【正文】 0 謝 辭 .............................................................................................................................. 31 參考文獻 .......................................................................................................................... 32 附 錄 .............................................................................................................................. 33 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 1 1 引言 步進電機是一種純粹的數(shù)字控制電動機，又稱為階躍電機或脈沖電機 [1]。它是一種將電脈沖能量轉(zhuǎn)換為機械能的機制，這種方式使它轉(zhuǎn)動的每一個角度，每個角度占用的時間都由用戶掌控。定位驅(qū)動系統(tǒng)已完全由步進系統(tǒng)所主宰。定位驅(qū)動系統(tǒng)是處于不斷發(fā)展狀態(tài)的，經(jīng)歷了步進系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)等過程的發(fā)展與過度，現(xiàn)在又回到了步進控制系統(tǒng)。所以現(xiàn)如今的定位驅(qū)動裝置 大多是采用步進系統(tǒng)的，這在將來的幾十年都不會改變，這種由脈沖去控制轉(zhuǎn)動方位，脈沖頻率決定轉(zhuǎn)動速度的定位方式一定會在很大程度上決定著工業(yè)與生活中的定位裝置的發(fā)展趨勢。舉一個典型的例子，數(shù)控機床在機械行業(yè)中有著舉足輕重的地位，而數(shù)控機床的正常運轉(zhuǎn)又是依賴步進電機的，它核心就是步進電機系統(tǒng)。在其他的許多行業(yè)中，步進控制系統(tǒng)也發(fā)揮著舉足輕重的作用。 本設計主要是基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)，可以通過遙控器的鍵盤設置期望的步進電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)，通過紅外發(fā)射裝置及接收裝置，使單片機接收到用戶需要的控制命令，進行相應的處理，使步進電機改變運動狀態(tài)并在 LCD 顯示屏顯示出來。但是隨著步進電機技術的不斷革新和電機身上所固有的 脈沖與角位移嚴格成正比的特點，以及紅外遙控的準確、迅捷、易于控制的優(yōu)勢，步進電機對步進電機穩(wěn)定、高效、準確的控制，都決定了基于單片機的紅外控制步進電機系統(tǒng)將在生活生產(chǎn)中迎來廣闊的市場。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 2 2 總體設計方案 系統(tǒng)設計原理 單片機 STC89C52 是整個系統(tǒng)關鍵部分，通過對遙控器上鍵盤的命令輸入，經(jīng)遙控器編碼后發(fā)出紅外信號， TL1838 接收到信號并在單片機中解碼。 本系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機為核心處理器，遙控器為命令輸入模塊，由ULN2021 及 28BYJ48 步進電機組成的轉(zhuǎn)動模塊、 12864 液晶的輸出模塊共同組成的基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)構成如圖 21 所示。 遙控器 TL1838 單 片 機 ULN 2021 步進 電機 12864 液晶 蜂鳴器 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 3 3 系統(tǒng)硬件模塊的組成 單片機控制模塊 主控電路中，以單片機為主體，通過分析遙控輸入的指令，改變步進電機的運行參數(shù)和顯示參數(shù)。 單片機 （ Micro Controller，又稱微控制器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機算計，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存貯器 RAM、程序存貯器 ROM、定時器 /計數(shù)器和多種 I/O 接口電路 [3]。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 功能特性描述 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 STC89C52 具有以下標準功能： 8k字節(jié) Flash、 256 字節(jié) RAM、 32 位 I/O 口線、看門狗定時器、 2 個數(shù)據(jù)指針、三個 16 位定時器 /計數(shù)器、一個 6 向量 2 級中斷結構、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 STC89C52 的引腳結構如圖 31 所示。 VCC：供電電壓。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8個 TTL 邏輯電平。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復用。在 flash 編程時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P2 口： P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖 器。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U3STC89C52 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 5 出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 表 31 P3 口的第二功能 信道位 第二功能 說明 RXD 串行口的輸出 TXD 串行口的輸入 INT0———— 外部中斷 0 的中斷請求輸入 INTI———— 外部中斷 1 的中斷請求輸入 T0 計數(shù)器 0 的計數(shù)輸入 T1 計數(shù)器 1 的計數(shù)輸入 WR—— 外部 數(shù)據(jù)存儲器的寫選通信號 RD—— 外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通信號 RST：復位輸入。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。 EA /VPP：當 EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施 加12V編程電源（ VPP）。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。設計中使用內(nèi)部時鐘，即在RXD 和 TXD 兩端并聯(lián)晶振和適當電容。其連接電路如圖 32 所示。 時鐘電路中選用的晶振可以在 ～ 24MHz之間選擇，并聯(lián)的電容值可在 5～30pF 之間選擇，為單片機提供了有序準確的命令，是單片機正常運行的前提。設計使用的是手動復位，電路原理是在普通 RC 復位電路的基礎上接一個有下拉電阻10K、上拉電容 10μ f 接 VCC，電源由開關經(jīng)串接的 1K 限流電阻至復位腳（和上拉電容并聯(lián)），上拉電容支路負責在“上電”瞬間實施復位；開關通 過 1K 上拉電阻和 10K 下拉電阻分壓器，保證對單片機實施按鍵電平復位 [6]。 12Y130pFC0Cap Semi30pFC1Cap SemiXTAL1XTAL2GND 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 7 圖 33 復位電路 復位可以對單片機初始化。復位一般有兩種作用，一種是在進入系統(tǒng)時要正常的初始化，另一種是程序可能會出現(xiàn)錯誤，運行混亂，是系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為了解決這種困境，通常采用復位方式。為了適應 這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電機。 步進電機是電動脈沖信號為角位移或線位移的開環(huán)步進電機控制元件塊。步進電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)完全取決于給它脈沖的數(shù)量，它轉(zhuǎn)動速度又完全取決于脈沖頻率。 所以它的可操作性非常優(yōu)越，但是步進電機的轉(zhuǎn)動速度是比較慢的，隨著科技的發(fā)展，這種缺點也在逐漸改善。 100KR5+5V10ufC2S1SWPBGNDRST 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 8 圖 34 28BYJ48 型四相八拍電機 本設計選擇 28BYJ48 步進電機作為設計對象，步進電機 28BYJ48 型四相八拍電機，電壓為 DC5V— DC12V。每個脈沖都對應步進電機的某一項或兩項繞組，當它的通電狀態(tài)改變時對應的轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過一定角度， 這個角度叫做步距角。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB），八拍（ AABBBCCCDDDAA）。 28BYJ48 步進電機的定子是由硅鋼片疊成的，定子上有 8 大磁極，每 2 個相對的磁極（ N， S）組成一對，共有 4 對，如圖 35 所示。 0、 1/4π、 2/4π、 3/4π（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以 π表示），即 A 與齒 1 相對齊， B 與齒 2 向右錯開 1/4π， C與齒 3 向右錯開 1/2π， D 與齒 4 向右錯開 3/4π。 28BYJ48 步進電機工 作原理 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機構，步進電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)完全取決于給它脈沖的數(shù)量，它轉(zhuǎn)動速度又完全取決于脈沖頻率。本設計選擇 28BYJ48 步進電機作為設 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 9 計對象，其原理圖如 35 所示。定子的作用是產(chǎn)生一個電磁場， 這個電磁場和轉(zhuǎn)子的磁場可以產(chǎn)生一個扭力 [9]，使得步進電機轉(zhuǎn)動。使步進電機不停轉(zhuǎn)動的前提是定子的磁場不停的變換，這個變換是通過一次改變繞組的磁場，始終是定子和轉(zhuǎn)子的磁場產(chǎn)生錯位，促使步進電機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。由于單片機的驅(qū)動電流較小，不能直接用來驅(qū)動步進電機，優(yōu)勢不能充分展現(xiàn)，所以一般都是使用 ULN2021 達林頓陣列驅(qū)動，可以為步進電機提供較大的扭力，使電機穩(wěn)定工作。由于步進電機并不是簡單的轉(zhuǎn)動，它要帶動不同的負載，完成不同的工作，所以需要產(chǎn)生較大的扭力，又由于直接使用三極管驅(qū)動的局限和功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，所以步進電機的驅(qū)動一般使用ULN2021。具體電路圖如圖 36 所示。如果沒有這個芯片電機也會轉(zhuǎn)動，只是轉(zhuǎn)動的扭力會受很大影響，制約步進電機的性能。由德國科學家霍胥爾于 1800 年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射。人眼能夠識別的可見光的種類為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，波長是從長到短排列的。比紫光的波長還要短的光叫紫外線，比紅光的波長還要長的光叫紅外線。紅外線是我們最常用的一種不可見光線，家用電器的遙控器基本上都是使用紅外線。 紅外遙控的特點是造價較低，適合市場的推廣，各類家庭用戶的使用。它由 32 位碼長， 4 段碼，通過用戶碼的不同區(qū)別開了不同產(chǎn)品的不同遙控，以免互相干擾，不影響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設備。一般在 10 米以內(nèi)可以靈敏接收的。發(fā)射系 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 11 統(tǒng)對一個紅外輻射源進行調(diào)制后發(fā)射紅外信號，而接收系統(tǒng)用紅外一體化接收頭進行接收，兩者聯(lián)合構成了紅外通信系統(tǒng)。紅外信號由接收端轉(zhuǎn)換成電信號，并對其進行放大、濾波等處理，還原成二進制數(shù)字信號，并將其輸出。紅外線的波長在 750nm至 1mm 之間，紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外 線，波長在 25um 之間。紅外線的調(diào)制方法常用的有兩種，一種是通過脈沖寬度來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制（ PWM），另一種是通過脈沖串之間的時間間隔來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈沖調(diào)制（ PPM） [13] 。 圖 37 PPM調(diào)制波形圖 紅外遙控的一個數(shù)據(jù)幀是由引導碼、用戶碼、數(shù)據(jù)碼和數(shù) 據(jù)反碼組成的。每段碼都為 8 位， 2 段用戶碼，數(shù)據(jù)碼及其反碼只有 1 段。每幀傳送 1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù) 0 數(shù)據(jù) 1 引導碼 用戶碼 用戶碼 數(shù)據(jù)碼 數(shù)據(jù)反碼 數(shù)據(jù)幀結構