单片机AT89c51控制步进电动机设计

1、第一章 前言1.1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

2、领域都 有应用。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。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位 等特点，因而在数

3、控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。第二章步进电机工作原理及系统方案论证2.1步进电机工作原理2. 1. 1步进电机结构电机转子均匀分布着40个小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次 分别与转子齿轴线错开0、1/3疋、2/3 T,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距 以疋表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3 T，C与齿3向右

4、错开 2/3 T，A与齿5相对齐，（A就是A,齿5就是齿1）下面是定子和转子的展开 图：9 A定子图2.12. 1. 2步进电机的旋转:如A相通电，B, C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受 任何力以下均同）。如B相通电，A, C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3 疋，此时齿3与C偏移为1/3疋，齿4与A偏移（疋-1/3 T） =2/3疋。如C相通电，A, B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3 疋，此时齿4与A偏移为1/3疋对齐。如A相通电，B, C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 T ， 这样经过A、B C、A分别通电状态，齿4 （

5、即齿1前一齿）移到A相，电机转 子向右转过一个齿距，如果不断地按 A, B, C, A通电，电机就每步（每脉 冲） 1/3 T ,向右旋转。如按A, C, B, A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成对应关系，而方向由导电顺序决定。图2.2r/k<«XJ不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3疋改变为1/6疋。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3疋变为1/12匚1/24疋，这就是电机细分驱动的 基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转

6、子齿轴线偏移1/m,2/m (m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 这是 步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进 电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。2.2课程设计目的、要求及设计方案论证2.2.1 设计目的(1) 设计并实现给定步进电机的控制；(2) 进一步掌握步进电机的控制方法；(3) 进一步掌握单片机硬件和软件的综合设计方法。2.2.2设计要求实现功能(1) 电机工作方式为三相双三拍，初始转速100r/min ;(2) 能够实现电机的启/停功能；(3) 能够实现电机的正/反转功能；(4) 能够实现电机的加/减

7、速功能。2.2.3 设计方案论证(1) 控制方式的确定CP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，控制系统的单片机驱动器步进电机图2.3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

8、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。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。（2）驱动方式的确定步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPUft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。用编码器的测速发电机作为转速测量工具 因为选择了闭环控制

9、，就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同 轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步 进电机进行调节；别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对 步进电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污 染少。固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。（3）驱动电路的选择步进电机的驱动电路有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、 斩波驱动、细分控制驱动等。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的 调节范围比较广，固应选用驱动芯片 8713来驱动，并通过软件来实现步进电机 的调速。（4）基本方案的确定因本次设计的要求，

10、选用三相双三拍步进电机，单片机选用89C51作为控制 器。选用8279来驱动显示和键盘。选用8713作为步进电机的驱动芯片并通过光 电耦合来驱动步进电机。然后用与步进电机同轴的光电编码器作为反馈元件，并把反馈回的信号经CPU处理后再由显示器显示出来。第三章系统硬件电路设计3.1 单片机的选择本次设计以CPU选用89C51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MCS5I系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦 除只读存储器（FPEROMFAIsh ProgrAmmABIeAnd ErAs

11、ABIe ReAdOnly Memory 的低电压，高性能CMOS位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEI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勺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 3.1.1单片机的引脚功能(1) VCC(40):电源 +5V。(2) VSS(20):接地，也就是 GND(3) XTL1 (19)和XTL2( 18):振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路， 有两种振荡方

12、式，一种是内 部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。(4) PSEN( 29):片外ROM选通信号，低电平有效。(5) ALE/PROQ3O):地址锁存信号输出端/EPROMS程脉冲输入端。(6) RST/VPD( 9):复位信号输入端/备用电源输入端。(7) EA/VPP (31):内 / 外部 ROM选择端(8) P0 口( 39-32):双向 I/O 口。(9) P1 口( 1-8 ):准双向通用 I/O 口。(10) P2 口( 21-28 ):准双向 I/O 口。3.1.2主要特性：与MCS-51兼容4K字

13、节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM 32可编 程I/O线、两个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、片内振荡器和时钟电路（1）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。（2）芯片擦除：整个PERO阵列和三个锁定位的电擦除

14、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亭止工作。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。3.2步进电机的选择因本次设计的要求，步进电机应选用三相双三拍的步进电机，具体说明如下：三相双三拍控制模型:正转控制模型步序工作 状态控制模型二进制十六进制1AB000

15、0001103H2BC0000011006H3CA0000010105H反转控制模型步序工作 状态控制模型二进制十六进制1AB0000001103H2CA0000010105H3BC0000011006H控制绕组的通电方式为 AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB每拍同时有两相绕组通电，三拍为一个循环，当 A、B两相控制绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有 A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力 相平衡才是转子的平衡位置。双三拍运行时的步距角是30° ,但双三拍运行时每 一拍总有一相绕组持续通电，例如由 A、B两相通电变为B、C两相通电时，B 相保持持

16、续通电状态，C相磁拉力使转子逆时针方向转动，而 B相磁拉力却起 有阻止转子继续向前转动的作用。3.3步进电机与微型机接口电路因为步进电机工作时的驱动电流比单片机端口所能提供的要大得多单片机 要控制电机的运动就不能直接将端口与电机各相相连， 必须使用一定的接口电路8255。驱和驱动电路。接口电路一般为锁存器，也有使用可编程接口芯片，如动器多选用大功率复合管。当然，考虑到实际使用中的干扰和电压安全， 一般都 要在单片机与驱动器之间使用必要的光电隔离器。1TDn APO.lT&n oPl.2JrU £P0.3F0.4Pl.1AT89C51UTTOP1.0PO.DP1.2P0.1P0

17、.2POJPO.IPI.IATW51INTf PLO4H25KJ-+5VU2iN35-|l' RJ2.10R91=0Xu co图3.1在图3.1中，若P1. 2 口输出为0时，发光二极管不会发光此时光敏管处于截止状态，而达林顿管导通所以 C相通电：反之，P1. 2输出为1时，由电路分析可知C相不通电。如按前面所示的表取控制数，按顺序执行，就可以使步 进电机安一定的方向步进。第四章系统软件程序设计步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务， 从而控制步进电机转动，以 达到控制转动角度和位移之目的。 首先要进行旋转方向的判断，然后转到相应的 控制程序。正反向控制程序分别按要求的控制顺序输出相

18、应的控制模型，再加上脉宽延时程序即可。脉冲序列的个数可以用寄存器CL进行计数。控制模型可以以立即数的形式给出。控制标志单元FLAG为00H时，表示正转；为01H时, 表示反转。其程序流程图如下图所示：图4.1程序流程图程序编写:DO EQU0D2 EQU2ORG 0000HSTART: LJMP MAINORG0003HLJMPINT0ORG0100HMAIN: MOV P2,#00H ;等待信-MOVP0,#FFHMOVR2,#0MOVR3,#0MOVR4,#0CLRIT0SETBEASETBEX0LJMPMAININT0: JNBP2.0,ZHENG;正转JNBP2.1,FAN ;反转JN

19、BP2.2,JIA ;加速JNBP2.3JAN ;减速JNBP2.4,TIN ;停RETIZHENG: MOV R2,#1;正转MOVDPTR,CHAMOVA,D0MOVCA,A+DPTRMOVP0,AACALL YAN0CPLP0.0CPLP0.2ACALL YAN0CPLP0.0CPLP0.1ACALL YAN0LJMPZHENGFAN: MOV R2,#0;反转MOVDPTR,CHAMOVA,D2MOVCA,A+DPTRMOVP0,AACALL YANOCPL PO.OCPL P0.1ACALL YANOCPL PO.OCPL P0.2LJMP FANZHENG1:MOV DPTR,CH

20、AMOV A,D0MOVC A,A+DPTRMOV P0,ACJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2CPL P0.0CPL P0.2CJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2CPL P0.0CPL P0.1CJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2LJMP ZHENGFAN1: MOV DPTR,CHAMOV A,D2MOVC A,A+DPTRMOV P0,ACJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2CPL P0.0CPL P0.1CJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2CPL P0.0CPL P0.

21、2CJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2LJMP FAN1JIA: MOV R3,#1;MOV R4,#0CJNE R2,#0,ZHENG1LCALL FANJIAN: MOV R4,#1;MOV R3,#0CJNE R2,#0,ZHENGLCALL FANTIN: LCALL MAIN ; 停加减速正转加减速反转加速减速YANO: MOV R0,#25LOOPOO:MOV R1,#100LOOP01:DJNZ R1,LOOPO1DJNZ R0,LOOP00RETYAN1: MOV R0,# 20LOOP10:MOV R1,#100LOOP11:DJNZ R1,L OOP11DJNZ R0,LOOP10RET