【正文】 ................................................... 38 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 概述 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但是，一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，必須有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的使用在工控、家電、航天等領(lǐng)域都有非常廣的應(yīng)用。 本課題 的研究目標(biāo)是 將 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的基本功能 ，包括：正轉(zhuǎn)、反向、 加速、減速、制動(dòng)等。 1) 正轉(zhuǎn)： 步進(jìn)電機(jī)將以一定轉(zhuǎn)速沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 。（在極限頻率以內(nèi)） 4) 減速：步進(jìn)電機(jī)將以越來(lái)越慢的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)控制的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算并不多，不要求微控制器具有很高的處理速度和較大的 RAM 存儲(chǔ)空間。 STM32F10X 系列微控制器 簡(jiǎn)介 STM32F10X 系列微控制器 概述 圖 21 STM32F10X 芯片 圖 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 STM32F10X 系列是由意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的芯片。兩個(gè)系列都內(nèi)置 32K 到128K 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設(shè)接口的組合。 ARM CortexM3 內(nèi)核 處理器使用了 ARM v7M 體系結(jié)構(gòu)，是一個(gè)可綜合的、高度可配置的處理器。 ARM CortexM3 處理器實(shí)現(xiàn)了 Thumb2 指令集架構(gòu)，具有很高的代碼密度，可降低存儲(chǔ)器需求，并能達(dá)到非常接近 32 位 ARM 指令集的性能。 4) 單周期 32 位乘法。 8) 處理器狀態(tài)自動(dòng)保存于回復(fù)，保證低延時(shí)的 ISR 進(jìn)入和退出。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 STM32F10x 系列微控制器特性 ATM32F10X 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 控制類芯片 ，以下將羅列 其部分功能特性 ： 核心 1) ARM 32 位的 Cortex?M3CPU 2) 72MHz，高達(dá) 90DMips， 3) 單周期硬件乘法和除法 ——加快計(jì)算 存儲(chǔ)器 1) 從 32K 字節(jié)至 128K 字節(jié)閃存程序存儲(chǔ)器 2) 從 6K 字節(jié)至 20K 字節(jié) SRAM 3) 多重自舉功能 時(shí)鐘、復(fù)位和供電管理 1) 至 伏供電和 I/O 管腳 2) 上電 /斷電復(fù)位 (POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測(cè)器 (PVD)、掉電監(jiān)測(cè)器 3) 內(nèi)嵌 4 至 16MHz 高速晶體振蕩器 4) 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的 8MHz 的 RC 振蕩器 5) 內(nèi)嵌 40kHz 的 RC 振蕩器 6) 內(nèi)嵌 PLL 供應(yīng) CPU 時(shí)鐘 7) 內(nèi)嵌使用外部 32kHz 晶體的 RTC 振蕩器 多達(dá) 80 個(gè)快速 I/O 口 1) 26/36/51/80 個(gè)多功能雙向 5V 兼容的 I/O 口 2) 所有 I/O 口可以映像到 16 個(gè)外部中斷 STM32F10x 內(nèi)部結(jié)構(gòu) STM32F10X 的 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 下圖是 STM32F10X 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中主要部分包括： 四個(gè)主控端： 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 CortexM3 內(nèi)核指令總線，數(shù)據(jù)總線以及系統(tǒng)總線 、 DMA(通用 DMA) 四個(gè)受控端： 內(nèi)部 SRAM、 內(nèi)部 Flash 存儲(chǔ)器 、 AHB 到 APB 橋（ AHB2APBX）該橋用來(lái)連接有的 APB 設(shè)備 圖 23 STM32F10X 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 除了 Flash、系統(tǒng)時(shí)鐘的必須使用的模塊，其他設(shè)備在圖中標(biāo)出的部分在本文中需要使用，這些都是基于 APB2 橋設(shè)備。系統(tǒng)時(shí)江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 鐘可選擇為 PLL 輸出、 HSI 或者 HSE。 3) 直接送給 Cortex 的空閑運(yùn)行時(shí)鐘 FCLK。 5) 送給 APB2 分頻器。ADC 分頻器可選擇為 8 分頻。 在需要的情況下， I/O 引腳的外設(shè)功能可以通過(guò)一個(gè)特定的操作鎖定，以避免意外的寫入 I/O 寄存器。 推挽輸出的特性： 1) 推挽輸出 可以輸出高 ,低電平 ,連接數(shù)字器件 2) 推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)三極管分別受兩互補(bǔ)信號(hào)的控制 ,總是在一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止 .要實(shí)現(xiàn)線與需要用 OC(open collector)門電路 .是兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或 MOSFET,以推挽方式存在于電路中 ,各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù) ,電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小 ,效率高。 STM32F103C8 增強(qiáng)型系列工作于 40176。下面給出了該系列產(chǎn)品中所有外設(shè)的基本介紹。 圖 31 步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖 工作原理 步進(jìn)電機(jī) 更具通過(guò)每個(gè)繞組的電流反向 可分為單極性和雙極性 。單極性步進(jìn)電機(jī)還被稱為 4 相步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗?4 個(gè)激勵(lì)繞組。 圖 32 單極性步進(jìn)電機(jī)原理圖 單極性步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式 單極性步進(jìn)電機(jī)可以來(lái)用三種步進(jìn)方式：?jiǎn)闻摹㈦p拍、半拍方式。 3) 半拍： A – AB – B – BC – C – CD – D – DA 它工作時(shí)的則讓兩個(gè)繞組通電與單個(gè)繞組通電方式交替的進(jìn)行。它又被稱為單繞組步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)槊繕O只有單一的繞組，它還被稱為兩相步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)榫哂袃蓚€(gè)分離的線圈。由于雙極性步進(jìn)電機(jī)比單極性步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩大，因此總是應(yīng)用于空間有限的設(shè)計(jì)中。雙極性步進(jìn)電機(jī)的步距通常是 176。 灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。 ULN2020 達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)物圖如下 （ 型號(hào)： ULN2020APG） ： 圖 35 ULN2020 實(shí)物圖 工作原理 ULN2020 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列 ,由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成 芯片 。 按鍵 開關(guān) 由于接觸電阻小、按動(dòng)有清脆的手感手感明顯、高度規(guī)格齊全等方面的原因，在家用電器方面得到廣泛的應(yīng)用如：影音產(chǎn)品、數(shù)碼產(chǎn)品、遙控器、通訊產(chǎn)品、家用電器、安防產(chǎn)品、玩具、電腦產(chǎn)品、健身器材、醫(yī)療器材、驗(yàn)鈔筆、雷射筆按鍵等等。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè) PN 結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴３Ｓ玫氖前l(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過(guò)管子的電流。 本章 主要介紹 硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 部分 ， 硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)。 本課題 充分應(yīng)用了 STM32F103C8 處理器的時(shí)鐘、 SYSTICK定時(shí)器 、中斷口 等功能。 脈沖序列 和 脈沖的頻率通過(guò)軟件來(lái)設(shè)定。 ULN2020 是 高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品 ,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。 如下 圖 43 電流驅(qū)動(dòng)模塊 電路連接圖 所示： ULN2020 達(dá)林頓芯片 中 IN ININ IN6 作為 脈沖信號(hào) 輸入端口 ， 信號(hào)來(lái)源于 脈沖發(fā)生模塊 的脈沖輸出，即 處理器 GPIOA 的四個(gè)端口 GPIOA_Pin_0， GPIOA_Pin_1， GPIOA_Pin_2，GPIOA_Pin_3 輸出的相應(yīng)電平輸出。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè) 脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。單極性步進(jìn)電機(jī)還被 稱為 4 相步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗?4 個(gè)激勵(lì)繞組。 單極性步進(jìn)電機(jī)可以來(lái)用三種步進(jìn)方式：?jiǎn)闻?、雙拍、半拍方式。 其控制信號(hào)將有 STM32F103C8 處理器 GPIOA 的四個(gè)端口GPIOA_Pin_0， GPIOA_Pin_1， GPIOA_Pin_2， GPIOA_Pin_3 控制輸出。 如下圖 44 步進(jìn)電機(jī)電路圖 ， 圖 中 A B C D1 為步進(jìn)電機(jī)的 四相 繞組直接接口， 這些接口的電流將直接通過(guò) 步進(jìn)電機(jī)各相 繞組，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。 15％的變動(dòng)時(shí)，仍應(yīng)能保持輸出電流在177。 LED 為共陽(yáng)極接入電路 ，如果想點(diǎn)亮任何一盞 LED燈只需給相應(yīng)的端口低電平 ，也即在控制 LED 亮滅時(shí)只需控制相應(yīng)接入 處理器接口的電平輸出即可。單片機(jī)可以采用查詢或中斷方式了解有無(wú)鍵輸入并檢查哪一個(gè)鍵被按下，并通過(guò)轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完又返回到原始狀態(tài) 。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 46 按鍵電路圖 如上圖 46 按鍵電路圖 所示， 圖中有 8 路 獨(dú)立的按鍵， 每個(gè)按鍵可以與單獨(dú)的端口連接 ，如下圖 45 LED 電路圖 中有 8 路獨(dú)立的按鍵，每一個(gè) 按鍵 接在獨(dú)立的端口上，可以獨(dú)立的工作。 系統(tǒng)功能模塊動(dòng)作說(shuō)明 在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不同的模塊演繹著各色不同的功能， 通過(guò)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)，不同的動(dòng)作，不同的模塊將產(chǎn)生不同的信息、效果。 2) 正反轉(zhuǎn)切換按鍵按下時(shí)，若步進(jìn)電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài) ，處理器接收到反轉(zhuǎn)信號(hào)，運(yùn)行反轉(zhuǎn)程序 ， 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)， 指示反轉(zhuǎn)的 LED 根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速閃爍，指示正轉(zhuǎn)的 LED 熄滅 ；若步進(jìn)電機(jī)處于 反 轉(zhuǎn)狀態(tài)，處理器接收到正 轉(zhuǎn)信號(hào)，運(yùn)行 正 轉(zhuǎn)程序， 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)， 指示 正 轉(zhuǎn)的 LED 根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速閃爍，指示 反 轉(zhuǎn)的 LED 熄滅 。 5) 無(wú)按鍵按下時(shí)，處理器不改變運(yùn)行的程序，運(yùn)行效果將不改變，知道有功能選擇按下。適當(dāng)使各項(xiàng)功能模塊化。 該函數(shù)庫(kù)是一個(gè)固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征。每個(gè)外設(shè)驅(qū)動(dòng)都由一組函數(shù)組成，這組函數(shù)覆蓋了該外設(shè)所有功能。 該 固件庫(kù)用戶手冊(cè)的整體架構(gòu)如下： ? 定義，文檔約定和固態(tài)函數(shù)庫(kù)規(guī)則。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)環(huán)境 STM32 微處理器基于 ARM 核，所以很多基于 ARM 嵌入式開發(fā)環(huán)境都可用于 STM32 開發(fā)平臺(tái)。 電機(jī)停止 鍵 5 返回 電機(jī)減速 鍵 4 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 Keil MDK 簡(jiǎn)介 Keil是德國(guó)知名軟件公司 Keil（現(xiàn)已并入 ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺(tái)，是目前 ARM內(nèi)核單片機(jī)開發(fā)的主流工具。 使用 Keil 來(lái)開發(fā)嵌入式軟件，開發(fā)周期和其他的平臺(tái)軟件開發(fā)周期是差不多的，大致有以下幾個(gè)步驟： 1. 創(chuàng)建一個(gè)工程，選擇一塊目標(biāo)芯片，并且做一些必要的工程配置。 5. 聯(lián)機(jī)調(diào)試。 uVision4 具有如下特性： ? 功能齊全的源代碼編輯器 ? 用于配置開發(fā)工具的設(shè)備庫(kù) ? 用于創(chuàng)建工程和維護(hù)工程的項(xiàng)目管理器 ? 所有的工具配置都采用對(duì)話框進(jìn)行 ? 集成了源碼級(jí)的仿真調(diào)試器，包括高速 CPU 和外設(shè)模擬器 ? 用于往 Flash ROM 下載應(yīng)用程序的 Flash 編程工具 ? 完備的開發(fā)工具幫助文檔，設(shè)備數(shù)據(jù)表 和用戶使用向?qū)? 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 如下圖 53 所示 為 uVision4 IDE 集成開發(fā)環(huán)境 ： 圖 53 uVision4 IDE 集成開發(fā)環(huán)境 工程設(shè)置 工程建立好了之后，還要對(duì)工程進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置，以滿足要求。Target 139。 圖 54 工程設(shè)置對(duì)話框 此外 如果 需要調(diào)試則需要對(duì) Debug 頁(yè)進(jìn)行設(shè)置， uVision4 IDE 支持在線 仿真 調(diào)試和 ULINK 在線調(diào)試 。本課題將使用 使用苦函數(shù)來(lái)完成系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化。 4) 設(shè)置 RCC_CR 啟動(dòng) PLL，并確認(rèn) PLL 工作正常。所有的異常處理均在 Handle 模式下進(jìn)行。 CortexM3 處理器的一下特性，提高了處理異常的效率并降低了時(shí)間的延遲 1) 異常的種類 CortexM3 處理器將復(fù)位、不可屏蔽中斷、外部中斷、故障都統(tǒng)一為異常，異常有多種類型。位置是指中斷向量在中斷向量表中的位置，是相對(duì)于中斷限量表開始處字的偏移。 優(yōu)先級(jí) NVIC 支持通過(guò)軟件設(shè)置的優(yōu)先級(jí)。 3) 其他 SysTick 管理 詳見 外部中斷 /時(shí)間控制器（ EXTI）管理詳見 延時(shí)模塊 延時(shí)模塊的功能 延時(shí)模塊 作用是使得 處理器經(jīng)過(guò)指定的延時(shí)后在運(yùn)行 相應(yīng)的 指令， 延時(shí)模板一般用于器件時(shí)序的響應(yīng) （ 一些器件由于工作頻率遠(yuǎn)比 CPU 的頻率低 ，短時(shí)間的電平狀態(tài)不能使得器件響應(yīng) ，故而 使用延時(shí)保持電平的狀態(tài) ） ；還可以 產(chǎn)生一定頻率的脈沖 序列 。硬件延時(shí)有著自己的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，不會(huì)占用 CPU，只有到達(dá)了設(shè)定的時(shí)間間隔 CPU 才會(huì)響應(yīng)中斷，處理中斷過(guò)程序。 SysTick 定時(shí)器 SysTick 定時(shí)器被捆綁在 NVIC 中，用于產(chǎn)生 SYSTICK 異常（異常號(hào)： 15）。 ARM CortexM3 的內(nèi)核中包含一個(gè) SysTick 時(shí)鐘。 SysTick 寄存器 STM32F10X 中的 Systick， Systick 部分內(nèi)容屬于 NVIC 控制部分，一共有 4個(gè)寄存器 ，如下表 所示：