【文章內(nèi)容簡介】 字器件 2) 推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個三極管分別受兩互補(bǔ)信號的控制 ,總是在一個三極管導(dǎo)通的時候另一個截止 .要實現(xiàn)線與需要用 OC(open collector)門電路 .是兩個參數(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，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個導(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（論文） 11 STM32F103C8 微控制器簡介 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 總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含 2 個 12 位的 ADC、 3 個通用 16 位定時器和一個 PWM 定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個 I2C 和 SPI、 3 個 USART、一個 USB和一個 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)用場合： ? 電機(jī)驅(qū)動和應(yīng)用控制 ? 醫(yī)療和手持設(shè)備 ? PC 外設(shè)和 GPS 平臺 ? 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機(jī)和掃描儀 ? 警報系統(tǒng)，視頻對講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng) STM32F103C8 封裝 實物圖 見 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（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 (數(shù)字信號 )直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移 (模擬信號 )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數(shù)成比例。步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、繪圖儀、自動記錄儀表和數(shù)模轉(zhuǎn)換等裝置，在航空航天遙測等高端精密領(lǐng)域中應(yīng)用也十分廣泛。 圖 31 步進(jìn)電機(jī)實物圖 工作原理 步進(jìn)電機(jī) 更具通過每個繞組的電流反向 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（論文） 13 單極性步進(jìn)電機(jī) 單極性 步進(jìn)電機(jī)之所以稱為單極性是因為每個繞組中電流僅沿一個方向流動。它也被稱為兩線步進(jìn)電機(jī)，因為它只含有兩個線圈。兩個線圈的極性相反，卷繞在同一鐵芯上，具有同一個中間抽頭。單極性步進(jìn)電機(jī)還被稱為 4 相步進(jìn)電機(jī)，因為它有 4 個激勵繞組。單極性步進(jìn)電機(jī)的引線有 5 或 6 根。如果步進(jìn)電機(jī)的引線是 5 根，那么其中一根是公共線 (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)的引線是 6 根，那么它是多段式單極性步進(jìn)電機(jī)有兩個繞組，每個繞組分別有一個中間抽頭引線。 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)可以來用三種步進(jìn)方式：單拍、雙拍、半拍方式。 （以 5 線 4相為例） 1) 單拍： A – B – C – D 它指每次僅給一個繞組通電，使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且運(yùn)動到轉(zhuǎn)子永磁體與具體相反記性的繞組對齊的位置。 2) 雙拍： AB –BC – CD – DA 它同時給兩個繞組通電，這樣就使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且在永磁體到達(dá)兩個通電繞組的中間位置點時平衡。雙拍方式的優(yōu)點是比單拍方式多獲得 %的輸出力矩，不過代價是需要花費后者的雙倍的能量，因為它有兩相繞組同時通電。 3) 半拍： A – AB – B – BC – C – CD – D – DA 它工作時的則讓兩個繞組通電與單個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)計不同，在 15% 30%之間變化，不過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（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，是因為每個繞組都可以兩個方向通電。因此每個繞組都既可以是 N 極又可以是 S 極。它又被稱為單繞組步進(jìn)電機(jī)，因為每極只有單一的繞組，它還被稱為兩相步進(jìn)電機(jī)，因為具有兩個分離的線圈。 雙極性步進(jìn)電機(jī)有四根引線，每個繞組兩條。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)動能力，原因在于其磁極 (不是中間抽頭的單一線圈 )中的場強(qiáng)是單極性步進(jìn)電機(jī)的兩倍。雙極性步進(jìn)電機(jī)的每個繞組需要一個可逆電源，通常由 H 橋驅(qū)動電路提供。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)計中。這也是軟盤驅(qū)動器的磁頭步進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動之所以總是采用雙極性步進(jìn)電機(jī)的原因。 可以相當(dāng)簡單地使用數(shù)字萬用表來查找兩個繞組。如果在某兩根引線之間能夠測量到阻值，那么這兩 根引線之間就屬于一個繞組，其他兩根線之間是另外一個繞組。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（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，在實現(xiàn)上存在一些差別。 （以 4 線 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。 在自動化密集的的場合會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)動被控元件，這需要由功率電路來擴(kuò)展輸出電流以滿足被控元件的電流，電壓。 ULN2020 高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品就屬于這類可控大功率器件，由于這類器件功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍語廣。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)動芯片實物圖如下 （ 型號： ULN2020APG） ： 圖 35 ULN2020 實物圖 工作原理 ULN2020 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列 ,由七個硅 NPN 達(dá)林頓管組成 芯片 。ULN2020 也是一個 7 路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時 ULN2020 輸出端為江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 低電平，當(dāng)輸入端為低電平時 ULN2020 輸出端為高電平，繼電器得電吸合。 該電路的特點如下 ： ULN2020 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個 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)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 功能 特點 ： 1) 高電壓輸出 50V 2) 輸出鉗位二極管 3) 輸入兼容各種類型的邏輯電路 4) 應(yīng)用繼電器驅(qū)動器 圖 36 ULN2020 原理圖 按鍵 開關(guān) 按鍵 開關(guān)是一種電子開關(guān)，使用時輕輕點按開關(guān)按鈕就可使開關(guān)接通，當(dāng)松開手時開關(guān)即斷開，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是靠金屬彈片受力彈動來實現(xiàn)通斷的。 按鍵 開關(guān) 由于接觸電阻小、按動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、驗鈔筆、雷射筆按鍵等等。但輕觸開關(guān)也有它不足的地方，頻繁的按動會使金屬彈片疲勞失去彈性而失效。因此現(xiàn)在大部分電器的按鈕都使用導(dǎo)電橡膠或鍋仔開關(guān)五江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 金彈片直接來代替，比如電腦鍵盤，電視機(jī)遙控器等。 圖 37 按鍵開關(guān) 實物圖 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， 常簡寫為 LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個 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很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。 圖 38 LED 原理圖 圖 39 LED 實物 圖 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件 系統(tǒng) 設(shè)計 概要 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計分為兩大部分：硬件 系統(tǒng)設(shè)計 部分和軟件 系統(tǒng)設(shè)計部分。硬件 系統(tǒng)設(shè)計 部分的設(shè)計包括脈沖發(fā)生模塊、電流驅(qū)動模塊、 LED 顯示模塊和鍵盤 選擇 模塊四個部分。軟件 系統(tǒng)設(shè)計 部分的設(shè)計包括鍵盤掃描模塊、脈沖發(fā)出模塊、 LED 顯示模塊、延時模塊和速度調(diào)節(jié)模塊等。 本章 主要介紹 硬件 系統(tǒng)設(shè)計 部分 ， 硬件 系統(tǒng)設(shè)計 是系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)運(yùn)行實現(xiàn)的平臺。 如下圖 41 是 硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖 ， 其中包括了硬件系統(tǒng)設(shè)計的主要 設(shè)計 內(nèi)容，在圖中同時也簡要說明了各個模塊的 關(guān)聯(lián) 關(guān)系 。這樣設(shè)計可以使得 每個模塊獨立設(shè)計 ，使得設(shè)計過程簡單 ， 又能表示出各個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 并 生產(chǎn)的STM32F103C8 處理器 專門 為 要求高性能、低成本、低功耗 、基于控制類 的嵌入式應(yīng)用 系統(tǒng) 而 設(shè)計 。 本課題 充分應(yīng)用了 STM32F103C8 處理器的時鐘、 SYSTICK定時器 、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（論文） 19 課題 將 采用 GPIOA 的 四個端口 GPIOA_Pin_0， GPIOA_Pin_1， GPIOA_Pin_2，GPIOA_Pin_3 分別對步進(jìn)電機(jī)的 A， B， C， D 四個相序 輸入脈沖 序列 。 脈沖序列 和 脈沖的頻率通過軟件來設(shè)定。 圖 42 脈沖發(fā)生模塊接口圖 電流驅(qū)動模塊 步進(jìn)電動機(jī) 雖然是一種數(shù)控元器件 ， 易于與數(shù)字處理器結(jié)合開發(fā)，但是由于低電壓和較小的電流不能 驅(qū)動其正常工作，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，而必須使用專用的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器。所以 步進(jìn)電動機(jī) 和步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動器 之間是密不可分的。 本 課題 采用的驅(qū)動芯片是 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)等特點適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 ULN2020 達(dá)林頓芯片詳細(xì)參考 節(jié) ULN2020 達(dá)林頓陣列驅(qū)動芯片 。 ULN2020 是一個 7 路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時 ULN2020 輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時 ULN2020 輸出端為高電平，繼電器得電吸合。本課題使用其中四個輸入端口 ，用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。 如下 圖 43 電流驅(qū)動模塊 電路連接圖 所示： ULN2020 達(dá)林頓芯片 中 IN ININ IN6 作為 脈沖信號 輸入端口 ， 信號來源于 脈沖發(fā)生模塊 的脈沖輸出，即 處理器 GPIOA 的四個端口 G