【文章內(nèi)容簡介】 方式，以達到減速的目的。均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制步進電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。采用定時器的變速控制在單片機控制系統(tǒng)中，可以采用單片機內(nèi)部的定時器來提供CP脈沖。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向CPU申請一次中斷，CPU響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個脈沖。此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加減速的目的【9】。這種方法的優(yōu)點是減少占用CPU的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理能力。為了提高單片機的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進行調(diào)速。 本章小結(jié)本章首先分析了步進電機的原理，并總結(jié)步進電機控制系統(tǒng)的特點；其次根據(jù)步進電機的控制特點，設(shè)計步進電機的驅(qū)動電路和環(huán)形脈沖分配器；為了使控制系統(tǒng)快以最短時間到達控制終點，并根據(jù)步進電機的矩頻特性設(shè)計步進電機的變速控制的方法。最后根據(jù)步進電機的優(yōu)點，介紹步進電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè)計應(yīng)遵循下列原則【12】：（1）盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。（2）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件的長，而且占用CPU時間。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。（3）整個系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存貯器的存取時間有限，應(yīng)選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。（4）可靠性及抗干擾性設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。（5）單片機外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負載。（6）系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當留有余地，以備將來修改、擴展的需要。 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)硬件電路主要由鍵盤顯示電路、工作狀態(tài)顯示電路、環(huán)形脈沖分配器、步進電機驅(qū)動電路、51單片機、電源及復(fù)位六部分組成。 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。在MCS51系列單片機系列內(nèi)核8051/80C51的基礎(chǔ)上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL公司的AT89C51系列單片機是當今具有較高性能的單片微型計算機系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電機控制系統(tǒng)等。其主要特點有：（1） CPU內(nèi)核完全和MCS51系列兼容，具有MCS51系列單片機的一切功能。（2） 內(nèi)部集成了4K字節(jié)的在線可編程FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。（4） 可在0～24MHz的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實時處理控制系統(tǒng)中。（5） 內(nèi)部具有256個字節(jié)的RAM和3個16位定時器，可以存放系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)和滿足定時或計數(shù)功能擴展的需要。（6） 具有6個中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計的中斷系統(tǒng)擴展需要。因此，AT89C51系列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了AT89C51單片機作為中央控制單元。 可逆計數(shù)器的選擇由于脈沖分配器不但需要接收脈沖信號CP，還需要接收方向電平，因此所選的計數(shù)器需要是一個可逆的計數(shù)器。計數(shù)器選用74LS191，這是一種單時鐘4位二進制可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從CP端輸入，加/減脈沖由同一端輸入，加/減控制線的高低電平控制加減計數(shù)。74LS191是單時鐘方式的可逆計數(shù)器，計數(shù)器的輸出QA～QD接EPROM的低四位地址線，這樣可以選通EPROM的十六個地址（00H～0FH），將步進電機的勵磁狀態(tài)從EPROM中輸出，控制繞組的導(dǎo)通和截止。用74LS164的clk端作為環(huán)形脈沖分配器的CP脈沖信號輸入端，加減計數(shù)控制端作為正反轉(zhuǎn)控制信號輸入端。 74LS191功能表輸入工作模式置數(shù) 使能 加減 時鐘 H L L H L H L X X XH H X X加計數(shù)減計數(shù)預(yù)置保持 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計脈沖分配器是用來接收單片機的CP脈沖，并根據(jù)步進電機的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序輸出各相繞組的導(dǎo)通或截止信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形脈沖分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。因此，步進電機轉(zhuǎn)速的高或低、加速或減速、啟動或停止都完全取決于CP脈沖的有無和頻率。同時，環(huán)形脈沖分配器還必須接收控制器發(fā)出的方向電平信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序轉(zhuǎn)換還是反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進電機正反轉(zhuǎn)。接收來自控制器的CP脈沖和方向電平是環(huán)形脈沖分配器的最基本功能。這種方法適用于控制任意類型的步進電機。對于不同類型的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用CPU時間較多，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本文采用硬件設(shè)計脈沖分配器。 顯示電路設(shè)計單片機與顯示電路的接法一般有如下兩種方法：（1）串行接法：設(shè)計中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動，其中74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 （2）并行接法：使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用I/O口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 由于設(shè)計中用一塊單片機進行控制，資源有限，故使用使用LCD顯示。 【14】。 LCD顯示電路 外部晶振和復(fù)位電路設(shè)計MCS51系列單片機采用高電平復(fù)位方式，為保證CPU內(nèi)部各單元電路可靠復(fù)位，RST引腳的復(fù)位脈沖高電平維持時間必須大于2個機器周期（即24個振蕩周期）。，該電路具有手動復(fù)位和上電復(fù)位的功能。 外部復(fù)位電路上電復(fù)位：接通電源的瞬間，電容C上的電壓很小，RST引腳為高電平。在電容充電過程中，RST引腳的電位逐漸下降，當RST引腳的電位小于某一特定值后，CPU就會脫離復(fù)位狀態(tài)，只要電容C的容量足夠大，就能保證RST引腳高電平時間大于24個振蕩周期，使CPU可靠復(fù)位。二極管VD的作用在于：掉電后給電容C提供放電回路，保證再次上電時RST引腳為高電平，使CPU可靠復(fù)位。當VCC=0時，VCC端與地等電位，電容C通過VD迅速放電。放電回路為C正極、電源Vcc端（與地等電位）、二極管VD正極、二極管VD負極、C負極，保證再次上電時，RST引腳為高電平，CPU可靠復(fù)位。手動復(fù)位：當按下手動復(fù)位按鈕時，電容C通過R2放電，當電容C放電結(jié)束后，RST引腳電位由RR1分壓比決定，由于R2R1，因此RST引腳為高電平，CPU進入復(fù)位狀態(tài)。松開復(fù)位按鍵后，電容C充電，RST引腳電位下降，使CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計將各接口電路有機結(jié)合起來形成一個完整的電路，電路圖如附錄C所示。它是以單片機為核心的控制電路，可以實現(xiàn)步進電機根據(jù)設(shè)定的步數(shù)進行自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進電機需要運行的轉(zhuǎn)數(shù)，并通過LCD指示步進電機的工作運行狀態(tài)。 本章小結(jié)本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計原則和控制系統(tǒng)總體設(shè)計，其次對主要元器件進行了選擇和介紹。最后對控制系統(tǒng)各部分的電路進行了分析和設(shè)計，并把各模塊有機組合起來形成一個較完整的電路，如附錄C所示。第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計的，應(yīng)可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，應(yīng)用軟件各不相同，但是一個優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點【15】：（1）軟件結(jié)構(gòu)清楚、簡潔、流程合理。（2）各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，子程序化。便于