【文章內(nèi)容簡介】 改變通電順序，按 A→ C→ B→ A 順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3186。 的規(guī)律轉(zhuǎn)動。 步進電機控制方式 1） 單三拍控制方式 先給繞組 A 通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組 A 對齊，再給繞組 B通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組 B 9 對齊，電機旋轉(zhuǎn)，再給繞組 C通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組 C對齊，電 機再次旋轉(zhuǎn)，依次重復(fù)給繞組 A B C 通電，電機即可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。單三拍控制方式是最基本的步進電機控制方式。 2） 雙三拍控制方式 同時給繞組 A 、 B 通電， A 與 B 同時獲得磁性，轉(zhuǎn)子鋸齒與 A、 B 兩相中間對齊，再給 B、 C 同時通電，轉(zhuǎn)子鋸齒與 B、 C 兩相中間對齊，再給 C、 A 同理。雙三拍控制方式時，轉(zhuǎn)子總是同時受到兩個磁極合力影響，所以穩(wěn)定性好。 3） 六拍控制方式 六拍控制方式是單雙三拍控制方式結(jié)合的控制方法，具體為先給 A相通電，電機旋轉(zhuǎn)，再給 A、 B同時通電，電機旋轉(zhuǎn)，依次類推。通電順序為 AABBBCCCA，六拍控制方式由于將步距角減少一半，可以提高控制精度。 系統(tǒng)控制方案 論證 控制系統(tǒng)選擇 ： 開環(huán)控制時沒有位置反饋，不需要光電編碼器之類位置傳感器，因此控制系統(tǒng)的價格比較便宜。為了保證定位不出錯，系統(tǒng)設(shè)計時步進電機的驅(qū)動脈沖頻率不能設(shè)計的太高，電機的機械負載不能太重。 閉環(huán)控制則要采用光電編碼器之類位置傳感器將電動機的實際位置反饋給計算機，萬一步進電動機失步，計算機發(fā)現(xiàn)電動機的實際位置沒有達到給定值，就補發(fā)脈沖，直到電動機的實際位置和給定值一致或相當(dāng)接近為止。 為了達到控制精度，并且作為實驗平臺需要體現(xiàn)出更多的控制方法，故選用閉環(huán)控制方式。 控制電路選擇 1） 電子電路控制系統(tǒng) 驅(qū)動步進電機的脈沖信號由脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路提供，這種控制方式成本低，電路簡單，穩(wěn)定性好。但擴展能力低，一旦需求改變，需要重新設(shè)計整個電路，功能單一。適合不需要擴展的工業(yè)場合使用。 2） 基于 PLC 的控制系統(tǒng) PLC 也叫可編程控制器，是一種應(yīng)用于工業(yè)的邏輯控制器。其通用性好，使用方便，硬件擴展性強。可通過程序控制 PLC 輸出脈沖控制步進電機運動，并由 PLC 內(nèi)部的定時器控制輸出脈沖頻率以控制步進電機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)具有充分的 10 可擴展性。 但由于 PLC 采用循環(huán)掃描方式，當(dāng)不轉(zhuǎn)速較高時，控制精度降低，并且由于 PLC 成較高，適合需求轉(zhuǎn)速不高的大型工業(yè)場合。 3） 基于單片機的控制系統(tǒng) 單片機控制步進電機，可以使用程序代替大部分電路功能，單片機輸出脈沖，通過 ULN20xx 升壓控制步進電機，使用程序控制正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等功能。采用單片機可以通過程序精確控制，避免失步。用軟件代替電路控制能提高系統(tǒng)的靈活性，并且通過單片機能建立顯示功能，提高系統(tǒng)的交互性。 以上優(yōu) 點，本次設(shè)計采用基于單片機的控制系統(tǒng)。 單片機控制信號方式選擇 1） 串行控制方式 串行控制中，微機與步進電動機的功率接口之間只要兩條控制線：一條用以發(fā)送走步脈沖串 (CP)，另一條用以發(fā)送控制旋轉(zhuǎn)方向的電平信號。 串行通信方式信號流程圖 如下 ： 圖 22 脈沖分配器的作用是將單路脈沖轉(zhuǎn)換成多相循環(huán)變化的脈沖。它有一路輸入，多路輸出。隨著一個個脈沖的輸入，各路輸出電壓輪流變高和變低 利用單片機的 輸出方向電平， 輸出走步觸發(fā)脈沖。 產(chǎn)生走步脈沖只要先對 進行清零，過一會兒再進行一次置位就可以了。由于任何脈沖分配器對觸發(fā)脈沖的最小脈寬都有一定的要求，所以在清零和置位之間插入的延時時間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈L度。 2 并行控制 在并行控制中，微機通過數(shù)條并行口線，直接發(fā)出多相脈沖波信號，再通過功率放大后，送入步進電動機的各相繞組。這樣就不再需要脈沖分配器。脈沖分配器的功能可以由微機用純軟件的方法實現(xiàn)，也可以用軟件和硬件結(jié)合的方法實現(xiàn) 三相步進電機 單片機 三相功率驅(qū)動接口電路 單片機 脈沖分配器 功率驅(qū)動 步進電機 11 圖 23 串行控制的優(yōu)點在于節(jié)省控制器資源，但成本較高，并行行控制方式占用控制器資源較多，但不需要外接脈沖分配器，成本較低且外部電路簡單。綜合考慮本系統(tǒng)采用并行輸出方式。 外圍設(shè)備方案選擇 1） 顯示設(shè)備選擇 顯示設(shè)備為控制系統(tǒng)對用戶輸出信息的重要途徑，單片機的顯示系統(tǒng)通常使用 數(shù)碼管 (LED)和 液晶屏（ LCD） ，下面會討論兩者的優(yōu)缺點。 由半導(dǎo)體發(fā)光二極管組成的數(shù)碼顯示器（簡稱 LED）是最常用的輸出顯示設(shè)備。它以價廉、可靠、耐用，對電流、電壓要求低等優(yōu)點，在計算機應(yīng)用系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。 LED 在脈沖工作狀態(tài)下亮度較強，一般每秒可導(dǎo)通 100— 500次，每段發(fā)光二極管需要串接限流電阻，改變阻值可調(diào)亮度。單片機系統(tǒng)中 LED為最常用的顯示輸出手段。 LCD 液晶顯示模塊可以顯示漢字、數(shù)字、圖形等用戶需要的大多數(shù)輸出形式，但成本高，消耗控制器資源較多，需要編寫復(fù)雜的驅(qū)動程序。 雖然 LED 成本低，使用方便，但由于本系統(tǒng)需要用漢字顯示步進電機運動狀態(tài)，故選用 LCD 作為顯示設(shè)備。 鍵盤的選擇 鍵盤選擇方案有 ：矩陣式按鍵 ，獨立式按鍵。 矩陣鍵盤由行線和列線組成， 按鍵設(shè)置在行、列線交點上，行列線分別接在按鍵開關(guān)兩端，行線通過上拉電阻接到 +5V 電源上。平時按鍵無動作時，行線處于高電平狀態(tài)， 當(dāng)鍵被按下時 行線電平狀態(tài)由與 此行線相連的列電平?jīng)Q定，因此各鍵之間彼此 相互發(fā)生影響，所以必須將行列信號配合起來做適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。而按鍵采用掃描識別方法： 先將行線全部置 0，當(dāng)有鍵盤按下時，該列信號被拉至低電平?？膳袛嘤墟I盤按下，再依次給行信號送低電平，查看所有列信號，記錄為 0 的那里，行列交叉點即為鍵盤位置。 據(jù)此分析，很容易得出矩陣鍵盤的識別方法，分兩步進 行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下，第二步，如果有鍵被按下，識別該 建的位置。 獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電 平可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。但每個按鍵需要占用一根輸入線，在按鍵數(shù)量較大時，將占用較多輸入口，電路結(jié)構(gòu)就顯得復(fù)雜。故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 12 由于本系統(tǒng)需要的按鍵較多，且需要擴展空間，所以選擇矩陣式按鍵。 第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)框圖 圖 31 系統(tǒng)工作流程： 用鍵盤選擇步進電機的工作模式， 然后讀取光電編碼器測得電機轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，經(jīng)過74LS165 將并行信號轉(zhuǎn)成串行信號反饋給單片機，經(jīng)過單片機處理 ，發(fā)送步進電機驅(qū)動信號 ,經(jīng)過 ULN20xx 芯片驅(qū)動步進電機。 并在 LCD 上顯示步進電機工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)速等信息。 步進電機轉(zhuǎn)動位置由光電編碼器檢測得到 。 硬件選擇與設(shè)計 控制器選擇 本方案選擇單片機作為控制器， 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他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(nèi)存、內(nèi)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(shè)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(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 早期的單片機都是 8 位或 4位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn) 在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。 90 年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大的提高。電機驅(qū)動芯片 鍵盤輸入 單 片 機 LCD 步進電機 光電編碼器 并行信號轉(zhuǎn)串行信號 13 隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用， 32位單片機迅速取代16 位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的 8 位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32 位單片機主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至 1美元，最高端的型號也只有 10 美 元。當(dāng)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一 般配備 40 多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過 PC 機和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大 本系統(tǒng)使用單片機型號為 AT89S51。 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片機芯片中。 1）主要性能參數(shù)： ● 與 MCS51單片機產(chǎn)品兼容 ● 4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 ● 1000 次擦寫周期 ● 全靜態(tài)工作： 0Hz— 33MHz ● 32個可編程 I/O 口線 ● 2個 16 位定時器 /計數(shù)器 ● 6個中斷源 14 ● 全雙工 UART 串行通道 ● 低功耗空閑和掉電模式 ● 掉電后中斷可喚醒 ● 看門狗定時器 ● 雙數(shù)據(jù)指針 ● 靈活的 ISP 編程（字或字節(jié)模式） ● 電壓工作范圍 2)芯片的管腳功能： I/O 口引腳： ～ — P0： 雙向 8位三態(tài) I/O 口，此口為地址總線 (低 8位 )及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動 8個 TTL 負載。 ～ — P1: 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可驅(qū)動 4個 LS 型 TTL 負載。 ～ — P2: 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，與地址總線 (高 8位 )復(fù)用，可驅(qū)動 4個 LS 型 TTL 負載。 ～ — P3: 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。 控制引腳： RESET/VPD: 復(fù)位信號輸入端，持續(xù)時間大于兩個機器周期（ 24 個時鐘震蕩周期）高電平有效。在單片機正常工作時，此腳應(yīng)為 低電平。 ALE/PROG????????: 地址鎖存控制信號，在系統(tǒng)擴展時， ALE 用與控制把 P0 口輸出的 低 8位地址送往鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外由于 ALE 是以晶振的 1/6 的固定頻率輸出正脈 沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用 。 PSEN???????： 程序存儲器允許輸出控制端。在單片機訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出的負脈沖作為讀外部程序存儲器的選通信號。此腳接外部程序存儲器的 OE????(輸出允許端 )。 PSEN???????端可以驅(qū)動 8個 LS 型 TTL 負載。 EA????/VPP— EA????功能為內(nèi)外程序存儲器選擇控制端。當(dāng) EA????端為高電平時，對 ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器；當(dāng) EA????為低電平時，對 ROM 進行讀操作限定為外部程序存儲器。 電源及時鐘引腳： 15 電源引腳 ： 電源引腳提供 單片機的工作電源。 VCC(40 腳 )：接 +5V 電源 VSS(20 腳 )：接地。 時鐘引腳 ： 兩個時鐘引腳 XTAL XTAL2 外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了一個振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。 2個時鐘引腳也可外接晶體振蕩器 。 X1(19 腳 )：接外部晶體的一個引腳。該引腳是內(nèi)部反相放大器的輸入端。這個反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 X2(18 腳 )：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反