式子： t=100ms/(n-1)比如，现在使用4位，也就是n=4，则由式子可以算出t=33ms,也就是每一位的时间间隔不能超过33ms。第六章 步进电机控制的硬件设计6.1 单片机最小应用系统电路设计 注: 该最小系统由晶体振荡电路、按键复位reset电路以及i/o接口电路组成 6.2 按键电路设计单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如下图所示，一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多i/o口。图6.2.1 矩阵式键盘结构矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5v上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。 6.3 步进电机驱动电路设计 ht-335m是采用当今最先进的细分型技术生产的高性能步进驱动器(m=micro step),适合驱动中大型的任何两相或四相混合式步进机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率.6.4 led显示电路设计 图6.4.1led数码管的接法使用动态扫描，所谓动态扫描是指将多个数码管的segment连在一起,将各自对应的公共端接到2个1413驱动器的端口上,同时1413与单片机at89c51相连接，通过动态扫描的方法依次点亮各个led，由于单片机的输出电流并不能直接驱动发光二极管，采用此方法还需给每个发光二极管加一个9012(pnp管)驱动,可以使每个发光二极管正常发光。从而显示电机的正反转，转速等。第七章 步进电机控制的软件设计7.1 程序框图以at89c51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，使用44矩阵按键电路作为数据的输入、数码管做数据的输出显示、以ht-335m作为驱动控制步进电机，实现步进电机进行正转、反转、暂停、继续。修改延时子程序可控制步进电机的转速。在本系统中，行列式键盘起着人机交互的作用，是输入电路的主要组成部分。在行列式键盘的程序设计中，利用了中断程序，更好的体现了控制的实时性，它既和硬件有关，又和软件有关，使得步进电机的控制更灵活，效率更高；利用四位一体的七段数码管显示输入的步数、转速，并动态显示步数和转速。以ht-335m作为步进电机的驱动电路，解决单片机驱动能力不足的缺点。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。此方案的基本原理如下图所示复位电路键盘控制电路电源及时钟电路at89c51单片机状态显示电路ht-335m驱动电路电路7.1.1 主程序流程图start检测七段显示初始化程序显示程序键盘程序计算程序控制程序说明: 程序由五大部分组成,包含初始化(t0中断,主程序),键盘程序,数码管显示程序,计算程序及步进电机控制程序组成.其中计算程序用来实现十六进制与十进制的转化.控制程序实现步进电机脉冲控制。7.1.2 显示程序流程图 7.1.3 计算程序流程开始百位显示字符乘100十位显示乘以10百位加十位加个位运算结果低位给33h/35h运算结果高位给34h/36h返 回7.2 源程序硬件分配表p1.3-y方向脉冲输入；p1.2-y方向正反转选择输入；p1.0-y方向使能信号；p1.4-x方向是能信号p1.5-x方向正反转选择信号；p1.7-x方向脉冲输入信号；p0.0-p0.7 8位显示输