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1、单片机实现多步进电机控制的设计专业名称：电子信息科学与技术 作者姓名：邹代好 指导老师：周达琳摘要：本设计首先介绍了STC89C51单片机、L297、L298N驱动电路及四相四拍步进电机的基本原理与功能，并由这些器件的特点设计了系统组成的基本框架。整个系统通过单片机内部程序的控制，从I/O口输出控制脉冲，经过L297、L298N驱动电路的处理，输入能直接适合步进电机的控制信号；在此基础上，重新分配I/O资源，同时增加驱动芯片L297、L298N的个数，使能同时控制3台四相四拍步进电机的独立的启停、加速、转向等控制。关键字：STC89C51单片机； L297；L298N; 四相四拍步进电机Spe
2、cialty:Electronic information science and technology Author: Daihao Zou Instructs teacher: Dalin ZhouAbstract：This design first introduction the STC89 C51 list slice machine, L297, L298 the N drive electric circuit and four mutually four clap a step into basic principle and function of electrical en
3、gineering, and from the characteristics of these spare parts design the system constitute of basic frame.The whole system pass list slice machine inner part procedure of control, from the I/O output control pulse, through L297, L298 the N drive electric circuit of processing, importation ability dir
4、ect in keeping with step enter electrical engineering of control signal;Reallocate an I/O resources on this foundation, the increment drive the chip L297, L298 N piece in the meantime and make ability in the meantime control 3 set four mutually four clap a step into the electrical engineering of ind
5、ependence of the Qi stop, acceleration, change direction etc. control.Key Words：STC89C51MCU；L297；L298； stepping motor of Four mutually four clap目录前言11 STC89C51单片机的基本性能及特点21.1 STC89C51单片机简介 2 1.1.1 STC89C51单片机的特点 2 1.1.2 STC89C51单片机管脚图32 步进电机的的基本原理及特点 32.1 步进电机的特点 3 2.2 步进电机起动及加/减速控制方案4 2.3 步进电机的换向问题
6、 53 步进电机的驱动芯片原理 53.1 L298N的特点 6 3.2 L297的特点 64 基于STC89C51多台步进电机控制的设计84.1 系统组成及原理框图9 4.1.1 系统硬件电路的设计10 4.2 系统软件设计 4.2.1 步进电机的控制任务11 4.2.2 步进电机转速控制程序及流程框图12 4.2.3 变频调速程序流程图与程序12结束语13参考文献 15致谢 15前言步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的控制电机。目前，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电机的发展。本设计针对目前各个领域对自动化的需要，采用STC89C51单片机与L297，L298驱
7、动芯片驱动多台步进电机同时独立工作，将它应用与复杂的控制领域，能使许多半自动控制的系统完全成为真正的全自动，特别是用在机器人等领域，能极大的提高生产力和降低劳动强度。由于步进电机具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。1 STC89C51单片机的基本性能及特点 1.1 STC89C51单片机简介STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容的8051单片机。 1.1.1 STC89C51单片机的特点 STC89C51单片机具有增强型12时钟/机器周期，6时钟机器/周任意选择，
8、工作电压为5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（5V单片机）；作频率范围：040MHZ，相当与普通8051的080MHZ.实际频率可达48MHZ。 用户应用程序空间为4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K/字节 ；片上集成1280字节/512字节RAM；有32/36个通用I/O口，P1/P2/P3/P4是准双向口；集成ISP（在系统可编程）/IPA（在应用可编程），无需专用的编程器/防真器，可通过串行口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒就可以完成一片，具备EEPROM功能，工作温度范围在075度，共有3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成
9、2个8位定时器使用；封装形式有PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44等。 1.1.2 STC89C51单片机管脚图如下（图1）（图1）STC89C51DIP方式的引脚2步进电机的的基本原理及特点2.1 步进电机的基本原理2.1.1 脉冲控制原理 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角度或者前进一步，因此，步进电机也称脉冲电动机。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进行控制的，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。步进电机是数字控制
10、电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。步进电机的角位移或线位移量与电脉冲成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速启动、制动和反转。2.1.2 步进电机的类型 步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，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。反应式步进电机的转子磁
11、路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，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。2.2.3步进电机的相排原理 由于反应式电动机使用较多，具有一定的代表性，下面就对这种步进电机做简要的介绍。反应式电动机主要也由定子与转子组成，在定子上有N个磁极，每两个相对磁极上绕有一组线圈，这组线圈就称为一相；因此有N个磁极就有N/2相；以三相反应式电动机为例，三相绕组用A、B、C来表示，定子两个磁极之间的夹角为60度，各磁极上有5个均匀分布的矩形小齿；而转子上没有绕组，他
12、上面有40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两个夹角为9度。当某一相绕组通电时，与之相应的两个磁极产生磁场，经过转子形成闭合环路。此时如果该相定子上的小齿和转子上的小齿没对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一个角度，使之与定子上的小齿对齐，所以说，错次上产生步进电机旋转的原因。若A相通电，B和C相不通电，我们以A相小齿对齐钉子上的小齿为初态，并设与A相磁极中心线对齐的定子上的小齿为0号齿，依次排列，由于B相磁极与A相相差120度，它不是9度的整数倍，所以B相定子上的小齿没和转子上的对齐，其中13号小齿靠近B相中心线，且与中心线相差3度，如果此时改变A相通电为B相通电，A和C不通电，则B相磁极产生的
13、磁场使定子上的13号小齿对齐，转子转动3度，即走了一步。同理，若按ABCA顺序轮流通电一次，转子则正转前进3步，若按ACBA顺序通电，则转子反转3步。从一相通电到另一相通电称为一拍，上述为三相单三拍运行方式，“单”是指每次只有一相绕组通电。若按AABBBCCCAA顺序通电，则称之为三相六拍运行方式，若按ABBCCAAB顺序通电，则称为三相双三拍运行方式。通过对它每相线圈中的电流的顺序切换使电机作步进式旋转，驱动电路有脉冲信号来控制，所以调解脉冲信号的频率变可以改变步进电机的转速，步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1.8度四相混合式步进电机为例，在整步方式下，步进电机每接收一个
14、脉冲，旋转1.8度，旋转一周，则需要200个脉冲，在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转0.9度，旋转一周，则需要400个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲转子走一步所转过的角称为步距角，一般出厂的步进电机已经给出了固定了步距角的值。称为电机的固有步距角，它不一定是实际中的真正的步距角。实际工作中，为了满足不同的要求系统，步进电机驱动器一般都支持所谓的细分功能，一般有半步细分状态、5细分状态、10细分状态、20细分状态、40细分状态。如一个固有步距角为1.8度，在上述步距角时分别为0.9、0.36.0.18、0.09、0.045度。细分功能完全是有驱动器靠精确控制电
15、机所产生，与电机无关。2.2 步进电机起动及加/减速控制方案步进电动机的最高起动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3-4KHz，而最高运行频率则可以达到N*102 KHz。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现失步现象，甚至无法起动。较为理想的起动曲线，应是按指数规律起动。但实际应用对起动段的处理可采用按直线拟合的方法，即阶梯升速法。可按两种情况处理，已知突跳频率则按突跳频率分段起动，分段数n=f/fq。未知突跳频率，则按段拟合至给定的起动频率，每段频率的递增量（后称阶梯频率）f=f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中，将起始的速度（频率）分为n分作为阶梯频率，采用阶梯升速法将速度连续升
16、到所需要的速度，然后锁定，按预置的曲线运行。如（图2）所示。图2 阶梯升速起动 用单片机实现步进电机的加/减速控制，实际上就是控制发脉冲的频率，升速时，使脉冲频率增高，减速时相反。如果使用定时中断来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时器的初值。速度从V1V2如果是线性增加，则按给定的斜率升/降速；如果是突变，则按阶梯升速法处理。在此过程中要处理好两个问题： 速度转换时间应尽量短；为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值，控制电机的运行。定时初值的
17、计算是在定时中断外实现的，并不占用中断时间，保证电机的高速运行。 保证控制速度的精确性；要从一个速度准确达到另外一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。 2.3 步进电机的换向问题 一般来说，驱动器的输入共有3路，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过限流电阻接入光耦的负输入端，且电路形式完全相同，在这三路输入信号的共同的控制下，驱动器将输入合适的电流来控制步进电机完成制定的操作。另外，驱动器一般有一个接入端OPTO，该端口为三路信号的公共正端（三路光耦的正输入端），三路输入信号在驱动器内部是公共正端（三路光耦的正端），三路深入信
18、号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，并在需要的情况下加限流电阻R，保证驱动器内部光耦提供合适的驱动电流。 步进脉冲信号CP 步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置与速度，也就是说：驱动器没接受一个CP脉冲就驱动步进电机一个步进电机旋转的步距角，CP脉冲的频率改变则会使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。 方向电平DIR 方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向，此端为高电平时，电机一个转向，此端为低电平时，电机转向另位一个方向，电机转相必须在电机停机后进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个
19、脉冲前发出。 脱机电平信号FREE 当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态（未施加CP脉冲时）或者运行状态（施加CP脉冲时），但当用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这时就可以用到此信号，当次信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态，当此信号为高电平时或悬空不接时，取消脱机状态。此信号用户可选用，如果不需要此功能，此端不接即可。 步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。如(图3)所示。对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度（一般不小
20、于5s）、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向升速三个过程。3 步进电机驱动芯片原理3.1 L298N的特点L298N原理图及相关引脚功能如图（4） 图（4）L298N驱动芯片L298各引脚功能： OUT1、 OUT2 此脚是全桥式驱动A与B的输入端，用来连接负载； Vs: 电机驱动电源的输入端，此脚与地之间要连接高，低频耦合电容； IN1、 IN2 输入标准TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A与B的开与关；EN A、 EN B 使能控制端，输入标准TTL逻辑电平信号，分别控制全桥式驱动A与B的工作状态，低电平时全桥式驱动器禁止工作，输入端1与2（
21、3与4）无输出； GND: 接地端，新片本身的散热片与8相通； Vss: 逻辑控制部分的电源输入端；IN3、IN4 输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开与关； OUT、OUT4 此两脚是全桥式驱动器B的输出端，用来连接负载。3.2 L297的特点 L297芯片引脚如图（5） （图5）集成1297芯片是具有20个引脚的双列直插式塑胶封装的步进电动机控制器(包括集成的硬件环形分配器)。它可产生四相驱动信号，能用半步(八拍)和全步(四拍)等方式驱动计算机控制的两相双极或四相单极步进电动机。该芯片内部的PWM斩波器允许在关模式下控制步进电动机绕组电流，由于相序信号也是由内部产生的，
22、因此它只需要时钟、方向和模式输入信号便能控制步进电动机，可减轻微处理器和程序设计的负担。L297单片步进电动机控制器集成电路的核心是脉冲分配器，L297还设有两个PWM斩波器来控制线绕组电流，实现恒流斩波控制，以获得良好的转矩一频率特性适用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制L297只需从上位机接受方向(正反转)，模式(半步基本步距)，时钟(步进脉冲)3个输入信号它产生3种相序的信号，对应于3种不同的工作方式：半步方式(四相八拍)；基本步距，单相激励方式(单相四拍)；基本步距，两相激励方式(两相两拍)其工作方式输出的波形如图35所示，初状态(HOME)是ABCD= 0101L29
23、7是20脚双列直插式塑料封装，常以+5V供电用CWCCw控制电机的转向，取1和取0时的转向相反CLOCK为步进脉冲信号输入端，在每一个脉冲的下降沿，电机产生一步步进HALFFULL为半步或基本步距模式设置，为1时是半步模式，为0时是基本步距若HALFFUU取低电平，当脉冲分配器工作于奇数状态，则为两相激励方式；当脉冲分配器工作于偶数状态，则为单相激励方式CONTROL斩波控制，当为0时控制INH 1和INH2；当为1时控制ABCDENABLE使能输入，当为0时，INH 1，INH 2，A，B，C和D都为0RESET输入，当为0时，脉冲分配器回到初状态(HOME)L297通过控制L298双H集成
24、电路，来驱动步进电机电路中，L297的l5脚上的两个电阻用来调节斩波器电路的参考电压，该电压将与通过管脚l3，l4所反馈的电位的大小比较，来确定是否进行斩波控制，以达到控制电机绕组电流峰值、保护步进电机的目的。4 基于STC89C51多步进电机控制的设计4.1系统组成及原理框图（图6） （图6） 4.2系统硬件电路的设计4.2.1 298与L297的系统连接 如 （图7）4.3 步进电机系统控制软件设计：4.3.1 步进电机的控制任务是：判断旋转方向按顺序送出控制字；判断字是否送完4.3.2 四相四拍控制程序的设计方法 步进电动机所要走难道步数在R4中，转向标志存放在程序状态寄存器PSW的用户
25、标志位F（D5H）中。当F0=0时，步进电动机正转，当F0=1时，步进电动机反转。正反转控制字存放在单元见表1中，其中，26H和2DH中存放控制字的技术标志。节拍通电顺序控制字正转反转二进制十六进制14A000000010123B000000100232C000001000441D0000100008表（1）反转控制字存放单元控制字内存字节地址正转01H02H04H08H00H20H21H22H23H24H反转01H08H04H02H00H25H26H27H28H29H表（2）正反转的内存地址赋值4.3.2步进电机的转速控制流程框图（图8）及程序 （图8）程序延时控制流程图步进电机转速控制可由
26、程序延时来完成，也可由定时器延时来完成，相应的程序如下：PUSH A ；保护现场 MOV R4，#N ；设置步长计数器 CLR C ；转向标志为1，转移ORL C,D5HJC ROTEMOV R0,#20H ；正转控制字首址AJMP LOOPROTE:MOV R0,27H ；反转控制字首址LOOP:MOV A，R0MOV P1，A ；输出控制脉冲ACALL DLY ；调用延时程序INC R0 ；控制字存储地址增1MOV A，#00H.ORL A，R0 ；是结束标志转移JZ TPLLOOP1： DJNZ R4，；LOOP ；步数不为0，转移POP ARERTPL： MOV A，R0 ；恢复控制字
27、首址CLR CSUBB A，#06HMOV R0，AAJMP LOOP1DLY： MOV R2，#MDLY1： MOV A，#M1LOOP： DEC AJNZ LOOPDJNZ R2，DLY1RET4.3 .3 变频调速程序流程图与程序 在升、降频率过程中，考虑到步进电机的惯性，要求每改变一次频率，需持续运行一定的步数，称频率阶梯步长，采用直线方式，频率阶梯步长的值为常数，有初始启动频率到恒速运行频率的阶梯步长数，称为频率的阶梯数。编写这段程序作如下标明：利用定时器T0延时，起初值存放在EPROM存储器的同一页面中。上半页面为升频段，定时器初值由大变小；下半页面为降频段，定时器初值由大变小。降
28、频是升频的逆过程。步进电机的运行控制标志位定义见下表（三） 位地址标志内容70H运行方式：0恒速，1变速71H变速方式：0降频，1升速72H恒速转向：0正转，1反转73H升速转向：0正转，1反转74H降速转向：0正转，1反转75H程序结束标志：02表示程序结束运行控制初值分配表（四）字节地址存储内容1AH频率阶梯步长计数器R2的值1BH频率频率步长计数器R3的值1CH恒速段步长低8位1DH恒速段步长高8位1EH恒速段T0初始值低8位1FH恒速段T0段高8位主程序：ORC 0000H SJMP START ORG 000BH LJMP INT0 ORG 0030HSTART： MOV DPTR，
29、addr16 ;T0初值地址指针 MOV R3，1BH ；赋频率阶梯记数器值 MOV R2，1AH ；赋阶梯步长计数器值 CLR C ORL C，73H JC ROTE MOV R0，#20H ；正转控制字首址 AJMP PHROTE： MOV R0，#27H ；反转控制字首址PH： MOV TMOD，#01H ；T0方式1定时 MOV TL0，#00H ；置T0初值MOV TH0，#00H SETB TR0 ；启动T0SETB ET0 ；允许T0中断LOOP： MOV A，R3 ；等待中断 JNZ LOOP CLR EA ；CUP关中断 SJMP $ ；结束 中断服务程序：INT0： PUS
30、H A ；保护现场 MOV A，R0 MOV P1,A INC R0 MOV A,#00H ORL A,R0 JZ TPL ；是结束标志，转RR: DEC R2 ；步长计数器减1 MOV A,#00H ORL A,R2 JZ THL ；阶梯步长计数器为0，转PRL: CLR C CLR C,71H JNC ROTEL ；是降频，转移 MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV TL0,A ；升频T0赋初值低8位 MOV A,#01H MOVC A,A+DPTR MOV TH0,A ；升频T0赋初值高8位 AJMP QQ ROTEL: MOV A,#80H MOVC A,A+DPT
31、R MOV TL0,A ；降频T0赋初值低8位 MOV A,#81H MOVC A,A+DPTR MOV TH0,A ；降频T0赋初值高8位QQ: POP A ；恢复现场 RETI ；中断返回THL: DJNZ R3,AT ；频率阶梯减1不为0，转 AJMP QQAT: MOV R2,1AH ；阶梯步长赋值 INC DPTR INC DPTR ；TO初值指针更新 AJMP PRLTPL: CLR C MOV A,R0 SUBB A,#06H MOV R0,A AJMP RR END结束语本设计首先介绍了由STC89C51单片机、L297、L298N驱动电路及四相四拍步进电机组成的系统，通过单片
32、机内部程序的控制，从I/O口输出控制脉冲，经过L297、L298N驱动电路的处理，输入能直接适合步进电机的控制信号；在此基础上，重新分配I/O资源，同时增加驱动芯片L297、L298N的个数，使能同时控制3台四相四拍步进电机的独立的启停、加速、转向等控制。依照这个思路，如果通过8255等芯片扩展I/O接口的数目，理论上就能控制多台步进电机，如果把这个方案任用与许多复杂的领域，特别是机器人设计与制作方面，将有很大的应用前景。还能使许多半自动控制的系统完全成为真正的全自动，特别是用在机器人等领域，能极大的提高生产力和降低劳动强度。由于步进电机具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图
33、仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。参考文献1 李鸿主编. 单片机原理及应用M. 湖南：湖南大学出版社，20042韩全立，王建明. 单片机控制技术及应用M. 北京：电子工业出版社，20043周平，伍云辉. 单片机应用技术M. 四川：电子科技大学出版社，20044胡伟，季晓衡. 单片机C程序设计及应用实例M.北京：人民邮电出版社，2004 4李文江，张岩. 用L298实现雷管脚线合股剥皮机多步进电机控制N，辽宁工程技术大学学报，2005.2.5赵龙庆，徐国栋. 一种基与单片机的步进电机控制驱动器N，西南林学院学报，2005.6致谢本论文在写作过程中得到了指导老师黄笃之、周达琳老师的悉心指导和帮助，他给我提供了大量的参考资料，并对文章构思以及创作过程都给予了充分的指导，我在此向黄笃之、周达琳老师表示最衷心的感谢！
