【正文】 可編程外圍并行接口設(shè)計 本系統(tǒng)中所要控制的外部設(shè)備主要有兩個步進電機（根據(jù)自制的步進電機驅(qū)動器需要用 8 個輸出口） ，加上上下左右的 4 個鍵盤輸口，選用 8255A 可編程外圍并行接口芯片。 1PA32PA23PA14PA05RD6CS7GND8A19A010PC711PC612PC513PC414PC015PC116PC217PC318PB019PB120PB221PB322PB423PB524PB625PB726Vcc27D728D629D530D431D332D233D134D035RESET36WR37PA738PA639PA540PA48255A 圖 8255A引腳 可編程輸入 /輸出接口芯片 8255A 的引腳如圖 所示。 Di 是雙向數(shù)據(jù)線； /CS是片選線； /RD 是數(shù)據(jù)讀出選通線，通常與 CPU 芯片的 /RD 引腳相連； /WR 是數(shù)據(jù)寫入選通線，一般與 CPU的 /WR 引腳連接； PA 口是 8位數(shù)據(jù)輸出口，既有上拉又有下拉總線保持 器； PB 口是 8 位數(shù)據(jù)輸入 /輸出口，只有上拉總線保持器； PC 口是 8位數(shù)據(jù)輸入（無所存） /輸出（帶緩沖器）口，在方式控制下可分作兩個 4 位端口用，每個 4位口都有一個 4位所存器，這兩個 4 位端口可與 A 口及 B口配合使用，輸出控制信號，輸入狀態(tài)信息， PC 口的保持結(jié)構(gòu)與 B口相同。 向 8255A 控制口寫入控制字可決定它的工作方式，并且只有先寫入控制字，才能通過三個數(shù)據(jù)口實現(xiàn)正確的 I/O 操作。它的 3 個 I/O 并行口 PA、 PB、 PC 可選擇三種 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 工作方式 :方式 O 為基本的輸入輸出 ； 方式 1 為選通輸入輸出 ； 方式 2 為雙向傳送。8255A 還能對 C端口的任一位進行置位 /復(fù)位操作 。 步進電機控制設(shè)計 步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動的機電元件，與其他類型電機相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。為了得到性能優(yōu)越的控制效果，出現(xiàn)了很多步進電機控制系統(tǒng)，其中采用單片 機作為控制核心的控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用 。 步進電機的工作原理 圖 反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)圖 圖 是反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具 有均勻分布的六個磁極，磁極上繞有繞組。兩個相對的磁極組成一組，連法如圖 所示。 下面介紹反應(yīng)式步進電動機單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。反應(yīng)式步進電機的工作原理是利用了物理上的‘磁通總是力圖使自己所通過的路徑的磁阻最小’所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機一步一步轉(zhuǎn)動的。以三相反應(yīng)式步進電機為例。 單三拍通電方式的基本原理 設(shè) A 相首先通電（ B、 C 兩相不通電），產(chǎn)生 AA’ 軸線方向的磁通，并通過轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時 A、 A’ 極就成為電磁極鐵的 N、 S 極。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置 ，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對齊 A、 A’ 極的位置（圖 ）；接著B相通電（ A、 C 兩相不通電），轉(zhuǎn)子便順時針方向轉(zhuǎn)過 30176。，它的齒和 C、 C’ 極對齊（圖c）。不難理解，當(dāng)脈沖信號一個一個發(fā)來時，如果按 A→ C→ B→ A→ 178。178。178。的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為單三拍方式。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 （ a） A相通電 （ b） B相通電 （ c） C 相通電 圖 單三拍通電方式時轉(zhuǎn)子的位置 六拍通電方式的基本原理 設(shè) A 相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子 A、 A’ 對齊（圖 ），然后在 A 相繼續(xù)通電的情況下接通 B相。這時定子 B、 B’ 極對轉(zhuǎn)子齒 4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是 A、 A’ 極繼續(xù)拉住齒 3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子的位置如圖 所示，即轉(zhuǎn)子從圖 位置順時針轉(zhuǎn)過 了巧“。接著 A相斷電， B 相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒 4 和定子 B、 B’極對齊 (圖 )，轉(zhuǎn)子從圖 (b)的位置又轉(zhuǎn)過了 15“。其位置如圖 所示。這樣，如果按 A→ A、 B→ B→ B、 C→ C→ C、 A→ 順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角 15176。 。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個齒距角。如果按 A→ A、 C→ C→ C、 B→ B→ B、 A→ 序通電，則電 機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為六拍方式 （ a） （ b） 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 （ c） （ d） a. A 相通電 b. A、 B相通電 c. B相通電 d. B、 C 相通電 圖 原理示意圖 雙三拍通電方式的基本原理 如果每次都是兩相通電，即按 A、 B→ B、 C→ C、 A→ A、 B→ ?的順序通電， 則稱為雙三拍方式，從圖 4b，和圖 4d 可見，步距角 也是 30。 因此，采用單三拍和雙三拍方式時轉(zhuǎn)子走三步前進了一個齒距角，每走一步前進了三分之一齒距角 。采用六拍方式時，轉(zhuǎn)子走六步前進了一個齒距角，每走一步前進了六分之一齒距角。因此步距角 0可用下式計算 ： θ＝ 360176。 ／﹙ Zr179。 m﹚ （ ） 式中 Zr是轉(zhuǎn)子齒數(shù)； m 是運行拍數(shù)。 一般步進電動機最常見的步距角是 3176。 或 176。 。所以，轉(zhuǎn)子上不只 4 個齒 (齒距角 90176。 )，而有 40 個齒 (齒距角為 9176。 )。 由式 θ＝ 360176。 ／ ﹙ Zr179。 m﹚ 可知， 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個步距角 o，就相當(dāng)于轉(zhuǎn)過了整個圓周的 l/(Zr179。 m)圈，若控制脈沖頻率為 f，則轉(zhuǎn)子每秒鐘就轉(zhuǎn)過 f/(Zr179。 m)圈，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n為 : n=60f／﹙ Zr179。 m﹚﹙ r／ min﹚ （ ） 步進電機的選擇 如何正確選用步進電動機是一項重要的工作，它需要與系統(tǒng)總體設(shè)計相協(xié)調(diào)，一般從以下 4 個方面考慮如何選擇步進電機 。 步距角的選擇 步距角是在一個電脈沖信號的作用下，步進電動機轉(zhuǎn)過的 機械角位移。常見步距角有 度 、 度 、 度 、 度 、 度 、 度 、 度 、 度 、 度 等。步進電動機一旦選定以后，其步距角就固定不變，要想改變，只能通過驅(qū)動電源的細(xì)分 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁 功能來實現(xiàn) 。 轉(zhuǎn)矩的選擇 步進電機轉(zhuǎn)矩的選擇包括四個方面 :最大靜轉(zhuǎn)矩、啟動轉(zhuǎn)矩、矩頻特性、定位轉(zhuǎn)矩。最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進電動機在通電狀態(tài)下，使轉(zhuǎn)子離開平衡位置時的極限力矩值，它反映了步進電動機承受外加轉(zhuǎn)矩的特性 ； 啟動轉(zhuǎn)矩是指步進電動機單相繞組勵磁時所能帶動的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ； 矩頻特性是指輸出轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系，一 般來一說，隨著運行頻率的提高，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸下降 ； 定位轉(zhuǎn)矩是 指步進電機在斷電狀態(tài)下定位時所需的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)注意的是，步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩不僅與電動機本身的最大靜轉(zhuǎn)矩和矩頻特性有關(guān)，而且還與驅(qū)動電源有著很大的關(guān)系 。 啟動頻率的選擇 步進電動機不同于一般電動機，它的啟動概念和不失步聯(lián)系在一起。廠家提供的步進電動機啟動頻率，是指步進電動機空載時的極限啟動頻率。電動機帶載后，啟動頻率要下降。啟動頻率主要取決于負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，二者之間的關(guān)系可以用啟動慣頻特性曲線來描述。用戶可以根據(jù)廠家提供的啟動慣頻特性曲線來決定帶載時 的啟動頻率 。 連續(xù)運行頻率的選擇 步進電動機啟動后，不失步地連續(xù)升速，所能達(dá)到的最高頻率，稱作連續(xù)運行頻率。產(chǎn)品樣本所提供的極限運行頻率，是指電動機在空載時的最高運行頻率。帶載時的極限運行頻率要根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，從矩頻特性曲線上查找。 綜合上述因素，進給系統(tǒng)選用三洋 57 型步進電機，其額定轉(zhuǎn)矩為 20Nm，相數(shù)為 2，步距角為 ，可以對其進行兩相兩拍、兩相四拍控制。 步進電機驅(qū)動與隔離選擇 由于步進電機的大功率、高電平會對單片機產(chǎn)生比較嚴(yán)重的干擾 ,不能直接把單片機產(chǎn)生的控制信號直接 連在步進電機上 ,需要進行強弱電隔離。在實際運用中 ,對于強弱電隔離一般采用電子開關(guān)方法或光電隔離的方法。由于步進電機工作需要較大的功率 ,所以通常需要使用功率放大器來提供步進電機的工作電流 ,將光電隔離器送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘?,可以采用集成功放 ,也可以采用分立元件 。本系統(tǒng)使用 TLP521GB 光電耦合芯片 。 由于步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件 ， 它不能直接接到交直流電源上 ,而必須使用專用設(shè)備 步進電機控制驅(qū)動器 。 典 型步進電機控制系統(tǒng)中 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁 的 控制器可以發(fā)出脈 沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲 連續(xù)變化的脈 沖信號 ,它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后 ,經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸人端 ,以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類 :一類是用計算機軟件設(shè)計的方法 實現(xiàn)環(huán)分器要求 的功能 ,通常稱軟環(huán)形分配器 。 另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器 ,通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大 ,以達(dá)到驅(qū)動步進電機目的。 L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用 15 腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工 作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A； 額定功率 25W。 內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅(qū)動電機， 該芯片可以驅(qū)動一 臺兩相步進電機或四相步進電機， 也可以 驅(qū)動兩臺直流電機 。 可以直接用單片機的 I/O 口提供信號；而且 電路簡單，使用比較方便。 L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號 VSS， VSS 可接 4． 5～ 7 V電壓。 4 腳 VS 接電源電壓， VS 電壓范圍 VIH 為＋ ～ 46 V。輸出電流可達(dá) A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 L298 可驅(qū)動 2 個電動機， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。 EnA， EnB 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。 EnA Ln1 Ln2 電機運動狀態(tài) 0 179。 179。 停止 1 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 剎停 1 0 0 停止 圖 L298N原理圖 In1， In2 的邏輯圖與圖 相同。由 圖 可知 EnA 為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當(dāng) EnA 為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停 。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 24 頁 開關(guān)量輸入、輸出通道設(shè)計 開關(guān)量輸入通道 開關(guān)量輸入通道也稱數(shù)字量輸入通道，它是將用雙值邏輯‘ 1’和‘ 0’表示的電壓或電流的開關(guān)量， 轉(zhuǎn)換為計算 機能夠識別的數(shù)字量 。典型的開關(guān)量輸入通道通常由以下幾個部分組成： （ 1） 信號變換器 將工業(yè)過程的非電量或電磁量轉(zhuǎn)換為電壓或電流的雙值邏輯值。比如有觸點的機械開關(guān)或無觸點的接近開關(guān)等 。 （ 2）整形變換電路 將混有毛刺之類干擾的雙值邏輯信號，或前后沿不合要求的輸入信號，整形為接近理想狀態(tài)的方波 。 （ 3） 電平變換電路 將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換成與 CPU 兼容的邏輯電平 。 有觸點開關(guān)量 有觸點開關(guān)也稱機械式開關(guān)，比如行程開關(guān)、控制按鈕、繼電器、接觸器等。有觸點開關(guān)分為常開、常閉兩種方式，其顯著 特點是無