【正文】 微運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)、壓電堆、絲桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣浮微動(dòng)工作臺等卻都不能滿足要求，它們不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米級運(yùn)動(dòng)精度和大運(yùn)動(dòng)范圍。使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動(dòng) ， 可以實(shí)現(xiàn)亞微米甚至是納米級的精度 ， 同時(shí)不產(chǎn)生噪音和發(fā)熱 ，可適于各種介質(zhì)環(huán)境工作 ， 是精密機(jī)械中理想的微位移機(jī)構(gòu)。 III. 磁懸浮式微動(dòng)工作臺 完美畢業(yè)網(wǎng) 完美畢業(yè)網(wǎng) 磁懸浮式微動(dòng)工作臺由于運(yùn)動(dòng)平臺和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用非接觸式的磁懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù) ， 因此沒有摩擦力和機(jī)械部件的磨損 ， 易于實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍的要求。 ： 運(yùn)動(dòng)方向間的交叉耦合嚴(yán)重影響納米微動(dòng)工作臺的定位精度 ， 因此需進(jìn)一步研究運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu) ， 從運(yùn)動(dòng)原理上有效地消除運(yùn)動(dòng)方向間的交叉耦合產(chǎn)生的定位誤差 ， 提高納米級微動(dòng)工作臺的定位精度。 隨著微米、納米科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 納米級微動(dòng)工作臺的研究正日益受到國內(nèi)外的重視。例如在物資入庫的時(shí)候 ， 人們可以利用升降工作臺首先將成批的鋼材運(yùn)送到指定的貨架處 ， 然后再存放到貨架的不同規(guī)格格層中或者在室外 ， 將工作臺升降到合適的工作高度或者將單臂吊之類的起重設(shè)備運(yùn)送到室外讓它在室外工作等等。尤其 是在汽車制造業(yè)中完美畢業(yè)網(wǎng) 完美畢業(yè)網(wǎng) 使用更為 頻繁。 本課題研究的范圍和意義 本課題研究的是 XY 工作臺的控制部分，主要的任務(wù)就是通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制。本系統(tǒng)的顯示功能是利用 8 位的數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)運(yùn)行步數(shù)的顯示，在工作臺運(yùn)行超過極限位置時(shí)候，安裝在工作臺兩端的行程開關(guān)會被按下，產(chǎn)生電流信號，通過光電轉(zhuǎn)換裝置，向單片機(jī)發(fā)出信號，經(jīng)單片機(jī)發(fā)出信號，蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警的同時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 20 年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。其步進(jìn)角通常為 15176。及 176。等幾種。我國計(jì)算機(jī)工業(yè)雖然起步晚，但經(jīng)過三十年的努力，已經(jīng)初具規(guī)模。）與典型的磁阻式電動(dòng)機(jī)的步距角（ 176。 （ 3）步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢 ： ① 小型化、高精度 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備趨向小型，也就要求永磁式和混合式步進(jìn)電機(jī)向小機(jī)座號發(fā)展， 目前直徑為 3 42 的步進(jìn)電機(jī)使用就較多。 ④ 直線小步距、高分辨率 據(jù)日本和歐美國家報(bào)道，此類步進(jìn)電機(jī)已制成步距為 微米，在 40 英寸 /秒的線速度下產(chǎn)生 50 磅推力，分辨率達(dá) 12500 步 /英寸，定位精度為 英寸。 單片機(jī)在最近幾年中得到了極大的發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)單片機(jī)發(fā)展的主要領(lǐng)域有 4個(gè)：一是歐美，最新開發(fā)產(chǎn)品及主要廠商有： National semicundutor 的 cop8系列單片機(jī)，美國的 Scenix 的八位單片機(jī)，荷蘭 PHILLIPS的 51系列單片機(jī)，美國 AMD公司 186系列 16完美畢業(yè)網(wǎng) 完美畢業(yè)網(wǎng) 位嵌入式微機(jī)控制器， MOTOROLA的各個(gè)系列單片機(jī)；二是日本， TOSHIBA公司開發(fā)了從 4位到 64位多系列單片機(jī)，日立公司也有從 4位到 32位多系列單片機(jī)， NEC公司的 75X、78X系列微機(jī)；三是臺灣地區(qū)， 主要有 WINBOND的 W741/W516,W78/W77等系列產(chǎn)品微控制器；四是韓國，主要有 HYUNDAI microelectrionics的 GMS800、 GMS30系列微控制器。硬件方面日趨多樣化 ， 4 位、 8 位、 16 位、 32 位等型號共同并存 ,在不同的領(lǐng)域存在 ,如家電、玩具、工業(yè)設(shè)備、儀器、通訊等。自單片機(jī)誕生至今 ， 已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。 ③ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)。 ② 采用蜂鳴器作為警報(bào)裝置。 控制方案的選擇 控制的方案不外乎有三種：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。控制的精度完全取決于所用元件的精度和校準(zhǔn)的精度，且抗干擾的能力差。缺點(diǎn)是使用的元件多，線路復(fù)雜，系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。因此通常在精度要求不是很高時(shí)，負(fù)載不是很大的情況下采用步進(jìn)電機(jī)是合理的。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設(shè)計(jì)程序，且實(shí)時(shí)性好。 由于本工作臺控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心部件，利用單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)從元件級進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)需要，選擇合理的單片機(jī) 并配置必須的存儲器、接口和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。 （ 3） 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。 （ 4） 整個(gè)系統(tǒng)中的相關(guān)的器件要盡可能的做到性能匹配。轉(zhuǎn)子上有四個(gè)均勻分布的齒，其上沒有繞組，當(dāng) A 相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在磁場力的作用下與定子齒對齊，即轉(zhuǎn)子齒 3 和定子齒 A、 A39。對齊，如圖 31（ b）所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。如此循環(huán)往復(fù)，并按 A→ B→ C→ A 順序通電，步進(jìn)電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，如果步進(jìn)電機(jī)的三相繞組按一定的方式通電，那么它就以一定的步矩角進(jìn)行走步。因此步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)過的步距角數(shù)等于外加脈沖數(shù)，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： n = Cm fZr60 式 （ ） 式中 f 為步進(jìn)電機(jī)通電的脈沖頻率，單位為 Hz； n 為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。由于這些特性，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，能夠按照控制命令實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止 、升速、降速、正反轉(zhuǎn)等操作。在這種控制中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，限制了它的應(yīng)用。 圖 33 微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 步進(jìn)電機(jī)的串行和并行控制 使用微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，有串行和并行兩種方式。 圖 34 串行控制示意圖 （ 2） 并行控制 用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行完美畢業(yè)網(wǎng) 完美畢業(yè)網(wǎng) 控制。這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)，從而引起失步。由此可見，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)發(fā)生失步時(shí)，往往丟掉一個(gè)通電循環(huán)的步數(shù)或其整數(shù)倍。 所以要使步進(jìn)電機(jī)快速的達(dá)到所要求的速度又不失步或過沖，其關(guān)鍵在于使加速過程中加速度所要求的轉(zhuǎn)矩既能充分利用各個(gè)運(yùn)行頻率下步進(jìn)電機(jī)所提供的轉(zhuǎn)矩，又不能超過這個(gè)轉(zhuǎn)矩。 要使步進(jìn)電機(jī)按要求步進(jìn)，就要確定的給出脈沖分配，加到功率放大器輸入端。該方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點(diǎn)。第三種即采用專用的環(huán)行分配器件。三相六拍工作方式的脈沖 分配的時(shí)序圖如圖 36 所示。 表 31 步進(jìn)電機(jī)三相六拍環(huán)行脈沖分配狀態(tài)表 節(jié)拍序號 通電相 C相 B相 A相 控制字 方向 正轉(zhuǎn) 反向 0 A 0 0 1 0x01 1 AB 0 1 1 0x03 2 B 0 1 0 0x02 3 BC 1 1 0 0x06 4 C 1 0 0 0x06 5 CA 1 0 1 0x05 0 A 0 0 1 0x01 在輸出每一個(gè)控制字之前，判斷地址指針中的內(nèi)容是否為 0x00。步進(jìn)電機(jī)的工作特性在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電源的特性，對其每一相繞組來說，驅(qū)動(dòng)電源相當(dāng)于一個(gè)電流無觸點(diǎn)開關(guān)，理想的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)使通過繞組的電流盡量接近矩形波。 本控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) IC，內(nèi)含四組 NPN 達(dá)靈頓晶體管，使步進(jìn)電機(jī)有足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，各個(gè) B 極有 3mA 的輸入電流，才可使 CE 導(dǎo)通。 30 4 1250 電感 /mH 電阻 /N 分配方式 外形尺寸（軸徑）（ mm) 重量 /Kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3 相六拍 φ 75 76（φ 8） （ 2） 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 輸出通道的設(shè)計(jì)內(nèi)容是確定通道結(jié) 構(gòu)和元件裝置，合理選擇驅(qū)動(dòng)電路。 除了上面的，一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)的控制還需要光電隔離器。加在發(fā)光器件上的電信號為耦合器的輸入信號 , 接受器件輸出的信號為隔離器的輸出信號。它們在結(jié)構(gòu)排列上使 LED 輻射能量有效地耦合到光敏晶體管上 , 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種形式。 引腳如圖 38 圖 38 TLP5214型光電耦合器引腳 完美畢業(yè)網(wǎng) 完美畢業(yè)網(wǎng) 每一個(gè) TLP5214型光電耦合器有四個(gè)光電隔離器，所以本系統(tǒng)需要兩個(gè)這樣的光電耦合器，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的隔離。尋址能力決定可能的最大存儲容量。 考慮到需要滿足的要求及經(jīng)濟(jì)因素，本系統(tǒng)選擇 MCS51 單片機(jī)。 以上部分通過總線連接。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。采用外部振蕩器時(shí)，對 HMOS 單片機(jī)，該引腳接外部 振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端；對 CMOS，此引腳應(yīng)懸浮。當(dāng) VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的 電壓范圍（ 5177。因此，它可用作對外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。 ③ PSEN（ 29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。 ④ EA/VPP（引腳）：當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲器，但在 PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過 0FFFH（對 851/8751/80C51）或 1FFFH（對 8052）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。 ② P1 口（ 1 腳至 8 腳）：是準(zhǔn)雙向 8 位 I/O 口。在訪問外部存儲器時(shí)，它可以作為擴(kuò)展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址。 P3 能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) LS 型的 TTL 負(fù)載。 8255芯片簡介 MCS51 單片機(jī)是 Intel 公司的產(chǎn)品， Intel 公司的配套 I/O 接口芯片與 MCS51 單片機(jī)的接口最為簡單、可靠。 8255 的引腳功能： 8255 有 40 個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 310 圖 310 8255 引腳圖 完美畢業(yè)網(wǎng) 完美畢業(yè)網(wǎng) 8255 各個(gè)引腳的功能： D0～ D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總 線， 8255 與 CPU 數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng) CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過它實(shí)現(xiàn) 8 位數(shù)據(jù)的讀 /寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送 。 A A0:端口地址總線， 8255 中有端口 A、 B、 C 和一個(gè)內(nèi)部控制字寄存器，共 4 個(gè)端 口，由 A0、 A1 輸入地址信號來尋址。端口 C 可以通過工作方式設(shè)定而分成 2 個(gè) 4 位的端口， 每個(gè) 4 位的端口包含一個(gè) 4 位的鎖存器，分別與端口 A 和端口 B 配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。若無鍵按下時(shí)，行線與列線斷開，行線上全是高電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)，總有鍵把某行某列短接，使行線端口不全為高電平，即不全為“ 1”。去抖動(dòng)的方法有硬件去抖動(dòng)和軟件去抖動(dòng)。 延遲法是采用時(shí)間延遲來躲過抖動(dòng)，當(dāng)檢測到按鍵被按下或釋放時(shí)，由 CPU 產(chǎn)生一段延時(shí)，時(shí)間大約為 10～ 20ms，然后再進(jìn)入掃描檢測程序，從而將按鍵抖動(dòng) 5～ 10ms 躲過，所以不會造成系統(tǒng)誤讀輸入狀態(tài)。但是如果在采樣時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)噪聲，則噪聲信號也可能被誤認(rèn)為信號，為防止噪聲可能被誤認(rèn)為信號，通常采用多次采樣的模式。如果遇到緊急情況，可以按急停鍵，步進(jìn)電機(jī)同樣停止運(yùn)轉(zhuǎn)，待問題解決后，系統(tǒng)才能正常使用。本設(shè)計(jì)中采用共陰極接法。也正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示器的亮度都比較高。 ② LED 動(dòng)態(tài)顯示方式 在多位 LED 顯示時(shí)，為了簡化硬件電路，通常將所有位的段選線相應(yīng)地連接在一起，由一個(gè) 8 位 I/O 口控制，形成段選線的多路復(fù)用。同樣，在下一瞬時(shí)，只顯示下一位 LED。 LED顯示的驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管的器件有很多，本系統(tǒng)選用串行顯示管理芯片 PS7219。顯示亮度可數(shù)字控制，每位都具有閃爍使能控制。 PS7219 具有以下主要特點(diǎn)： 3 條線。 ，以降低功耗；也可強(qiáng)迫所有 LED 接通，進(jìn)入測試方式。 LOAD：裝載數(shù)據(jù)輸入。 完美畢業(yè)網(wǎng) 完美畢業(yè)網(wǎng) CLK：時(shí)鐘輸入。 CON：顯示控制。輸入到 DIN 的數(shù)據(jù)在 個(gè)時(shí)鐘周期后在 DOUT 端有效。它由六大部分組成，分述如下： ：主要功能是與外部控制信號接口，將控制命令串行讀入，并實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，供控制器讀取。 驅(qū)動(dòng)器：依據(jù)控制 RAM 和數(shù)據(jù) RAM 的不同值實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的顯示功能。如圖 314 所示： 圖 314 PS7219 與單片微處理器的硬件連接框圖 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 在工作臺的 X， Y 方向的兩端都要有行程開關(guān)，其作用是在工作臺超出了極限位置時(shí)候，行程開關(guān)被觸動(dòng)，閉合，發(fā)出信號給單片機(jī)，是步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) 輸出為低電平“ 0”時(shí)， 7406 輸出為高電平，蜂鳴器停止。 RS232C標(biāo)準(zhǔn) RS232C 是美國電子工業(yè)協(xié)會 (EIA)正式公布的 ,在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。在接口電路和計(jì)算機(jī)接口芯片中大都為 TTL 或 CMOS 電平 ,所以在通信時(shí) ,必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換 ,以便與 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)的電平匹配。 MAX232 芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器 ,可以把輸入的 +5V 電源變換成 RS232C 輸出電平所需177。宜選 用鉭電容并且應(yīng)盡量靠近芯片。因此 TTL/CMOS 電平的 T1IN、 T2IN引腳應(yīng)接 MCS51 的串行發(fā)送引腳 TXD。 圖 317 MAX232 接口電路 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì) 可靠性是微機(jī)控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，由多種因素決定。 （ 1） 干擾源 干擾源是指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號。 （ 2） 干擾傳輸途徑 干擾對單片機(jī)系統(tǒng)的影響主要通過三種途徑傳輸，包括：