【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。具有步距角精度高，停止時(shí)能自鎖等特點(diǎn)，因此步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)中，特別是在開環(huán)的控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。硬件是以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路，主要包括：環(huán)形脈沖分配器、鍵盤顯示電路、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路等。軟件部分采用C語(yǔ)言編程，主要包括鍵盤顯示。程序、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速程序、停止判斷程序等。

　　

【正文】 畢業(yè)論文） 26 圖 2716 管腳 排列 2716 管腳定義如下： A0— A10：地址線， 11 位 (對(duì)應(yīng) 2K 存儲(chǔ)單元 )地址信號(hào) 輸入 引腳 ； O7— O0： 8 位雙向 數(shù)據(jù)線，編程時(shí)作數(shù)據(jù)輸入線，讀出時(shí)作數(shù)據(jù)輸出線； CE ：片選允許輸入 端 ， 低電平有效； OE ： 數(shù)據(jù)輸出 允許 控制信號(hào)引腳 ，低電平有效； Vpp： +25V 電源，用于專用裝置上進(jìn)行寫操作 ； 表 2716 工作方式 引腳 方式 CE /PGN OE Vpp O7 — O0 讀出 低 低 +5V 程序讀出 未選中 高 X +5V 高阻 編程 正脈沖 高 +25V 程序?qū)懭? 程序校驗(yàn) 低 低 +25V 程序讀出 編程禁止 低 高 +25V 高阻 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 27 可逆計(jì)數(shù)器的選擇 由于環(huán)形脈沖分配器不但需要 接收 脈沖信號(hào) CP，還需要接收方向電平，因此所選的計(jì)數(shù)器需要是一個(gè)可逆的計(jì)數(shù)器。 計(jì)數(shù)器選用 74LS191，這是一種單時(shí)鐘 4 位二進(jìn)制 可逆計(jì)數(shù)器，時(shí)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(jì)數(shù) 。 74LS191 是單時(shí)鐘方式的可逆計(jì)數(shù)器 ， 計(jì)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(gè)地址（ 00H～ 0FH） ，將步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)從 EPROM 中輸出 ，控制繞組的導(dǎo)通和截止 。 74LS191 的 工作 方式選擇如表 所示 。 用 74LS164 的 clk 端作為環(huán)形脈沖分配器的 CP 脈沖信號(hào)輸入端，加減 計(jì)數(shù) 控制端作為正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)輸入端。 表 74LS191 功能表 輸入 工作模式 置數(shù) 使能 加減 時(shí)鐘 H L L H L H L X X X H H X X 加計(jì)數(shù) 減計(jì)數(shù) 預(yù)置 保持 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì) 環(huán)形脈沖分配器 設(shè)計(jì) 環(huán)形 脈沖 分配器 是 用來接收單片機(jī)的 CP 脈沖，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī) 的勵(lì)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(hào)。每來一個(gè) CP 脈沖，環(huán)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 28 形脈沖 分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)速 的 高 或 低、 加 速或 減 速、啟動(dòng)或停止都完全取決于 CP 脈沖的有無 和 頻率。同時(shí)，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(hào)，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(jìn)電機(jī)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。 環(huán)形脈沖分配器由 EPROM 和可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成，將步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)以二進(jìn)制的形式存入 EPOROM，只要按照地址的正向或反向 順序依次 取出地址內(nèi)容， EPROM 的輸出就是步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài) 。可逆計(jì)數(shù)器的輸出作為EPROM 的地址輸入端，計(jì)數(shù)器的一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)就對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的一 個(gè) 勵(lì)磁狀態(tài) ，控制計(jì)數(shù)脈沖 CP 就可以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，加減 計(jì)數(shù) 控制端可以控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn) 。 環(huán)形脈沖分配器 電路如圖 所示。 圖 環(huán)形脈沖分配器電路 這種方法適用于控制任意類型的步進(jìn)電機(jī)。對(duì)于不同 類型 的步進(jìn)電機(jī)及不同的勵(lì)磁方式，只需改變存儲(chǔ)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(jiǎn)單，速度快，少占用 CPU 的時(shí)間，提高了 系統(tǒng)的 響應(yīng)速度，軟件方法 的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 29 改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點(diǎn)是占用 CPU 時(shí)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(jì) 環(huán)形 脈沖分配器。 顯示電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(jì)中要顯示 4 位數(shù)字，用 74LS164 作為顯示驅(qū)動(dòng)，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(shí)容易控制。 （ 2） 并行接法 ： 使用并行接法時(shí)要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管用 I/O 口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 由于設(shè)計(jì) 中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限， 故使用串行接法， 另外，74LS164 的 鎖存 作用 也 起到節(jié)約資源的作用。 數(shù)碼管顯示 電路 是 通過串行口方式 0 擴(kuò)展單片機(jī)的輸出口， 在“串入并出”芯片 74LS164 的配合下，單片機(jī) RXD 引腳接 74LS164 串行數(shù)據(jù)輸入端， TXD引腳接 74LS164 移位脈沖輸入端 CLK，電路 如圖 所示 【 14 】 。 圖 數(shù)碼管顯示電路 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 30 外部復(fù)位電路 設(shè)計(jì) MCS51 系列單片機(jī)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(shí)間必須大于 2 個(gè)機(jī) 器周期 （即 24個(gè)振蕩周期） 。單片機(jī)外部的復(fù)位電路如圖 所示，該電路具有手動(dòng)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(dāng) RST 引腳的電位小于某一特定值后， CPU 就會(huì)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(shí)間大于 24 個(gè)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(shí) RST 引腳為高電平，使CPU 可靠復(fù)位。 當(dāng) VCC=0 時(shí)， 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(fù)極 、 C 負(fù)極 ，保證再 次 上電時(shí)， RST 引腳為高電平， CPU 可靠復(fù)位。 手動(dòng)復(fù)位： 當(dāng)按下手動(dòng)復(fù)位按鈕時(shí)，電容 C 通過 R2 放電，當(dāng)電容 C 放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 31 結(jié)束后， RST 引腳電位由 R R1 分壓比決定，由于 R2R1，因此 RST 引腳為高電平， CPU 進(jìn)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(jì) 將各接口電路有機(jī)結(jié)合起來形成 一個(gè) 完整的電路 ， 電路圖如附錄 C 所 示。它是以單片機(jī)為核心的控制電路，可以實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電機(jī) 根據(jù)設(shè)定 的 步數(shù)進(jìn)行自動(dòng)加減速控制 ， 使 控制系統(tǒng) 以最短的時(shí)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(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以提高步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的步數(shù) ， 并通過 LED 指示 步進(jìn)電機(jī) 的 工作運(yùn)行狀態(tài)。 本章小結(jié) 本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 和 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，其次 對(duì) 主要元 器件 進(jìn)行了 選擇和介紹。最后對(duì) 控制系統(tǒng)各部分的電路進(jìn)行 了分析和 設(shè)計(jì) ，并把各模塊 有機(jī) 組合起來形成一個(gè)較完整的電路 ，如附錄 C 所示 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 32 第 四 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的，應(yīng)可靠地實(shí)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(gè)優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點(diǎn) 【 15】 ： （ 1）軟件結(jié)構(gòu)清楚、簡(jiǎn)潔、流程合理。 （ 2）各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，子程序化。便于調(diào)試、連接、移植、修改。 （ 3）程序存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)規(guī)格合理，既能節(jié)約內(nèi)存容量，又操作方便。 （ 4）運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。各個(gè)功能程序運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求 都設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志以便查詢，程序的轉(zhuǎn)移、運(yùn)行、控制都可通過狀態(tài)標(biāo)志條件來控制。 （ 5）經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，除去修改 “痕跡”。 規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為今后的軟件模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ)。 （ 6）實(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計(jì)。軟件抗干擾是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提高可行性的有力措施。 本系統(tǒng)的軟件采用 C 語(yǔ)言編寫，在此本文主要介紹軟件的各個(gè)模塊功能與軟件流程。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序 ，定時(shí)器 T0 啟動(dòng) 程序， 調(diào)速程序，鍵盤顯示程序， 停止判斷 程序。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 軟件主要 功能是單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的步 數(shù)， 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng) 加減速 控制 ， 使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所 設(shè) 定的步數(shù)， 并通過數(shù)碼管和 LED 顯示內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 33 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。其具體功能如下： 按正轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行；通過鍵盤 可 輸 入所需要 運(yùn)行 的步數(shù)，輸入的步數(shù)的范圍為 0— 9999 步，當(dāng)輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動(dòng)按鍵步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)行，同時(shí)數(shù)碼管顯示所需要 運(yùn)行 的步數(shù)并通過 LED 顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)根據(jù)所輸入的步數(shù)判斷是否需要 進(jìn)行 加速啟動(dòng)，當(dāng)輸入的步數(shù)小于 100時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以最低速度 25 r/ min 運(yùn)行。當(dāng)輸入的步數(shù)大于 100 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)從最低速度 25 r/min 開始加速運(yùn)行，當(dāng)加速到 99 r/min 時(shí)步數(shù)仍大于 100 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最大速度 99 r/min 恒速運(yùn)行，當(dāng)步數(shù)小于 100 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)開始減速，減速到 25 r/min 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速 25 r/min 走完所規(guī)定的步數(shù)。當(dāng)步數(shù)為 0 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行。 輸入步數(shù)大于 100 時(shí)的調(diào)速過程如圖 所示。 圖 變速控制中 轉(zhuǎn)速 與步長(zhǎng)之間的關(guān)系 主程序設(shè)計(jì) 主程序工作過程 （ 1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化包 括定時(shí)器 T0 初始化，步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 34 的初始化。步進(jìn)電機(jī)的初始化狀態(tài)為停止、正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管 顯示 步數(shù) 為 0。 （ 2）鍵盤掃描及按鍵處理。判斷是否有按鍵按下，若有則進(jìn)行按鍵處理。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動(dòng)按鍵，停止按鍵，正轉(zhuǎn)按鍵，反轉(zhuǎn)按鍵 、復(fù)位按鍵 等功能按鍵 。 （ 3）系統(tǒng)啟動(dòng)。單片機(jī)讀取開關(guān)狀態(tài) 標(biāo)志 ，判斷是否啟動(dòng)系統(tǒng)。 （ 4）定時(shí)器 T0 啟動(dòng)。 T0 的中斷服務(wù)程序 主要 用于 根據(jù)步數(shù) ， 產(chǎn)生一個(gè)頻率可 以 改變的脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī) 的 加減速過程。 （ 5）調(diào)速。根據(jù)輸入的步數(shù)判斷是否需要進(jìn)行調(diào)速，使控制系統(tǒng)以最短的時(shí)間走完所規(guī)定的 步數(shù)。 （ 6） 步數(shù)為 0 判斷 。 判斷是否已經(jīng)走完所設(shè)定的步數(shù)，若步數(shù)為 0，則單片機(jī)停止產(chǎn)生脈沖信號(hào)， 讓 步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) ，即 T0 停止計(jì)數(shù) 。 主程序工作流程圖 主程序工作流程圖如圖 所示。在圖中簡(jiǎn)單的反映出了整個(gè)控制系統(tǒng)的主程序 工作 流程。 定時(shí)器 T0 中斷 程序 流程圖 T0 中斷流程圖如圖 所示。 T0 中斷程序 的 主要功能是能根據(jù)設(shè)定的步數(shù)產(chǎn)生一個(gè)頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)， 從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 并將調(diào)速范圍控制在 25～ 99 r/min。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 35 初 始 化開 始鍵 盤 掃 描 程 序有 按 鍵 按 下 ？ 按 鍵 處 理 程 序讀 入 開 關(guān) 狀 態(tài)是 否 復(fù) 位 ？是 否 啟 動(dòng) ？啟 動(dòng) 定 時(shí) 器 T 0NYYNNYT 0 停 止 計(jì) 數(shù)正 轉(zhuǎn) ？P 0 . 1 = 0 P 0 . 1 = 1NY 圖 主程序流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 36 由 s p e e d f l a g 求 定時(shí) 初 值重 裝 定 時(shí) 初 值步 數(shù) 減 1 程 序步 數(shù) 顯 示 程 序步 數(shù) 為 0 ?步 數(shù) 大 于 1 0 0 ?s p e e d f l a g 加1 r / m i ns p e e d f l a g 大 于9 9 r / m i n ?s p e e d f l a g 為計(jì) 算 值中 斷 返 回T 0 停 止計(jì) 數(shù)s p e e d f l a g 減 1 r / m i ns p e e d f l a g 小 于2 5 r / m i n ?s p e e d f l a g 為計(jì) 算 值s p e e d f l a g = 2 5 r / m i nT 0 中 斷 服 務(wù) 程 序s p e e d f l a g = 9 9 r / m i nYNYNNY YN一 個(gè) 周 期 ？NY 圖 T0 中斷服務(wù)程序 流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 37 Prote