【文章內(nèi)容簡介】 在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從 低速升到高速）。 (5)步進電機的轉(zhuǎn)速還可以用步距角來表示即 n=f/6゜ *步距角。 步進電機的控制 方法 步進電機控制雖然是一個比較精確的，步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與 換向程序所用的時間和，就是 CP 脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行。但占用 CPU 時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP脈沖的周期。當定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進行加計數(shù)，當定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序。在某些應(yīng)用中，需要更多的可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量的保證 ， 因此，閉環(huán)控制也是一種選擇 .以 下是一些實現(xiàn)步進電機閉環(huán)控制的方法 ： (1) 步進確認，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光學編碼器計算步進移動的數(shù)量。一個簡單的回路與指令校驗的步進電機比較，驗證步進電機移動 到預(yù)計的位置。 (2) 反電動勢 , 一種無傳感器的檢測方法，使用步進電機的反電動勢（ eleCtromotiveforCe，emf）信號，測量和控制速度。當反電動勢電壓降至監(jiān)測探測水平 時，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為開環(huán)控制，完成最終的位移移動。 (3) 全伺服控制，指全時間的使用反饋設(shè)備，用于步進電機 編碼器、解碼器、或其它 反饋傳 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 43 頁 感器上，從而更為 精確地控制步進電機位移和轉(zhuǎn)矩。 其它的方法包括各種不同的反電動勢控制電機參數(shù)測量和軟件技術(shù)，一些制造企業(yè)都會使用這些方法。這里，步進驅(qū)動監(jiān)控和測量電機線圈，使用電壓額電流信息提高步進電機控制。正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度，產(chǎn)生更多的可用的轉(zhuǎn)矩輸出，降低轉(zhuǎn)矩的機械振動損耗。無編碼器安裝監(jiān)測采用信息檢測同步速度的損耗。 傳統(tǒng)步進電機控制通常采用反饋設(shè)備和非傳感方法，是有效的實現(xiàn)帶有安全需求、危險狀況或高精確度要求的運動應(yīng)用的方法。 大多數(shù)基于步進電機的系統(tǒng)，一般都運行在開環(huán)狀態(tài)下，這樣可提供一個低成本的方案 。 事實上，步進系統(tǒng)可提高位移控制的的性能，且不需要反饋。 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 43 頁 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計方案 本設(shè)計采用單片機 AT89C51 來作為整個步進電機控制系統(tǒng)的運動控制核心部件，采用了電機驅(qū)動芯片 ULN2083及外圍電路構(gòu)成了整個系統(tǒng)的驅(qū)動步部分。系統(tǒng)的具體功能和要求如下： 1) 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計： 2) 控制電路的設(shè)計； 3) 驅(qū)動電路的設(shè)計； 4) 顯示電路的設(shè)計； 5) 能實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最低轉(zhuǎn)速為 25轉(zhuǎn)每分，最高轉(zhuǎn)速為 75轉(zhuǎn)每分； 6) 步進電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速等級由數(shù)碼管顯示； 系統(tǒng)的組成和對應(yīng)功能的簡述 整個系統(tǒng) 的組成包括單片機最小系統(tǒng)，電機驅(qū)動模塊，數(shù)碼管顯示，復(fù)位模塊，電源是時鐘模塊等。具體系統(tǒng)框圖如下； 圖 單片機 簡介 本次設(shè)計以 CPU 選用 89C5l 作為步進電機的控制芯片． 89C51 的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容 MCS5l 系列單片機的所有功能。AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲 器（ FPEROM— FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C51主要特性： 1). 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 2).壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 3).數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 復(fù)位電路 電源時鐘電路 步進電機 ULN2083 驅(qū)動電路 顯示電路 單片機核心控制單元 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 43 頁 4).全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 5).三級程序存儲器鎖定 6). 128*8 位內(nèi)部 RAM 7). 32 可編程 I/O 線 8).兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 9). 5 個中斷源 10).可編程串行通道 11).低功耗的閑置和掉電模式 由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案單片機的引腳功能 : VCC:電源電壓 GND：地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅(qū)動 8 個 TTL 電路。當 “1”被寫入 P0 口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。 P0口還能夠在訪問外 部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時激活內(nèi)部的上拉電阻。 P0 口在閃爍編程時， P0 口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。 P1 口： P1 口一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL 電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗時， P1 口接收低 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個內(nèi)部帶有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL 電路。對端口 寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口線上的內(nèi)容在整個運行期間不變。閃爍編程或校驗時， P2 口接收高位地址和其它控制信號。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口輸出緩沖故可驅(qū)動 4 個 TTL 電路。對 P3口寫如 “1”時，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的 P3口將用電阻輸出電流。 P3 口除了作為一般的 I/O 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 所示： 表 P3 口第二功能 端口引腳 第二功能 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 共 43 頁 P3口還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當震蕩器工作時， RET 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復(fù)位ALE/ PROG ：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 輸出脈 沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 以時鐘震蕩頻率的 1/16 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊寄存器區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置禁止ALE 操作。這個位置后只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會被應(yīng)用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 無效。 PSEN：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C51 由外部 程序存儲器讀取指令時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 EA/VPP：外部訪問允許。欲使中央處理器僅訪問外部程序存儲器， EA 端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上 +12V的編程允許電壓 VPP，當然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。 XTAL1：震蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。 時鐘震蕩器 AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部震蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自然震蕩器。 外接石英晶體及電容 C1， C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)震蕩電路。對外接電容C1， C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響震蕩頻率的高低、震蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30PF177。10PF，而如果使用陶瓷振蕩 器建議選擇 40PF177。10PF。用戶也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個 2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。 圖 內(nèi)部振蕩電路 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 43 頁 圖 外部振蕩電路 單片機中斷 MCS51 單片機的中斷源共有兩類，它們分別是：外部中斷和內(nèi)部中斷 外部中斷源 ? 外部 中斷 0（ ）：來自 引腳，采集到低電平或者下降沿時，產(chǎn)生中斷請求。 ? 外部中斷 1（ ）：來自 引腳，采集到低電平或者下降沿時，產(chǎn)生中斷請求。 內(nèi)部中斷源 ? 定時器∕計數(shù)器 0（ T0 ）：定時功能時，計數(shù)脈沖來自片內(nèi)；計數(shù)功能時，計數(shù)脈沖來自片外 引腳。發(fā)生溢出時，產(chǎn)生中斷請求。 ? 定時器∕計數(shù)器 1（ T1 ）：定時功能時，計數(shù)脈沖來自片內(nèi)；計數(shù)功能時，計數(shù)脈沖來自片外 引腳。發(fā)生溢出時，產(chǎn)生中斷請求。 ? 串行口：為完成串行數(shù)據(jù)傳送而設(shè)置。單片機完成接受或發(fā)送一組數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生中斷請求。 MCS51 單片機 為用戶提供了四個專用寄存器，來控制單片機的中斷系統(tǒng)。 (1) 定時器控制寄存器（ TCON） 該寄存器用于保存外部中斷請求以及定時器的計數(shù)溢出。進行字節(jié)操作時，寄存器地址為 88H。按位操作時，各位的地址為 88H～ 8FH。寄存器的內(nèi)容及位地址表 ： 表 定時 寄存器內(nèi)容 位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 位符號 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 ? IT0 和 IT1—— 外部中斷請求觸發(fā)方式控制位 IT0 （ IT1）＝ 1 脈沖觸發(fā)方式，下降沿有效 IT0 （ IT1）＝ 0 電平觸發(fā)方式，低電平有效