1、.摘要 本設計首先介紹了STC89C51單片機，L297和L298N驅動電路及步進電機的基本原理與功能；其次,設計步進電機實現起停、轉向、速度、位置變化的控制方案；再次，在這些器件功能與特點的基礎上，擬出設計思路，構建系統的總體框架；最后利用PROTEL軟件繪出電路圖，同時寫出設計系統的運行流程和相關程序。整個系統通過寫入單片機中的程序分配好控制字的存儲單元以及相應的內存地址賦值；啟動系統后，從單片機的I/O口輸出控制脈沖,PGM-40F，經過L297、L298N驅動電路對脈沖進行處理，輸出能直接控制步進電機的脈沖信號。在此基礎上，重新分配I/O資源，同時增加驅動芯片L297、L298N的個數

2、,SGM13F，在負載能力范圍允許內，就能實現多臺步進電機獨立起停、轉向、速度、位置變化的控制。關鍵字：STC89C51單片機；L297；L298N；步進電機Design of the MCU to Realizes the Control of Many Stepping Motors Abstract：The paper firstly introduces basic principles and functions of STC89C51 MCU,L297 L298 Ndrive circuits and stepping motor,secondly designs the cont

3、rol plan of stepping motor to realize starting and stopping,turning around,speeding,and position changes,thirdly produces the thought of design and builds the frame of system based on the principles and functions of these components,lastly designs circuit diagram in PROTEL and lists the operating pr

4、ocess of design system and related programs.The whole system distributes saved units and composes values accord to corresponding memory addresses through the programs written in MCU.After starting the system,I/O interface of MCU outputs control pulses,which are handled by L297 and L298N drive circui

5、ts,then outputs pulse signals which can directly control stepping motors.In this foundation,the MCU redistributes the I/O resources and adds up the number of drive chips of L29 7and L298N,in the meantime the design can realize many stepping motors'independent starting and stopping,turning around

6、,speeding,and position changes in the load's capability.Keywords：STC89C51MCU；L297；L298N；stepping motor前言步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的控制電機。目前，數字技術、計算機技術和永磁材料的迅速發展，推動了步進電機的發展。本設計針對目前各個領域對自動化的需要，采用STC89C51單片機與L297，L298N驅動芯片驅動多臺步進電機同時獨立工作，將它應用于各種復雜的控制領域，能使許多半自動控制的系統完全成為真正的全自動，特別是用在機器人等領域，能極大的提高生產力和降低勞動強度。由

7、于步進電機具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。STC89C51單片機的特點STC89C51系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，是MCS-51系列單片機的派生產品；它們在指令系統中、硬件系統和片內資源與標準的8052單片機完全兼容，DIP-40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容，指令代碼是與8051完全兼容的單片機。STC89C51單片機具有增強型12時鐘/機器周期、6時鐘機器/周期任意選擇，工作電壓為5.5V-3.4V(5V單片機)/3.8V-2.0V(5V單片機)；工作頻率范圍：0-40MHZ

8、，相當于普通8051的0-80MHZ。實際頻率可達48MHZ。用戶應用程序空間為4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字節；片上集成1280字節/512字節RAM；有32/36個通用I/O口，P1/P2/P3/P4是準雙向口；集成ISP(在系統可編程)/IPA(在應用可編程)，無需專用的編程器/仿真器，可通過串行口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，8K程序3秒就可以完成一片，具備EEPROM功能，工作溫度范圍在0-750，共有3個16位定時器/計數器，其中定時器T0還可以當成2個8位定時器使用；封裝形式有DIP-40，PLCC-44，PQFP-44等。步進電機的步進原理步進電

9、機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電動機。說通俗點，就是給一個電脈沖，步進電動機就轉動一個角度或者前進一步，因此，步進電機也稱脈沖電動機。步進電機區別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，因此非常適合于單片機控制。步進電機的角位移或線位移量與電脈沖個數成正比，它的轉速或線速度與電脈沖頻率成正比。在負載能力范圍內這些關系不因電源電壓、負載大小、環境條件的波動而變化。通過改變脈沖頻率的高低可以在很大范圍內實現步進電機

10、的調速，并能進行快速啟動、制動和反轉。L298N的原理L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A；內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼brushless motor線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動兩個二相電

11、機，也可以驅動一個四相電機，可以直接通過電源來調節輸出電壓；并可以直接用單片機的I/O口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L297的原理L297芯片是具有20個引腳的雙列直插式塑膠封裝的步進電動機控制器(包括集成的硬件環形分配器)。它可產生四相驅動信號，能用半步(八拍)和全步(四拍)等方式驅動單片機控制兩相雙極或四相單極步進電機。該芯片內部的PWM斬波器允許在關模式下控制步進電動機繞組電流，由于相序信號也是由內部產生的，因此它只需要時鐘、方向和模式輸入信號便能控制步進電動機，可減輕微處理器和程序設計的負擔。L297單片步進電動機控制器集成電路的核心是脈沖分配器，L297還設有兩個PWM斬波

12、器來控制線繞組電流，實現恒流斬波控制，以獲得良好的轉矩-頻率特性。適用于雙極性兩相步進電動機或單極性四相步進電動機的控制。L297只需從上位機接受方向(正/反轉)，模式(半步/基本步距)，時鐘(步進脈沖)3個輸入信號。它產生3種相序的信號，對應于3種不同的工作方式：半步方式(四相八拍)；基本步距，單相激勵方式(單相四拍)；基本步距，兩相激勵方式(兩相兩拍)。其工作方式輸出的波形如圖46所示，初狀態(HOME)是ABCD=0101。L297是20腳雙列直插式塑料封裝，常以+5V供電。該單片步進電機控制器集成電路的核心是脈沖分配器，L297還設有兩個PWM斬波器來控制繞組電流，實現恒流斬波控制，以

13、獲得良好的轉矩-頻率特性，實用于雙極兩相步進電機或者單極四相步進電機的控制。步進電機起動及加/減速控制速度控制中加/減控制是最基本的控制。電機由靜止到達設定的最大的速度所需的時間是由調試決定的。加速度太大，電機甚至不能克服慣性而失步，加速度太少，則完成指定的運動耗費時間太多，加速度有兩中方案：線性加/減速度控制和等步距加/減速度控制。前者規定從加速度開始，每一加速度周期指令電機速度遞增相同的增量f；后者則是要求每一加速度周期電機走過相同的步數。等步距加/減速度控制的優點，在于加/減過程中電機走的步數可以非常精確的計算，這一點對于加/減的位置控制非常重要，但從電機要克服慣性力來看，線性加速方案好

14、些。調試也方便。線性加/減控制曲線如下圖：線性加速控制曲線f=(f2-f1)/n,其中n為加速過程的臺階數，減速控制也類似，只是f為負值,TGPP09-M10VA。步進電動機的最高起動頻率(突跳頻率)一般為0.1KHz到3-4KHz，而最高運行頻率則可以達到N*102 KHz。以超過最高起動頻率的頻率直接起動，將出現"失步"現象，甚至無法起動。較為理想的起動曲線，應是按指數規律起動。但實際應用對起動段的處理可采用直線擬合的方法,直流齒輪馬達，即"階梯升速法"。可按兩種情況處理，已知突跳頻率則按突跳頻率分段起動，分段數n=f/fq。未知突跳頻率，則按段擬合

15、至給定的起動頻率，每段頻率的遞增量(后稱階梯頻率)f=f/8,即采用8段擬合。在運行控制過程中，將起始的速度(頻率)分為n分作為階梯頻率，采用"階梯升速法"將速度連續升到所需要的速度，然后鎖定，按預置的曲線運行。如(圖9)所示。用單片機實現步進電機的加/減速控制，實際上就是控制發脈沖的頻率，升速時，使脈沖頻率增高，減速時相反。如果使用定時中斷來控制電機的速度，加減速控制就是不斷改變定時器的初值。速度從V1V2如果是線性增加，則按給定的斜率升/降速；如果是突變，則按"階梯升速法"處理。在此過程中要處理好兩個問題：速度轉換時間應盡量短；為了縮短速度轉換的時間

16、，可以采用建立數據表的方法。結合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率便可以建立一個連續的數據表，并通過轉換程序將其轉換為定時初值表。通過在不同的階段調用相應的定時初值，控制電機的運行。定時初值的計算是在定時中斷外實現的，并不占用中斷時間，保證電機的高速運行。保證控制速度的精確性；要從一個速度準確達到另外一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達到所需速度。階梯升速起動步進電機的換向控制一般來說，驅動器的輸入共有3路，它們是：步進脈沖信號CP、方向電平DIR、脫機信號FREE。它們在驅動器內部分別通過限流電阻接入光藕的負輸入端，且電路形式完全相同，在這三路輸入信號的共同的控制下，驅動器將輸入合適

17、的電流來控制步進電機完成指定的操作。另外，驅動器一般有一個接入端OPTO，該端口為三路信號的公共正端。三路輸入信號在驅動器內部接成共陽方式，所以OPTO端須接外部系統的VCC，并在需要的情況下加限流電阻R，保證驅動器內部光藕提供合適的驅動電流。步進脈沖信號CP步進脈沖信號CP用于控制步進電機的位置與速度，也就是說：驅動器每接受一個CP脈沖就驅動步進電機一個旋轉的步距角，CP脈沖的頻率改變則會使步進電機的轉速改變，控制CP脈沖的個數，則可以使步進電機精確定位。方向電平DIR方向電平信號DIR用于控制步進電機的旋轉方向，此端為高電平時，電機一個轉向，此端為低電平時，電機轉向另外一個方向，電機轉相必

18、須在電機停機后進行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結束后以及下一個方向的第一個脈沖前發出。脫機電平信號FREE當驅動器上電后，步進電機處于鎖定狀態(未施加CP脈沖時)或者運行狀態(施加CP脈沖時)，但當用戶想手動調整電機而又不想關閉驅動器電源，這時就可以用到此信號，當此信號起作用時(低電平有效)，電機處于自由無力矩狀態，當此信號為高電平時或懸空不接時，取消脫機狀態。此信號用戶可選用，如果不需要此功能，此端不接即可。步進電機換向時，一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內再換向，以免產生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結束后以及下一個方向的第

19、一個CP脈沖前發出。如(圖10)所示。對于CP脈沖的設計主要要求其有一定的脈沖寬度(一般不小于5s)、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實質包含了降速換向升速三個過程。轉向信號起作用的時刻步進電機的位置控制步進電機的位置控制是指要求電機從當前位置轉過一個給定的步數。電機不丟步數這一控制的實際。就是要求精確地發出定量的步進脈沖，例如，機器人再現工作時的啟動信號后，要走到示教時給出的初始作業位置，就是用到位置控制。不過不帶加/減速控制，位置控制很容易實現的。將發給電機的脈沖，用計數器通道計數，到最后通過CPU停發脈沖就是了。但是這種不帶加/減速的位置控制，除非速度特別低，否

20、則會在起停時造成器械沖擊、失步。圖11示出了帶加減速控制的速度曲線，此曲線、跟T軸間包含的面積正比于電機走過的步數S，顯然，電機走過的總步數S由三部分構成：加速階段電機走的步數向階梯段電機走過的步數和減速階段電機走的步數。位置控制速度曲線系統的設計思路本設計的目的是實現單片機能同時實現3臺或3臺以上步進電機的起/停、轉向、加/減速和位置控制。在熟悉好各芯片的性能特點后，接下來就是分配好各芯片的控制任務。單片機主要完成脈沖的分配，使步進電機按照設定的方式運轉，通過程序設定，從單片機的I/O口輸出一系列有規律的脈沖信號；由于直接輸出的脈沖信號驅動功率有限，很難直接驅動步進電機運轉，所以必須經過驅動

21、器進行脈沖放大，本設計采用的L297與L298N芯片能解決這個問題，它可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機。但是如果要實現多臺步電機控制的設計，就不僅要重新分配好I/O資源，還要增加相應驅動芯片的數量。再利用單片機程序分配好控制字的存儲單元，以及相應的內存地址賦值，使單片機能控制步進電機的起停、換向順序、速度和位置變化。系統的設計框架L297、L298N與電機的電路設計系統的總電路設計此電路由一塊STC89C51，3塊L297、3塊L298N、3臺4相4拍步進電機器以及相關的電路組成。利用單片機3個并行I/O口的部分引腳(P0.0P0.6，P1.0.P1.6，P2.0P2.6)連接驅動

22、芯片，各個端口直接與驅動芯片L297直接相連，L297與L298N共用一個+5V的電源，輸出+36V的步進電機驅動電壓；L298N的2、3、13、14四個輸出引腳直接與一個四相四拍的步進電機相連。以同樣的方式，連接另外兩臺電機的控制電路。系統的總電路設計圖步進電機的轉向控制任務判斷旋轉方向；按順序送出控制字；判斷字是否送完。四相四拍控制程序的設計方法步進電動機所要走的步數在R4中，轉向標志存放在程序狀態寄存器PSW的用戶標志位F(D5H)中。當F0=0時，步進電動機正轉，當F0=1時，步進電動機反轉。正反轉控制字存放在單元見表1中。表1反轉控制字存放單元表2正反轉的內存地址賦值7.2步進電機的

23、運行控制在升、降頻率過程中，考慮到步進電機的慣性，要求每改變一次頻率，需持續運行一定的步數，稱頻率階梯步長，采用直線方式，頻率階梯步長的值為常數，由初始啟動頻率到恒速運行頻率的階梯步長數，稱為頻率的階梯數。編寫這段程序作如下標明：利用定時器T0延時，起初值存放在EPROM存儲器的同一頁面中。上半頁面為升頻段，定時器初值由大變小；下半頁面為降頻段，定時器初值由大變小。降頻是升頻的逆過程。步進電機的運行控制標志位定義見下表3：表3步進電機的運行控制標志位位地址標志內容70H運行方式：0恒速，1變速71H變速方式：0降頻，1升速72H恒速轉向：0正轉，1反轉73H升速轉向：0正轉，1反轉74H降速轉

24、向：0正轉，1反轉75H程序結束標志：02表示程序結束運行控制初值分配見表4表4運行控制初值分配字節地址存儲內容1AH頻率階梯步長計數器R2的值1BH頻率階梯步長計數器R3的值1CH恒速段步長低8位1DH恒速段步長高8位1EH恒速段T0初始值低8位1FH恒速段T0段高8位轉速流程框圖及相應的程序步進電機轉速控制可由程序延時來完成，也可由定時器延時來完成，相應的程序如下：PUSH A；保護現場MOV R4，#N；設置步長計數器CLR C；轉向標志為1，轉移ORL C,D5H JC ROTE MOV R0,#20H；正轉控制字首址AJMP LOOP ROTE：MOV R0,27H；反轉控制字首址L

25、OOP：MOV A，R0 MOV P1，A；輸出控制脈沖ACALL DLY；調用延時程序INC R0；控制字存儲地址增1 MOV A，#00H.ORL A，R0；是結束標志轉移JZ TPL LOOP1：DJNZ R4，LOOP；步數不為0，轉移POP ARER TPL：MOV A，R0；恢復控制字首址CLR CSUBB A，#06H MOV R0，A AJMP LOOP1 DLY：MOV R2，#M DLY1：MOV A，#M1 LOOP：DEC AJNZ LOOP DJNZ R2，DLY1 RET 7.4變頻調速程序與相應的流程圖主程序：ORC 0000H SJMP START ORG 00

26、0BH LJMP INT0 ORG 0030H START：MOV DPTR，addr16；T0初值地址指針MOV R3，1BH；賦頻率階梯記數器值MOV R2，1AH；賦階梯步長計數器值CLR CORL C，73H JC ROTE MOV R0，#20H；正轉控制字首址AJMP PH ROTE：MOV R0，#27H；反轉控制字首址PH：MOV TMOD，#01H；T0方式1定時MOV TL0，#00H；置T0初值MOV TH0，#00H SETB TR0；啟動T0 SETB ET0；允許T0中斷LOOP：MOV A，R3；等待中斷JNZ LOOP CLR EA；CUP關中斷SJMP$；結束

27、中斷服務程序：INT0：PUSH A；保護現場MOV A，R0 MOV P1,A INC R0 MOV A,#00H ORL A,R0 JZ TPL；是結束標志，轉RR：DEC R2；步長計數器減1 MOV A,#00H ORL A,R2 JZ THL；階梯步長計數器為0，轉PRL：CLR CCLR C,71H JNC ROTEL；是降頻，轉移MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV TL0,A；升頻T0賦初值低8位MOV A,#01H MOVC A,A+DPTR MOV TH0,A；升頻T0賦初值高8位AJMP QQ ROTEL：MOV A,#80H MOVC A,plane

28、tary reducer,A+DPTR MOV TL0,A；降頻T0賦初值低8位MOV A,#81H MOVC A,A+DPTR MOV TH0,A；降頻T0賦初值高8位QQ：POP A；恢復現場RETI；中斷返回THL：DJNZ R3,AT；頻率階梯減1不為0，轉AJMP QQ AT：MOV R2,1AH；階梯步長賦值INC DPTR INC DPTR；TO初值指針更新AJMP PRL TPL：CLR CMOV A,R0 SUBB A,#06H MOV R0,A AJMP RR END 8結論本設計首先分析了STC89C51單片機、L297、L298N驅動電路以及步進電機的基本原理和特點，其

29、次逐步分析各自的連接原理及步進電機實現啟停、加速、轉向、位置控制的方案，接著綜合性地闡述整個系統的設計思路及組成框圖；再通過PROTEL軟件繪制整個原理圖并設計相應的PCB板模型。該系統主要是通過寫入單片機中的程序進行控制，從I/O口輸出控制脈沖，經過L297、L298N驅動電路進行處理，輸出能直接控制步進電機的信號；在此基礎上，重新分配I/O資源，同時增加驅動芯片L297、L298N的個數，使能同時控制3臺四相四拍步進電機。如果在單片機上擴展鍵盤輸入以及LED顯示輸出電路，更能增加系統的直觀性與實用性。依照這個思路，如果通過8255可編程芯片擴展I/O口，并增加L297、L298N驅動電路的

30、數目，在負載允許的范圍內，就能同時控制實際所需的多臺步進電機運行。把這個系統運用于許多復雜的領域，能使許多半自動控制的系統完全成為真正的全自動，特別是機器人設計與制作方面，能極大的提高生產力和降低勞動強度，有很大的應用前景。I am Mr.Tan from TT Motor,we are mainly products are DC motors,stepper motor,gear motor and brushless motor,the diameter of 6mm-60mm from various models of the planetary gear reducer with

31、box planetary gear reducer micro motor.Voltage：3,6,12,24 V,speed：1-100 r/min,torque：0.5-80kg.cm,can speed by adjusting the voltage regulator,model diameter including of 12,16,17,20,25,28,32,37,42,60mm and so on,with the installation of simple,easy to use,the advantage of low prices.Welcome to our GM1