【正文】 行系統(tǒng)仿真。編寫應用程序。根據系統(tǒng)的要求確定控制系統(tǒng)的總體設計方案。查閱相關資料。通過這次設計，加深對單片機控制系統(tǒng)的了解。完整的程序如附錄A所示。 本章小結本章首先介紹了軟件設計原則，其次介紹了主程序、T0中斷程序、調速程序、顯示程序等程序的設計。=20個脈沖，設轉速為N，則每分鐘需要的脈沖個數(shù)為20N個脈沖，每個脈沖的周期為 (單步時間)【18】： T=1/20N（min）=60/20N（s）=601000000/20N（us）=3000000/N（us）定時器T0的定時時間為：T1=T/2T0的計數(shù)初值：Tx=65536foscT1/12 =6553612T1/12 =65536T/2 =655361500000/N由上式可以算出每個轉速對應T0的計數(shù)初值，例如轉速為25 r/min時對應的T0的計數(shù)初值為Tx=655361500000/25=5536；轉速為99 r/min時對應的T0計數(shù)初值為Tx=655361500000/99=50384；其它轉速對應T0的計數(shù)初值如附錄B所示。轉一圈需要360176。本系統(tǒng)將步進電機的最高速度設定為99 r/min，最低轉速設定為25 r/min(啟動速度)。1/150 80 mA400 pps500 pps 步進電機轉速與頻率的關系步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構，它的用途是將電脈沖轉化為角位移，通俗地說：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（步進角）。 按鍵的功能與相應鍵碼的定義鍵號功能鍵碼000EEH110DEH220BEH337EH440EDH550DDH660BDH777DH880EBH990DBH10啟動0BBH11停止7BH12正轉0E7H13反轉0D7H14復位0B7H15未定義77H按鍵功能說明：本程序的數(shù)字按鍵用于設定步進電機的運行步數(shù)；啟動停止按鍵用于控制步進電機的啟動與停止；正反轉按鍵用于控制步進電機的正反轉；復位按鍵用于當輸入參數(shù)有誤時，可通過復位按鍵重新輸入參數(shù)。本程序采用行、列對應的二進制碼來確定按鍵功能，例如讓P1輸出0FEH，如果第一按鍵按下時，第二個按鍵為0DEH，第三個按鍵為0BEH，第四個按鍵為7EH。此模塊的功能是判斷是否有鍵按下，沒有按鍵按下則去執(zhí)行其他程序，有鍵按下則延時去抖動，返回鍵值，送鍵值給按鍵處理函數(shù)，再根據鍵值執(zhí)行相應的功能，系統(tǒng)有15個按鍵，分別數(shù)字鍵、啟動鍵、停止鍵、正轉鍵、反轉鍵、復位鍵。顯示程序只需要將數(shù)組中的內容一個個送入SBUF 寄存器中，就可以實現(xiàn)步數(shù)的顯示。這樣在執(zhí)行寫SBUF寄存器操作后，通過查詢TI標志來確定發(fā)送過程是否完成，當發(fā)送完成后需要將TI清零，以便輸出新的串行數(shù)據【17】。在發(fā)送中斷標志TI為0（即無效）的情況下，執(zhí)行寫串行數(shù)據輸出緩沖器SBUF指令即可將SBUF寄存器中的內容由低位到高位依次輸出到RXD引腳，同時TXD引腳輸出移位脈沖，使外接的“串入并出”芯片逐一接受來自RXD引腳上的串行數(shù)據。另外，74LS164自帶鎖存，起到節(jié)約I/O口資源的作用。 （2）并行接法：使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用I/O口單獨輸入數(shù)據，占用資源較多。通過Proteus軟件的仿真，所編寫的程序達到了預期的效果，仿真實現(xiàn)了程序的調試過程。 Proteus仿真界面為了防止步進電機啟動時發(fā)生失步，需要先以一個比較低的頻率啟動。 主程序流程圖 T0中斷服務程序流程圖 Proteus仿真由于Proteus軟件本身優(yōu)良的仿真特性，所設計的程序能用于Proteus中，完成仿真過程的同時，即基本驗證所設計程序的準確性，從而完成系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序的設計部分。 定時器T0中斷程序流程圖。 主程序工作流程圖。（6）步數(shù)為0判斷。（5）調速。（4）定時器T0啟動。（3）系統(tǒng)啟動。判斷是否有按鍵按下，若有則進行按鍵處理。步進電機的初始化狀態(tài)為停止、正轉，數(shù)碼管顯示步數(shù)為0。 變速控制中轉速與步長之間的關系 主程序設計 主程序工作過程（1）系統(tǒng)初始化。當步數(shù)為0時，步進電機停止運行。單片機根據所輸入的步數(shù)判斷是否需要進行加速啟動，當輸入的步數(shù)小于100時，步進電機以最低速度25 r/min運行。 步進電機控制系統(tǒng)功能設計軟件主要功能是單片機根據設定的步數(shù)，實現(xiàn)步進電機的自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所設定的步數(shù)，并通過數(shù)碼管和LED顯示步進電機的運行參數(shù)。本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，在此本文主要介紹軟件的各個模塊功能與軟件流程。（6）實現(xiàn)全面軟件抗干擾設計。（5）經過調試修改后的程序應進行規(guī)范化，除去修改“痕跡”。（4）運行狀態(tài)實現(xiàn)標志化管理。便于調試、連接、移植、修改。應用系統(tǒng)種類繁多，應用軟件各不相同，但是一個優(yōu)秀的應用系統(tǒng)應具有下列特點【15】：（1）軟件結構清楚、簡潔、流程合理。最后對控制系統(tǒng)各部分的電路進行了分析和設計，并把各模塊有機組合起來形成一個較完整的電路，如附錄C所示。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進電機需要運行的步數(shù)，并通過LED指示步進電機的工作運行狀態(tài)。它是以單片機為核心的控制電路，可以實現(xiàn)步進電機根據設定的步數(shù)進行自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。松開復位按鍵后，電容C充電，RST引腳電位下降，使CPU脫離復位狀態(tài)。放電回路為C正極、電源Vcc端（與地等電位）、二極管VD正極、二極管VD負極、C負極，保證再次上電時，RST引腳為高電平，CPU可靠復位。二極管VD的作用在于：掉電后給電容C提供放電回路，保證再次上電時RST引腳為高電平，使CPU可靠復位。 外部復位電路上電復位：接通電源的瞬間，電容C上的電壓很小，RST引腳為高電平。 數(shù)碼管顯示電路 外部復位電路設計MCS51系列單片機采用高電平復位方式，為保證CPU內部各單元電路可靠復位，RST引腳的復位脈沖高電平維持時間必須大于2個機器周期（即24個振蕩周期）。 由于設計中用一塊單片機進行控制，資源有限，故使用串行接法，另外，74LS164的鎖存作用也起到節(jié)約資源的作用。 顯示電路設計單片機與顯示電路的接法一般有如下兩種方法：（1）串行接法：設計中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅動，其中74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，發(fā)送數(shù)據時容易控制。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應速度，軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用CPU時間較多，降低系統(tǒng)的響應速度。 環(huán)形脈沖分配器電路這種方法適用于控制任意類型的步進電機。環(huán)形脈沖分配器由EPROM和可逆計數(shù)器構成，將步進電機的勵磁狀態(tài)以二進制的形式存入EPOROM，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址內容，EPROM的輸出就是步進電機的勵磁狀態(tài)。同時，環(huán)形脈沖分配器還必須接收控制器發(fā)出的方向電平信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉換是按正序轉換還是反序轉換，于是就決定了步進電機正反轉。每來一個CP脈沖，環(huán)形脈沖分配器的輸出就轉換一次。用74LS164的clk端作為環(huán)形脈沖分配器的CP脈沖信號輸入端，加減計數(shù)控制端作為正反轉控制信號輸入端。計數(shù)器選用74LS191，這是一種單時鐘4位二進制可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從CP端輸入，加/減脈沖由同一端輸入，加/減控制線的高低電平控制加減計數(shù)。它有讀方式、未選中方式、編程方式、程序檢驗方式、【13】。EPROM是以浮柵型MOS管作存儲單元，它里面存儲的內容可以通過紫外線光的照射而被擦除，而且又可再用電流脈沖對其重新編程寫入程序或數(shù)據，而且還可多次進行擦除和重寫，故稱為可擦除可編程ROM，因而EPROM得到了廣泛的應用。因此，AT89C51系列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設計中得到了廣泛的應用，由于其內部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設計中，選用了AT89C51單片機作為中央控制單元。（5） 內部具有256個字節(jié)的RAM和3個16位定時器，可以存放系統(tǒng)運行中的數(shù)據和滿足定時或計數(shù)功能擴展的需要。（2） 內部集成了4K字節(jié)的在線可編程FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。而 ATMEL公司的AT89C51系列單片機是當今具有較高性能的單片微型計算機系列產品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調速電機控制系統(tǒng)等。 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。（6）系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設計在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎上，應適當留有余地，以備將來修改、擴展的需要。（5）單片機外接電路較多時，必須考慮其驅動能力。（3）整個系統(tǒng)中相關的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存貯器的存取時間有限，應選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機構成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應該選擇低功耗的產品。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應時間要比直接用硬件的長，而且占用CPU時間。（2）硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。最后根據步進電機的優(yōu)點，介紹步進電機在自動生產線中的應用。步進電機需要走的步數(shù)可以根據不同距離預先計算好，然后在單片機程序里設定好，也可以通過上位機進行控制。的步進電機，從供料站到加工站的距離為470mm，需要總的脈沖個數(shù)為1709個【11】。由此可以算出每個站點之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個數(shù)。步進電機傳動組件由齒輪傳動，每轉一圈搬運站移動55mm，如果步距角為θ，每轉一圈需要走的步數(shù)N=360176。當停車時，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進電機立即停止，可能會由于系統(tǒng)慣性的原因，轉子會沖過終點，結果使停車不準確，因此停車也必須有一個降頻的過程。因此步進電機的運動控制在自動生產線中得到了廣泛的應用。搬運站的整體運動采用步進電機驅動，具有定位精確和快速的特點。，它由搬運站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構成，每一個工作站都可自成一個獨立的系統(tǒng)。 步進電機在自動生產線中的應用由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響比較小，方向和轉角控制簡單，并且步進電機能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。這種方法的優(yōu)點是減少占用CPU的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理能力。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向CPU申請一次中斷，CPU響應中斷后便發(fā)出一個脈沖。這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，改用三相三拍的的分配方式，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以達到減速的目的。采用步進電機的加減速控制可以有效地克服步進電機啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應速度和精度【8】。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應速度。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。由于步進電機的速度正比于脈沖頻率，控制步進電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產生的轉矩為恒值。減速過程結束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經數(shù)步低速運行后停止。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高。對于中等或比較長的運行距離，步進電機加速后應該有一個恒速的過程。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應頻率fs的速率下運行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運行。系統(tǒng)運行起來之后，如果到達終點時立即停止，可能會因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏差，所以從高速運行到停止也應該有減速的措施【6】。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。此外一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。 步進電機的變速控制對于大多數(shù)的任務而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到達控制終點。反之當A為0時經反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，從而使達林頓管截止，A相繞組不通電，控制B、C、D相亦然。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進入單片機而燒毀器件，因而在驅動器與單片機之間增加一級光耦隔離器。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接口芯片，如8258155等。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當其疊加結果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅動級的工作條件更為惡化。由于旋轉電動勢基本上與電動機轉速成正比，轉速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉矩也隨著轉速升高而下降。繞組導通和截止過程中都會產生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅動級器件的安全產生十分有害的影響。(3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結果使應該截止的相不能立即截止。(2) 電動機的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。對于功率較大的步進電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅動。驅動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達林頓管、可控硅以及各種功率模塊。步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與步進