【正文】 electric circuit, interrupt system and reset circuit, singlevoltage driver circuit and so on,realizes four mutually the step enters the electric motor positive and negative to turn, nasty stop to wait the realizing single chip microputer control a special application for entering electric motor system in severalth contorling machine bed, the system designed two exteriors breaks off,toing realize a the step enters electric motor is in a certain time of again and again positive and negative turn the function, also count namely the knife that control the machine bed is automatic to enter to the sport.KEYWORD：single chip microputer 8051；fourphase stepper motor ；control目 錄摘要Abstract第一章 引言…………………………………………………………1 課題的來源與意義…………………………………………………1 課題的意義……………………………………………………2第二章 步進電動機原理及其控制技術(shù)……………………………5 步進電動機的原理…………………………………………………5 步進電動機的速度及其加減速控制…………………………………6 步進電動機的速度控制…………………………………………6 步進電動機的加、減速控制…………………………………… 6 步進電動機的驅(qū)動系統(tǒng)…………………………………………… 7第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計簡介………………………………………… 8 系統(tǒng)功能………………………………………………………… 8 系統(tǒng)組成及其器件選擇…………………………………………… 9 系統(tǒng)組成……………………………………………………… 9 器件選擇……………………………………………………… 9 系統(tǒng)的可靠性及抗干擾設(shè)計……………………………………… 10 軟件的可靠性設(shè)計………………………………………………10 硬件抗干擾措施……………………………………………… 10 軟件抗干擾措施……………………………………………… 11第四章 硬件的設(shè)計…………………………………………………12 單片機控制步進機系統(tǒng)原理圖及說明………………………………12 系統(tǒng)模塊之一—四相混合式步進電動機環(huán)形分配器……………12 系統(tǒng)模塊之二—四相步進電動機驅(qū)動及保護電路………………14 系統(tǒng)模塊之三—人機接口電路…………………………………14 系統(tǒng)模塊之四—中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路………………………… 14 系統(tǒng)模塊之五—各檔直流電源…………………………………15 單片機原理……………………………………………………… 16 MCS—51單片機……………………………………………… 16 MCS—51單片機引腳功能……………………………………… 17 MCS—51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)………………………………… 20 并行輸入及輸出端口結(jié)構(gòu)………………………………………21 單片機的片外總線結(jié)構(gòu)…………………………………………… 25 單片機的片外總線結(jié)構(gòu)…………………………………………25 系統(tǒng)外設(shè)接口………………………………………………………27 鍵盤接口原理………………………………………………… 27 鍵盤的控制要求……………………………………………… 29 譯碼器及地址鎖存器………………………………………………30 3—8譯碼器：74LS138………………………………………… 30 地址鎖存器：74LS373………………………………………… 30第五章 軟件的設(shè)計………………………………………………… 32 軟件設(shè)計流程圖……………………………………………………32 設(shè)計相關(guān)程序…………………………………………………… 34結(jié)論………………………………………………………………… 44參考文獻……………………………………………………………45致謝…………………………………………………………………47附錄…………………………………………………………………48黃昕 51單片機實現(xiàn)的步進機控制系統(tǒng)設(shè)計第一章 引言 課題的來源與意義早在十九世紀三十年代就出現(xiàn)了步進電動機，那時候的步進電動機實際上是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，工作原理同今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么區(qū)別。后來，由于無觸點式電子開關(guān)元器件的出現(xiàn)，解決了步進電動機勵磁繞組快速換向的問題?，F(xiàn)在，步進電動機的發(fā)展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。由于單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，指令功能強，運行速度快，可靠性高及靈活性好，開發(fā)也較為容易，所以國內(nèi)近些年來已將其廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控、機電設(shè)備、儀器儀表、軍事設(shè)置、家用電器等方面的自動化、智能化[1]。如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率輸入，步進電動機要發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動。將離散所得的轉(zhuǎn)速序列所對應(yīng)的定時常數(shù)序列，做成表格存儲在程序存儲器中。第一，要考慮元件的失效問題，如元件本身的缺陷和工藝問題。通?？梢圆扇∫韵乱恍┐胧阂?、程序中插入空操作指令實現(xiàn)指令冗余。系統(tǒng)時鐘脈沖從計數(shù)器74LS191的CP端引入，控制器發(fā)出的時鐘脈沖經(jīng)過LS14兩級施密特反向器，對時鐘進行整形，有一定的防干擾作用。 系統(tǒng)模塊之三—人機接口電路因系統(tǒng)功能的需要，I/O口用8155可編程接口芯片進行了擴展。%，所以U2有效值為：U2=220/=200 V 公式（41）由于變壓器副邊電壓經(jīng)電容濾波時的直流電壓為U3=U/，所以U3有效值為：U3=5/= V 公式（42）流經(jīng)二極管的平均電流為：IDI=1/2*I1=*= A 公式（43）二極管承受的最大反向電壓為：URMI=*U2=256 V 公式（44）URMI=*U3= V 公式（45）因此選用2CZ56B整流二極管線圈電阻為RL=UL/IL=220/=8406 Ω，RLC=（3—5）T/2，T=1/f= S，所以取RLC=4*T/2=2T= S 公式（46）得濾波電容為C=（47）則電容器承受的最高電壓為UCM=*200*=308 V 公式（48）選用標稱值為400V/560 μF的電解電容器同理，選用160V /10000 μF的電解電容器 單片機原理 MCS—51單片機因為單片機控制系統(tǒng)基于MCS—51系列的8051單片機，故就不詳盡介紹。但要注意，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖，以1/6（晶振頻率為6M）的振蕩頻率輸出。在對片內(nèi)EPROM編程、校驗時，它接受高位地址。 并行輸入/輸出端口結(jié)構(gòu)MCS—51單片機內(nèi)有四個8位并行I/O端口，分別記作P0、PP2和P3。當P1口用作輸入口時，也應(yīng)先用軟件使輸出鎖存器置1，使FET截止，處于高阻狀態(tài)，然后再通過緩沖器進行輸入操作。讀鎖存器指令是從鎖存器中讀取數(shù)據(jù)，送CPU處理，再把處理后的數(shù)據(jù)重新寫入鎖存器中，這類指令稱為讀—修改—寫指令。由于P0口用作數(shù)據(jù)總線口，只能分時用作地址總線，故P0口的低8位地址信息必須用鎖存器鎖存。EA=1時，地址不超過0FFFH，只訪問片內(nèi)ROM/EPROM，然后是訪問外部程序存儲器的1000H—FFFFH單元，對片內(nèi)無ROM無EPROM單片機，擴展時EA必須接低電平。而微機對鍵盤進行一次掃描僅需幾百微秒。 譯碼器及電子鎖存器 3—8譯碼器：74LS138EEE3為數(shù)據(jù)允許輸入端，EE2低電平有效，E3高電平有效；A、B、C為譯碼器信號輸入端；Y0—Y7，為譯碼輸出信號，低電平有效。系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到工業(yè)運用中的特殊環(huán)境，此兩個中斷為隨機中斷，實現(xiàn)特殊環(huán)境的急停及數(shù)控機床的自動進給運動。其中輸入端1D~8D接至單片機的P0口，輸出端提供的是低8位地址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號ALE。（4）輸出確定的鍵盤以滿足散轉(zhuǎn)程序的要求。例如9號鍵按下時，行線X2和Y1短路，此時行線X2的電平由Y1決定。數(shù)據(jù)總線一般要連多個外圍芯片上，那個芯片的數(shù)據(jù)通道則由地址控制各個芯片的片選線來選擇。例如，若用一口位去驅(qū)動一個晶體管的基極，當向此口位寫“1”時，晶體管導(dǎo)通，并把引腳的電平拉低，這時若從引腳上讀取數(shù)據(jù)，則讀的是晶體管的基極電平，與地址鎖存器的狀態(tài)1不一樣。在無外部程序存儲器而擴展有外部數(shù)據(jù)存儲器的系統(tǒng)中，P2口的使用情況有所不同，若外接RAM容量為256B，則可用MOVX Ri類指令由P0口送出8位地址，這時P2口仍可作通用I/O口使用。在CPU的“寫鎖存器”信號驅(qū)動下，將內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)寫入鎖存器中。指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期，若為內(nèi)部產(chǎn)生方式時，為石英晶體的振蕩周期。PSEN同樣能驅(qū)動8個LSTTL負載。在采用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩器信號。當開關(guān)置0（1）時，系統(tǒng)響應(yīng)中斷。當為高電平時，LS191為計數(shù)狀態(tài)；當為低電平時，LS191停止計數(shù)，而把數(shù)據(jù)端內(nèi)容裝入計數(shù)器。軟件陷阱是在程序存儲器的未使用的區(qū)域中，加上若干條空操作和無條件跳轉(zhuǎn)指令，無條件跳轉(zhuǎn)指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。 軟件的可靠性設(shè)計在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，軟件就是系統(tǒng)的監(jiān)控程序。步進電動機的驅(qū)動方式有多種，如單電壓驅(qū)動，雙電壓驅(qū)動，斬波驅(qū)動等，因本設(shè)計選用步進電動機的功率不是很高，所以控制系統(tǒng)為單電壓驅(qū)動步進電動機。圖21是加、減速運行，通常按照加、減速運行曲線沒有一個固定的模式，根據(jù)經(jīng)驗和試驗得到的。其基本原理作用如下： 通電換相這一過程稱為脈沖分配。單片機在一個集成芯片中，集成有微處理器（CPU）、存儲器（RAM和ROM）、基本的I/O接口以及定時/計數(shù)部件，即在一個芯片上實現(xiàn)一臺微型計算機的基本功能。到上世紀七十年代，步進電動機的生產(chǎn)進入了全盛時期，其產(chǎn)量每年都已11%的指數(shù)遞增。摘 要步進電機是一種進行精確步進運動的機電執(zhí)行元件，它廣泛地用于工業(yè)機械的數(shù)字控制。進入上世紀六十年代中期，結(jié)構(gòu)新穎的步進電動機相繼問世，為了降低電機功耗以及提高效率，人們發(fā)明了永磁式和混合式步進電動機。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電動機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。圖21 步進電機加、減速曲線為了滿足加、減速要求，步進電動機運行通常按照加、減速曲線進行。這一過程我們稱它為步進電動機的驅(qū)動。所以在設(shè)計中元器件的選擇應(yīng)遵循降額使用的原則，留出一定的余地。三、軟件陷阱：如果因干擾導(dǎo)致單片機的指令計數(shù)器PC值被錯置，程序跳到這些未用的程序存儲空間，系統(tǒng)就會出錯。LS191的數(shù)據(jù)輸入端A、B、C、D各管腳接地，而腳11是置數(shù)端。因外部中斷0和外部中斷，被設(shè)置為電平觸發(fā)方式，故在系統(tǒng)原理圖中，將INT0和INT1兩個端口接到邏輯電平開關(guān)電路上。XTAL2（18）—片內(nèi)反相放大器的輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。但在此期間內(nèi)，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次PSEN有效信號將不出現(xiàn)。下面闡述有關(guān)CPU時序的概念。（1）P0口I/O口的每位鎖存器均由D觸發(fā)器組成，用來鎖存輸入/輸出的信息。在外接程序存儲器的系統(tǒng)中，由于訪問外部程序存儲器的操作連續(xù)不斷，P2口將不斷輸出高八位地址，故這時P2口不再作通用I/O口使用。表41P3口第二功能端 口 功 能第 二 功 能RXD串行輸入（數(shù)據(jù)接收）TXD串行輸出（數(shù)據(jù)發(fā)送）外部中斷0輸入線外部中斷1輸入線T0 定時器0外部輸入T1 定時器1外部輸入外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸入對“讀—修改—寫”指令，直接讀鎖存器Q端而不是讀引腳的原因是為了避免錯讀引腳上電平的可能性。 MCS—51單片機的數(shù)據(jù)總線由P0口提供，寬度為8位，該口為三態(tài)雙向口，通過數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)CPU與存儲器或外設(shè)之間的信息交換。當鍵盤上某一鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的行線和列線短路。不管一次按鍵持續(xù)多長時間，僅執(zhí)行一次按鍵功能程序等。在MCS51單片機系統(tǒng)中，常采用74LS373作為地址鎖存器使用。考慮到電機運行中出現(xiàn)的丟步、失步，系統(tǒng)中進行了電動機過電流的保護及報警電路。圖43 74LS138 3—8譯碼器引腳圖 地址鎖存器：74LS3731D—8D為8個輸入端。這樣將會使鍵