基于PIC单片机的步进电机位置控制系统设计说明

1、基于PIC单片机的步进电机定位控制系统设计摘要介绍了步进电机的工作原理及各项指标参数，分析了单片机控制步进电机的方法。系统采用单片机和步进电机的串行控制方案，采用旋转编码器测量系统的精度。 PIC单片机作为步进电机的控制器，实现步进电机的运动。硬件结构由串口显示电路、键盘接口电路、电机驱动电路等组成。软件采用模块化设计，通过调用中断、键盘扫描、串口显示等。给出了硬件原理图、编程流程图和软件程序。关键词：步进电机PIC单片机硬件接口电路目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc202228345 概述 PAGEREF _Toc202228345 h 1 HYPERLI

2、NK l _Toc202228346 1.1学科背景 PAGEREF _Toc202228346 h 1 HYPERLINK l _Toc202228347 1.2 MCU应用开发介绍 PAGEREF _Toc202228347 h 1 HYPERLINK l _Toc202228348 1.3主要研究工作 PAGEREF _Toc202228348 h 2 HYPERLINK l _Toc202228349 第二章步进电机原理与驱动 PAGEREF _Toc202228349 h 4 HYPERLINK l _Toc202228350 2.1步进电机的工作原理 PAGEREF _Toc202

3、228350 h 4 HYPERLINK l _Toc202228351 2.2步进电机驱动 PAGEREF _Toc202228351 h 6 HYPERLINK l _Toc202228352 2.2.1步进电机驱动方式 PAGEREF _Toc202228352 h 6 HYPERLINK l _Toc202228353 2.2.2步进电机的驱动特性 PAGEREF _Toc202228353 h 8 HYPERLINK l _Toc202228354 2.2.3步进电机驱动器直流电源的确定 PAGEREF _Toc202228354 h 12 HYPERLINK l _Toc20222

4、8355 2.3步进电机控制系统组成 PAGEREF _Toc202228355 h 12 HYPERLINK l _Toc202228356 第三章单片机控制步进电机的方法 PAGEREF _Toc202228356 h 14 HYPERLINK l _Toc202228357 3.1步进电机控制方法 PAGEREF _Toc202228357 h 14 HYPERLINK l _Toc202228358 3.1.1串行模式 PAGEREF _Toc202228358 h 14 HYPERLINK l _Toc202228359 3.1.2并联模式 PAGEREF _Toc202228359

5、 h 14 HYPERLINK l _Toc202228360 3.2 PIC单片机介绍 PAGEREF _Toc202228360 h 14 HYPERLINK l _Toc202228361 3.2.1 PIC单片机简介 PAGEREF _Toc202228361 h 14 HYPERLINK l _Toc202228362 3.2.2 PIC 系列单片机的结构 PAGEREF _Toc202228362 h 15 HYPERLINK l _Toc202228363 3.3单片机控制步进电机 PAGEREF _Toc202228363 h 16 HYPERLINK l _Toc202228

6、364 第 4 章 系统硬件设计 PAGEREF _Toc202228364 h 20 HYPERLINK l _Toc202228365 4.1系统硬件结构 PAGEREF _Toc202228365 h 20 HYPERLINK l _Toc202228366 4.2模拟步进电机驱动电路 PAGEREF _Toc202228366 h 20 HYPERLINK l _Toc202228367 4.3 LED显示屏接口电路 PAGEREF _Toc202228367 h 21 HYPERLINK l _Toc202228368 4.4键盘界面设计 PAGEREF _Toc202228368

7、h 22 HYPERLINK l _Toc202228369 4.5石英多谐振荡器电路设计 PAGEREF _Toc202228369 h 24 HYPERLINK l _Toc202228370 4.6光电编码器原理及分类 PAGEREF _Toc202228370 h 25 HYPERLINK l _Toc202228371 第 5 章 系统软件设计 PAGEREF _Toc202228371 h 28 HYPERLINK l _Toc202228372 5.1软件架构 PAGEREF _Toc202228372 h 28 HYPERLINK l _Toc202228373 5.2子程序模

8、块 PAGEREF _Toc202228373 h 29 HYPERLINK l _Toc202228374 5.2.1串行静态显示模块 PAGEREF _Toc202228374 h 29 HYPERLINK l _Toc202228375 5.2.2键盘扫描模块 PAGEREF _Toc202228375 h 30 HYPERLINK l _Toc202228376 5.2.3中断模块 PAGEREF _Toc202228376 h 31 HYPERLINK l _Toc202228377 结论 PAGEREF _Toc202228377 h 36 HYPERLINK l _Toc2022

9、28378 参考文献 PAGEREF _Toc202228378 h 37 HYPERLINK l _Toc202228379 至 PAGEREF _Toc202228379 h 38 HYPERLINK l _Toc202228380 附录1 PAGEREF _Toc202228380 h 39 HYPERLINK l _Toc202228381 附录2 PAGEREF _Toc202228381 h 43第一章概述1.1 学科背景步进电机是一种机电致动器，可将电脉冲转换为角位移。每增加一个控制脉冲，电机就运行一个步进，所以称为步进电机或脉冲电机。当步进电机接收到脉冲信号时，它会按照设定的方

10、向旋转一个固定的角度（步距角） 。可以通过控制脉冲个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的。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。小，定位精度高，无累积误差，控制简单。在实际运行中，不受电源电压、负载、环境、温度的影响，可实现快速启动、制动和反转。步进电机可以高精度控制旋转角度和速度。步进电机作为控制执行器，是机电一体化的重点产品之一，广泛应用于各种自动化控制系统和精密机械等领域。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，应用于国民经济的各个领域。随着数字技术和计算机的发展，对步进电机驱动电路的研究，使步进电机的控制更加简单、灵活、智能化，应用

11、更加广泛。步进电机的发展方向主要有以下三点：( 1 )进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用SVPWM技术，采用电子齿轮比技术，扩展通讯网络功能。( 2 )高功率密度步进电机系统。( 3 )闭环控制步进电机系统。为了彻底克服步进电机系统的一些根本性弱点，如容易出现振荡和失步等问题，可以改为闭环系统，但这种变化使步进电机系统发生了质的变化，不再是原来的意义。步进电机变成无刷直流电机（BLDCM），或交流伺服电机（AC SERVO）。1.2 单片机应用开发介绍单片机（Single Chip Microcomputer）简称单片机。组成一个完整的微型计算机的组件。Intel自1971年生产出第一块4

12、位微处理器以来，发展迅速，先后经历了4位机、低端8位机、高端8位机、16位机和最新一代单机芯片微型计算机。最新一代单片机在结构上采用双CPU或部分流水线。 CPU有8位、16位和32位，时钟频率最高可达20Hz。该芯片具有PWM输出、看门狗定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高集成度和低功耗方向发展，使得单片机广泛应用于海量数据的及时处理、先进的通信系统、数字信号处理、复杂的工业过程控制、先进的机器人和局域网等领域。单片机具有体积小、重量轻、价格低、功耗低、控制功能强、运行速度快等特点，因此在国民经济建设、军工、家用电器等领域有着广泛的应用。根据单片机的特点，

13、单片机可以分为单机应用和多机应用。独立应用程序的主要领域是：( 1 )测控系统：由单片机组成各种工控系统、自适应系统、数据采集系统等。如温室人工气候控制、水阀自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。( 2 )智能仪表：可将原有的测控仪表改造为单片机，推动仪表向数字化、智能化、多功能化、集成化、柔性化方向发展。如温度、压力、流量、浓度测量、显示和仪表控制。通过单片机的软件编程，可以轻松解决测量仪器中长期存在的误差校正和线性化处理等问题。( 3 )机电一体化产品：如简单的数控机床、医疗器械等。( 4 )智能接口：在大型工业控制系统中，一般采用单片机进行接口控制和管理。由于单片机和主机并

14、行工作，可以大大提高系统运行速度。例如，在大型数据采集系统中，使用单片机控制ADC接口，不仅可以提高采集速度，还可以对数据进行预处理。如数字滤波、线性化、纠错等。多机应用的主要领域有：( 1 )功能分配系统：多功能分配系统是为满足工程系统各种外围功能的要求而设置的多机系统。例如，加工中心的计算机系统不仅完成机床的加工操作控制，还控制对刀系统、坐标系、刀库管理、状态监控、伺服驱动等机构。( 2 )并行多控系统：并行多控系统主要解决工程应用系统的加速问题，以形成大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图像处理系统等。( 3 )局域网系统：单片机网络系统的出现，将单片机的应用提

15、升到了一个新的高度。目前网络系统主要是分布式测控系统，系统中主要采用单片机进行通讯控制，形成各种测控子系统。1.3 主要研究工作硬件设计：通过单片机实验加深对驱动电源和步进电机工作状况的了解，测量研究角位移与脉冲数的关系，平均速度与脉冲数的关系。单步运行状态下的脉冲频率。观察转子振荡状态，掌握步进电机的基本特性和指标。根据功能需要选择电路元件和型号，设计电路，解决实际抗干扰问题。画出电路原理图。软件设计：用汇编语言编写核心模块来控制步进电机。最后编写了一个完整的步进电机控制程序，可以调节步进电机的方向和速度。由于转速是通过调整脉冲频率来实现的，所以脉冲分布的设计采用了完整的软件方式，即按照给定

16、的上电换相顺序，通过I/O向驱动电路致控制脉冲单片机的端口，从而避免使用复杂的脉冲分配芯片。 ，实现单片机对步进电机的控制。程序设计在掌握计算机相序控制方法的基础上，采用适用于三相单四拍、双四拍和单双八拍的循环移位法，解决了存在的问题实际运行中转子失速和启动失步。第二章步进电机原理与驱动2.1 步进电机的工作原理步进电机是数控电机，将脉冲信号转换成角位移，即给定脉冲信号时，步进电机转动一个角度，因此非常适合单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR ）、永磁步进电机（简称PM ）和混合式步进电机（简称HB ）。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控制的，即电机的

17、总转角由输入的脉冲数决定，电机的转速由输入的脉冲数决定。通过脉冲信号的频率。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。基本原理如下：( 1 )控制换相顺序通电换流的过程称为脉冲分布。四相步进电机的工作原理如下：单相四拍工作方式：正转上电顺序为： A - B - C - D - A反向上电顺序为： D - C - B - A - D四相八拍工作方式：正转上电顺序为： A - AB - B - BC - C - CD - D - DA - A反向上电顺序为： D - DC - C - CB - B - BA - A - AD - D控制步进电机的转向。若给定工作方式正序换相通电，则

18、步进电机正转；如果以相反的顺序通电和换向，则电机将反转。( 2 )控制步进电机的速度如果您向步进电机致一个控制脉冲，它将走一步，另一个脉冲将使其多走一步。两个脉冲之间的间隔越短，步进电机转动得越快。步进电机的转速可以通过调节单片机致的脉冲频率来调节。(3) 步进电机指示灯励磁线圈（由m 表示）产生不同极性的 N 和 S 磁场。完成一次磁场周期性变化所需的脉冲数或导通状态（用n表示），或电机转动一个螺距角所需的脉冲数。以四相电机为例，有四相四拍的运行方式。即AB-BC-CD-DA-AB ，四相八拍运行模式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子的角位移用

19、表示。 =360度/（转子齿数J *运转节拍），以50齿的常规两相或四相电机为例。四拍运行时步距角=360度/(504)=1.8度（俗称全步），步距角 = 360度/(508)=0.9度（俗称全步）在八拍运行时运行半步）。定位力矩：电机不通电时电机转子本身的锁紧力矩（由磁场齿形谐波和机械误差引起）。静力矩：电机在额定静电作用下不转动时电机轴的锁紧力矩。这个扭矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压和驱动功率无关。虽然静态转矩与电磁励磁的安匝数成正比，并与定转子之间的气隙有关，但不宜减小气隙，增加励磁的安匝数以增加励磁的安匝数。静态扭矩，这将导致电机发热。和机械噪音。(4) 步进电机的特点

20、一般步进电机的精度为步进角的35 %，不累加。步进电机表面内容的最高温度。如果步进电机的温度过高，电机的磁性材料会先退磁，导致转矩下降，甚至失步。因此，电机表面内容的最高温度应取决于不同电机的磁性材料的退磁点。一般来说，磁性材料的退磁点在130摄氏度以上，有的甚至高达200摄氏度，所以步进电机的表面温度在80到90摄氏度是完全正常的。步进电机的转矩会随着转速的增加而减小。步进电机转动时，电机各相绕组的电感会形成反电动势，频率越高，反电动势越大。在它的作用下，电动机的相电流随着频率（或速度）的增加而减小，从而导致转矩减小。步进电机在低速下可以正常运行，但高于一定速度则无法启动，并伴有噪音。步进电

21、机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载条件下能正常启动的脉冲频率。如果脉冲频率高于此值，电机将无法正常启动，可能会出现失步或失速。在负载下，启动频率应该更低。如果要使电机高速旋转，脉冲频率应该有一个加速过程，即启动频率较低，然后以一定的加速度上升到所需的高频（电机转速从低速上升到高速）。步进电机以其显着的特性，在数字化制造时代发挥着重要作用。随着不同数字技术的发展和步进电机技术的提高，步进电机将在更多领域得到应用。（五）常用步进电机的种类比较常用的步进电机包括反应式步进电机（ VR ）、永磁步进电机（ PM ）、混合式步进电机（ HB ）和单相步进电机。永磁步进电机一般为两相，转矩和

22、体积小，步进角一般为7.5度或15度。反应式步进电机一般为三相，可实现大扭矩输出，步进角一般为1.5度，但噪音和振动较大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子有一个多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指结合了永磁和无功的优点。分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为0.72度。这种步进电机应用最广泛。(6)步进电机应用中的注意事项步进电机用于低速场合转速不宜超过1000转，（ 0.9度时为6666PPS ） ，最好在1000-3000PPS （ 0.9度）之间使用。电机工作效率高，噪音低。步进电机最好不要使用全步状态，全步状态下振动较大。只有标称电压

23、为12V的电机使用12V，其他电机电压可根据驱动器选择。除了12V恒压驱动外，其他驱动电源也可以使用，但要考虑温度变化。转动惯量大的负载应选用大机座电机。电机在高速或大惯量负载下，一般不以工作转速启动，而是逐渐提高频率和转速。一是电机不丢步，二是可以降低噪音，提高停车定位精度。精度高时，应采用机械减速、提高电机转速或使用高细分驱动器来解决。也可以用5相电机，但是整个系统的价格比较贵，厂家少。据说被淘汰了。不准确。电机不应在振动区工作。如有必要，可以通过改变电压、电流或增加一些阻尼来解决。电机在600PPS （ 0.9度）以下工作时，应采用小电流、大电感、低电压驱动。 应遵循先选电机、后驱动的原

24、则。2.2 步进电机的驱动2.2.1步进电机驱动步进电机常用的驱动方式是全电压驱动，即在电机运动和锁定时加载额定电压。为了防止电机过流并改善驱动特性，需要增加一个限流电阻。当步进电机锁定时，限流电阻会消耗大量功率。因此，限流电阻必须有很大的功率容量，开关管也必须有很高的负载能力。步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动，即在电机运动时，加上额定电压或超过额定值，用大电流驱动电机，使电机快速运动。在锁步中，施加低于额定值的电压，只有电机绕组所需的电流值通过锁步。这样既可以降低限流电阻的功耗，又可以提高电机的运行速度，但是这种驱动方式的电路比较复杂。可以使用硬件方法，即使用脉冲分配器来实现驱动脉冲的分

25、配。现在脉冲分配器已经标准化、芯片化，并在市场上销售。但硬件方法不仅结构复杂，而且成本高。步进电机的控制也可以采用软件的方式，甚至可以用单片机，既简化了电路，又降低了成本。采用单片机通过软件方式驱动步进电机，不仅可以通过编程在一定范围内自由设定步进电机的转速、往复旋转的角度和转数等，而且步进电机的运行状态可以轻松灵活地控制。步进电机不能直接接交流、直流电源工作，必须使用特殊的设备步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能好坏不仅与电机本身的性能有关，而且很大程度上取决于驱动器的优劣。信号放大级信号放大级推动级环形分配级驱动级保护级图 2-1 驱动结构步进电机驱动器的主要组成如图2-1所示，一般由环

26、形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等组成。用于功率步进电机的驱动器也有一个各种保护电路。环形分配器用于接收来自控制器的CP脉冲，并根据步进电机状态转换表所要求的状态顺序，产生各相的开启或关闭信号。对于每个CP脉冲，环形分频器的输出切换一次。因此，步进电机的速度，加速或减速，启动或停止，都取决于CP脉冲的存在或频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而判断其输出的状态转换是正序还是反序，从而决定步进电机的转向。接受CP脉冲和方向电平是环形分频器最基本的功能。的各相开启或关闭信号送至信号放大处理级。信号放大的作用是将环形分布的输出信号放大成足够大的信号送到升压级，一般需要电压放大和电

27、流放大。信号处理阶段是实现信号转换、合成、斩波、抑制等信号的一些特殊功能，从而产生特殊功能。该级也常与各种保护电路和各种控制电路结合，形成高性能的驱动输出。推动级的作用是将较小的信号放大成足以推动驱动级输入的较大信号。有时，push 阶段也起到电平转换的作用。保护层的作用是保护驱动层的安全。一般可根据需要设置过流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。有时需要对输入信号进行监测，当发现输入异常时也要提供保护动作。驱动级直接与步进电机各相绕组相连。它接受来自驱动级的信号，控制电机各相绕组的通断，也控制绕组所承受的电压和电流。2.2.2步进电机的驱动特性各种电子设备的末级一般都需要功率放大，步进电机

28、驱动也是如此。为了使步进电机满足各种所需的输出，驱动级必须为电机绕组提供足够的电压和电流。但步进电机的驱动与一般电子设备的驱动有不同的特点，主要体现在：( 1 )切换各相绕组。大多数电机绕组都是连续的交流或直流，而步进电机的每一相绕组都是脉冲的，所以绕组电流不是连续的而是断续的。( 2 )电机的每一相绕组都是绕在铁芯上的线圈，所以电感比较大。绕组通电时电流上升率受到限制，从而影响电机绕组电流的大小。( 3 )当绕组断电时，电感中磁场的能量储存会使绕组中的电流不发生突变，从而使本应被电流切断的相不能立即被切断。为了使电流尽快衰减，必须设计合适的续流电路。绕组在导通和关断过程中会产生很大的反电动势

29、，关断时的反电动势会对驱动级设备的安全产生非常有害的影响。( 4 )电动机运行时，各相绕组会产生一个旋转电位，这些电位的大小和方向对绕组电流有很大的影响。由于旋转电位基本上与电机的转速成正比，转速越高，电位越大，绕组电流越小，这样电机的输出转矩也随着转速的增加而减小。( 5 )电机绕组中存在感应电势、互感电势和旋转电势。这些电位与施加在功率器件上的电压一起作用。当叠加结果使电机绕组两端的电压大大超过电源电压时，驱动级的工作条件进一步恶化。步进电机的驱动包括单电压驱动、单电压串联电阻驱动、双电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、 H桥驱动、多相桥驱动、变频驱动和细分驱动。下面简单介绍一下典型的单电

30、压驱动和H桥驱动。1.电压驱动图 2-2 单电压驱动的单元电路所谓单电压驱动，是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压给绕组供电。其电路如图 2-2 所示。前推级的输出信号In作用于三极管的基极，其集电极接电机绕组的一端，绕组的另一端直接接电源电压。这样，当三极管导通时，电源电压全部作用在电机绕组上。当输入信号为高电平时， In提供足够大的基极电流，使晶体管T处于饱和状态。如果忽略饱和压降，电源电压将全部作用在电机绕组上。等效电路如图2.4(b)所示，其中R为绕组电阻， L为绕组的平均电感， E为电机运动产生的反电动势。电动机处于静止状态，在一定的励磁状态下，绕组的电流保持在一个稳定值，称为

31、初始状态，为静止锁定状态。向驱动器施加一个脉冲，改变一次励磁状态，或换向一次，使电机运行一步，这个过程称为单步响应。当电机转速足够低时，即CP脉冲周期足够长时，电机运行的每一步都可以看作是一个单步响应过程。从开启时的等效电路可知，其电压平衡方程为： (2 - 1)如果电机被阻塞，电机将无法运行，并且其反电动势为零。此时，绕组电流的单步振铃应该可以解方程，即：(2-2)其中是绕组电路的电气时间常数，并且：(2-3)步进电机的一个重要问题是低频振荡。当频率较低时，电机处于步进工作状态，每一步都会出现一定的超调现象，在稳定平衡点附近形成振荡过程。在某些工作频率下会发生共振。此时电机完全没有负载能力，

32、无负载也无法正常运行。共振现象是由电机获得的多余能量引起的。它与电机负载的性质、电压等级、电机的结构、驱动器的结构都有一定的关系。目前，克服共振现象的方法通常有很多，如在电机中加入机械阻尼、在电路中加入电气阻尼、改进电路结构等。综上所述，单电压驱动器具有以下特点：电路简单，成本低；低频响应较好；有共振区； 高频时负载能力迅速下降。由于性能较差，实际中很少使用单电压驱动。它仅用于小尺寸电机和简单应用。仅在使用中。2.H桥驱动图2-3 H桥驱动示意图永磁步进电机和两相、三相、五相混合式步进电机的励磁绕组必须采用双极电源供电，即励磁绕组有时需要通过正向电流，有时需要通过反向电流。 .此类绕组需要使用

33、H桥驱动。 H桥的四个臂由四个晶体管T1-T4组成。高压管T1、 T3的集电极连接高压电源，低压管T2 、 T4的发射极共地。当输入信号IR为高电平时， T2和T3导通， T1和T4关断，电流通过T2 、电机绕组和T3到地，见图2-4 （a） 。当I f为高电平时，T1、T4导通， T2、T3截止，电流通过T1 、电机绕组、 T4 到地，见图2.4 （b ） 。可以看出，电流以两个完全相反的方向在绕组中流动。推压级的信号逻辑要防止两个对角晶体管同时导通，避免高低压管直通。直通的结果是两个晶体管流过很大的短路电流，非常危险。（一个）(二)图 2-4 不同对角线晶体管导通时的电流方向2.2.3步进

34、电机驱动器直流电源的确定( 1 )电压的测定混合式步进电机驱动器的电源电压范围一般较宽（例如IM483的电源电压为1248V），电源电压通常根据电机的工作速度和响应要求来选择.如果电机高速工作或响应快，电压值也高，但电源电压不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。( 2 )电流的测定我的司机。如果采用线性电源，电源电流一般为I的1.11.3倍；如果使用开关电源，电源电流一般为I的1.52.0倍。2.3 步进电机控制系统组成步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图2-5所示。步进控制器步进控制器功率放大器步进电机负载脉冲方向控制图2-5 步进电机控制系统组成图步进控

35、制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑和正向和反向控制门。它的作用是将输入的脉冲变成环形脉冲，从而实现步进电机的旋转和正反转控制。功放的作用是放大步进控制器输出的环形脉冲，驱动步进电机转动。在这种控制中，由于步进控制器电路复杂、成本高，限制了其应用。随着微机的广泛应用，采用微机控制系统，只要控制输入电脉冲的个数和频率，按照电机绕组相序通电，即可得到所需的转角、转速和转向。这不仅简化了电路，降低了成本，而且便于控制，提高了可靠性。图2-6是微机控制步进电机的系统结构图。微型计算机微型计算机接口驱动器步进电机负载图2-6 微机控制步进电机系统结构图步进电机在运行过程中，可能会出现失步，失步的原因

36、有两个：( 1 )转子的加速度比步进电机的旋转磁场慢，即在换向速度以下产生。这是因为输入电机的功率不足，步进电机产生的同步转矩不能使转子转速跟随定子磁场的转动，造成失步。( 2 )转子的平均转速高于定子磁场的平均转速。此时定子通电励磁的时间较长，比转子进一步步进所需的时间长，转子在步进过程中获得的能量过多。产生前冲和后冲的振荡振荡，当振荡足够严重时，会导致不同步。第三章单片机控制步进电机的方法3.1 步进电机控制方法3.1.1串行模式PIC单片机与串行接口芯片8251组成串行控制系统，与步进电机驱动电源相连。通过将控制信号送入电源中的环形分配器，再经功率放大器放大，即可控制步进电机。运行，如图

37、3-1 所示。PICPIC8251TXDRXD环形分配器功率放大器步进电机图 3-1串行控制方式示意图3.1.2平行方式利用PIC单片机和P1的数据输出信号直接控制步进电机各相的驱动电路称为并联控制。步进电机驱动电源包括一个环形分配器，但其功能由单片机系统完成。系统实现脉冲分配有两种方式。一种是纯软件方式，即完全由软件实现相序分配，直接输出各相的导通或截止信号。主要有寄存器移位法和缓冲表查找法。二是软硬件结合的方法。单片机向可编程接口芯片8255输出控制信号数据，可编程接口芯片输出步进电机各相开启或关闭的控制信号。3.2 PIC单片机介绍3.2.1 P集成电路微控制器PIC系列单片机是美国Mi

38、crochip公司生产的单片机产品，目前位居世界8位单片机销量第一。 PIC系列单片机抗干扰性能好，指令集简洁，硬件配置要求低。因此，它们已广泛应用于计算机周边、家电控制、电信、智能仪表、汽车电子、金融电子等各个领域。应用程序。PIC单片机（ Peripheral Interface Controller ）是一种控制外围设备的集成电路（ IC ），是将CPU 、 ROM和I/O集成在一个芯片上的专用微机。 PIC系列微控制器是一种用于控制应用的具有分散（多任务）功能的微处理器。它采用精简指令集、哈佛总线结构、两级流水线指令模式。它除了具有一般单片机的实用性、价格低、功耗低、速度快、体积小、功

39、能强等特点外，还具有品种多、指令集小、易学、抗干扰能力强等特点。彻底的表现。 ，自带看门狗定时器等特点，体现了单片机发展的新趋势。3.2.2 PIC系列单片机PIC系列单片机反映了小型计算机原有的双总线两级指令流水线结构。1 双总线结构这里PIC系列单片机采用双总线结构，即所谓的哈佛结构。这种结构中有两种总线，程序总线和数据总线。这两条总线可以使用不同的字长。比如PIC系列单片机是8位机，那么它的数据总线当然是8位的。但低、中、高档的PIC系列机器分别有12位、14位和16位指令总线。这样取指令是通过指令总线，取数据是通过数据总线，两者互不冲突。指令总线一般需要增加位数。这是因为指令中的位数较

40、多，每条指令所包含的信息量增加。该指令功能强大。一条 12 位、14 位或 16 位指令可以用作两条 8 位指令。因此， PIC系列单片机的指令总数（即RISC指令集）远少于CISC结构的单片机指令。2 两级指令流水线结构由于PIC系列单片机采用指令空间和数据空间分离的哈佛结构，使用两条不同位置的总线，取指令和取数据可能同时重叠，所以PIC系列单片机取指令并执行指令。指令采用指令流水线结构。取出第一条指令后，立即进入执行阶段。这时候可能会从一个寄存器中取出数据致到另一个寄存器，也可能是从某个端口向寄存器传输数据等，但数据不会流经程序总线，而只是流入数据总线，所以在这段时间内，程序总线是空闲的，

41、可以同时取第二条指令。当第一条指令执行完毕后，可以执行第二条指令，同时取出第三条指令以此类推。这样，除了第一条指令的取指外，其他指令的执行和下一条指令的取指同时进行，从而在每个时钟周期内都能获得最高的效率。在大多数单片机中，取指令和执行是顺序进行的，但在PIC单片机指令流水线结构中，取指令和执行指令在时间上是相互重叠的，因此PIC系列单片机可以实现单周期指令。只有涉及更改程序计数器的 PC 值的程序分支指令（例如GOTO 、 CALL 等）需要两个周期。此外， PIC的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器I/O口、定时器和程序寄存器等，均采用RAM结构，只需一个周期即可完成访问和操作.而其他微

42、控制器通常需要两个或更多周期来更改寄存器内容。PIC系列单片机能够实现指令总量少，且大部分为单周期指令的重要原因。3.3 步进电机单片机控制步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。因为步进电机的运动不会产生旋转量的误差累积。单片机实现的步进电机控制系统如图3-2所示图 3-2 单片机控制步进电机假设PIC单片机的PB口接步进电机绕组，输出控制电流脉冲，其中PB 0接A ， PB 1接B ， PB 2接C .(1) 两相三拍控制两相三拍控制模型见表3-1表 3-1序列PB口输出状态缠绕控制字100000011AB03小时200000110公元前06小时300000101加州05H_ _

43、假设以下工作单元和工作位定义：R 0为步数寄存器；PSW ， F 0为方向标志位， F 0 =0 为正向， F 0 0 为反向。参考程序如下：MAIN：BSF状态,RP0CLRF TRISCBCF状态,RP0法官：BTFSS PORTC,6 ;正反判断逆时针转顺时针转逆时针： ;按照逆时针步骤MOVLW 03H ;第一拍MOVWF PORTB ;将值 03H 致到端口 B呼叫延迟；延迟MOVLW 06H ;第二拍MOVWF端口通话延迟MOVLW 05H ;第三拍MOVWF端口通话延迟藤法官顺时针：MOVLW 03HMOVWF端口通话延迟MOVLW 05HMOVWF端口通话延迟MOVLW 06H

44、MOVWF端口通话延迟藤法官结尾(2) 三相六拍控制程序在两相三拍程序中， PB口输出的控制字在程序中给出。在三相六拍的控制中，由于控制字比较多，可以将这些控制字以表格的形式预先存储在部分RAM单元中，通过查找可以一一检索输出运行程序时把桌子收起来。MAIN：BSF状态,RP0CLRF TRISCBCF状态,RP0法官：BTFSS PORTC,6 ;正反判断逆时针转顺时针转逆时针： ;按照逆时针步骤MOVLW 01H ;第一拍MOVWF PORTB ;将值 03H 致到端口 B通话延迟MOVLW 03H ;第二拍MOVWF端口通话延迟MOVLW 02H ;第三拍MOVWF端口通话延迟MOVLW

45、 06H ;第四拍MOVWF端口通话延迟MOVLW 04H ;第五拍MOVWF端口通话延迟MOVLW 05H ;第六拍MOVWF端口通话延迟藤法官顺时针：MOVLW 01HMOVWF端口通话延迟MOVLW 03HMOVWF端口通话延迟MOVLW 02HMOVWF端口通话延迟MOVLW 06HMOVWF端口通话延迟MOVLW 04HMOVWF端口通话延迟MOVLW 05HMOVWF端口通话延迟藤法官结尾子函数：延迟：MOVLW 03HMOVWF DL_COUNTER数据泄露协议：MOVLW 6FHMOVWF DL_COUNTER1DLP1：DECFSZ DL_COUNTER1,1转到 DLP1D

46、ECFSZ DL_COUNTER,1转到 DLP返回第四章系统硬件设计4.1 系统硬件结构计算机的硬件和软件相互结合工作。有些任务必须通过硬件来实现，有些任务必须通过软件来实现。但也有一些任务可以通过软件或硬件完成。一般来说，增加硬件会增加成本，但可以简化设计过程，实时性好。反之，增加软件任务会增加编程和调试工作量，但可以降低硬件成本。因此，有必要合理安排软硬件的结构。图 4-1 系统硬件结构系统的硬件框图如图4-1所示。该系统由键盘接口电路、数码管显示接口电路、多振振荡电路和发光二极管模拟的步进电机驱动电路组成。由于微机控制系统以单片机为核心部件，因此系统设计应从部件组成系统。4.2 模拟步

47、进电机驱动电路系统通过单片机PC口输出的脉冲信号控制步进电机，以四个发光二极管LED的亮灭速度模拟电机转速，模拟相序和数量电机的节拍与 LED 的打开和关闭顺序。本系统选用的发光二极管为红色圆形，开启电压在1.61.8V之间。正向电流越大，光越强。输出通道的设计容量是确定通道结构和组成器件，合理选择驱动电路。本系统的输出通道也是控制步进电机的通道。由于PIC单片机的PC口可以作为输出，所以作为输出通道的控制接口。三相四拍模拟步进电机用于控制PC口。三个。四相和五相需要 PC 端口的四位或五位。原来，单片机与步进电机的接口需要通过专门的控制装置来实现。这里，单片机与仿真步进电机的发光二极管采用直

48、连的方式实现。步进电机的脉冲分配由单片机控制，形成环形分配器。发光二极管仿真步进电机驱动电路如图4-2所示。图 4-2 模拟步进电机驱动电路4.3 LED显示屏接口电路LED显示屏的发光二极管有两种接法，共阳极接法和共阴极接法。本设计采用共阴接法。七段发光二极管，加上一个小数点，共八段，所以提供给LED显示屏的行码正好是一个字节。 LED 显示屏显示表 4-1 中给出的十六进制数字线路代码。表 4-1 十六进制数字行代码字体共阳极代号共阴极代码字体共阳极代号共阴极代码00 C00 XCFD0 XA 10 X 5 E1O XF 90 06乙0 860 792 XA 4牛5 BF0 X 8 E0

49、713 XB 00 X4G0 900 6040 990 66R0 XAF0 5050 920 X 6天小号0 XE 20 X 1天60 820 X 7天吨0 870 7870 XF 80 07磷0 X80 7380 80氧_70 XAB0 5490 900 X60 XE 30X_ 1C一个0 880 77-0 XF 70 08乙0 830X_ 7C熄灭OXFF0 00C XC 60 39LED显示屏有静态和动态两种方式；静态显示就是显示每个字符，相应的发光二极管不断地打开或关闭。动态显示是依次点亮显示器。本系统采用静态显示，这样每个显示位需要一个8位输出端口控制，这里我们选择5个74LS164

50、作为8位输出端口。 74LS164芯片是一个串并移位寄存器，实际上是一个由RS触发器组成的8位移位寄存器。除了存储代码外，它还可以在移位脉冲的作用下依次左右移位。该函数使能代码显示的进位和借位。 74LS164 的引脚如图4-3所示。AA1B2QA3QB4QC5QD6CLK8CLR9QE10QF11QG12QH1374LS164图 4-3 74LS164 引脚单片机与LED进行串行通信，P3.0为串行数据接收端RXD，P3.1为串行数据致端TXD。单片机工作在模式0 ：在该模式下，无论输出或输入，数据始终从P3.0（RXD）引脚输出或输入，P3.1（TXD）引脚始终用于输出移位脉冲。一个移位脉

51、冲将使 RXD 端输出或输入一个二进制码。 TXD端的移位脉冲为方式0的波特率，其值固定为晶振频率f的1/12，即每个机器周期移位一位数据。 LED 显示屏的串行显示如图4-4 所示。图 4-4 串口显示界面4.4 键盘界面设计对键盘操作可分为参数设置和执行控制等功能操作。所谓参数设置，是指仿真系统在开始运行前需要设置步进电机的相数、节拍、转数、运行步数。所谓执行控制，是指步进电机的启动、停止和复位。各功能键的具体设计如下：S 1键：开始。S 2键：停止。S 3键：正转。S 4键：反向。S 5键：加速。S 6键：减速。S 7键：相号。S 8键：当系统因外部原因崩溃时，可在动态自检过程后按此键返

52、回系统初始状态。非编码键盘有两种识别按键的方法。一种是线扫描法，另一种是线反转法。本系统选择行扫描方式， 8个功能键可视为1行8列的矩阵键盘。因为行线接地，所以每条行线都是低电平。当没有按键按下行线键时，行列线断开，所有与行线相连的端口都得到“0”信号。平坦的。此时读取的键值是按下的键。为防止双键或多键同时按下，常从第0行扫描到最后一行。如果找到一个关闭的密钥，它是有效的，否则它是无效的。系统从第 1 个按键扫描到第 7 个按键。扫描整个键盘的时间很短，只有十微秒，而每次击键时间至少有几十毫秒，所以只要按下一个键，就可以被扫描。关键是机械开关结构。由于机械触点的弹性和电压的突然跳跃，在触点闭合

53、或断开的瞬间会出现电压抖动，因此需要对按键进行去抖处理。使用软件延迟可以避免抖动，大约10ms的延迟。系统的键盘接口电路由CPU和键盘组成。 CPU的P1.0P1.6端口发出脉冲扫描键盘。 CPU 连续将列线设置为高电平。按下按钮时，列线为低电平。另外，复位按钮直接连接到单片机的RESET端口。外部原因引起的系统崩溃的复位。键盘接口电路如图4-5所示。图 4-5 键盘接口电路4.5 石英多谐振荡器电路设计多谐振荡器为自激振荡器，上电后无需外部触发信号即可自动产生矩形脉冲。该系统对多谐振荡器的振荡频率有严格的要求，因为振荡器作为模拟步进电机的脉冲源，其频率直接影响电机运行的稳定性。在这种情况下，

54、通过将石英晶体连接在多谐振荡器电路中形成石英晶体多谐振荡器。石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f 0 ，与外接电阻电容无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的晶向和排列尺寸决定，具有极高的频率稳定性。其频率稳定，工作频率可达几十兆赫。工作频率为12MHz的石英晶体振荡器与对称多谐振荡器中的耦合电容串联，构成如图4-6所示的石英晶体多谐振荡器。图 4-6 石英晶体多谐振荡器界面4.6 光电编码器原理及分类光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开若干个矩形孔。由于光电编码盘与电机同轴，当电机转动时，光栅盘与电机同速转动，由发光二极管等电子元件组成的

55、检测装置检测并输出若干脉冲信号。 .原理示意图如图4-7所示。光电编码器每秒输出的脉冲数可以反映电机当前的转速。此外，为了判断旋转方向，码盘还可以提供两个相差90的脉冲信号。图4-7 光电编码器原理图根据编码器的刻度方式和信号输出形式，可分为增量式、绝对式和混合式三种。1个增量编码器增量式编码器直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A 、 B 、 Z相； A 、 B两组脉冲相位差为90 ，旋转方向容易判断， Z相为每转。用于基准定位的脉冲。其优点是原理和结构简单，平均机械寿命可达数万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合远距离传输。缺点是无法输出轴旋转的绝对位置信息。2个绝对编码器绝对值编码器可

56、以直接输出数字量。在其圆形码盘上沿径向有若干同心码道。每个磁道由透光和不透光扇区组成。相邻码道的扇区数加倍。码道数是其二进制数的位数。码盘一侧为光源，另一侧对应每个码道带有感光元件；当码盘处于不同位置时，每个感光元件根据是否发光进行转换。输出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不需要计数器，在转轴的任意位置都可以读出与位置相对应的固定数字码。显然，码道越多，分辨率就越高。对于N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N个码道。绝对值编码器使用自然二进制或循环二进制（ Ley 码）进行光电转换。编码的设计可以使用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：可直接读取角度坐标的绝对值无累积

57、误差断电后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制位数决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位数、 14位数等。缺点是引出线多，信号线数与二进制位数相同。3混合绝对值编码器混合绝对值编码器，输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，具有绝对信息功能；另一组与增量编码器的输出信息完全相同。增量编码器实际上是一种旋转角位移检测装置。它根据轴旋转的角度输出一系列脉冲，可将机械角度转化为电脉冲。输出信号如图 4-2 所示。 . A、B两路信号为正交方波脉冲串，相位差为90。每个脉冲代表被测物体旋转一定角度。 A和B的相位关系反映了被测物体的旋转方向。即当A相超前B相时，旋转方向为正转；当 B 相超前

58、A 相时，旋转方向为反转。 Z信号是代表零位的脉冲信号，可用于调零和对准。(a) 编码器正向输出 (b) 编码器反向输出图 4-2 编码器输出信号编码器测量位移的工作原理如下：编码器位移测量系统的硬件主要由光栅方向判别电路、 PIC单片机、 WH 8280键盘和数码管电路组成。编码器位移测量系统示意图如图4-3所示。编码器输出两个相位角相差90度的位移采集信号，通过方向鉴别电路得到一个方波信号和一个光脉冲信号。对访问PIC的T 0 和T 1进行计数。 WH 8280以串行方式与微处理器通信，串行数据从DATA引脚送入芯片并与CLK端同步。当片选信号CS变为低电平时， DATA引脚上的数据在CL

59、K引脚的上升沿写入WH 8280的缓冲寄存器，即单片机获取采集到的数据并致通过WH 8280到数码管显示。图4-3 编码器位移测量系统示意图第五章系统软件设计5.1 软件结构系统应用程序由主程序、中断服务程序和其他子程序组成。在设计中，采用了模块化编程技术。根据系统的功能，软件分为几个功能相对独立的模块，包括系统初始化程序模块、处理程序模块、人机界面程序模块。系统主程序必须具有系统自检和初始化功能。主程序主要完成初始化、脉冲产生、键盘检测、数值显示等功能。开机后首先执行初始化程序，系统初始化程序模块的作用主要是完成单片机系统资源的初始分配。主要包括各种变量的初始化、时钟振荡器的设置、定时器/计

60、数器的初始化、I/O口的初始化和标志位的初始化。系统软件设计采用模块化编程。采用串口显示程序模块、键盘扫描程序模块、中断程序模块和计数模块。使用 ACALL 和 LACLL 指令进行子程序调用。当调用子程序并传递参数时，主程序首先将相关参数存储在约定的位置。子程序执行时，可以从约定的位置获取参数。子程序执行后，将得到的结构体存放在约定的位置，返回给主程序。之后，主程序就可以从约定中得到想要的结果了。主程序编程流程图如图5-1所示。开始开始初始化输出脉冲LED显示判断按键读取键值设定是否合理改变参数NNYY图 5-1 主程序流程图5.2 子程序模块5.2.1串行静态显示模块串行静态显示模块的硬件