【正文】 減速，減速到 25 r/min 時，步進電機以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速 25 r/min 走完所規(guī)定的步數(shù)。系統(tǒng)初始化包括定時器 T0 初始 化，步進電機工作狀態(tài)的初始化。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動按鍵，停止按鍵，正轉(zhuǎn)按鍵，反轉(zhuǎn)按鍵、復位按鍵等功能按鍵。 T0 的中斷服務(wù)程序主要用于根據(jù)步數(shù)，產(chǎn)生一個頻率可以改變的脈沖信號，調(diào)節(jié)步進電機的加減速過程。判斷是否已經(jīng)走完所設(shè)定的步數(shù)，若步數(shù)為 0，則單片機停止產(chǎn)生脈沖信號，讓步進電機停止轉(zhuǎn)動，即 T0 停止計數(shù)。 T0 中斷程序的主要功能是能根據(jù)設(shè)定的步數(shù)產(chǎn)生一個頻率可調(diào)的脈沖信號，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)速，并將調(diào)速范圍控制在 25～ 99 r/min。只要剩余的步數(shù)是大于 100，單片機產(chǎn)生的脈沖信號的頻率就會不斷的變大，直到脈沖頻率為設(shè)定的最大值，步進電機就會以恒速運行，這時脈沖頻率如圖 所示。 由于設(shè)計中用一塊單片機進行控制，資源有限， 故使用串行接法 。當 8 位數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，發(fā)送中斷標志 TI 自動置 1，輸出數(shù)據(jù)（即SBUF 寄存器的內(nèi)容）也就出現(xiàn)在 74LS164 芯片的并行輸出端。 41 鍵盤程序設(shè)計 鍵盤的控制方式一般有程控掃描法、定時掃描法和中斷掃描法，本程序采用程序掃描法編程。通過查詢 P1 口的狀態(tài)就可以確定哪個按鍵按下，確定按鍵按下后再進行相應(yīng)的功能處理即可。 1/150 步進電機轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系 步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為 43 角位移，通俗地說：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（步進角）。轉(zhuǎn)一圈需要 360176。 44 本章小結(jié) 本章首先介紹了軟件設(shè)計原則，其次介紹了主程序、 T0 中斷程序、調(diào)速程序、顯示程序等程序的設(shè)計。通過這次設(shè)計，加深對單片機控制系統(tǒng)的了解。 根據(jù)系統(tǒng)的要求確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。 用 keil 軟件完成程序的編寫和調(diào)試，并用 Proteus 軟件進行系統(tǒng)仿真。 45 參考文獻 [1]唐任遠 .《特種電機原理及應(yīng)用》 .第二版 .機械工業(yè)出版社， [2]邱阿瑞 .《電機與拖動基礎(chǔ)》 .第九版 .高等教育出版社， [3]王德勝 .《電氣控制系統(tǒng)設(shè)計》 .電子工業(yè)出版社， [4]馬忠梅 .《單片機 C 語言應(yīng)用程 序設(shè)計》 .第五版 .北京航空航天大學出版社， [5]周國運 .《單片機原理及應(yīng)用教程》 .中國水利水電出版社， [6]王靜霞 .《單片機應(yīng)用技術(shù)》 .電子工業(yè)出版社， [7]溫子琪 .《 51 單片機 C 語言教程》 .北京航空航天大學出版社， [8]坂本正文 .《步進電機應(yīng)用技術(shù)》 .科學出版社， [9]韓建國 .《 Foundation and Application of Microcontroller》 .中國質(zhì)檢出版社， [10]Dongkai Qiao,Xiangyu Yang,Jinxin of Automatic Welding Machine Based on PLC. 2020 Second International Conference on Digital Manufacturing amp。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計 （論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織 已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。論文雖然完成了系統(tǒng)的設(shè)計，但由于開發(fā)經(jīng)驗不足，系統(tǒng)一定存在不妥之處，尤其是步進電機的應(yīng)用方面有待進一步的研究和探討。 編寫應(yīng)用程序。 查閱相關(guān)資料。完整的程序如附錄 A 所示。 =20 個脈沖，設(shè)轉(zhuǎn)速為 N，則每分鐘需要的脈沖個數(shù)為 20N 個脈沖，每個脈沖的周期為 (單步時間 )【 18】 ： T=1/20N（ min） =60/20N（ s） =60 1000000/20N（ us） =3000000/N（ us） 定時器 T0 的定時時間為： T1=T/2 T0 的計數(shù)初值： Tx=65536fosc T1/12 =6553612 T1/12 =65536T/2 =655361500000/N 由上式可以算出每個轉(zhuǎn)速對應(yīng) T0 的計數(shù)初值，例如轉(zhuǎn)速為 25 r/min 時對應(yīng)的 T0 的計數(shù)初值為 Tx=655361500000/25=5536；轉(zhuǎn)速為 99 r/min 時對應(yīng)的T0 計數(shù)初值為 Tx=655361500000/99=50384；其它轉(zhuǎn)速對應(yīng) T0 的計數(shù)初值如附錄 B 所示。 本系統(tǒng)將步進電機的 最高速度 設(shè)定 為 99 r/min，最 低轉(zhuǎn) 速設(shè)定 為 25 r/min(啟動速度 )。 表 按鍵的功能與相應(yīng)鍵碼的定義 鍵號 功能 鍵碼 0 0 0EEH 1 1 0DEH 2 2 0BEH 3 3 7EH 4 4 0EDH 5 5 0DDH 6 6 0BDH 7 7 7DH 42 8 8 0EBH 9 9 0DBH 10 啟動 0BBH 11 停止 7BH 12 正轉(zhuǎn) 0E7H 13 反轉(zhuǎn) 0D7H 14 復位 0B7H 15 未定義 77H 按鍵功能說明：本程序的數(shù)字按鍵用于設(shè)定步進電機的運行步數(shù)；啟動停止按鍵用于控制步進電機的啟動與停止；正反轉(zhuǎn)按鍵用于控制步進電機的正反轉(zhuǎn)；復位按鍵用于當輸入?yún)?shù)有誤時，可通過復位按鍵重新輸入?yún)?shù)。由于系統(tǒng)所需的按鍵數(shù)較多，為減少鍵盤電路占用I/O 引腳數(shù)目，故采用矩陣鍵盤。 本程序?qū)⒉綌?shù)存放在一個一維數(shù)組 dispbuf[]中，將其作為顯示緩沖區(qū)，個位在前，千位在后。 當串行口工作在方式 0 時，串行移位脈沖 CLOCK 從 TXD 引腳輸出，頻率是系統(tǒng)時鐘頻率 fosc 的 12 分頻（在“ 6 時鐘 /機器周期”模式下，移位脈沖頻率是時鐘頻率 fosc 的 6 分頻）；而 8 位的串行數(shù)據(jù)從 RXD 引腳輸出。 39 圖 啟停時的脈沖頻率 圖 高恒速運行時脈沖頻率 40 顯示程序設(shè)計 單片機與顯示電路的接法一般有如下兩種方法： （ 1）串行接法： 設(shè)計中要顯示 4 位數(shù)字，用 74LS164 作為 顯示驅(qū)動，其中 74LS164 帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約 I/O 口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 Proteus 仿真步進電機的界面如圖 所示 【 16】 。在圖中簡單的反映出了整個控制系統(tǒng)的主程序工作流程。根據(jù)輸入的步數(shù)判斷是否需要進行調(diào)速，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)。單片機讀取開關(guān)狀態(tài)標志，判斷是否啟動系統(tǒng)。 （ 2）鍵盤掃描及按鍵處理。輸入步數(shù)大于 100 時的調(diào)速過 34 程如圖 所示。其具體功能如下： 按正轉(zhuǎn)按鍵時，步進電機正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時，步進電機反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時，步進電機步進電機停止運行；通過鍵盤可輸入所需要運行的步數(shù)，輸入的步數(shù)的范圍為 0— 9999 步，當輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動按鍵步進電機開始運行，同時數(shù)碼管顯示所需要運行的步數(shù)并通過 LED 顯示步進電機的運行狀態(tài)。軟件抗干擾是計算機應(yīng)用系統(tǒng)提高可行性的有力措施。各個功能程序運行狀態(tài)、運行結(jié)果以及運行要求都設(shè)置狀態(tài)標志以便查詢，程序 的轉(zhuǎn)移、運行、控制都可通過狀態(tài)標志條 33 件來控制。 （ 2）各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，子程序化。 32 本章小結(jié) 本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計原則和控制系統(tǒng)總體設(shè)計，其次對主要元器件進行了選擇和介紹。 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計 將各接口電路有機結(jié)合起來形成一個完整的電路，電路圖如附錄 C 所示。當 VCC=0 時， VCC 端與地等電位，電容 C 通過 VD 迅速放電。單片機外部的復位電路如圖 所示，該電路具有手動復位和上電復位的功能。 （ 2） 并行接法 ： 使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用 I/O 口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。對于不同類型的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。 環(huán)形脈沖分配器由 EPROM 和可逆計數(shù)器構(gòu)成，將步進電機的勵磁狀態(tài)以二進制的形式存入 EPOROM，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址內(nèi)容， EPROM 的輸出就是步進電機的勵磁狀態(tài) 。每 來一個 CP 脈沖，環(huán)形脈沖分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。 74LS191 是單時鐘方式的可逆計數(shù)器，計數(shù)器的輸出 QA～ QD 接 EPROM 的低四位地址線，這樣可以選通 EPROM的十六個地址（ 00H～ 0FH），將步進電機的勵磁狀態(tài)從 EPROM 中輸出，控制繞組的導通和截止。 2716 的管腳排列如圖 所示。 因此， AT89C51 系列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了 AT89C51 單片機作為中央控制單元。 （ 2） 內(nèi)部集成了 4K 字節(jié)的在線可編程 FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。 圖 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機的選擇 隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負載。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。 23 第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)設(shè)計原則 系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè) 計應(yīng)遵循下列原則 【 12】 ： （ 1）盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。 表 各站點距離 序號 站點 距離 1 供料站 — 加工站 470mm 2 加工站 — 裝配站 286mm 3 裝配站 — 分揀站 235mm 4 分揀站 — 返回工作原點 925mm 選用的步進電機的步距角越小，定位 精度就越高。由此可以算出每個站點之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個數(shù)。當停車時，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進電機立即停止，可能會由于系統(tǒng)慣性的原因，轉(zhuǎn)子會沖過終點，結(jié)果使停車不準確，因此停車也必須有一個降頻的過程。搬運站的整體運動采用步進電機驅(qū)動，具有定位精確和快速的特點。 步進電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用 由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響比較小，方向和轉(zhuǎn) 21 角控制簡單，并且步進電機能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向 CPU 申請一次中斷 ， CPU 響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個脈沖。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。采用步進電機的加減速控制可以有效地克服步進電機啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度 【 8】 。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短 而恒速時速度最高。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速 — 恒速 — 減速 — 低恒速 — 停止的過程，上述的變速控制過程如圖 所示。系統(tǒng)運行起來之后，如果到達終點時立即停止，可能會因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏差，所以從高速運行到停止也應(yīng)該有減速的措施 【 6 】 。當步進電機帶 18 負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。 步進電機的變速控制 對于大多數(shù)的任務(wù)而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到 達控制終點。其接口電路原理圖如圖 所示。 由于步進電機需要的驅(qū)動電流比較大，所以單片機與步進電機的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動電路。 (4) 電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，這些電動勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機繞組電流的大小。對于小功率的步進電機，可用中小功率晶體管進行驅(qū)動，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點，用于驅(qū)動小功率的步進電機（繞組電流在數(shù)百毫安）。 步進電機驅(qū)動電路 步進電機不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備 — 步進電機驅(qū)動器。 Rs 的最大值取決于集 — 射極間的擊穿電壓 Ucer。當繞組斷電時，繞組電勢極性反向，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，為電流提供一個續(xù)流回路，二極 管把功放管的集射極電壓鉗位到電源電壓 +U。這個電感電動勢必須控制在晶體管