【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 字器件 2) 推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)三極管分別受兩互補(bǔ)信號(hào)的控制 ,總是在一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止 .要實(shí)現(xiàn)線(xiàn)與需要用 OC(open collector)門(mén)電路 .是兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或 MOSFET,以推挽方式存在于電路中 ,各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù) ,電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱(chēng)的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小 ,效率高。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 STM32F103C8 微控制器簡(jiǎn)介 STM32F103C8 增強(qiáng)型系列使用高性能的 ARM CortexM3 32 位的 RISC 內(nèi)核，工作頻率為 72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 (高達(dá) 128K 字節(jié)的閃存和 20K 字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng) I/O 端口和聯(lián)接到兩條 APB 總線(xiàn)的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含 2 個(gè) 12 位的 ADC、 3 個(gè)通用 16 位定時(shí)器和一個(gè) PWM 定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個(gè) I2C 和 SPI、 3 個(gè) USART、一個(gè) USB和一個(gè) CAN。 STM32F103C8 增強(qiáng)型系列工作于 40176。C 至 +105176。C 的溫度范圍，供電電壓 至 ，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。完整的 STM32F103C8增強(qiáng)型系列產(chǎn)品包括從 36 腳至 100 腳的五種不 同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。下面給出了該系列產(chǎn)品中所有外設(shè)的基本介紹。這些豐富的外設(shè)配置，使得 STM32F103C8 增強(qiáng)型微控制器適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合： ? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制 ? 醫(yī)療和手持設(shè)備 ? PC 外設(shè)和 GPS 平臺(tái) ? 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機(jī)和掃描儀 ? 警報(bào)系統(tǒng)，視頻對(duì)講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng) STM32F103C8 封裝 實(shí)物圖 見(jiàn) STM32F103C8 芯片圖 （圖 21） 。 封裝圖如 下 ： 圖 26 STM32F103C8 封裝圖 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第三章 主要元器件 步進(jìn)電機(jī) 特性與應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)是一種可以把電脈沖信號(hào) (數(shù)字信號(hào) )直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線(xiàn)位移 (模擬信號(hào) )的精密執(zhí)行元件，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置分別與脈沖輸入電機(jī)繞組的脈沖頻率和脈沖個(gè)數(shù)成比例。步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、繪圖儀、自動(dòng)記錄儀表和數(shù)模轉(zhuǎn)換等裝置，在航空航天遙測(cè)等高端精密領(lǐng)域中應(yīng)用也十分廣泛。 圖 31 步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖 工作原理 步進(jìn)電機(jī) 更具通過(guò)每個(gè)繞組的電流反向 可分為單極性和雙極性 。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 單極性步進(jìn)電機(jī) 單極性 步進(jìn)電機(jī)之所以稱(chēng)為單極性是因?yàn)槊總€(gè)繞組中電流僅沿一個(gè)方向流動(dòng)。它也被稱(chēng)為兩線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗缓袃蓚€(gè)線(xiàn)圈。兩個(gè)線(xiàn)圈的極性相反，卷繞在同一鐵芯上，具有同一個(gè)中間抽頭。單極性步進(jìn)電機(jī)還被稱(chēng)為 4 相步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗?4 個(gè)激勵(lì)繞組。單極性步進(jìn)電機(jī)的引線(xiàn)有 5 或 6 根。如果步進(jìn)電機(jī)的引線(xiàn)是 5 根，那么其中一根是公共線(xiàn) (連接到 V+)，其他 4 根分別連到電機(jī)的 4相。如果步進(jìn)電機(jī)的引線(xiàn)是 6 根，那么它是多段式單極性步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)繞組，每個(gè)繞組分別有一個(gè)中間抽頭引線(xiàn)。 圖 32 單極性步進(jìn)電機(jī)原理圖 單極性步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式 單極性步進(jìn)電機(jī)可以來(lái)用三種步進(jìn)方式：?jiǎn)闻摹㈦p拍、半拍方式。 （以 5 線(xiàn) 4相為例） 1) 單拍： A – B – C – D 它指每次僅給一個(gè)繞組通電，使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子永磁體與具體相反記性的繞組對(duì)齊的位置。 2) 雙拍： AB –BC – CD – DA 它同時(shí)給兩個(gè)繞組通電，這樣就使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且在永磁體到達(dá)兩個(gè)通電繞組的中間位置點(diǎn)時(shí)平衡。雙拍方式的優(yōu)點(diǎn)是比單拍方式多獲得 %的輸出力矩，不過(guò)代價(jià)是需要花費(fèi)后者的雙倍的能量，因?yàn)樗袃上嗬@組同時(shí)通電。 3) 半拍： A – AB – B – BC – C – CD – D – DA 它工作時(shí)的則讓兩個(gè)繞組通電與單個(gè)繞組通電方式交替的進(jìn)行。半拍方式的輸出力矩比雙拍方式小，隨設(shè)計(jì)不同，在 15% 30%之間變化，不過(guò)它可以獲得雙拍方式兩倍的步進(jìn)分辨率（每圈兩倍的步數(shù)）。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 33 單極性 步進(jìn)電機(jī)單拍通電方式 雙極性步進(jìn)電機(jī) 雙極性步進(jìn)電機(jī)之所以如此命名，是因?yàn)槊總€(gè)繞組都可以?xún)蓚€(gè)方向通電。因此每個(gè)繞組都既可以是 N 極又可以是 S 極。它又被稱(chēng)為單繞組步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)槊繕O只有單一的繞組，它還被稱(chēng)為兩相步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)榫哂袃蓚€(gè)分離的線(xiàn)圈。 雙極性步進(jìn)電機(jī)有四根引線(xiàn)，每個(gè)繞組兩條。與同樣尺寸和重量的單極性步進(jìn)電極相比，雙極性步進(jìn)電機(jī)具有更大的驅(qū)動(dòng)能力，原因在于其磁極 (不是中間抽頭的單一線(xiàn)圈 )中的場(chǎng)強(qiáng)是單極性步進(jìn)電機(jī)的兩倍。雙極性步進(jìn)電機(jī)的每個(gè)繞組需要一個(gè)可逆電源，通常由 H 橋驅(qū)動(dòng)電路提供。由于雙極性步進(jìn)電機(jī)比單極性步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩大，因此總是應(yīng)用于空間有限的設(shè)計(jì)中。這也是軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的磁頭步進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)之所以總是采用雙極性步進(jìn)電機(jī)的原因。 可以相當(dāng)簡(jiǎn)單地使用數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)查找兩個(gè)繞組。如果在某兩根引線(xiàn)之間能夠測(cè)量到阻值，那么這兩 根引線(xiàn)之間就屬于一個(gè)繞組，其他兩根線(xiàn)之間是另外一個(gè)繞組。雙極性步進(jìn)電機(jī)的步距通常是 176。，也就是每周 200 步。 圖 34 雙極性步進(jìn)電機(jī)原理圖 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 雙 極性步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式 雙極性步進(jìn)電機(jī)具有和單極性步進(jìn)電機(jī)相同的步進(jìn)方式，僅僅由于繞組配置的不同，在實(shí)現(xiàn)上存在一些差別。 （以 4 線(xiàn) 2 相為例） 1) 單拍： (A) – B – A – (B) 2) 雙拍： (A B) – AB – (AB) – (AB) 3) 半拍： (A) – (A B) – B – AB – A– (AB) – (B – (AB) ULN2020 達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)芯片 特性與應(yīng)用 ULN2020 是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅 NPN 復(fù)合晶體管組成。 灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。 在自動(dòng)化密集的的場(chǎng)合會(huì)有很多被控元件如繼電器，微型電機(jī)，風(fēng)機(jī)，電磁閥，空調(diào)，水處理等元件及設(shè)備，這些設(shè)備通常由 CPU 所集中控制，由于控制系統(tǒng)不能直接驅(qū)動(dòng)被控元件，這需要由功率電路來(lái)擴(kuò)展輸出電流以滿(mǎn)足被控元件的電流，電壓。 ULN2020 高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品就屬于這類(lèi)可控大功率器件，由于這類(lèi)器件功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍語(yǔ)廣。因此，許多公司都生產(chǎn)高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品，從而形成了各種系列產(chǎn)品。 ULN2020 達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)物圖如下 （ 型號(hào)： ULN2020APG） ： 圖 35 ULN2020 實(shí)物圖 工作原理 ULN2020 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列 ,由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成 芯片 。ULN2020 也是一個(gè) 7 路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí) ULN2020 輸出端為江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí) ULN2020 輸出端為高電平，繼電器得電吸合。 該電路的特點(diǎn)如下 ： ULN2020 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 的基極電阻 ,在 5V的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路 直接相連 ,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。 功能 特點(diǎn) ： 1) 高電壓輸出 50V 2) 輸出鉗位二極管 3) 輸入兼容各種類(lèi)型的邏輯電路 4) 應(yīng)用繼電器驅(qū)動(dòng)器 圖 36 ULN2020 原理圖 按鍵 開(kāi)關(guān) 按鍵 開(kāi)關(guān)是一種電子開(kāi)關(guān)，使用時(shí)輕輕點(diǎn)按開(kāi)關(guān)按鈕就可使開(kāi)關(guān)接通，當(dāng)松開(kāi)手時(shí)開(kāi)關(guān)即斷開(kāi)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是靠金屬?gòu)椘芰梽?dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷的。 按鍵 開(kāi)關(guān) 由于接觸電阻小、按動(dòng)有清脆的手感手感明顯、高度規(guī)格齊全等方面的原因，在家用電器方面得到廣泛的應(yīng)用如：影音產(chǎn)品、數(shù)碼產(chǎn)品、遙控器、通訊產(chǎn)品、家用電器、安防產(chǎn)品、玩具、電腦產(chǎn)品、健身器材、醫(yī)療器材、驗(yàn)鈔筆、雷射筆按鍵等等。但輕觸開(kāi)關(guān)也有它不足的地方，頻繁的按動(dòng)會(huì)使金屬?gòu)椘谑椥远?。因此現(xiàn)在大部分電器的按鈕都使用導(dǎo)電橡膠或鍋?zhàn)虚_(kāi)關(guān)五江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 金彈片直接來(lái)代替，比如電腦鍵盤(pán)，電視機(jī)遙控器等。 圖 37 按鍵開(kāi)關(guān) 實(shí)物圖 發(fā)光二極管 發(fā)光二極管 是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能， 常簡(jiǎn)寫(xiě)為 LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè) PN 結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從 P 區(qū)注入到 N 區(qū)的空穴和由 N 區(qū)注入到 P 區(qū)的電子，在 PN 結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與 N 區(qū)的電子和 P 區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。 發(fā)光二極管 只能往一個(gè)方向?qū)ǎㄍ姡?，叫作正向偏置（正向偏壓）?發(fā)光二極管 具有 的反向擊穿電壓約 5 伏。它的正向伏安特性曲線(xiàn)很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過(guò)管子的電流。 圖 38 LED 原理圖 圖 39 LED 實(shí)物 圖 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 概要 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩大部分：硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 部分和軟件 系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分。硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 部分的設(shè)計(jì)包括脈沖發(fā)生模塊、電流驅(qū)動(dòng)模塊、 LED 顯示模塊和鍵盤(pán) 選擇 模塊四個(gè)部分。軟件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 部分的設(shè)計(jì)包括鍵盤(pán)掃描模塊、脈沖發(fā)出模塊、 LED 顯示模塊、延時(shí)模塊和速度調(diào)節(jié)模塊等。 本章 主要介紹 硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 部分 ， 硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)。 如下圖 41 是 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 ， 其中包括了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要 設(shè)計(jì) 內(nèi)容，在圖中同時(shí)也簡(jiǎn)要說(shuō)明了各個(gè)模塊的 關(guān)聯(lián) 關(guān)系 。這樣設(shè)計(jì)可以使得 每個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì) ，使得設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單 ， 又能表示出各個(gè)模塊之間的直接作用關(guān)系，方便以后的管理。 圖 41 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 本課題 采用 為 處理器 的是 意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics)公司 設(shè)計(jì) 并 生產(chǎn)的STM32F103C8 處理器 專(zhuān)門(mén) 為 要求高性能、低成本、低功耗 、基于控制類(lèi) 的嵌入式應(yīng)用 系統(tǒng) 而 設(shè)計(jì) 。 本課題 充分應(yīng)用了 STM32F103C8 處理器的時(shí)鐘、 SYSTICK定時(shí)器 、中斷口 等功能。 詳細(xì)參考 第二章 微控制器 。 脈沖發(fā)生模塊 步進(jìn)電機(jī)的 脈沖 序列 是由 微 處理器 通用輸入輸出 GPIO 端口 輸出 產(chǎn)生的。 本微處理器模塊 脈沖發(fā)生模塊 電流驅(qū)動(dòng)模塊 LED 顯示模塊 步進(jìn)電機(jī) 按鍵模塊 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 課題 將 采用 GPIOA 的 四個(gè)端口 GPIOA_Pin_0， GPIOA_Pin_1， GPIOA_Pin_2，GPIOA_Pin_3 分別對(duì)步進(jìn)電機(jī)的 A， B， C， D 四個(gè)相序 輸入脈沖 序列 。 脈沖序列 和 脈沖的頻率通過(guò)軟件來(lái)設(shè)定。 圖 42 脈沖發(fā)生模塊接口圖 電流驅(qū)動(dòng)模塊 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 雖然是一種數(shù)控元器件 ， 易于與數(shù)字處理器結(jié)合開(kāi)發(fā)，但是由于低電壓和較小的電流不能 驅(qū)動(dòng)其正常工作，而且 步進(jìn)電機(jī)也 不能直接 接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專(zhuān)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。所以 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 和步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 之間是密不可分的。 本 課題 采用的驅(qū)動(dòng)芯片是 ULN2020 達(dá)林頓芯片。 ULN2020 是 高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品 ,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)適應(yīng)于各類(lèi)要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。 ULN2020 達(dá)林頓芯片詳細(xì)參考 節(jié) ULN2020 達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)芯片 。 ULN2020 是一個(gè) 7 路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí) ULN2020 輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí) ULN2020 輸出端為高電平，繼電器得電吸合。本課題使用其中四個(gè)輸入端口 ，用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。 如下 圖 43 電流驅(qū)動(dòng)模塊 電路連接圖 所示： ULN2020 達(dá)林頓芯片 中 IN ININ IN6 作為 脈沖信號(hào) 輸入端口 ， 信號(hào)來(lái)源于 脈沖發(fā)生模塊 的脈沖輸出，即 處理器 GPIOA 的四個(gè)端口 G