1、單片機原理與應用實驗 信通學院1 步進電機簡述一、步進電機原理 步進電機的轉子上均勻地分布著步進電機的轉子上均勻地分布著4040個齒，齒間個齒，齒間（齒距）夾角為（齒距）夾角為9 9（360360/40/40）, ,定子上有定子上有6 6個大個大齒，相差齒，相差180180的兩個大齒組成一相，共有的兩個大齒組成一相，共有A A、三相。每個大齒上有若干個與轉子上一樣的小三相。每個大齒上有若干個與轉子上一樣的小齒。定子的每一相都有勵磁繞組。齒。定子的每一相都有勵磁繞組。二、步進電機的運行方式二、步進電機的運行方式 1 1三相三拍運行方式三相三拍運行方式 (1(1）當）當A A相通電時，相通電時，B

2、 B相、相不通電：相、相不通電： A A相定子上的齒與轉子上的齒對齊（通電后磁場相定子上的齒與轉子上的齒對齊（通電后磁場力作用的結果），迫使電機旋轉力作用的結果），迫使電機旋轉3 3 B B相定子上的齒順時針超前轉子上相應的齒相定子上的齒順時針超前轉子上相應的齒3 3 C C相定子上的齒順時針超前轉子上相應的齒相定子上的齒順時針超前轉子上相應的齒6 6 (2(2）當）當B B相接通電時，相接通電時，A A相、相、C C相不通電：相不通電： B B相齒對齊，電機旋轉相齒對齊，電機旋轉3 3；C C相超前相超前3 3相超前相超前 (3 (3）當）當C C相通電時，相通電時，B B相、相、A A相相

3、不通電。不通電。 C C相齒對齊，電機旋轉相齒對齊，電機旋轉3 3；A A相超前相超前3 3；相超前；相超前6 6 因此，如果定子因此，如果定子A A、B B、C C三相按三相按 ABCAABCA 的順序依次通電，則步進電機將不斷地按順時的順序依次通電，則步進電機將不斷地按順時針方向轉動。每一次通電轉針方向轉動。每一次通電轉，每三次通電，每三次通電才走完一個齒距，因此叫三相三拍。才走完一個齒距，因此叫三相三拍。 每一次通電轉動的固定角叫步距角每一次通電轉動的固定角叫步距角 。 顯然，三相三拍運行時，步距角顯然，三相三拍運行時，步距角 。 假如某次通電后，控制脈沖不再來，則電機轉假如某次通電后，

4、控制脈沖不再來，則電機轉子齒和某相對齊后就停止轉動，叫做位狀態。子齒和某相對齊后就停止轉動，叫做位狀態。 如果把順時針叫正轉，那么當通電順序按如果把順時針叫正轉，那么當通電順序按 ACBAACBA 進行時，則電機反時針旋轉，叫反轉。進行時，則電機反時針旋轉，叫反轉。 可見控制步進電機正轉反轉只是三相繞組通電可見控制步進電機正轉反轉只是三相繞組通電順序不同而已。順序不同而已。 2 2三相六拍運行方式三相六拍運行方式 當當A A相通電時，相通電時，A A相定子齒與轉子齒對齊，相定子齒與轉子齒對齊，此后，如果讓此后，如果讓A A、B B兩相同時通電，可以發兩相同時通電，可以發現轉子轉動現轉子轉動1

5、15 5。再讓。再讓A A相斷電、相斷電、B B相通相通電，又可發現轉子再轉電，又可發現轉子再轉1.51.5。 所以按照所以按照 AABBBCCCAAAABBBCCCAA 的順序控制，電機將按順時針方向旋轉，的順序控制，電機將按順時針方向旋轉，每步轉動每步轉動1 15 5，即步距角，即步距角 =1=15 5， 由 于 要 經 過由 于 要 經 過 6 6 步 才 走 完 一 個 齒 距步 才 走 完 一 個 齒 距（6 61 15 5=9=9），所以叫三相六拍。），所以叫三相六拍。 如果要使步進電機反轉，只要按如果要使步進電機反轉，只要按 AACCCBBBAAACCCBBBA順序通電就行了。順

6、序通電就行了。 結論結論：從上面兩種運行方式可看出，從上面兩種運行方式可看出，錯齒是促使步錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因進電機旋轉的根本原因，當某相通電，相應的齒對，當某相通電，相應的齒對齊，迫使電機旋轉一個步距角，未通電的各相的齒齊，迫使電機旋轉一個步距角，未通電的各相的齒出現了新的錯位。改變通電的順序和通電的相數，出現了新的錯位。改變通電的順序和通電的相數，可組合出其它的運行方式。可組合出其它的運行方式。 討論討論：三項三拍和三項六拍運行方式，哪種定位三項三拍和三項六拍運行方式，哪種定位更精確？更精確？ 三、三、步進電機有如下特點步進電機有如下特點： 給步進脈沖電機就轉，不給步進脈沖電機

7、就不轉；給步進脈沖電機就轉，不給步進脈沖電機就不轉； 步進脈沖頻率高，步進電機轉得快；步進脈沖頻率步進脈沖頻率高，步進電機轉得快；步進脈沖頻率低，步進電機轉得就慢；低，步進電機轉得就慢； 改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進電機的運行方式；電機的運行方式； 改變通電順序，可以控制步進電機的正、反轉。改變通電順序，可以控制步進電機的正、反轉。 2 步進電機步進電機與與MCS-51MCS-51單片機的接口單片機的接口 步進電機與單片機的連接一般有兩種形式步進電機與單片機的連接一般有兩種形式 一、由硬件完成脈沖分配的功能一、由硬件完成脈沖分配的功能

8、 在這種形式里，脈沖分配器（在這種形式里，脈沖分配器（CH250CH250）、驅動電路由硬）、驅動電路由硬件完成。單片機只提供步進脈沖和正、反轉控制信號，步進件完成。單片機只提供步進脈沖和正、反轉控制信號，步進脈沖的產生與停止、步進脈沖的頻率和個數都可用軟件控制脈沖的產生與停止、步進脈沖的頻率和個數都可用軟件控制。 單片機輸出步進脈沖后，再由脈沖分單片機輸出步進脈沖后，再由脈沖分配電路按事先確定的配電路按事先確定的順序控制各相的通斷。順序控制各相的通斷。 一般來說，硬件一旦確定下來，不易更改，這種方案，硬一般來說，硬件一旦確定下來，不易更改，這種方案，硬設備成本高，它的應用受到了限制。設備成本

9、高，它的應用受到了限制。 怎樣用軟件產生步進脈沖呢？所謂軟件產生就是用軟件控怎樣用軟件產生步進脈沖呢？所謂軟件產生就是用軟件控制制P3P30 0為為1 1 或為或為0 0的次序和長短。如果先令的次序和長短。如果先令P3P30=10=1，延時，延時一段時間，再令一段時間，再令P3.0P3.00 0，再延時一段時間后，又令，再延時一段時間后，又令P3P30=10=1，如此循環，就可構成脈沖序列。延時時間的長短，如此循環，就可構成脈沖序列。延時時間的長短決定了脈沖序列的周期，而脈沖序列的周期又與步進電機決定了脈沖序列的周期，而脈沖序列的周期又與步進電機的步矩有關。下面提供了一個產生步進脈沖的子程序。

10、的步矩有關。下面提供了一個產生步進脈沖的子程序。 SUBSUB： SETB P3SETB P30 0 SETB P3 SETB P30 0 ；保證輸出高電平的時間；保證輸出高電平的時間5s5s SETB P3 SETB P30 0 CLR P3 CLR P30 0 ；變為低電平；變為低電平 MOV R7MOV R7，30H30H LOOP LOOP： NOP NOP ；軟件延時程序：；軟件延時程序： NOP NOP ；基本延時（；基本延時（10s10s時間常數）時間常數） NOP NOP DJNZ R7,LOOP DJNZ R7,LOOP RET RET時間常數事先可裝入時間常數事先可裝入30

11、H30H單元，改變單元，改變30H30H單元的內容就可改單元的內容就可改變延時長短變延時長短 P3.0P3.0輸出脈沖波形輸出脈沖波形 2 2由軟件完成脈沖分配工作由軟件完成脈沖分配工作 特點特點：由軟件完成脈沖分配工作，不僅使線路簡化，成本下降，而且可根據應用系統的需要，靈活地改變步進電機的控制方案。 硬件的主要任務是完成驅動功能硬件的主要任務是完成驅動功能。如圖單片機直接帶動步進電機的一種接口方案，接口并不復雜，單片機P1的低三位被設成輸出位，P10控制A相繞組通斷，P11控制B相，P12控制C相。以以A A相控制為例相控制為例： 當當P1P10 0輸出為輸出為1 1，發，發光管不發光，因

12、此光敏二極光管不發光，因此光敏二極管截止，使擔負驅動任務的管截止，使擔負驅動任務的達林頓管導通。達林頓管導通。A A相繞組通電。相繞組通電。 相反，當相反，當P100發光管發光發光管發光光敏管導通光敏管導通達林頓管截止達林頓管截止A相繞組不相繞組不通電。通電。 為什么步進電機功率驅動電路采用光電隔離？為什么步進電機功率驅動電路采用光電隔離？ 步進電機功率驅動電路工作在較大脈沖電流狀態，步進電機功率驅動電路工作在較大脈沖電流狀態，采用光電耦合器將單片機與步機電機隔離可以避免單片采用光電耦合器將單片機與步機電機隔離可以避免單片機與步進電機功率回路的共地干擾，此外，萬一驅動電機與步進電機功率回路的共

13、地干擾，此外，萬一驅動電路發生故障。也不致讓功放中較高的電壓串入單片機而路發生故障。也不致讓功放中較高的電壓串入單片機而使其損壞。使其損壞。 怎樣用軟件完成脈沖分配呢？怎樣用軟件完成脈沖分配呢？ 所謂脈沖分配就是用軟件改變所謂脈沖分配就是用軟件改變P1P1口低三位的輸出值，口低三位的輸出值，進而達到控制三相繞組的通電順序和通電方式之目的。進而達到控制三相繞組的通電順序和通電方式之目的。 1 1、軟件選擇單三拍的工作方式、軟件選擇單三拍的工作方式 單三拍的通電方式為單三拍的通電方式為ABCAABCA，要想達到這個，要想達到這個目的，只需依次向目的，只需依次向P1P1口輸出如下控制字：口輸出如下控

14、制字： P1.2 P1P1.2 P11 P11 P10 0 編碼編碼 （C C相）（相）（B B相）相） （A A相）相） 0 0 1 0 0 1 （01H01H）A A相通，相通，B B、C C相斷相斷 0 1 0 0 1 0 （02H02H） B B相通，相通，A A、C C相斷相斷 1 0 0 1 0 0 （04H04H） C C相通，相通，A A、B B相斷相斷 在控制字間也應加入軟件延時來保證一定的時間間隔。在控制字間也應加入軟件延時來保證一定的時間間隔。假定要求時間間隔為假定要求時間間隔為1ms，控制電機按三相三拍正轉的程序是：，控制電機按三相三拍正轉的程序是：ZHEN：MOV P

15、1， 01H ；A相通電相通電 ACALL D1MS MOV P1， 02H ；B相通電相通電 ACALL D1MS MOV P1， 40H ；C相通電相通電 ACALL D1MS RETD1MS： MOV R7， 64H ；延時；延時1ms子程序子程序D1MS1: NOP ；2s NOP ；2s NOP ；2s DJNZ R7，D1MSl ；4s RET 要想控制步進電機反轉，只需把輸出的控制字的次序按：要想控制步進電機反轉，只需把輸出的控制字的次序按： 01H（A）04H（C）02H（B）01H（A）組合即可。組合即可。 反轉程序如下：反轉程序如下：FAN：MOV P1， 01H ；A相通

16、電相通電 ACALL D1MS MOV P1， 04H ；C相通電相通電 ACALL D1MS MOV P1， 02H ；B相通電相通電 ACALL D1MS 2 2、軟件選擇三相六拍的工作方式、軟件選擇三相六拍的工作方式 不難推出與三相六拍相對應的控制字為不難推出與三相六拍相對應的控制字為 P1P12 P12 P11 P11 P10 0（C C相）相） （B B相）相） （A A相）相）控制編碼控制編碼 導通情況導通情況 0 0 1 0 0 1 （01H01H） A A相通電相通電 0 1 1 0 1 1 （03H03H） ABAB相通電相通電 0 1 0 0 1 0 （02H02H） B

17、B相通電相通電 1 1 0 1 1 0 （06H06H） BCBC相通電相通電 1 0 0 1 0 0 （04H04H） C C相通電相通電 1 0 1 1 0 1 （05H05H） CACA相通電相通電如果按：如果按： 001101100110010011001001101100110010011001 A CA C CB B BA A A CA C CB B BA A的次序輸出，就可達到反轉的目的。的次序輸出，就可達到反轉的目的。 練習練習1仿照三相三拍的辦法編出仿照三相三拍的辦法編出反轉反轉控制子程序。控制子程序。 FAN： MOV P1， 01H ；A相通電相通電 ACALL D1MS

18、 MOV P1，05H ；CA相通電相通電 ACALL D1MS MOV P1，04H ；C相通電相通電 ACALL D1MS MOV P1，06H ；CB相通電相通電 ACALL D1MS MOV P1，02H ；B相通電相通電 ACALL D1MS MOV P1，03H ；BA相通電相通電 ACALL D1MS RET 9.3 應用舉例機械手的微機控制 隨著科學技術的進步、隨著科學技術的進步、工業自動化的進程，機械手工業自動化的進程，機械手將進一步取代簡單而笨重的將進一步取代簡單而笨重的人工操作，逐步把在惡劣環人工操作，逐步把在惡劣環境下工作的人們解放出來，境下工作的人們解放出來，這對于改

19、善人們的工作條件、這對于改善人們的工作條件、提高工作效率，具有一定的提高工作效率，具有一定的現實意義。現實意義。 本例系存取郵件機本例系存取郵件機械手的控制，在郵政部門和械手的控制，在郵政部門和立體倉庫中作自動存職包裹立體倉庫中作自動存職包裹和貨物之用。和貨物之用。 一、工作原理一、工作原理 通過鍵盤，將貨位（或包位）代碼輸入微機，啟動存（或取）命通過鍵盤，將貨位（或包位）代碼輸入微機，啟動存（或取）命令鍵，機械手即可在微機的控制下，作令鍵，機械手即可在微機的控制下，作X X、Y Y、Z Z三個方向的運動，完三個方向的運動，完成存（或取）包操作。控制原理如圖所示。成存（或取）包操作。控制原理如

20、圖所示。 系統主要包括微機控制、步進電機控制、機械傳動系統、光控音系統主要包括微機控制、步進電機控制、機械傳動系統、光控音樂電路、工作電源、貨架和柜臺等七部分組成。微機根據鍵入的貨樂電路、工作電源、貨架和柜臺等七部分組成。微機根據鍵入的貨物代碼，產生相應的脈沖信號，經物代碼，產生相應的脈沖信號，經CH250CH250脈沖分配器和驅動電路，輸脈沖分配器和驅動電路，輸出具有一定功率的脈沖，驅動有關電機正轉或反轉及其步數，從而出具有一定功率的脈沖，驅動有關電機正轉或反轉及其步數，從而實現貨物的存取。機械手行進中，光控音樂電路驅動蜂嗚器發出樂實現貨物的存取。機械手行進中，光控音樂電路驅動蜂嗚器發出樂曲

21、，從而增強了工作的節奏、控制的旋律。曲，從而增強了工作的節奏、控制的旋律。 二、系統組成二、系統組成 1 1、硬件設計、硬件設計 如圖是機械手微機控制系統硬件電路。本系統選用如圖是機械手微機控制系統硬件電路。本系統選用MCS-51系系列中的列中的8031芯片，擴展了一片芯片，擴展了一片2732，以存放用戶程序。由于隨機，以存放用戶程序。由于隨機存儲的數據不多，只利用片內存儲的數據不多，只利用片內RAM。采用兩位。采用兩位LED顯示器和顯示器和28鍵盤，鍵盤，P35、P36和和P37分別輸出分別輸出X、Y、和、和Z方向的控制脈方向的控制脈沖，沖，P16和和P1.7分別用來控制步進電機的正分別用來

22、控制步進電機的正/反轉和產生復位信反轉和產生復位信號。號。 2 2、機械傳動部分、機械傳動部分 機械傳動部分包括導軌、小車、升機械傳動部分包括導軌、小車、升降盤和機械手等部分。降盤和機械手等部分。 水平方向位移水平方向位移 步進電機步進電機MXMX調通過滑輪和傳送帶，調通過滑輪和傳送帶，使小車在導軌上運動，實現使小車在導軌上運動，實現X X方向上方向上的位移。的位移。 垂直方向升降垂直方向升降 作調方向運動的小車上裝有一豎直作調方向運動的小車上裝有一豎直的六棱金屬桿，升降盤套于桿上，的六棱金屬桿，升降盤套于桿上，桿的頂部裝有一定滑輪并配有平衡桿的頂部裝有一定滑輪并配有平衡錘。固定于小車上的步進

23、電機錘。固定于小車上的步進電機MYMY帶帶動升降盤，實現動升降盤，實現Y Y方向上的位移。方向上的位移。 機械手動作機械手動作 機械手裝升降盤上，如圖所示。圖中機械手裝升降盤上，如圖所示。圖中A A點固點固定，步進電機定，步進電機MZMZ帶動帶動B B點，改變點，改變A A、B B間的較小間的較小距離，使得機械手移動較大距離。距離，使得機械手移動較大距離。 貨架貨架 貨架分三層，每層有貨架分三層，每層有4 4個包位，共計個包位，共計1212個包個包位。位。 圖中數字為包位編碼，編碼的個位數表示圖中數字為包位編碼，編碼的個位數表示X X位置，十位數表示位置，十位數表示Y Y位置（層數），以供計位

24、置（層數），以供計算機查訊、判斷之用。算機查訊、判斷之用。 本例采用本例采用SB-2ASB-2A型步進電機，它工作于三相六拍的工作方型步進電機，它工作于三相六拍的工作方式。式。 電機按順時針方向旋轉（即正轉）時，各相脈沖順序為：電機按順時針方向旋轉（即正轉）時，各相脈沖順序為：A=1A=1A=1A=1，B=1B=1B=1B=1B B，C=1C=1C=1C=1C=1C=1，A=1A=1 電機按逆時針方向旋轉（即反轉）時，各相脈沖順序為：電機按逆時針方向旋轉（即反轉）時，各相脈沖順序為：A=1A=1A=1A=1，C=1C=1C=1C=1C=1C=1，B=1B=1B=1B=1B=1B=1，A=1A=

25、1 三、三、程序設計程序設計 系統軟件包括：主系統軟件包括：主程序、取包程序、存程序、取包程序、存包程序、貨位判斷程包程序、貨位判斷程序、序、X X、Y Y方向運動和方向運動和機械手動作子程序等。機械手動作子程序等。 （1 1）程序流程圖）程序流程圖 限于篇幅，只給限于篇幅，只給出主要流程圖。出主要流程圖。 2 2、脈沖序列的生成程序、脈沖序列的生成程序 對于步進電機的控制，對于步進電機的控制，實際上是控制步進脈沖的實際上是控制步進脈沖的個數和步進脈沖的間隔，個數和步進脈沖的間隔，而步進電機的間隔又可轉而步進電機的間隔又可轉化為某基準延時子程序的化為某基準延時子程序的循環次數。因此，可以很循環

26、次數。因此，可以很方便地用軟件來控制步進方便地用軟件來控制步進電機的運行，達到各種控電機的運行，達到各種控制目的。制目的。 2 2、貨位判斷程序、貨位判斷程序 如如圖是貨位判斷圖是貨位判斷程序流程圖。程序流程圖。 功能：根據鍵入功能：根據鍵入的貨位編碼判斷貨的貨位編碼判斷貨位，以確定位，以確定X X、Y Y方方向所需要的脈沖數。向所需要的脈沖數。 一、實驗目的二、實驗說明三、實驗儀器四、實驗內容六、實驗報告要求五、思考題一、實驗要求一、實驗要求 用8255擴展端口控制步進電機，編寫程序輸出脈沖序列到8255的PA口，控制電機正轉、反轉，加速，減速。二、實驗目的二、實驗目的1了解步進電機控制的基

27、本原理。2掌握控制步進電機轉動的編程方法。3了解單片機控制外部設備的常用電路。三、實驗裝置：三、實驗裝置：偉福Lab2000p單片機實驗裝置。 步進電機驅動原理是通過對每相線圈中電流的順序切換來使電機作步進式旋轉。切換是通過單片機輸出脈沖信號來實現的。所以調節脈沖信號的所以調節脈沖信號的頻率便可以改變步進電機的轉速，改變各相脈沖頻率便可以改變步進電機的轉速，改變各相脈沖的先后順序，可以改變電機的旋轉方向。步進電的先后順序，可以改變電機的旋轉方向。步進電機的轉速應由慢到快逐步加速機的轉速應由慢到快逐步加速。 電機驅動方式可以采用雙四拍(ABBCCDDAAB)方式，也可以采用單四拍(ABCDA)方

28、式，或單、雙八拍(AABBBCCCDDDAA)方式。各種工作方式的時序圖如下：（高電平有效） 上圖中示意的脈沖信號是高有效脈沖信號是高有效，但實際控制時公共端是接在VCC上的，所以實際控制脈沖是低有效。8255的PA口輸出的脈沖信號經（MC1413或ULN2003A）倒相倒相驅動后，向步進電機輸出脈沖信號序列。8051單片機也可以通單片機也可以通過過P1口輸出脈沖信號控制步進電機的運轉口輸出脈沖信號控制步進電機的運轉。也可以通過實驗儀上的波形發生器來產生脈沖序列來控制步進電機的運轉。 可編程通用接口芯片8255A有三個八位的并行I/O口，它有三種工作方式。本實驗采用的是方式0：PA，PC口輸出

29、，PB口輸入。很多I/O實驗都可以通過8255來實現。 8255的CS/接地址譯碼/CS0，則命令字地址為8003H，PA口地址為8000H，PB口地址為8001H，PC口地址為8002H。數據線、讀/寫控制、地址線、復位信號板上已接好。mode equ 082hcontrl equ 08003hctl equ 08000hAstep equ 01hBstep equ 02hCstep equ 04hDstep equ 08hdly_c equ 60h org 0hstep: mov a,#mode mov dptr,#contrl movx dptr,a mov dptr,#8002h mo

30、v a,#0 movx dptr,a mov dly_c,#10h jmp loop1; 單單/雙八拍工作方式雙八拍工作方式loop: mov dptr, #ctl mov a,#Astep movx dptr,a call delay mov a,#Astep+Bstep movx dptr,a call delay mov a,#Bstep movx dptr,a call delay mov a,#Bstep+Cstep movx dptr,a call delay mov a,#Cstep movx dptr,a call delay mov a,#Cstep+Dstep movx d

31、ptr,a call delay mov a,#Dstep movx dptr,a call delay mov a,#Dstep+Astep movx dptr,a call delay mov a, dly_c dec a ; 提高轉速提高轉速 cjne a,#1, nn1 ; 最快速度最快速度 inc ann1: mov dly_c,a ljmp Loop; 雙四拍工作方式雙四拍工作方式loop1: mov dptr,#ctl mov a, #Astep+Bstep movx dptr,a call delay mov a, #Bstep+Cstep movx dptr,a call delay mov a, #Cstep+Dstep movx