【正文】 腳介紹： 引腳 1： CPU 脈沖輸入端，端口對應(yīng)一個信號輸出端。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管 。 ULN2021 的七個 NPN 達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如 TTL,CMOS或 PMOS/NMOS）和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。 通過以上分析便知，軟件消抖無論在操作上或者成本上都優(yōu)于硬件消抖，所以我們采用軟件消抖。 硬件消抖電路如圖 44所示。 1硬件消抖： 利用硬件電路消除抖動，是將按鍵產(chǎn)生的抖動變成理想的高低電平，使之不會造成單片機的誤讀。 按鍵在被按下和松手被釋放時產(chǎn)生抖動的示意圖如圖 43 所示。由于硬件消抖電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計只做簡單敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。 鍵盤的抖動與消抖 為了確保單片機對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動的影響。高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀態(tài)。 按鍵閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或者低電平。鍵盤所用的開關(guān)為機械彈性開關(guān)，結(jié)合了機械觸點的合、斷作用。 按鍵功能的簡單介紹 鍵盤在單片機的應(yīng)用中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等的功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段之一。 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 18 圖 42 壁掛式風(fēng)門 鍵盤控制電路 鍵盤控制模塊包括方向控制鍵、啟停鍵，分別與單片機的 和 相連。通過對單片機上的 按鍵和外圍擴展的 按鍵進(jìn)行循環(huán)掃描來判斷按鍵是否已被按下，若按鍵被按下，再經(jīng)過步進(jìn)電機驅(qū)動電路功率放大后，通過這兩個按鍵分別來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)速系統(tǒng)由軟件方式完成，即用中斷定時器控制轉(zhuǎn)速。因此，此結(jié)果可以應(yīng)用于遙控壁掛式空調(diào)的風(fēng)門的運動，具有很強的現(xiàn)實意義。設(shè)置 MSP430單片機內(nèi)部的定時器實現(xiàn)了對于步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速的控制。 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 16 圖 33 MSPEXP430G2553開發(fā)板 本次設(shè)計采用了 MSP430單片機的 USB供電模式，利用 MSP430單片機的 ， ， 4個 I/O口，按照一定的通電順序（ AABBBCCCDDDA）對電機驅(qū)動器 ULN2021的輸入端口進(jìn)行寫入，從而達(dá)到控制電機運轉(zhuǎn)的目的。 Launchpad 具有集成的 DIP目標(biāo)插座，可支持多達(dá) 20個引腳，從而使 MSP430器件能夠簡便的插入 Launchpad電路板中。 6 兩個 16 位 Timer_A 分別具有三個捕獲 /比較寄存器 7 多達(dá) 24 個支持觸摸感測的 I/O 引腳 8 通用串行通信接口： （ 1）支持自動波特率檢測的增強型異步收發(fā)器 （ 2）編碼器和解碼器 （ 3）同步 SPI 9 用于模擬信號比較功能或者斜 率模數(shù)轉(zhuǎn)換的片載比較器 10 帶內(nèi)部基準(zhǔn)，采樣，與保持以及掃描功能的 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 11 欠壓檢測器 12 串行板上編程： （ 1）無需外部編程電壓 （ 2）利用安全熔絲實現(xiàn)可編程代碼保護(hù) 13 具有兩線制接口的片上仿真邏輯電路 MSP430G2553 開發(fā)板硬件資源概述 名為 Launchpad 的 MSPEXP430G2 低成本實驗板是一款適用于 MSP430G2xxx系列產(chǎn)品的完整開發(fā)解決方案。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。可以只使用一個晶體振蕩器（ 32768Hz），也可以使用兩個晶體振蕩器。 其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。 :MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處： 首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 電壓。 算速度快： MSP430 系列單片機能在 25MHz 晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn) 40ns 的指令周期。 MSP430G2553 微控制器的特點和特性 微控制器的特點 ： MSP430 系列單片機是一個 16位的單片機，采用了精簡指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。 定時器的計數(shù)模式：（ 1）增計數(shù)模式（ 2）連續(xù)計數(shù)模式（ 3）增 /減技天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 14 術(shù)模式（ 4）停止模式 串行通信：串口是系統(tǒng)與外界聯(lián)系的重要手段，我們有時需要使用上位機進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制， MSP430G2553 中有兩個串口模塊：USCI_A0 和 USCI_B0。 中斷： (1)中斷源：外部中斷、定時器中斷、看門狗定時器 中斷、串口中斷、 A/D 轉(zhuǎn)換中斷、比較器中斷。（ 5） PXIES 中斷觸發(fā)沿選擇寄存器（ 0：上升沿中斷， 1：下降沿中斷）（ 6） PXIEL 功能選擇寄存器（ 0：選擇引腳為 I/O端口， 1：選擇引腳為外圍模塊功能）（ 7） PXREN 上拉 /下拉電阻使能寄存器（ 0：禁止， 1：使能）。（ 3） PXOUT輸出寄存器，寄存器內(nèi)的內(nèi)容不會受引腳方向改變的影響（ 4） PXIFG 中斷標(biāo)志寄存器（ 0：沒有中斷請求， 1：有中斷請求），該寄存器有 8 個標(biāo)志位，對應(yīng)相應(yīng)的引腳是否有待處 理的中斷請求，這 8 個中斷標(biāo)志共用一個中斷向量，中斷標(biāo)志不會自動復(fù)位，必須軟件復(fù)位。 MSP430G2553 的引腳圖 32 如下： 圖 32 Msp430G2553單片機引腳圖 MSP430G2553 開發(fā)板各接口引腳介紹 表 31 MSP430G2553引腳介紹 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 13 Msp430G2553 型單片機的各個功能模塊 時鐘系統(tǒng)：超低功耗 /低頻振蕩器；外接晶體振蕩器；數(shù)字控制振蕩器。C 和 SPI 的 USI 以及 UART 的 USCI。（ 4）欠壓復(fù)位：可在上電和斷電期間提供正確的復(fù)位信號；功耗包含于 MCU最低功耗時所消天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 12 耗的電流之中。（ 2） 16 位 Timer_A2：兩個捕獲 /比較寄存器；豐富的中斷功能。 由于 MSP430G2553 型單片機足以滿足對步進(jìn)電機的控制要求，因此下面我們詳細(xì)對 MSP430G2553 單片機 進(jìn)行詳細(xì)的介紹，典型單片機結(jié)構(gòu)圖如圖 31。 單片機原理概述 單片機（ singlechip microputer）是把微型計算機的主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。由于競爭激烈，其中串行接口多、低功耗、本身具有液晶顯示驅(qū)動器與看門狗定時器的多功能芯片將成為主流器件。 本人在這次設(shè)計中采用了基于 ULN2021 芯片的步進(jìn)電機驅(qū)動器，將在 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 10 節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的表述。步進(jìn)電機驅(qū)動電路向步進(jìn)電機的控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。步進(jìn)電機 驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的步進(jìn)脈沖信號，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機的通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止的信號。步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速的高低，升速或者降速，啟動或者停止都完全取決于脈沖頻率的高低和脈沖的有無。 典型的步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)由步進(jìn)電機控制器，步進(jìn)電機驅(qū)動器，和步進(jìn)電機本體三部分組成。 步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹 步 進(jìn)電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備，即步進(jìn)電機驅(qū)動器。 改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。 三相步進(jìn) 電機的步進(jìn)角度為 ，一圈 360 度，需要 48 個脈沖完成。 步進(jìn)電機的 主要特性 步進(jìn)電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號， 沒有脈沖的時候，步進(jìn)電機靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。 步進(jìn)電動機 以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。 步進(jìn)電機低速時可以正常運轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并伴有嘯天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 9 叫聲。 當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，電機各 相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。 步進(jìn)電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁， 從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 步進(jìn)電機的特點和特性 步進(jìn)電機的 主要特點 一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。 電機的共振點：步進(jìn)電機 均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在 180250pps 之間（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角為 度）， 電機驅(qū)動 電壓越高，電機電流越大，負(fù)載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的 曲線 稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。 最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。稱之為失步。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 動態(tài)指標(biāo)術(shù)語 步距角精度：步進(jìn)電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。此力矩是衡量電機體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動 電源 等無關(guān)。 定位 轉(zhuǎn)矩 ：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。 θ=360度 /（轉(zhuǎn)子齒數(shù) *運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50的 電機為例。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或 導(dǎo)電狀態(tài)用 n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行 方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍運行方式即AABBBCCCDDDAA。 圖 24永磁步進(jìn)電機的外形圖 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 7 表 22 28BYJ48步進(jìn)電機的基本參數(shù) 靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、 S磁場的激磁線圈對數(shù)。 圖 23步進(jìn)電機工作原理圖 從圖 23 中可以看出來 ,要實現(xiàn)步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動 ,可以用八拍方式 : 八個狀態(tài)分別為： 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢 業(yè)論文 6 在 A正電壓，其余接地； 在 A與 B正電壓， 其余接地； 在 B正電壓，其余接地； 在 B與 C正電壓，其余接地； 在 C正電壓，其余接地； 在 C與 D正電壓，其余接地； 在 D正電壓，其余接地； 在 D與 A正電壓，其余接地； 按以上八個狀態(tài)輪流供電，電機就可以轉(zhuǎn)動了。 圖 22 步進(jìn)電機工作時序波形圖 根據(jù)以上論述我們可知，采用八拍的工作方式更為合理，因此，本次設(shè)計采用八拍的工作方式，下面進(jìn)行具體描述。單四拍與雙四拍的步距角相等， 但是單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。依次類推， A、 B、 C、 D四相繞組輪流供電，那么轉(zhuǎn)子就會按照 A、 B、 C、 D的順序旋轉(zhuǎn)。 圖 21 四相步進(jìn)電機工作原理圖 開始時，開關(guān) SB接通電源， SA、 SC、 SD斷開， B相磁極和轉(zhuǎn)子和 0、 3號齒對齊，同時轉(zhuǎn)子 4號齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、 A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。步進(jìn)電機的角位移量與脈沖 個 數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖 個 數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個 電 脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。同一步進(jìn)電機可配不同細(xì)分的驅(qū)動器以改變精度和效果。/ 微步）。/ 步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為 176。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機，約占 97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。 ）。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角（一般為176。 、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。 反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。因為步進(jìn)電動機能直接接收數(shù)字量的輸 入，因此特別適合于微機控制。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生改變，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角（稱為步距角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的 ；同時可以通過控制 脈沖頻率 來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機概述