【正文】 ，資源有限，選擇了方案一，另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。 輸入電源1 8 4 0 VAABB連接電機(jī)C P + 陽(yáng) 端C P 步 進(jìn)脈 沖 C W + 陽(yáng) 端C W 電 平脈 沖D C3 3 0 0 U F接 兩相 混合 式步 進(jìn)電 機(jī)控 制 系 統(tǒng) 或控 制 器W Z M驅(qū)動(dòng)器電 源 其 驅(qū) 動(dòng) 器 連 接整流橋＋－～２２０Ｖ 圖 電機(jī)接線及其驅(qū)動(dòng) 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 數(shù)碼顯示 數(shù)碼線線路選用 方案一：串行接法 設(shè)計(jì)中顯示 2 位數(shù)字，用 74LS164 作為顯示驅(qū)動(dòng)，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約 IO 資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易控制。單周期指令的執(zhí)行始于 S1P2，這時(shí)操作碼被鎖存到指令寄存器內(nèi)。第一次出現(xiàn)在 S1P2 和 S2P1 期間，第二次出現(xiàn)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 在 S4P2 和 S5P1 期間。單片機(jī)執(zhí)行任何一條指令時(shí)都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段。 3. 指令周期 指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期。 2. 機(jī)器周期 MCS51 采用定時(shí)控制方式，因此它有固定的機(jī)器周期。振蕩脈沖經(jīng)過(guò)二分頻后，就是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)的周期，其定義為狀態(tài) (用 S 表示 )。下面分別加以說(shuō)明。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 表 MCS— 51 單片機(jī)復(fù)位、中斷入口地址 操作 入口地址 復(fù)位 0000H 外部中斷 I N T 0————— 0003H 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 溢出 000BH 外部中斷 I N T 1———— — 0013H 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 溢出 001BH 串行口中斷 0023H 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 溢出或 T2EX 端負(fù)跳變 002BH MCS51 存儲(chǔ)器 時(shí)序是用定時(shí)單位來(lái)說(shuō)明的。 3. 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，程序存儲(chǔ)器的容量分別是： 0000H 單元是系統(tǒng)的起始地址， 0003H、 000BH、 0013H、 001BH 和 0023H 對(duì)應(yīng) 5 種中斷源的中斷服務(wù)入口地址。 需要說(shuō)明的是： 1. 計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序命令條條循序執(zhí)行的，程序存儲(chǔ)器就是用來(lái)存放這些已編好的程序和表格常數(shù)，它由只讀存儲(chǔ)器 ROM 或 EPROM 組成。 2732 管腳排列如圖下所示。 3) 對(duì)專用寄存器只能使用直接尋址方式，書寫時(shí)既可使用寄存器符號(hào)，也可使用寄存器。對(duì)此問(wèn)題作如下說(shuō)明： 1) 21 個(gè)可字節(jié)尋址的專用寄存器是不連續(xù)地分散在內(nèi)部 RAM 高128 單元之中，盡管還余有許多空閑地址，但用戶并不能使用。堆棧是一個(gè)特殊的存儲(chǔ)區(qū)，用來(lái)暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按先進(jìn)后出的原則存取數(shù)據(jù)的。編程時(shí)， DPTR 既可以按 16 位寄存器使用，也可以按兩個(gè) 8 位寄存器分開使用。 5)數(shù)據(jù)指針 (DPTR)。 單片機(jī)上電或復(fù)位后， RS1 RS0=00。用戶標(biāo)志位： RS1 和 RS0(，)—— 寄存器組選擇位。 CY 是 PSW 中最常用的標(biāo)志位，其功能是存放算術(shù)運(yùn)算的進(jìn)位標(biāo)志，進(jìn)行加或減運(yùn)算。程序狀態(tài)字是一個(gè) 8位寄存器，用于存放程序運(yùn)行中的各種狀態(tài)信息。除法操作后，余數(shù)存于 B 中。乘法運(yùn)算時(shí)， B 存乘數(shù)。 3) B 寄存器。累加器為 8 位寄存器，是最常用的專用寄存器，功能較多，地位重要。 PC 是一個(gè) 16 位的計(jì)數(shù)器，自動(dòng)加 1 功能，用來(lái)控制程序的執(zhí)行順序； PC 沒(méi)有地址，是不可尋址的，用戶無(wú)法對(duì)它進(jìn)行讀寫，但可以通過(guò)轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。因這些寄存器的功能已作專門規(guī)定，故稱之為專用寄存器(Special Function Register)，也可稱為特殊功能寄存器。 (3) 用戶 RAM 區(qū) 在內(nèi)部 RAM 低 128 單元中，通用寄存器占去 32 個(gè)單元，位尋址區(qū)占去 16 個(gè)單元，剩下 80 個(gè)單元，這就是供用戶使用的 RAM 區(qū)，其單元地址為 30H～ 7FH。 (2) 位尋址區(qū) 內(nèi)部 RAM 的 20H～ 2FH 單元，既可作為一般 RAM 單元使用，對(duì)單元中每一位進(jìn)行位操作，因此稱之為位尋址區(qū)。低 128 單元的配置圖如表 所示： 表 片內(nèi) RAM 的配置 30H ~7FH 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 20H ~2FH 位尋址區(qū) (00H~7FH) 18H ~1FH 工作寄存器 3 區(qū) (R7~R0) 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 10H ~17H 工作寄存器 2 區(qū) (R7~R0) 08H ~0FH 工作寄存器 1 區(qū) (R7~R0) 00H ~07H 工作寄存器 0 區(qū) (R7~R0) 低 128 單元是單片機(jī)的真正 RAM 存儲(chǔ)器，按其用途劃分為寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶 RAM 區(qū)三個(gè)區(qū)域。有內(nèi)部 EPROM 的單片機(jī)芯片 (例如 8751)，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳以第二功能的形式提供的，即： 編程脈沖： 30 腳 (ALE/PRO G—— ———— ) 編程電壓 (25V)： 31 腳 (EA——— /VPP) 表 P3 口各引腳與第二功能表 引腳 端口 第二功能 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 外部中斷 0 申請(qǐng) 外部中斷 1 申請(qǐng) T0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入 T1 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 的外部輸入 外部 RAM 寫選通 外部 RAM 讀選通 MCS51 存儲(chǔ)器 .1 MCS51 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 MCS51 單片機(jī)的芯片內(nèi)部有 RAM 和 ROM 兩類存儲(chǔ)器，即所謂的內(nèi)部 RAM 和內(nèi)部 ROM，首先分析內(nèi)部 RAM。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 (1) P3 口線的第二功能 P3 的 8 條口線都定義有第二功能，詳見表 。除了第一功能，則根據(jù)需要再定義它的第二功能。 2. 信號(hào)引腳的第二功腳 由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限制的。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。在讀外部 ROM 時(shí)，有效 (低電平 )，以實(shí)現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)， ALE 用于控制把 P0 口輸出的低 8 位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。 ～ ： P3 口 8 位雙向口線。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 ～ ： P1 口 8 位雙向口線。 1. 信號(hào)引腳介紹 MCS51 系列單片機(jī)中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置， 40 個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根， 4 組 8 位共 32 個(gè) I/O 口，中斷口線與 P3 口線復(fù)用。 從上述內(nèi)容可以看出， MCS51 雖然是一個(gè)單片機(jī)芯片，但作為計(jì)算機(jī)應(yīng)該具有的基本部件它都包括，因此，實(shí)際上它已是一個(gè)簡(jiǎn)單的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)了。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。 7. 中斷控制系統(tǒng) MCS51 單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿足控制應(yīng)用的需要。 6. 串行口 MCS51 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 5. 并行 I/O 口 MCS51 共有 4 個(gè) 8 位的 I/O 口 (P0、 P P P3)，以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的并行輸入 /輸出。 ROM 8051 內(nèi)部自帶程序存儲(chǔ)器，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格，不需外接程序存儲(chǔ)器。中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。即： 8051 單片機(jī)，其基本組成 (參見圖 )：中央處理器、程序存儲(chǔ)器 (ROM)、數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。可以說(shuō)，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品提高檔次和推陳出新的有效途徑。單片機(jī)在智 能儀表、實(shí)時(shí)控制、機(jī)電一體化、辦公機(jī)械、家用電器等方面都有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。單片機(jī)用于控制有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的最小化和單片化，簡(jiǎn)化一些專用接口電路，如編程計(jì)數(shù)器、鎖相環(huán) (PLL)、模擬開關(guān)、 A/D 和 D/A 變換器、電壓比較器等組成的專用控制處理功能的單板式微系統(tǒng)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè) 備和 CPU 集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng) 集成在一塊芯片上。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。 3. 步進(jìn)電機(jī)：提供轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸出來(lái)帶動(dòng)負(fù)載。所以，欲使步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的必要系統(tǒng)組成如下： 1. 脈沖產(chǎn)生器：產(chǎn)生角度（位置移動(dòng)量）、動(dòng)作速度及運(yùn)轉(zhuǎn)方 向等脈沖信號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令。圖 示出了參加加減速控制的速度曲線，此曲線，跟 T 軸間包含的面積正比于電機(jī)走過(guò) 的步數(shù) SΣ，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 顯然，電機(jī)走過(guò)的總步數(shù) SΣ由三部分構(gòu)成：加速階段電機(jī)走的步數(shù)向階梯段電機(jī)走過(guò)的步數(shù)和減速階段電機(jī)走的步數(shù)。移動(dòng)量的大小，是依照電機(jī)分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)決定的，脈沖數(shù)與位移量間的關(guān)系如下： 位置移動(dòng)量 =步 進(jìn)電機(jī)分分辨率輸入脈沖數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的位置控制是指要求電機(jī)從當(dāng)前位置轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)給定的步數(shù)，電機(jī)不丟失這一控制的實(shí)際，就是要求精確地發(fā)出定量的步進(jìn)脈沖，例如，機(jī)器人再現(xiàn)工作時(shí)的啟動(dòng)信號(hào)后，要走到示教時(shí)給出的初始作業(yè)位置，就是用到位置控制，不過(guò)不帶加 /減速控制，位置控制很容易實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于 CP 脈沖的設(shè)計(jì)主要要求具有一定的脈沖寬度（一般不小于 5us）、脈沖序列的均勻度及高低電平方式，在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了降速 換向 升速 三個(gè)過(guò)程。 步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳范圍之內(nèi)再換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)，換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè) CP 脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè) CP 脈沖前 發(fā)出。 3. 脫機(jī)電平信號(hào) PREE 當(dāng)驅(qū)動(dòng)器上電平后，步進(jìn)電機(jī)處于鎖定狀態(tài)（未施加 CP 脈沖時(shí)）或則運(yùn)行狀態(tài)（施加 CP 脈沖時(shí)），但當(dāng)用戶想手動(dòng)調(diào)整電機(jī)而不想關(guān)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 閉驅(qū)動(dòng)器電源，這時(shí)就可以用到此信號(hào)，當(dāng)此信號(hào)起到作用時(shí)（低電平有效）。 1. 步進(jìn)脈沖信號(hào) CP 步進(jìn)脈沖信號(hào) CP 用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置與速度，也就是說(shuō)；驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè) CP 脈沖就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的步距角， CP 脈沖的頻率改變則會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，控制 CP 脈沖的個(gè)數(shù)，則可以使步進(jìn)電機(jī)精確定位。 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 一般步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)器的輸入共用 3 路，它們是：步進(jìn)脈沖信號(hào) CP，方向電平 DIR，脫機(jī)信號(hào) 部分別通過(guò)限流電阻接入光耦的負(fù)輸入端，且電路形式完全相同。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率便可以建立一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過(guò)轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時(shí)初值的計(jì)算是在定時(shí)中斷外實(shí)現(xiàn)的，并不占用中斷時(shí)間，保證電機(jī)的高速運(yùn)行。在此過(guò)程中要處理好兩個(gè)問(wèn)題。如果使用定時(shí)中斷來(lái)控制電機(jī)的速度，加減速控制就是不斷改變定時(shí)器的初值。 2. 位置突跳頻率則按擬合至給定的啟動(dòng)頻率，每段頻率的遞增量（后稱階梯頻率） /8ff?? ，即采用 8 段擬合。即“階梯升速法”。甚至無(wú)法啟動(dòng)，較為理想的啟動(dòng)曲線，應(yīng)是按指數(shù)啟動(dòng)。線性加 /減控制曲線如圖 ； 其中Δ f可以用公式求出 2( 1) /f f f n? ? ? 其中 n 為加速過(guò)程的臺(tái)階數(shù)，減速控制也類似，只是Δ f為負(fù)值。前者規(guī)定從加速度開始，每一加速度周期指令電機(jī)速度遞增相同增量Δf；后者則是要求每一加速度周期電機(jī)走過(guò)相同的步數(shù)。電機(jī)由靜止 達(dá)到設(shè)定的最大速度所需要的時(shí)間是由調(diào)試決定的，加速度太大，電機(jī)甚至不能克服慣量性而失步，加速度太少，則完成指令的運(yùn)動(dòng)耗費(fèi)時(shí)間太多。為此我們可以得出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 時(shí)常數(shù)關(guān)系，見下表（表 示）： 表 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定器初值