【正文】 178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。其中，硬件設(shè)計主要包括單片機最小系統(tǒng)、鍵盤控制模塊、步進電機驅(qū)動模塊、數(shù)碼顯示模塊等功能模塊的設(shè)計，以及硬件電路在電路板上的實現(xiàn)。 實踐證明，基于單片機控制的步進電機比傳統(tǒng)的步進控制器具有更好的性 能，更加簡單、方便、可靠。要想達到步進電動機的快速啟停、高精度步進運行從而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的控制，則采用單片機控制系統(tǒng)可將問題大大的簡化。由 RAM ,ROM,CPU 構(gòu)成，定時，計數(shù)和多種接口于一體的微控制器。它體積小，成本低，功能強，廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)業(yè)和工業(yè)自動化上。不僅能簡化線路，降低成本，而且能大大的提高其可靠性。本設(shè)計的主要研究對象就是開環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件 ——步進電機。軟件設(shè)計包括主程序以及各個模塊的控制程序，最終實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制，并且將步進電機的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在 LED 數(shù)碼管上。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 1 第一章 系統(tǒng)方案論證178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 4 單片機系統(tǒng)178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 12 步進電機的分類178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 15 數(shù)碼管顯示電路178。178。178。178。178。178。178。178。 19 鍵盤控制電路178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 22 顯示塊178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 24 單片機與步進電機的接口電路圖178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 28 程序流程圖178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 35 附錄178。 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 41 感謝178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換 ，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。隨著微電子和計算機技術(shù) 的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生了革命性變革。上世紀 80年代以后，由于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變得更加靈活多樣。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進電機 的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或 C語言進行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實現(xiàn)ｐｃ機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由 PC機直接控制步進電機的方法。而采用單片機的軟件和硬件結(jié)合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的各種資源，能靈活的對步進電機進行控制，實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機的結(jié)合起來，能做到一定的人機交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價值。 *：正逆轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定完成后，按“ *”啟動步進電動機。 (2) 控制過程 ① 送電時，設(shè)定為正轉(zhuǎn)，顯示器顯示為“ 00”。文中在單片機與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離。 依據(jù)以上描述可畫出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 步進電機控制器結(jié)構(gòu)框圖 控制系統(tǒng)包括：鍵盤輸入模塊、顯示、指示模塊以及步進電機控制及驅(qū)動模塊。此單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫 1 可作為高阻抗輸入端用。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。 FLASH 編程或效驗時， P2 亦接收高位地址和其它控制信號。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是他的第二個 功能，如下表所示： 表 1 P3 口 AT89C51 特殊功能 端口引腳 功能特性 RXD（串行口輸入） TXD（并行口輸入） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時計數(shù)外部輸入 0） T1（定時計數(shù)外部輸入 0） WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) P3 口還接收一些用于 FLASH 閃速存儲器 編程和程序效驗的控制信號。 如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。這個放大器與作為反饋器件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖 。 10PF。只有當(dāng) RST由高電平變低電平以后， MCS51 才從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。此時 ALE、 /PSEN、 P0、 PP P3 口都輸出高電平。如圖，在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在 RST 端出現(xiàn)一定時間的高電平，只要高電平時間足夠長，就可以使 MCS51有效地復(fù)位。當(dāng)振蕩頻率為 12MHZ 時，典型值為C=10uF,R= . 圖 23上電復(fù)位電路 （ 4）人工復(fù)位 除上電自動復(fù)位以外，常常需要人工復(fù)位，將一個按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電自動復(fù)位電路，按一下開關(guān)就 RST 端出現(xiàn)一段時間的高電平，即使器件復(fù)位。 P2 口內(nèi)部存在上拉電阻，但因為其用作矩陣鍵盤，為了得到較高的可靠性，故將其也再加上外部上拉。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 （ 7）芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。提供給 AT89C52 芯片 、 步進電機及其他外圍電路 。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。它 的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體， 以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小 ,發(fā)熱低。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運行方式即 AABBBCCCDDDAA. 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180250pps 之間（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角為 ）， 電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩 下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 步進電機低速時可以正常轉(zhuǎn)動，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 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。的定子磁極上均勻分布了 5 個矩形小齒 , 沒有繞組的轉(zhuǎn)子圓周上也均勻的分布著 40個小齒（相鄰齒夾角為 9176?？芍?120176。這樣 , 按照 A 一 B 一 C 一 A 順序通電次 , 可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 9176。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。靜止和旋轉(zhuǎn)部分之間有一定大 小的間隙，稱為氣隙。包括電樞鐵心，電樞繞組，換向器、軸和風(fēng)扇等。作用是改善換向。 電刷裝置：將直流電壓、電流引入或引出的裝置。用來感應(yīng)電勢和通過電流，是電路的主要部分。（全步級） /176。）以內(nèi)，且無累計誤差，故可達到高精度的定位控制。 （ 5） 開回路控制、不必依賴傳感器定位 ： 步進電機的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機）及位置傳感器（ SENSOR），就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。 （ 8） 小型、高功率 ： 步進電機體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。 (2)脫出轉(zhuǎn)矩 ：又稱最大轉(zhuǎn)矩，為電機于運轉(zhuǎn)時所能帶動的最大負荷。但是控制液晶顯示器的時候占用的系統(tǒng)資源多，編程更復(fù)雜，最關(guān)鍵的是液晶顯示的成本是數(shù)碼管 的幾十倍，所以考慮到應(yīng)用價值，最終還是確定選用數(shù)碼管實現(xiàn)本設(shè)計的顯示部分功能。在本設(shè)計當(dāng)中采用了數(shù)碼管動態(tài)掃描的方式進行顯示，下面我們對數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示作一詳細介紹。 本設(shè)計選用了數(shù)碼管 顯示設(shè)計，其段選的控制 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 DP按照數(shù)碼管的簡介資料選用了 P 0 口作為其控制端口，其位選部分由于單片機的控制端口輸出的電壓不足以直接點亮數(shù)碼管，所以在單片機控制端口和數(shù)碼管的位選控制端口加入了三極管，其具體的電路連接如圖 212所示。 一個電壓信號在機械觸 點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5— 10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時 10ms 的子程序后在確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。其結(jié)構(gòu)如圖 圖 光電耦合器機構(gòu)圖 光電耦合器由發(fā)光源和受光器兩部分組成，并封閉在同一不透明的管殼內(nèi)由絕緣的透明樹脂隔開，發(fā)光源引出的管腳為輸入端，受光器引出的管腳為輸出端 . 光電隅合器的發(fā)光源常用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，受光器常用光電三極管、光敏晶閘管和光敏集成電路等。 最后光電耦合器作為開關(guān)應(yīng)用時，具有耐用、可靠性高和速度快等優(yōu)點，響應(yīng)時間一般為數(shù) us以內(nèi)，高速型光電 耦合器的響應(yīng)時間有的甚至小于 10ns。當(dāng) 輸出為 1，發(fā)光二極管不發(fā)光，因此光敏三極管截止， 從而使達林頓管導(dǎo)通， A相繞組通電。這等效于三極管的放大倍數(shù)是二者之積。電源調(diào)整。小功率普通達林頓晶體管。 2． 6 顯示快 74LS47 的功能 本設(shè)計采用 74LS47 作為七段數(shù)碼管的驅(qū)動器。它將編碼 時賦予代碼的含義“翻譯”過來。 這7 段發(fā)光管分別稱為 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g，有的還帶有一個小數(shù)點 dp， 7 段LED 由此得名。 LED 靜態(tài)顯示方式： 所謂靜態(tài)顯示就是將 N位共陰極 LED 顯示器的陰極連在一起接地，每一位 LED 的 8 位段選線與一個 8 位并行口相連，當(dāng)顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管就恒定地導(dǎo)通或截止。 單片機與步進電機的接口電路圖 由于步進電機的驅(qū)動電流較大，所以微型機與步進電機的連接都需要專門的接口及驅(qū)動電路。）以防強功率的干擾信號反串進主控系統(tǒng)。定時器 1 中斷服務(wù)程序用來完成數(shù)碼管動態(tài)顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速的任務(wù)。 （ 2）讀鍵盤子程序流程圖 讀鍵盤子程序流程圖如圖 32所示： 開 始讀 鍵 盤延 時 1 0 m s不 相 等相 等與 初 始 值比 較再 次 讀 鍵 盤保 存 鍵 值 到臨 時 變 量不 相 等相 等與 初 始 值比 較讀 鍵 盤不 相 等相 等與 臨 時 變量 比 較保 存 臨 時 變量 值退 出 圖 32讀鍵盤子程序流程圖 首先初始化實際鍵值參數(shù)為 0FH，然后掃描 P2 口，與初始值比較，相等則說明沒有鍵按下，不相等則軟件消抖，以便確認是否真的有鍵按下。最后從臨時變量取出鍵值送實際鍵值參數(shù)，為鍵盤處理子程序做準備。 步進電機的啟?？刂仆ㄟ^啟停定時器 0來實現(xiàn)