【正文】 ................................... 33 系統(tǒng)初始化模塊設(shè)計(jì) .................................................. 34 鍵盤輸入與液晶顯示程序模塊 .......................................... 34 步 進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制模塊 ................................................ 35 上位機(jī)模塊的軟件設(shè)計(jì) ................................................ 36 結(jié) 論 ............................................................... 39 致 謝 ................................................................ 40 參考文獻(xiàn) ................................................................ 41 附 錄 .............................................................. 42 附錄 A ................................................................. 42 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 IV頁 附錄 B ................................................................. 51 附錄 C ................................................................. 52 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 1 緒 論 設(shè)計(jì)的背景及目的 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在國外通常被稱為 Steppingmotor、 Pulse motor 或 Stepper servo，其應(yīng)用及其發(fā)展已有約 80 年的歷史。 傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)。在國內(nèi)，過去用大力矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實(shí)力的公司現(xiàn)在也采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，而在驅(qū)動(dòng)設(shè)備上國內(nèi)與國外還存在著很大的差距，主要差距是國外對交流電動(dòng)機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，并寫在控制器內(nèi)部。步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化裝備，辦公自動(dòng)化設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，近年來，控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展有力地推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，提高了步進(jìn)電機(jī)的高性能伺服控制的設(shè)計(jì)方法與具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，反映了步進(jìn)電機(jī)伺服控制技術(shù)的最新發(fā)展 [3] 。通過矩陣鍵盤模塊實(shí)時(shí)鍵入相應(yīng)數(shù)值來控制電機(jī)的啟停、前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)速，并通過 LCD 字符型液晶顯示屏顯示各個(gè)步進(jìn)電機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行檔速和步進(jìn)距離。系統(tǒng)組成如圖 所示。 PLC 作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用 性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)、可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用 PLC 中的定時(shí)器來產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件 成本。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)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、振蕩等對控 制精度的影響； (2)用軟件 編程實(shí)現(xiàn)的方式 代替環(huán)形分配器，通過對單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性； (3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合 集成在一起 ，大大 地 提高 了 系統(tǒng)的交互性。 串口下載模塊主要是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的雙向通信，并將在計(jì)算機(jī)里面編譯好的程序下載到單片機(jī)芯片當(dāng)中。其主要特性參數(shù)及功能特性如下： 1． 與 MCS51 產(chǎn)品指令系 統(tǒng)完全兼容； 2． 可在線 ISP 編程的 8KB 平片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器； 3． ~ 的工作電壓范圍； 4． 振蕩器和時(shí)鐘電路的全靜態(tài)工作頻率為 0Hz~30MHz； 5． 雙數(shù)據(jù)指針 DPTR0 和 DPTR1； 6． 256B 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 7． 可編程的 32 根 I/O 接口線； 8． 3 個(gè)可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器； 9． 具有 8 個(gè)中斷源、 6 個(gè)中斷矢量、 2 級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)； 10． 1 個(gè)可編程的全雙工的 UART 串行通信口； 11． 可在 “空閑 ”和 “掉電 ”兩種低功耗模式運(yùn)行； 12． 8 位字長的 CPU； 13． 1 個(gè)看門狗定時(shí)器 WDT； 14． 可編程的 3 級(jí)程序鎖定位； 15． 具 有斷電標(biāo)志位 POF； AT89S52 單片機(jī)的封裝形式有三種，分別為： PDIP、 TQEP 和 PLCC，本設(shè)計(jì)采用 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 PDIP 封裝形式的 AT89S52 單片機(jī)，其引腳排列如圖 所示。 P1 口 1~8 引腳： Pl 是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位、雙向 I/O 口， Pl 口的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路，當(dāng)編程和校驗(yàn)程序時(shí)定義為，該口定義為低 8 位的地址線。 P3 口 10~17： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻 的 8 位、雙向 I/O 口。當(dāng)定時(shí)監(jiān)視器 WDT（看門狗）溢出，將使該引腳輸出高電平并持續(xù) 98 個(gè)振蕩周期。 PSEN ：程序儲(chǔ)存允許（ PSEN ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89S52的 CPU 讀取外部程序存儲(chǔ)器取指令代碼（或數(shù)據(jù)）時(shí)，被讀取的指令代碼被送到 P0 口。 XTAL1 端口 19 引腳：芯片內(nèi)振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。此外，外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 Cl、 C2 接在放大器的反饋回路構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。 Flash 閃速存儲(chǔ)器的并行編程： AT89S52 單片機(jī)內(nèi)部 8KB 字節(jié)的可快速編程的 Flash存儲(chǔ)陣列。 圖 單片機(jī) 最小系統(tǒng)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 單片機(jī) I/O 口分配及實(shí)現(xiàn)的功能 ? P0 口的全部端口主要用于負(fù)責(zé)處理 LGM12641BS1R 液晶顯示器的讀寫數(shù)據(jù) /命令。但是，步進(jìn)電機(jī)也存在如下缺點(diǎn)：難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩，不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng)；在體積、重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低；超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。 2． 永磁式步進(jìn)電機(jī) (Permanent Mag，簡稱 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。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。每個(gè)脈沖所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是精確的，并可重復(fù)，這就是步進(jìn)電機(jī)為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。其工作過程如圖 所示，一開始定子線圈 A 和 b 同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示 step1 位置；在第 2 步中，定子線圈 A 斷電，而線圈 b 和 a（此時(shí)的線圈 a 通電極性與第 1 步線圈 A相反）同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示 step2位置；在第 3 步中，定子線圈 a 和 B 同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁 其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示 step3 位置；在第 4 步中，定子線圈 B 和 A 相同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示 step4 位置。也可以用驅(qū)動(dòng)芯片 L298， L298為 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片，可以為負(fù)載提供雙向的電流，簡單方便且在實(shí)際應(yīng)用中較常使用，但是相應(yīng)的成本增加了。 圖 ULN20xxA 引腳圖 各個(gè)引腳的功能如下： ? 1 引腳：脈沖信號(hào)輸入端。 ? 9 引腳：該腳是內(nèi)部 7 個(gè)續(xù)流二極管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。 ? 15 引腳：脈沖信號(hào)輸出端，對應(yīng) 2 引腳信號(hào)輸入端。 圖 串口通信模塊電路圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁 LCD12864 字符型液晶屏顯示模塊設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，采用 LCD12864 字符型液晶屏顯示器 LGM12641BS1R 與單片機(jī) P0 口全部 I/O 口及 P3 口的部分 I/O 口，作為系統(tǒng)的步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)速、啟停、步進(jìn)量等運(yùn)行狀態(tài)信息的顯示模塊。作為圖形液晶顯示控制器，目前它的應(yīng)用范圍較為普遍。 CSCS2 分別為左、右半屏的片選信號(hào)，高電平有效。 3． RESET：表示當(dāng)前 KS0108 的工作狀態(tài)，即反映 RST 端的電平狀態(tài)。 D 為顯示開 /關(guān)的控制位。通常只在程序開始初始化時(shí)，指定起始行地址。 ? 寫顯示數(shù)據(jù)（ WRITE DISPLAY DATA） 格式： 數(shù) 據(jù) 該操作將 8 為數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲(chǔ)器的單元內(nèi)，操作完成后列地址計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)加一。選中左半屏?xí)r， CS1 為高電平， CS2 為低電平；選中右半屏?xí)r， CS2 為高電平，CS1 為低電平。因?yàn)槊總€(gè)半屏都是 64X64點(diǎn)陣，而 8 個(gè)點(diǎn)陣對應(yīng)一個(gè)字節(jié)，故每個(gè)半屏都對應(yīng) 8X8 個(gè)字節(jié)。如表 34 中，指定左半屏第 1 頁第 7 列，只要把 頁地址和起始列地址命令寫入，隨后的數(shù)據(jù)就進(jìn)入相應(yīng)的顯存，顯示內(nèi)容就會(huì)從屏幕左上角第 1 頁內(nèi)第 7 列開始顯示。為了顯示出一個(gè)完整的 16X16 點(diǎn)陣漢字，就必須在顯示完上半部分后，重新指定頁地址和起始列地址，起始行地址不用指定。這樣鍵盤上按鍵的個(gè)數(shù)就為 4X4個(gè)。但是鍵閉合一次只能進(jìn)行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進(jìn)行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會(huì)連續(xù)多次進(jìn)行同樣的鍵操作。首先，單片機(jī)將 輸出為低電平，其它 ~ 輸 出高電平，此時(shí)讀取列線的數(shù)據(jù)全。第二步，行線輪流輸出低電平，從列線 ~ 讀入數(shù)據(jù)，若有某一列為低電平，則對應(yīng)行線上有鍵按下。 矩陣鍵盤又稱行列鍵盤，它是用四條 I/O 線作為行線，四條 I/O 線作為列線組成的鍵盤。只要指定了顯示所在頁、起始行和起始列地址，就可以在字模數(shù)據(jù)塊中連續(xù)取出 16 個(gè)字節(jié)的顯示數(shù)據(jù)，顯示結(jié)果為 “我 ”字的上半部分。為準(zhǔn)確地顯示要顯示的內(nèi)容，還必須指定顯示內(nèi)容在屏幕上的起始列位置，即顯存中該頁 64 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)位置中的第幾個(gè)位置。 圖 128X64 點(diǎn)陣液晶模塊原理圖 實(shí)際上， KS0108 的顯示存儲(chǔ)器為 512X8（字節(jié)） =4096（位）即 4k 位。不難發(fā)現(xiàn)， 128X64 圖形液晶顯示器有兩個(gè)片選信號(hào)，分別為 CS1 和 CS2，在對顯示屏操作時(shí)，一次只能選中一個(gè)顯示屏，即左半屏或右半屏。 Y 地址計(jì)數(shù)器具有自動(dòng)加一功能，在每次讀 /寫數(shù)據(jù)后它將自動(dòng)加一，所以在連續(xù)進(jìn)行讀 /寫數(shù)據(jù)時(shí)， Y 地址計(jì)數(shù)器不必每次都設(shè)置一次。比較特殊的是，最上邊的一行為 00，第二行為63 從上到下地址是遞減的。若不為 “0”，則計(jì)算機(jī)需要等待，直至 BUSY=0 為止。 2． ON/OFF：表示當(dāng)前的顯示狀態(tài)。 R/W、 DI 分別 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁 為讀 /寫選擇端和命令 /數(shù)據(jù)選擇端。由于液晶顯示屏是不帶字庫的，所以要想顯示中文漢字需借助于字模取模軟件。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 串口通信模塊與上位機(jī)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用串口通信，來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信。 ? 13 引腳 ：脈沖信號(hào)輸出端，對應(yīng) 4 引腳信號(hào)輸入端。 ? 7 引腳：脈沖信號(hào)輸入端。由于ULN20xxA 是集電極開路輸出，為了讓這個(gè)二極管起到續(xù)流作用，必須將 COM 引腳（ pin9）接在負(fù)載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路。在每交換半步的過程中，由于其中一個(gè)繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。 圖 激勵(lì)線圈產(chǎn)生電磁場 圖 中顯示的線圈得電順序通常被稱為 “單相激勵(lì) ”的步進(jìn)方式，而圖 所示的是 “雙相激勵(lì) ”，是一種電機(jī)運(yùn)行的步進(jìn)方式。根據(jù)脈沖信號(hào)的 分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能