【正文】 8。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 步進(jìn)電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。步進(jìn)電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。 正是由于步進(jìn)電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。雖然與發(fā)達(dá)國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。優(yōu)點明顯的步進(jìn)電機被廣泛應(yīng)用在電子計算機的許多外圍設(shè)備中，例如 打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進(jìn)電機也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 為了得到良好的控制性能，對步進(jìn)電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。原來的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)采用分立 元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級。因此，用微型單片機控制步進(jìn)電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。 但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強；電機各種運行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高等要求。一般步進(jìn)電機控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相 對較單一，并且設(shè)計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。 第一章 系統(tǒng)方案論證 系統(tǒng)基本功能 設(shè)計的步進(jìn)電機控制器。具體要求如下： (1) 鍵盤設(shè)計 0～ 9: 數(shù)字鍵。 ：清除設(shè)定為正轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)數(shù)為 00。按“ A”鍵則 LED 指示燈亮，表示逆轉(zhuǎn)，再按則 LED 只是等滅，表示正轉(zhuǎn)。 ② 輸入轉(zhuǎn)數(shù)，顯示器顯示輸入的轉(zhuǎn)數(shù)，按“ A”設(shè)定正逆轉(zhuǎn)， LED 指示燈亮表示逆轉(zhuǎn)， LED 指示燈滅表示正轉(zhuǎn)，然后按“ *” 步進(jìn)電動機開始運行。 根據(jù)功能設(shè)計的要求本設(shè)計采用 AT89C51 單片機系統(tǒng)控制運用矩陣式鍵盤作為輸入控制端驅(qū)動系統(tǒng)采用 74LS04 和達(dá)林頓管，使步進(jìn)電機可在智能化程序控制下完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定等各種操作?？墒共竭M(jìn)電機具有更高的性能 ,同時把數(shù)字電路與驅(qū)動電路隔離開 ,避免了步進(jìn)電機運行時所產(chǎn)生的沖擊電壓和電流干擾單片機。 同時通過顯示器同步的顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。鍵盤輸入模塊主要完成數(shù)據(jù)輸入及控制輸入，顯示模塊完成轉(zhuǎn)數(shù)的顯示。 第二章 硬件設(shè)計 2． 1 單片機系統(tǒng) AT89C51 功能概述 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 PEROM 和 128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 FLASH 存儲單元，功能強大。 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) FLASH 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通訊口，內(nèi)置一個精密比較器， 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，同時AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的工作模式，空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時計數(shù)器，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 （ 1） 引腳功能說明 MCS51 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請參見圖 ： 圖 AT89C51 的引腳圖 VCC：電源電壓； GND：地； P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。作輸入口使用時，因 為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。 P2 口： P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯們電路。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。在訪問 8 位地址的外部數(shù) 據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVXRI）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。 P3 口： P3 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P3 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯們電路。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。 RST：復(fù)位輸入。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使 CPU僅訪問外部程序存儲器（ 0000H—FFFFH）， EA 端必須保持低電平接地，需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位是內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V的編程允 許電源 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。 XTAL2：振蕩器反相放大器輸出端 （ 2） 時鐘振蕩器 AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。 外接石英晶體或陶瓷振蕩器及電容 C1， C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。 10PF，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇 40PF177。 圖 時鐘振蕩電路 （ 3）復(fù)位電路 計算機在啟動運行是都需要復(fù)位，使中央處理器 CPU 和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。只要 RST 保持高電平，則 MCS51 循環(huán)復(fù)位。本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位方式的復(fù)位電路。使器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平， MCS51保持復(fù)位狀態(tài)。 RST 變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位， CPU 從初始狀態(tài)開始工作。在 RST 復(fù)位端接一個電容至 VccHE 一個電阻至 Vss，就能實現(xiàn)上電自動復(fù)位，對于 CMOS 單片機只要接一個電容至 Vcc 即可。 RST 端在加電時應(yīng)保持的高電平時間包括 Vcc 的上升時間和振蕩器起振時間， Vcc 上升時間若為 10ms，振蕩器起振時間和頻率有關(guān)。圖 中， RC時間常數(shù)越大，上電時 RST 端保持高電平的時間越長。如圖所示 圖 24 上電和開關(guān)復(fù)位 而我們在這次的畢業(yè)設(shè)計中運用的人工復(fù)位電路 . 其中電平復(fù)位是通過 RST端經(jīng)電阻 和電源 Vcc 接通而實現(xiàn)的，按鍵手動電平復(fù)位電路如圖。 （ 5） 上拉電阻的作用 P0 口沒有上拉電阻，故作為普通 IO 口用的時候，須加上拉電阻。一般上拉電阻取值為 1KΩ 10KΩ。 晶體震蕩器電路如圖 25所示， 圖 25晶體震蕩器電路圖 （ 6）振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸 出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下， CPU停止工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 如圖 26： 圖 26AT89C52 外圍電路圖 （ 8）電源部分 因為電路中的 AT89C52 單片機的工作電壓是 +5V，而步進(jìn)電機的工作電壓是+12V ，根據(jù)穩(wěn)壓電源的設(shè)計要求及其技術(shù)指標(biāo)，結(jié) 合本系統(tǒng)的功率要求及安裝方便實用，本實驗用電容整流濾波再經(jīng)集成穩(wěn)壓管 7805/7812 后得到直流 +5V和 +12V 電壓。 其硬件電路如下示： 圖 27 輸出 +5V電壓 圖 28 輸出 +12V 電壓 AT89C52 接電機驅(qū)動電路 接數(shù)碼管段選端 EA接 +5v Reset 接復(fù)位電路 X1,X2 接晶振電路 接鍵盤控制電路 , 接數(shù)碼管位選端 2． 2 步進(jìn)電機 步進(jìn)電機的分類 步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。這一線性關(guān)系的 存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。 正常情況下，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。 ： (1)反應(yīng)式步進(jìn)電機 (Variable Reluctance，簡稱 VR)反應(yīng)式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。反應(yīng)式步進(jìn)電機有單段式和多段式兩種類型； (2)永磁式步進(jìn)電機 (Permanent Mag，簡稱 PM)永磁式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應(yīng)式 )，但啟動運行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電； (3)混合式步進(jìn)電機 (Hybrid，簡稱 HB)混合式步進(jìn)電機綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點。 圖 29 目前市場上所使用的工業(yè)用步進(jìn)電機，以混和式（ HB型）最為普遍。常用 m表示。 θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) *運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機為例。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。用百分比表示：誤差/步距角 *100%。 失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。 最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 運行矩頻特性： 電機在某種測試條 件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。 電機正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機繞組通電時序為 AABBBCCCDDDA 時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DADCDCBCBABA 時為反轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。 步進(jìn)電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動 頻率，即步進(jìn)電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。如果要使電機達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用 電機的工作原理 步進(jìn)電機本質(zhì)上是一個數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器。各相夾角為 120176。）。在單三拍控制方式下 , 若 A 相通電 , B、 C 相不通電 , 在磁場作用下使轉(zhuǎn)子齒和A 相定子齒相對假設(shè)此時為初態(tài)并且令與 A 相中心對齊的轉(zhuǎn)子齒為 0 號齒 , 因為 B 相與 A 相相差 120176。 /9176。如果此時突然變?yōu)?B 相通電 , 而 A、 C 相都不通電 , 那么 , 13 號齒會在磁場的作用下轉(zhuǎn)到與相中心對齊的位置 , 這就是常說的走一步 , 此時 ,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了。那么步進(jìn)電機的步距角 Q=(360/NZ)176。 2 直流電機的原理 由直流電動機和 發(fā)電機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由 定子和轉(zhuǎn)子 兩大部分組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和 感應(yīng)電動勢，是直流電機進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 和風(fēng)扇等組成。所以旋轉(zhuǎn)電機具備靜止的和旋轉(zhuǎn)的兩大部分。靜止的部分稱為定子，作用是產(chǎn)生磁場和作為電機的機械支撐。旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子或電樞，作用是感應(yīng)電勢實現(xiàn)