【文章內(nèi)容簡介】 低速升到高速）。 步進電動機 以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。 隨著工業(yè)技術的不斷進步，在自動 化控制、精密機械加工、航空航天技術及所有要求高精度定位等高新技術領域，步進電機的得到了廣泛的應用。步進電機是一種將脈沖信號轉化為角位移的執(zhí)行機構。若在其輸入加入有規(guī)律的脈沖信號 ,就能驅動步進電機大連民族學院本科畢業(yè)設計（論文）題目 –7– 按設定的方向移動一定的距離或轉動一個角度（稱為“步距角”）。從結構上步進電機分為單相、雙相、三相、四相、五相、六相等多種。本次設計使用步進電機分為 A、 B、C、 D四相繞組，每相通電一次稱為一拍。四相步進電機根據(jù)不同的通電規(guī)律可分為幾種工作模式： 四相單四拍： ABCD； 四相雙四拍： ABBCCDDA； 四相單 八拍： AABBBCCCDDDA； 四相雙八拍 ： ABABCBCBCDCDCDADADAB。 步進電機的正反轉與電機每相的通電順序有關，可以改變相序來改變電機的正反轉。步進電機每步所旋轉角度的大小，稱為步距角（β B）。它是由電機本身轉子的齒數(shù)（ ZR）。一個通電循環(huán)內(nèi)通電節(jié)拍數(shù)（ MQ）決定的。即β B=360/ ZR MQ。電機出廠的步距角是固定的。四相步進電機的步距角為 (表示半步工作時為 ，整步工作時為 )。步進電機轉速的高低與控制脈沖頻率有關。改變控制脈 沖頻率，可改變電機轉速。 步進電機特點 1．一般步進電機的精度為步進角的 35%，且不累積。 2．步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 3．步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。 當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大 。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 4．步進電機低速時可以正常運轉 ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并伴有嘯叫聲。 大連民族學院本科畢業(yè)設計（論文）題目 –8– 3 系統(tǒng)基本實現(xiàn)方案 系統(tǒng)框圖 根據(jù)設計要求，步進電機控制電路可以分為控制模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電機驅動模塊、步進電機部分。步進電機控制電路基本模塊方框圖如圖所示。 設計系統(tǒng)框架時，除了考慮實現(xiàn)按摩功能外，系統(tǒng)的可操作性和安全性也是至關重要的。為了方便用戶使用，給他們舒適的感受，按摩機必須設計良好的用戶操作按鍵以及必要的顯示系統(tǒng)；并充分完善供電電 源的設計。 按摩機的主要功能模塊可劃分為 6部分。 控制系統(tǒng) A T 8 9 C 5 1按鍵L C D 1 2 8 6 4L298 驅動模塊步進電機電源模塊指示燈蜂鳴器提示輸出 圖 系統(tǒng)框圖 1. 按鍵輸入與 L12864 液晶顯示部分。該模塊負責響應按摩機 4 個按鍵輸入信號，并利用 L12864 液晶顯示當前工作狀態(tài)。其中， L12864 液晶顯示啟停、正轉、反轉、加速減速。 2. 電源部分。該模塊實現(xiàn)單片機系統(tǒng)從交流中整流出穩(wěn)定的 5V 供電電壓。 3. 電機部分。步進電機與 L298 連接實現(xiàn)穩(wěn)定的運轉。 4. 驅動模塊。 L298N 芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓； 可以直接用單片機的 IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便 。 大連民族學院本科畢業(yè)設計（論文）題目 –9– 5. 蜂鳴器提示輸出部分。該模塊完成按摩機的告警提示，在一般工作情況下，蜂鳴器都將發(fā)聲 告警（例如電機運行超時 ）。 6發(fā)光二極管 指示部分。氖燈只在按摩機工作時發(fā)光，否則熄滅。 硬件電路圖 單片機系統(tǒng)設計技術是系統(tǒng)框架實現(xiàn)的具體執(zhí)行步驟，系統(tǒng)設計框架雖然構建了系統(tǒng)的整體功能模塊劃分，但是硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)還得通過具體的技術方案才能達到。采用的技術方案的好與壞直接影響系統(tǒng)的可操作性和安全性，以及后續(xù)設計工作的展開和進行。因此單片機系統(tǒng)設計技術 方案同樣重要。 一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內(nèi)容： 一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。 二是系統(tǒng)的配置，即 按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器 等，還要設計合適的接口電路。 系統(tǒng)的擴展和配置應遵循以下原則： ① . 盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎。 ② . 系統(tǒng)擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能 要求，并留有適當余地，以便進行二次開發(fā)。 ③ . 硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實殃，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應時間比硬件實現(xiàn)長，且占用 CPU 時間。 ④ . 系統(tǒng)中的相關器件要盡可能做到性能匹配。如選用 CMOS 芯片單片機構成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。 ⑤ . 可靠性及抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。 ⑥ . 單片機 外圍電路較多時，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設線驅動器增強驅動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。 ⑦ . 要求盡量朝著“單片”方向設計硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 大連民族學院本科畢業(yè)設計（論文）題目 –10– 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U?89c511230pFC130pFC2GNDVCCGND9KR1S122uFC3GNDVCCL2985107611129 8 424VGNDVCC231314步進電機ABCDD0 D1 D2 D3D4 D5D6 D7GNDVCCLCD1286412 3 4 6 8 9 12 145 7 1110 13 15 16 17 18 19 20VSS VDD V0 D/I R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 CS1 CS2 RET VEE BL BL GNDVCC10KVCC S1S2S3S4GND1KR11KR21KR31KR4VCCLED1SpeakerGND1K 1KVCC 1 15GNDENAENBSENSEA SENSEBOUT4OUT3OUT2OUT1IN1IN2IN3IN4 圖 硬件電路圖 系統(tǒng)單片機擴展 確定了單片機后，需要對單片機相應管腳的功能進行定義并設計其外部電路的功能。首先我們要預先分析，用戶使用按摩機所關心的是按鍵功能是否正確、以及 液晶屏顯示的按摩振動速度是否準確，也就是系統(tǒng)設計框架圖中“按鍵輸入 與 LCD12864 液晶顯示 指示部分”需要完成的工作。完成這些功能需要利用單片機 I/O 口 ，在不浪費系統(tǒng)資源的前提下分配單片機 I/O 口?？梢灾?，“按鍵輸入與 LCD12864 液晶 指示部分”需要 4(用戶按鍵） +11(LCD12864 液晶 )=15 個 I/O 管腳。除了涉及用戶使用的 I/O 外，設計者還必須考慮分配 I/O 管腳的包括： 驅動電路 L298。這個部分獨立控制，需要 4個單片機 I/O 管腳。根據(jù)上面的分析，完成按摩機需要 15+4=19 個單片機 I/O 管腳，而AT89C51 單片機 提供了 32 個可用的 I/O管腳。 工作過程：當 s1 按下時，液晶顯示啟動，此時電機運轉 ，同時發(fā)光二極管亮否則熄滅 。當 s2 按下時，液晶顯示正轉，此時電機正轉；否則，液晶顯示逆轉，此時電機逆轉。當 s3 每按一次，液晶顯示加速，步進電機加速。當 s4 每按一次，液晶顯示減速，步進電機減速。 當步進電機運轉超時時，蜂鳴器響起來。 大連民族學院本科畢業(yè)設計（論文）題目 –11– 步進電機驅動模塊 步進電機的驅動電路采用常用的電動機驅動芯片 L298，它能夠接受標準的 TTL 電平控制信號，驅動電機。 L298 操作時能提供的電壓能達到 50V，直流電流 4A，具有過熱保護功能，邏輯“ 0”的輸入電壓達到 。 L298 在控制器 的控制下驅動一個步進電動機，控制器產(chǎn)生 L298 年需的控制信號，以控制步進電機的運動狀態(tài)。為了防止定子繞組的電感作用，使得電流切換時產(chǎn)生過電壓，步進電機每相繞組兩端都須并聯(lián)一個用天在換相時起續(xù)流作用的肖基特二極管。 L298N 芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的 IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。 L2985107611129 8 424VGNDVCC231314步進電機ABCDD0 D1 D2 D3D4 D5D6 D7GNDVCC15GNDENAENBSENSEA SENSEBOUT4OUT3OUT2OUT1IN1IN2IN3IN4 圖 4 腳接電源電壓，電壓范圍 VIH為＋ 2． 5～ 46 V。輸出電流可達 2． 5 A，可驅動電感性負載。 1 腳和 15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 L298 可驅動 2 個電動機， 2 腳 和 3 腳， 13 腳和 14 腳 之間可分別接電動機， 1腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號 6。11TTL 電平兼容輸入使能端，低電平禁止輸出 我們選用驅動一臺電動機。 5， 7， 10， 12腳接輸入控制電平，控制電機的正反。 續(xù)流管的作用 :續(xù)流二極管通常是并聯(lián)在線圈的大連民族學院本科畢業(yè)設計（論文）題目 –12– 兩端，線圈在通過電流時，會在其兩端產(chǎn) 生感應電動勢。當電流消失時，其感應電動勢會對電路中的原件產(chǎn)生反向電壓。當反向電壓高于原件 的反向擊穿電壓時，會把原件如三極管，等造成損壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在線兩端，當流過線圈中的電流消失時，線圈產(chǎn)生的感應電動勢通過二極管和線圈構成的回路做功而消耗掉。叢而保護了電路中的其它原件的安全。 顯示模塊 步進電機控制電路的顯示模塊采用液晶顯示，因為液晶顯示器與數(shù)碼管相比，占用空間小、低功耗、無閃爍、降低視覺疲勞等優(yōu)點。故選用液晶顯示器 LCD12864。 LCD1286412 3 4 6 8 9 12 145 7 1110 13 15 16 17 18 19 20VSS VDD V0 D/I R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 CS1 CS2 RET VEE BL BL GNDVCC10KVCC 圖 液晶顯示器工作原理 液晶是一種呈液體狀的化學物質，當受到外界電場影響時 ，其分子會產(chǎn)生精確有序的排列。如果對分子的排列加以適當?shù)目刂?，液晶分子將會允許光線穿越。液晶顯示器的顯示原理是在兩片玻璃基板上裝配向膜，液晶會沿著溝槽配向，具有偶極矩的液晶棒狀分了在外加電場的作用下，其排列狀態(tài)發(fā)生變化，使得通過液晶顯示器件的光被調(diào)制，從而呈現(xiàn)明與暗或透過與不透過的顯示效果。在控制信號的控制下可以在顯示屏上顯示不同的字符、數(shù)字及圖形。液晶顯示器由三部分構成：點陣式液晶板、液晶驅動電路和液晶控制電路。 LCD 技術是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直 (相交成 90 度 )。也就是 說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種 90 度扭轉的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時也被扭轉 90 度。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉