【正文】 8。178。178。178。178。178。本設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象就是開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件 ——步進(jìn)電機(jī)。它體積小，成本低，功能強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化上。要想達(dá)到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的快速啟停、高精度步進(jìn)運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的控制，則采用單片機(jī)控制系統(tǒng)可將問(wèn)題大大的簡(jiǎn)化。其中，硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼顯示模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)，以及硬件電路在電路板上的實(shí)現(xiàn)。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。 正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。 為了得到良好的控制性能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒(méi)有停止過(guò)，許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價(jià)格較貴，功能相 對(duì)較單一，并且設(shè)計(jì)要求有所改變，就得改變整個(gè)硬件電路，比較麻煩。按“ A”鍵則 LED 指示燈亮，表示逆轉(zhuǎn)，再按則 LED 只是等滅，表示正轉(zhuǎn)。 同時(shí)通過(guò)顯示器同步的顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。 （ 1） 引腳功能說(shuō)明 MCS51 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請(qǐng)參見(jiàn)圖 ： 圖 AT89C51 的引腳圖 VCC：電源電壓； GND：地； P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 P2 口： P2 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯們電路。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉底時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 XTAL2：振蕩器反相放大器輸出端 （ 2） 時(shí)鐘振蕩器 AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。只要 RST 保持高電平，則 MCS51 循環(huán)復(fù)位。在 RST 復(fù)位端接一個(gè)電容至 VccHE 一個(gè)電阻至 Vss，就能實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，對(duì)于 CMOS 單片機(jī)只要接一個(gè)電容至 Vcc 即可。 （ 5） 上拉電阻的作用 P0 口沒(méi)有上拉電阻，故作為普通 IO 口用的時(shí)候，須加上拉電阻。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)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(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 如圖 26： 圖 26AT89C52 外圍電路圖 （ 8）電源部分 因?yàn)殡娐分械?AT89C52 單片機(jī)的工作電壓是 +5V，而步進(jìn)電機(jī)的工作電壓是+12V ，根據(jù)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求及其技術(shù)指標(biāo)，結(jié) 合本系統(tǒng)的功率要求及安裝方便實(shí)用，本實(shí)驗(yàn)用電容整流濾波再經(jīng)集成穩(wěn)壓管 7805/7812 后得到直流 +5V和 +12V 電壓。 ： (1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱 VR)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。常用 m表示。用百分比表示：誤差/步距角 *100%。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。各相夾角為 120176。如果此時(shí)突然變?yōu)?B 相通電 , 而 A、 C 相都不通電 , 那么 , 13 號(hào)齒會(huì)在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到與相中心對(duì)齊的位置 , 這就是常說(shuō)的走一步 , 此時(shí) ,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了。所以旋轉(zhuǎn)電機(jī)具備靜止的和旋轉(zhuǎn)的兩大部分。 換向極：也稱為附加極或間極。 電樞繞組：由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成。 176。 （ 7） 高信賴性 ： 使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開(kāi)關(guān)等其它裝置相較，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤動(dòng)作少，所以在檢查及保養(yǎng)時(shí)也較簡(jiǎn)單容易。 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的顯示部分可以用液晶顯示的方案可供選擇，液晶顯示和數(shù)碼管顯示的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，而液晶顯示器顯示內(nèi)容豐富，因?yàn)橐壕б话愣际瞧叨伟俗值闹荒茱@示單一的內(nèi)容，而液晶顯示的內(nèi)容就很豐富；數(shù)碼管還比液晶顯示耗電，而且使用液晶也比使用數(shù)碼管顯得美觀。在輪流顯示過(guò)程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 口 ，而且功耗更低。在本設(shè)計(jì)中，高電平表示按鍵斷開(kāi)，低電平表示按鍵閉合狀體。由于輸出與輸入之間沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，信號(hào)傳輸是通過(guò)光耦合的，所以也稱為光電隔離器。 在 XXXXXXX 微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離。開(kāi)關(guān)控制。大電流型普通達(dá)林頓晶體管或帶保護(hù)電路的大功率達(dá)林頓晶體管。 74LS47 是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用 圖 74LS47 譯碼器 7 段 LED 顯示器結(jié)構(gòu)與原理 7段 LED 顯示器由 7個(gè)發(fā)光二極管組成顯示字段，并按 “ 8” 字形排列。恰當(dāng)?shù)剡x擇點(diǎn) 亮 LED 的時(shí)間間隔 (1～ 5 ms)，會(huì)給人一種視覺(jué)暫停效應(yīng)， 似乎多位 LED 都在 “同時(shí) ”顯示。定時(shí)器 0 中斷服務(wù)程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)：根據(jù)當(dāng)前速度進(jìn)行計(jì)算并查表得到 T0 定時(shí)時(shí)間常數(shù)，設(shè)置 TH0 和 TL0 的值，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速精確控制的目的；根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制位的值，控制脈沖信號(hào)循環(huán)移動(dòng)的方向，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制的目的。接著第三次掃描鍵盤并與臨時(shí)變量比較，若相等則循環(huán)，這是為了確保每一次按鍵只執(zhí)行一次相應(yīng)的處理程序。然后判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制位的值，如果是 0 則控制脈沖信號(hào)循環(huán)左移并輸出，如果是 1 則控制脈沖信號(hào)循環(huán)右移并輸出。 第四章 仿真與調(diào)試 1 軟件測(cè)試步驟如下 ： （ 1）打開(kāi) Keil 軟件。由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較大，可在微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離。再有，本設(shè)計(jì)過(guò)程考慮比較周全，系統(tǒng)中不僅采用光電隔離電路有效地抑制電磁干擾以提高系統(tǒng)的可靠性，而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn) 行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求，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，也減低了成本。該多畫就多畫些，以便能增加你對(duì)該軟件的熟練度。 論文的完成還得感謝一起學(xué)習(xí)的同學(xué)，感謝他們?cè)谄綍r(shí)的學(xué)習(xí)生活中給予我的熱心幫助與支持 !再次感謝我的母?；茨下?lián)合大學(xué)，尤其是機(jī)電系機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè) 所有的老師們 ,為我們打下了機(jī)電方面的專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)，在這片凈土讀書三載，無(wú)形中塑造了我生命的氣質(zhì)、生活的方式，也練就了我樂(lè)觀的心態(tài)和一顆感恩的心，沒(méi)有你們悉心的指導(dǎo)和講解，我不可能完成此次比較專業(yè)的設(shè)計(jì)。s Premier League match at Chelsea on Sunday. I am going to be at the match tomorrow and I have asked to meet Yaya Toure, he told BBC Sport. For me it39。t charge you more than 35% of your pensation if you win the case. If you are thinking about signing up for a damagesbased agreement, you should make sure you39。大大的增強(qiáng)我的為人處事能力。 其二，我們必須用科學(xué)的態(tài)度對(duì)待我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所遇到的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。另外剛 開(kāi)始個(gè)別鍵盤不能起控制作用，進(jìn)過(guò)對(duì)程序的多次修改才得以實(shí)現(xiàn)起功能。 在通電前 ,一定要檢查電源電壓的幅值和極性 ,否則很容易造成集成塊損壞。進(jìn)入中斷程序后，首先要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后關(guān)閉個(gè)位數(shù)碼管，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速求出十位與個(gè)位的值。若沒(méi)有檢測(cè)到高電平，則返回。然后循環(huán)調(diào)用讀鍵盤子程序和鍵盤處理子程序，等待中斷，以便實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)顯示。由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較大，可在微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離。 圖 7 段 LED 顯示器結(jié)構(gòu)與原理 顯示字符 共陰極段選 碼 共陽(yáng)極段選 碼 顯示字符 共陰極段選 碼 共陽(yáng)極段選 碼 0 3FH C0H 4 66H 99H 1 06H F9H 5 6DH 92H 2 5BH A4H 6 7DH 82H 3 4FH B0H 7 07H F8H LED 段選碼和顯示字符之間的 關(guān)系 點(diǎn)亮 LED 顯示器有兩種方式：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示 , 下面以共陰極接法為例說(shuō)明。 74LS47 譯碼器原理： 譯碼為編碼的逆過(guò)程。繼電器驅(qū)動(dòng)電路與高增益放大電路中使用的達(dá)林頓管，可以選用不帶保護(hù)電路的中。它將二只三極管適當(dāng)?shù)倪B接在一起，以組成一只等效的新的三極管。其次光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外的噪音干擾信號(hào)形成低阻抗旁路，所以有很強(qiáng)的抑制噪音下擾能力。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡(jiǎn)單。鍵盤所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。 只有詳細(xì)的了解了數(shù)碼管的管腳定義，以及 段選位選情況，我們才能通過(guò)編程對(duì)其正常的顯示進(jìn)行很好的控制。也就是指電機(jī)在通電但無(wú)輸入脈沖信號(hào)的情況下，其所具備的保持轉(zhuǎn)矩即稱為激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩。 （ 4） 動(dòng)作靈敏 ： 步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越 ,所以可做到瞬時(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動(dòng)作。以 5 相步進(jìn)電機(jī)為例：其定位基本單位（分辨率）為 176。是電機(jī)的機(jī)械支撐。旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子或電樞，作用是感應(yīng)電勢(shì)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。 2 直流電機(jī)的原理 由直流電動(dòng)機(jī)和 發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由 定子和轉(zhuǎn)子 兩大部分組成。在單三拍控制方式下 , 若 A 相通電 , B、 C 相不通電 , 在磁場(chǎng)作用下使轉(zhuǎn)子齒和A 相定子齒相對(duì)假設(shè)此時(shí)為初態(tài)并且令與 A 相中心對(duì)齊的轉(zhuǎn)子齒為 0 號(hào)齒 , 因?yàn)?B 相與 A 相相差 120176。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲? 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。它輸出轉(zhuǎn)矩大，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，還需要正負(fù)脈沖供電； (3)混合式步進(jìn)電機(jī) (Hybrid，簡(jiǎn)稱 HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。這一線性關(guān)系的 存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。在閑置模式下， CPU停止工作。 晶體震蕩器電路如圖 25所示， 圖 25晶體震蕩器電路圖 （ 6）振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸 出。圖 中， RC時(shí)間常數(shù)越大，上電時(shí) RST 端保持高電平的時(shí)間越長(zhǎng)。使器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平， MCS51保持復(fù)位狀態(tài)。 10PF，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇 40PF177。 EA/VPP：外部訪問(wèn)允許，欲使 CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（ 0000H—FFFFH）， EA 端必須保持低電平接地，需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位是內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVXRI）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。 P1 口： P1 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P1 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。 第二章 硬件設(shè)計(jì) 2． 1 單片機(jī)系統(tǒng) AT89C51 功能概述 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器 PEROM 和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 FLASH 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。 根據(jù)功能設(shè)計(jì)的要求本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)控制運(yùn)用矩陣式鍵盤作為輸入控制端驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用 74LS04 和達(dá)林頓管，使步進(jìn)電機(jī)可在智能化程序控制下完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定等各種操作。具體要求如下： (1) 鍵盤設(shè)計(jì) 0～ 9: 數(shù)字鍵。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們我國(guó)的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國(guó)占有非常重要的地位，并起了很大的作用。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。178。1