【正文】 果U5A輸出低電平大于C1充電時間，U7在C1充電后輸出低電平由與門U8輸入到L298N的6腳ENA端使電機停止。如果U5A的輸出電平小于C1充電時間，6腳不動作電機的正常啟動。長延時電路吸收電機啟動過流電壓波形，從而使電機正常啟動。15腳是輸出電流反饋引腳，其它與L293相同。在通常使用中這兩個引腳也可以直接接地。圖223 L298N封裝引腳圖光電旋轉編碼器是一種集機、光、電一體的數(shù)字式傳感器，其典型應用就是位移測量、角速度測量，由于其高精度、高分辨率和高可靠性，體積小、使用方便，被廣泛應用于工業(yè)測量、自動控制等領域。常見的類型有：增量式和絕對式，增量式旋轉編碼器每轉一周產生一系列脈沖，脈沖的多少表示角位移的大小，增量式編碼器掉電后必須重新調零再使用；絕對式旋轉編碼器為每個位置提供一個具體數(shù)值，掉電情況下數(shù)據(jù)不會丟失。在角度位移測量和角速度測量場合，增量式光電旋轉編碼器較絕對式光電編碼器在成本和簡易程度上有很大優(yōu)勢。光電旋轉編碼器常見的輸出類型有：單相輸出、正交AB 相增量脈沖輸出、格雷碼輸出等。增量式光電旋轉編碼器原理,增量式光電編碼器的主要元件包括：光源、光柵盤、光電探測器和轉換電路等。基本原理如圖224。光源（通常是LED發(fā)出的光經(jīng)過光柵盤，光柵盤沿圓周方向分割成)等份，并用透明和不透明透光和不透光條紋印刷到上面，光柵盤沿圓周方向分割成M等份，并用透明和不透明透光和不透光條紋印刷到上面光柵盤被安裝在旋轉軸上隨同一起轉動，位于光柵盤后面的光電探測器根據(jù)能否接受到光源發(fā)出的光線，而產生相應的高低電平，再經(jīng)過后面的轉換電路處理，轉換成標準的矩形波（1和0）。通過統(tǒng)計1 和0 之間的轉換次數(shù)即可知道旋轉過的角度。圖224光電編碼盤基本原理圖光柵盤是編碼器中最重要的元件，針對不同的測量目的光柵盤有兩種類型：不可辨向的和可辨向的。不可辨向的光柵盤只有一條環(huán)帶，無論是順時針方向旋轉，還是逆時針方向旋轉時，編碼器的輸出脈沖都同樣是在1 和0之間交替變換，而無法判斷旋轉方向，這類編碼器只能測量轉角，不能判斷旋轉方向，并且只能用于相對增量的測量。 可辨向光柵盤結構和辨向原理，有A 相、B 相和Z相三條環(huán)帶。A相和B相在碼盤上互相錯半個區(qū)域，在相位上相差1/4周期，在波形上相差90176。，即相互垂直。利用 相的上升沿觸發(fā)檢測A相的狀態(tài)，由此判斷旋轉方向。當碼盤以某個方向勻速旋轉時（如CW），A 相超前B 相首先導通；當碼盤反方向（如CCW）勻速旋轉時，A 相滯后于B 相。采用簡單的邏輯電路判斷編碼器輸出的A相和B相輸出脈沖時序便可確定碼盤的旋轉方向。并且對A相或者B相的輸出脈沖進行計數(shù)統(tǒng)計，得出旋轉的角位移或者角速度。如果碼盤做變速運動，可把它看做多個運動周期的組合，其辨向方法和速度計算方法相同。A相脈沖用來設置碼盤旋轉每周的清零，作為軸的初始位置計算當前的角度（360176。范圍內）。顯然，角度的分辨率由環(huán)帶柵隙條紋的個數(shù)決定。對于任意一個光柵盤，由于柵隙的均勻分布，其脈沖周期對應一定的光柵盤角度位移θ，則其量化誤差為θ/2，如圖。通過觀察編碼器的輸出脈沖，發(fā)現(xiàn)在編碼器的輸出脈沖周期T內，A、B 兩相信號共發(fā)生了四次變化，即tt2時刻的上升沿和tt4 時刻的下降沿。由于A、B 兩相的相位差一定，因此四次變化在相位上平均分布，不受周期T的影響。計數(shù)周期變成脈沖周期T的1/4即T/4，則相應的量化誤差減小為θ/8。最終，使編碼器的角位移測量精度提高4倍。光電脈沖編碼器又稱光電脈沖發(fā)生器,現(xiàn)在廣泛地被作為數(shù)控機床等設備的位置信息反饋元件。這里要特別強調兩點:①編碼器輸出的A、B 兩相矩形脈沖波是同一個光電盤上圓周等分明暗條紋的空間位置通過兩個處在不同位置的光敏三極管檢測后在時間軸上的映射。②A、B 兩相矩形脈沖波是正交的,且共同攜帶光電盤角度位置信息和轉動方向信息。假設光電盤上的圓周等分條紋數(shù)為N ,則被測對象旋轉一周(即360176。) ,光電脈沖編碼器的A、B 兩相分別發(fā)出N 個脈沖。那么,A、B 兩相的脈沖當量P 可以寫為:P = 360176。/ N （23）通過一時鐘脈沖觸發(fā)計數(shù)器記下P 的數(shù)量,假定P 的數(shù)量為n ,則被測對象旋轉的角度θ可寫為:θ = n P (24)再假設在時間Δ T 內P 的增量為n , 則被測對象旋轉的角速度ω可以寫為:ω = Δn P/Δ T (25)通過上面的分析,可知光電脈沖編碼器工作在數(shù)字形式,可直接用于測量角位移和角速度,間接用于測量直線位移和直線速度。因此,要將編碼器作為位置反饋元件,其關鍵是要有記錄(23) 式和計算(24) 、(25) 式的解碼計數(shù)電路。對解碼計數(shù)電路的要求是:① 能夠根據(jù)A、B 相脈沖的相位自動判別光電脈沖編碼器的旋轉方向。②要有倍頻功能,以便充分利用A、B 兩相脈沖③ 計數(shù)器應是可逆的,且計數(shù)器的計數(shù)長度要有一定容量。④能實時以數(shù)字形式或模擬形式輸出位移或速度值,以適應不同的需要。在以光電編碼器構成的測速系統(tǒng)中，常見的測速方法主要有三種：M法、T法和M/T法,。相應原理圖如圖225。其中，時鐘頻率為f，光電編碼器每轉脈沖個數(shù)為p。圖225光電編碼盤測速方法①M法。M法是通過測量一段固定的時間間隔內的編碼器脈沖個數(shù)來確定轉速，比較適合于高速場合。如圖225（a），T是固定的時間間隔，M1是T時間內的脈沖個數(shù)，則轉速為：（26）②T法。T 法是通過測量兩個相鄰編碼器脈沖之間的時間間隔來確定轉速，該方法適合速度較低的場合。如圖225(b)，M2是兩個相鄰編碼器脈沖間隔時間內的時鐘脈沖個數(shù)，則轉速為：（27）③M/T法。M/T法是前兩種方法的結合，通過測量一定個數(shù)的編碼器脈沖和產生這些脈沖所需的時間（即時鐘脈沖個數(shù)）來確定轉速，該方法在整個速度范圍內都有較好的準確性，但在低速系統(tǒng)中，該方法需要較長的時間保證結果的準確性，無法滿足轉速檢測系統(tǒng)的快速動態(tài)響應指標。由圖225 (c)可得到轉速：（27）①瞬時角速度測量。為了保證測量低速旋轉時的精度要求，采用改進的“M/T法”測速方法。該方法中，編碼器脈沖個數(shù)M1隨轉速而變化，高速時可以增加M1值使采樣周期基本不變，而低速時可使M1減小到1，從而滿足測速系統(tǒng)的動態(tài)響應。瞬時角速度測量過程利用8031 單片機的T0、T1 計數(shù)器分別對時鐘脈沖和編碼器脈沖進行計數(shù)。8031的16位計數(shù)器T0 對20MHz晶體振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數(shù)，T1計數(shù)器記錄編碼器產生的角度脈沖。將計數(shù)結果送入鎖存器后送入計算機，由軟件處理計算瞬時角速度。隨著旋轉速度的降低，通過軟件和硬件電路減小M1值。同時8031的16位計數(shù)器不清零，連續(xù)計數(shù)，以消除計數(shù)器清零所占時間，提高測量精度。由于測速周期較短，可認為瞬時角速度約等于測速周期內的平均速度，則由（3）式可知瞬時角速度為：；（28）注：—轉編碼器每個脈沖周期轉過的角度。②角減速度計算?？紤]到該測速系統(tǒng)所應用的場合，由于被測對象速度不可能突變，又瞬時角速度測量時測量周期較短，所測得的相鄰角速度值變化很小，可近似認為是一條直線。因此，根據(jù)場合的不同確定需要測量的速度點個數(shù)n，用線性最小二乘擬合法擬合出一條直線，其中式中的斜率作為角減速度。圖226單片機控制步進電機的大體方案圖227數(shù)碼顯示電路設計顯示電路部分采用七段顯示譯碼管，總共用五個其中前三個顯示實時步進電機的轉速，后兩個顯示步進電機的步距角。數(shù)碼管驅動采用CD4511集成芯片，每個七段顯示數(shù)碼管的a～g都共接到CD4511的a～g輸出口，每個數(shù)碼管的端再接到單片機的P口作為選擇，這樣接線方便且驅動簡單。圖228步進電機驅動電路設計步進電機采用12V電壓供電，步進電機的驅動部分如圖228主要有三部分組成：⑴光電耦合器部分：其起到高低壓之間的隔離控制，既實現(xiàn)了低壓單片機對高壓步進電機的控制，又保護了單片機免受高壓的沖擊。重要的作用是它還起到了抗干擾作用，這樣對本來很容易受干擾的L298N就可以更準確的進行信號控制了。⑵L298N器件：芯片內部電壓采用+5V芯片驅動電機外接+12V，它輸出口只有四個最多可以驅動兩個直流電機或一個四相直流電機。為了防止電源部分的干擾，所以電源部分分別都用電容濾波接地。⑶8個續(xù)流二極管：這八個續(xù)流二極管可以在步進電機停止時，使形成的反電動勢和電流通過閉合的回路消耗掉從而起到消除干擾和保護的作用。圖229步進電機的檢測電路設計光電編碼盤可以精確的測量步進電機的角度變化，從而可以準確的測量步進電機的步距角，而光柵編碼器測量位移變化十分準確，而測量角度變化不如光電編碼盤精確。圖230單片機工作時鐘脈沖電路設計單片機的工作脈沖電路采用的12MHZ的晶振，來給單片機提供工作脈沖。圖231單片機系統(tǒng)的復位電路設計圖232步進電機驅動光電耦合器電路設計采用光電耦合器對單片機可以起到保護作用，同時也可以使控制信號傳輸更準確，起到抗干擾作用。圖233鍵盤控制電路設計圖234電源電壓電路設計電源電路部分采用LM7805CK和MC78L12CP兩個三腳穩(wěn)壓器件，輸出穩(wěn)定電壓+5V和+12V。3抗干擾措施步進電機驅動部分用到的驅動芯片L298N，可以驅動四相步進電機，但是其很容易受到干擾。為了避免一些信號不穩(wěn)定的干擾，采用光電耦合器來實現(xiàn)單片機與步進電機之間的通信，采用光電開關控制器件來控制信號的傳輸，大大提高了信號的傳輸質量和抗干擾能力。而且單片機是低電壓控制器件電壓為+5V，而步進電機電壓為十幾伏到幾十伏這對于單片機來說已經(jīng)是相當大的電壓了，所以采用光電耦合器的話，也可以起到低壓對高壓控制的電壓隔離作用。步進電機驅動部分的續(xù)流二極管，可以把步進電機反電動勢產生的電壓、電流消耗掉，從而減少對單片機控制步進電機的信號的干擾。直流電源接線部分，單獨引出一根線接電容然后接地。這樣電容起到濾除掉干擾交流電波的作用，避免了一些因電源干擾問題引起的系統(tǒng)故障。⑴開機自檢　開機后首先對單片機系統(tǒng)的硬件及軟件狀態(tài)進行檢測,一旦發(fā)現(xiàn)不正常,就進行相應的處理。開機自檢程序通常包括對RAM、ROM、I/O口狀態(tài)等的檢測, 只有各項檢查均正常,程序方能繼續(xù)執(zhí)行,否則應提示出錯。⑵軟件陷阱　在程序存儲器中總會有一些區(qū)域未使用,如果因干擾導致單片機的指令計數(shù)器PC值被錯置,程序跳到這些未用的程序存儲空間,系統(tǒng)就會出錯。軟件陷阱是在程序存儲器的未使用的區(qū)域中,加上若干條空操作和無條件跳轉指令,無條件跳轉指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。如果程序跳到這些未用區(qū)域,就會執(zhí)行無條件跳轉指令,轉到相應的程序出錯“跑飛”處理程序。除程序未用區(qū)域外,還可以在程序段之間(如子程序之間及一段處理程序完成后)及一頁的末尾處插入軟件陷阱,效果會更好。程序“跑飛”處理　要進行程序“跑飛”處理,就要分清程序“跑飛”所造成的影響,以及程序“跑飛”前運行的進程,這就需要的設置相應的標志。程序“跑飛”處理　程序“跑飛”處理就是在程序由軟件陷阱檢測到“跑飛”后,轉入“跑飛”處理程序?！芭茱w”處理程序判斷“跑飛”影響的程度,根據(jù)影響程度的不同,決定是報警復位還是自動恢復現(xiàn)場。如自動恢復現(xiàn)場,則需根據(jù)程序運行狀態(tài)標記進行。具體如何進行程序“跑飛”處理,要根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求進行。⑶輸出端口刷新　由于單片機的I/O口很容易受到外部信號的干擾,輸出口的狀態(tài)也可能因此而改變。在程序中周期性地添加輸出端刷新指令,可以降低干擾對輸出口狀態(tài)的影響。在程序中指定RAM單元存儲輸出口當時應處的狀態(tài),在程序運行過程中根據(jù)這些RAM單元的內容去刷新I/O口。 ⑷輸入多次采樣　干擾對單片機的輸入,會造成輸入信號瞬間采樣的誤差或誤讀。要排除干擾的影響,通常采取重復采樣、加權平均的方法。⑸軟件“看門狗”　軟件陷阱是在程序運行到ROM的非法區(qū)域時檢測程序出錯的方法。而“看門狗”是根據(jù)程序在運行指定時間間隔內未進行相應的操作,即未按時復位看門狗定時器,來判斷程序運行出錯的。45河北工程大學畢業(yè)設計說明書結論本論文論述了基于單片機的步進電機運動控制系統(tǒng)設計,主要完成了對步進電機的正轉、反轉、加速、減速、步進電機的轉速和步距角的顯示和光電編碼器對步進電機的檢測。設計過程中，我們主要經(jīng)歷了如下幾個階段：首先我們要先要做好方案的比較和制定：根據(jù)畢業(yè)設計任務說明書的設計的要求、技術條件、技術參數(shù)、調節(jié)要求、功能要求，以實現(xiàn)設計任務基本要求為重點，在實現(xiàn)主要性能指標的基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能和價格比，做到準確實現(xiàn)功能的前提下而且節(jié)省材料成本開支的原則。并有一定的擴展功能選定單片機及外圍部件，選擇單片機時主機采用AT89C51，系統(tǒng)時鐘采用12MHz，內部含有4KB的閃爍存儲器。無須外擴程序存儲器。由于AT89C51單片機具有EPROM程序存儲器和128字節(jié)的RAM單元具有存儲空間配置和功能；特殊功能寄存器的用途和功能；系統(tǒng)運行中單片機需要外接七段顯示譯碼管的驅動芯片CD4511，步進電機的驅動芯片L298N和光電編碼器檢測元件。AT89C51單片機能滿足要求。其次是要確定硬件設計的思路，畫出電路設計圖：硬件設計是整個系統(tǒng)設計的重點部分，因為軟件設計要以硬件設計為基礎來編程開發(fā)軟件系統(tǒng)。要完成各模擬電路的設計思路，畫出原理圖并將其轉化成PCB圖。完成了七段顯示譯碼管的數(shù)據(jù)顯示部分電路設計，單片機的控制電路設計部分，步進電機的驅動電路設計部分和步進電機的光電編碼盤檢測部分。根據(jù)實際需要和對器件特性的了解，分別對各部分進行了相應的器件選擇，以保證系統(tǒng)運行時達到最佳的效果，并最大限度的節(jié)省成本開支。在設計的過程中，我們將書本上的知識轉化為實踐中的能力。在進行設計的過程中遇到困難是不可避免的，而解決困難的過程就是一種學習的過程，一種培養(yǎng)能力的過程。通過這次的設計，使我認識到了實踐的重要性，光有理論知識是不行的，我們應該做到理論和實踐相結合，只有這樣我們才會學到更多知識，