【正文】 開 .所以將光電隔離單片機系統(tǒng) 驅動電路 步進電機 機械裝置 外圍電路 15 電路接在驅動電路和單片機出口之間。 系統(tǒng)的軟件設計通常采用模塊化結構，軟件系統(tǒng)總體框架一般包括三部分 :主程序、中斷服務子程序以及其他相應的輔助子程序 (包括正轉子程序、反轉子程序、鍵盤子程序、 LED 顯示子程序以及延時子程序 ). 本系統(tǒng)特點與功能 本系統(tǒng)特點 通過對其它步進電機控制系統(tǒng)的分析，結合設計目的，本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機的控制方案。一個利用單片機來構成的步進電機控制 系統(tǒng)的優(yōu)點是十分明顯的。鍵盤電路掃描輸出線與顯示部分的掃描線采用單片機的同一組端口，大大節(jié)約硬件資源 :單片機控制的運行方式、模式和速度方面的控制基 本涵 蓋 步 進電 機 的 普通 應 用 。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動電路。 [15] 主要特性 與 MCS51 兼容； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器； 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)； 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年； 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； 三級程序存儲器鎖定； 32 可編程 I/O 線 128*8 位內部 RAM； 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器； 5 個中斷源； 1可編程串行通道； 1低功耗的閑置和掉電模式； 1片內振蕩器和時鐘電路。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高； P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流； P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流 ； P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL 門電流。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。 1 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。在芯片 擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 單片機的最小化系統(tǒng)是單片機能正常工作所必須的外圍元件 , 最小系統(tǒng)一般應該包括 :單片機、晶振電路、復位電路 。 由圖并結合 電容電壓不能突變 的性質 ,可以知道 ,當系統(tǒng)一上電 ,RST腳將會出現(xiàn)高電平 ,并且 ,這個高電平持續(xù)的時間由電路的 RC 值來決定 .典型的51 單片機當 RST 腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位 ,所以 ,適當組合 RC的取值就可以保證可靠的復位 。因此，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。 21 液晶顯示簡介 (1)液晶顯示原理 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。如果根據(jù)驅動方式來分，可以分為靜態(tài)驅動（ Static）、單純矩陣驅動（ Simple Matrix）和主動矩陣驅動（ Active Matrix）三種。 (2)字符的顯示 用 LCD 顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由 68 或 88 點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示 RAM 區(qū)的 8 字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為 “1” ，其它的為 “0” ，為 “1” 的點亮，為 “0” 的不亮。 1602 字符型 LCD 簡介 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD。 第 2 腳： VDD 接 5V 正電源。 第 6 腳： E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 指令 2：光標復位，光標返回到地址 00H。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍， 高電平閃爍，低電平不閃爍。高電平表示有效，低電平則無效。 (3)1602LCD 的指令說明 1602 液晶模塊內部的控制器共有 11 條控制指令，如表 所示： 表 控制命令表 序號 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 顯示開 /關控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符發(fā)生存貯器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址 24 8 置數(shù)據(jù)存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存貯器地址 9 讀忙標志或地址 0 1 BF 計數(shù)器地址 10 寫數(shù)到 CGRAM 或 DDRAM） 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內容 11 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內容 1602 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。顯示光標移動設置； ○12寫指令 0CH：顯示開及光標設置。但由于內帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在 LCD 上開始顯示的行列號 及每行的列數(shù)找出顯示 RAM 對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 區(qū)的 000H—— 00FH 的16 字節(jié)的內容決定，當（ 000H） =FFH 時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為 8 個點；當（ 3FFH） =FFH 時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當（ 000H）=FFH，（ 001H） =00H，（ 002H） =00H， ?? （ 00EH） =00H，（ 00FH） =00H 時，則在屏幕的頂部顯示一條由 8 段亮線和 8 條暗線組成的虛線。 (2)液晶顯示器的分類 液晶顯示的分類方法有很多種，通常可按其顯示方式分為段式、字符式、點陣式等。 (3)體積小、重量輕 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。當接低電平時 ,復位后直接從外部 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行 。單片機的時鐘電路有一個 12M 的晶振和兩個 30P 的小電容組成，它們決定了單片機的工作時間精度為 1微秒 。在閑置模式下， CPU 停止工作。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 [14] 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。注意加密方式 1 時， /EA 將內部鎖定為 RESET；當/EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。 1 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。 RST：復位輸入。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 [16] LCD 按鍵 電源 1 單片機 電源 2 電機驅 動電路 復位電路 步進電機 17 系統(tǒng)核心 —— AT89C51 單片機 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 系統(tǒng)功能 運行模式有單步、連續(xù)和預置步數(shù)三種 ； 可以預置轉向或者在運行時改變轉向 ； LCD 顯示運行速度 ； 兩個 LED 分別指示電機轉向和運行方式 ； 各種操作共有六個按鍵來輸入，操作方便 ； 設有強制復位鍵，當受到嚴重干擾，致使 WTD 也失效后，可以通過強制復位鍵進行手動強行復位 ； 整個系統(tǒng)為 +5V 低電壓供電。要能實現(xiàn)步進電機的正反轉、變速以及控制顯示功能； 適應性強，一般情況下只需改變軟件就可以適應新的要求； 電機各種運行狀態(tài)指示要一目了然，使操作方便； 系統(tǒng)抗干擾和可靠性要高。且適應能力強，能夠在不改變硬件電路的情況下，只需對軟件進行必要的修改就可以適應不同的步進電機和控制要求。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配 . 驅動電路按照控制要求有多 種選擇，在本論文的第一章就介紹了幾種常見的驅動電路。AACCCBBBA 一反轉。}ACB 一反轉。通過軟件的控制，單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉動，從而實現(xiàn)數(shù)字一角度的轉換。步進電機控制 (包括控制脈沖的產生和分配 )使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也降低了成本?，F(xiàn)在，脈沖分配器已經標準化、芯片化，市場上可以買到。 步進電機是數(shù)控式電機，其最大特點是通過輸入脈沖信號來進行控制，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。因此典型的步進電機驅動控制系統(tǒng)主要由三部分組成 :步進控制器、驅動器 (把控制器輸出的脈沖加以放大，來驅動步進電機 )、步進電機。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。如圖 31 所示 : 圖 31 運動控制系統(tǒng)組成 步進電機控制系統(tǒng)簡介 在步進電機控制系統(tǒng)中運動執(zhí)行部件為步進電機。 [13] 13 第 3 章 步進電機控制系統(tǒng)概述 步進電機控制系統(tǒng)是一個有機的完整的整體，由運動控制系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉子會沿著 A、 B、 C、 D 方向轉動。由于本設計的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結合，所以只采用反應式步進電機。混合式與傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，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。 永磁式步進電機 永磁式步進電機 (簡稱 PM)永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。目浙江 [業(yè)大學碩士學位論文前使用最為廣泛的為反應式和混合式步進電機。同時用一臺控制器控制幾臺步進電機可使它們完全同步運行 ； 步進電機帶慣性負載的能力較差 ； 由于存在失步和共振，因此步進電機的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復雜化 ； 不能直接使用普通的交直流電源驅動。電機的運行角度只和每次所給予的脈沖信號強度有關，而電機的運行速度也只和脈沖信號的頻率有直接關系。接著介紹了本論文要設計的控制系統(tǒng)的功能特點，及要實現(xiàn)的操作方式。接著用較大的篇幅介紹了步進電機的特點、分類和工作原理，然后分別闡述了所要設計的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設計、軟件設計。 以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質的飛躍。 [10] 8 細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。 細分驅動器工作在 20細分狀態(tài) 176。 /176。 176。 、整步 工作時為 176。 細分驅動 要了解 步進電機驅動器的 “ 細分 ” ，先要弄清 步進電機 “ 步距角 ” 這個概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。但由于斬波頻率是可變的，會使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對控制電路產生很大的干擾，容易產生振蕩，可靠性大大降低。高低壓驅動可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導通時間不變，在低頻時，繞組獲得了過多的能量，容易引起振蕩。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個功率驅動電路的效率較低，僅適合于驅動小功率步進電機。當輸入信號 In 為高電平時，提供足夠大的基極電流使三極管 T 處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機繞組上。 步進電機驅動方式分類及比較 步進電機驅動方法的分類主要有恒電壓驅動方式（單電壓驅動、高低壓驅動）、恒電流斬波驅動方式（自激式恒電斬波驅動、它 激式恒電流斬波驅動）和細分驅動方式。 70 年代我國研制快走絲數(shù)控線切割機、數(shù)控機床等數(shù)控設備的需求對步進電機的發(fā)展起了很大的促進作用?；旌鲜讲竭M電機則具備了反應式步進電機和永磁式步進電機的優(yōu)點，成為工業(yè)自動化等性能要求較高應用場合的主流，它剛開始和反應式步進電機一同發(fā)展起來，后來逐步用于替代反應式步進電機。 國內外發(fā)展情況 步進電機問世以后很快就確定了開環(huán)高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)的應用領域，在工業(yè)上的應用發(fā)展至今己有幾十年的歷史，還沒有找到更合適的替代產品，而且已經成為除了交直流電機外的第三大類電機。 本方案有以下優(yōu)點 單片機軟件編程可以使復雜的控 制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響 。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。