【正文】 ................................ 34 第 6 章 PCB 板設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 35 加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝 ................................................................................ 35 PCB 板參數(shù) 設(shè)置 .............................................................................................. 36 元件布局及布線(xiàn)設(shè)計(jì) ..................................................................................... 38 結(jié)束語(yǔ) ................................................................................................................................ 40 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 41 致 謝 ................................................................................................................................ 42 附錄Ⅰ 總體電路圖 ....................................................................................................... 42 1 第 1 章 緒論 課題的來(lái)源 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 , 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床的制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以 被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無(wú)法滿(mǎn)足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以并用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的 馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 課題研究的意義 對(duì)基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行設(shè)計(jì)：一方面是對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，可以更好地學(xué)習(xí)單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)，另一方面 步進(jìn)電機(jī)可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。使用恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候，甚至可以和直流伺服電動(dòng)機(jī)性能相媲美。 課題國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 上 個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，動(dòng)作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在本世紀(jì)初，由于資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時(shí)也使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。到了 80 年代后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式更加靈活多樣。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元 2 件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路。計(jì)算機(jī)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出電動(dòng)機(jī) 的潛力。因此，用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代趨勢(shì)。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制。步進(jìn)電機(jī)靠一種叫環(huán)形分配器的電子開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)功率放大器使勵(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵(lì)磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會(huì)在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步 進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)階段，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)獲得最多的應(yīng)用。 課題研究的目的和主要內(nèi)容 本文針對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的設(shè)計(jì)，首先介紹了選題的要求，之后詳細(xì)敘述了軟件和硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程。 在時(shí)鐘脈沖的作用下，各個(gè)按鍵都能按照事先設(shè)定好的規(guī)則進(jìn)行控制。確定鍵能使界面從初始化顯示切換到步進(jìn)電機(jī)顯示界面， 09 十個(gè)數(shù)字鍵用來(lái)設(shè)置轉(zhuǎn)速，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)向，加速和減速鍵用來(lái)控制轉(zhuǎn)速，以十轉(zhuǎn)為基本單位進(jìn)行 遞加或遞減，設(shè)置鍵可以設(shè)置轉(zhuǎn)向、精確的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，當(dāng)設(shè)置完成是可以用啟動(dòng)鍵啟動(dòng)。 硬件部分是由中央處理器（ AT89C51 單片機(jī)），控制部分（獨(dú)立式按鍵系統(tǒng)），顯示部分（ 12864LCD 液晶顯示模塊）組成的，驅(qū)動(dòng)部分（ L298 芯片）；軟件部分的主要內(nèi)容是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制、驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編寫(xiě)和調(diào)試以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的功能。通過(guò)硬件和軟件調(diào)試，并針對(duì)問(wèn)題分析修改后，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部分之間通過(guò)數(shù)據(jù)的傳送最終完成了整個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行、顯示和進(jìn)行按鍵的功能。 最后論文對(duì)設(shè) 計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)設(shè)計(jì)中可以進(jìn)一步改善的地方提出了建議。 3 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)方案設(shè)計(jì)與分析 方案提出 方案一：采用基本電路以及相關(guān)芯片對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)選用 PMM8713 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器、 SI— 7300A 四相功率驅(qū)動(dòng)器，組成四相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電機(jī)的控制框圖如圖 所示 [5][4]： 圖 方案一框圖 方案二：用單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的核心控制器件，鍵盤(pán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、時(shí)間等，液晶顯示當(dāng)前狀態(tài)。系統(tǒng)框圖如圖 所示 [1][2]： 圖 方案二框圖 相較之下用 單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)要比采用基本電路控制的步進(jìn)電機(jī)要簡(jiǎn)單很多，在價(jià)格上單片機(jī)可能稍微高上少許，但用單片機(jī)后可以省下許多控制器件，這樣看來(lái)反而便宜一些了。 另外，在大學(xué)中我們已經(jīng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了單片機(jī)，對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用編程比較熟悉。 考慮到以上因素，采用了第二套方案。以下將會(huì)對(duì)所選方案的可行性和主要芯片的選擇做系統(tǒng)的介紹。 4 可行性分析 現(xiàn)如今， 步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域 ， 隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件 。 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ，但是這種簡(jiǎn) 單也是相對(duì)的，步進(jìn)電機(jī)本身的代碼還是相當(dāng)繁雜，它要執(zhí)行一系列指令才能正確的完成一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，才能按照設(shè)計(jì)者的意志工作。那么步進(jìn)電機(jī)能否用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)呢？答案是肯定的，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面加以說(shuō)明。 首先，我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)電機(jī)是一個(gè)功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單步進(jìn)電機(jī)，不像其他的電機(jī)那樣功能復(fù)雜，它只要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間及正反轉(zhuǎn)即可，對(duì)于實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)功能，程序不是太復(fù)雜，用一塊單片機(jī)足以達(dá)到目的。其次，它的控件也比較少只有10 個(gè)數(shù)字鍵和 6 個(gè)控制功能鍵，這些控鍵在 Proteus 中用彈跳式按鍵代替即可。第三，電機(jī)的顯 示相對(duì)比較小、畫(huà)面簡(jiǎn)單，只有轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)時(shí)間等幾個(gè)漢字，這些在一塊稍大的液晶屏上就足以顯示。第四，就編程語(yǔ)言方面來(lái)說(shuō)，編寫(xiě)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的步進(jìn)電機(jī)不需要什么高級(jí)的語(yǔ)言， C 語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言就足以完成， C 語(yǔ)言是一種通用型的語(yǔ)言，編程靈活、可讀性強(qiáng)、移植性好；匯編語(yǔ)言是一種直接面向硬件的基礎(chǔ)語(yǔ)言，最接近機(jī)器語(yǔ)言，執(zhí)行速度快（本設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)）。由以上幾點(diǎn)可知：用單片機(jī)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)在硬件和軟件兩個(gè)方面都是可行的。 主要器件選擇 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的種類(lèi)有很多： 通用型單片機(jī)按位數(shù)分有 4 位機(jī) ,8 位機(jī) ,16 位機(jī)和 32 位機(jī)等等。按廠(chǎng)家分種類(lèi)就更多 ,我國(guó)目前最常用的單片機(jī)有如下幾家 :Intel 公司的(MCS51 系列 ,MCS96 系列 )； Atmel 公司的 (AT89 系列 ,MCS51 內(nèi)核 )；Microchip 公司的 (PIC 系列 )； Motorola 公司的 (68HCXX 系列 )； Zilog 公司的(Z86 系列 )； Philips 公司的 (87,80 系列 ,MCS51 內(nèi)核 )； Siemens 公司的 (SAB80系列 ,MCS51 內(nèi)核 )； NEC 公司的 (78 系列 )，每種單片機(jī)的都有不同，包括： I/O口個(gè)數(shù)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)、 數(shù)據(jù) /程序存取區(qū)大小、中斷源個(gè)數(shù)、有無(wú)看門(mén)狗中斷、有無(wú) A/D 轉(zhuǎn)化等等 [1][2][9]。 基于本電機(jī)的設(shè)計(jì)只用到了不到 20 個(gè) I/O 口； 1 個(gè)定時(shí)器斷。所以選擇了 Atmel公司的 AT89C51 單片機(jī)。其參數(shù)如下： 基于 8051 的全靜態(tài) CMOS 工藝控制器； 3 級(jí)流水線(xiàn)指令執(zhí)行架構(gòu)； 5 32 個(gè) I/O 口； 2 個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器； 6 個(gè)中斷源； 4K 的閃存程序存儲(chǔ)器； 128 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存取器。 由以上參數(shù)可知 AT89C51 單片機(jī)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求 ,且在成本上較其他類(lèi)型的單片機(jī)有優(yōu) 勢(shì)。 液晶屏的選擇 液晶屏的種類(lèi)也有很多，我們經(jīng)常用到的液晶屏包括： AMPIRE128*64；LGM12641BS1R； LM016L； LM020L； LM017L等等。 前兩種為不帶字庫(kù)的漢字、圖形點(diǎn)陣液晶屏，共 64 行， 128 列，能顯示 4 行 8列 32 個(gè) 16*16 點(diǎn)陣漢字或 4 行 16 列 64 個(gè) 16*8 點(diǎn)陣字符或者最大 128*64 點(diǎn)陣圖形。也有帶字庫(kù)的 12864，功能一樣。 后幾種則是帶字庫(kù)的字符點(diǎn)陣，不能顯示圖形。 LM016L 為能顯示 2 行 16 列32 個(gè)字符的液晶屏； LM020L 為能顯 示 1 行 16 列 16 個(gè)字符的液晶屏； LM017L為能顯示 2 行 32 列 16 個(gè)字符的液晶屏。 由以上介紹可知， AMPIRE128*64 液晶顯示模塊表示橫向有 128 點(diǎn)，縱向有64 點(diǎn)，可顯示 16*16 中文字 4 行，每行 8 個(gè)字，很明顯，這塊液晶屏滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的顯示要求，大小也合適。如轉(zhuǎn)速顯示、時(shí)間顯示等，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。這塊液晶和以上的很不一樣，它基于 T6963C 內(nèi)核，引腳更多，功能更復(fù)雜，指令集也更多（這些相關(guān)內(nèi)容將在下一章具體介紹） [1][2][3]。 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本部分內(nèi)容包括介紹 AMPIRE128*64 及其引腳功能；介紹 T6963C 指令集；晶振電路、復(fù)位電路的硬件設(shè)計(jì)；控件及按鍵電路設(shè)計(jì)，最后給出步進(jìn)電機(jī)仿真的整體硬件電路圖，接下來(lái)是具體的說(shuō)明 [1][5][6]。 AMPIRE128*64 液晶屏介紹 AMPIRE128*64 是一種具有 4 位 /8 位并行、 2 線(xiàn)或 3 線(xiàn)串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集 。 利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便 的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示 84 行 1616 點(diǎn)陣的漢字 。 也可完成圖形顯示 。 低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊 ，其在 Proteus 中的元器件圖形如下 [6]： 圖 AMPIRE128*64 7 各引腳的功能描敘如下表 表 AMPIRE128*64引腳功能表 引腳 序列 引腳名稱(chēng) 引腳功能描述 1