【正文】 ，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 為了使我們的生活更加美滿，要求這些步進(jìn)電機(jī)必須有一個(gè)可靠的使用周期，我們能獲知它的使用壽命和一般 規(guī)律，我們才能更好地了解他、使用它。作為常用的執(zhí)行元件，它是最容易損壞的元件之一，小的事故會(huì)影響到我們?nèi)粘５纳钆c學(xué)習(xí)，大的事故就會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難的到來(lái)，而且當(dāng)今這個(gè)全自動(dòng)化生產(chǎn)線的過(guò)程中，可以用到這個(gè)測(cè)試儀來(lái)測(cè)試步進(jìn)電機(jī)的質(zhì)量，以防止不合格的產(chǎn)品產(chǎn)生，這個(gè)測(cè)試儀在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)有很大的經(jīng)濟(jì)效益。 本設(shè)計(jì)中采用了單片機(jī) 8052 為主要控制芯片，因?yàn)檫@個(gè)芯片具有存儲(chǔ)量大、體積小、總量輕、價(jià)格低等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中要完成單片機(jī)對(duì)電機(jī)、鍵盤(pán)、及存儲(chǔ)器等的功能，在設(shè)計(jì)中，要考慮到電機(jī)的速度和方向的控制，單片機(jī)的各種保護(hù)電路，分析 到這個(gè)系統(tǒng)要完成包括對(duì)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)和 LCD 顯示數(shù)據(jù)的人機(jī)操作，要在系統(tǒng)試驗(yàn)前設(shè)定好所需要的參數(shù)，而且試驗(yàn)過(guò)程中這些參數(shù)可隨時(shí)改動(dòng)，改動(dòng)后系統(tǒng)能完成任務(wù)。設(shè)定這些參數(shù)的目的是去控制進(jìn)步電機(jī)的次數(shù)和速度，在鍵盤(pán)中要用到的一些功能鍵與數(shù)字鍵的區(qū)別，所以，在程序部分應(yīng)有相應(yīng)的處理。整個(gè)系統(tǒng)由鍵盤(pán)輸入模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，整個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到必須在全自動(dòng)化下進(jìn)行，只有改變輸入?yún)?shù)時(shí)，可人為操作。必須要有存儲(chǔ)功能，以實(shí)現(xiàn)測(cè)完數(shù)據(jù)之后能自動(dòng)存儲(chǔ)，以便以后調(diào)用。要有鍵盤(pán)與顯示功能，要求軟件的編寫(xiě)出步進(jìn)電 機(jī)、鍵盤(pán)與顯示功能的程序，并且設(shè)計(jì)參數(shù)可以人為隨時(shí)更改。 2 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用背景 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合如下 ： 1) 步進(jìn)電機(jī)主要用于一些有定位要求的場(chǎng)合。 例如：線切割的工作臺(tái)拖動(dòng)，植毛機(jī)工作臺(tái) （ 毛孔定位 ） ，包裝機(jī) （ 定長(zhǎng)度） ?；旧仙婕暗蕉ㄎ坏膱?chǎng)合都用得到。 2).廣泛應(yīng)用于 ATM 機(jī)、噴繪機(jī)、刻字機(jī)、寫(xiě)真機(jī)、噴涂設(shè)備、醫(yī)療儀器及設(shè)備、計(jì)算機(jī)外設(shè)及海量存儲(chǔ)設(shè)備、精密儀器、工業(yè)控制系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化、機(jī)器人等領(lǐng)域。特別適合要求運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)、高輸出扭矩的應(yīng)用場(chǎng)合。 3) 步進(jìn)電機(jī)在電腦繡花機(jī) 等紡織機(jī)械設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，這類步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是保持轉(zhuǎn)矩不高，頻繁啟動(dòng)反應(yīng)速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)、控制第 2 頁(yè) 共 46 頁(yè) 性能好、整機(jī)成本低。目前用于電腦繡花機(jī)的步進(jìn)電機(jī)多數(shù)為五相混合式步進(jìn)電機(jī)，目的是通過(guò)采用高相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)減小步矩角和提高控制精度，但是采用該種方式獲得的性能上的提高是有限的．而且成本也相對(duì)較高。采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，抑制振蕩，降低噪音，提高步矩分辨率。若采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，在性能明顯提高的同時(shí)還能大大降低產(chǎn)品的 成本 [1]。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 的重要性 各種各樣的步進(jìn)電機(jī)被應(yīng)用在機(jī)械、電子、紡織及 一般工業(yè)或民用領(lǐng)域，比如包裝機(jī)、醫(yī)療儀器及設(shè)備、機(jī)器人等等。 因此任何步進(jìn)電機(jī)都存在使用壽命。運(yùn)用在一般工業(yè)及民用領(lǐng)域的步進(jìn)電機(jī)，對(duì)電機(jī)的使用壽命沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但如果電機(jī)被應(yīng)用到醫(yī)療、航天和精密儀器等領(lǐng)域時(shí)，電機(jī)是否良好直接關(guān)系到病人、機(jī)器人外空探測(cè)和精確操作時(shí)的安全及經(jīng)濟(jì)效益，所以必須對(duì)電機(jī)的使用壽命提出嚴(yán)格的要求，要求電機(jī)制造商務(wù)必把控電機(jī)的質(zhì)量，因此電機(jī)制造商在電機(jī)出場(chǎng)之前有必要對(duì)同一批號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行抽查測(cè)試，以掌握電機(jī)的確切壽命系數(shù)。 電機(jī)的壽命 通常取決于 軸承壽命，質(zhì)量合格的步進(jìn)電機(jī)可達(dá)上萬(wàn)至數(shù)萬(wàn)小時(shí) ， 除了軸承損耗，還有電機(jī)溫度高導(dǎo)致的磁衰減和線圈老化等問(wèn)題。另外有的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用環(huán)境溫度高，或者有油污、粉塵、水等污染，也會(huì)縮短使用壽命 [2]。用傳統(tǒng)的測(cè)試方法完成電機(jī)的測(cè)試至少存在以下兩點(diǎn)不足：意識(shí)測(cè)試效率極低，因?yàn)橐箿y(cè)試人員能夠正確觀察到多組被測(cè)電機(jī)（通常要同時(shí)測(cè)試多個(gè)電機(jī)），步進(jìn)電機(jī)磨損測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，耗費(fèi)人力物力，特別是對(duì)于精度要求高的電機(jī)來(lái)說(shuō)，人為地定時(shí)計(jì)數(shù)等不準(zhǔn)確因素都會(huì)額外造成誤差；二是對(duì)于要求步長(zhǎng)精確的電機(jī)，人工調(diào)試不準(zhǔn)確。由于這些不足，電機(jī)的生 產(chǎn)廠迫切需要開(kāi)關(guān)壽命的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)取代傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)。 3 設(shè)計(jì)的分析 這一章主要研究步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 的整體設(shè)計(jì)方案，因?yàn)楝F(xiàn)在電器元件種類比較多，只有選擇一個(gè)合理的設(shè)計(jì)方案，才能充分發(fā)揮這些元件的作用，爭(zhēng)取不浪費(fèi)資源，做到經(jīng)濟(jì)又合理，根據(jù)所選的主控元件，設(shè)計(jì)一套具體的系統(tǒng)組合。 主控電路的設(shè)計(jì)與分析 經(jīng)過(guò)分析此設(shè)計(jì)是用軟件設(shè)定步進(jìn)電機(jī)來(lái)代替人 為 操作。 用 給定的 8254 來(lái)作為脈沖控制器產(chǎn)生脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī) 。利用 52 單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器即可實(shí)現(xiàn)定時(shí)的功能完成； A3967SLB 是美國(guó) Allegro 公司 生產(chǎn)的 PWM 恒流控制微步距驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器，性能好，價(jià)格低廉，用它作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)第 3 頁(yè) 共 46 頁(yè) 動(dòng)器。以上述主要器件即完成主控電路的設(shè)計(jì)，如圖 31 所示： 圖 31 主控電路流程圖 方案 的具體組成 在設(shè)計(jì)中要完成單片機(jī)對(duì)電機(jī)、鍵盤(pán)、及存儲(chǔ)器等的功能，在設(shè)計(jì)中，要考慮到電機(jī)的速度和方向的控制，單片機(jī)的各種保護(hù)電路，分析到這個(gè)系統(tǒng)要完成包括對(duì)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)和 LCD 顯示數(shù)據(jù)的人機(jī)操作，要在系統(tǒng)試驗(yàn)前設(shè)定好所需要的參數(shù)，而且試驗(yàn)過(guò)程中這些參數(shù)可隨時(shí)改動(dòng)，改動(dòng)后系統(tǒng)能完成任務(wù)。設(shè)定這些參數(shù)的目的 是去控制進(jìn)步電機(jī)的次數(shù)和速度，在鍵盤(pán)中要用到的一些功能鍵與數(shù)字鍵的區(qū)別，所以，在程序部分應(yīng)有相應(yīng)的處理。 整個(gè)系統(tǒng)由鍵盤(pán)輸入模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，整個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到必須在全自動(dòng)化下進(jìn)行，只有改變輸入?yún)?shù)時(shí)，可人為操作。必須要有存儲(chǔ)功能，以實(shí)現(xiàn)測(cè)完數(shù)據(jù)之后能自動(dòng)存儲(chǔ)，以便以后調(diào)用。要有鍵盤(pán)與顯示功能，要求軟件的編寫(xiě)出步進(jìn)電機(jī)、鍵盤(pán)與顯示功能的程序，并且設(shè)計(jì)參數(shù) 可以人為隨時(shí)更改 。 系統(tǒng)的具體方案是由于此系統(tǒng)中要用到多個(gè)輸入、輸出口，52 單片機(jī)有 4 個(gè) 8 位 I/O， 4*4 的鍵盤(pán)占用 P2 端口的 8 根 線來(lái)實(shí)現(xiàn)，液晶顯示部分則利用 ～ ，總共 5 個(gè) I/O，另一個(gè)芯片 A3967SLB 的控制引腳分別連接 P1 端口的 6 個(gè) I/O。單片機(jī)最小系統(tǒng)上設(shè)有復(fù)位鍵，設(shè)定參數(shù)有誤時(shí)，可按下重置。具體芯片引腳的連接在后面第四章硬件部分詳細(xì)介紹。 方案設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如下所示： LCD 按鍵 單片機(jī) 脈沖分配器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 第 4 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 32 電路結(jié)構(gòu)圖 4 電路的硬件設(shè)計(jì) 本章主要是測(cè)試儀的硬件電路設(shè)計(jì)，這一章講到了從主控制器到顯示、鍵盤(pán)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、步進(jìn)電機(jī)等所有的電路設(shè)計(jì)，介紹了各個(gè)組成部分實(shí)現(xiàn)的功能，可以更加深入了解測(cè)試儀的工作原理。 AT89C52 單片 機(jī) AT89C52 是一種低功耗、高性能的 8 位單片機(jī)內(nèi)帶有一個(gè) 8KB 的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（ EPROM）技術(shù)，它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器（ NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS51 兼容，片內(nèi)的 Flash 存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來(lái)編程，因此 AT89C52 是一種功能強(qiáng)、靈活性高、且價(jià)格合理的單片機(jī)，可以方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域 [3]。 主要性能如下： 1) 8KB 可編程 Flash 存儲(chǔ)器（可經(jīng)受大于 1000 次的寫(xiě)入擦除） 2) 全靜態(tài)工作： 0HZ24MHZ 3) 3 級(jí)程序存儲(chǔ)器保密 第 5 頁(yè) 共 46 頁(yè) 4) 256*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 5) 32 條可編程 I/O 線 6) 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 7) 6 個(gè)中斷源 8) 可編程串行通道 9) 片內(nèi)時(shí)鐘震蕩器 另外， AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來(lái)設(shè)計(jì)的其工作頻率可下降到 0HZ 并提供兩種可用軟件來(lái)選擇的省電方式之一空閑方式（ Idle Mode）和掉電方式（ Power Down Mode）在空閑方式中 CPU 停止工作而 RAM 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作，在掉電方式中片內(nèi)震蕩器停止工作。由于時(shí)鐘被 ―凍結(jié) ‖使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi) RAM 中的內(nèi)容直到下一次硬件復(fù)位為止。 AT89C52優(yōu)越的性能為我們控制的實(shí)現(xiàn)提供了保證。 本設(shè)計(jì)中采用了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，如圖 41 所示： 圖 41 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)電源設(shè)計(jì) 方案論證 ： 1) 方案 1： 220V 變壓器后由 4 個(gè)二極管組成一個(gè)橋式整流電路，整流后就得到一個(gè)電壓波動(dòng)很大的直流電源，故后面接一個(gè) 330uF/25V 的電解電容。變壓器輸出端的 9V電壓經(jīng)橋式整流并電容濾波，在電容 C1 兩端大約會(huì)有 11V 多一第 6 頁(yè) 共 46 頁(yè) 點(diǎn)的電壓，因?yàn)槲覀円敵?5V 的電 壓，所以選用 7805，三端穩(wěn)壓器后面接一個(gè)105 的電容，這個(gè)電容有濾波和阻尼作用。 最后在 C2 兩端接一個(gè)輸出電源的插針，可用于與其它用電器連接 。 此電路優(yōu)點(diǎn)是： 方便實(shí)用，輸出電壓穩(wěn)定，最大輸出電流為 1A，電路能帶動(dòng)一定的負(fù)載 2) 方案 2： 220V 交流 電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路 D1～ D4 和濾波電容 C1 的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的 Vin和 GND 兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓 (該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化 ) 電路為輸出電壓 +5V、輸出電 流 的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器 B，橋式整流電路 D1～ D4，濾波電容 C C3，防止自激電容 C C3 和一只固定式三端穩(wěn)壓器 (7805)極為簡(jiǎn)捷方便地搭成 . 此電路優(yōu)點(diǎn)是： 此直流電壓經(jīng)過(guò) LM7805（圖 43） 的穩(wěn)壓和 C3 的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為T(mén)TL 電路或單片機(jī)電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡(jiǎn)捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件 結(jié)論：綜合方案一、方案 2， LM7805 以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡(jiǎn)捷方便等特點(diǎn) ,故采用這個(gè)元件，另外，采用 1117 是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，作為主要芯片，具體方案如下： 電源采用 5V 直流電壓輸出，穩(wěn)壓二極管 VD2 串接在 7805 的 2 引腳與地之間，可使輸出電壓得到提高，輸出電壓為穩(wěn)壓管輸出電壓與 VD2 輸出電壓之和。VD1 是輸出保護(hù)二極管，一旦輸出電壓低于 VD2 穩(wěn)壓值時(shí)， VD1 導(dǎo)通，將輸出電流旁路，保護(hù) 7805 穩(wěn)壓管輸出級(jí)不被損壞 。 部分系統(tǒng)采用了 LM1117 三端穩(wěn)壓集成芯片，其外觀如下圖 42 所示， 1117 是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器， 1117可以提供多個(gè)固定電壓版本，如 , 還可以提供可調(diào)端輸出，并且有完善的過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)應(yīng)用修正技術(shù)，確保輸出電壓和參考精度在百分之一的精度范圍，同時(shí)抱基準(zhǔn)電壓調(diào)整在百分之一點(diǎn)五以內(nèi)，調(diào)整了電流限制，減少了因?yàn)榉€(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。其輸出精度是正負(fù)百 分之一，最大輸出電流為 1A。 第 7 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 42 LM1117(左 ) LM7805（右） 實(shí)物圖 由于單片機(jī) 需要的是 5V 電源 ， 液晶需要的是 的電源 ， 因此就需要分壓，當(dāng)外接電源大于 5V 時(shí)候可以將外接電源接到 P3 同樣可以滿足內(nèi)部芯片以及內(nèi)部液晶顯示的電壓要求。具體電路如下圖 43 所示： 圖 43 單片機(jī)電源模塊 單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 AT89C52 的單片機(jī)內(nèi)有三個(gè)獨(dú)立的 16 位可編程的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，它們具有四種工作方式，其控制字和狀態(tài)均在相應(yīng)的特殊功能寄存器中，通過(guò)對(duì)控制寄存器的編程，就可方便地選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞健Ｏ旅嫖覀儗?duì)它們的特性進(jìn)行闡述。定時(shí) /計(jì)數(shù)器的工作方式： 第 8 頁(yè) 共 46 頁(yè) AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ， 定時(shí)器 T0 特性功能寄存器 TL0（低 8位）和 TH0（高 8 位）構(gòu)成，定時(shí)器 T1 由特性功能寄存器 TL1（低 8 位）和 TH1（高 8 位）構(gòu)成。特殊功能寄存器 TMOD 控制定時(shí)寄存器的工作方式， TCON則用于控制定時(shí)器 T0 和 T1 的啟動(dòng)和停止計(jì)數(shù)，同時(shí)管理定時(shí)器 T0 和 T1 的溢出標(biāo)志等。程序開(kāi)始時(shí)需對(duì) TL0、 TH0、 TL1 和 TH1 進(jìn)行初始化編程，以定義它們的工作方式和控制 T0 和 T1 的計(jì)數(shù)。 T2 的特殊功能寄存器 T2CON 的地址是0C8H，可以對(duì)他進(jìn)行位尋址 [3]。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的方式控制字 TMOD，字節(jié)地址為 89H，其格式如表 41: 表 41 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的方式控制 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATA M1 M0 GATA M1 M0 ←T1 方式字段 → ←T0 方式字段 → 定時(shí)器控制積存器 TCON，字節(jié)地址為 88H，位地址為 88H—8FH，其格式如表 42： 表 42 定時(shí)器控制積存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF1 TR1 TF0 TR0