两轴步进电机协同顺弧运动控制

1、沈阳航空航天大学课程（设）计题目 两轴步进电机协同顺弧运动 级 号 生 姓 名 导 教 师 班学学指目录0.前言11.两轴步进电机协同顺弧运动基本理论31.1 单片机系统 89C52 板及相关、电路的工作原理31.1.1 单片机系统 89C52 原理31.1.2 ULN2803 功率驱动原理61.2 四相步进电机的基本原理71.3 圆弧插补的基本原理92.方案设计113.硬件电路的工作原理123.1 键盘输入信号模块123.2 按键复位电路133.3 脉冲晶振电路143.4 步进电机驱动电路154.软件编程164.1 键盘子程序的设计164.2 圆弧插补程序的设计174.3 驱动程序的设计18

2、5.系统调试和结果分析195.1 脉冲信号的测试195.2 按键复位电路195.3 运行轨迹205.4 两轴步进电机协同顺弧运动性能测试206.结论及进一步设想216.1 结论216.2 设想与建议21参考文献21附录 1. 23附录 2电路图24附录 3 C 程序25课设体会30沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动两轴步进电机协同顺弧运动沈阳航空航天大学自动化学院摘要：在文设计了一个两轴步进电机协同顺弧运动，它的主要功能是实现数控系统中的按键、驱动、协同顺弧运动等功能。设计中使用了具有大容量器的AT89C52 单片机、ULN2803 功率驱动、采用式键盘以及四相步进电机等元器件，

3、了整个系统。使用圆弧插补算法，运用 C 语言编程和 Proteus 软件进行它们，中，实现了X 轴和 Y 轴步进电机协同顺弧运动。以应用于数控工作台的由单片机两轴四相步进电机带动执行工作，并且通过单片机发出实时脉冲，从而实现一些要求的功能。：圆弧插补；四相步进电机；单片机；协同顺弧运动。0.前言随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种 I/O 接口集成在一块芯的计算机，而单片机就是这种微型计算机。它的早期含义称为单片微型计算机（Single Chip Microcontroller）,直译为单片机。目前有人根据单片机的结构和微电子设计特点将单片机

4、称为微处理器（EnbeddedMicroprocessor ） 或器（ Enbedded Microcontroller ）， 现在称为单片机微（Microcontroller）。其实，一块单片机就是一台计算机，它可以用一个表达式来表示：单片机=CPU+ROM+I/O+功能部件由于单片机的这种特殊的结构形式，在有些应用领域中，承担了大中型计算机和通用 的微型计算机所无法完成的一些工作，使其具有很多显著的优点和特点。它具有优异的性价比，单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需要的器，各种功能的 I/O 口都集成在一块内，有的单片机为了提高速度和执行效率，开始采用了

5、RISC 流水线和DSP 的设计技术，使单片机的性能明显优于同类型微型处理器，有的单片机内部 ROM 可达 64KB，片内 RAM 可达 2KB，单片机的寻址已64KB的限制，8 位和 16 位单片机寻址可达 1MB 和 16MB；其次是它的集成度高、体积小、可靠性高。单片机是将各种功能部件集成在一块的之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与上，内部采用总线结构，从而减少了各能力；另外还有它的功能强，具有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能；还有它的低电压、低功耗，许多单片机可在 2.2V 电压下运行，功耗至微安级，一粒纽扣电池就可以长期使用。第 1页沈阳航空航天大学课程设计两轴

6、步进电机协同顺弧运动随着电子技术及技术的不断发展，单片机的的各种性能也逐渐得到提高，从单片机的结构功能上看，单片机的发展趋势将向着大容量高性能化、小容量低价格化和电路内装化等几个方面发展，它的片内器容量将进一步扩大。以往单片机的ROM 为1KB4KB，RAM 为 64KB128KB，这在某些复杂的场合，器的容量不够，不得不进行外部容量扩充。目前单片机内部的 ROM 可达 4KB8KB，RAM 可达 256KB，有的片内 ROM 可达 12KB，RAM 可达 1MB，寻址可达 16MB。今后，在处理性能上，CPU 的性能将会得到进一步，指令运算速度会大大加快，系统的可靠性也会大大提高；随着集成度

7、的不断提高，将会把众多的各种功能器件集成在片内；为减少外围驱动，进一步增加单片机并行口的驱动能力，未来的单片机将可以直接输出大电流和高电压，以便直接驱动显示器。为进一步加快 I/O 口的传输速度，开始出现了高速 I/O 口，它能够以最快的速度捕捉外部数据的变化，同时以最快的速度向片外输出数据，以适 合数据改变的场合。随着集成工艺的不断发展，单片机一方面向集成度更高、体积更小、 功能更强、功耗更低的方向发展；另一方面向 32 位以上及双 CPU 方向发展。由于单片机具有很多的优点，因此其应用领域无其不至。它在智能仪器仪表、机电控制、实时以及人们的日常生活中，都有着广泛的应用。在单片机的机电应用中

8、,机电的结合出现了机电是指集机械技术、微电子技术。机电是机械工业发展的重要方向,机电算机技术于一体，具有智能化特征的机电。微机的数控机床是典型的机电，在这一系统中，单片机与电结合，尤其是与步进电机结合起来，进行精确的速度及位置。步进电机可以直接接受数字信号，而无需模/数转换，这样可以大大简化系统的复杂程度。对 X、Y 工作台的使用步进电机的单片机系统，使用开环，在保证精度的同时，它大大降低了系统的成本，在型数控系统中有着巨大的应用前景。步进电机作为执行，是机电中的关键设备之一，广泛应用在各种自动化民系统中。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，在各个国领域都有应用。它是一种将

9、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。可以通过脉冲个数来角位移量，从而达到准确的目的；同时可以通过脉冲频率来电机转动的速度和度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种用的特种电机，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。总之，随着我国制造业水平的不断提高和电子计算机技术的不断发展，在飞速发展的需求下，单片机的应用领域不断扩展，应用水平逐步提高。相信在不远的将来，必将打破国外本，实现其技术。主要研究的是以单片机为，采用逐点比较法中的圆弧插补方

10、法实现第第 2页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动一、二象限两轴四相步进电机协同顺弧运动。利用 C 语言编程，通过 AT98C52 单片机实现对步进电机的协同顺弧运动，系统具有能力强、可靠性较高等特点。1. 两轴步进电机协同顺弧运动基本理论两轴步进电机协同顺弧运动主要原理是以 AT89C52 单片机为，采用逐。其各点比较法中的圆弧插补方法实现第一、二象限两部四相步进电机协同顺弧运动部分的工作原理如下。1.1 单片机系统 89C52 板及相关、电路的工作原理1.1.1 单片机系统 89C52 原理单片机由CPU、等元器件集成在一块器（包括 RAM 和ROM）、I/O 接口、定时器/

11、计数器、中断上，片内各功能部件通过内部总线相互连接起来，如图 1 所示为单片机的典型结构框架图。89C52 是 INTEL 公司 MCS-52 系列单片机中基本的，它采用 INTEL 公司可靠的CHMOS 工艺技术制造的高性能 8 位单片机，属于标准的 MCS-52 的 HCMOS。它结合了 HMOS 的高速和高密度技术特征，它基于标准的 MCS-51 单片机体系结构和指令系统，属于 80C51 增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等的功能，适合于类似马达等应用场合。89C52 内置 8 位处理单元、256 字节内部数据器RAM、8K 片内程序器（ROM）、32 个双向输入/输出

12、(I/O)口、3 个 16 位定时/计数器和 5 个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU 而RAM 定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM 数据，时钟振荡停止，同时停止两种封装形式。内其它功能。89C52 有PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)第 3页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动图 1AT89 系列单片机基本结构图 2 为 AT89C52 的引脚图其图 2AT89C52 单片机引脚图VCC：供电电压。第 4页AT89C5219XT

13、AL1P0.0/AD0P0.1/AD1 P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14 P2.7/A15P1.0/T2P3.0/RXDP1.1/T2EXP3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RD3918383736935343332292122232430253126127281021

14、1312413514615716817中断系统串行接口并行接口SFR特殊功能寄存器定时/计数器RAMROMCPU沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动GND：接地。P0口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当外部程序和数据器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1

15、口缓冲器能接收输出4个TTL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，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故，在flash在编程和校验时，P1口作为第八位 地址接收。P2 口：P2 口为一个内部不提供上拉电阻的 8 双向 I/O 口，P2 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，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上啦的缘故。P2 口当用于外部程序或 16 位地址外部数据器进行存取时，P2 口输出地址的。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当外部八位地址数据 输

16、出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 flash 编程和校验时接收号。器进行读写时，P2 口地址信号和信P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接受输出 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。P3 口作为 AT89C52 的特殊功能口，其功能如表 1。表 1P3 口引脚的特殊功能表REST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 REST 脚两个周期的高电间。ALE/PROG:当外部器时，地址锁存的输出电平哟公寓锁存地址的低位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输

17、入编程脉冲。在，ALE 断以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为震荡频率的 1/6。因此他可以用作外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：没到那个用作外部数据器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如果第 5页管脚备选功能P3.0RXD(串行输)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(计时器 0 外部输入)P3.5T1(计时器 1 外部输入)P3.6/WR(外部数据器写通道)P3.7/RD(外部数据器读通道)沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动想禁制 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE

18、只有执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微置位无效。，如果微处理器在外部执行状态 ALE，/PSEN：外部程序两次/PSEN 有效，但在器的选通信号。在由外部程序器取指期间，每个周期外部数据器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP；当/EA 保持低电，单片机只外部程序器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序器。其中加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 保持高电，单片机内部程序器。在 flash 编程区间，此引脚也用于施加 12V 变成电源（VCC）。XTAL1：反向震荡放大器的输入及内部始终工作电路输入。XTAL

19、2：来自反向振荡器。1.1.2 ULN2803 功率驱动原理ULN2803 显示驱动为高电压、大电流的晶体管，具有集电极开路输出和具有瞬变抑制的续流箱位二极管，与标准 TTL 系列兼容。如果个二极管在感性负载两端，以防止击穿 ULN2803。感性负载，最好并一图 3ULN2803 引脚图其各引脚功能如下：18 脚低电平9 脚接地。10 脚接 VCC 电源正极。输出。1118 脚接的负载一端，负载另一端接 VCC 电源正极。ULN2803 最大额定值见表 2：第 6页ULN280311B1C2B2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C8B8C1018217316415514613712811

20、沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动表 2ULN2803 最大额定值电路原理图见图 4：图 4ULN2803 电路原理图1.2 四相步进电机的基本原理该步进电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图 5 是该四相反应式步进电机工作原理示意图。第 7页额定值符号值输出电压V050V输入电压（除ULN2801）V130V集电极电流连续IC500mA基极电流-连续IB25mA工作环境温度范围TA0+7 C保存温度范围Tstg-55+150 C结温TJ125 C沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动图 5四相步

21、进电机步进示意图开始时，开关SB 接通电源，SA、SC、SD 断开，B 相磁极和转子 0、3 号齿对齐， 同时，转子的 1、4 号齿就和 C、D 相绕组磁极产生错齿，2、5 号齿就和 D、A 相绕组磁极产生错齿。当开关SC 接通电源，SB、S于C 相绕组的磁力线和 1、4 号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿和C 相绕组的磁极对齐。而 0、3 号齿和 A、B相绕组产生错齿，2、5 号齿就和A、D 相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D 方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为拍、拍、八拍三种工作方式。单四拍与拍的步距角相等，

22、但拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是拍与拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高精度。拍、拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 6 所示：图 6步进电机工作时序波形图第 8页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动1.3 圆弧插补的基本原理为了使两轴步进电机能够协同工作，本次设计采用圆弧插补原理作为算法。插补是坐标运动协调的方法，使几个的坐标运动，组一条曲线运动。数控技术中按插补算法可归纳为两类：一类称“一次插补法”，基本特点是每插补运算一次，最多给每一轴进给一个脉冲，常用的有逐点比较法和数字法。这类算法，进给速度受到限制，过去的硬件数控系统常采用。另

23、一类称“二次插补法”，它把插补功能分为粗插补和精插补两部分完成。常用的有时间分割法和扩展数字器法，这类算法在每个插补运算周期里输出的不是单个脉冲，而是线段。因而能显著提高进给速度，在高精度自动化数控机得广泛采用。由于条件限制和具体要求，本设计中选用逐点比较法对圆弧分别进行插补。逐点比较法又称代数运算法、醉步法。这种方法的基本原理是：计算机在过，能逐点地计算和判别误差，与规定的运动轨迹进行比较，由比较结果决定下一步的移动方向。逐点比较法即可以作直线插补，又可以作圆弧插补。这种算法的特点是，运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便，因此，在两坐标联动的数

24、控机床中应用较。一般地，逐点比较法插补过程有四个处理节拍，如图 7 所示：开始终点Y图 7 逐点比较法流程图第 9页结束偏差计算坐标进给偏差判别N沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动刀尖点位置不外乎三种情况：轮廓线上方（点 A），轮廓线上（B 点），轮廓线下方（点C）。以第一象限为例，如图 8，显然，在点A 处为使刀尖点向轮廓直线靠拢，应-Y 向走一步；C 点处，应+X 向走一步；至于B 点，看来两个方向均可以，但考虑编程时的方便，现规定往-Y 向走一步。圆弧插补刀具偏差与进给方向示意图如图 8 所示。图 8圆方向示意图AB C（X，Y）点有：X²Y²>R

25、²即X²Y²R²>0即 X²Y²R²=0即 X²Y²R²<0(X,(X,Y) 点有；X²Y²=R²Y)点有； X²Y²<R²F=X²+Y²-R²为原始的偏差计算公式（X，Y）为当前插补点动态坐标。显然，F<0 时，需+X 向走一步；F>=0 时，需-Y 向走一步。为方便编程和提高计算速度，现对偏差 F 的计算公式加以简化：插补点位于 A，B 点时，走完（-Y）；动态坐标变为（X

26、=X，Y=Y-1），新偏差变为 F=（X）²+（Y-1）²-R²F-2Y+1。插补点位于 C点时，走完（+X）；动态坐标变为（X=X+1 ，Y=Y），新偏差变为 F=（X+1）²+（Y）²-R²F+2X+1。因此，走完Y 后：偏差计算公式为 F=F-2Y+1；走完+X 后：偏差计算公式为 FF+2X+1。通过第一象限的行走路径，可以得到逐点比较法的基本思想：每次只在一个坐标方向 进给一小步，然后计算进给每一个坐标到下一个位置后与理想位置的误差，并比较这个误 差，选择一个误差小的方向进给。根据这个基本思想，我们可以推导出逐点比较法圆弧插

27、补算法公式表，具体算法如表 3 所示。第 10页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动表 3圆弧插补公式表逐点比较法是整个算法的，是整个系统中最重要的一个环节，通过它，我们才能实现对步进电机的有效。对照表，我们可以编写不同象限的顺圆弧，实现步进电机在不同象限的协同，最终达到本次试验的目的。2. 方案设计本设计中的单片机硬件系统是两轴数控工作台的硬件体现，它真实的反映了简易数控系统的基本装置，该装置结构简单实用、成本低廉。两轴步进电机的单片机系统的硬件部分由单片机的最小系统、功率驱动器、执行装置步进电机、键盘等功能模块组成，其基本框架如图 9 所示。该系统主要实现的功能有以下部分：第

28、11页象限和顺圆偏差符号判别进给方向偏差公式计算坐标位置修改第一象限顺圆F>=0-YF=F-2Y+1Y=Y-1第三象限顺圆+Y第二象限顺圆F<0+YF=F+2Y+1X=X-1第四象限顺圆-Y第二象限顺圆F>=0+XF=F-2X+1X=X-1第四象限顺圆-X第一象限顺圆F<0+XF=F+2X+1X=X+1第三象限顺圆-X沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动通过单片机的最小系统实现适时的定时延时功能，脉冲的输入/输出；通过软件对键盘进行处理及扫描，定义按键各功能，实现对步进电机运行状态的；使用两个功率驱动器对从 I/O 口输出的功率进行放大，结合软件实现对 X、

29、Y 两有效个坐标方向的圆弧插补的。图 9硬件基本结构框图3. 硬件电路的工作原理3.1 键盘输入信号模块键盘按结构分为式和矩阵式，式键盘由 I/O 口线组成的单键电路，每个式按键单独占有一跟 I/O 口线，每跟 I/O 口线上的按键工作状态影响其它 I/O 口线的工作状态，这种按键电路配置灵活，软件结构简单；矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。根据的要求，选择式键盘，共使用了 AT89C52 的 P3.0P3.3 四根 I/O 口线，P3.0 作为电机启动键, P3.1 作为电机关闭键，P3.2 作为第一象限输入，P3

30、.3 作为第二象限输入，通过软件实现对按键的扫描及对按键的处理。图 10 为键盘接口电路图。第 12页Y 轴步进电机ULN280 3独立式键盘X 轴步进电机ULN280 3A T 89C 52沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动图 10键盘接口电路图键盘的工作方式一般有编程扫描中断扫描方式两种。编程扫描方式是利用CPU 在完成其它工作的空余，调用键盘扫描子程序来响应键输入要求，在执行键功能程序时，CPU 不再响应键输入要求；采用编程扫描工作方式，响应键入令和数据，但是这种方式不管键盘上有无键按下，CPU 总要定时扫描键盘，而应用系统在工作时，并不经常需要键输入，因此 CPU 经常处

31、于空扫描状态。为了进一步的提高 CPU 的工作效率，可采用中断扫描工作方式。即当键盘上有键闭合时产生中断请求，CPU 响应中断请求后，转去执行中断服务程序相应的处理。中，判别键盘上闭合键的键号，并作该系统中采用编程扫描方式，这样可以简化硬件电路，降低成本，增强实用性。3.2 按键复位电路单片机在启动运行时都需要复位，复位使 CPU 和系统中的其他部件都处于一个确定的工作状态，并从这个状态开始工作。在系统中，有时也会出现显示不正常，也为了调试 方便，需要设计一个复位电路，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的 按键复位功能。复位电路通常采用上电复位和按键复位两种方式。上电自动复位是通

32、过外部复位电路的电容充电来实现的。按键手动复位有电平脉冲方式两种。其中电平方式复位是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现的，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。在此系统中单片机的复位靠外部电路实现的，AT89C52 单片机有一个复位引脚 RST，高电平有效。只要 RST 保持高电平，单片机便保持复位状态。此时，ALE/PSEN、P0、P1、P2、P3 口都输出高电平。RST 变成低电平后，需要注意的是，复位操作不影响片内 RAM 的内容。复位状态，CPU 开始正常工作。复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。根据的要求，选

33、择按键电平方式复位，复位电路图见图 11，RST 接 AT89C52第 13页S4D4R4U2:DU1 121317 P3.7/RDP1.7 816 P3.6/WRP1.6 715 P3.5/T1P1.5 614 P3.4/T0P1.4 513 P3.3/INT1P1.3 4S3D3U2:C12 P3.2/INT0P1.2 3R311 P3.1/TXDP1.1/T2EX26510 P3.0/RXDP1.0/T21560LED-GREEN740428 P2.7/A1527 P2.6/A142631S2D2U2:B25 P2.5/A13EA30P2.4/A12ALER224 P2.3/A11PSE

34、N294323 P2.2/A1022 P2.1/A921 P2.0/A832 P0.7/AD7RST9S1D1U2:A33 P0.6/AD6R134 P0.5/AD52135 P0.4/AD456036 P0.3/AD3XTAL218LED-BLUE740437 P0.2/AD238 P0.1/AD139 P0.0/AD0XTAL119AT89C52560LED-YELLOW7404560LED-RED7404沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动的 RST 引脚，当按键按下时接通高电平，松开时，接低电平。S5 为手动复位开关。按键复位时设t 在0 t 之间时S5合上， t0波形图如

35、图12所示。³ t 时，S5断开，则 u 和t 有以下函数关系，0Rì- tt 1 )Rï6V(1- e0 < t < tCCoï R + Ru = í56（1）R- t0(1- e t1 )e- tïRt 2t ³ t 5Vï RCCo+ Rî 56其中，t 1 = R6 / R 5 ×C，t 2 = R 5 ´ C ，Vcc 为电源电压（+5V）。图 12u R 和t 函数关系波形图图 11按键复位电路图实践证明只要RST 端保持 10us 以上高电平，才能使单片机复位

36、。为使其可靠复位，RST 引脚复位时间应保持 24us 以上的高电平，即在选择电阻 R5 和电容C 时要保证时间参数：t = R5*C（2）大于 24us。按键复位时，R6 阻值选择不能过小，那样的话只要碰到就会复位；选择过大时，按键按下去很久才能复位，所以要选择适中的阻值为 1K 左右的电阻。其中 RC 振荡电路振荡频率为：1f =（3）0R C53.3 脉冲晶振电路（时钟电路）在AT89C52 单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为 XTAL1，第 14页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动输出端为 XTAL2，由该放大器的振荡电路和时钟电路一起了单片机的时钟

37、方式。外部时钟方式。根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟在内部方式时钟电路中，必须在 XTAL1 和 XTAL2 引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容振荡电路，通常 C1 和 C2 一般取 30pF，晶振的频率取值在 1.2MHz12MHz 之间。对于外接时钟电路，要求 XTAL1 接地，XTAL2 脚接外部时钟，对于外部时钟信号并无特殊要求，只要保证一定的脉冲宽度，时钟频率低于 12MHz 即可。其电路图如图 13 所示。路晶体振荡器的振荡信号从 XTAL2 端送入内部时钟电路，它将该振荡信号二分频，产生一个两相时钟信号 P1 和 P2 供单片机使用。时钟信号的周期称为

38、状态时间，它是振荡周期的 2 倍，P1 信号在每个状态的前半周期有效，在每个状态的后半周期 P2 信号有效。CPU 就是以两相时钟 P1 和 P2 为基本节拍协调单片机各部分有效工作的。3.4 步进电机驱动电路ULN2803 作为电机驱动的本模块中采用集成驱动，具有集电极开路输出和可以驱动两个二相电机，具有瞬变抑制的续流箱位二极管，驱动力很强。ULN2803也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压； 可以直接用单片机的 I/O 口提供信号而且电路简单，使用比较方便。因为在本设计中我们使用的是四相步进电机，所以 ULN2803 完全符合要求。其电路原理如图

39、 14 所示：第 15页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动图 14驱动步进电机原理图本设计采用 ULN2803 来驱动步进电机，通过 AT89C52 的 P1.0P1.7 输出脉冲到ULN2803 的相应输经放大由相应的输出口输入到步进电机，其电路如图 15：图 15步进电机驱动器系统电路原理图4. 软件编程4.1 键盘子程序的设计键盘子程序主要完成四个功能按键，分别为启动按键、关闭按键、第一象限按键、第二象限按键。其程序流程图如图 16：第 16页功率电源脉冲功率放大器负载步进电机沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动开始合否合否Y否图 16键盘子程序流程图4.2 圆

40、弧插补程序的设计圆弧插补子程序主要完成序流程图如下：两轴步进电机的运动状态，以第一象限顺弧为例，其程第 17页应程序N位NN有键闭Y延时有键闭按键执行相闭合键Y沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动开始NF>=0YF=F-2*X+1 X=X+1F=F-2*Y+1Y=Y-1N到终点Y结束图 17第一象限顺弧插补程序流程4.3 驱动程序的设计驱动程序主要完成对步进电机的驱动，程序流程图如图 18。第 18页-Y 走一步+X 走步延时沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动开始结束图 18驱动程序流程图5. 系统调试和结果分析5.1 脉冲信号的测试图 19 为示波器测试脉冲晶

41、振电路产生的脉冲信号。图 19示波器测试脉冲信号5.2 按键复位电路下表为复位电路测试数据。表 4 测试数据表第 19页R 值(K)C 值(F)频率（KHz）周期(us)100550024调节转速取插补数据转动一圈沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动5.3 运行轨迹下图为第一象限运行轨迹。图 20实际运行轨迹5.4 两轴步进电机协同顺弧运动性能测试如图 21 所示，将各部分连接好之后就可以对电路进试。图 21两轴步进电机协同顺弧运动电路图首先测试第一象限圆弧，当按键 S3 按下，D3（LED 灯）亮，X 轴步进电机先转一周， 接着 Y 轴步进电机转动一周，即两轴步进电机各走一步，如

42、此循环 X 轴和 Y 轴电机各走5 步，到达终点，实现了在第一象限顺弧运动。在此运动期间当按下 S2 键两轴电机都停止。当按下 S5 键，系统将重新开始。其次测试第二象限圆弧，当按键 S4 按下，D4（LED 灯）亮，Y 轴步进电机先转一周，接着 X 轴步进电机转动一周，即两轴步进电机各走一步，如此循环 Y 轴和 X 轴电机各走第 20页S4D4U2:DU2VCCR4U1COM 10 121317 P3.7/RDP1.7 81 1B1C 1856016 P3.6/W RP1.6 72 2B2C 17LED-RED740415 P3.5/T1P1.5 63 3B3C 1614 P3.4/T0P1

43、.4 54 4B4C 1513 P3.3/INT1P1.3 45 5B5C 14S3D3U2:C1236 6B6C 13R37 7B7C 12+88.8 658 8B8C 1156012VLED-GREEN740428 P2.7/A15ULN280327 P2.6/A1426 P2.5/A13EA 31S2D2U2:B25 P2.4/A12ALE 30R224 P2.3/A11PSEN 29VCC 4323 P2.2/A10U356022 P2.1/A9LED-YELLOW740421 P2.0/A81COM 101B1C 1832 P0.7/AD7RST 92 2B2C 17S1D1U2:A

44、33 P0.6/AD63 3B3C 16R134 P0.5/AD54 4B4C 15 2135 P0.4/AD45 5B5C 1456036 P0.3/AD3XTAL2 186 6B6C 13+88.8LED-BLUE740437 P0.2/AD27 7B7C 1238 P0.1/AD18 8B8C 1139 P0.0/AD0XTAL1 19ULN2803VCCAT89C52C3X15fS5CRYSTALR6C2C11kR5200pF200pF100k沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动5 步，到达终点，实现了在第二象限顺弧运动。在此运动期间当按下 S2 键两轴电机都停止。当按下

45、S5 键，系统将重新开始。6. 结论及进一步设想6.1 结论本设计是两轴步进电机协同顺弧运动一、二象限两部四相步进电机协同顺弧运动,采用逐点比较法中的圆弧插补方法实现第。通过 AT89C52 单片机的最小系统实现适时的定时延时功能，脉冲的输入/输出；通过软件对键盘进行处理及扫描，定义按键各功能，实现对步进电机运行状态的有效；使用两个功率驱动器对从 I/O 口输出的功率进行放大，结合软件实现对 X、Y 两个坐标方向的圆弧插补的电路及程序基本符合此次课程设计的要求。总体来说，6.2 设想与建议算法的改进可以将逐点比较法改进为数字法，因数字法易于实现多坐标联动。只需输入廓曲线。圆弧插补时，x 轴动点

46、坐标不多的几个数据，就能圆弧等值累加的溢出脉冲作为 y 轴的进给脉冲，y 轴动点坐标值累加溢出脉冲作为 x 轴的进给脉冲。对课设的建议希望以后学校能提供这样的学习机会，锻炼和提高学生的综合能力。参考文献123456789刘复华. 单片机及其应用系统. 北京：.8051 单片机C 语言彻底应用.科学，1992，2002.1,2003.1.单片机接术及应用.北械工业.电的单片机.北京：北京航空航天大学,2002.5.单片机高级语言C51Windows 环境编程与应用.北京：电子，2001于海生.微型计算机技术.北京：,1999.3、.单片机原理及应用. 哈尔滨：哈尔滨工业大学,2004.6成、杨加

47、国.单片机原理与应用及C51 程序设计.北京：,2009.7.新概念 51 单片机C 语言.北京：电子工业,2009.1第 21页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动1011传.计算机图形学.北京：邮电,2002.7卫平等.单片机系统开发实例经典.北京：冶金工业,2006.3第 22页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动附录 1第 23页名称型号数量单片机AT89C521驱动ULN28032四相步进电机12V 100mH2电阻560 W 1K100K6电容200pf2极性电解电容5f1晶振12MHz1LED 灯2.2V 10mA4非门74044BUTTON5电源Vcc4沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动附录 2电路图第 24页沈阳航空航天大学课程设计两轴步进电机协同顺弧运动附录 3C 程序#include<reg52.h>#define uchar unsigned char/头文件sbit key1=P30;/启动sbit ke