【正文】 通過這次的設(shè)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(yīng)該做到理論和實踐相結(jié)合，只有這樣我們才會學到更多知識，更有。在設(shè)計的過程中，我們將書本上的知識轉(zhuǎn)化為實踐中的能力。完成了七段顯示譯碼管的數(shù)據(jù)顯示部分電路設(shè)計，單片機的控制電路設(shè)計部分，步進電機的驅(qū)動電路設(shè)計部分和步進電機的光電編碼盤檢測部分。其次是要確定硬件設(shè)計的思路，畫出電路設(shè)計圖：硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點部分，因為軟件設(shè)計要以硬件設(shè)計為基礎(chǔ)來編程開發(fā)軟件系統(tǒng)。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(qū)動芯片CD4511，步進電機的驅(qū)動芯片L298N和光電編碼器檢測元件。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(nèi)部含有4KB的閃爍存儲器。45河北工程大學畢業(yè)設(shè)計說明書結(jié)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(shè)計,主要完成了對步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、步進電機的轉(zhuǎn)速和步距角的顯示和光電編碼器對步進電機的檢測。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。 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。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。具體如何進行程序“跑飛”處理,要根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求進行。“跑飛”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。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(shè)置相應(yīng)的標志。如果程序跳到這些未用區(qū)域,就會執(zhí)行無條件跳轉(zhuǎn)指令,轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯“跑飛”處理程序。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。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(yīng)的處理。直流電源接線部分，單獨引出一根線接電容然后接地。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。3抗干擾措施步進電機驅(qū)動部分用到的驅(qū)動芯片L298N，可以驅(qū)動四相步進電機，但是其很容易受到干擾。圖231單片機系統(tǒng)的復位電路設(shè)計圖232步進電機驅(qū)動光電耦合器電路設(shè)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229步進電機的檢測電路設(shè)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。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。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。數(shù)碼管驅(qū)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(qū)動簡單。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。②角減速度計算。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。將計數(shù)結(jié)果送入鎖存器后送入計算機，由軟件處理計算瞬時角速度。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)。為了保證測量低速旋轉(zhuǎn)時的精度要求，采用改進的“M/T法”測速方法。M/T法是前兩種方法的結(jié)合，通過測量一定個數(shù)的編碼器脈沖和產(chǎn)生這些脈沖所需的時間（即時鐘脈沖個數(shù)）來確定轉(zhuǎn)速，該方法在整個速度范圍內(nèi)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(jié)果的準確性，無法滿足轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)指標。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(zhuǎn)速，該方法適合速度較低的場合。M法是通過測量一段固定的時間間隔內(nèi)的編碼器脈沖個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，比較適合于高速場合。其中，時鐘頻率為f，光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖個數(shù)為p。在以光電編碼器構(gòu)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,。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(yīng)是可逆的,且計數(shù)器的計數(shù)長度要有一定容量。因此,要將編碼器作為位置反饋元件,其關(guān)鍵是要有記錄(23) 式和計算(24) 、(25) 式的解碼計數(shù)電路。P (24)再假設(shè)在時間Δ T 內(nèi)P 的增量為n , 則被測對象旋轉(zhuǎn)的角速度ω可以寫為:ω = Δn 那么,A、B 兩相的脈沖當量P 可以寫為:P = 360176。假設(shè)光電盤上的圓周等分條紋數(shù)為N ,則被測對象旋轉(zhuǎn)一周(即360176。這里要特別強調(diào)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。最終，使編碼器的角位移測量精度提高4倍。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。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(yīng)一定的光柵盤角度位移θ，則其量化誤差為θ/2，如圖。范圍內(nèi)）。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。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(zhuǎn)方向。利用 相的上升沿觸發(fā)檢測A相的狀態(tài)，由此判斷旋轉(zhuǎn)方向。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。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(zhuǎn)，還是逆時針方向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)方向，這類編碼器只能測量轉(zhuǎn)角，不能判斷旋轉(zhuǎn)方向，并且只能用于相對增量的測量。通過統(tǒng)計1 和0 之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)即可知道旋轉(zhuǎn)過的角度?；驹砣鐖D224。光電旋轉(zhuǎn)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。常見的類型有：增量式和絕對式，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)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(diào)零再使用；絕對式旋轉(zhuǎn)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。在通常使用中這兩個引腳也可以直接接地。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。U5A輸出電平與555的3腳輸出電平經(jīng)U7相或，如果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。當C1上充電電壓，即6腳電壓超過2/3VCC，555電路復位，輸出低電平。長延時電路可把這兩種狀態(tài)區(qū)分出來。電機轉(zhuǎn)數(shù)N為0，電機的電流急劇增加，時間過長將會使電機燒壞。由上面可知，框圖1控制電機正反轉(zhuǎn)，框圖2控制爐體壓強的紋波大小。U5A是一個比較器，Rs1是采樣電阻，VRBF2是電機過流電壓。根據(jù)工藝要求，我們可自行規(guī)定VA，VB的值，只要爐體壓強在VA，VB所確定范圍之間電機停轉(zhuǎn)（注意VB＜VRBF1＜VA，如果不在這個范圍內(nèi)，系統(tǒng)不穩(wěn)定）。②虛線框圖2中，U3A，U4A兩個比較器組成雙限比較器，當VB＜VI＜VA時輸出低電平，當VI＞VA，VI＜VB時輸出高電平。當VI＞VRBF1時，U1A輸出高電平，U2A輸出高電平經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖?，電機正轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。In3，In4的邏輯圖與表23相同。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。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。 A，可驅(qū)動電感性負載。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，～7 V電壓。可以方便的驅(qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。④光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時間只有10μs左右，適于對回應(yīng)速度要求很高的場合。③光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。②簡易測試電路，當接通電源后，LED不發(fā)光，按下SB，LED會發(fā)光，調(diào)節(jié)RP、LED的發(fā)光強度會發(fā)生變化，說明被測光電耦合器是好的。調(diào)節(jié)RP，4間腳電阻發(fā)生變化，說明該器件是好的。 光電耦合器的測試①用萬用表判斷好壞，斷開輸入端電源，用R1k檔測2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，4腳間電阻應(yīng)為無限大。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。②輸出特性 光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當IF=0時，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。圖220常用的光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 光電耦合器原理及應(yīng)用工作原理：在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電—光—電的轉(zhuǎn)換。 若基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測調(diào)制要求。當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。圖218 8421BCD 碼對應(yīng)的顯示選用共陰極數(shù)碼管，對于 CD4511 ，它與數(shù)碼管的基本連接方式如下圖 ：圖219 CD4511驅(qū)動數(shù)碼管的連接圖光電耦合器件簡介光電偶合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換器件。 消隱 ：BI為消隱功能端，該端施加某一電平后，迫使B端輸出為低電平，字形消隱。 當LE為“0”電平導通，TG2截止；當LE為“1”電平時，TG1截止，TG2導通，此時有鎖存作用。左邊的引腳表示輸入，右邊表示輸出，還有兩個引腳16分別表示的是VDD、VSS。其引腳圖如217所示。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。圖216 CD4511實現(xiàn)LED與單片機的并行接口方法圖217 CD4511 引 腳 圖其功能介紹如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。a～g是 7 段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當輸入數(shù)據(jù)越過十進制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。CD4511 是一片 CMOS BCD—鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器，引腳排列如圖217所示。 圖215 半導體數(shù)碼管兩種接法 CD4511功能及簡介CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，特點：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。例如，當a、b、c、d、e、f、g字段亮時，顯示出8；a、f、g、c、d段亮時，顯示出5．如圖215所示，半導體數(shù)碼管中七個發(fā)光二極管有共陰極和共陽極兩種接法。
圖214發(fā)光二極管與半導體數(shù)碼管字型結(jié)構(gòu)多個PN結(jié)可以分段封裝成半導體數(shù)碼管，每段為一發(fā)光二極管，其字形結(jié)構(gòu)如圖214（b）所示。當外加正向電壓時，就能發(fā)出清晰的光線。常用的顯示器件有半導體數(shù)碼管、液晶數(shù)碼管和熒光數(shù)碼管等。③封裝形式：TO220表21MC78L12CP各項參數(shù)參數(shù)名稱符號額定值單位最大輸入電壓ⅤⅠ35V最大輸出電流Ⅰ0A最大耗散功率PD20W最高結(jié)溫Tjm150℃貯存溫度Tstg55~150℃在數(shù)字邏輯系統(tǒng)中，常常要把測量數(shù)據(jù)和運算結(jié)果用十進制數(shù)顯示出來，這就要用顯示譯碼器，將BCD代碼譯成能夠用顯示器件顯示出的十進制數(shù)。5%7812——三端固定穩(wěn)壓器：①主要用途：適用于各種電源穩(wěn)壓電路。輸出電壓誤差精度分為177。有多種電壓輸出值5V～24V。三端固定輸出電壓式穩(wěn)壓電源系列 ，運用其器件內(nèi)部電路來實現(xiàn)過壓保護、過流保護、過熱保護 。⑥電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。④由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 ②步進電機應(yīng)用于低速場合每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（)，最好在10