【正文】 括復(fù)位、始終、鍵盤等，下面對系統(tǒng)使用的外接電路進(jìn)行介紹。 X2(18 腳 )：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。該引腳是內(nèi)部反相放大器的輸入端。 2個時鐘引腳也可外接晶體振蕩器 。 VCC(40 腳 )：接 +5V 電源 VSS(20 腳 )：接地。當(dāng) EA????端為高電平時，對 ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器；當(dāng) EA????為低電平時，對 ROM 進(jìn)行讀操作限定為外部程序存儲器。 PSEN???????端可以驅(qū)動 8個 LS 型 TTL 負(fù)載。在單片機(jī)訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出的負(fù)脈沖作為讀外部程序存儲器的選通信號。此外由于 ALE 是以晶振的 1/6 的固定頻率輸出正脈 沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用 。在單片機(jī)正常工作時，此腳應(yīng)為 低電平。 ～ — P3: 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負(fù)載。 ～ — P1: 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可驅(qū)動 4個 LS 型 TTL 負(fù)載。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片機(jī)芯片中。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大 本系統(tǒng)使用單片機(jī)型號為 AT89S51。汽車上一 般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。手機(jī)、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12部單片機(jī)。事實上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計算機(jī)。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。目前，高端的 32 位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至 1美元，最高端的型號也只有 10 美 元。電機(jī)驅(qū)動芯片 鍵盤輸入 單 片 機(jī) LCD 步進(jìn)電機(jī) 光電編碼器 并行信號轉(zhuǎn)串行信號 13 隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用， 32位單片機(jī)迅速取代16 位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)。 早期的單片機(jī)都是 8 位或 4位的。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。 硬件選擇與設(shè)計 控制器選擇 本方案選擇單片機(jī)作為控制器， 單片機(jī)是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機(jī)系統(tǒng)。 并在 LCD 上顯示步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)速等信息。 12 由于本系統(tǒng)需要的按鍵較多，且需要擴(kuò)展空間，所以選擇矩陣式按鍵。但每個按鍵需要占用一根輸入線，在按鍵數(shù)量較大時，將占用較多輸入口，電路結(jié)構(gòu)就顯得復(fù)雜。因此，通過檢測輸入線的電 平可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。 據(jù)此分析，很容易得出矩陣鍵盤的識別方法，分兩步進(jìn) 行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下，第二步，如果有鍵被按下，識別該 建的位置。而按鍵采用掃描識別方法： 先將行線全部置 0，當(dāng)有鍵盤按下時，該列信號被拉至低電平。 矩陣鍵盤由行線和列線組成， 按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行列線分別接在按鍵開關(guān)兩端，行線通過上拉電阻接到 +5V 電源上。 雖然 LED 成本低，使用方便，但由于本系統(tǒng)需要用漢字顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動狀態(tài)，故選用 LCD 作為顯示設(shè)備。單片機(jī)系統(tǒng)中 LED為最常用的顯示輸出手段。它以價廉、可靠、耐用，對電流、電壓要求低等優(yōu)點(diǎn)，在計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。 外圍設(shè)備方案選擇 1） 顯示設(shè)備選擇 顯示設(shè)備為控制系統(tǒng)對用戶輸出信息的重要途徑，單片機(jī)的顯示系統(tǒng)通常使用 數(shù)碼管 (LED)和 液晶屏（ LCD） ，下面會討論兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。脈沖分配器的功能可以由微機(jī)用純軟件的方法實現(xiàn)，也可以用軟件和硬件結(jié)合的方法實現(xiàn) 三相步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 三相功率驅(qū)動接口電路 單片機(jī) 脈沖分配器 功率驅(qū)動 步進(jìn)電機(jī) 11 圖 23 串行控制的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省控制器資源，但成本較高，并行行控制方式占用控制器資源較多，但不需要外接脈沖分配器，成本較低且外部電路簡單。 2 并行控制 在并行控制中，微機(jī)通過數(shù)條并行口線，直接發(fā)出多相脈沖波信號，再通過功率放大后，送入步進(jìn)電動機(jī)的各相繞組。 產(chǎn)生走步脈沖只要先對 進(jìn)行清零，過一會兒再進(jìn)行一次置位就可以了。它有一路輸入，多路輸出。 單片機(jī)控制信號方式選擇 1） 串行控制方式 串行控制中，微機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)的功率接口之間只要兩條控制線：一條用以發(fā)送走步脈沖串 (CP)，另一條用以發(fā)送控制旋轉(zhuǎn)方向的電平信號。用軟件代替電路控制能提高系統(tǒng)的靈活性，并且通過單片機(jī)能建立顯示功能，提高系統(tǒng)的交互性。 3） 基于單片機(jī)的控制系統(tǒng) 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，可以使用程序代替大部分電路功能，單片機(jī)輸出脈沖，通過 ULN20xx 升壓控制步進(jìn)電機(jī)，使用程序控制正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等功能。系統(tǒng)具有充分的 10 可擴(kuò)展性。其通用性好，使用方便，硬件擴(kuò)展性強(qiáng)。適合不需要擴(kuò)展的工業(yè)場合使用。 控制電路選擇 1） 電子電路控制系統(tǒng) 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號由脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路提供，這種控制方式成本低，電路簡單，穩(wěn)定性好。 閉環(huán)控制則要采用光電編碼器之類位置傳感器將電動機(jī)的實際位置反饋給計算機(jī)，萬一步進(jìn)電動機(jī)失步，計算機(jī)發(fā)現(xiàn)電動機(jī)的實際位置沒有達(dá)到給定值，就補(bǔ)發(fā)脈沖，直到電動機(jī)的實際位置和給定值一致或相當(dāng)接近為止。 系統(tǒng)控制方案 論證 控制系統(tǒng)選擇 ： 開環(huán)控制時沒有位置反饋，不需要光電編碼器之類位置傳感器，因此控制系統(tǒng)的價格比較便宜。 3） 六拍控制方式 六拍控制方式是單雙三拍控制方式結(jié)合的控制方法，具體為先給 A相通電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，再給 A、 B同時通電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，依次類推。 2） 雙三拍控制方式 同時給繞組 A 、 B 通電， A 與 B 同時獲得磁性，轉(zhuǎn)子鋸齒與 A、 B 兩相中間對齊，再給 B、 C 同時通電，轉(zhuǎn)子鋸齒與 B、 C 兩相中間對齊，再給 C、 A 同理。 步進(jìn)電機(jī)控制方式 1） 單三拍控制方式 先給繞組 A 通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組 A 對齊，再給繞組 B通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組 B 9 對齊，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，再給繞組 C通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組 C對齊，電 機(jī)再次旋轉(zhuǎn)，依次重復(fù)給繞組 A B C 通電，電機(jī)即可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。若改變通電順序，按 A→ C→ B→ A 順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3186。依次類推，當(dāng)三相繞組按 A→ B→ C→ A順序循環(huán)通電時，轉(zhuǎn)子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3186。；此時 A、 C 磁極下的齒又分 別與轉(zhuǎn)子齒錯開三分之一齒距。因此， B、 C 極下的磁阻比A 磁極下的磁阻大。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是 30 和 40，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。/40=9186。轉(zhuǎn)子上均布 40 個小齒。 步進(jìn)電機(jī)工作原理 圖 21 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 21， 電機(jī)的定子上有六個均布的磁極，其夾角是 60186。 連續(xù)運(yùn)行模式速度 256 檔可調(diào)。 運(yùn)行模式有單步、連續(xù)和預(yù)置步數(shù)三種。 強(qiáng)、成本低廉、開源、可隨意擴(kuò)展的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)， 并且系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡 單， 完全由程序的控制方式使學(xué)生在編寫程序的過程中完全理解步進(jìn)電機(jī)的控制原理。 2） 實驗臺 使用便利 ，但內(nèi)部封閉，導(dǎo)致學(xué)生難以觀察實際的控制電路 ，對動手能力與理論實踐結(jié)合能力提高有限。 課題背景及意義 由于步進(jìn)電機(jī)的獨(dú)有的特性 ， 其在工業(yè)中 的應(yīng)用場合越來越多。過去， 國步進(jìn)電機(jī)關(guān)鍵材料的自制能力不足，不少材料還要依賴國外進(jìn)口。近年來，外資企業(yè)大量移師中國，為降低成本，都希望零部件本地化，這也大大促進(jìn) 國步進(jìn)電機(jī)零部件制造水平不斷提升。 為了降低生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的成本，提高競爭力，步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)日趨社會化分工，生產(chǎn)規(guī)?；I(yè)化是一個發(fā)展趨勢。有的企業(yè)已建立批量生產(chǎn)無刷電機(jī)、振動馬達(dá)、家電用電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、汽車電機(jī)等各類新型電機(jī)的生產(chǎn)線。 近幾年各企業(yè)都投入大量資金進(jìn)行技術(shù)改造，引進(jìn)不少國外先進(jìn)制造設(shè)備和測試設(shè)備，如有多臺數(shù)控高速沖床、各種先進(jìn)的自動繞線機(jī)以及各種國外先進(jìn)的檢測設(shè)備，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。國內(nèi)企業(yè)通過第一階段的 發(fā)展，無論是在企業(yè)經(jīng)營機(jī)制變革、管理制度創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新能力突破及全球化競爭能力提高等諸方面，都已經(jīng)形成了自身的特色，特別是在第一階段中發(fā)展而成長起來的一些行業(yè)優(yōu)勢企業(yè)，市場占有率較大，具有較高的顧客滿意度、較大規(guī)模、較強(qiáng)綜合實力及很好的品牌知名度。而且 我 國主要的幾家行業(yè)龍頭企業(yè)生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)均符合 iec 國際標(biāo)準(zhǔn)。特別是臥龍集團(tuán)最近與日本松下公司合資，在新品開發(fā)和技術(shù)升級方面取得領(lǐng)先優(yōu)勢，在未來 3年內(nèi)可發(fā)展成為世界最大的空調(diào)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)。 以空調(diào)用送風(fēng)電機(jī)為例，國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要有臥龍控股集團(tuán)、杭州松下電機(jī)、廣東威靈、江蘇天馬等幾家企業(yè)，占據(jù)了國內(nèi) 60%左右的市場份額。 盡管步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)廠家眾多，市場競爭激烈，但正在向生產(chǎn)相對集中的方向發(fā)展。 但是，由于這些產(chǎn)品具有相對技術(shù)難度大、設(shè)備投入大、品種規(guī)格變化大的特點(diǎn)，另外，電機(jī)本身產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量直接關(guān)系到整車的可 *性及品牌聲譽(yù)。電機(jī)產(chǎn)品在自身大量出口歐美等國際市場的同時也隨著風(fēng)扇、空調(diào)器等家電主機(jī)產(chǎn)品暢銷國際市場，成為 國機(jī)電出口業(yè)務(wù)的主要部分。步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)在 國的發(fā)展分兩個階段。目前，步進(jìn)電機(jī)在國內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要集中在東南沿海的江、浙、滬、閩、粵等五省市和華北地區(qū)，全國步進(jìn)電機(jī)企業(yè)約 1000 多家，由國有企業(yè)、民營企業(yè)、外資或合資企業(yè)等多種經(jīng)營成分共同組成，其中 85%以上為中小型民營企業(yè)和部分外資或合資企業(yè)。加入 wto 后，國家對中小企業(yè)的保護(hù)政策如進(jìn)口關(guān)稅逐步降低，直到取消關(guān)稅，國外電機(jī)憑借其優(yōu)越的品質(zhì)和低廉的價格進(jìn)入 國內(nèi)市場，而出口到國外的電機(jī)各國行業(yè)協(xié)會或政府紛紛設(shè)置了許多技術(shù)壁壘，更讓 國產(chǎn) 的 電機(jī)全面卷入與世界電機(jī)的爭奪戰(zhàn)之中。世界電機(jī)制造基地正在快速地向中國轉(zhuǎn)移。目前， 國步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)及配套廠家在 1000 家以上，并且以每年 8%的速度遞增，產(chǎn)量已占世界產(chǎn)量的 60%以上，已成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中不可缺少的基礎(chǔ)性工業(yè)。 由于不僅電機(jī)的以上特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機(jī)控制成本低廉，硬件簡單并可靠，因此在需要精確控制角度的 大量應(yīng)用，如數(shù)控機(jī)床、繪圖儀等。 7) 高信賴性：使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開關(guān)等其它裝置相較 ，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤動作少，所以在檢查及保養(yǎng)時也較簡單容易。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場合下使用。 4) 動作靈敏：步進(jìn)電機(jī)因為加速性能優(yōu)越 ,所以可做到瞬時起動、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動作。 (步進(jìn)電機(jī)的定位精度是取決于電機(jī)本身的機(jī)械加工精度 ) 2) 位置及速度控制 : 步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的角度控制 (位置控制 )，并可得到與該脈沖信號周波數(shù) (頻率 )成比例的回轉(zhuǎn)速度。176。( 半步級 )，是非常小的；停止定位精度誤差皆在 177。以 5 相步進(jìn)電機(jī)為例：其定位基本單位 (分辨率 )為 176。 在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進(jìn)電機(jī)用得最多?？墒窃谌祟惿鐣M(jìn)入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機(jī)的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求。 步進(jìn)電動機(jī)已成為除直流電動機(jī)和交流電動機(jī)以外的第三類電動機(jī)。 1950 年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。然后以單片機(jī)為主控制器設(shè)計了一整套的控制方案，以及完整的程序流程以及設(shè)計。有感于目前高校步進(jìn)電機(jī)實驗系統(tǒng)通常過于復(fù)雜昂貴，很難有效地使學(xué)生了解步進(jìn)電機(jī)的控制方法并且親自動手完成實驗，因此本文研究的內(nèi)容就是一套硬件系統(tǒng)比較簡單、經(jīng)濟(jì)，但功能齊全、適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便，能夠把數(shù)字電路、模擬電路、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)結(jié)合起來的步進(jìn)電機(jī)教學(xué)實驗系統(tǒng)。 1 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 摘要 步進(jìn)電機(jī)是一種通過電磁脈沖信號控制相繞組電流實現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動的機(jī)電元件，其有易于開環(huán)精確控制、無累積誤差等特點(diǎn)，在各個領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 目前步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在高校教學(xué)中也越來越得到重視。本文首先描述了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展應(yīng)用情況，以及常見的控制方式 。 關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 教學(xué)平臺 控制方式 2 The Stepping M