【正文】 間的關(guān)系 主程序設(shè)計 主程序工作過程（1）系統(tǒng)初始化。當(dāng)步數(shù)為0時，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行。單片機(jī)根據(jù)所輸入的步數(shù)判斷是否需要進(jìn)行加速啟動，當(dāng)輸入的步數(shù)小于100時，步進(jìn)電機(jī)以最低速度25 r/min運(yùn)行。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計軟件主要功能是單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的步數(shù)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所設(shè)定的步數(shù)，并通過數(shù)碼管和LED顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計。（5）經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，除去修改“痕跡”。（4）運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。便于調(diào)試、連接、移植、修改。應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，應(yīng)用軟件各不相同，但是一個優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點(diǎn)【15】：（1）軟件結(jié)構(gòu)清楚、簡潔、流程合理。最后對控制系統(tǒng)各部分的電路進(jìn)行了分析和設(shè)計，并把各模塊有機(jī)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(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的轉(zhuǎn)數(shù)，并通過LCD指示步進(jìn)電機(jī)的工作運(yùn)行狀態(tài)。它是以單片機(jī)為核心的控制電路，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)設(shè)定的步數(shù)進(jìn)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(fù)位按鍵后，電容C充電，RST引腳電位下降，使CPU脫離復(fù)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(fù)極、C負(fù)極，保證再次上電時，RST引腳為高電平，CPU可靠復(fù)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(fù)位。 外部復(fù)位電路上電復(fù)位：接通電源的瞬間，電容C上的電壓很小，RST引腳為高電平。 LCD顯示電路 外部晶振和復(fù)位電路設(shè)計MCS51系列單片機(jī)采用高電平復(fù)位方式，為保證CPU內(nèi)部各單元電路可靠復(fù)位，RST引腳的復(fù)位脈沖高電平維持時間必須大于2個機(jī)器周期（即24個振蕩周期）。 由于設(shè)計中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，故使用使用LCD顯示。 顯示電路設(shè)計單片機(jī)與顯示電路的接法一般有如下兩種方法：（1）串行接法：設(shè)計中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)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(jù)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(yīng)速度，軟件方法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是占用CPU時間較多，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這種方法適用于控制任意類型的步進(jìn)電機(jī)。接收來自控制器的CP脈沖和方向電平是環(huán)形脈沖分配器的最基本功能。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高或低、加速或減速、啟動或停止都完全取決于CP脈沖的有無和頻率。 74LS191功能表輸入工作模式置數(shù) 使能 加減 時鐘 H L L H L H L X X XH H X X加計數(shù)減計數(shù)預(yù)置保持 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計脈沖分配器是用來接收單片機(jī)的CP脈沖，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序輸出各相繞組的導(dǎo)通或截止信號。74LS191是單時鐘方式的可逆計數(shù)器，計數(shù)器的輸出QA～QD接EPROM的低四位地址線，這樣可以選通EPROM的十六個地址（00H～0FH），將步進(jìn)電機(jī)的勵磁狀態(tài)從EPROM中輸出，控制繞組的導(dǎo)通和截止。 可逆計數(shù)器的選擇由于脈沖分配器不但需要接收脈沖信號CP，還需要接收方向電平，因此所選的計數(shù)器需要是一個可逆的計數(shù)器。（6） 具有6個中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計的中斷系統(tǒng)擴(kuò)展需要。（4） 可在0～24MHz的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實(shí)時處理控制系統(tǒng)中。其主要特點(diǎn)有：（1） CPU內(nèi)核完全和MCS51系列兼容，具有MCS51系列單片機(jī)的一切功能。在MCS51系列單片機(jī)系列內(nèi)核8051/80C51的基礎(chǔ)上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)硬件電路主要由鍵盤顯示電路、工作狀態(tài)顯示電路、環(huán)形脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、51單片機(jī)、電源及復(fù)位六部分組成。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。（4）可靠性及抗干擾性設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)的擴(kuò)展和模塊設(shè)計應(yīng)遵循下列原則【12】：（1）盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。 本章小結(jié)本章首先分析了步進(jìn)電機(jī)的原理，并總結(jié)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；其次根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)，設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路和環(huán)形脈沖分配器；為了使控制系統(tǒng)快以最短時間到達(dá)控制終點(diǎn)，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的變速控制的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少占用CPU的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實(shí)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(yīng)中斷后便發(fā)出一個脈沖。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于延時的長短不受限制，使步進(jìn)電機(jī)的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機(jī)的實(shí)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(jìn)電機(jī)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(dá)終點(diǎn)時，再次采用三相六拍的控制方式，以達(dá)到減速的目的。采用步進(jìn)電機(jī)的加減速控制可以有效地克服步進(jìn)電機(jī)啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度【8】。在運(yùn)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(yīng)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(jìn)電機(jī)的速度正比于脈沖頻率，控制步進(jìn)電機(jī)的速度實(shí)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(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。減速過程結(jié)束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步低速運(yùn)行后停止。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)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(yùn)行距離，步進(jìn)電機(jī)加速后應(yīng)該有一個恒速的過程。因此在點(diǎn)位控制過程中，運(yùn)行速度需要有一個加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程。當(dāng)快要到達(dá)終點(diǎn)時，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率fs的速率下運(yùn)行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時立即停止，可能會因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)位控制發(fā)生偏差，所以從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有減速的措施【6】。由此可見，一個靜止的步進(jìn)電機(jī)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(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)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(jìn)電機(jī)對空載最高啟動頻率都是有所限制的。 步進(jìn)電機(jī)的變速控制對于大多數(shù)的任務(wù)而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到達(dá)控制終點(diǎn)。反之當(dāng)A為0時經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達(dá)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(qū)動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件，因而在驅(qū)動器與單片機(jī)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(dāng)其疊加結(jié)果使電動機(jī)繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅(qū)動級的工作條件更為惡化。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)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(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。(2) 電動機(jī)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(jìn)電機(jī)，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(qū)動。驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達(dá)林頓管、可控硅以及各種功率模塊。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進(jìn)電機(jī)的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。如果全部用硬件來搭成，結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，不能滿足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的需要，為此提出一種簡單的脈沖分配器，以滿足不同的要求。并行控制時，控制器直接輸出各相繞組的導(dǎo)通和截止信號，此時環(huán)形脈沖分配器在控制器中，由軟件來代替環(huán)形脈沖分配器的功能，不管是串行控制還是