【正文】 第 1 腳： MOSI 第 2腳： VCC 第 3 腳： NC 第 4腳： GND 第 5 腳： RESET 第 6腳： GND 第 7 腳： SCK 第 8腳： GND 第 9 腳： MISO 第 10腳： GND 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 17 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 581 ISP 原理圖 圖 582 下載線(xiàn)實(shí)物圖 6 電子電路的調(diào)試與運(yùn)行 WAVE 系列仿真軟件及其 軟件 調(diào)試 本次設(shè)計(jì)的程序是用 C語(yǔ)言編寫(xiě)的，原本想用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，但匯編語(yǔ)句太多太長(zhǎng)，看起來(lái)很麻煩沒(méi)有 C語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，比如一些循環(huán)語(yǔ)句比匯編寫(xiě)出來(lái)簡(jiǎn)單很 多，短很多。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 16 頁(yè) 共 38 頁(yè) 572 數(shù)碼管連接圖 下載線(xiàn)介紹 ： 單片機(jī) ISP 下載線(xiàn) (51AVRISP) 3 AVR 和 ATMEL 的 AT89S 系列單片機(jī)可以使用 ISP 下載線(xiàn)在線(xiàn)編程擦寫(xiě)，即不必將 IC芯片拆下，直接在電路板上進(jìn)行程序修改、下載等操作。 為節(jié)省端口及降低功耗，本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。 動(dòng)態(tài) 顯示 是將所有數(shù)碼管的 8個(gè)顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O線(xiàn)控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼 時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。 靜態(tài)顯示是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。如圖 571 所示。其作用是切斷了單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路之間電的直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)回路系統(tǒng)地線(xiàn)的分別聯(lián)接 .防止處于大電流感性負(fù)載下工作的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)以及電網(wǎng)負(fù)載突變產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)線(xiàn)路串入單片機(jī)，影響單片機(jī)的正常工作 圖 562 隔離電路 圖 LED 顯示電路 由于系統(tǒng)顯示的內(nèi)容 比較簡(jiǎn)單，顯示量不多，所以顯示選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟(jì)。內(nèi)部集成有驅(qū)動(dòng)電路，上電自行復(fù)位，可以控制轉(zhuǎn)向和輸出使能。 L298N 芯片適用于四相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。目前，已有多種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，它們大多集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，作為小功率步進(jìn)電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片，廣泛用于小型儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來(lái)非常方便。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入 /輸出 (1/0)端口寄存器置為 FFH，堆棧指針 SP置為 07H, SBUF 內(nèi)置為不定值，其余的寄存器全部清 0，內(nèi)部 RAM 的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時(shí) RAM 的內(nèi)容是不定的。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要 RST 引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平 ， 要保證單片機(jī)可靠地復(fù)位， 接個(gè)電容就是為了這個(gè)時(shí)間 ， 即可引起系統(tǒng)復(fù)位。提供給AT89S52 芯片 、 步進(jìn)電機(jī) 及其他外圍電路 。 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器 的高基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 增益反向放大器，引腳 XTALl 和 XTAL2 分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時(shí)，電路簡(jiǎn)單，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)際使用中常采用這種方式，如圖53 所示在其外接晶體振蕩器 (簡(jiǎn)稱(chēng)晶振 )或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 (9) 應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。 (7) 電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 (5) 電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 (3) 由于歷史原因，只有標(biāo)稱(chēng)為 12V 電壓的電機(jī)使用 12V 外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議： 57BYG 采用直流 24V36V， 86BYG采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當(dāng)然 12 伏的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 、 b、 c 所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 c 八拍 圖 523 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 應(yīng)用中的注意點(diǎn) ： (1) 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合 每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò) 1000 轉(zhuǎn)，（ 度時(shí) 6666PPS)，最好在 10003000PPS( 度）間使用，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要步進(jìn)電機(jī)的 步距角 為 度 所以選擇 四相 步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。 (2) 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序 通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 (9) 總位移量取決于總的脈沖數(shù) 步進(jìn)電機(jī) 換相 、 轉(zhuǎn)向 及加 /減速控制方案 (1) 控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。 (7) 控制特性好。 (5) 輸出轉(zhuǎn)角精度高，無(wú)累積誤差。一般在信號(hào)輸入幾毫秒或幾十毫秒后，即能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。即 改變脈沖順序，改變方向。即 控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) (1) 輸出轉(zhuǎn)角大小與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，即 來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角 ，且在時(shí)間上與輸入脈沖同步。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。 圖 44 TLP5212 芯片圖 5 系統(tǒng)主要 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖 圖 51 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖 AT89S52 單片機(jī) LED 數(shù)碼顯示 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)驅(qū) 動(dòng) 步進(jìn)電機(jī) 按鍵選擇 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 10 頁(yè) 共 38 頁(yè) 步進(jìn)電機(jī)基本原理 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。具體方法是使需要的信號(hào)以光學(xué)的形式通過(guò)，同時(shí)在兩個(gè)系統(tǒng) 之間保持電性隔離。該電流可以通過(guò)不同的電路來(lái)操縱，以進(jìn)行不同的功能。電流啟動(dòng) LED 后，該二極管發(fā)光，并通過(guò)電介質(zhì)與光電探測(cè)器耦合。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。內(nèi)含過(guò)流，過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路。 圖 431所示為應(yīng)用最廣泛的串聯(lián)式集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路方框圖，其工作原理是：取樣電路將輸出電壓 Uo 按比例取出，送入比較放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，差值被放大后去控制調(diào)整管，以使輸出電壓 Uo 保持穩(wěn)定。 圖 42 L298N 芯片圖 7805 集成穩(wěn)壓器是指將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集成電路。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。由圖 42可見(jiàn) L298N 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 每個(gè) H 橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳（ SENSEA 和 SENSEB）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻。 L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品 ， 常見(jiàn)的是 15腳 Multiwatt 封裝 ， 內(nèi)部包含 4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。這種電路由于管子基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 7 頁(yè) 共 38 頁(yè) 工作只在飽合和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高。 圖 41 AT89S52 芯片圖 L298N L298N 采用由達(dá)林頓管組成的 H 型 PWM 電路。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 通電繞組順序 : AABBBCCCDDDAA 這樣電機(jī) 轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng) ； 相反要使電機(jī)自動(dòng)反轉(zhuǎn)則各相繞組的通電繞組順序?yàn)?: 通電繞組順序 : AADDDCCCBBBAA 注意這里的正反轉(zhuǎn) 和點(diǎn)動(dòng)控制的通電繞組順序 的 輸出狀態(tài)是一致的。接著就是通過(guò) L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) 來(lái)給予電機(jī) 啟動(dòng) 電流 。 本電路是以單片機(jī)為基礎(chǔ)，主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)生器功能 ,因此外圍電路的設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化 。設(shè)計(jì)環(huán)形分配子程序 ,在存儲(chǔ)器中建立環(huán)形分配表 。硬件的主要任務(wù)是完成驅(qū)動(dòng)功能。 由軟件完成脈沖分配工作 所謂軟件完成脈沖分配就是用軟件改變單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口輸出值，進(jìn)而達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī) 繞組的通電順序和通電方式之目的。一般來(lái)說(shuō)，硬件一旦確定下來(lái)，不易更改，這種方案，硬設(shè)備成本高，它的應(yīng)用受到了限制。單片機(jī)只提供步進(jìn)脈沖和正、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，步進(jìn)脈沖的產(chǎn)生與停止、步進(jìn)脈沖的頻率和個(gè)數(shù)都可用軟件控制。由于設(shè)計(jì)要求用 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片，所以本次設(shè)計(jì) 使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) 。 AT89S52 是 A 典型代表，使用相當(dāng)?shù)亩?，?yīng)用資料很多，價(jià)格便宜，是初學(xué) 51/52 的首選芯片 ,該單片機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在板子上加上下載電路就可以在線(xiàn)下載了，使用調(diào)試起來(lái)很是方便。 由此 芯片 構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 ,驅(qū)動(dòng)功率大 且成本低，且由軟件完成基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 5 頁(yè) 共 38 頁(yè) 脈沖分配工作，不僅使線(xiàn)路簡(jiǎn) 化，而且可根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，靈活地改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案。可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO口提供信號(hào)；電路簡(jiǎn)單，使用方便。 但相比于用軟件代替脈沖分配器的方式來(lái)說(shuō)，硬件一旦確定下來(lái)，不易更改，更主要的是此種芯片已經(jīng)在世面上買(mǎi)不到了，所以不采取該方案。 使用 CH250 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) 在這種形式里，脈沖分配器（ CH250）、驅(qū)動(dòng)電路由硬件完成。 使用多個(gè)功率放大器件驅(qū)動(dòng)電機(jī) 通過(guò)使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制變得非常靈活方便，可以通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 4 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 313 步進(jìn)電機(jī)實(shí)體圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的幾種方案論證與比較 本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)中受控電機(jī)為四相 八拍 制的步進(jìn)電機(jī) 。 實(shí)際對(duì)步進(jìn)電機(jī)的選用 以上是出于理論上對(duì)步進(jìn)電機(jī)的選用，實(shí)際上由于本系統(tǒng)只須簡(jiǎn)單地控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)正反轉(zhuǎn)，而沒(méi)有涉及到使用步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，因此諸如靜力矩和動(dòng)力矩 、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、失調(diào)角、力矩負(fù)載、慣性負(fù)載這些因素就不需要考慮了；其次由于本設(shè)計(jì)采用的是小功率的步進(jìn)電機(jī)，因此也不需要過(guò)分考慮步距角 精度這個(gè)因素；再則在本市購(gòu)買(mǎi)步進(jìn)電機(jī)存在著少選擇且價(jià)格昂貴的客觀因素，所以最終只購(gòu)買(mǎi)到如下圖所示這款價(jià)格低廉，型號(hào)老舊的二手步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)型號(hào)太古老且沒(méi)有說(shuō)明書(shū)，因此現(xiàn)有的參數(shù)如下：該電機(jī)為二相四相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為 176。 ④ 最大空載起動(dòng)頻率 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)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(dòng)的最大頻率。 ② 失步 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù) ， 稱(chēng)之為失步。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 可 以參考 廠(chǎng)家提供的 矩頻特性 圖。 ⑤ 最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速 確定步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)的最大功耗受繞組中溫度限制。為了步進(jìn)