毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机的步进电机控制系统

内蒙古科技大学

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题 目：基于学生姓名：学 号：专 业：自动化班 级：自动化指导教师：

AT89C51单片机的步进

06-3班 电机控制系统内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

基于AT89C51单片机的步进电机控制系统

摘要

步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照控制脉冲的要求，迅速起动，制动，正反转和调速。具有步距角精度高，停止时能自锁等特点，因此步进电机在自动控制系统中，特别是在开环的控制系统中得到了日益广泛的应用。

本文以单片机和环形脉冲分配器为核心设计的步进电机控制系统，通过软硬件的设计调试，实现步进电机能根据设定的参数进行自动加减速控制，使控制系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象；同时它能准确地控制步进电机的正反转，启动和停止。硬件是以AT89C51单片机为核心的控制电路，主要包括：环形脉冲分配器、键盘显示电路、步进电机的驱动电路等。软件部分采用C语言编程，主要包括键盘显示程序、步进电机的调速程序、停止判断程序等。

关键词：步进电机控制系统；调速；单片机

I

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Based on AT89C51 Single-chip Computer

Stepping Motor Control System

Abstract

Stepping motor is a kind of digital control system components. It can achieve quick start-up, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be self-locking when it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied.

This article mainly focuses on taking Single-chip Computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. Through the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motor’s acceleration and deceleration automatically, according to parameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achieve start-up, positive inversion and shutdown. Hardware takes AT89C51 as the core of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. Software part adopts the C language programming, mainly including keyboard and display program, stepping motor speed control program, stop judging program, etc.

Key words: Stepping motor control system; speed control; Single-chip Computer

II

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目录

摘要 ............................................................................................................................................. I Abstract ..................................................................................................................................... II 第一章 引言 .............................................................................................................................. 1

1.1 课题提出的背景和研究意义 ...................................................................................... 1 1.2 课题的主要研究内容 .................................................................................................. 2 1.3 本章小结 ...................................................................................................................... 2 第二章 步进电机控制系统设计 .............................................................................................. 3

2.1 步进电机的原理 .......................................................................................................... 3

2.1.1 三相单三拍通电方式 ........................................................................................ 3 2.1.2 三相双三拍通电方式 ........................................................................................ 5 2.1.3 三相六拍通电方式 ............................................................................................ 6 2.2 环形脉冲分配器 .......................................................................................................... 8 2.3 续流电路 .................................................................................................................... 12

2.3.1 二极管续流 ...................................................................................................... 13 2.3.2 二极管—电阻续流 .......................................................................................... 14 2.4 步进电机驱动电路 .................................................................................................... 15 2.5 步进电机的变速控制 ................................................................................................ 17

2.5.1 变速控制的方法 .............................................................................................. 19 2.6 步进电机在自动生产线中的应用 ............................................................................ 20 2.7 本章小结 .................................................................................................................... 22 第三章 控制系统硬件设计 .................................................................................................... 23

3.1 硬件系统设计原则 .................................................................................................... 23 3.2 控制系统组成 ............................................................................................................ 23 3.3 主要元件的选择 ........................................................................................................ 24

3.3.1 单片机的选择 .................................................................................................. 24 3.3.2 EPROM的选择 ................................................................................................ 25 3.3.3 可逆计数器的选择 .......................................................................................... 27 3.4 控制系统接口电路的设计 ........................................................................................ 27

III

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3.4.1 环形脉冲分配器设计 ...................................................................................... 27 3.4.2 显示电路设计 .................................................................................................. 29 3.4.3 外部复位电路设计 .......................................................................................... 30 3.5 控制系统整体电路设计 ............................................................................................ 31 3.6 本章小结 .................................................................................................................... 31 第四章 控制系统软件设计 .................................................................................................... 32

4.1 软件系统设计原则 .................................................................................................... 32 4.2 步进电机控制系统功能设计 .................................................................................... 32 4.3 主程序设计 ................................................................................................................ 33

4.3.1 主程序工作过程 .............................................................................................. 33 4.3.2 主程序工作流程图 .......................................................................................... 34 4.3.3 定时器T0中断程序流程图 ........................................................................... 34 4.4 Proteus仿真 ................................................................................................................ 37 4.5 显示程序设计 ............................................................................................................ 39 4.6 键盘程序设计 ............................................................................................................ 39 4.7 调速程序设计 ............................................................................................................ 41

4.7.1 20BY步进电机参数 ........................................................................................ 41 4.7.2 步进电机转速与频率的关系 .......................................................................... 41 4.8 本章小结 .................................................................................................................... 42 第五章 结束语 ........................................................................................................................ 43 参考文献 .................................................................................................................................. 44 附录 .......................................................................................................................................... 46

附录A 系统程序（C） ................................................................................................... 46 附录B 20BY步进电机转速与定时器定时常数关系表 ................................................ 59 附录C 控制系统电路图 ................................................................................................. 62 致谢 .......................................................................................................................................... 63

IV

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第一章 引言

1.1 课题提出的背景和研究意义

由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。

对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率【1】。

由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决

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定了步进电机控制系统的综合性能。

1.2 课题的主要研究内容

1、步进电机的工作原理

通过查阅文献对步进电机的单拍运行、双拍运行、单双拍运行等各种运行方式进行研究，深入了解各种运行方式的特点和对步进电机控制性能的影响。

2、环形脉冲分配器的设计

研究环形脉冲分配器的作用和构成，并设计出可靠、灵活的环形脉冲分配器电路。

3、步进电机的续流电路

根据步进电机的控制特点，分析续流电路对步进电机控制性能的影响，并设计步进电机的续流电路。

4、步进电机控制系统的软硬件设计

根据步进电机的原理和控制特点，对步进电机控制系统的软硬件进行分析和设计。

5、程序的调试及修改

用Keil软件进行编程和调试，并且在Proteus环境下进行系统仿真。

1.3 本章小结

本章首先介绍了课题研究的背景，提出设计的思路。其次介绍了课题研究的目的和意义，最后介绍了课题的主要研究内容。

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第二章 步进电机控制系统设计

2.1 步进电机的原理

反应式步进电机的工作原理是与反应式同步电机一样，也是利用转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动，如图2.1 所示是一台反应式步进电机的工作原理，定子铁心为凸极式，共有三相，六个磁极，不带小齿，磁极上装有控制绕组，相对的两个磁极串联连接，组成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有两个齿，齿宽等于定子的极靴宽【2】。

2.1.1 三相单三拍通电方式

这是步进电机的一种最简单的工作方式，所谓“三相”，即三相步进电机，具有三相定子绕组；“单”指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次情况。

当A相绕组通电如图2.1 (a) 所示，而B相和C相不通电时，A相的两个磁极被励磁，一个呈N极另一个呈S极，由于磁场对转子铁心的电磁吸力，使转子轴线对准A相磁极的轴线。这种现象也可以这样来理解，A相通电时，转子对定子的相对位置不同，则磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻为最少的转子位置，就是该时的稳定平衡位置，即转子稳定在转子轴线和A相磁极轴线相重合的位置。同样道理，当A相断开，接通B相时，如图2.1 (b) 所示，B相磁极对转子的电磁力将使转子顺时针转过60°，达到转子轴线和B相磁极轴线相重合的位置，即转子走过一步，然后B相电源断开，同时接通C相如图2.1 (c) 所示，同理将使转子按顺时针方向再走一步。如此按A-B-C-A的顺序使三相绕组轮流通电，则转子依顺时针方向一步一步地转动。如果改变三相

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绕组的通电顺序为A-C-B-A显然步进电机将按逆时针方向转动。上述三相三拍运行，表示三种通电状态为一个循环，即三次通电状态改变后，又恢复到起始状态，一拍对应转子转过的角度称为步距角，通常用θs表示，图2.1中转子每步转过的步距角为60°。

（a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电

图2.1 三相反应式步进电机原理

如果将上图的反应式步进电机的转子制成四极（或称为四个齿）结构，如图2.2所示，则按三相单三拍运行时，转子的步距角也将发生变化。当A相通电时如图2.2 (a)所示，转子齿1、3对准A相磁极轴线重合，当B相通电时如图2.2 (b)所示，转子将逆时针转过30°，稳定在转子齿2、4对准B相磁极轴线的位置，当C相通电时如图2.2 (c)所示，转子又将逆时针方向转动30°，转子齿1、3对准C相磁极轴线的位置，由此可见，每通电一次转子转过的角度为30°即每步转过的步距角为30°。

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(a) A相通电 (b) B相通电 (c) C相通电

图2.2 转子为四极的三相步进电机

2.1.2 三相双三拍通电方式

如果将步进电机的控制绕组的通电方式改为：AB-BC-CA-AB或AC-CB-BC-CA。这种通电方式每拍同时有两相绕组通电，三拍为一循环，如图2.3所示，转子为四极的反应式步进电机。图2.3 (a) 为AB相同时通电的情况，图2.3 (b) 为BC相通电的情况，可见转子每步转过的角度为30°与单三拍运行方式相同，但其中有一点不同，即在双三拍运行时，每拍使步进电机从一个状态转变为另一个状态时，总有一相绕组保持通电。例如由AB相通电变为BC相通电时，B相保持继续通电状态，C相磁极力图使转子逆时针转动，而B相磁极却起阻止转子继续向前转动的作用，即起到一定的电磁阻尼作用，所以步进电机工作比较平稳，三相单三拍运行时，由于没有这种阻尼用，所以转子到达新的平衡位置后会产生振荡，稳定性能远不如双三拍运行方式。

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(a) AB相通电 (b) BC相通电

图2.3 三相双三拍运行方式

2.1.3 三相六拍通电方式

这是一种将一相通电和两相通电结合起来的运行方式，其具体通电方式为：A-AB-B-BC-C-CA-A 或A–AC-CB-B-BA-A，即一相通电和两相通电间隔轮流进行，六种不同的通电状态组成一个循环，这时步进电机的工作情况如图2.4 所示，图2.4(a)为A相通电时的情况，转子齿1、3磁轴与A相磁极轴线重合，当通电状态由A转为AB时，步进电机的状态如图2.4(b) 所示，转子齿1、3磁极离开A相磁极轴线，即转子逆时针转过15°。通电方式由AB转为B时，步进电机的状态如图2.4(c) 所示，转子齿2、4磁极轴线和B相磁极轴线相重合，或转子齿1、3磁极轴线离开A相磁极轴线30°角，即转子又逆时针方向运行了一步，相应的角度为15°如此类推，可见步进电机每走一步，将转过15°，恰好为三相单拍或双三拍通电方式的一半。

六拍运行方式与双三拍相同，由一个通电状态转变为另一通电状态时，也总有一相继续保持通电，同样具有电磁阻尼作用，工作也比较平稳。

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(a) A相通电 (b) AB相通电

(c) B相通电 (d) BC相通电

图2.4 三相六拍通电方式

通过分析可知一台步进电机可以有不同的通电方式，即可以有不同的拍数。拍数不同时，其对应的步距角大小也不同，拍数多则步距角小。通电相数不同也会带来不同的工作性能。此外，也可以看到同一种通电方式，对于转子磁极数不同的步进电机，也会有不同的步距角。步距角θs可由式(1-1)求得【3】

θs=360°/mKZR (1-1)

式中 m — 控制绕组相数；

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ZR — 转子齿数；

K —与通电方式有关的状态系数，当通电方式为单拍，即拍数与相数相同，

K=1；为双拍时，即拍数为相数的两倍时，K=2。

2.2 环形脉冲分配器

要使步进电机正常工作，必须按照该种步进电机的励磁状态转换表所规定的状态和次序依次对各相绕组进行通电和断电控制。环形分配器的主要功能是把单片机发出的脉冲信号按一定的规律分配给步进电机的驱动电路，控制绕组的导通和截止。同时步进电机有正反转的要求，所以环形脉冲分配器的输出既有周期性又有可逆性。可以说环形脉冲分配器是一种特殊的可逆循环计数器， 但它输出的不是一般的编码，而是步进电机励磁状态所要求的特殊编码【4】。

在步进电机的驱动系统中，控制器与驱动器之间连接方式可分为串行控制和并行控制。串行控制时，控制器输出脉冲信号和方向电平，环形脉冲分配器把它转换成并行的驱动信号，再控制绕组的导通和截止。控制脉冲信号的有无就能控制步进电机运行和停止，脉冲信号的频率决定步进电机的运行速度，方向电平控制步进电机的运转方向。并行控制时，控制器直接输出各相绕组的导通和截止信号，此时环形脉冲分配器在控制器中，由软件来代替环形脉冲分配器的功能，不管是串行控制还是并行控制必须有环形脉冲分配器这个环节。

步进电机按类型、相数来划分种类繁多，不同种类、不同相数、不同分配方式都必须有不同的环形脉冲分配器，因此所需要的环形脉冲分配器的类型是很多的。如果全部用硬件来搭成，结构是相当复杂的，不能满足步进电机驱动系统的需要，为此提出一种用EPROM搭建的环形分配器，以满足不同的要求。

EPROM存储器是一种紫外线擦除的可编程只读存储器，存储器的内容可

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以由使用者自己编程，且可以用紫外线照射后重新使用。用EPROM可以搭建成各种环形脉冲分配器。其基本思想是：首先确定步进电机励磁状态转换表，再以二进制码的形式存入EPROM存储器中，只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，那么存储器输出的就是各相绕组的励磁状态，用EPROM搭建的环形脉冲分配器的原理框图如图2.5 所示，它由两部分组成。前面是一个可逆的循环计数器，计数脉冲的有无控制步进电机的运行与停止，计数器加减控制端控制步进电机的正反转，如果低电平时计数器加计数，步进电机正转，如果高电平时计数器减计数，步进电机反转。计数器的计数长度应等于步进电机运行一个周期的拍数或拍数的整数倍，计数器的输出端接到EPROM的地址线上，并且使EPROM总是处于读出的状态，这样计数器的每个计数状态都对应存储器的一个地址，存储器的输出端就对应步进电机的一种励磁状态。简单的说存储器存入的是一个环形脉冲分配器的状态输出表，计数器每输入一个脉冲，计数器计一个数，这个数值就会选通存储器的一个地址，存储器就输出一个数据，即步进电机的一个励磁状态。如果计数器做加计数，则存储器按地址递增的方向依次读取状态表的内容，相反，计数器做减计数，则存储器按地址递减方向依次取出状态表的内容，从而控制步进电机的正反转。

图2.5 含有EPROM 环形脉冲分配器

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用EPROM设计环形脉冲分配器，具有如下的特点：

1、线路简单。由可逆循环计数器和存储器两部分组成，计数器可以用现有的器件实现，计数长度可以用简单的外围电路实现。对EPROM存储器的主要工作是编程，存储状态表，所以工作量小。

2、一种线路可以实现多种励磁状态方式的分配，只要在不同的地址区域存储不同的状态表，除软件工作之外，硬件无需改动。

3、可排除非法状态。驱动电路输入非法状态可能会损坏驱动电路。存储器中存储的内容，除了在选通的地址存储所需的状态表之外，其他没用的地址都存储各相截止的信号。因此即使有非法的地址输入，输出端输出的都是截止的信号，可以保护驱动器不受损坏。

由于励磁状态是按运行拍数循环的，所以存储器输出的状态也必须按拍数循环出现，这就要求计数器是可逆计数器，同时计数长度是运行循环拍数的整数倍。实际上，使用RPROM设计的环形脉冲器是一种软硬件结合的技术，通过软件的编程可以实现不同励磁方式的输出。

由上可见，这种方法适用于控制任意类型的步进电机。对于不同的步进电机及不同的励磁方式，只需改变存储的状态表，硬件不需要做任何的变化。跟软件的方法相比，需要增加硬件的成本，但软件简单，速度快，少占用CPU的时间，提高了系统的响应速度。软件方法的优点是节省硬件，降低系统的成本，且更改灵活，有利于系统的小型化，其主要的缺点是占用CPU时间较多，降低系统的响应速度。

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图2.6 环形脉冲分配器电路

由EPROM与可逆计数器构成的环形脉冲分配器如图2.6所示，计数器选用74LS191，74LS191是四位二进制进制可逆计数器，时钟脉冲从CP端输入，计数器的输出QA~QD直接接到EPROM的低四位地址线A0~A3，这样可以选通2716的十六个地址（00H~0FH）。

74LS191第五脚为加减法输入控制端，该输入端作为方向输入的控制信号，当低电平时做加法计数，为正转状态。当为高电平时做减法计数，为反转状态。74LS191数据输入端A、B、C、D各管脚接地，11脚是置数端，当它为高电平时74LS191为计数状态，当它为低电平时，计数器停止计数，把数据端的内容（ABCD）装入计数器。

2716的管脚OE和CE分别为输出允许和片选端，使它接地让它一直处于选通状态。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。因此本文选择步进电机八拍的工作方式。EPROM 的存储内容如表2.1所示。

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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 表2.1四相步进电机八拍工作方式存储状态表

地址 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 内容 01H 03H 02H 06H 04H 0CH 08H 09H 01H D C B A 0001 0011 0010 0110 0100 1100 1000 1001 0001 励磁状态 A AB B BC C CD D DA A 2.3 续流电路

步进电机的控制性能，与各相绕组导通和截止时电流的增加和衰减速度有关，对于加速度大、或者运行速度高的步进电机，当转换速度增加时，由于绕组电感的作用，电流经常不能立即升到额定值，同样在绕组断电时，电流也不能立即衰减到零。当步进电机下一相导通时，断电相绕组中的衰减电流对步进电机起制动作用。

如图2.7所示为一相励磁时的等效电路。L为绕组电感，R为串联回路的总电阻，E为反电动势。当步进电机为锁定状态时，忽略T管的压降，则绕组的电流为U/R。如果T断电，绕组中磁场能量将极力保持原有电流的方向。晶体管上的管压降将随Ldi/dt正比的增加，这个峰值电压的大小可能会超过一个晶体管的最大耐压U，造成晶体管损坏。常用的步进电机可以很容易产生数值

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比步进电机外加电压大的峰值电感电动势。这个电感电动势必须控制在晶体管安全运行区域内。所以驱动电路除了对步进电机绕组提供导通回路外，还必须提供一个绕组断电时的续流回路，其作用是既要保证电流的泄放的速度，同时又要抑制电感电势，保护晶体管不受感应电动势峰值的冲击。

图2.7 一相励磁电路

2.3.1 二极管续流

抑制电势的最简单的形式是用二极管跨接步进电机绕组的两端，如图2.8所示。在绕组导通期间，二极管处于反向截止状态。当绕组断电时，绕组电势极性反向，二极管处于正向导通的状态，为电流提供一个续流回路，二极管把功放管的集射极电压钳位到电源电压+U。

当一相绕组断电时，存储在绕组中的能量必须消耗在电路的电阻R中，该电阻包括绕组电阻，串联电阻和二极管正向导通电阻，衰减时间常数为L/R。在低速时，断电相电流衰减缓慢是允许的，但高速时，就会影响步进电机的控制性能。

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图2.8 二极管泄放电路 图2.9 负载曲线

2.3.2 二极管—电阻续流

要求高速或变速运行时，断电绕组的能量必须尽快消耗，这可以通过增加一个与二极管串联的电阻Rs，以减少泄放回路的时间常数，此时断电回路的时间常数为L/(R+Rs)。Rs的最大值取决于集—射极间的击穿电压Ucer。当步进电机截止时，若通过二极管的初始电流为额定电流In，即

In=U/R

则晶体管集—射极间的压降为 Uce=U+RsIn=U（1+Rs/R） 这样为使Uce

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图2.10 二极管—电阻续流回路 图2.11 负载曲线

由以上分析可知续流电路的特点如下：

(1) 断电相的磁场能量总是消耗在回路的电阻上，其中包括电动机绕组自身的电阻。

(2) 续流串联电阻的大小因需要保护功放管的安全而受到限制。

(3) 衰减时间常数大，在步进电机高速运行时产生阻转矩，影响系统的特性。

2.4 步进电机驱动电路

步进电机不能直接接到交、直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与步进电机的自身性能有关外，在很大程度上也取决于驱动器的优劣。步进电机的驱动电路应该既要保证绕组有足够的电压电流，同时又要保证驱动级功率器件的安全运行，另外还应有较高的效率、较小的功耗和较低的成本。

驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率的晶体管、达林顿管、可

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控硅以及各种功率模块。对于小功率的步进电机，可用中小功率晶体管进行驱动，晶体管具有放大倍数大、线路简单等优点，用于驱动小功率的步进电机（绕组电流在数百毫安）。对于功率较大的步进电机，由于绕组所需要的电流较大、电压高、反电动势也大，因此需要用大功率的的晶体管驱动。

步进电机驱动电路与一般电气设备驱动的不同点主要有：

(1) 各相绕组都是工作在开关状态，多数电动机的绕组都是连续的交流或者直流，而步进电机的各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是离散的。

(2) 电动机的各相绕组是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。

(3) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程中都会产生较大的反向电动势，而截止时的反电动势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。

(4) 电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电动势，这些电动势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电动势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电动势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升高而下降。

(5) 电动机绕组中有电感电动势、互感电动势、旋转电动势。这些电动势与外加电源共同作用于功率器件，当其叠加结果使电动机绕组两端电压大大超过电源电压时，会使驱动级的工作条件更为恶化。

由于步进电机需要的驱动电流比较大，所以单片机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程的接

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口芯片，如8255、8155等。驱动器可以用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。本系统为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入单片机而烧毁器件，因而在驱动器与单片机之间增加一级光耦隔离器。其接口电路原理图如图2.12所示。

图2.12 驱动电路

电路工作原理：当A输出为1时，发光二极管不发光，因而光敏三极光截止，从而使达林顿管导通，A相绕组通电。反之当A为0时经反相后，使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使达林顿管截止，A相绕组不通电，控制B、C、D相亦然。总之，只要按一定的顺序改变A、B、C、D通电的顺序，就可控制步进电机按一定的方向步进【5】。

2.5 步进电机的变速控制

对于大多数的任务而言，总希望控制系统能尽快地到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能快一些，但如果速度太快，则可能发生失步。此外一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。所谓的最高空载启动频率是指步进电机空载时，转子从静止状态不失步地进入同步状态（即步进电机每秒钟转过的角度和控制频率相对应的工作状态）的最大控制频率。当步进电机带

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负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差；当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施。一般来说，升频的时间约为0.1~1s之间。系统运行起来之后，如果到达终点时立即停止，可能会因系统惯性的原因，发生冲过终点的现象，使点位控制发生偏差，所以从高速运行到停止也应该有减速的措施【6】。

为此，提出一种变速控制的程序，该程序的基本思想是，在启动时，以低于响应频率fs的速度运行；然后开始慢慢加速，加速到一定频率fe后就以此速率恒速运行。当快要到达终点时，又使其慢慢减速，在低于响应频率fs的速率下运行，直到走完所规定的步数后就停止运行。这样步进电机便可以以最快的速度走完所规定的步数，而又不发生失步的现象。因此在点位控制过程中，运行速度需要有一个加速—恒速—减速—低恒速—停止的过程，上述的变速控制过程如图2.13所示。

图2.13 点—位控制的加减速过程

对于一个非常短的距离，如在数步范围内，电动机的加减速过程没有实际意义，只需要按起动频率运行即可。对于中等或比较长的运行距离，步进电机

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加速后应该有一个恒速的过程。系统在工作过程中，都要求加减速的时间尽量短，而恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点的时间要求最短，这就必须要求加减速的过程最短而恒速时速度最高。

加速时的起始速度应该等于或略小于系统的极限起动频率，而不是从零开始。减速过程结束时的速度一般等于或略低于起动速度，再经数步低速运行后停止。

升速的规律一般有两种，一是按直线规律升速，二是按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒定，因此要求步进电机产生的转矩为恒值。但实际上步进电机升速时由于反电动势和绕组电感的作用，绕组电流将逐渐减小，因此输出的转矩会有所下降，按指数规律升速时，加速度是逐渐下降的，接近步进电机输出转矩随转速变化的规律【7】。

由于步进电机的速度正比于脉冲频率，控制步进电机的速度实际上就是控制脉冲频率。用单片机对步进电机进行加减速控制，即控制CP脉冲的时间间隔。升速时使脉冲逐渐加密，减速时使脉冲逐渐变疏。本系统采用定时器中断来控制步进电机的加减速，实际上是不断改变定时器的定时初值的大小。在运行的过程中用查表的方式查出所需的定时初值，从而减小占用CPU的时间，提高系统的响应速度。

步进电机的加减速控制技术是步进电机控制中的一项关键技术，它直接影响步进电机运行的平稳性、升降速的快慢、定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。采用步进电机的加减速控制可以有效地克服步进电

机启动过程中出现失步的问题，提高系统的响应速度和精度【8】。

2.5.1 变速控制的方法

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1、改变控制方式的变速控制

最简单的变速控制可以利用改变步进电机的控制方式实现。例如，在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍，大约在0.1秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到达终点时，再次采用三相六拍的控制方式，以达到减速的目的。

2、均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制

步进电机的加减速控制，可以均匀地改变脉冲时间间隔来实现。例如在加速控制中，可以均匀地减少延时时间间隔；在减速时，可以均匀地增加延时时间间隔。具体地说，就是均匀地增加或减少延时程序中延时时间常数。

这种控制方法的优点是，由于延时的长短不受限制，使步进电机的频率变化范围比较宽，但它降低了单片机的实时处理能力。

3、采用定时器的变速控制

在单片机控制系统中，可以采用单片机内部的定时器来提供CP脉冲。其方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间向CPU申请一次中断，CPU响应中断后便发出一个脉冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加减速的目的【9】。

这种方法的优点是减少占用CPU的时间，提高控制系统的效率和实时处理能力。为了提高单片机的实时处理能力，系统采用中断的方法进行调速。

2.6 步进电机在自动生产线中的应用

由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响比较小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接受数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。此外，步进电机不需要位置传感器或速度传感器可以在开环状态下定位

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或同步运行，有利于装置或设备的小型化和低成本，因而在软盘驱动器、扫描仪、打印机、数控机床和自动化生产线等领域中都得了到广泛的应用【10】。

自动生产线结构如图2.14所示，它由搬运站、供料站、加工站、装配站和分拣站构成，每一个工作站都可自成一个独立的系统。搬运站的功能是向各个工作单元输送工件，每完成一道工序就把工件送给下一个工作站，等加工站完成后再将工件送到装配站和分拣站整个自动生产线的加工过程就完成。搬运站的整体运动采用步进电机驱动，具有定位精确和快速的特点。该步进电机驱动系统具有行程长、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。因此步进电机的运动控制在自动生产线中得到了广泛的应用。

为了提高系统的响应速度，需要步进电机的速度尽可能的快，但为了防止步进电机在启动过程中发生失步，需要按一定的规律对步进电机的速度进行控制，也就是对步进电机的脉冲频率进行控制。当停车时，由较高的频率突然降为零频率，使步进电机立即停止，可能会由于系统惯性的原因，转子会冲过终点，结果使停车不准确，因此停车也必须有一个降频的过程。整个加减速的控制，如本文所述的步进电机加减速控制。

图2.14自动生产线结构示意图

步进电机传动组件由齿轮传动，每转一圈搬运站移动55mm，如果步距角为θ，每转一圈需要走的步数N=360°/θ，那每一步走过的距离为L=55/N。

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由此可以算出每个站点之间的需要走的步数，即需要总的脉冲个数。例如一个步距角为1.8°的步进电机，从供料站到加工站的距离为470mm，需要总的脉冲个数为1709个【11】。各站点之间的距离如表2.2所示。

表2.2各站点距离

序号 1 2 3 4 站点 供料站—加工站 加工站—装配站 装配站—分拣站 分拣站—返回工作原点 距离 470mm 286mm 235mm 925mm 选用的步进电机的步距角越小，定位精度就越高。步进电机需要走的步数可以根据不同距离预先计算好，然后在单片机程序里设定好，也可以通过上位机进行控制。

2.7 本章小结

本章首先分析了步进电机的原理，并总结步进电机控制系统的特点；其次根据步进电机的控制特点，设计步进电机的驱动电路和环形脉冲分配器；为了使控制系统快以最短时间到达控制终点，并根据步进电机的矩频特性设计步进电机的变速控制的方法。最后根据步进电机的优点，介绍步进电机在自动生产线中的应用。

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第三章 控制系统硬件设计

3.1 硬件系统设计原则

系统的扩展和模块设计应遵循下列原则【12】：

（1）尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。

（2）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件的长，而且占用CPU时间。所以选择软件方案时，要考虑到这些因素。

（3）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存贮器的存取时间有限，应选择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。

（4）可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择，去耦滤波等。

（5）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。

（6）系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展的需要。

3.2 控制系统组成

控制系统硬件电路主要由键盘显示电路、工作状态显示电路、环形脉冲分

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配器、步进电机驱动电路、51单片机、电源及复位六部分组成。系统硬件框图如图3.1所示。

图3.1 系统硬件框图

3.3 主要元件的选择

3.3.1 单片机的选择

随着微电子工艺水平的提高，近十年来单片微型计算机有了飞速的发展。在MCS-51系列单片机系列内核8051/80C51的基础上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司纷纷推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL公司的AT89C51系列单片机是当今具有较高性能的单片微型计算机系列产品之一，特别适用于要求实时处理、实时控制的各类自动控制系统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电机控制系统等。

其主要特点有：

（1） CPU内核完全和MCS-51系列兼容，具有MCS-51系列单片机的一切功能。

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（2） 内部集成了4K字节的在线可编程FlashROM，可满足大部分系统扩展的需求，编程方更快捷。

（4） 可在0～24MHz的晶振频率范围内可靠工作，加快了系统的工作速度，可用在某些高速实时处理控制系统中。

（5） 内部具有256个字节的RAM和3个16位定时器，可以存放系统运行中的数据和满足定时或计数功能扩展的需要。

（6） 具有6个中断源，完全可以满足一般设计的中断系统扩展需要。 因此，AT89C51系列单片机以其优越的性能在控制系统设计中得到了广泛的应用，由于其内部功能完善，可以大大减少扩展系统外围电路，而且性能稳定，因此在本控制系统的设计中，选用了AT89C51单片机作为中央控制单元。

3.3.2 EPROM的选择

只读存储器(ROM)的特点是：其内容是预先写入的且一旦写入，使用时就只能读出不能改变，掉电时也不会丢失，ROM器件还具有结构简单、信息度高，价格低，非易失性和可靠性高等特点。

EPROM是以浮栅型MOS管作存储单元，它里面存储的内容可以通过紫外线光的照射而被擦除，而且又可再用电流脉冲对其重新编程写入程序或数据，而且还可多次进行擦除和重写，故称为可擦除可编程ROM，因而EPROM得到了广泛的应用。

Intel 2716是2K×8的EPROM存储器。2716的管脚排列如图3.2所示。它有读方式、未选中方式、编程方式、程序检验方式、编程禁止方式5种工作方式如表3.1所示【13】。

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图3.2 2716 管脚排列

2716管脚定义如下：

A0—A10：地址线，11位(对应2K存储单元)地址信号输入引脚； O7—O0：8位双向数据线，编程时作数据输入线，读出时作数据输出线；

CE：片选允许输入端，低电平有效；

OE：数据输出允许控制信号引脚，低电平有效；

Vpp：+25V电源，用于专用装置上进行写操作；

表3.1 2716工作方式

引脚 方式 CE/PGN OE Vpp O7 — O0 读出 未选中 编程 程序校验 编程禁止 低 高 正脉冲 低 低 低 X 高 低 高 +5V +5V +25V +25V +25V 程序读出 高阻 程序写入 程序读出 高阻

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3.3.3 可逆计数器的选择

由于环形脉冲分配器不但需要接收脉冲信号CP，还需要接收方向电平，因此所选的计数器需要是一个可逆的计数器。计数器选用74LS191，这是一种单时钟4位二进制可逆计数器，时钟脉冲从CP端输入，加/减脉冲由同一端输入，加/减控制线的高低电平控制加减计数。74LS191是单时钟方式的可逆计数器，计数器的输出QA～QD接EPROM的低四位地址线，这样可以选通EPROM的十六个地址（00H～0FH），将步进电机的励磁状态从EPROM中输出，控制绕组的导通和截止。74LS191的工作方式选择如表3.2所示。

用74LS164的clk端作为环形脉冲分配器的CP脉冲信号输入端，加减计数控制端作为正反转控制信号输入端。

表3.2 74LS191功能表

输入 置数 使能 加减 时钟 工作模式 加计数 减计数 预置 保持 H L L H L H L X X X H H X X

3.4 控制系统接口电路的设计

3.4.1 环形脉冲分配器设计

环形脉冲分配器是用来接收单片机的CP脉冲，并根据步进电机的励磁状态转换表的状态顺序输出各相绕组的导通或截止信号。每来一个CP脉冲，环

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形脉冲分配器的输出就转换一次。因此，步进电机转速的高或低、加速或减速、启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无和频率。同时，环形脉冲分配器还必须接收控制器发出的方向电平信号，从而决定其输出的状态转换是按正序转换还是反序转换，于是就决定了步进电机正反转。接收来自控制器的CP脉冲和方向电平是环形脉冲分配器的最基本功能。

环形脉冲分配器由EPROM和可逆计数器构成，将步进电机的励磁状态以二进制的形式存入EPOROM，只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址内容，EPROM的输出就是步进电机的励磁状态。可逆计数器的输出作为EPROM的地址输入端，计数器的一个计数状态就对应步进电机的一个励磁状态，控制计数脉冲CP就可以控制步进电机的运行，加减计数控制端可以控制步进电机正反转。环形脉冲分配器电路如图3.3所示。

图3.3 环形脉冲分配器电路

这种方法适用于控制任意类型的步进电机。对于不同类型的步进电机及不同的励磁方式，只需改变存储的状态表，硬件不需要做任何的变化。跟软件的方法相比，需要增加硬件的成本，但软件简单，速度快，少占用CPU的时间，提高了系统的响应速度，软件方法的优点是节省硬件，降低系统的成本，且更

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改灵活，有利于系统的小型化，其主要的缺点是占用CPU时间较多，降低系统的响应速度。为了提高系统的响应速度，本文采用硬件设计环形脉冲分配器。

3.4.2 显示电路设计

单片机与显示电路的接法一般有如下两种方法：

（1）串行接法：设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中74LS164带锁存，使用串行接法可以节约I/O口资源，发送数据时容易控制。

（2）并行接法：使用并行接法时要对每个数码管用I/O口单独输入数据，占用资源较多。

由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，故使用串行接法，另外，74LS164的锁存作用也起到节约资源的作用。

数码管显示电路是通过串行口方式0扩展单片机的输出口，在“串入并出”芯片74LS164的配合下，单片机RXD引脚接74LS164串行数据输入端，TXD引脚接74LS164移位脉冲输入端CLK，电路如图3.4所示【14】。

图3.4 数码管显示电路

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3.4.3 外部复位电路设计

MCS-51系列单片机采用高电平复位方式，为保证CPU内部各单元电路可靠复位，RST引脚的复位脉冲高电平维持时间必须大于2个机器周期（即24个振荡周期）。单片机外部的复位电路如图3.5所示，该电路具有手动复位和上电复位的功能。

3.5 外部复位电路

上电复位：接通电源的瞬间，电容C上的电压很小，RST引脚为高电平。在电容充电过程中，RST引脚的电位逐渐下降，当RST引脚的电位小于某一特定值后，CPU就会脱离复位状态，只要电容C的容量足够大，就能保证RST引脚高电平时间大于24个振荡周期，使CPU可靠复位。二极管VD的作用在于：掉电后给电容C提供放电回路，保证再次上电时RST引脚为高电平，使CPU可靠复位。当VCC=0时，VCC端与地等电位，电容C通过VD迅速放电。放电回路为C正极、电源Vcc端（与地等电位）、二极管VD正极、二极管VD负极、C负极，保证再次上电时，RST引脚为高电平，CPU可靠复位。

手动复位：当按下手动复位按钮时，电容C通过R2放电，当电容C放电

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结束后，RST引脚电位由R2、R1分压比决定，由于R2<

3.5 控制系统整体电路设计

将各接口电路有机结合起来形成一个完整的电路，电路图如附录C所示。它是以单片机为核心的控制电路，可以实现步进电机根据设定的步数进行自动加减速控制，使控制系统以最短的时间走完所规定的步数而又不发生失步的现象。步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。在系统工作的过程中，数码管显示步进电机需要运行的步数，并通过LED指示步进电机的工作运行状态。

3.6 本章小结

本章首先介绍了硬件系统设计原则和控制系统总体设计，其次对主要元器件进行了选择和介绍。最后对控制系统各部分的电路进行了分析和设计，并把各模块有机组合起来形成一个较完整的电路，如附录C所示。

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第四章 控制系统软件设计

4.1 软件系统设计原则

系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的，应可靠地实现系统的各种功能。应用系统种类繁多，应用软件各不相同，但是一个优秀的应用系统应具有下列特点【15】：

（1）软件结构清楚、简洁、流程合理。

（2）各功能程序实现模块化，子程序化。便于调试、连接、移植、修改。 （3）程序存储区、数据存储区规格合理，既能节约内存容量，又操作方便。 （4）运行状态实现标志化管理。各个功能程序运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态标志条件来控制。

（5）经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改“痕迹”。规范化的程序便于交流、借鉴，也为今后的软件模块化，标准化打下基础。

（6）实现全面软件抗干扰设计。软件抗干扰是计算机应用系统提高可行性的有力措施。

本系统的软件采用C语言编写，在此本文主要介绍软件的各个模块功能与软件流程。本系统软件设计主要包括主程序，定时器T0启动程序，调速程序，键盘显示程序，停止判断程序。

4.2 步进电机控制系统功能设计

软件主要功能是单片机根据设定的步数，实现步进电机的自动加减速控制，使控制系统以最快的速度走完所设定的步数，并通过数码管和LED显示

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步进电机的运行参数。其具体功能如下：

按正转按键时，步进电机正转；按反转按键时，步进电机反转；按停止按键时，步进电机步进电机停止运行；通过键盘可输入所需要运行的步数，输入的步数的范围为0—9999步，当输入参数完毕后，按启动按键步进电机开始运行，同时数码管显示所需要运行的步数并通过LED显示步进电机的运行状态。单片机根据所输入的步数判断是否需要进行加速启动，当输入的步数小于100时，步进电机以最低速度25 r/min运行。当输入的步数大于100时，步进电机从最低速度25 r/min开始加速运行，当加速到99 r/min时步数仍大于100时，步进电机以设定的最大速度99 r/min恒速运行，当步数小于100时，步进电机开始减速，减速到25 r/min时，步进电机以设定的最低转速25 r/min走完所规定的步数。当步数为0时，步进电机停止运行。输入步数大于100时的调速过程如图4.1 所示。

图4.1 变速控制中转速与步长之间的关系

4.3 主程序设计

4.3.1 主程序工作过程

（1）系统初始化。系统初始化包括定时器T0初始化，步进电机工作状态

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的初始化。步进电机的初始化状态为停止、正转，数码管显示步数为0。

（2）键盘扫描及按键处理。判断是否有按键按下，若有则进行按键处理。按键功能包括数字按键，启动按键，停止按键，正转按键，反转按键、复位按键等功能按键。

（3）系统启动。单片机读取开关状态标志，判断是否启动系统。 （4）定时器T0启动。T0的中断服务程序主要用于根据步数，产生一个频率可以改变的脉冲信号，调节步进电机的加减速过程。

（5）调速。根据输入的步数判断是否需要进行调速，使控制系统以最短的时间走完所规定的步数。

（6）步数为0判断。判断是否已经走完所设定的步数，若步数为0，则单片机停止产生脉冲信号，让步进电机停止转动，即T0停止计数。

4.3.2 主程序工作流程图

主程序工作流程图如图4.2所示。在图中简单的反映出了整个控制系统的主程序工作流程。

4.3.3 定时器T0中断程序流程图

T0中断流程图如图4.3所示。T0中断程序的主要功能是能根据设定的步数产生一个频率可调的脉冲信号，从而控制步进电机的转速，并将调速范围控制在25～99 r/min。

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开始初始化键盘扫描程序Y有按键按下？N读入开关状态按键处理程序Y是否复位？N正转？YP0.1=0P0.1=1N是否启动？Y启动定时器T0NT0停止计数

图4.2 主程序流程图

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