【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 第二章 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)概念 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁裝置，是一種特殊的電動(dòng)機(jī)。一般電動(dòng)機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每次給它一個(gè)脈沖，它就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置，處于定位狀態(tài)。 步進(jìn)電機(jī)分類 步進(jìn)電機(jī)分為三種：永磁式 (PM)，反應(yīng)式 (VR)和混合式 (HB)。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積比較小，步進(jìn)角一般為 度或 15 度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它可分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一 般為 度而五相步進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最廣泛。 步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) (1)步進(jìn)電機(jī)容易控制，成本低，引起的控制誤差，轉(zhuǎn)速有限。 (2)步進(jìn)電機(jī)外表耐高溫，步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度是完全正常的。 (3)步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的 電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率或速度的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 (4)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻目錄 4 率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻 (電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚?)。 步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差 (精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 空載啟動(dòng)頻率 即步進(jìn)電機(jī)在 空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻 (電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚?)。 電機(jī)固有步距角 247。247。它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，步進(jìn)電機(jī)的步距角為兩相整步是 度三相是 度現(xiàn)在的步進(jìn)電機(jī)都有細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分?jǐn)?shù)又決定的步距角例如兩相的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為 5 細(xì)分步距角為。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 是指電機(jī)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(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 176。 /176。、三相的為 176。 /176。、五相的為 176。 /176。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū) 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩 是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最 重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō) 的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 的步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)詳細(xì)調(diào)速原理 一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入肘步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)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(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 通過(guò)延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)具體控制步進(jìn)角來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電的調(diào)速。具體的延時(shí)時(shí)間可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這就需要采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)加減法運(yùn)轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種，軟件方法指的是依靠延時(shí)程序來(lái)改變脈沖輸出的頻率，其中延時(shí)的長(zhǎng)短是動(dòng)態(tài)的，軟件法在電機(jī)控 制中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的 CPU 時(shí)間，使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他工作 。硬件方法是依靠單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在每次進(jìn)入定時(shí)中斷后，改變定時(shí)常數(shù)，從而升速時(shí)使脈沖頻率逐漸增大，減速時(shí)使脈沖頻率逐漸減小，這種方法占用 CPU 時(shí)間較少，在各種單片機(jī)中都能實(shí)現(xiàn)，是一種比較實(shí)用的調(diào)速方法。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 6 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 基本的方案確定 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，選用四相步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48，選用單片機(jī) STC89C52 作為控制器，選用 LCD12864 用于顯示基本信息，選用 ULN2020 作為步進(jìn)電機(jī)的 驅(qū)動(dòng)芯片，還有若干小鍵盤(pán)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 具體的接線連接： (1)LCD12864 數(shù)據(jù)端接單片機(jī) P1 口 其 RS 端接單片機(jī) P35 口， E端接 單片機(jī) P34 口， R/W 端接單片機(jī) P36 口 (2)五個(gè)獨(dú)立按鍵接單片機(jī) P03~P07 口 (3)三個(gè) LED 接單片機(jī) P00~P02 口 (4)ULN2020 接單片機(jī) P20~P23 (5)步進(jìn)電機(jī)接 ULN2020 的 8 引腳 (6)蜂鳴器接單片機(jī) P32 單片機(jī)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(chǔ)器 。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門(mén)狗定時(shí)器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路， 3 個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 4 個(gè)外部中斷，一個(gè) 7 向量 4級(jí)中斷結(jié)構(gòu) (兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級(jí)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(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī) 一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率 35MHz，6T/12T可選。 STC89C52 特性 (1)STC89C52 單片機(jī) (2)8K 字節(jié)程序 存儲(chǔ)空間 (3)512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 (4)內(nèi)帶 2K 字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間 (5)可直接使用串口下載 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 8 (6)AT89S52 單片機(jī) (7)8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間 (8)256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 (9)沒(méi)有內(nèi)帶 EEPROM 存儲(chǔ)空間 STC89C52 參數(shù) (1)增強(qiáng)型 8051 單片機(jī) ， 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期 和 12 時(shí)鐘 /機(jī)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(jī) )/～ (3V 單片機(jī) ) (3)工作頻率 范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz (4)用戶應(yīng)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(gè) )，復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是 準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻 (7)ISP(在系統(tǒng)可編程 )/IAP(在應(yīng)用可編程 )，無(wú)需專用 編程器 ，無(wú)需專用 仿真器 ，可通過(guò)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(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。即 定時(shí)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(shí)器 軟件 實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART (12)工作溫度范圍： 40～ +85℃ (工業(yè)級(jí) )/0～ 75℃ (商業(yè)級(jí) ) (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(hào)，低電平有效 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 (5)ALE/PROG(30)：地址鎖存信號(hào)輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端 (6)RST/VPD(9)：復(fù)位信號(hào)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(zhǔn)雙向通用 I/0 口 (10)P2 口 (2128)：準(zhǔn)雙向 I/0 口 圖 33 STC89C52 實(shí)物圖 圖 34 STC89C52 接線原理圖 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 10 液晶顯示器的選擇： LCD12864 LCD12864 概述 帶中文字庫(kù)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(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 64， 內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字 ，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示 8 4 行 16 16 點(diǎn) 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(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)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(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。 LCD12864 特性 表 31 LCD12864 特性表 項(xiàng)目 符號(hào) 最小 典型 最大 單位 電源電壓 VDDVSS V 液晶驅(qū)動(dòng)電壓 VDDVADJ TA=0 TA=25 TA=50 輸入信號(hào)電壓 VIH VDD VDD+ VIL 0 LCM 工作電流 IDD 3 8 MA 背光驅(qū)動(dòng)電流 ILED 60 80 液晶驅(qū)動(dòng)電流 IEE LCD12864 參數(shù) 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 表 32 LCD12864 參數(shù)表 項(xiàng)目 符號(hào) 最小 最大 單位 備注 電源電壓 VDDVSS V 液晶驅(qū)動(dòng)電壓 VDDVADJ 15 工作溫度范圍 TOP 20 +70 C 存儲(chǔ)溫度范圍 TST 30 +80 LCD12864 引腳功能 (1)低電源電壓 (VDD： ++) (2)顯示分辨