基于AT89S52单片机的步进电机控制(2)

第一章

1.1 引言

绪 论

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。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，步进电动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，这是步进电动机最突出的优点。

正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，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，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。

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。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。其中步进电机的驱动，可以采用汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通信的方式实现ｐｃ机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。此外还可以采用无线控制技术，实现远、近距离的无线遥感控制步进电机，实现一些人不宜直接接触的工业现场等环境复杂的地方，不过无线控制步进电机也可以用来在家居环境中，比如遥控窗帘等等。

本文正是采用红外无线技术，能够实现10M左右的红外控制步进电机，非常方便实用。 1.2 设计要求

本设计的要求如下：

1、开始通电时，步进电机停止转动

2、单片机分别接有按键开关K1、K2和K3，用来控制步进电机的转向，要求如下：

1）当按下K1键时，步进电机正转；

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2）当按下K2键时，步进电机反转； 3）当按下K3键时，步进电机停止转动。

3、能够通过相应颜色的指示灯和数码管来指示步进电机运行状态和运行速度级别。 4、正转采用一相激磁方式，反转采用1—2相激磁方式。 5、能够实现通过红外发射装置来实现对步进电机的控制。 6、能够编程实现所需的各种功能，并能正常调试。 1.3 设计内容

本论文采用的电动机是四相五线步进电机，采用的方法是利用AT89S52单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行转态。最终能够实现步进电机的运行状态、转速级别的显示，能通过按键和红外遥控器来控制步进电机的启动、加速、减速、正反转和停止等功能。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，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。

本设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度等级的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转，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。 1.4 小结

步进电机凭借着其优良的性能，如步进电机无累积误差，精度高，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。所以广泛应用于各种控制场合中，从工业控制到到玩具家用等等，或者说用到了精确转动的地方，就用到了步进电机。本文也旨在通过对步进电机的研究来实现对其进行各种控制，并将其应用到实际生活之中去，其中本文采用红外接收装置意在实现通过对步进电机的红外无线控制，能扩展其应用范围。总之，步进电机是一种非常实用和易控制的电机，研究其功能、控制特点非常有必要。

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第二章

2.1 主要器件简介 2.1.1 AT89S52单片机简介

系统总体方案设计

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，32个可编程I/O口线 ，两个16位定时器/计数器，该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 2.1.2 ULN2003A简介

ULN2003A概述与特点：ULN2003A是高耐压、大电流达林顿陈列，其内部结构如图1所示。

图1 ULN2003内部结构图

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。达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。

ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。 ULN2003A的应用电路如图2所示。

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图2 ULN2003的应用电路

2.1.3 四相五线永磁型步进电机M35SP-7NP简介

M35SP-7NP是四相五线永磁型步进电机，其转矩和体积较小，步进角为7.5度。电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，一根为电源引出线，这样一共有5根引出线。

步进电机内部结构图如图3所示。

图3 步进电机内部结构图

2.1.4 红外遥控简介

红外遥控系统由发射和接收两大部份组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如下图4和图5所示。发射部份包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部份包括光、电转换放大器、解调、解码电路。由于采用不同芯片其发送和接受的过程是不一样的，此次设计采用的是HT6221红外编码芯片，0038一体化红外接收头。红外遥

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控编码和解码原理如下图所示：

键盘 编码调制 遥控发射器

LED 光/电放大 解调 遥控接收器 解码 图4 红外遥控系统

bit“0” bit“1” 0.56ms 0.56ms 1.125ms 2.25ms 图5 遥控码的“0”和“1”

2.2 步进电机的工作原理 2.2.1 步进电机简介

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 （一）步进电机的静态指标术语

1、相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半

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