【正文】 專門用來驅(qū)動繼電器的芯片，甚至在芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。ULN2022的輸出端允許通過 IC 電流 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V左右，耐壓 BVCEO 約為 36V。輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器 (SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動步進(jìn)電機。ULN2022 芯片自身功耗小、 驅(qū)動能力強、可靠穩(wěn)定、體積小、使用方便、價格不高、50V/。 （ 3）顯示模塊 采用 LED七段共陰數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示。 AT89C51 單片機輸出的脈沖序列經(jīng)過上拉電阻驅(qū)動數(shù)碼管顯示。 采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，硬件電路簡單、編程簡便、 顯示信息清晰、 器件價格低廉， 但占用單片機 I/O口較多。 （ 4）人機交互模塊 采用獨立式按鍵。 總共設(shè)置了 15個按鍵，其中四個按鍵分別執(zhí)行對步進(jìn)電機的啟動 /停止、正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)、加速、減速四種控制功能。四個按鍵不可同時按下，當(dāng)其中一個按下時 控制電機的某一種狀態(tài)。按鍵 0～ 9 完成預(yù)置步進(jìn)電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)的功能，剩余一個按鍵實現(xiàn)清零的功能。 采用獨立式按鍵，中斷工作方式。該方案原理易懂，程序簡單，但占用Ｉ／Ｏ口線較多，軟件較容易，硬件電路較繁瑣。 方案比較及選擇 方案比較： （ 1）控制模塊 :方案一 :是以 FPGA為系統(tǒng)的控制器。本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高， FPGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。 方案二 :采用 AT89C51 單片機作 為系統(tǒng)控制的核心，軟件編程靈活、自由度大、功耗低、體積小、成本低，芯片引腳少，軟硬件連接簡便靈活，硬件容易實現(xiàn)。 （ 2）驅(qū)動模塊：方案一 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)設(shè)計需要脈沖信號、信號分配、功率放大三部分組成。 由于使用的是四相的步進(jìn)電機，就需要對四路信號分別進(jìn)行放大，放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜，參數(shù)選擇困難，且需要多級放大，同時又要考慮功率的放大。方案二的 驅(qū)動模塊 直接采用 ULN2022芯片進(jìn)行功率放大。 ULN2022 芯片自身功耗小、 驅(qū)動能力強、可靠穩(wěn)定、體積小 、 使用方便。 （ 3）顯示模塊： 由于設(shè)計僅需同步顯示步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)，方案一采用液晶顯示器，雖然顯示直觀，但能實現(xiàn)更多的顯示的特點不能很好的發(fā)揮，并且器件昂貴。方案二： 采用數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示， 硬件電路簡單、編程簡便、 顯示信息清晰、 器件價格低廉。 (4)人機交互模塊：方案一 采用 4 乘 4 矩陣鍵盤，查詢工作方式，程序復(fù)雜，軟件雖然較難但電路較簡單，價格較貴。方案二采用獨立式按鍵，中斷工作方式，原理易懂、程序簡單、軟件較容易、硬件電路較繁瑣、價格低廉。 方案選擇： 綜上所述，通過對兩種方案進(jìn)行分析比較，雖然方案一 功能強大，但軟件編程復(fù)雜、硬件實現(xiàn)較困難、器件價格較高；方案二不盡能實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)要求的功能，而且軟件編程靈活、自由度大、硬件實現(xiàn)較容易、元器件性價比較高，因而綜合考慮采用方案二。 2 設(shè)計實現(xiàn) 主要元器件介紹 四相六線步進(jìn)電機的介紹 步進(jìn)電機工作原理 ： 該設(shè)計中所用到的步進(jìn)電機為四相六線步進(jìn)電機，它是采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機步進(jìn)轉(zhuǎn)動。圖 。 圖 4 四相步進(jìn)電機步進(jìn)示意圖 開始時，開關(guān) SB接通電源， SA、 SC、 SD斷開， B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 當(dāng)開關(guān) SC接通電源， SB、 SA、 SD斷開時，由于 C相繞組的磁力線和 4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4號齒和 C相繞組的磁極對齊。而 0、 3 號齒和 A、 B相繞組產(chǎn)生錯齒， 5號齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推， A、 B、 C、 D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、 B、 C、 D方向轉(zhuǎn)動。 四相步進(jìn)電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四 拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 a、 b、 c所示。 圖 5 步進(jìn)電機工作時序波形 本設(shè)計中步進(jìn)電機的參數(shù)： 模組配備的步進(jìn)電機為 25BY2406電機，工作方式為雙極性四相。電機是種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)電機接收到一個脈沖信號，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱為“步距角” )?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角 位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率實現(xiàn)步進(jìn)電機的調(diào)速。 市面上一般的步進(jìn)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 6 步進(jìn)電機的接線 本設(shè)計采用的步進(jìn)電機是 25BY2406，因生產(chǎn)廠家不同，其接線也有所不同。 電機共引出四根線，其余兩根線是公共端，經(jīng)測量后可得到其正確的接線順序，表。 表 1 步進(jìn)電機控制線 控制線顏色 黑 橙 棕 黃 控制線名稱 A B C D 其中， C與 D是電機內(nèi)部一組線圈的兩個抽頭， A與 B是另一組線圈的兩個抽頭。只需以一定的順序控制兩組 線圈中的電流方向即可使步進(jìn)電機按指定方向轉(zhuǎn)動。 25BY2406的主要技術(shù)參數(shù)如下表 。 表 2 步進(jìn)電機 25BYJ1201技術(shù)參數(shù) 電壓 相電阻 步距角 啟動轉(zhuǎn)矩（ ） 啟動頻率（ ） 定位轉(zhuǎn)矩（ ） 5~12V 20Ω 15 ≥ 120 ≥ 200 ≥ 48 AT89C51 單片機芯片介紹 本設(shè)計采用 AT89C51 單片機作為控制系統(tǒng)的核心。 AT89C51 單片機組成結(jié)構(gòu)中包含運算器、控制器、片內(nèi)存儲器、 4個 I/O口、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。 采用 HMOS制造工藝的 MCS51單片機都采用 40管腳雙列直插式封裝，除采用 40腳雙列式直插式封裝外，還有用方形的封裝方式。 40 管腳雙列直插式封裝管腳圖如 圖所示。 圖 7 MCS51系列單片機管腳圖 ULN2022 芯片介紹 ULN2022 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅 NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動芯片，如圖 所示。經(jīng)常在以下電路中使用，作為：顯示驅(qū)動、繼電器驅(qū)動、照明燈驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、伺服電機、步進(jìn)電機驅(qū)動等電路中。 圖 8 ULN2022 芯片圖 LED 七段數(shù)碼管介紹 本 設(shè)計采用六位 LED 共陰數(shù)碼顯示管作為顯示部分，即將每個數(shù)碼管的 a～ g 及 dp端串聯(lián)在一起，公共端作為位選信號輸入端。如圖 。 圖 9 六位 LED共陰數(shù)碼顯示管圖 步進(jìn)電機控制及驅(qū)動系統(tǒng)電路設(shè)計實現(xiàn) 硬件設(shè)計 根據(jù)之前確定方案及各元器件的功能原理步進(jìn)電機控制及驅(qū)動系統(tǒng)的詳細(xì)電路設(shè)計如下： （ 1）控制模塊 采用 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機作為系統(tǒng)控制的核心，如圖 所示。 圖 10 控制模塊硬件電路圖 脈沖信號由 單片機 產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為 ，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。信號分配實際上就是按照某一種控制方式（根據(jù)需要進(jìn)行選定）所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達(dá)到控制步進(jìn)電機方向的目的。 根據(jù)要求，所設(shè)計的步進(jìn)電機八拍通電順序為 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A。 步進(jìn)電機的方向控制方法是： 用單片機輸出接口的每一位控制一根相繞組。本設(shè)計中，用 ， ， ,分別接至步進(jìn)電機的 A， B， C,D四相繞組。 （ 2） 驅(qū)動模塊 直接采用 ULN2022芯 片，如圖 。由單片機產(chǎn)生的脈沖序列和方向控制信號從 ～ 口輸出，直接送入 ULN2022 芯片進(jìn)行功率放大，達(dá)到步進(jìn)電機所需的驅(qū)動電流和電壓，以此驅(qū)動步進(jìn)電機工作。 圖 11 驅(qū)動模塊硬件電路圖 （ 3）顯示模塊 采用六位 LED 七段共陰數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示，如圖 所示。由AT89C51 單片機產(chǎn)生的段選信號從 P0 輸出，經(jīng)過 1K 左右的上拉排阻驅(qū)動數(shù)碼管顯示，位選信號從 P2 口輸出直接送數(shù)碼管顯示。 采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，硬件電路簡單、編程簡便、 顯示信息清晰。 圖 12 顯示模塊硬件電路圖 （ 4） 人機交互模塊 采用獨立式按鍵，中斷工作方式。 總共設(shè)置了 15 個按鍵，如圖，其中四個控制按鍵分別執(zhí)行對步進(jìn)電機的啟動 /停止、正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)、加速、減速四種控制功能，由單片機的 ～ 口輸入。四個按鍵不可同時按下，當(dāng)其中一個按下時控制電機的某一種狀態(tài)。按鍵 0～ 9 完成預(yù)置步進(jìn)電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)的功能，剩余一個按鍵實現(xiàn)清零的功能，由單片機的 P1 口輸入。 采用獨立式按鍵，原理易懂，軟件編序簡單。 圖 13 人機交互模塊硬件電路圖 （ 5）步進(jìn)電機部分， 該設(shè)計中所用到的步進(jìn)電機為四相六線步進(jìn)電機， 圖 14 步進(jìn)電機部分硬件電路圖 軟件設(shè)計 綜合以上選取的方案，總的流程如圖 所示 。 整個程序采用 C 語言編程，使程序簡單易讀，在整個過程中采用模塊化調(diào)試，可靠性好。 詳細(xì)的源程序見附錄。 圖 15 系統(tǒng)程序流程圖 3 電路調(diào)試 以上為本作品的設(shè)計過程和結(jié)果的詳細(xì)介紹，但是，從本質(zhì)上來講，都是純理論的設(shè)計和分析。為了驗證作品的可行性，我還做了硬件電路，來對設(shè)計作品中設(shè)計方案的主要功能及其理論進(jìn)行實際驗證。同時，在軟硬件電路的調(diào)試過程，也可以發(fā)現(xiàn)本 設(shè)計作品中有沒有一些不足和錯誤的地方。為了能檢驗本畢業(yè)設(shè)計的可行性，并將其質(zhì)量推向一個更高的層次，我們認(rèn)真地設(shè)計了硬件電路，也進(jìn)行了仔細(xì)的功能調(diào)試。 軟件的仿真 系統(tǒng)電路軟件仿真的步驟如下： （ 1）打開 protuse 仿真軟件； （ 2）在軟件的元器件庫中選擇所需的器件； （ 3）按照硬件電路設(shè)計方案連線； （ 4）加載編譯好的 HEX文件； （ 5）運行、調(diào)試； （ 6）如有錯誤或與設(shè)計預(yù)期不相符，則繼續(xù)進(jìn)行步驟 3～ 5，進(jìn)行調(diào)試，至到調(diào)試成功。 系統(tǒng)仿真如圖 。 圖 16系統(tǒng)仿真軟件圖 硬 件電路的調(diào)試 當(dāng)硬件設(shè)計從布線到安裝完成之后，就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體分為以下幾步。 （ 1）排除邏輯故障 （ 2）排除電源故障 （ 3）排除元器件失效 （ 4） 脫機調(diào)試 （ 5）接入單片機調(diào)試 硬件電路調(diào)試如圖 。 圖 17硬件電路調(diào)試圖 4 數(shù)據(jù)分析及總結(jié) 測試數(shù)據(jù)及說明 圈數(shù)測試：在步進(jìn)電機的機殼上做一個標(biāo)記，從該標(biāo)記處讓步進(jìn)電機開始運行，對步進(jìn)電機的運行圈數(shù)進(jìn)行記數(shù)，記數(shù)結(jié)果與預(yù)定值及顯示值進(jìn)行比較。 預(yù)設(shè)時，第一位