【文章內容簡介】 率改變則會使步進電機的轉速改變，控制 CP 脈沖的個數(shù)，則可以使步進電機精確定位。 2. 方向電平 DIR 方向電平信號 DIR 用于控制步進電機的旋轉方向，此端為高電平時，電機一個轉向，此端為低電平時，電機轉向另一個方向，電機轉向必須在電機停機或者降到某一值后進行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個 CP 脈沖結束以及下一個方向的第一個脈沖前發(fā)出。 3. 脫機電平信號 PREE 當驅動器上電平后，步進電機處于鎖定狀態(tài)（未施加 CP 脈沖時）或則運行狀態(tài)（施加 CP 脈沖時），但當用戶想手動調整電機而不想關基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計 10 閉驅動器電源，這時就可以用到此信號，當此信號起到作用時（低電平有效）。電機處于自由無力矩狀態(tài)，當此信號為高電平時或懸空不接時，取消脫機狀態(tài)，此信號用戶可選用，如果不需要此功能，此端不接即可。 步進電機換向時，一定要在電機降速停止或降到突跳范圍之內再換向，以免產生較大的沖擊而損壞電機，換向信號一定要在前一個方向的最后一個 CP 脈沖結束后以及下一個方向的第一個 CP 脈沖前 發(fā)出。如圖 所示。對于 CP 脈沖的設計主要要求具有一定的脈沖寬度（一般不小于 5us）、脈沖序列的均勻度及高低電平方式，在某一高速下的正、反向切換實質包含了降速 換向 升速 三個過程。 脈 沖 C P方 向 D I R前 D I R 的 最 后 一 個C P 脈 沖下 D I R 的 第 一 個 C P 脈 沖此 時 D I R 的 轉 向圖 升降速 換向三個過程 步進電機的位置控制 步進電機不需要位置傳感器，就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動量，并將負載順利、正確地送達指定位置點上。移動量的大小，是依照電機分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)決定的，脈沖數(shù)與位移量間的關系如下： 位置移動量 =步 進電機分分辨率輸入脈沖數(shù) 步進電機的位置控制是指要求電機從當前位置轉過一個給定的步數(shù)，電機不丟失這一控制的實際，就是要求精確地發(fā)出定量的步進脈沖，例如，機器人再現(xiàn)工作時的啟動信號后，要走到示教時給出的初始作業(yè)位置，就是用到位置控制，不過不帶加 /減速控制，位置控制很容易實現(xiàn)的。將發(fā)給電機的脈沖，用計數(shù)器通道計數(shù)，到最后通過 CPU 停發(fā)脈沖就是了，但是這種不帶加 /減速控制的位置控制，除非速度特別低，否則會在起停時造成器械沖擊、失步。圖 示出了參加加減速控制的速度曲線，此曲線，跟 T 軸間包含的面積正比于電機走過 的步數(shù) SΣ，基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計 11 顯然，電機走過的總步數(shù) SΣ由三部分構成：加速階段電機走的步數(shù)向階梯段電機走過的步數(shù)和減速階段電機走的步數(shù)。 TFs abaf 2s aF = 0 圖 加減速控制速度曲線 步進電機的驅動系統(tǒng) 步 進電機在僅給予電壓時，電機是不會動作的，必須透過脈沖產生器提供位置（脈波數(shù)）、速度的脈沖信號指令，以及驅動器電流流過電機內線圈，依順序切換激勵磁相序的方式才能讓電機運轉。所以，欲使步進電機動作的必要系統(tǒng)組成如下： 1. 脈沖產生器：產生角度（位置移動量）、動作速度及運轉方 向等脈沖信號的電機驅動指令。 2. 步進驅動器：依控制器所投入的脈沖信號指令提供電流，驅動步進電機動作。 3. 步進電機：提供轉矩動力輸出來帶動負載。 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計 12 3 單片機概述 單片機簡介 單片機 (MCU)是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件： CPU、內存、內部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器、實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng) 集成在一塊芯片上。 單片機也被稱為微控制器，由芯片內僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設 備和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。單片機是 70 年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口和中斷系統(tǒng)集成于同一硅片的器件。單片機用于控制有利于實現(xiàn)系統(tǒng)控制的最小化和單片化，簡化一些專用接口電路，如編程計數(shù)器、鎖相環(huán) (PLL)、模擬開關、 A/D 和 D/A 變換器、電壓比較器等組成的專用控制處理功能的單板式微系統(tǒng)。 單片機是所有微處理機中性價比最高的一種，隨著種類的不斷全面，功能不斷完善，其應用領域也迅速擴大。單片機在智 能儀表、實時控制、機電一體化、辦公機械、家用電器等方面都有相當?shù)膽妙I域。當前， 8 位單片機主要用于工業(yè)控制，如溫度、壓力、流量、計量和機械加工的測量和控制場合；高效能的 16位單片機 (如 MCS9 MK68200)可用在更復雜的計算機網絡?？梢哉f，微機測控技術的應用已滲透到國民經濟的各個部門，微機測控技術的應用是產品提高檔次和推陳出新的有效途徑。 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計 13 單片機的硬件結構 當今時代，單片機使用最為廣泛為 MCS51 單片機。即： 8051 單片機，其基本組成 (參見圖 )：中央處理器、程序存儲器 (ROM)、數(shù) 據(jù)存儲器 (RAM)、定時 /計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。 1. 中央處理器 (CPU) 中央處理器是單片機的核心，完成運算和控制功能。中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8位二進制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 2. 內部數(shù)據(jù)存儲器 (內部 RAM) C P U時 鐘 電 路P 0P 3 P 2 P 1T X DR X DI N T 0I N T 1并 行 接 口串 行 接 口中 斷 系 統(tǒng)定 時 / 計 數(shù) 器R A M R O MT 0T 1 圖 MCS51 單片機結構框圖 8051 芯片中共有 256 個 RAM 單元，但其中后 128 單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前 128 單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)，簡稱內部 RAM。 ROM 8051 內部自帶程序存儲器，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格，不需外接程序存儲器。 4. 定時 /計數(shù)器 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計 14 8051 共有兩個 16 位的定時 /計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結果對計算機進行控制。 5. 并行 I/O 口 MCS51 共有 4 個 8 位的 I/O 口 (P0、 P P P3)，以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的并行輸入 /輸出。在實訓中我們已經使用了 P1 口，通過 P1 口連接8 個發(fā)光二極管。 6. 串行口 MCS51 單片機有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機和其它設備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。 7. 中斷控制系統(tǒng) MCS51 單片機的中斷功能較強，以滿足控制應用的需要。 8051 共有 5 個中斷源，即外中斷兩個，定時 /計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級別。 8. 時鐘電路 MCS51 芯片的內部有時鐘電路，但石英晶體和微調電容需外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。 系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6MHz 和 12MHz。 從上述內容可以看出， MCS51 雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應該具有的基本部件它都包括，因此，實際上它已是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)了。 MCS51 單片機的引腳及其功能 MCS51 是標準的 40 引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請參見圖 。 1. 信號引腳介紹 MCS51 系列單片機中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結構，右圖是它們的引腳配置， 40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根， 4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3 口線復用。 輸入輸出 (I/O)引腳 ～ ： P0 口 8 位雙向口線。 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計 15 ～ ： P1 口 8 位雙向口線。 ～ ： P2 口 8 位雙向口線。 ～ ： P3 口 8 位雙向口線。 P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78R S T / V p d9R X D / P 3 . 010T X D / P 3 . 111I N T 0 / P 3 .212I N T 1 / P 3 .313T 0 / P 3 . 414T 1 / P 3 . 515W R /P 3 . 616R D / P 3 .717X T A L 218X T A L 119V s s20P 2 . 021P 2 . 122P 2 . 223P 2 . 324P 2 . 425P 2 . 526P 2 . 627P 2 . 728P S E N29A L E / P R O G30E A / V p p31P 0 . 732P 0 . 633P 0 . 534P 0 . 435P 0 . 336P 0 . 237P 0 . 138P 0 . 039V c c40M C S 5 1 圖 單片機的引腳 ALE：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴展時， ALE 用于控制把 P0 口輸出的低 8 位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。 PSEN ：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部 ROM 時，有效 (低電平 )，以實現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作。 EA ：訪問程序存儲控制信號。當信號為低電平時，對 ROM 的讀操作限定在外部程序存儲器；當信號為高電平時，對 ROM 的讀操作是從內部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。 RST：復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作。 VSS：地線， VCC： +5 V 電源。 2. 信號引腳的第二功腳 由于工藝及標準化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限制的。但單片機為實現(xiàn)其功能所需要的信號數(shù)目卻遠遠超過此數(shù)，因此就出現(xiàn)了需 要與可能的矛盾，給一些信號引腳賦以雙重功能。除了第一功能，則根據(jù)需要再定義它的第二功能。下面介紹一些信號引腳的第二功能。 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計 16 (1) P3 口線的第二功能 P3 的 8 條口線都定義有第二功能，詳見表 。 (2) EPROM 存儲器程序固化所需要的信號。有內部 EPROM 的單片機芯片 (例如 8751)，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳以第二功能的形式提供的，即： 編程脈沖： 30 腳 (ALE/PRO G—— ———— ) 編程電壓 (25V)： 31 腳 (EA——— /VPP) 表 P3 口各引腳與第二功能表 引腳 端口 第二功能 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 外部中斷 0 申請 外部中斷 1 申請 T0 定時 /計數(shù)器 0 的外部輸入 T1 定時 /計數(shù)器 1 的外部輸入 外部 RAM 寫選通 外部 RAM 讀選通 MCS51 存儲器 .1 MCS51 內部數(shù)據(jù)存儲器 MCS51 單片機的芯片內部有 RAM 和 ROM 兩類存儲器，即所謂的內部 RAM 和內部 ROM，首先分析內部 RAM。 1. 內部數(shù)據(jù)存儲器低 128 個單元 8051 的內部 RAM 共有 256 個單元，通常把這 256 個單元按其功能劃分為兩部分：低 128 單元 (單元地址 00H～ 7FH)和高 128 單元地址80H(單元地址 80H～ FFH)。低 128 單元的配置圖如表 所示： 表 片內 RAM 的配置 30H ~7FH 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 20H ~2FH 位尋址區(qū) (00H~7FH) 18H ~1FH 工作寄存器 3 區(qū) (R7~R0) 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計 17 10H ~17H 工作寄存器 2 區(qū) (R7~R0) 08H ~0FH 工作寄存器 1 區(qū) (R7~R0) 00H ~07H 工作寄存器 0 區(qū)