步进电机驱动控制器设计毕业设计.doc

步进电机驱动控制器设计论文作者姓名： 申请学位专业：测控技术与仪器申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）： 论文提交日期：2013年06月06日分类号：TM383.6U D C：D10621-408-(2013)1378-0密 级：公 开编 号：成都信息工程学院学位论文步进电机驱动控制器设计论文作者姓名：申请学位专业：测控技术与仪器申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：论文提交日期：2013年06月06日步进电机驱动控制器设计摘 要目前我国已经成为了世界的生产工厂，每一样产品都要经过严格的检验，只有达到合格的标准，才能投入使用。随着步进电机这日常生活生产的普遍应用，这个元件所占的市场比例也越来越高，而且经济效益也是非常可观。当今这个全自动化生产线的过程中，步进电机大批量生产，尤为需要对步进电机的质量进行监测，以防止不合格的产品产生。基于此，课题设计了一个步进电机驱动器装置。该装置通过对步进电机的控制使其产生消耗，以此作为监测样本提供给质检部门作详细分析。本设计中，通过AT89C52单片机控制液晶显示与步进电机工作模式的选择，8254可编程定时器/计数器作为脉冲分配器实现1Hz2KHz步进式脉冲输出，A3967SLB实现对二相步进电机驱动器驱动。步进电机的正转、反转和停止的时间通过按键设定，并通过LCD显示出来。实验结果表明：驱动器可以较准确实现对步进电机的正转、反转、停止时间、以及工作模式的控制，满足了设计要求。本设计测试没有针对具体环境，有些结论仅供参考。关键词： AT89C52；A3967SLB；8254；液晶5110；步进电机The Design Of Step Motor DriveAbstractAt present, China has become the world's manufacturing plant, Every product must go through a rigorous inspection, only those meet the quality requirement can been put into use. as the step motor became widely used in the Manufacturing and daily life, This component share of the market is also increasing, And economic benefits is very considerable. in the automated production line the step motor is widely used Particularly need to check the quality of the step motor, In order to prevent unqualified products produced.Based on this, I design a Step motor drive, the device is controlled by the step motor to produce consumption, as a quality control department to monitor the sample to be analyzed in detail. In this design, the ATC89C52 control the mode selection of step motor and the LCD. the 8254 program timer act as the pulse divider to output a 1Hz2KHz pulse then the A3967SLB will drive step motor. the forward, reverse, and the stopping time are set by the key-board ,and shown by the monitor.Experimental results show that the Driver can achieve accurately in control. the forward, reverse ,stopping time and the selection working mode ,meet the design requirement. The test is not designed for a specific environment，Some conclusions are for reference only.Key words: AT89C52; A3967SLB; 8254; LCD5110; step motor目 录论文总页数：46页1 引言12 步进电机应用背景12.1 步进电机驱动器的重要性23 设计的分析23.1 主控电路的设计与分析23.2 方案的具体组成34 电路的硬件设计44.1 AT89C52单片机44.1.1 单片机电源设计54.1.2 单片机的定时/计数器74.2 8254可编程定时计数器94.2.2 Intel 8254芯片结构104.2.3 Intel 8254主要特性114.3 A3967SLB步进电机驱动器124.3.1 A3967SLB引脚及工作参数124.4 步进电机124.4.1 步进电机基本概念134.4.2 步进电机的种类以及工作原理134.4.3 步进电机的选择144.4.4 步进电机的驱动154.6 显示与键盘电路设计174.6.1 显示器的选择184.6.2 键盘模块设计194.7 硬件调试中的问题以及处理205 软件设计21结 论23参考文献23致 谢23声 明25附 录261 引言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，在各个国民经济领域都有应用。为了使我们的生活更加美满，要求这些步进电机必须有一个可靠的使用周期，我们能获知它的使用寿命和一般规律，我们才能更好地了解他、使用它。作为常用的执行元件，它是最容易损坏的元件之一，小的事故会影响到我们日常的生活与学习，大的事故就会导致灾难的到来，而且当今这个全自动化生产线的过程中，可以用到这个测试仪来测试步进电机的质量，以防止不合格的产品产生，这个测试仪在工业生产中会有很大的经济效益。本设计中采用了单片机8052为主要控制芯片，因为这个芯片具有存储量大、体积小、总量轻、价格低等特点，在设计中要完成单片机对电机、键盘、及存储器等的功能，在设计中，要考虑到电机的速度和方向的控制，单片机的各种保护电路，分析到这个系统要完成包括对键盘输入数据和LCD显示数据的人机操作，要在系统试验前设定好所需要的参数，而且试验过程中这些参数可随时改动，改动后系统能完成任务。设定这些参数的目的是去控制进步电机的次数和速度，在键盘中要用到的一些功能键与数字键的区别，所以，在程序部分应有相应的处理。整个系统由键盘输入模块、数据显示模块、电机控制模块、数据存储模块，整个系统要达到必须在全自动化下进行，只有改变输入参数时，可人为操作。必须要有存储功能，以实现测完数据之后能自动存储，以便以后调用。要有键盘与显示功能，要求软件的编写出步进电机、键盘与显示功能的程序，并且设计参数可以人为随时更改。2 步进电机应用背景步进电机的应用场合如下：1) 步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。基本上涉及到定位的场合都用得到。 2).广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。3) 步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。目前用于电脑绣花机的步进电机多数为五相混合式步进电机，目的是通过采用高相数的步进电机来减小步矩角和提高控制精度，但是采用该种方式获得的性能上的提高是有限的而且成本也相对较高。采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。若采用反应式步进电机，在性能明显提高的同时还能大大降低产品的成本1。2.1 步进电机驱动器的重要性各种各样的步进电机被应用在机械、电子、纺织及一般工业或民用领域，比如包装机、医疗仪器及设备、机器人等等。因此任何步进电机都存在使用寿命。运用在一般工业及民用领域的步进电机，对电机的使用寿命没有严格的要求，但如果电机被应用到医疗、航天和精密仪器等领域时，电机是否良好直接关系到病人、机器人外空探测和精确操作时的安全及经济效益，所以必须对电机的使用寿命提出严格的要求，要求电机制造商务必把控电机的质量，因此电机制造商在电机出场之前有必要对同一批号的产品进行抽查测试，以掌握电机的确切寿命系数。电机的寿命通常取决于轴承寿命，质量合格的步进电机可达上万至数万小时，除了轴承损耗，还有电机温度高导致的磁衰减和线圈老化等问题。另外有的步进电机应用环境温度高，或者有油污、粉尘、水等污染，也会缩短使用寿命2。用传统的测试方法完成电机的测试至少存在以下两点不足：意识测试效率极低，因为要使测试人员能够正确观察到多组被测电机（通常要同时测试多个电机），步进电机磨损测试时间较长，耗费人力物力，特别是对于精度要求高的电机来说，人为地定时计数等不准确因素都会额外造成误差；二是对于要求步长精确的电机，人工调试不准确。由于这些不足，电机的生产厂迫切需要开关寿命的自动测试系统来取代传统的测试系统。3 设计的分析这一章主要研究步进电机驱动器的整体设计方案，因为现在电器元件种类比较多，只有选择一个合理的设计方案，才能充分发挥这些元件的作用，争取不浪费资源，做到经济又合理，根据所选的主控元件，设计一套具体的系统组合。3.1 主控电路的设计与分析经过分析此设计是用软件设定步进电机来代替人为操作。用给定的8254来作为脉冲控制器产生脉冲信号来控制电机。利用52单片机内部定时计数器即可实现定时的功能完成；A3967SLB是美国Allegro公司生产的PWM恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器，性能好，价格低廉，用它作为步进电机的驱动器。以上述主要器件即完成主控电路的设计，如图3-1所示：LCD按键单片机脉冲分配器步进电机驱动器步进电机图3-1 主控电路流程图3.2 方案的具体组成在设计中要完成单片机对电机、键盘、及存储器等的功能，在设计中，要考虑到电机的速度和方向的控制，单片机的各种保护电路，分析到这个系统要完成包括对键盘输入数据和LCD显示数据的人机操作，要在系统试验前设定好所需要的参数，而且试验过程中这些参数可随时改动，改动后系统能完成任务。设定这些参数的目的是去控制进步电机的次数和速度，在键盘中要用到的一些功能键与数字键的区别，所以，在程序部分应有相应的处理。整个系统由键盘输入模块、数据显示模块、电机控制模块、数据存储模块，整个系统要达到必须在全自动化下进行，只有改变输入参数时，可人为操作。必须要有存储功能，以实现测完数据之后能自动存储，以便以后调用。要有键盘与显示功能，要求软件的编写出步进电机、键盘与显示功能的程序，并且设计参数可以人为随时更改。系统的具体方案是由于此系统中要用到多个输入、输出口，52单片机有4个8位I/O，4*4的键盘占用P2端口的8根线来实现，液晶显示部分则利用P0.3P0.7，总共5个I/O，另一个芯片A3967SLB的控制引脚分别连接P1端口的6个I/O。单片机最小系统上设有复位键，设定参数有误时，可按下重置。具体芯片引脚的连接在后面第四章硬件部分详细介绍。方案设计的结构图如下所示：图3-2 电路结构图4 电路的硬件设计本章主要是测试仪的硬件电路设计，这一章讲到了从主控制器到显示、键盘、数据存储、步进电机等所有的电路设计，介绍了各个组成部分实现的功能，可以更加深入了解测试仪的工作原理。4.1 AT89C52单片机AT89C52是一种低功耗、高性能的8位单片机内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）技术，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程，因此AT89C52是一种功能强、灵活性高、且价格合理的单片机，可以方便地应用在各种控制领域3。主要性能如下：1) 8KB可编程Flash存储器（可经受大于1000次的写入擦除）2) 全静态工作：0HZ-24MHZ3) 3级程序存储器保密4) 256*8字节内部RAM5) 32条可编程I/O线6) 3个16位定时器/计数器7) 6个中断源8) 可编程串行通道9) 片内时钟震荡器另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的其工作频率可下降到0HZ并提供两种可用软件来选择的省电方式之一空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode）在空闲方式中CPU停止工作而RAM定时器/计数器串行口和中断系统都继续工作，在掉电方式中片内震荡器停止工作。由于时钟被“冻结”使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容直到下一次硬件复位为止。AT89C52优越的性能为我们控制的实现提供了保证。本设计中采用了单片机的最小系统，如图4-1所示：图4-1 单片机最小系统4.1.1 单片机电源设计方案论证：1) 方案1：220V变压器后由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，故后面接一个330uF/25V的电解电容。变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，因为我们要输出5V的电压，所以选用7805，三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。 最后在C2两端接一个输出电源的插针，可用于与其它用电器连接。此电路优点是：方便实用，输出电压稳定，最大输出电流为1A，电路能带动一定的负载2) 方案2：220V交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化) 电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器B，桥式整流电路D1D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成.此电路优点是：此直流电压经过LM7805（图4-3）的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件结论：综合方案一、方案2，LM7805以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点,故采用这个元件，另外，采用1117是一款低压差的线性稳压器，作为主要芯片，具体方案如下：电源采用5V直流电压输出，稳压二极管VD2串接在7805的2引脚与地之间，可使输出电压得到提高，输出电压为稳压管输出电压与VD2输出电压之和。VD1是输出保护二极管，一旦输出电压低于VD2稳压值时，VD1导通，将输出电流旁路，保护7805稳压管输出级不被损坏。部分系统采用了LM1117三端稳压集成芯片，其外观如下图4-2所示，1117是一款低压差的线性稳压器，1117可以提供多个固定电压版本，如1.8V,2.5V3.3V还可以提供可调端输出，并且有完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性。同时应用修正技术，确保输出电压和参考精度在百分之一的精度范围，同时抱基准电压调整在百分之一点五以内，调整了电流限制，减少了因为稳压器和电源电路超载而造成的压力。其输出精度是正负百分之一，最大输出电流为1A。 图4-2 LM1117(左) LM7805（右）实物图由于单片机需要的是5V电源，液晶需要的是3.3V的电源，因此就需要分压，当外接电源大于5V时候可以将外接电源接到P3同样可以满足内部芯片以及内部液晶显示的电压要求。具体电路如下图4-3所示：图4-3 单片机电源模块4.1.2 单片机的定时/计数器AT89C52的单片机内有三个独立的16位可编程的定时/计数器，它们具有四种工作方式，其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。下面我们对它们的特性进行阐述。定时/计数器的工作方式：AT89C52单片机内部的定时/计数器，定时器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式，TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程，以定义它们的工作方式和控制T0和T1的计数。T2的特殊功能寄存器T2CON的地址是0C8H，可以对他进行位寻址3。定时/计数器的方式控制字TMOD，字节地址为89H，其格式如表4-1:表4-1 定时/计数器的方式控制D7D6D5D4D3D2D1D0GATAM1M0GATAM1M0T1方式字段T0方式字段定时器控制积存器TCON，字节地址为88H，位地址为88H8FH，其格式如表4-2：表4-2 定时器控制积存器D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0定时器T2每位的含义如下表4-3：表4-3 定时器T2D7D6D5D4D3D2D1D0TF2EXF2RCLKTCLKEXEN2TR22CP/RL2工作方式0和工作方式1的最大特点就是计数溢出后，计数器为全0，因而循环定时或循环计数应用时就存在反复设置初值的问题，这给程序设计带来许多不便，同时也会影响计时精度，工作方式2就针对这个问题而设置，它具有自动重装载功能，即自动加载计数初值，所以也有的文献称之为自动重加载工作方式。在这种工作方式中，16位计数器分为两部分，即以TL0为计数器，以TH0作为预置寄存器，初始化时把计数初值分别加载至TL0和TH0中，当计数溢出时，不再象方式0和方式1那样需要“人工干预”，由软件重新赋值，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL0重新加载。程序初始化时，给TL0和TH0同时赋以初值，当TL0计数溢出时，置位TF0的同时把预置寄存器TH0中的初值加载给TL0，TL0重新计数。如此反复，这样省去了程序不断需给计数器赋值的麻烦，而且计数准确度也提高了。但这种方式也有其不利的一面，就是这样一来的计数结构只有8位，计数值有限，最大只能到255。所以这种工作方式很适合于那些重复计数的应用场合。例如我们可以通过这样的计数方式产生中断，从而产生一个固定频率的脉冲。也可以当作串行数据通信的波特率发送器使用。当M1M0=11时，定时/计数器处于工作方式3，值得注意的是，在工作方式3模式下，定时/计数器1的工作方式与之不同，下面我们分别讨论。在工作方式3模式下，定时/计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。其中TL0既可以作计数器使用，也可以作为定时器使用，定时/计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。其功能和操作与方式0或方式1完全相同。TH0就没有那么多“资源”可利用了，只能作为简单的定时器使用，而且由于定时/计数器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定时/计数器1的控制位TR1和TF1，也就是以计数溢出去置位TF1，TR1则负责控制TH0定时的启动和停止。等效电路由于TL0既能作定时器也能作计数器使用，而TH0只能作定时器使用而不能作计数器使用，因此在方式3模式下，定时/计数器0可以构成二个定时器或者一个定时器和一个计数器。如果定时/计数器0工作于工作方式3，那么定时/计数器1的工作方式就不可避免受到一定的限制，因为自己的一些控制位已被定时/计数器借用，只能工作在方式0、方式1或方式2下在这种情况下，定时/计数器1通常作为串行口的波特率发生器使用，以确定串行通信的速率，因为已没有TF1被定时/计数器0借用了，只能把计数溢出直接送给串行口。当作波特率发生器使用时，只需设置好工作方式，即可自动运行。如要停止它的工作，需送入一个把它设置为方式3的方式控制字即可，这是因为定时/计数器本身就不能工作在方式3，如硬把它设置为方式3，自然会停止工作4。4.2 8254可编程定时计数器4.2.1 8254芯片作为脉冲分配器的优点分析本设计中要求输出脉冲的频率范围为1Hz2KHz，单步为1Hz。由于89C52时钟最大能取24MHz，单指令周期为05s，计数频率为2×106Hz。当输出1999Hz 和2000Hz时，若采用89C51内部计数器来计数，根本无法区别，而且不好通过外部按键进行设置。因为计数频率为2MHz，单指令周期05s，而要输出1999Hz 时，计数应为1000500；输出2000Hz时，计数应为1000000。因此在本设计中，采用外部定时器计数器8254。8254是8253的改进型，操作方式及引脚与8253完全相同。它的改进主要反映在两方面：1) 8254的计数频率更高，可由直流至6MHz；2) 8254多了1个读回命令（写至控制器的寄存器），因为8254最高计数频率可达6MHz，能满足以上设计的要求，另外采用8254的工作方式3可输出方波。当8254以方式3工作时，在计数的过程中要输出有一半时间为时可输出高电平，后N2时可输出低电平，不需要用软件来控制高低电平的转换。8254的连接可以把定时器0和定时器1的门控信号连在一起，并接到5V电源上。定时器0的输入脉冲线CLK0接6M的晶振，定时器0的输出OUT0作为定时器1的脉冲输入。两定时器均设为工作方式3，因为8254的计数器是16位，即计数范围为065535，在输入时钟为6M时，要输出1Hz的脉冲，则其计算值也为6M，大于其最大的计算值，因此本设计最终输出的脉冲由两个定时器的两次分频所得。采用频率分段输出，即当要求输出的频率为1100Hz 时，定时器0的计数值设为100，则定时器1的计数频率为6×104Hz，最大计数为6×104，最小计数为600，符合要求；当输出频率为1012kHz时，定时器0的计数值设为1，则定时器1的计数频率为6M，最大计数为59406，最小计数为3000，满足8254的计数范围。4.2.2 Intel 8254芯片结构8254芯片如图4-4所示： 图4-4 82541) CS#:片选信号，接IO端口译码电路的输出2) RD#,WR#:读写控制信号3) D7D0：低2位，用于片内端口的选择。A1A0=00，选择通数据线，与系统数据总线相连4) A1A0接地址总线道0；A1A0=01，选择通道1；A1A0=10，选择通道2；A1A0=11，选择控制端口。5) 每个通道有三根对外的信号线：CLK，OUT和GATE。8254内部结构与外部引脚如图4-5：图4-5 8254内部结构与外部引脚8254有3个结构完全相同的定时器/计数器通道：0、1、2每个通道包含：1) 一个8位的控制字寄存器2) 三个16位的初值寄存器、减1计数器和结果输出锁存器。每个通道有3根专用的信号线：1) CLK:计数/定时脉冲输入端，每输入一个脉冲，减1操作2) OUT:计数值减到零时，由输出端OUT输出结束信号3) GATE:门控信号，允许或停止计数54.2.3 Intel 8254主要特性1) 3个独立的16位定时/计数通道。2) 每个通道有6种工作方式。3) 最高计数频率为10MHz。4) 可以按二进制或BCD码两种方式计数。5) 定时时间长短可用软件设置，可由软件或硬件控制开始计数或停止计数。6) 可以同时锁存13个计数器的计数值和状态值，供CPU读取。8354每个通道有六种工作方式，本设计中当工作在方式3，用它产生方波。4.3 A3967SLB步进电机驱动器驱动部分采用的是A3967SLB芯片，A3967SLB是美国Allegro公司生产的PWM恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。它的工作电压可达30V，驱动电流达750mA，一个A3967SLB即可驱动一台二相步进电机，可实现8细分驱动。芯片内的PWM电流控制电路可通过加在PFD的电压设置为慢、快、混合三种电流衰减模式，如果PFD端的电压高于06VDD，则选择慢衰减方式。若低于021VDD，则选择快衰减模式。处于两者之间为混合衰减模式6。另外，A3967SLB还能提供完善的保护措施，包括抑制瞬态电压、过热保护、防止电流直通、欠电压自锁等功能。A3967SLB和微处理器之间不需要附加其它的接口电路，该芯片采用Easy Stepper接口，将8条控制线减少为2条(步长和方向)，只要简单地输入控制步进电机的脉冲，其内嵌的转换器就可以实现对步进电机的控制。A3967SLB还需要一些电阻、电容来调整其工作参数，整个驱动电路非常简单。4.3.1 A3967SLB引脚及工作参数A3967SLB如图4-6所示：图4-6 A3967SLB电气特性在T A = +25°C，V BB = 30 V，V CC = 3.0 V至5.5V时的操作参数环境7详见附录A。4.4 步进电机本设计中采用A3967SLB驱动步进电机，A3967SLB是美国Allegro公司生产的PWM恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。故采用一个二相四线步进电机来作为本设计的驱动器件。4.4.1 步进电机基本概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。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；同时也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8。4.4.2 步进电机的种类以及工作原理步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛9。下面我们以一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图4-7来说明步进电机的工作原理。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对所以称为四相步进电机。图4-7 步进电机工作原理示意图它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图4-7(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图4-7中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图4-7中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：ABCD或ADCB。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。4.4.3 步进电机的选择步进电机必须与驱动器、控制器配套使用才能完成工作要求。步进电机驱动系统的性能除了与电机自身的性能有关外，在很大程度上还取决于驱动器和控制器的优劣。因此对步进电机驱动器的研究几乎是与对步进电机的研究同步进行的。在选用步进电机时，一定要先确定好它的性能指标达到的要求，它的指标一般分为一下几个方面。1) 步矩精度。空载时，以单脉冲输入，步进电机的实际步矩角与理论步矩角之差成为静态步矩角误差，以偏差的角度或相对百分数来衡量。我国生产的步进电机的步矩精度一般在1030分的范围，有些可达25分。2) 最大静转矩。转子处于静止状态时，能与最大负载转矩相平衡的电磁转矩称为步进电机的最大转矩.它是衡量步进电机带负载能力的主要指标。3) 起动频率。使步进电机能够由静止定位状态不失步的起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，称为起动频率。在电机空载情况下，称为控制起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。4) 连续运行频率。步进电机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率，称为连续运行频率的最高工作频率。步进电机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电机连续运行频率远高于其起动频率10。本设计中采用A3967SLB驱动步进电机，A3967SLB 是美国Allegro 公司生产的PWM恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。故采用一个二相四线步进电机来作为本设计的测试原件,在本设计中，我选择的是安川42HD0401-20型号的电机，步进电机实物如图4-8所示 图4-8 步进电机实物它的工作参数如下表4-4所示：表4-4 电机各项参数电压5V静力矩2.5/电流0.8 A定位力矩150g/cm步距角1.8度绝缘电阻500VDC100M相数2绝缘等级B电阻6.7±10%转动惯量电感9.5nH±20%重量0.2 kg该型号步进电机的工作电压、工作电流可由52单片机带动，符合要求。4.4.4 步进电机的驱动步进电机的驱动方式有很多种，对于的当下比较流行的几种驱动方式简要分析。方案比较：1) 利用ULN2003驱动步进电机ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和 CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受 50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行11。ULN2003A功能框图4-9：图4-9 ULN2003A功能框图ULN2003在小电流的步进电机时，可以实现控制电机的停止、运转、加速和减速功能，至于控制电机的正转和反转，由于2003就相当于7个与非门，可以用两片2003来实现12，当然也可以将一片2003的两个非门结合起来使用，也可以用一片2003实现控制电机的正反转功能，但是此时芯片的灌电流还是500mA。其驱动步进电机电路原理图4-10：图4-10 ULN2003驱动电机原理图2)方案2：利用ULN2803驱动ULN2803是一种大电流型高电压器件 ,步进电机控制器13。内部电路如图4-11：图4-11 ULN2803内部电路其外电路很简单，如图4-12所示：图 4-12 ULN2803外电路步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现14。硬件方法是采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制；而软件方法是用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，相对于软件驱动，前面8254用作脉冲分配器相比于软件驱动的优势已经讲到，驱动电路如图4-13所示：图4-13 步进电机驱动电路4.6 显示与键盘电路设计4.6.1 显示器的选择在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只是数码和某些字符，使用的显示器有LED（发光二级管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种显示器成本低，配置灵活，与单片机连接方便，本设计中，液晶要求显示出可输入在1HZ-2kHZ的脉冲、步进电机工作时间、正传及反转。市面上有很多LCD，诸如LCD1602、LCD12864，经过对比，我最终选择液晶5110，理由如下：1) 性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符。Nokia5110裸屏仅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD12864一般5070元。2) 接口简单，仅五根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD12864需12根。3) 速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。4) Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。液晶5110工作电路原理图如图4-14所示：图4-14 液晶5110工作电路原理图本设计中液晶5110接口与显示如图4-15所示： 图4-15 液晶5110接口与显示4.6.2 键盘模块设计在微机应用系统中，为了输入数据、查询和控制系统的工作状态，一般都设计有键盘。包括数字键、复位键和各种功能键。键盘是微机应用系统中主要的输入设备。微机所用的键盘分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘就能自动生成代