【文章內(nèi)容簡介】 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 第二章 步進電機簡介 步進電機概念 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的電磁裝置，是一種特殊的電動機。一般電動機是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每次給它一個脈沖，它就轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進電動機的角位移量和輸入的脈沖個數(shù)成正比，在時間上與輸入脈 沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，就可獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置，處于定位狀態(tài)。 步進電機分類 步進電機分為三種：永磁式 (PM)，反應式 (VR)和混合式 (HB)。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積比較小，步進角一般為 度或 15 度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，它可分為兩相和五相：兩相步進角一 般為 度而五相步進角一般為 度。這種步進電機的應用最廣泛。 步進電機特點 (1)步進電機容易控制，成本低，引起的控制誤差，轉(zhuǎn)速有限。 (2)步進電機外表耐高溫，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取決于不同磁性材料的退磁點；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 度是完全正常的。 (3)步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻目錄 4 率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻 (電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速 )。 步進電機工作原理 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。 步進電機的基本參數(shù) 空載啟動頻率 即步進電機在 空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻 (電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速 )。 電機固有步距角 247。247。它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，步進電機的步距角為兩相整步是 度三相是 度現(xiàn)在的步進電機都有細分的驅(qū)動器，細分數(shù)又決定的步距角例如兩相的步進電機驅(qū)動器為 5 細分步距角為。 步進電機的相數(shù) 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 176。 /176。、三相的為 176。 /176。、五相的為 176。 /176。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū) 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩 是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最 重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說 的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 的步進電機。 步進電機詳細調(diào)速原理 一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入肘步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸 入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 通過延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電的調(diào)速。具體的延時時間可以通過軟件來實現(xiàn)。 這就需要采用單片機對步進電機進行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔，單片機控制步進電機加減法運轉(zhuǎn)可實現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種，軟件方法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率，其中延時的長短是動態(tài)的，軟件法在電機控 制中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的 CPU 時間，使單片機無法同時進行其他工作 。硬件方法是依靠單片機內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的，在每次進入定時中斷后，改變定時常數(shù)，從而升速時使脈沖頻率逐漸增大，減速時使脈沖頻率逐漸減小，這種方法占用 CPU 時間較少，在各種單片機中都能實現(xiàn)，是一種比較實用的調(diào)速方法。 第三章 硬件電路設(shè)計 6 第三章 硬件電路設(shè)計 基本的方案確定 根據(jù)本次設(shè)計的要求，選用四相步進電機 28BYJ48，選用單片機 STC89C52 作為控制器，選用 LCD12864 用于顯示基本信息，選用 ULN2020 作為步進電機的 驅(qū)動芯片，還有若干小鍵盤和 LED 燈。系統(tǒng)原理框圖如 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)原理框圖 圖 32 Protel 99 SE 原理圖 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 具體的接線連接： (1)LCD12864 數(shù)據(jù)端接單片機 P1 口 其 RS 端接單片機 P35 口， E端接 單片機 P34 口， R/W 端接單片機 P36 口 (2)五個獨立按鍵接單片機 P03~P07 口 (3)三個 LED 接單片機 P00~P02 口 (4)ULN2020 接單片機 P20~P23 (5)步進電機接 ULN2020 的 8 引腳 (6)蜂鳴器接單片機 P32 單片機的選擇： STC89C52 STC89C52 概述 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器 。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復位電路， 3 個 16 位 定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4級中斷結(jié)構(gòu) (兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu) )，全雙工 串行口 。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許RAM、 定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機 一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz，6T/12T可選。 STC89C52 特性 (1)STC89C52 單片機 (2)8K 字節(jié)程序 存儲空間 (3)512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間 (4)內(nèi)帶 2K 字節(jié) EEPROM 存儲空間 (5)可直接使用串口下載 第三章 硬件電路設(shè)計 8 (6)AT89S52 單片機 (7)8K 字節(jié)程序存儲空間 (8)256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間 (9)沒有內(nèi)帶 EEPROM 存儲空間 STC89C52 參數(shù) (1)增強型 8051 單片機 ， 6 時鐘 /機器周期 和 12 時鐘 /機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 (2)工作電壓： ～ (5V 單片機 )/～ (3V 單片機 ) (3)工作頻率 范圍： 0～ 40MHz，相當于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作頻率可達48MHz (4)用戶應用程序空間為 8K 字節(jié) (5)片上集成 512 字節(jié) RAM (6)通用 I/O 口 (32 個 )，復位后為： P0/P1/P2/P3 是 準雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻 (7)ISP(在系統(tǒng)可編程 )/IAP(在應用可編程 )，無需專用 編程器 ，無需專用 仿真器 ，可通過串口 (RxD/， TxD/)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 (8)具有 EEPROM 功能 (9)共 3 個 16 位 定時器 /計數(shù)器。即 定時器 T0、 T T2 (10)外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā) 中斷方式 喚醒 (11)通用異步 串行 口 (UART)，還可用定時器 軟件 實現(xiàn)多個 UART (12)工作溫度范圍： 40～ +85℃ (工業(yè)級 )/0～ 75℃ (商業(yè)級 ) (13)PDIP 封裝 STC89C52 引腳功能 (1)VCC(40)：電源 +5V (2)VSS(20)：接地，也就是 GND (3)XTL1(19)和 XTL2(18)：振蕩電 路 (4)PSEN(29)：片外 ROM 選通信號，低電平有效 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 (5)ALE/PROG(30)：地址鎖存信號輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端 (6)RST/VPD(9)：復位信號輸入端 /備用電源輸入端。 (7)EA/VPP(31)：內(nèi) /外部 ROM 選擇端 (8)P0 口 (3932)：雙向 I/O 口 (9)P1 口 (18)：準雙向通用 I/0 口 (10)P2 口 (2128)：準雙向 I/0 口 圖 33 STC89C52 實物圖 圖 34 STC89C52 接線原理圖 第三章 硬件電路設(shè)計 10 液晶顯示器的選擇： LCD12864 LCD12864 概述 帶中文字庫的 128X64 是一種具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 64， 內(nèi)置 8192 個 16*16 點漢字 ，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示 8 4 行 16 16 點 陣的漢字 .也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。 LCD12864 特性 表 31 LCD12864 特性表 項目 符號 最小 典型 最大 單位 電源電壓 VDDVSS V 液晶驅(qū)動電壓 VDDVADJ TA=0 TA=25 TA=50 輸入信號電壓 VIH VDD VDD+ VIL 0 LCM 工作電流 IDD 3 8 MA 背光驅(qū)動電流 ILED 60 80 液晶驅(qū)動電流 IEE LCD12864 參數(shù) 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 表 32 LCD12864 參數(shù)表 項目 符號 最小 最大 單位 備注 電源電壓 VDDVSS V 液晶驅(qū)動電壓 VDDVADJ 15 工作溫度范圍 TOP 20 +70 C 存儲溫度范圍 TST 30 +80 LCD12864 引腳功能 (1)低電源電壓 (VDD： ++) (2)顯示分辨