【正文】 ct Based on AT89S52 singlechip, stepper motor driver chip ULN20xxA, character type LCD and keyboard array, the thesis builds a stepping motor control system integrating stepper motor controller and driver. Making the singlechip as the cyberic core of the stepper motor, the system pletes hardware circuit39。以三維工作臺(tái)作為被控對(duì)象，每個(gè)方向由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的滾珠絲竿機(jī)械裝置進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完成了各個(gè)坐標(biāo)方向的精確運(yùn)動(dòng)，以此模擬實(shí)現(xiàn)切割機(jī)上下、前后的精確切割。系統(tǒng)以單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的控制核心，完成了步進(jìn)電機(jī)的控制的硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)，以及轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。在上位機(jī)系統(tǒng)界面上通過(guò)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)坐標(biāo)方向的步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制操作以完成對(duì)應(yīng)的各個(gè)步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的啟動(dòng)、急停、前進(jìn)、返回等一系列動(dòng)作以及相應(yīng)轉(zhuǎn)速值、行進(jìn)坐標(biāo)值的實(shí)時(shí)輸入發(fā)送與接收顯示，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。s start and stop, positive inversion and revolving speed39。s realtime state of change on the move, motor39。步進(jìn)電機(jī)的角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速，或線速度與脈沖頻率成正比。在實(shí)際應(yīng)用中 ，步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的執(zhí)行元件之一，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人控制、繪圖儀、物料計(jì)量、包裝機(jī)械等精密機(jī)械中都有 應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 步進(jìn)電機(jī)最早是在 19 世紀(jì) 20 年代由英國(guó)人開(kāi)發(fā)的，并成功地被英國(guó)海軍用作定位控制和遠(yuǎn)程遙控。隨著微型計(jì)算機(jī)與控制技術(shù)的發(fā)展，目前在國(guó)外更傾向 于用更多現(xiàn)代的手段逐步將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，當(dāng)然除了旋轉(zhuǎn)編碼器、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)還使用光電編 碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制 [2] 。往后經(jīng)過(guò)不斷的改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要較高定位精度、高響應(yīng)性、穩(wěn)定性等靈活控制性高的機(jī)械控制系統(tǒng)中?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)最初是作為一種低速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的，是工業(yè)應(yīng)用 最為廣泛的步進(jìn)電機(jī)品種。在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前走一步。由單片機(jī)產(chǎn)生的 控制脈 沖 信號(hào)送于 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成啟停、正反轉(zhuǎn)等一系列動(dòng)作以此驅(qū)動(dòng)與電機(jī)相鏈接的由螺旋絲桿構(gòu)成的機(jī)械裝置，以實(shí)現(xiàn)切割機(jī)上下、前后的精確運(yùn)動(dòng)。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 方案的選擇與論證 1． 基于電子電路的控制 由于步進(jìn)電機(jī)是受電脈沖信號(hào)控制的，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該方案下的系統(tǒng)主要由三部分組成：即脈沖信號(hào)的產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)的分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。但如果采用閉環(huán)控制，就可以實(shí)現(xiàn)高精度的細(xì)分，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 2． 基于 PLC 的控制 PLC 也可稱為可編程控制器，是一種專門(mén)在工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)上廣泛使用的計(jì)算機(jī)。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的電磁繞組。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將 PLC 輸出的控制脈沖經(jīng)過(guò)功率運(yùn)放將其放大，以力求達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力，使得能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。 3． 基于單片機(jī)的控制 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng) 軟件編程 實(shí)現(xiàn) ，通過(guò) 采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn) 對(duì)控制 脈沖的分配。 系統(tǒng)各部分組成 框圖如圖 所示 。而步進(jìn)電機(jī)模塊也就是被控對(duì)象，主要是驅(qū)動(dòng)與之鏈接的由螺旋絲桿構(gòu)成的機(jī)械裝置，以此完成系統(tǒng)的上下前后左右的直線位移運(yùn)動(dòng)。 鍵盤(pán)輸入模塊，為了節(jié)省 I/O 口并得到滿足系統(tǒng)要求的鍵值， 采用矩陣鍵盤(pán)掃描方式獲取相應(yīng)鍵值，通過(guò)設(shè)定的相應(yīng)鍵值處理子程序，并通過(guò)子程序?qū)崿F(xiàn)完成了各個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電機(jī)速度及步進(jìn)量的設(shè)定等功能。它的 Flash 程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，功能強(qiáng)大。作為輸出口用時(shí)，可以能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路，該口內(nèi)無(wú)上拉電阻，由兩個(gè) MOS 管串接，既可以斷開(kāi)漏極輸出又可以處于高阻態(tài)，因此稱為雙向、漏極開(kāi)路 I/O 口。作為輸入口使 用時(shí)，需對(duì)每個(gè)引腳寫(xiě)入 1 成為高阻抗輸入口，這時(shí)該口為準(zhǔn)雙向I/O 口。 P2 口 21~28 引腳： P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 亦接收高字節(jié)地址和一些控制信號(hào)。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位。 在非訪問(wèn)外圍器件期間， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘信號(hào)或用于定時(shí)目的。此外，該引腳會(huì)被微弱信號(hào)拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效。 EA /VPP 端口 31 引腳： EA 為訪問(wèn)芯片內(nèi)部和芯片外部程序存儲(chǔ)器的選擇信號(hào)。對(duì)片內(nèi) Flash 存 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)，該引腳接編程電壓 VPP（ 5V 或 12V），對(duì)編程程序進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，該引腳接電源電壓 VCC。 程序存儲(chǔ)器：如果 EA 引腳接地（ GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起 構(gòu)成自激振蕩器。10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF177。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)一個(gè) 2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的， 所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒(méi)有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。編程前，須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)， AT89S52 編程方法如下：首先在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)，其次在數(shù)據(jù)線上加上要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)，進(jìn)而激活相應(yīng)的控制信號(hào) ，再者將 EA/Vpp 端加 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 上 +12V 編程電壓，此外在每對(duì) Flash 存儲(chǔ)陣列寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)或每寫(xiě)入一個(gè)程序加密位，加上 ALE/PROG 編程脈沖。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，單片機(jī)的 P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口全部參與系統(tǒng)工作，單片機(jī)最小系統(tǒng)的接線如圖 所示。 ? P3 口的部分端口用于 LGM12641BS1R 液晶顯示器的控制使能端以控制實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的讀寫(xiě)操作功能，既與 LGM12641BS1R 液晶顯示器的的使能位端口相接。總體上說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單；在需要更高控制精度時(shí)可進(jìn)行閉環(huán)控制；位移與脈沖信 號(hào)數(shù)對(duì)應(yīng)，沒(méi)有角累積誤差，能精確定位；具有優(yōu)秀的啟停響應(yīng)，可以瞬間啟動(dòng)和急速停止；具有優(yōu)秀的反轉(zhuǎn)響應(yīng)；改變脈沖的順序，可以方便地改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向；停止時(shí)也可以保持轉(zhuǎn)矩，無(wú)刷、造價(jià)較低、可靠性高。目前使用最為廣泛的是反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)，而工業(yè)上廣泛使用的是三相步進(jìn)電機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出。由于它輸出轉(zhuǎn)矩大，故動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應(yīng)式 )，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，而且還需要正負(fù)脈沖供電。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。 兩相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理 兩相步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁(yè) 步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改變定子 線圈的通電順序不僅可使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。該方式下，電機(jī)的兩個(gè)線圈一直通電，但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性。例如，一個(gè) 90176。 圖 兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) 圖 兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 圖 兩相電機(jī)的 單 ‐ 雙四拍驅(qū)動(dòng)方式 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 該模塊驅(qū)動(dòng)電路，通常可以采用達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片 ULN20xxA，此芯片為極電極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)芯片，能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，價(jià)格低廉。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 此外， ULN20xxA 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 的基極電阻，在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。 ULN20xxA 的引腳圖如圖 所示。 ? 4 引腳：脈沖信號(hào)輸入端。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) ? 8 引腳：接地端。 ? 10 引腳：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng) 7 引腳信號(hào)輸入端。 ? 14 引腳：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng) 3 引腳信號(hào)輸入端。而 74LS244 輸入端和它的片選信號(hào)端直接接單片機(jī) I/O 口，為更加節(jié)省 I/O 口其中的一個(gè)片選信號(hào)端經(jīng)由一個(gè)與非門(mén)相接，這樣設(shè)計(jì)就可以大大節(jié)省 I/O 口資源。通過(guò) MAX232 串口通信芯片與單片機(jī)相接組成單片機(jī)與上位機(jī)的通信通道，其具體電路圖如圖 所示，而上位機(jī)則是基于 VB 語(yǔ)言設(shè)計(jì)的交互性很強(qiáng)的界面，其具體界面設(shè)計(jì)將在下一章節(jié)介紹。不管是哪一種它們都是可用于專門(mén)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)、文字的點(diǎn)陣式 LCD。該液晶驅(qū)動(dòng)器為 KS0108，是一種點(diǎn)陣液晶圖形顯示控制器，具有 512 字節(jié)的顯示 RAM 和 8 位并行數(shù)據(jù)總線。 Vout 為負(fù)電壓輸出，并與調(diào)壓輸入端 Vo 及滑動(dòng)變阻器一起連接，作為 LED 背光調(diào)壓使用。 VCC(工作電壓 ~)和 GND 為電源端。 ? 讀狀態(tài)字（ STATUS READ） 格式 ： BUSY 0 ON/OFF RESET 0 0 0 0 1． BUSY=1 表示 KS0108 正在處理計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的指令或數(shù)據(jù)。 ON/OFF=1 表示關(guān)顯示狀態(tài)，當(dāng) ON/OFF=0 表示開(kāi)顯示狀態(tài)。 4． 在指令設(shè)置和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)要注意狀態(tài)字中的 BUSY 標(biāo)志。 ? 顯示開(kāi)關(guān)（ DISPLAY ON/OFF） 格式： 0 0 1 1 1 1 1 D 該指令設(shè)置顯示開(kāi)關(guān) /觸發(fā)器的狀態(tài)，由此控制顯示數(shù)據(jù)鎖存器的工作方式，從而控制顯示屏上的顯示狀態(tài)。當(dāng) D=0時(shí)，為顯示關(guān)顯 示設(shè)置，顯示數(shù)據(jù)鎖存器被置零，顯示屏呈不顯示狀態(tài)，但顯示存儲(chǔ)器并沒(méi)有被破壞，在狀態(tài)組中 ON/OFF=1。在連續(xù)顯示時(shí)，行地址指 針會(huì)自動(dòng)減 1。 KS0108 將顯示存儲(chǔ)器分成了 8 頁(yè)，指令代碼中 P2~P0 就是要確定當(dāng)前所要選擇的頁(yè)面地址，取值范圍為 0~7H，代表第 1~8頁(yè)。頁(yè)面地址的設(shè)置和列地址的設(shè)置將顯示存儲(chǔ)器單元唯一地確定下來(lái)，為后來(lái)的顯示數(shù)據(jù)的讀 /寫(xiě)作了地址的選通。第一次把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)從顯存中讀到輸出鎖存器中，第二次把數(shù)據(jù)從輸出鎖存器通過(guò)總線讀到計(jì)算機(jī)中。相當(dāng)于把 128X64 圖形液晶顯示屏從中間一分為二，成為兩個(gè) 64X64顯示屏。要想在左半屏或右半屏顯示圖形或字符，必須先指定顯示屏的位置。這 512 個(gè)存儲(chǔ)空間又劃分為 8 頁(yè)，每頁(yè) 64 個(gè)存儲(chǔ)空間，即 64 個(gè)字節(jié)。即在顯存中，前 64 個(gè)字節(jié)（ 512 位）為第一頁(yè)，位于半屏的第一字符行（一個(gè)字符行相當(dāng) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 29 頁(yè) 于 8 個(gè)點(diǎn)行），以此類推。這里所說(shuō)的列為點(diǎn)列，對(duì)應(yīng)從半屏的最左邊至最右邊，范圍為 00~3FH. 只要把顯示數(shù)據(jù)送入指定的頁(yè)和列，對(duì)應(yīng)屏幕位置上就會(huì)有顯示。 此外，在 KS0108 控制器顯示時(shí)，在屏幕上是按列顯示的。如果此時(shí)繼續(xù)從數(shù)據(jù)塊中 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 30 頁(yè) 再取出 16 個(gè)字節(jié)而不改變顯示地址的話， “我 ”字的下半部分就會(huì)緊接著顯示在上半部分的右側(cè)，即列地址是自動(dòng)加 1 的。如果是顯示 8X8 點(diǎn)陣字符，因?yàn)椴怀霰卷?yè)，所以不用再換頁(yè)，連續(xù)取出 8 個(gè)顯示數(shù)據(jù)即可。在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。 圖 矩陣鍵盤(pán)模塊硬件設(shè)計(jì)電路圖 其工作原理為當(dāng)無(wú)按鍵閉合時(shí)， ~ 與 ~ 之間開(kāi)路。綜合一、二兩步的結(jié)果，可確定按鍵編號(hào)。延時(shí)完成后再判斷是否有低電平，如果此時(shí)讀入列線數(shù)據(jù)還是有低電平，則說(shuō)明確實(shí)有