【正文】 開 .所以將光電隔離單片機(jī)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 機(jī)械裝置 外圍電路 15 電路接在驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)出口之間。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)總體框架一般包括三部分 :主程序、中斷服務(wù)子程序以及其他相應(yīng)的輔助子程序 (包括正轉(zhuǎn)子程序、反轉(zhuǎn)子程序、鍵盤子程序、 LED 顯示子程序以及延時(shí)子程序 ). 本系統(tǒng)特點(diǎn)與功能 本系統(tǒng)特點(diǎn) 通過對(duì)其它步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合設(shè)計(jì)目的，本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機(jī)的控制方案。一個(gè)利用單片機(jī)來構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)的同一組端口，大大節(jié)約硬件資源 :單片機(jī)控制的運(yùn)行方式、模式和速度方面的控制基 本涵 蓋 步 進(jìn)電 機(jī) 的 普通 應(yīng) 用 。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路。 [15] 主要特性 與 MCS51 兼容； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器； 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)； 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年； 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定； 32 可編程 I/O 線 128*8 位內(nèi)部 RAM； 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 5 個(gè)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(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高； P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)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(gè)內(nèi)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(gè) TTL 門電流 ； P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè)TTL 門電流。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 1 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)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(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 單片機(jī)的最小化系統(tǒng)是單片機(jī)能正常工作所必須的外圍元件 , 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括 :單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路 。 由圖并結(jié)合 電容電壓不能突變 的性質(zhì) ,可以知道 ,當(dāng)系統(tǒng)一上電 ,RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平 ,并且 ,這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的 RC 值來決定 .典型的51 單片機(jī)當(dāng) RST 腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位 ,所以 ,適當(dāng)組合 RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位 。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。 21 液晶顯示簡(jiǎn)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(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)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(qū)動(dòng)方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（ Static）、單純矩陣驅(qū)動(dòng)（ Simple Matrix）和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（ Active Matrix）三種。 (2)字符的顯示 用 LCD 顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由 68 或 88 點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)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(diǎn)亮，為 “0” 的不亮。 1602 字符型 LCD 簡(jiǎn)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(hào)等點(diǎn)陣式 LCD。 第 2 腳： VDD 接 5V 正電源。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)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(nèi)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(hào) 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(biāo)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(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標(biāo)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(biāo)志或地址 0 1 BF 計(jì)數(shù)器地址 10 寫數(shù)到 CGRAM 或 DDRAM） 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容 11 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 1602 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置； ○12寫指令 0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡(jiǎn)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(hào) 及每行的列數(shù)找出顯示 RAM 對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì)應(yīng)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(nèi)容決定，當(dāng)（ 000H） =FFH 時(shí)，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長(zhǎng)度為 8 個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（ 3FFH） =FFH 時(shí)，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（ 000H）=FFH，（ 001H） =00H，（ 002H） =00H， ?? （ 00EH） =00H，（ 00FH） =00H 時(shí)，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(diǎn)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(dá)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(dāng)接低電平時(shí) ,復(fù)位后直接從外部 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行 。單片機(jī)的時(shí)鐘電路有一個(gè) 12M 的晶振和兩個(gè) 30P 的小電容組成，它們決定了單片機(jī)的工作時(shí)間精度為 1微秒 。在閑置模式下， CPU 停止工作。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)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(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 1 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 [16] LCD 按鍵 電源 1 單片機(jī) 電源 2 電機(jī)驅(qū) 動(dòng)電路 復(fù)位電路 步進(jìn)電機(jī) 17 系統(tǒng)核心 —— AT89C51 單片機(jī) AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 系統(tǒng)功能 運(yùn)行模式有單步、連續(xù)和預(yù)置步數(shù)三種 ； 可以預(yù)置轉(zhuǎn)向或者在運(yùn)行時(shí)改變轉(zhuǎn)向 ； LCD 顯示運(yùn)行速度 ； 兩個(gè) LED 分別指示電機(jī)轉(zhuǎn)向和運(yùn)行方式 ； 各種操作共有六個(gè)按鍵來輸入，操作方便 ； 設(shè)有強(qiáng)制復(fù)位鍵，當(dāng)受到嚴(yán)重干擾，致使 WTD 也失效后，可以通過強(qiáng)制復(fù)位鍵進(jìn)行手動(dòng)強(qiáng)行復(fù)位 ； 整個(gè)系統(tǒng)為 +5V 低電壓供電。要能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、變速以及控制顯示功能； 適應(yīng)性強(qiáng)，一般情況下只需改變軟件就可以適應(yīng)新的要求； 電機(jī)各種運(yùn)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(yīng)能力強(qiáng)，能夠在不改變硬件電路的情況下，只需對(duì)軟件進(jìn)行必要的修改就可以適應(yīng)不同的步進(jìn)電機(jī)和控制要求。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配 . 驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路。AACCCBBBA 一反轉(zhuǎn)。}ACB 一反轉(zhuǎn)。通過軟件的控制，單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字一角度的轉(zhuǎn)換。步進(jìn)電機(jī)控制 (包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配 )使用軟件方法，即用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣既簡(jiǎn)化了電路，也降低了成本。現(xiàn)在，脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、芯片化，市場(chǎng)上可以買到。 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)控式電機(jī)，其最大特點(diǎn)是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。因此典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由三部分組成 :步進(jìn)控制器、驅(qū)動(dòng)器 (把控制器輸出的脈沖加以放大，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) )、步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。如圖 31 所示 : 圖 31 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件為步進(jìn)電機(jī)。 [13] 13 第 3 章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)概述 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的完整的整體，由運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的更注重整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。混合式與傳統(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(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。 永磁式步進(jìn)電機(jī) 永磁式步進(jìn)電機(jī) (簡(jiǎn)稱 PM)永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。目浙江 [業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行 ； 步進(jìn)電機(jī)帶慣性負(fù)載的能力較差 ； 由于存在失步和共振，因此步進(jìn)電機(jī)的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化 ； 不能直接使用普通的交直流電源驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的運(yùn)行角度只和每次所給予的脈沖信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)，而電機(jī)的運(yùn)行速度也只和脈沖信號(hào)的頻率有直接關(guān)系。接著介紹了本論文要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，及要實(shí)現(xiàn)的操作方式。接著用較大的篇幅介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類和工作原理，然后分別闡述了所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。 以上這些優(yōu)點(diǎn)，尤其是在性能上的優(yōu)點(diǎn)，并不是一個(gè)量的變化，而是質(zhì)的飛躍。 [10] 8 細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無關(guān)。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 20細(xì)分狀態(tài) 176。 /176。 176。 、整步 工作時(shí)為 176。 細(xì)分驅(qū)動(dòng) 要了解 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 “ 細(xì)分 ” ，先要弄清 步進(jìn)電機(jī) “ 步距角 ” 這個(gè)概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。但由于斬波頻率是可變的，會(huì)使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對(duì)控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩，可靠性大大降低。高低壓驅(qū)動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導(dǎo)通時(shí)間不變，在低頻時(shí)，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(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)輸入信號(hào) In 為高電平時(shí)，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(jī)繞組上。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式分類及比較 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法的分類主要有恒電壓驅(qū)動(dòng)方式（單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)）、恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式（自激式恒電斬波驅(qū)動(dòng)、它 激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)）和細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。 70 年代我國(guó)研制快走絲數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控機(jī)床等數(shù)控設(shè)備的需求對(duì)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)則具備了反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)自動(dòng)化等性能要求較高應(yīng)用場(chǎng)合的主流，它剛開始和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一同發(fā)展起來，后來逐步用于替代反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域，在工業(yè)上的應(yīng)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(chǎn)品，而且已經(jīng)成為除了交直流電機(jī)外的第三大類電機(jī)。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn) 單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控 制過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響 。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。