【正文】 執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設(shè)備 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器 。 典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖 1 所示 ： 控制器可以發(fā)出 脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸人端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)分器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大 ， 以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)目的 。 圖 1 典型步進(jìn)電機(jī)控制框圖 軟環(huán)形分配即采用微機(jī)控制取代脈沖分配器 ，直接將 控制 信號(hào)分管腳送到驅(qū)動(dòng)電路，常用的辦法是通過編程輸出內(nèi)存中定義好的控制方式輸出字。這樣，當(dāng)步進(jìn)電機(jī) 的相數(shù)和控制方式確定之后，以一定規(guī)律輸出控制字就可以了。軟環(huán)形分配用程序取代了脈沖分配器，一定程度上降低了成本。但如果要預(yù)存的控制字很多，就會(huì)占用單片機(jī)較多內(nèi)存。此外，當(dāng)所控制的步進(jìn)電機(jī)相數(shù)較多，需要的輸出管腳也會(huì)隨之增加，這樣就占用了單片機(jī)較多的數(shù)據(jù)口，降低接口的利用率的同時(shí)限制了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)更多功能。 由于任務(wù)要求系統(tǒng)有鍵盤、顯示以及串口控制 等多個(gè)部分 ， 且要控制兩部電機(jī)， 為留出更多的數(shù)據(jù)接口 實(shí)現(xiàn)上述功能 ，設(shè)計(jì)選擇常規(guī)的電機(jī)控制電路。由脈沖分配器完成對(duì)電機(jī)繞組電平的時(shí)序控制（即脈沖分配），從而每個(gè)電機(jī)只需單片機(jī) 對(duì)應(yīng) 輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)（控制方向）和一組脈沖波（控制速度）即可。 要注意的是，對(duì)脈沖波頻率的計(jì)算和輸出控制沒有直接輸出控制字的方法精確，響應(yīng)效果也會(huì)因脈沖分配器的存在而稍差一些。 3 控制算法的方案 單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī) 的控制算法也有多種，如上述的輸出字法就是利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)功能定時(shí)輸出控制字， 把 對(duì)電機(jī)速度的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)兩次輸出時(shí)間間隔的控制?？刂扑惴ê艽蟪潭葲Q定于電機(jī)的控制方案。 上 文選定 的電機(jī)控制 方案 是 要求單片機(jī) 實(shí)時(shí) 輸出改變電機(jī)方向的觸發(fā)信號(hào)和控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)。 對(duì)于電機(jī)方向的控制，由按鍵或串口控制指令改寫對(duì)應(yīng)的標(biāo)志量的值并由接口輸出即可。 對(duì)電機(jī)速度的控制就是對(duì)輸出脈沖波頻率的控制 ，而頻率的大小是要有時(shí)間標(biāo)尺衡量的。 單片機(jī)內(nèi)部對(duì)輸出頻率的 控制 是通過兩個(gè)中間變量的比較運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的 ： 其中一個(gè)變量 （以 A 代替） 由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器 改寫 ，表征時(shí)間量 作為標(biāo)尺 ；另一個(gè)變量 （以 B 代替） 由按鍵或串口控制指令改寫，表征速度值（其大小可通過算數(shù)運(yùn)算與實(shí)際速度相統(tǒng)一）。 程序在每次執(zhí)行計(jì)時(shí)中斷程序時(shí)改變一次電平： 原來是 高電平則變?yōu)榈碗娖剑瓉硎堑碗娖絼t變?yōu)楦唠娖?。顯然， B 值的大小直接決定了比較結(jié)果產(chǎn)生的快慢，即輸出端高低電平變化的快慢。改變 B 的大小就可以改變輸出的脈沖頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)的速度。 變量的使用不僅 方便地實(shí)現(xiàn) 了對(duì)輸出脈沖頻率的控制，還有利于實(shí)現(xiàn)多部步進(jìn)電機(jī)的 異步運(yùn)行。針對(duì)每個(gè)電機(jī)定義一個(gè)速度變量， 分別 與時(shí)間標(biāo)量進(jìn)行比較運(yùn)算， 比較結(jié)果控制各自的管腳電平變化。用取反運(yùn)算或者位異或運(yùn)算改寫管腳電平，可以有效控制輸出電平而不互相干擾。 串口通訊的模擬 單片機(jī)上有通用異步接收 /發(fā)送器用于串行通信，發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)由 TXD 端送出，接收時(shí)數(shù)據(jù)由 RXD 端輸入。有兩個(gè)緩沖器 SBUF，一個(gè)作發(fā)送緩沖器，另一個(gè)作接收緩沖器。 短距離的機(jī)間通訊可使用 UART 的 TTL 電平，使用驅(qū)動(dòng)芯片可接成 RS232C 與通用微機(jī)進(jìn)行通訊。波特率時(shí)鐘必須從內(nèi)部定時(shí)器 1 或定時(shí)器 2 獲得。 本設(shè)計(jì)運(yùn)用軟件模擬上位機(jī)控制端，經(jīng)過串口輸出控制信號(hào)到單片機(jī)串行口，形成區(qū)別于鍵盤的另一種控制方式。 4 2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 微處理器的選擇 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 和 128bytes 隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 的低電壓 、 高性能 CMOS8 位微處理器 。 片內(nèi)置通用 8 位中央處理器， 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)。 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) Flash 閃存存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器；一個(gè) 5 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89C51 可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié) 電工作模式，空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM、 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 、 串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一 次 硬件復(fù)位。 用 AT89C51 足以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單控制。 控制電路的實(shí)現(xiàn) 常規(guī)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 是用 ULN 達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器 實(shí)現(xiàn)的，其內(nèi)部含有多個(gè)達(dá)林頓管，適于感性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。 本文所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器的框路圖如圖 2： 圖 2 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器框圖 L297 芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片 ， 可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極或四相單 極步進(jìn)電機(jī) 。其內(nèi)部主要 部分是一組譯碼器 ， 能產(chǎn)生各種所需的相序 。 這一部分是由兩種輸入模式控制，方向控制 (CW/CCW)和 HALF/FULL， 以及步進(jìn)式時(shí)鐘 CLOCK，能 將譯碼器從一階梯推進(jìn)至另一階梯。譯碼器有四個(gè)輸出點(diǎn)連接到輸出邏輯部分，提供抑制和斬波功能所需的相序。因此 L297 能產(chǎn)生三種相序信號(hào)，對(duì)應(yīng)于三種不同的工作方式：即半步方式 (HALF STEP)， 基本步距 (FULL STEP，整步 )一相激勵(lì)方式 ， 基本步距兩相激勵(lì)方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個(gè) 3bit可逆計(jì)數(shù)器，加上組合邏輯產(chǎn)生每周期 8 步格雷碼時(shí)序信號(hào)， 就是半步工作方式的時(shí)序信號(hào) ， 此時(shí) HALF/FULL 信號(hào)為高電。若 HALF/FULL 取低電平，得到基本步 5 距工作方式 ， 即雙四拍全階梯工作方式。 L297 另一個(gè)重要組成是由兩個(gè) PWM 斬波器來控制相繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制以獲得良好的矩頻特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器、一個(gè) RS 觸發(fā)器和外接采樣電阻組成，并設(shè)有一個(gè)公用振蕩器，向兩個(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號(hào)。 L298 是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 L298 具有兩抑制 輸入 ，可 使器件不受輸入信號(hào)影響。每橋的三級(jí)管的射極是連接在一起的，相應(yīng)外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻 ， 還 可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。 L298 芯片是具有 15 個(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。 由 L297 和 L298 所組成的 步進(jìn)電機(jī)控制電路如圖 3 所示。 這種 控制電路 的優(yōu)點(diǎn)是需要的元件 較 少 ，裝配線路簡(jiǎn)單， 成本低，可靠性高 ， 占空間少 。 控制電路所需信號(hào)也比較簡(jiǎn)易， 可以簡(jiǎn)化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。另外， L297 和 L298 都是獨(dú)立的芯片 ， 所以 組合和控制 十分靈活。 但缺點(diǎn)是，所控制的電機(jī)類型 以及運(yùn)行方式 會(huì)受 芯片限制。 圖 3 步進(jìn)電機(jī)控制電路 6 鍵盤和顯示電路 本設(shè)計(jì)鍵盤采用低電平有效的獨(dú)立鍵盤，用位運(yùn)算進(jìn)行鍵盤掃描。顯示選用 LM016L 液晶顯示器 ，可同時(shí)顯示兩部電機(jī)的運(yùn)行方向和速度。 加入通信串口，晶振以及 相關(guān)配件 后的 系統(tǒng) 總電路圖如下 ，（系統(tǒng)調(diào)試后的完整電路圖見附錄） : 圖 4 系統(tǒng)總電 路圖