基于单片机步进电机实训系统的设计与开发文档格式.docx
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第一章绪论
历史证明，一个国家的制造业水平在很大程度上体现着一个国家的实力，国家的发展在很大程度上依赖于先进的制造业，所以大多数国家都非常重视大力发展制造业，二战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控（NC），计算机数控（CNC）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）等多项先进制造技术与制造模式，推动着世界制造业进入一个崭新的阶段。
而在这些技术环节中，具有很多优点的步进电机就是一个重要角色，比如在数控技术中。
步进电机又称脉冲电机。
可以说步进电机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数次控制电动机，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通与截止，从而使电动机产生步进运动。
就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输出脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。
这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。
步进电机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，知是步进电机最突出的特点。
我国数控系统在初期就是以单片机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。
采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且还可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。
除了在数控系统中得到了广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。
优点明显的步进电机被广泛的应用在电子计算机的许多外围设备中，比如打印机，卡片阅读机，主动轮驱动机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，数控机床，电子钟，数次控制系统一级航天工业中得到应用，因而对于步进电机控制的研究也就显得重要了。
为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。
上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式变得更加灵活多样。
原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。
基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好的发挥步进电机的潜力。
因此，用微型步进电机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展。
还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器，环形分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除了上述三种步进电机的驱动方案以外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，在windows平台下利用VISua1C++6.0提供的串行通信控件MSColnln来实现PC机与步进电机控制器之间的数据通讯，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法；
在windows平台下和单片机配合控制步进电机；
PLC控制的脉冲驱动方案等。
但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要满足一般工作要求的情况下，尽量控制系统做到
●系统硬件结构简单，成本低；
●功能较为齐全；
●适应性强；
●系统抗干扰和可靠性高；
本论文就是采用这个思路进行设计。
一般步进电机控制器都用硬件来实现，虽然电路可以做到了高集中度，可价格较贵，功能相对较简单，并且设计要求有所改变，就是改变整个硬件电路，比较麻烦。
而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机地结合起来，节约了单片机的端口，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，加入看门狗电路MAX813.在软件设计上去抖动，因此具有一定的应用价值。
第二章步进电机概述
2.1步进电机的特点
步进电机又称脉冲电机。
目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展与变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。
就传统的步进电机来说，步进电机可以定义为：
根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。
从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机，也可看作是一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电机。
步进电机具有其自身的特色，归纳起来有：
1.可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价；
2.直接接收数字信号，不必进行数模转换，使用方便；
3.位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单的而又具有一定精度的开环控制系统，也可以要求更高精度时组成闭环控制系统；
4.无刷，电动机本体部件少，可靠性高；
5.易于启动，停止、正反转及变速，响应性也好；
6.停止时，可有自锁功能；
2.2步进电机的分类
步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。
按结构特点电磁式步进电机可分为反应式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）三大类；
按相数分则可分为单相、两相和多相三种。
目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。
1.反应式步进电机：
反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。
它的结构简单，成本低，步距角可以做的很小，但动态性能较差。
反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；
2.永磁式步进电机：
永磁式步进电机的转子是由永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。
转子的级数和定子的级数相同，所以一般步距角比较大。
它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；
3.混合式步进电机：
混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者优点。
混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，二定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。
因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。
这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电机在工业领域中得到广泛应用，由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机。
2.3反应式步进电机工作原理
图2-1是反应式步进电机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。
两个相对的磁极组成一组，连法如图所示。
下面介绍反应式步进电机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。
反应式步进电机的工作原理是利用物理上的“磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小”所产生的磁阻转矩，使电机一步步转动的。
以三相反应式步进电机为例.
1.单三拍通电方式的基本原理
设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A—A’轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。
这时A、A’极就成为电磁铁的N、S极。
在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A’极的位置（图2-2a）；
接着B相通电（A、C两相不通电），转子便顺时针方向转过30°
，它的齿和C、C’极对齐。
不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A-C-B-A-…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。
这种通电方式称为单三拍方式。
图2-2单三拍通电方式时转子的位置
2.六拍通电方式的基本原理
设A相首先通电，转子齿与定子A、A’对齐（图2-3a）。
然后在A相继续通电的情况下接通B相。
这时定子B、B’极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A’继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。
这时转子的位置如图2-3b所示，即转子从图2-3a位置顺时针转过了15°
。
接着A相断电，B相继续通电。
这时转子齿2、4和定子B、B’极对齐（图2-3c），转子从图4（b）的位置又转过了15°
其位置如图2-3d所示。
这样，如果按A-A、B-B-B、C-C-C、A-A、…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步的转动，步距角15°
电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角，如果按A-A、C-C-C、B-B-B、A-A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。
这种通电方式称为六拍方式。
a.A相通电b.A、B相通电c.B相通电d.B、C相通电
图2-3六拍通电时转子位置
3.双三拍通电方式的基本原理
如果每次都是两相通电，即按A、B-B、C-C、A-A、B-…的顺序通电，则称为双三拍方式，从图4b，和图4d可见，步距角也是30°
因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；
采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。
因此步距角a可用下式计算：
a=360/（ZrXm）
式中Zr是转子齿数；
m是运行拍数
2.4步进电机控制系统简介
步进电机控制系统是一个有机的整体，是运动控制系统和操作控制系统组成。
由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定操作。
运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。
典型的运动控制系统应由三部分构成：
控制部分、驱动部分、执行部分。
如图2-4所示：
图2-4控制系统组成
在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。
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，他就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，他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。
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。
步进电机的转速与脉冲信号的频率下成正比，控制步进脉冲的频率，可以对步进电机精确调速；
控制步进电机脉冲的个数，可以对电机精确定位。
因此典型的步进电机驱动控制系统主要有三部分构成：
步进控制器、驱动器、步进电机。
不同的控制方案，步进控制器，驱动器也有不同的类型，在本论文的第一章，已经对此作了介绍，下面着重介绍以单片机为控制器的步进电机控制系统。
步进电机是数控式电机，其最大特点是通过输入脉冲来进行控制，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。
它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合单片机控制。
采用单片机作为核心的控制系统如图所示。
图2-5单片机控制步进电机控制系统
前面已经介绍过，驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。
现在，脉冲分配器已经标准化、芯片化，市场上可以买到。
但硬件方法结构复杂，成本也高。
使用单片机以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动的次数等，而且还可以方便灵活的控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的需求。
因此，常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。
步进电机控制使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了了电路，也降低了成本。
采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法，用软件来代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制，系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。
通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制步进电机的转动，从而实现数字--角度的转换。
转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，则转动方向则与脉冲的顺序有关。
以三相步进电机为例，电流脉冲的施加共有三种方式。
（1）单三拍方式：
-A-B-C-正转；
-A-C-B-反转。
（2）双相三拍方式：
-AB-BC-CA-正转；
-AC-CB-AB-反转。
（3）三相六拍方式：
—A-AB-B-BC-C-CA-正转；
-A-AC-C-CB-B-BA-反转。
整个系统以单片机为核心，设计出单片机系统，以其中的几个口控制驱动电路，由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片或控制信号等受到后级模拟电路的影响，通常以驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开。
所以把光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。
2.5系统功能
在综合考虑各种设想之后，本设计想使此系统具有以下功能和要求：
1.能使电机运行于三相双三拍和三相单双六拍的方式；
2.运行模式有单步、连续和预制步数三种；
3.预制步数运行模式时，步数设置范围为0~999步；
4.连续运行模式时速度256档可调（0~255）；
5.可以预制转向或者在运行时改变方向；
6.三位七段LED在相应的工作模式时显示速度档位或者是步数；
7.两个LED分别指示电机转向和运行方式；
8.各种操作共有六个按键来输入、操作方便；
9.步进控制脉冲输出频率范围：
15.3Hz~3.9KHz;
10.整个系统为+5v低电压供电。
第三章系统硬件设计
硬件是整个系统的平台，各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的，所以硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量。
为了充分发挥单片机的长处，实现尽可能多的功能，使系统的成本尽量的低，工作的更可靠，操作更具备人机交互性，并且要使整个系统能真正对职业学校的实践教学起促进作用，对硬件电路进行精心的设计，每一个方案都经过了反复的比较和论证，不一定最先进，但符合设计目的。
3.1系统组成
图3-1系统框图
本系统由电源、显示（指示）、单片机（MCU）、按键电路、看门狗电路和电机驱动电路组成。
系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。
键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。
3.2系统核心-AT89C2051
1.AT89C2051简介
单片机从诞生到至今已经产生了许多种，新品种也是从出不穷，从最初INTEL的MCS-51和PIC系列，以及最近推出的AVR、ARM等，品种繁多，功能各异，但是就目前来说，51系列的单片机仍是许多设计的首先，特别是ATMEL公司的89系列FLASH单片机，运用更是广泛，而且各种技术参考资料相对也较多。
通过对本设计所需资源的分析，选用ATMEL公司的8位单片机AT89C2051作为主控芯片，AT89C2051是AT89C51的简化版本但仍然具有强大的功能。
AT89C2051是一种2KBflash可编程、可擦除只读存储器（EEPROM）的低压、高性能8位COMS微型计算机。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造，并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。
使AT89C2051成为一强劲微型计算机。
AT89C2051提供以下标准功能：
2KBFlash存储器；
128字节RAM；
15条I/O引线；
两个16位可编程定时器/计数器；
1个5向量2级中断结构；
此外AT89C2051是用可降到0频率的静态逻辑操作设计的，并支持两种可选的软件节电方式。
空闲方式停止CPU工作，但允许RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。
方式保存RAM内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件的工作直到下一个硬件复位。
主要性能如下：
●与MCS-51产品兼容；
●具有2K的可编程FLASHROM；
●耐久性：
1000写、擦除；
●2.7-6V的电压操作范围；
●全静态操作：
0-24Mhz；
●两级加密程序存储器；
●128B*8的内部RAM；
●15条可编程I/O引线；
●两个16位可编程定时器/计数器；
●6个中断源；
●可编程串行UART通道；
●直接LED驱动输出。
引脚功能：
P1口：
P1口是一个8位双向I/O口。
引脚P1.2-P1.7提供内部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流，并直接驱动LED显示。
当P1口引脚输入“1”时，可用作输入端。
当引脚P1.2-P1.7用作输入端并被外部拉低时，将因内部的上拉电阻而输出电流。
P1口还在Flash编程和程序校验期间接收代码数据。
P3口：
P3口的P3.0-P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号，并且作为通用I/O引脚而不可外部访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流.当P3口引脚写入“1”时，他们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入端时，被外部拉低的P3口引脚将因内部上拉电阻而输出电流。
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能，如表3-1所示。
2系统端口分配
●P1.0-P1.3输出BCD码到七段显示译码器CD4511，用于控制显示的数码；
●P1.4-P1.6:
显示动态扫位选线，键盘扫描输出线；
●P1.7：
WTD（看门狗MAX813）定时器复位输出口；
●P3.0：
方向指示LED控制口；
●P3.1：
工作方式指示LED控制口；
●P3.2、P3.3：
键盘扫描返回线；
●P3.4、P3.5、P3.6：
步进电机控制脉冲输出口；
3.3外围电路设计
系统外围电路包括显示、键盘和看门狗电路等。
1.显示电路设计
显示电路原理图如图3-2所示。
包括三位七段LED显示和LED指示电路。
图3-2显示电路
七段LED显示部分采用BCD一锁存/七段译码/驱动器CD4511进行译码和驱动，同时采用动态扫描显示技术，大大减少了硬件开支和简化了电路。
CD4511的管脚排列和显示数码如图4-3所示，应用真值表如表4-2所示。
表3-2CD4511应用真值表
图3-3CD4511管脚排列和显示数码
从图3-3和表3-2中我们都可以看出，CD4511在显示6和9的时候a段和d段分别不显示，即少一横，和我们习惯有所区别。
因为芯片功能上的区别，所以后天无法改变，必须在程序编写上加以考虑。
从真值表上我们可以看到。
要使CD4511能对应输入BCD码显示正常相应0-9的数码，LE端应该接低电平，/BI和/LT端应该接高电平。
但当输入的BCD码超过9时，即使LE、/BI、/LT满足显示条件，数码管也是没有显示的，我们可以在编写软件时可以利用这一点来对数码管进行所需的消隐。
2.键盘电路设计
键盘电路是由若干按键组成的开关矩阵，是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现人机对话，键盘电路如图3-4所示。
图3-4键盘电路
键盘电路可以采用动态扫描电路，目的是为了节省单片机有限的端口，但能获得所需数量的按键。
本系统的扫描输出线与显示部分的扫描线是同一组的（P1.4-P1.6），进一步节省了端口。
返回线用到端口P3.2和P3.3。
按键扫描原理：
假设扫描线扫描顺序为P1.4到P1.6，当P1.4置零后，单片机读取返回线P3.2和P3.3的状态，如果全为1则没有按键按下，如果P3.2为零，则POR/REW表明按键按下，进入相应的处理程序.
如果同时按下ON/OFF和FOR/REW键，则先处理FOR/REW,再去处理ON/OFF,就是说P3.2返回线上的按键先权高于P3.3。
P1.4扫描完后，把P1.4置1后，在扫描下一行键盘（P1.5、P1.6），读取返回线（P3.2、P3.3）状态，判断是否有键按下，如此反复进行。
在处理按键程序前先
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