【文章內(nèi)容簡介】 機應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對于單片機各個方面應(yīng)用情況下步進(jìn)電機種類與控制方式的選擇. 硬軟組態(tài)相結(jié)合；各部分通信程序的算法及調(diào)試；大功率負(fù)荷用編程算法實現(xiàn)穩(wěn)定運行；網(wǎng)絡(luò)鏈接的設(shè)置等這都是當(dāng)前單片機研究的熱點問題。由此可見掌握步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的編程和調(diào)試都對生產(chǎn)生活有著十分重要的實際意義。 設(shè)計的目標(biāo)、重點與特色目的：鞏固、加深和擴大單片機應(yīng)用的知識面，提高綜合及靈活運用所學(xué)知識解決工業(yè)控制的能力。同時培養(yǎng)針對課題的需要，選擇和查閱有關(guān)手冊、圖表及文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，提高組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的動手能力。通過課題設(shè)計方案的分析、選擇、比較，熟悉單片機用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程。并與他人團隊協(xié)作，增加關(guān)于軟硬件設(shè)計的方法、內(nèi)容及步驟的了解和認(rèn)識。理論意義：掌握單片機指令和器件的操作與應(yīng)用，以及單片機步進(jìn)電機的基本原理和編程，可以讓自己在學(xué)習(xí)和生活中應(yīng)用自己所學(xué)知識，提高工業(yè)生產(chǎn)力，促進(jìn)工業(yè)發(fā)展。實踐意義：通過理論和實踐相結(jié)合，使個人能力得到全面發(fā)展。同時也讓學(xué)生加深了對專業(yè)知識及相關(guān)領(lǐng)域更深入的了解，也培養(yǎng)和加強了動手解決問題能力和理論探討、推導(dǎo)和分析問題的能力。目前，我國正處于工業(yè)飛速發(fā)展階段，而單片機在海洋開發(fā)、宇宙探索、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、社會服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用，并且正朝著智能化和多樣化等方向發(fā)展。同時，單片機涉及到的技術(shù)也不斷擴展，如多傳感器信息融合、路徑規(guī)劃、硬軟組態(tài)相結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)鏈接的設(shè)置等，產(chǎn)生了一系列研究課題。在當(dāng)前單片機應(yīng)用基礎(chǔ)上，對于單片機在硬軟組態(tài)相結(jié)合；網(wǎng)絡(luò)鏈接的設(shè)置等不同情況下，正確選擇步進(jìn)電機種類和控制方式對實際生產(chǎn)生活都有著現(xiàn)實意義。單片機步進(jìn)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：①控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計，包括系統(tǒng)的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數(shù)的測量范圍等；②選擇各參數(shù)檢測元件及變送器；③建立數(shù)學(xué)模型及確定控制算法；④選擇單片機，并決定是自行設(shè)計還是購買成套設(shè)備；⑤系統(tǒng)硬件設(shè)計：包括接口電路，邏輯電路及操作面板；⑥系統(tǒng)軟件設(shè)計：包括管理、監(jiān)控程序以及應(yīng)用程序的設(shè)計，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計包含有硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分；⑦系統(tǒng)的調(diào)試與試驗。本論文主要從四個部分闡述了單片機控制系統(tǒng)的過程。各章節(jié)的內(nèi)容說明如下： 第一章：引言。介紹了單片機現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，以及步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計的熱點，確定本文的重難點，以及設(shè)計的目的、意義和目標(biāo)；并由此確定了論文的設(shè)計方向和開展的主要工作。第二章：詳細(xì)的介紹了單片機關(guān)鍵技術(shù)，并從中總結(jié)得出了步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計及其各項要求。第三章：對步進(jìn)電機硬件進(jìn)行分析和設(shè)計。第四章：介紹了步進(jìn)電機系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，并分析了其達(dá)到的效果和性能，并對步進(jìn)電機控制系統(tǒng)進(jìn)行了展望分析。第2章 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)硬件（1）進(jìn)電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。 （2）步進(jìn)電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非?？煽浚瑫r，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 （3）步進(jìn)電動機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 （4）可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。 （5）步進(jìn)電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。（6）電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負(fù)載采取相應(yīng)措施。 步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)和基本原理步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機包括反應(yīng)式步進(jìn)電機（VR）、永磁式步進(jìn)電機（PM）、混合式步進(jìn)電機（HB）和單相式步進(jìn)電機等。 數(shù)控系統(tǒng)用戶接口單元MCS8031測速單元步進(jìn)電機驅(qū)動總線A相驅(qū)動B相驅(qū)動E相驅(qū)動D相驅(qū)動C相驅(qū)動顯示單元故障檢測單元 圖1 MCS 8031 步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的控制信號（方向、節(jié)拍、使能、脈沖等）通過用戶接口單元到達(dá)到8031處理器芯片，該芯片經(jīng)軟件編程實現(xiàn)脈沖的接收、環(huán)分和顯示，環(huán)分后的電脈沖通過總線到達(dá)功率驅(qū)動電路，再次放大后經(jīng)驅(qū)動總線到用戶接口和步進(jìn)電機，使步進(jìn)電機按數(shù)控系統(tǒng)的要求運行。同時，故障檢測單元不停地檢測故障（過流、過壓、過溫等）信號，發(fā)現(xiàn)故障時將信號送入CPU(8031)，通過編程CPU即時發(fā)出故障處理信號并顯示其類型，以保護步進(jìn)電機和驅(qū)動系統(tǒng)不致受到進(jìn)一步損害。步進(jìn)電機的運行狀態(tài)通過測速裝置測出并反饋到數(shù)控系統(tǒng)，與其給定狀態(tài)進(jìn)行對比后，決定發(fā)出怎樣的控制信息，以實現(xiàn)對步進(jìn)電機運行狀態(tài)的精確控制。 單片機步進(jìn)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)部分的設(shè)計步進(jìn)電機有兩種工作方式：整步方式和半步方式。，在整步方式下，步進(jìn)電機每接收一個脈沖，旋轉(zhuǎn)一周，則需要200個脈沖，在半步方式下，步進(jìn)電機每接收一個脈沖，旋轉(zhuǎn)一周，則需要400個脈沖?？刂撇竭M(jìn)電機旋轉(zhuǎn)必須按一定時序?qū)Σ竭M(jìn)電機引線輸入脈沖，以上述四相六線制步進(jìn)電機為例，其半步工作方式和整步工作方式的控制時序如表1和表2所列。時序A＋B－A－B＋1000120011300104011050100611007100081001 表1時序A＋B－A－B＋11001200113011041100 表2步進(jìn)電機原理圖如圖2所示： 圖2 步進(jìn)電機驅(qū)動原理圖 ~，經(jīng)74LS14反相后進(jìn)入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動步進(jìn)電機的各相繞組。使步進(jìn)電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動作。圖2中L1為步進(jìn)電機的一相繞組。單片機選用頻率22MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小單片機對上位機脈沖信號周期的影響。圖2中的RL1~RL4為繞組內(nèi)阻，50Ω電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。D1~D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管（D1~D4）而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不受損壞。在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個200μF電容，可以改善注入步進(jìn)電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進(jìn)電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。盡管單片機集成度高，內(nèi)部含有I/O控制線，ROM，RAM和定時/計數(shù)器。但在組成單片機系統(tǒng)時，擴展若干接口仍是設(shè)計者必不可少的任務(wù)。擴展接口有2種方案，一種是購置現(xiàn)成的接口板，另一種是根據(jù)系統(tǒng)實際需要，選用適合的芯片進(jìn)行設(shè)計控制系統(tǒng)。就后一種而言，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。(1)存儲器擴展 ：由于單片機有4種不同的存儲器，且程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分別編址的，所以單片機的存儲器