步进电机的研究设计.doc

1 引言 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，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f（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[1]。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。步进电机系统由控制器、驱动器及步进电机构成。三者缺一不可。目前的驱动器一般都为集成产品，价格昂贵，结构复杂，主要应用于各种工业场合。而对于学校教学实验研究及要求较低的步进电机控制场合，使用专用驱动器来控制步进电机有一定局限性。故提出软件设计方案，方法灵活可靠、成本低廉，也具有一定工程实用价值，应用于实验教学、科研中效果良好[1]。 1.1 课题背景 随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体技术在嵌入式系统设计中的应用，单片机从4位、8位、16位到32位，其发展历程一直受到广大电子爱好者的关注。单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统方案设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。 1.2 课题意义 步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机，其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例；它易于实现与计算机或其它数字元件接口，适用于数字控制系统[2]。通过一种设计方案，包括硬件的介绍和组建、硬件原理图和软件流程图的设计、源程序的编写等，介绍一种基于单片机的步进电机运行控制系统。 1.3 课题要求 选用AT89C51单片机设计控制电路，系统由按键控制部分、51单片机控制部分、步进电机和LED状态显示等4部分组成，按下开始键，电机可以正转或反转。按下停止键，电机可以停止转动。按下正转可以让电机正转。按下反转可以让电机反转。按一次加速，显示上加一，速度变快。按一次减速，显示上面的数字减一，速度变慢。完成该系统的硬件和软件的设计和调试工作。系统框图如图1.1所示。 图1.1 系统框图2 硬件部分 本课题用到的元器件有AT89C51的芯片、LED显示器、L297的芯片、L298的芯片和步进电机，通过软硬件的结合，达到对步进电机的控制。以下便是对各元件的介绍。 2.1 AT89C51引脚功能说明 AT89C51的引脚结构图如图2.1所示，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式，下面分别叙述这些引脚的功能[3]。 图2.1 AT89C51引脚结构图 （1）主电源引脚[3]。 Vcc：电源端。 GND：接地端。 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。 XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端[4]。 XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。 时钟产生产生和复位电路，时钟产生电路如图2.2所示，复位电路如图2.3。时钟电路连接18端、19端。复位电路连接9端。 片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～12MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在5pF～30pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。这样就确定了单片机的4个周期分别如下。 振荡周期＝1/12μS 机器周期（SM）＝1μS 指令周期＝1～4μS 图2.2 时钟产生电路 XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。即用来连接AT89C51片内OSC的定时反馈回路，如图2.3所示。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.059