基于单片机步进电机驱动和转速测量系统

基于单片机的步进电机驱动和转速测量系统

【摘要】 本文介绍了基于89c51单片机的步进电机驱动的控制系统的设计和电机转速测量的系统，分别概述的介绍了单片机和步进电机以及步进电机的转速测量。并采用C语言编程，结果表明该方法具有简单、进度高、稳定性好的优点，介绍了该测速的基本原理、实现的步骤和软硬件设计。

【关键词】 89C51单片机；步进电机；驱动；转速测量

前 言

目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表，用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。技术测速法又可分为机械式定时计数法和电子式计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点。

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目 录

摘要 ........................................................................ 1 关键词 ...................................................................... 1 前 言...................................................................... 2 第一章 绪 论 ................................................................. 4

1.1 简 介 ................................................................ 4 1.2 系统的总体结构 ....................................................... 4 第二章 步进电机的基本原理 ................................................... 5

2.1 步进电机的介绍 ....................................................... 5 2.2 步进电机的分类 ....................................................... 6 2.3 步进电机的基本原理和参数 ............................................. 6 2.4 步进电机的控制方式 ................................................... 8 2.5 步进电机的驱动方式 ................................................... 9 第三章 转速测量系统的原理 .................................................. 13

3.1 转速测量原理 ........................................................ 13 3.2 转速测量的方法 ...................................................... 14 第四章 系统硬件设计 ........................................................ 20 4.1 89C51单片机的介绍 .................................................. 20 4.2 复位电路 ............................................................ 20 4.3 时钟电路 ............................................................ 21 4.4 显示电路 ............................................................ 22 4.5 HD7279接口 ......................................................... 24 4.5 键盘电路 ............................................................ 26 第五章 系统软件设计 ........................................................ 27

5.1 主程序初始化 ........................................................ 27 5.2 主程序流程图、程序流程图 ............................................ 29 总 结..................................................................... 32 参考文献.................................................................... 33 致 谢 ...................................................................... 34

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第一章 绪 论

1.1 简 介

步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决

于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的驱动。

智能化转速测量可以对电机的转速进行测量，电机在运行的过程中，需要对其平稳性进行监测，适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。

当我们对步进电机的驱动和转速测量的转速、转动方向等进行控制使其在一定范围内运行从而满足在工程实践中的各种需求。

1.2 系统的总体结构

设计方案的主要模块：电源模块、单片机控制模块、步进电机模块、测量转速模块、运行按键模块、LED显示模块。总体设计框图如图1.2所示。

电 源 模 块 键盘控制模块 AT 89C51 八位LED显示模块 步进电机 测量转速 4

如图1.2 总体设计框图

第二章 步进电机的基本原理

2.1 步进电机的介绍

步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入

一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。

步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，

如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机械快速移动的需要。

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2.2 步进电机的分类

一、按工作原理分为反应式 、永磁式 、混合式 （Hybrid） ） 三种。

(1)、 反应式步进电动机：转子铁芯用硅钢片或是软磁性材料做成，没有励磁绕组；

(2)、 永磁式步进电动机：转子铁芯是用永久性磁铁做的，没有励磁绕组。

(3)、 混合式步进电机： 混合式步进电机综合了反应式 、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

二、按输出转矩大小分为

(1)、快速步进电机 （ 输出扭矩0.07~4N.m ）,可控制小型精密机床的工作台；

(2)、功率步进电机（ 输出扭矩5~40N.m ），可直接驱动机床移动部件。

三、按励磁相数分有二、三、四 、五 、六 、 八相等。

2.3步进电机的基本原理和参数

图2.1是最常见的三相反应式步进电机的剖面示意图。

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2.1三相反应式步进电机的结构示意图 1——定子 2——转子 3——定子绕组

电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60o。各磁极上套有线圈，按图2.1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360o/40=9o，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图2.1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3o。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3o；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3o。依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3o的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3o的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θb为30o。三相步进电机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电机的步距角可按下式计算：

θb=360o/NEr (1)

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式中 Er——转子齿数；

N——运行拍数，N=km，m为步进电机的绕组相数，k=1或2。

2.4 步进电机的控制方式

步进电机控制虽然是一个比较精确的，步进电机开环控制系统具有开环控制系统具有

成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种方法实现步进电机的速度控制。一种是延时，另一种是定时。延时方法是再每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。该方法简单，占用资源烧，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同的速度运行。但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出是，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序，将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精度定时，要对重装的计数初值作适当的调整。在某些时候，需要更多的可靠性、安全性或产品质量的保证，因此，闭环控制也是一种选择，一下是一些实现步进电机的闭环控制的方法：

（1）步进确认，这是最简单的位移控制，使用一个低值的光学编码器计算步进移动的数量。一个简单的回路与指令校验，验证步进电机移动到预计的位置；

（2）反电动势，一种无传感器的检测方法，使用步进电机的反电动势信号，测量和控制速度。当反电动势电压降至监测探测水平时，闭环控制转为标准开环，完成最终的位移移动； （3）全伺候控制，指全时间的使用反馈设备，勇于步进电机编码器、解码器或其它反馈传感器上，从而更为精确的控制步进电机位移和转矩。

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2.5 步进电机的驱动方式

不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器，如图2.2

所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电机直接耦合，也可理解成步进电机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。

图2.2步进电机驱动控制器

1. 单电压功率驱动接口

实用电路如图2.3（a）所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电机单步响应的改善如图2.3(b)。

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图2.3单电压功率驱动接口及单步响应曲线

2.双电压功率驱动接口

双电压驱动的功率接口如图2.4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。

图2.4双电压功率驱动接口

3.高低压功率驱动接口

高低压功率驱动接口如图2.5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图2.5所示。图中，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取1~3ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。

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图2.5高低压功率驱动接口

4.斩波恒流功率驱动接口

恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图2.6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图2.6所示。

图2.6 斩波恒流功率驱动接口

斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。 5.升频升压功率驱动接口

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为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。 6.集成功率驱动接口

目前已有多种用于小功率步进电机的集成功率驱动接口电路可供选用。

L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5~46V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图2.7所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电机的驱动。

图2.7 L298原理框图

与L298类似的电路还有TER公司的3717，它是单H桥电路。SGS公司的SG3635则是单桥臂电路，IR公司的IR2130则是三相桥电路，Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。

图2.8是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电机驱动系统。

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图

2.8 专用芯片构成的步进电动驱动系统

第三章 转速测量系统的原理

3.1转速测量原理

一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即: n=N/ (mT) (1) ◆n ———转速、单位:转/ 分钟; ◆N ———采样时间内所计脉冲个数; ◆T———采样时间、单位:分钟;

◆m ———每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。 如果m=60, 那么1 秒钟内脉冲个数N就是转速n, 即: n=N/ (mT) =N/60 ×1/60=N (2) ◆通常m为60。

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在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间T, 而T 的减小会使采到的脉冲数值N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速率,充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。

图3.0系统原理图 各部分模块的功能：

①传感器：用来对信号的采样。

②放大、整形电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。

③单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LED ④LED显示：用来对所测量到的转速进行显示。

3.2 转速测量的方法

转速测量的方法可以使用霍尔传感器或光电编码器。

（一）、霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛应用。霍尔元件是一种磁传感器。要他们可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁场有关的场合中。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

霍尔期间具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，

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频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回调、位置重复精度高（可达um级）。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广，可达55-150度。

按照霍尔器件的功能可将他们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。

集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。

集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。

开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。

图3.1 霍尔传感器的电路图

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（二）、光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及

转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。下面就我就光电编码器在这几方面的应用方法做一下介绍。

可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。

M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法。在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么M1就应该大于50。在一定的转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差，可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。 M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。

如图3.2“M”法测量转速脉冲所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：

60X? n= (3-1)

2?T转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示m1

X??2?m1 (3-2) p

图3.2 “M”法测量转速脉冲 将（3-2）式代入（3-1）式得 转速n的表达式为：

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n=

60m1 （3-3） TPP-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；

n-转速单位：（转/分）； T-定时时间单位：（秒）。

在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。

测周期法“T法”

转速可以用两脉冲产生的间隔宽度TP来决定。用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，TP也可以用时钟脉冲数来表示。对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的1/N，N为码盘孔数。如图3.3“T”法脉宽测量所示。TP通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为fc)进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为：

n=

即：

n?60 （3-4） PTP60fcPm2

（3-5）

fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：单位（Hz）； n-转速单位：（转/分）； m2-时基脉冲。

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图3.3 “T”法脉宽测量

由 “T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在。

M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数，则电机每分钟的转速为

实际工作时，在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时Tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。采用M/T法既具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十分广泛的应用。

测频测周法“M/T法”

所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图3.4“M/T”法定时/计数测量所示。 “M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值n。该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间Td由脉冲发生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。由图可见，从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达b点，预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为Tc不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达c点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时间。

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“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下：

设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式（3-2）和（3-5）可得M/T法转速计算公式为：

n?60fcm1

Pm2 (3-6)

n-转速值。单位：（转/分）； fc-晶体震荡频率：单位（Hz）； m1-输入脉冲数，反映转角； m2-时基脉冲数。

图3.4“M/T”法定时/计数测量

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第四章 系统硬件设计

4.1 89C51单片机的介绍

本系统采用单片机AT89C51芯片控制，用以产生脉冲信号控制电机，相比其它意模拟

电路产生控制信号波，AT89C51单片机拥有许多优势。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦出只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89c51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。

主要特性:与MCS-51 兼容、4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环、数据保留时间：10年、·全静态工作：0Hz-24MHz、·三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM 、32可编程I/O线 、·两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路

4.2 复位电路

计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

MCS-51单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入(对于CHMOS单片机，RST引脚的内部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51保持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、

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P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。单片机采用的复位方式是采用芯片TCM812进行复位。

TCM812是高性价比的系统监控电路，用于对数字系统的电源电压VDD 进行监控，并在必要时向主处理器提供复位信号。提供的手动复位输入可以替代复位监控器，适合使用按键来复位。无需外部元件。该器件由SOT-143方式 封装，工作温度范围为-40℃ 至+85℃。其引脚如下：

图4.0TCM812芯片的引脚图

TCM812芯片的引脚功能： （1）GND 地

（2）RESET 当VDD 低于复位电压门限值和VDD恢复上升到高于复位电压门限值之后的140 ms（最小值）内，RESET推挽输出保持高电平。

（3）MR 手动复位输入，当MR 低于VIL 时产生复位。 （4）VDD 电源电压

由于TCM812芯片的特点，本设计中采用该芯片进行复位，其电路图如下：

图4.1 复位电路

4.3时钟电路

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ 。MCS-51内部都有一个反相放大器， XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机

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内部的各个部件。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pf左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHZ-12MHZ之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，即要求线简的寄生电容要小；晶振和电容应 尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作。综合考虑，本设计采用30pf的电容，因为晶振的频率无法精确达到12MHZ，所以一般情况采用11.0592MHZ,其电路图如下所示：

图4.2 AT89C51的时钟电路

4.4显示电路

显示电路采用LED数码管显示，LED（Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。 1． LED显示器的结构及其工作原理

常用的七段显示器的结构如图4.3所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管a~g控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。

此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来，如图4.3所示，为七段数码管的管脚图。

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图4.3 七段发光显示器的结构

LED数码管通过点亮特定的字段来显示数字或符号。共阴与共阳七段LED数码管的显示字符与对应的显示段码如下表所示，共阳七段数码管的段码刚好是共阴七段数码管段码的反码。

表4-2 共阴极七段LED数码管和共阳极七段LED数码管的显示段码表

显示字符 共阴极字符 共阳极字符 显示字符 共阴极字符 共阳极字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H 9 A b C d A1H E F H P 6FH 77H 7CH 39H 5EH 79H 71H 76H 73H 90H 88H 83H C6H 86H 8EH 89H 8CH LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 A．静态显示驱动

静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O口来驱动，要知道一个89C51单片机可用的I/O口才32个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。 B．动态显示驱动

数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划\\的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位

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元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 2． LED显示器接口电路的具体设计

单片机的LED显示接口设计可采用多种方案。按照显示方式分为静态显示接口电路和动态显示接口电路。从与单片机的接口方式来分可分为并行接口方式和串行接口方式。在设计LED显示接口电路时，既可采用通用集成芯片，也可采用专用的集成显示接口芯片。在本设计考虑了综合因素，一般采用动态显示方式，采用了HD7279驱动器驱动LED数码管，在接下来的小节中将具体介绍其功能。因为 HD7279A是一款具有简单SPI串行接口的器件，可直接驱动8位共阴式数码管，所以我们采用了共阴极数码管。为了使LED数码管的正常工作，都采用一定的驱动电压，所以在显示电路设计过程中，还应该加上限流电阻，具体的电路图将在下节一起介绍。

4.5 HD7279接口

1．引脚介绍

HD7279A是一款具有简单SPI串行接口的器件，可直接驱动8位共阴式数码管(或64个独立的LED)，管理多达64键键盘，单片即可完成LED显示和键盘接口的全部功能，大大简化电路设计，占用单片机资源极少(最少2线)，完全免调试，外围电路更简单。HD7279A内部含有译码器可直接接收BCD码或16进制码，也可不译码，并同时具有两种译码方式。此外，该器件还具有多种控制指令，诸如消隐，闪烁，左移，右移和段寻址等，显示控制方式灵活，其段寻址能力可用于独立的LED显示或信息指示灯控制。图4.4为HD729A的引脚配置，其各引脚功能描述如表4-3所列。HD7279A具有片选信号，可方便实现高于8位的显示或高于64键的键盘接口，采用多片级联，对片选信号进行译码即可实现。当应用系统中只有一片HD7279A时，片选端CS可直接接地。

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图4.4 HD7279引脚配置 表4-3 HD7279引脚功能介绍 引脚 1,2 3,5 4 6 7 8 名称 VDD NC VSS 功能描述 正电源 无连接，必须悬空 接地 片选输入端，此引脚为低电平，可向器件发送指令及读取键盘数据 同步时钟输入端，向器件发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效 DATA 串行数据输入/输出端，当器件接收指令时，此引 脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在‘读’ 指令最后一个时钟的下降沿变为输出端 9 10~16 17 18~25

CS CLK KEY SG~SA DP 按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效 按键时，此引脚为低电平 段g~ 段a驱动输出 小数点驱动输出 DIG0-DIG7 数字0~ 数字7 驱动输出 25

26 27 28 CLKO RC RC振荡器连接端 复位端 复位端 RESET 2．HD7279A的工作原理

HD7279A最显著的优点是与单片机的接口简单，最多只需5条连接线，分别是复位端RESET，片选输入端CS，同步时钟输入端CLK，数据输入输出端DATA和按键有效输出端KEY。在一般应用系统中，RESET可直接接电源，当应用系统中只有一片HD7279A器件时，CS也可以直接接地，此时只需占用3条单片机的I／O端口线，如果应用系统中没有键盘，仅具有显示功能，或者即使有键盘，但单片机软件任务不复杂，均可不接KEY线，使用定时读取键盘键值代码的方法，则此时只需占用2条单片机的I/0端口线。 3．HD7279A接口的具体设计

根据HD7279A的特点与优点，我们选择该器件来驱动数码管，实现数码显示，其具体电路如图4.5 所示：

图4.5 HD7279驱动显示器的具体电路 4.5 键盘电路

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本设计使用的键盘主要为完成一个功能—转速测量的启动/停止；我们将开关直接与AT89C51单片机的P1.1接口相连，通过读I/O口，判定各I/O线的电平状态，即可识别出按下的按键。操作员通过键盘可以输入数据或指令，实现简单的人机通信。我们采用了独立式键盘电路，按键均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，个I/O口有确定的高电平，同时，还备用两个按键方便扩展，其具体电路如下所示：

图4.6键盘电路

第五章 系统软件设计

硬件电路完成以后，进行系统软件设计。首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体的设计，包括程序的总体设计和对程序的模块化设计。按整体功能分为多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块装配联调，组成完整的软件。

根据设计的要求，单片机的任务是：内部进行计数，在计算出速度后显示。软件编程用C语言完成的，需要能掌握C语言，还要熟练AT89C51单片机。从程序流程图、编写程序、编译，到最后的调试，是很复杂的。下面作简单介绍：系统软件主程序的功能是完成系统的初始化、显示程序。

5.1 主程序初始化

（1）.定时器的初始化

AT89C51有两个定时器/计数器T0和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为13位进行定时或计数。计数器的功能是对T0或T1外来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。

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定时功能是通过计数器的计数来实现的，每个机器周期产生1个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1，因此定时时间等于计数个数乘以机器周期。定时器工作时，每接收到1个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加1，当所有位都位1时，再加1就会产生溢出，将向CPU提出定时器溢出中断身请。当定时器采用不同的工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。 定时器有4种工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此对工作方式不做具体介绍。

工作方式寄存器TMOD的设定： GATE C/T M1- M0 GATE C/T M1 M0 TMOD各位的含义如下：

◆GATE：门控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。

◆C/T：定时或计数方式选择位，当C/T=1时工作于计数方式；当C/T=0时工作于定时方式。 M1、M0为工作方式选择位 ，用于对T0的四种工作方式，T1的三种工作方式进行选择，选择情况如下表5-1：M1M0=00为方式0;M1M0=01为方式1；

表5-1 M1、M0为工作方式选择位

MO 0 0 1 1 M1 0 1 0 1 工作方式 0 1 2 3 方式说明 13位定时/计数器 16位定时/计数器 8位自动重置定时/计数器 两个8位定时/计数器（只有T0有） （2）中断允许控制

MCS-51单片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是由内部的中断允许寄存器IE的各位来控制的。中断允许寄存器IE的字节地址为A8H，可以进行位寻址.

表5-2 中断位寻址表 IE （A8H） D7 EA D6 D5 ET2 D4 ES D3 ET1 D2 EX1 D1 ET0 D0 EX0 ◆EA：中断允许总控位。EA=0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。

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◆ET2：定时器/计数器T2的溢出中断允许位 ◆ES：串行口中断允许位。

◆ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位。 ◆EX1：外部中断 INT1的中断允许位。 ◆ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位。 ◆EX0：外部中断 INT0的中断允许位。

5.2主程序流程图、程序流程图

①主程序流程图5.1

开始 初始化定时器计时器 刷新数码管 延时2ms

显示

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图5.1 流程图

②显示子程序流程图5.2

开始 显示缓存初始化 LED显示初始化 数码显示 图5.2 显示子程序流程图

③定时计数子程序流程图5.3

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开始 开定时器 开计数器 定时0.5s 计数0.5s 读出计数器值并清零 计数器定时重新装初始值并启动定时器 图5.3 定时计数子程序流程图

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总 结

采用单片机技术来实现转速的测量，可以提高转速的测量，可以提高转速测量的精确度，并且加快了采样的速率，具有较好的实时性。本文介绍了步进电机的驱动原理及方法还有步进电机的转速方法和转速的测量，由于测量精确度与转速无关，因而具有较宽的应用范围和广阔的应用的前景。

基于单片机的转速测量系统，具有硬件电路简单，程序简单和运算速度快，测速范围广，抗干扰性能好的特点。在设计的信号处理电路中经过滤波，能够进一步减少误差，是测速精度得到提高。

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参考文献

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[7]陈兴文，刘燕.基于单片机控制步进电机细分驱动的实现[J].机械设计与制造，2005.12（2）：23-24.

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致 谢

本文介绍的应用于单片机系统在转速这一领域的应用，具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、通信可靠性高的特点，实现了单片机对转速的测量的控制，它的应用非常广泛。

关于本次毕业设计，感受颇多。总的来说是可以的，富有收获的，尽管其中充满了艰辛与困难。但看到自己的成果时，所有的艰辛与疲倦都抛到了九霄云外。一种成就感在心头油然而生。另外一方面，在自己的亲身实践中，也发现了自己的一些不足的地方，有待进一步提高与改善。此次毕业设计任务是基于步进电机驱动与转速测量系统，在实际过程中遇到的种种问题使我在硬件和软件设计中学习到了许多知识。

整个毕业设计过程是对自己在大学中所学知识归纳总结和应用，也就是把理论知识用到实践之中去。让理论和实践相结合，以此产生实际的成果。而这正是我们学习理论知识的目的之所在。

除此之外，我们要在拥有扎实的专业知识的前提条件下，在整个设计过程中要有信心和耐心，对自己有信心，相信自己能够很好的完成本次设计任务。在不断发现问题进而解决问题，这是一个再学习的过程，其本身就是对自己的一次锻炼，培养了自己独立思考，动手解决问题的能力。从而从各个方面得到提高与完善了自己，使自己的各个方面提高到一个新的台阶，同时为以后的工作打下基础。

在本次毕业设计中，特别要感谢刘雁群老师以及其他老师和同学给我们的热心帮助和鼓励，才使得我们的毕业设计能够很好的完成。

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