【正文】 為 ABBCCDDA 時為正轉，通電時序為 DACABCAB時為反轉。 如下圖所示： 圖 力矩與頻率關系圖 其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高 。 ： 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 ： 電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 7 頁 共 66 頁 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提 高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 θ=360度 /（轉子齒數(shù) J*運行拍 數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為 50 齒電機為例。 步進電機的靜態(tài)指標術語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、 S磁場的激磁線圈對數(shù)。例如： 四相，八相運行（ AABBBCCCDDDAA）完全可以采用二相八拍運行方式 .不難發(fā)現(xiàn)其條件為 C=A,D=B。因永磁體的存在，該電畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 6 頁 共 66 頁 機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。I/R N 不難推出：電機定子上有 m 相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m??(m 1)/m,1。而方向由導電順序決定。如 C 相通電， A， B 相不通電，齒 3應與 C 對齊，此時轉子又向右移過1/3 て，此時齒 4 與 A 偏移為 1/3 て對齊。 0、 1/3 て、 2/3 て ,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即 A 與齒 1 相對齊， B 與齒 2 向右錯開 1/3 て， C 與齒 3向右錯開 2/3 て， A39。 步進電機種類及原理 步進電機可分為反應式步進電機（簡稱 VR）、 感應子式步進電機 和混合式步進電機（簡稱 HB） 等 。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 4 頁 共 66 頁 就可以對步進電機進行調(diào)速。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為 ABCA,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A,B,C相的通斷。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。多相步進電動機有多相方波脈沖驅動，用途很廣。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 2 頁 共 66 頁 本設計的目的就是利用 AT89C51 系列單片機所開發(fā)的塔鐘控制系統(tǒng)來實現(xiàn)整點報時，斷電后啟用備用電源記錄時間，恢復供電后快速調(diào)節(jié)正確時間等功能。 其后出現(xiàn)的以 微電腦為核心的步進控制器有取代邏輯控制器的趨勢，但由于其 微 電腦多采用 Z80 單 片 機，故硬件較復雜，抗 干 擾能力差 。畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 1 頁 共 66 頁 1 緒論 展現(xiàn)狀 和 趨勢 隨著現(xiàn)代城建的發(fā)展，在大中城市的中心建筑上安置塔鐘 已 越來越常見。 再后 來出現(xiàn)的 MCS—— 96系列單片機，如 8098 內(nèi)部具有高速輸出 口 HSO，特別適合于步進電機控制，用8098 單片機作為步進電機控制器，使得系統(tǒng)具有硬件電路簡單可靠，軟件編程容易靈活，抗干擾能力強，性能，價格比高等優(yōu)點，通過簡單的編程就可以靈活地改變控制方式，具有很強的通用性。比之以前的各種塔鐘系統(tǒng)具有更高的精準性，更高的抗干擾能力，性價比高，通用性強等優(yōu)點。 使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 2． 控制步進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進 電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。 反應式步進電機原理 由于反應式步進電機工作原理比較簡單。與齒 5相對齊，（ A39。如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 5 頁 共 66 頁 與 A 對齊，轉子又向右移過 1/3 て這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按 A， B， C，A?? 通電，電機就每步（每脈沖） 1/3 て ,向右旋轉。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制 —— 這是步進電機旋轉的物理條件。I 為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。常用 m表示。四拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 步進電機動態(tài)指標及術語 ： ： 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。稱之為失步。 ： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。曲線 1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 驅動控制系統(tǒng)組成 使用、控 制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下： 圖 驅動控制系統(tǒng)方框圖 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 9 頁 共 66 頁 脈沖信號的產(chǎn)生 脈沖信號一般由單片機或 CPU 產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為 左右，電機轉速越高，占空比則越大。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。 SH 系列二相恒流斬波驅動電源與單片機及電機接線圖如下： 圖 單片機與驅動及電機接線圖 說明： CP 接 CPU脈沖信號（負信號，低電平有效） OPTO 接 CPU+5V FREE 脫機，與 CPU地線相接，驅動電源不工作 DIR 方向控制，與 CPU 地線相接，電機反轉 VCC 直流電源正端 GND 直流電源負端 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 10 頁 共 66 頁 A 接電機引出線紅線 接電機引出線綠線 B 接電機引出線黃線 接電機引出線藍線 步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅動電源。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻 特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓） 綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟： 圖 選擇電機步驟 步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= Ω 步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 高精度時，應通過機械減速、提高電機速度 ,或采用高細分數(shù)的驅動器來解決，也可以采用 5 相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 步進電機的特性 步進電機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。 3．沒有角累積誤差。 7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉動。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 14 頁 共 66 頁 3 硬件部分設計 交流 220V 輸入電源經(jīng)變壓、整流、濾波產(chǎn)生 +12v直流電壓 供給步 進電機；交流 220V 輸入電源經(jīng)變壓、整流、濾波產(chǎn)生 +5v 直流電壓 提供 單片機工作所需要的 工作電源。 掉電保護原理 ， 在此模塊中使用了一塊 6264 隨機存儲器來進行數(shù)據(jù)保護，6264 中記錄的時鐘信息，每隔 1 分鐘反饋給 AT89C51，以此來校對時間。在恢復主電源供電的時候，有完全類似的問題，即電源電壓的瞬間波動導致片選信號和讀寫信號的波動，從而發(fā)生誤寫動作。這里僅討論電容濾波。圖（ b）的波形圖 AT89C51 EA RAM6264 CS 備用電池 +5V主電源 VCC 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 16 頁 共 66 頁 中虛線波形為橋式整流的波形。由波形可見，橋式整流接電容濾波后，輸出電壓的脈動程度 大為減小。關于濾波電容值的選取應視負載電流的大小而定。由于線圈內(nèi)阻極小，故必須在每個繞組上竄聯(lián)大功率限流電阻。 步進電機驅動脈沖代碼存于 AT89C51 的 EEPROM 內(nèi)，單片機順序取出脈沖代碼，以 2轉 /分 的速度送入驅動板，驅動步進電機轉動．步進電機轉動，通過減速箱帶動時、分針轉動 。 數(shù)碼管 是一種半導體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 2. 動態(tài)顯示驅動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的 8個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就 顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。有兩種 LED 數(shù)碼管的外形與內(nèi)部結構 — — 公共陽極和公共陰極， a～ g是 7 個筆段電極， DP為小數(shù)點。當驅動信號為高電平才能發(fā)光。 一共設置了 5 個按鍵，它們的名稱與功能分別如下所述： —— 使步進電機正轉，同時具有啟動電機功能 —— 使步進電機反轉，同時具有啟動電機功能 —— 使步進電機轉速加快 —— 使步進電機轉速減慢 —— 使步進電機停止轉動，同時具有復位電機初始 狀態(tài)功能 各部分芯片選擇 主控 制電路芯片選用 AT89C51，步進電機驅動選用 二 極管和電阻以及專用驅動芯片 ULN2020A，報時系統(tǒng)選用蜂鳴器報警 。 AT89C51 將功能多樣的 8位 CPU 與 PEROM 結合在同一個芯片上 為許多嵌人式控制應用提供了高度 靈活并且價格適宜的方案 。其中閑置模式下 ,CPU 停止工作 ,但 RAM、定時器計數(shù)器、串行口與中斷系統(tǒng)仍然在起作用。首先對幾個相關問題進行說明。 為得到 125ms 定時，可以使用定時器 /計數(shù)器 0，以工作方式 1 進行，假定單片機為 12MHz 晶振，設計數(shù)初值為 X，則有如下等式： 65536— X=125000 計算得計數(shù)初值 X=3036，二進制表示為 101111011100，十六進制表示為 0BDCH。假定時鐘時間在 6位 LED 顯示器上顯示（時，分，秒各占兩位）。 圖 MAIN程序流程圖 MAIN 顯示緩沖清 0 定時器 0，工作方式 1 裝計數(shù)初值 定時開始 開中斷 設置循環(huán)次數(shù) 調(diào)用顯示子程序 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 24 頁 共 66 頁 程序如下： ORG 8000H START:AJMP MAIN ORG 800BH AJMP PITO ORG 8100H MAIN:MOV R0,70H 顯示緩沖首地址 MOV R7,06H 顯示位數(shù) ML1:MOV R0,00H 顯示緩沖清 0 INC R0 DJNZ R7,ML1 MOV 7AH,0AH 。 其流 程如下圖所示。所以在加 1運算前需要把兩個緩沖單元中存放的數(shù)值合起來，構成一個字節(jié)，然后才能進行加 1運算。 。 程序如下： DISPLAY: MOV R1,70H 。從 P3 口輸出 MOV A,R1 。段碼放入 P0 口 LCALL DL1MS 。=0 時一次顯示結束 RL A 。一次顯示結束， P3口復位 MOV P0,0