【正文】 ................................ 34 第 6 章 PCB 板設計 ...................................................................................................... 35 加載網(wǎng)絡表及元件封裝 ................................................................................ 35 PCB 板參數(shù) 設置 .............................................................................................. 36 元件布局及布線設計 ..................................................................................... 38 結束語 ................................................................................................................................ 40 參考文獻 ............................................................................................................................ 41 致 謝 ................................................................................................................................ 42 附錄Ⅰ 總體電路圖 ....................................................................................................... 42 1 第 1 章 緒論 課題的來源 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一 , 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。 步進電機廣泛應用在生產實踐的各個領域。它最大的應用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進電機不需要 A/D 轉換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉化成為角位移，所以 被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術的發(fā)展，步進電動機已經能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構的驅動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅動電動機。除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅動器的 馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中。 步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。 課題研究的意義 對基于單片機控制的步進電機的轉速控制進行設計：一方面是對所學知識的綜合運用，可以更好地學習單片機的應用技術，另一方面 步進電機可以發(fā)揮其結構簡單、可靠性高和成本低的特點。使用恰當?shù)臅r候，甚至可以和直流伺服電動機性能相媲美。 課題國內研究現(xiàn)狀 上 個世紀就出現(xiàn)了步進電動 機，它是一種可以自由回轉的電磁鐵，動作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。在本世紀初，由于資本主義列強爭奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時也使得步進電動機的技術得到了長足的進步。到了 80 年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元 2 件或者集成電路組成的控制回路，不僅調試安裝復雜，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計電路。計算機則通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出電動機 的潛力。因此，用計算機控制步進電機已經成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨勢。步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。步進電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵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，就會在空間形成一種階躍變化的旋轉磁場，使轉子步進式的轉動，隨著脈沖頻率的增高，轉速就會增大。步進電機的旋轉同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉子齒輪數(shù)有關。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步 進電機和單相式步進電機等。其中反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。現(xiàn)階段，反應式步進電機獲得最多的應用。 課題研究的目的和主要內容 本文針對步進電機控制的設計，首先介紹了選題的要求，之后詳細敘述了軟件和硬件的設計過程。 在時鐘脈沖的作用下，各個按鍵都能按照事先設定好的規(guī)則進行控制。確定鍵能使界面從初始化顯示切換到步進電機顯示界面， 09 十個數(shù)字鍵用來設置轉速，正轉和反轉控制電機的正反轉向，加速和減速鍵用來控制轉速，以十轉為基本單位進行 遞加或遞減，設置鍵可以設置轉向、精確的轉速、轉動時間，當設置完成是可以用啟動鍵啟動。 硬件部分是由中央處理器（ AT89C51 單片機），控制部分（獨立式按鍵系統(tǒng)），顯示部分（ 12864LCD 液晶顯示模塊）組成的，驅動部分（ L298 芯片）；軟件部分的主要內容是通過對步進電機的控制、驅動程序進行編寫和調試以實現(xiàn)步進電機的功能。通過硬件和軟件調試，并針對問題分析修改后，步進電機系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。步進電機系統(tǒng)中各個部分之間通過數(shù)據(jù)的傳送最終完成了整個步進電機的運行、顯示和進行按鍵的功能。 最后論文對設 計進行了總結，對設計中可以進一步改善的地方提出了建議。 3 第 2 章 步進電機方案設計與分析 方案提出 方案一：采用基本電路以及相關芯片對步進電機進行控制。本設計選用 PMM8713 四相步進電機的脈沖分配器、 SI— 7300A 四相功率驅動器，組成四相步進電機的驅動電路，步進電機的控制框圖如圖 所示 [5][4]： 圖 方案一框圖 方案二：用單片機作為步進電機的核心控制器件，鍵盤調節(jié)轉速、時間等，液晶顯示當前狀態(tài)。系統(tǒng)框圖如圖 所示 [1][2]： 圖 方案二框圖 相較之下用 單片機控制的步進電機要比采用基本電路控制的步進電機要簡單很多，在價格上單片機可能稍微高上少許，但用單片機后可以省下許多控制器件，這樣看來反而便宜一些了。 另外，在大學中我們已經系統(tǒng)的學習了單片機，對單片機的應用編程比較熟悉。 考慮到以上因素，采用了第二套方案。以下將會對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， 步進電機廣泛應用在生產實踐的各個領域 ， 隨著步進電動機技術的發(fā)展，步進電動機已經能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件 。 步進電機結構簡單 ，但是這種簡 單也是相對的，步進電機本身的代碼還是相當繁雜，它要執(zhí)行一系列指令才能正確的完成一個簡單的操作，才能按照設計者的意志工作。那么步進電機能否用單片機實現(xiàn)呢？答案是肯定的，現(xiàn)從以下幾個方面加以說明。 首先，我們設計的這個電機是一個功能相對比較簡單步進電機，不像其他的電機那樣功能復雜，它只要控制電機的轉速、轉動時間及正反轉即可，對于實現(xiàn)這樣一個功能，程序不是太復雜，用一塊單片機足以達到目的。其次，它的控件也比較少只有10 個數(shù)字鍵和 6 個控制功能鍵，這些控鍵在 Proteus 中用彈跳式按鍵代替即可。第三，電機的顯 示相對比較小、畫面簡單，只有轉向、轉速、旋轉時間等幾個漢字，這些在一塊稍大的液晶屏上就足以顯示。第四，就編程語言方面來說，編寫這樣一個簡單的步進電機不需要什么高級的語言， C 語言或匯編語言就足以完成， C 語言是一種通用型的語言，編程靈活、可讀性強、移植性好；匯編語言是一種直接面向硬件的基礎語言，最接近機器語言，執(zhí)行速度快（本設計采用 C 語言編寫）。由以上幾點可知：用單片機設計步進電機在硬件和軟件兩個方面都是可行的。 主要器件選擇 單片機的選擇 單片機的種類有很多： 通用型單片機按位數(shù)分有 4 位機 ,8 位機 ,16 位機和 32 位機等等。按廠家分種類就更多 ,我國目前最常用的單片機有如下幾家 :Intel 公司的(MCS51 系列 ,MCS96 系列 )； Atmel 公司的 (AT89 系列 ,MCS51 內核 )；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 內核 )； Siemens 公司的 (SAB80系列 ,MCS51 內核 )； NEC 公司的 (78 系列 )，每種單片機的都有不同，包括： I/O口個數(shù)、定時 /計數(shù)器個數(shù)、 數(shù)據(jù) /程序存取區(qū)大小、中斷源個數(shù)、有無看門狗中斷、有無 A/D 轉化等等 [1][2][9]。 基于本電機的設計只用到了不到 20 個 I/O 口； 1 個定時器斷。所以選擇了 Atmel公司的 AT89C51 單片機。其參數(shù)如下： 基于 8051 的全靜態(tài) CMOS 工藝控制器； 3 級流水線指令執(zhí)行架構； 5 32 個 I/O 口； 2 個定時 /計數(shù)器； 6 個中斷源； 4K 的閃存程序存儲器； 128 字節(jié)的片內數(shù)據(jù)存取器。 由以上參數(shù)可知 AT89C51 單片機完全滿足設計要求 ,且在成本上較其他類型的單片機有優(yōu) 勢。 液晶屏的選擇 液晶屏的種類也有很多，我們經常用到的液晶屏包括： AMPIRE128*64；LGM12641BS1R； LM016L； LM020L； LM017L等等。 前兩種為不帶字庫的漢字、圖形點陣液晶屏，共 64 行， 128 列，能顯示 4 行 8列 32 個 16*16 點陣漢字或 4 行 16 列 64 個 16*8 點陣字符或者最大 128*64 點陣圖形。也有帶字庫的 12864，功能一樣。 后幾種則是帶字庫的字符點陣，不能顯示圖形。 LM016L 為能顯示 2 行 16 列32 個字符的液晶屏； LM020L 為能顯 示 1 行 16 列 16 個字符的液晶屏； LM017L為能顯示 2 行 32 列 16 個字符的液晶屏。 由以上介紹可知， AMPIRE128*64 液晶顯示模塊表示橫向有 128 點，縱向有64 點，可顯示 16*16 中文字 4 行，每行 8 個字，很明顯，這塊液晶屏滿足步進電機設計的顯示要求，大小也合適。如轉速顯示、時間顯示等，完全滿足設計要求。這塊液晶和以上的很不一樣，它基于 T6963C 內核，引腳更多，功能更復雜，指令集也更多（這些相關內容將在下一章具體介紹） [1][2][3]。 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 本部分內容包括介紹 AMPIRE128*64 及其引腳功能；介紹 T6963C 指令集；晶振電路、復位電路的硬件設計；控件及按鍵電路設計，最后給出步進電機仿真的整體硬件電路圖，接下來是具體的說明 [1][5][6]。 AMPIRE128*64 液晶屏介紹 AMPIRE128*64 是一種具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內置 8192 個 16*16 點漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集 。 利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便 的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示 84 行 1616 點陣的漢字 。 也可完成圖形顯示 。 低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊 ，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 引腳功能描述 1