【文章內(nèi)容簡介】 。 這樣步進(jìn)電機(jī)就可以驅(qū)動負(fù)載（數(shù)字液壓閥），當(dāng)絲杠開始動作（相當(dāng)于旋緊手柄），系統(tǒng)的內(nèi)部壓力開始逐漸加大，此時壓力傳感器將不斷測量負(fù)載（數(shù)字液壓閥）的內(nèi)部壓力，并不斷反饋給 ADC0809 這個 A/D轉(zhuǎn)換芯片，而 ADC0809 芯片也會將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，再次反饋 給 89C51單片機(jī) ，這樣周而復(fù)始，直到壓力到達(dá)需要值，系統(tǒng)將停止工作。 控制系統(tǒng)硬件 部分 由 4 大部分組成 ,即 : 89C51 單片機(jī) ；驅(qū)動電路；反饋電路；步進(jìn)電機(jī)。系 統(tǒng) 的總體框圖如圖 。 （圖 ） 89C51 單片機(jī)的介紹 8051單片機(jī) 驅(qū)動電 路 步進(jìn)電 機(jī) 負(fù) 載 壓力傳感器 ADC 0809 輸出信號 放 大 驅(qū)動 做功 檢測信號 A/D 輸入信號 北京工商大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 引腳簡要說明 主電源引腳 Vcc 和 Vss Vcc（ 40 腳）：主電源接＋ 5V Vss（ 20 腳）：接地 時鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶體振蕩器的一端。片內(nèi)是一個振蕩電路反相放大器的輸出端。 XTAL1（ 19 腳）：接外部晶體振蕩器的另一端。片內(nèi)是一個振蕩電路反相放大器的輸入端。 3 、控制信號 RST/Vpd 、ALE/(/PROG) 、 / PSEN和 (/EA)/Vpp RST/Vpd（ 9 腳）：復(fù)位端。高電平有效，寬度在 24 個時鐘周期寬度以上， （圖 ） 使單片機(jī)復(fù)位。該引腳有復(fù)用功能， Vpd 為備用電源輸入端，防止主電源掉電。 ALE/（ /PROG）（ 30 腳）：地址鎖存信號端。訪問片外存貯器時， ALE 作低八位地址的鎖存控制信號。平時不訪問片外存貯器時，該端以六分之一的時鐘振蕩頻率固定輸出脈沖。 ALE 端負(fù)載驅(qū)動能力為 8 個 LSTTL 門。該引腳有復(fù)用功能， 為片內(nèi)程序存貯 器編程（固化）的編程脈沖輸入。 /PSEN（ 29 腳）：片外程序存貯器讀選通信號端。負(fù)載能力為 8LSTTL 門。 (/EA)/Vpp（ 31 腳）： /EA 端接高電平時， CPU取指令從片內(nèi)程序存貯器自動順延至片外程序存貯器。 /EA 端接低電平時， CPU 僅從片外程序存貯器取指令。該引腳有復(fù)用功能， Vpp 為片內(nèi)程序存貯器編程時的編程電壓。 輸入 /輸出引腳 P0、 P P2 和 P3 口 ～ （ 39～ 32 腳）：訪問 片外存貯器時作為低八位地址線和八位數(shù)據(jù)線（復(fù)用）。負(fù)載能力為 8 個 LSTTL 門。 ～ （ 1～ 8 腳）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。負(fù)載能力為 3 個 LSTTL 門。 ～ （ 21～ 28 腳）：訪問片外存貯器時作為高八位地址線。 北京工商大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 ～ （ 10～ 17 腳）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。負(fù)載能力為 3 個 LSTTL 門。另外還有專門的第二功能。 P3 口的第二功能 （ 10 腳）： RXD（串行口輸入端） （ 11 腳）： TXD（串行口輸出端） （ 12 腳）： /INT0（外部中斷 0 輸入端） （ 13 腳）： /INT1（外部中斷 1 輸入端） （ 14 腳）： T0（定時器 /計(jì)數(shù)器 0 外部輸入端） （ 15 腳）： T1（定時器 /計(jì)數(shù)器 1 外部輸入端） （ 16 腳）： /WR（片外數(shù)據(jù)存貯器寫選通信號輸出端） （ 17 腳）： /RD（片外數(shù)據(jù)存貯器讀選通信號輸出端） 步進(jìn)電機(jī)工作原理的介紹 步進(jìn)電機(jī) 工作原理 ： 以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例 ,其典型結(jié)構(gòu)如圖 所示。當(dāng) A 相控制繞組接通脈沖電流時 ,在磁拉力作用下使 A相的定、轉(zhuǎn)子對齊 ,相鄰的 B相和 D 相的定、轉(zhuǎn)子小齒錯開。若換成 B相通電 ,則磁拉力使 B 相定、轉(zhuǎn)子小齒對齊 (轉(zhuǎn)過 ),而與 B相相鄰的 C相和 A相的定、轉(zhuǎn)子小齒又錯 開 ,即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角。若按 A→ B→ C→ A?規(guī)律循環(huán)順序通電 ,則步進(jìn)電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動。若改變通電順序?yàn)?:A→ C→ B→ A,則電機(jī)反向轉(zhuǎn)動。這種控制方式稱為三相單三拍。若按 AB→ BC→ CA→ AB 或 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A順序通電則稱為三相雙拍或三相單、雙六拍。無論采用哪種控制方式 ,在一個通電循環(huán)內(nèi) ,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角恒為一個齒距角。所以 ,可以通過改變步進(jìn)電機(jī)通電循環(huán)次序來改變轉(zhuǎn)動方向 ,可以通過改變通電頻率來改變其角頻率。運(yùn)用單片機(jī)的輸出功能 ,通過編程實(shí)現(xiàn)輸出 3 個信號分別給步進(jìn)電機(jī)的三相 A、 B、 C,并 通過輸出時信號的循環(huán)次序 ,來設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向及輸出信號的頻率以便設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率。 本次采用的是四相八拍步進(jìn)電機(jī)，所以，通電方式為 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A，反轉(zhuǎn)則為 A→ DA→ D→ CD→ C→ BC→ B→ AB→ A。 北京工商大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 （圖 ） 硬件部分設(shè)計(jì) 單片機(jī)電路 本系統(tǒng)采用 89C51單片機(jī)產(chǎn)生控制信號。單片機(jī)內(nèi)部的 RAM 和 ROM 即可滿足該項(xiàng)目的要求 ,在以后的實(shí)際運(yùn)用中 ,如需擴(kuò)展較多的外部 RAM 和 ROM 時 ,可加上數(shù)據(jù)緩沖器。步進(jìn)電機(jī)控制信號通過 89C51 單片機(jī)的 P1 口的 P1. 0、 P1. P1. P1. 3四個口輸出的具有時序的方波 ,經(jīng) ULN2803AP 芯片 (為方便輸出 ,起非門的作用 )作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號，并 設(shè)置產(chǎn)生外部中斷 ,達(dá)到靈活控制步進(jìn)電機(jī)的目的。ULN2803AP 芯片 在整個電路中，起到一個驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的作用， 由于步進(jìn)電機(jī)工作需要較大的功率 ， 所以通常需要使用功率放大器來提供步進(jìn)電機(jī)的工作電流 ,將 89C51單片機(jī)送來的弱電信號變?yōu)閺?qiáng)電信號 ,可以采用集成功放 ,也可以采用分立元件。本設(shè)計(jì)采用成本低、電路簡單且可靠性高的直流固態(tài)繼電器 ULN2803AP 芯片 ， 主要技術(shù)參數(shù) :工作電壓 12～ 150VDC,額定電流 1～ 5 A,隔離電壓≥ 1500 V,絕緣電壓≥ 2021 V,控制電壓 3～ 32 V,開啟電流 5mA,通態(tài)壓降 (1. 3 V,通態(tài)電流 (1mA,開關(guān)時間≤ 0. 1 ms,工作環(huán)境溫度 30～ 80℃ )來同時實(shí)現(xiàn)隔離和放大的兩大功能。通過上面的主要技術(shù)參數(shù)可以看出 ,直流固態(tài)繼電器 ULN2803AP 芯片完全可以滿足該設(shè)計(jì)對于放大的需要。 反饋電路 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我選用的傳感器為 高溫壓力傳感器 TQ550 型。它的工作電壓為5DC，輸出電壓為 5～ 15DC， 測量范圍為 0～ 30MPa。它的工作原理是從負(fù)載上測出瞬時的系統(tǒng)內(nèi)部壓力，并用電信號的形式傳遞給芯片 ADC0809。這樣，當(dāng)輸出電壓為 5DC 時，測量出來的系統(tǒng)內(nèi)部壓力就是 0MPa；當(dāng)輸出電壓為 15DC 時，測量出來的系統(tǒng)內(nèi)部壓力就是 30MPa。同樣道理，我們就可以算出，當(dāng)電壓為 5～ 15DC 之間北京工商大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 任意值時，系統(tǒng)內(nèi)部的壓力是多少了。之后把壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)線接在芯片ADC0809的 IN0接口上，這樣芯片 ADC0809就可以讀取壓力傳感器輸出的電信號了。 而在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，芯片 ADC0809 在反饋電路起到了一個 A/D轉(zhuǎn)換器的作用，即將壓力傳感器輸出的電信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再輸出給 89C51 單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)得到的信號，進(jìn)行判斷（比較壓力是否已經(jīng)超過程序設(shè)定的最大壓力），在控制步進(jìn)電機(jī)是否繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，是則進(jìn)行下一次循環(huán)，否則步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，控制停止。 芯片 ADC0809 的 IN0 引腳用于接收外部來的電信號，而 D0～ D7 引腳則用來輸出轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號，所以 D0～ D7 引腳與 89C51 單片機(jī) P00～ P07 引腳相連。89C51 單片機(jī) P00～ P07 引腳根據(jù)介紹我們可以知道， 它們的作用是 訪問片外存貯器時作為低八位地址線和八位數(shù) 據(jù)線（復(fù)用）。負(fù)載能力為 8 個 LSTTL 門 ，同時可以做A/D 轉(zhuǎn)換的接收端用，這一作用也正是本次設(shè)計(jì)中所需要的。而 ADC0809 的 CS、WR、 RD、 EOC 引腳用于單片機(jī) 89C51 交換數(shù)據(jù)，使芯片 ADC0809 可以正常工作。最后芯片 ADC0809 的 CLK 引腳需要于系統(tǒng)的 CLK 引腳相連，使其與單片機(jī) 89C51的 CLOCK 保持一致。 電路圖 如圖 ： 圖中包括的硬件有： 89C51 單片機(jī)、 ULN2803AP 放大芯片、步進(jìn)電機(jī)、負(fù)載（數(shù)字液壓閥）、壓力傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809，以及復(fù)位 電路所需要的一些元器件。 其中 89C51 單片機(jī) 3 40引腳接電源（ +5V）， P10～ P13 引腳與放大芯片 8 引腳相連輸出控制信號； P00～ P07 與 D0～ D7 相連， CS～ P2 WR～ WR、 RD～RD、 INT0～ EOC 相連用于接受反饋信號。引腳 9 連接復(fù)位電路。 芯片 ULN2803AP 的引腳 1接電源（ 5V）、 12 接地。引腳 9與步進(jìn)電機(jī)的四個相位 4 相連。 步進(jìn)電機(jī) 6 引線接電源（ 12V），步進(jìn)電機(jī)伸出軸與負(fù)載（數(shù)字液壓閥）的軸相連。 壓力傳感器通過螺紋旋緊在負(fù)載（數(shù)字液壓閥） 上，引腳 1 接電源（ 15V），引腳 2 與 ADC0809 芯片 IN0 引腳相連。 北京工商大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 ADC0809 芯片，引腳 A、 B、 C 接地，而 CLK 引腳與系統(tǒng)的 CLK 相連以獲得相同的系統(tǒng)時鐘。 這樣控制系統(tǒng)硬件電路就連接完畢了。 （圖 ） 第四章 控制系統(tǒng) 軟件部分設(shè)計(jì) 北京工商大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，采用的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，所以軟件的控制將采用四相八拍的控制方式，這樣可以很有效的提高精度，以適應(yīng)數(shù)字液壓閥的高精度的控制。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺是 KeilC51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺，其中 KeilC51是美國 Keil Software公司出品的 51系列兼容單片機(jī) C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。 所以，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的軟件編程，我也將采用 C語言進(jìn)行編程，這樣既簡化了操作，也使我的程序的有了很大的可讀性。 本次軟件編程的主要要達(dá)到的目的是： 89C51單片機(jī)通過輸出脈沖來控制 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，然后接受壓力傳感器通過 A/D轉(zhuǎn)換的反饋信號，以控制系統(tǒng)是否繼續(xù)動作。 如圖 ： （圖 ） 根據(jù) 控制流程圖 圖 ， 首先要編輯程序，然后要編譯程序，看程序是 否有錯誤。有則返回第一步修改程序，修改后繼續(xù)編譯，如果還有錯誤則再次返回其一步，直到0error為止。之后進(jìn)行下一步通過放大電路，把脈沖傳給步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，北京工商大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來以后，會帶動數(shù)字液壓閥的伸出軸一起轉(zhuǎn)動，這樣數(shù)字液壓閥的系統(tǒng)壓力就會升高。然后由壓力傳感器測量壓力的變化，通過電信號的形式傳遞給ADC0809芯片， ADC0809芯片能把這種電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后反饋給 89C51單片機(jī)。此時 89C51單片機(jī)會判斷，數(shù)字液壓閥的系統(tǒng)內(nèi)部壓力是否已經(jīng)超過預(yù)設(shè)壓力值，如果沒有，則控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù) 轉(zhuǎn)動，循環(huán)進(jìn)行上一循環(huán)；如果已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值，則退出循環(huán)，系統(tǒng)不再動作。 這樣就完成了一次循環(huán)，達(dá)到了遠(yuǎn)程控制的目的，下面是實(shí)行這一控制的具體步驟。 環(huán)形脈沖分配 在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中 ,相應(yīng)的控制信號由單片機(jī)來產(chǎn)生 ,根據(jù)需要 調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的頻率來控制轉(zhuǎn)動速率， 為了提高定位精度 ,四相步進(jìn)電機(jī)采用八拍方式。四相八拍 環(huán)形脈沖控制字存放在數(shù)組 step [ ]中。 四相步進(jìn)電機(jī)的四相分別為 ,構(gòu)成的八拍為。根據(jù)節(jié)拍的順序?qū)崿F(xiàn)正、反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)各相為低電平有效。 P（ ） P（ ） P（ ） P（ ） 16進(jìn)制 0 1 1 1 Ox0E 0 0 1 1 Ox0C 1 0 1 1 Ox0D 1 0 0 1 Ox09 1 1 0 1 Ox0B 1 1 0 0 Ox03 1 1 1 0 Ox07 0 1 1 0 Ox06 （表 ） 將此環(huán)形分配脈沖控制字存放在位于單片機(jī)內(nèi)部 RAM的數(shù)組 step [ ]中。 unsigned char L_value[8] = {Ox0E,Ox0C,Ox0D,Ox09,Ox0B,Ox03,Ox07,Ox06}。 步進(jìn)電機(jī)的頻率設(shè)定 北京工商大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以用頻率來控制，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率跟轉(zhuǎn)速成正比