【正文】 發(fā)展。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程。爪極電機(jī)價(jià)格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動(dòng)機(jī)，由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制功率小，運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制部分以單片機(jī)為主的微處理器控制。微處理器的控制方式是由軟件完成的。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。微處理器有更強(qiáng)的邏輯功能、運(yùn)算速度快、精度高、有大容量的存儲(chǔ)單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，如優(yōu)化控制等。在電動(dòng)機(jī)的控制中，要用到鍵盤和顯示器作為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。到現(xiàn)在為止，混合式步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了辦公自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用場合的主流之一，迅速發(fā)展形成規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)，它的性能指標(biāo)不斷提高，逐漸取代了變磁阻型以及永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡稱PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡稱HB）。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳—B—C—D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。對于單片機(jī)的并行控制的軟脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加、減速控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從A點(diǎn)到B點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過程。如果到終點(diǎn)時(shí)突然停下來，由于慣性作用，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生過沖現(xiàn)象，會(huì)造成位置稍微減低。所以，對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速要有嚴(yán)格的要求。圖21 步進(jìn)電機(jī)加、減速曲線為了滿足加、減速要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行通常按照加、減速曲線進(jìn)行。最簡單的是勻加速和勻減速曲線，如圖21所示。按直線加速時(shí)，加速度是不變的，因此要求轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是不變的。因此實(shí)際上當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，轉(zhuǎn)矩下降。采用指數(shù)加減速曲線或S型加減速曲線是最好的選擇，如圖所示。如果采用非線性加、減速曲線，要用離散法將加、減速曲線離散化。在程序運(yùn)行中，使用查表的方式重裝定時(shí)常數(shù)，這樣做比用計(jì)數(shù)法節(jié)省時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。三極管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”。這一過程我們稱它為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。具體原理將在后面原理圖說明中給出。然后根據(jù)市場上步進(jìn)電機(jī)規(guī)格選擇相應(yīng)合理的單片機(jī)機(jī)型。最后確定硬件和軟件的功能劃分。 系統(tǒng)功能單片機(jī)控制系統(tǒng)是以單片機(jī)（CPU）為核心部件，擴(kuò)展一些外部接口和設(shè)備，組成單片機(jī)工業(yè)控制機(jī)，主要用于工業(yè)工程控制。通過單片機(jī)存儲(chǔ)器、I/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴(kuò)展，相應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制 系統(tǒng)組成及其器件選擇 系統(tǒng)組成一、硬件組成二、系統(tǒng)監(jiān)管程序 器件選擇：EPROM2716：RAM6116：8155：74LS138：DS75452：74LS373：74LS2404鍵盤 系統(tǒng)的可靠性/抗干擾設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中首先應(yīng)考慮硬件設(shè)計(jì)的可靠性。第二，在設(shè)計(jì)中要特別注意元器件的選擇、使用和替換。未用的門電路的輸入端應(yīng)并聯(lián)接到該片要使用的輸入端，輸出端則接高電平，并注意加上適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙莸?。所以在設(shè)計(jì)中元器件的選擇應(yīng)遵循降額使用的原則，留出一定的余地。要提高軟件的可靠性，必須從設(shè)計(jì)、調(diào)試、和長期使用等方面來考慮。監(jiān)控系統(tǒng)中，中斷處理是很常用的設(shè)計(jì)方法，在主程序和中斷程序的安排上應(yīng)考慮時(shí)間分配問題，可以采用定時(shí)中斷或隨機(jī)事件中斷。第三，根據(jù)現(xiàn)場技術(shù)指標(biāo)和具體的控制精度要求選取適當(dāng)?shù)目刂撇呗浴? 軟件抗干擾措施在軟件設(shè)計(jì)中，可以采取適當(dāng)?shù)奶幚韥硖岣呦到y(tǒng)的可靠性，以保證當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)仍能正常工作。系統(tǒng)在工作時(shí)容易因干擾而使PC指向程序存儲(chǔ)器的非代碼區(qū)，從而導(dǎo)致“死機(jī)”。二、對未用的中斷向量進(jìn)行處理。三、軟件陷阱：如果因干擾導(dǎo)致單片機(jī)的指令計(jì)數(shù)器PC值被錯(cuò)置，程序跳到這些未用的程序存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)就會(huì)出錯(cuò)。如果程序跳到這些未用區(qū)域，就會(huì)執(zhí)行無條件跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯(cuò)“跑飛”處理程序[7]。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理說明：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，也是一種能把輸出機(jī)械位移增量轉(zhuǎn)換成輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器件。另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速只和輸入的脈沖頻率有關(guān)，與環(huán)境溫度、氣壓和沖擊等因素?zé)o關(guān)，也不受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，因而具有步進(jìn)精確和步距誤差不會(huì)長期積累等特點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用環(huán)形脈沖分配器進(jìn)行控制的，只在系統(tǒng)仿真時(shí)，則采用通過軟件設(shè)置方式來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行?，F(xiàn)將其工作原理闡述如下：四相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，有雙四拍或四相八拍兩種勵(lì)磁方式，拍數(shù)都是2n，因此計(jì)數(shù)器可以直接使用二——十六進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS191。計(jì)數(shù)器的輸出端Q0—Q3直接送到EPROM2716的低四位地址線A0—A3，這樣可以選通EPROM2716的十六個(gè)地址（00—0FH）。EPROM2716的第四條線A4作為勵(lì)磁方式的轉(zhuǎn)換信號輸入端，其它地址都接地，當(dāng)A4為低電平時(shí)，可選通00H—00FH之間的十六個(gè)地址：當(dāng)A4為高電平時(shí)，可選通010H—01FH之間的十六個(gè)地址，其中001—00FH空間為四相八拍狀態(tài)，存儲(chǔ)兩個(gè)循環(huán)，而010H—01FH空間為雙四拍狀態(tài)，存儲(chǔ)四個(gè)循環(huán)。LS191的數(shù)據(jù)輸入端A、B、C、D各管腳接地，而腳11是置數(shù)端。因此，管腳11通過電阻10Ω拉到高電平，引出線作為清零端（復(fù)位），當(dāng)輸入一個(gè)低電平時(shí)，LS191輸出為零，可選通EPROM2716的地址0000H或0010H，EPROM2716輸出狀態(tài)為A（四相八拍時(shí)）或（雙四拍時(shí)）。在需要零狀態(tài)時(shí)，可將零狀態(tài)內(nèi)容的第四位存儲(chǔ)。這樣，在環(huán)形運(yùn)行過程中，每出現(xiàn)一個(gè)零狀態(tài)，D4線上出現(xiàn)一次低電平。 系統(tǒng)模塊之二—四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有很多種，如雙電壓驅(qū)動(dòng)，斬波驅(qū)動(dòng)等。由控制系統(tǒng)原理圖看出，本設(shè)計(jì)采用了單電壓驅(qū)動(dòng)方式，過電流保護(hù)和短路保護(hù)。關(guān)于8155并行口的擴(kuò)展與編程方法，及8155并行口的鍵盤掃描及LED動(dòng)態(tài)顯示程序的編程，將在后面一一闡述。 系統(tǒng)模塊之四—中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路一、中斷系統(tǒng)鑒于中斷的分時(shí)操作、實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)系統(tǒng)要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要在運(yùn)行過程中急停車，或者實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床中自動(dòng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，為此在程序執(zhí)行中引入了兩個(gè)中斷。因外部中斷0和外部中斷，被設(shè)置為電平觸發(fā)方式，故在系統(tǒng)原理圖中，將INT0和INT1兩個(gè)端口接到邏輯電平開關(guān)電路上。復(fù)位電路單片機(jī)在接通電源啟動(dòng)或出現(xiàn)故障后，程序需要從頭開始，機(jī)器內(nèi)全部寄存器、I/O口等都必須重新復(fù)位，所以外接復(fù)位電路。RST/VPD端的高電平直接由上電瞬間產(chǎn)生為上電復(fù)位，通過按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位為手動(dòng)復(fù)位。按下A，則直接把+5 V加到RST/PVD端，即手動(dòng)復(fù)位?，F(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)具體要求，計(jì)算、選擇整流二極管及濾波電容器[10]。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要求直流電壓220 V，負(fù)載（線圈） A；單片機(jī)要求直流5 V。MCS—51系列單片機(jī)的主要特性如下：8位字長CPU和指令系統(tǒng)一個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器和時(shí)鐘電路4 Kbytes 程序存儲(chǔ)器(ROM)128 bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)32條雙向且分別可尋址的I/O口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令21個(gè)專用寄存器2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級一個(gè)全雙工串行通信口外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64 KB外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64 KB邏輯操作位尋址功能布爾處理器MCS—51系列不同類型的單片機(jī)除上述主要特性外，還有不同的附加特性。各引腳功能說明如下：Vcc（40）接+5V；Vss（20）接地。XTAL2（18）—片內(nèi)反相放大器的輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。（1）RST/Vpd（9）—當(dāng)作為RST使用時(shí)，為復(fù)位輸入端。在RST與VCC引腳之間連接一個(gè)約10 μF的電容， K的電阻，以保證可靠的上電復(fù)位功能。（2）EA/Vpp（31）—如使用片內(nèi)有ROM/PROM的8051/8751，EA端必須接高電平，當(dāng)PC值小于0FFFH，CPU訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)PC值大于0FFFH且內(nèi)部的程序。對片內(nèi)EPROM編程時(shí)，此引腳接入21V編程電壓。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以振蕩器頻率的1/6固定速率輸出正脈沖信號，此時(shí)可用它作為對外輸出的時(shí)鐘或定時(shí)脈沖。對片內(nèi)EPROM編程時(shí)，該引腳（PROG）用于輸入編程脈沖。圖41 MCS—51單片機(jī)引腳圖（4）PSEN（29）—外部程序存儲(chǔ)器讀選通控制信號，以區(qū)別讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但在此期間內(nèi)，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次PSEN有效信號將不出現(xiàn)。（1）P0口（32—39）—8位漏極開路雙向I/O口。在對片內(nèi)EPROM編程時(shí)，P0口接受指令代碼；而在內(nèi)部程序驗(yàn)證時(shí)，輸出指令代碼，并要求外接上拉電阻。（2）P1口（1—8）—8位具有內(nèi)部上拉電阻的準(zhǔn)雙向I/O口。P1口能驅(qū)動(dòng)3個(gè)LSTTL負(fù)載。在外接存儲(chǔ)器時(shí)，P2口做為高8位地址總線。P2口能驅(qū)動(dòng)3個(gè)LSTTL負(fù)載。每一位又具有特殊功能（或稱第二變異功能）：一個(gè)8位CPU；◆ 一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；◆ 4K字節(jié)ROM程序存儲(chǔ)器；◆ 128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；◆ 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；◆ 可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K外部程序存儲(chǔ)器空間的控制電路；◆ 32條可編程的I/O線（四個(gè)8位并行I/O端口）；◆ 一個(gè)可編程全雙工串行口；◆ 具有五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)； 時(shí)鐘電路與時(shí)序MCS—51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶振或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器。下面闡述有關(guān)CPU時(shí)序的概念。也稱為狀態(tài)周期，用S表示。MCS—51單片機(jī)中一個(gè)時(shí)鐘周期為振蕩周期的2倍。完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱為機(jī)器周期。 XTAL1XTAL2 20pf 6MHZ20pf圖42 時(shí)鐘電路指令周期：完成一條指令所需要的時(shí)間。4周期指令只有乘、除兩條指令。每個(gè)端口都是8位準(zhǔn)雙向口，共占有32根引腳。在無片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這四個(gè)端口的每一位都可以作為準(zhǔn)雙向通用I/O端口使用。（1）P0口I/O口的每位鎖存器均由D觸發(fā)器組成，用來鎖存輸入/輸出的信息。兩個(gè)三態(tài)緩沖器，一個(gè)用來“讀引腳”信息，即將I/O端引腳上的信息讀內(nèi)部總線，送CPU處理；另一個(gè)用來讀鎖存器，即把鎖存器內(nèi)容讀入內(nèi)部總線上，送CPU處理。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，由于外部輸入信號既加在緩沖輸入端上，又加在驅(qū)動(dòng)電路的漏極上，如果這時(shí)下面的FET是導(dǎo)通的，則引腳上的電位始終被鉗位在0電平上，輸入數(shù)據(jù)不可能正確的讀入。這就是所謂的準(zhǔn)雙向口。（2）P1口也是一個(gè)八位準(zhǔn)雙向并行I/O口，做通用I/O口使用。當(dāng)進(jìn)行寫操作時(shí)，寫鎖存器脈沖將內(nèi)部總線送入D端的信息寫入鎖存器，再由Q端去驅(qū)動(dòng)FET。（3）P2口P2口在結(jié)構(gòu)上比P1口多了一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換控制部分，多路開關(guān)MUX由CPU命令控制。P2口既可作為通用I/O口使用，有可作為地址總線口，傳送地址高8位。在外接程序存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，由于訪問外部程序存儲(chǔ)器的操作連續(xù)不斷，P2口將不斷輸出高八位地址，故這時(shí)P2口不再作通用I/O口使用。若外部RAM容量較大（超過256B），則使用MOVX DPTR類指令訪問外部RAM。輸出地址時(shí)，通過CPU控制內(nèi)部轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)向地址輸出，故輸出鎖存器的內(nèi)容不會(huì)在輸出地址過程中改變，所以訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器周期結(jié)束后，多路開關(guān)自動(dòng)切換到鎖存器Q端，P2口輸出鎖存器的內(nèi)容又回重新出現(xiàn)在引腳上。在外部RAM容量不太大時(shí)，通過采用軟件方法，將所需的高位地址，例如只需要A8—A10三位，—，再用指令MOVX PV Ri訪問外部RAM。（4）P3口P3口是一個(gè)多功能端口當(dāng)P3口作為通用I/O口使用時(shí)，第二輸出端應(yīng)保持高電平。（5）I/O口讀—修改—寫操作從上可見，每個(gè)I/O口均有兩種讀入方法：讀鎖存器和讀引腳，并有相應(yīng)的指令。在讀—修改—寫指令中，目的操作數(shù)必須是一個(gè)I/O口或I/O口的某一位。讀引腳指令一般都是一I/O端口為源操作數(shù)的指令，執(zhí)行讀引腳指令時(shí)，輸入口狀態(tài)。表41P3口第二功能端 口 功 能第 二 功 能RXD串行輸入（數(shù)據(jù)接收）TXD串行輸出（數(shù)據(jù)發(fā)送）外部中斷0輸入線外部中斷1輸入線T0 定時(shí)器0外部輸入T1 定時(shí)器1外部輸入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號輸出外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號輸入對“讀—修改—寫”指令，直接讀鎖存器Q端而不是讀引腳的原因是為了避免錯(cuò)讀引腳上電平的可能性。而鎖存器Q端讀取，就能避免這樣的錯(cuò)誤，得到正確的數(shù)據(jù)，（6）I/O口的負(fù)載能力P0口的每位輸出可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入，但把它作為通用I/O口使用時(shí)，輸出級是開漏電路，故用它驅(qū)動(dòng)CMOS輸入時(shí)需外接上拉電阻；而把它作地址/數(shù)據(jù)總線用時(shí)，則無需外接上拉電阻。對CMOS型單片機(jī)，當(dāng)N和P3口作輸入方式時(shí)，任何TTL或NM05電路都能以正常的方式去驅(qū)動(dòng)這些口。單片機(jī)的片外引腳也呈三總線結(jié)構(gòu)，這三總線是地址總線（AB），數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB），所有的外部芯片都是通過