【文章內(nèi)容簡介】 保持轉(zhuǎn)矩 （ NM） 定位轉(zhuǎn)矩（ NM） 電壓 （ VDC） 重量 （ Kg） 轉(zhuǎn)動慣量（ gcm2） 外形尺寸（ mm） 24~70 2 1320 85x85x69 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的連接一般有兩種形式，一種連接形式是以硬件來完成脈沖分配的功能，在這種形式里，單片機(jī)提供步進(jìn)脈沖和正、反轉(zhuǎn)控制信號，步進(jìn)脈沖的產(chǎn)生與停止、步進(jìn)脈沖的頻率和個數(shù)用軟件控制，單片機(jī)輸出步進(jìn)脈沖后，再由脈沖分配電路按事先確定的順序控制各相的通斷，一般來說，硬件一旦確定下來，不易更改，這種方案，硬件設(shè)備成本高，它的應(yīng)用受到了限制。另外一種連接形式是由軟件完成脈沖分配工作，這樣不僅使線路簡化，成本下降，而且可根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，靈活的改變步進(jìn)電機(jī)的控制 方案。 控制系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖 3 所示， 8279 控制鍵盤輸入和 LED 顯示。鍵盤用于輸入焊槍直線位移和擺動位移， LED 用于顯示當(dāng)前的焊接信息。 圖 3 控制系統(tǒng)硬件原理 8051單 片 機(jī) 光電隔離器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī) 行走機(jī)構(gòu) LED顯示 8279 鍵盤 光電隔離器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī) 擺動機(jī)構(gòu) 外部中斷信號 焊槍二維位置控制系統(tǒng)設(shè)計 第 12 頁 8051 單片機(jī)簡介 8051 單片機(jī)的 40 個引腳大致可以分為四類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳 ,其各個引腳功能如下 [12]： （ 1）電源引腳 VCC：接電源 +5V 端 VSS： GND 接地。 （ 2）時鐘引腳 XTAL1 和 XTAL2 ：外接晶振引 腳。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。 圖 4 8051單片機(jī)引腳圖 （ 3）控制線 ALE/ PROG ：地址鎖存控制信號，在系統(tǒng)擴(kuò)展時， ALE 用于控制把 P0 口的輸出低 8 位地址送鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。這個引腳的另一個功能是在片內(nèi) EPROM 編程時，作為脈沖輸入端。 PSEN ：外部程序存儲器讀選通信號，在讀外部 ROM 時 PSEN 低電平有 效，以實(shí)現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作。 EA /Vpp:用于輸入是從外部程序存儲器取指還是從內(nèi)部程序存儲器取指的選擇控制系統(tǒng)的選擇及設(shè)計 第 13 頁 信號。當(dāng) EA 接高電平時，先從片內(nèi)存儲器讀取指令，讀玩 4KB 后，自動改為片外取指。若 EA 接低電平，則所有指令均從片外程序存儲器讀取。編程期間由此引腳引入編程用的電源 Vpp。 RST/VPD：用于輸入復(fù)位信號，此引腳另一功能是作為備用電源輸入端，在 Vcc掉電 情況下，接備用電源。 （ 4） I/O 線 8051 共有 4 個 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個引腳。 P0 口：雙向輸入 /輸出口，如果系統(tǒng)皆有外部存儲器，則 P0 口作為數(shù)據(jù)總線和低 8 位的地址總線公用口，通過分時操作達(dá)到復(fù)用的目的。當(dāng) CPU 對外部存儲器操作時，總是先作地址總線，在 ALE 信號的下降沿，將地址鎖存后，再轉(zhuǎn)為做數(shù)據(jù)總線。 P1 口：準(zhǔn)雙向輸入 /輸出口，準(zhǔn)雙向是指該口內(nèi)部有上拉電阻，能驅(qū)動 4 個 LS/TTL負(fù)載。 P2 口：準(zhǔn)雙向輸入 /輸出口，能驅(qū)動 4 個 LS/TTL 負(fù)載。如果系統(tǒng)皆有外部存儲器，則 CPU 訪問外部存儲器時該口成為高 8 位地址輸出口。 P3 口：準(zhǔn)雙向輸入 /輸出口，能驅(qū)動 4 個 LS/TTL 負(fù)載。 P3 口的每一引腳都有兩種功能，其第二功能分別是： 、 作為串行口發(fā)送與接收， 、 作為外部中斷請求輸入， 、 作為定時 /計數(shù)器外部計數(shù)信號輸入端， 作為片外數(shù)據(jù)存儲器的寫選通信號 WR 。 作為片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號 RD 。 驅(qū)動電路設(shè)計 目前，常用的三種典型步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動電路是單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動和斬波恒流驅(qū)動。單電壓驅(qū)動電路簡單、成本低，只能用于電感小，額定電流不超過 6A 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，高低壓驅(qū)動電路和斬波恒流電路性能較好，特別是斬波恒波電路，這兩種電路特別適合于功率型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，但對電路設(shè)計及選件要求高，否則，一旦電路出現(xiàn)問題，因外加電壓較高，穩(wěn)定電流較大，不但會造成功率管擊穿，還會燒壞步進(jìn)電機(jī)線圈 [13]。本次設(shè)計采用單電壓驅(qū)動電路。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路框圖如圖 5 所示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路由三部分組成：單片機(jī)產(chǎn)生時鐘脈沖頻率和步進(jìn)電機(jī)每相所需的時序脈沖；光電耦 合器、功率放大電路對每一相信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生電動機(jī)工作所需的激磁電流。 焊槍二維位置控制系統(tǒng)設(shè)計 第 14 頁 圖 5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路框圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖如圖 6 所示。 圖 6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 8051 單片機(jī)的 、 、 分別控制步進(jìn)電機(jī) 1 的 A 相、 B 相、 C 相， 、 分別控制步進(jìn)電機(jī) 2 的 A 相、 B 相、 C 相。單片機(jī)的 、 、 、 、 先經(jīng) 7404 后，再與光電耦合器 TLP5211 相連， 7404 邏輯圖如下： 圖 7 7404邏輯圖 由圖可知， 7404 實(shí)際上是六組反向器，即六個非門。 若以 口為例，若 輸出為高電平，反門 7404 變?yōu)榈碗娖?，光電耦合器TLP5211 截止，達(dá)林頓管 9013 導(dǎo)通， A 相繞組通電。反之，若 輸出為低電平，反門 7404 變?yōu)楦唠娖?，光電耦合?TLP5211 導(dǎo)通，達(dá)林頓管 9013 截止， A 相繞組斷電。 如果步進(jìn)電機(jī)的工作電壓較高，將影響單片機(jī)工作，因此在 I/O 口和晶體管之間接入光電耦合器 TLP5211，在接口電路與驅(qū)動電路之間進(jìn)行電氣隔離。光電耦合器的主要特點(diǎn)是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動功率 放大電路 光電 隔離器 控制系統(tǒng)的選擇及設(shè)計 第 15 頁 用壽命長，傳輸效率高，廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離 、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光電耦合器可構(gòu)成光耦反饋 電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。 9013 是一種 NPN 型小功率的三極管，驅(qū)動電路中接入的是由兩個 9013 三極管組成的達(dá)林頓管，其放大倍數(shù)是兩個三極管放大倍數(shù)的乘積。 驅(qū)動電路中的穩(wěn)壓二極管 IN4756A 起續(xù)流作用，消除電機(jī)線圈繞組從通電狀態(tài)到斷電狀態(tài)發(fā)生突變時陰極線圈所產(chǎn)生的反電動勢，防止晶體管被高壓擊穿。 外圍電路設(shè)計 8051 單片機(jī)外部數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展 8051 單片機(jī)片內(nèi)只有 128B 的數(shù)據(jù)存儲器，應(yīng)用中若需要更多的 RAM 時，只能在片外擴(kuò)展?？蓴U(kuò)展的最大容量為 64KB。 RAM 有 DRAM（動態(tài)存儲器）和 SRAM（靜態(tài)存儲器），動態(tài)存儲器定時刷新（充電），單片機(jī)不采用， SRAM 擴(kuò)展電路簡單，單片機(jī) RAM 存儲器的擴(kuò)展都采用 SRAM。 本次設(shè)計中，為 8051 單片機(jī)擴(kuò)展了一個外部數(shù)據(jù)存儲器 6116， 6116 為 2K*8 位的高速靜態(tài) CMOS 數(shù)據(jù)存儲器，有 11 條地址線（ A0~A10）、 8 條數(shù)據(jù)線（ I/O0~I/O7）、1 條電源線、 1 條接地線 GND 和 3 條控制線 —— 片選信號 CE 、寫允許信號 WE 和輸出允許信號 OE （ 3 條控制線低電平有效）。這