【正文】 、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全、適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便、交互性強(qiáng)，可靠性高的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 論文安排 本論文首先簡(jiǎn)單介紹了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)的控制系統(tǒng)方案和常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方案，在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了自己的設(shè)計(jì)目的，即設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，交互性強(qiáng)，可靠性高，而且能在目前的職業(yè)教學(xué)中得到事半功倍的教學(xué)效果的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。具體安排如下 : 9 第一章為緒論，介紹了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)的控制系 統(tǒng)方案和常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方案，了解各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出自己的思路和設(shè)計(jì)目的。 第三章為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)概述，在框架結(jié)構(gòu)上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，而且重點(diǎn)闡述基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的一般框架，為自己的設(shè)計(jì)提供有力的支持。 第四章為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，先提出框架，然后分別闡述單片機(jī)端口分配、外圍電路、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 在負(fù)載正常范圍的情況下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只和數(shù)字脈沖發(fā)生器提供的信號(hào)的頻率和脈沖占空比有關(guān)，一般情況下，電機(jī)的狀態(tài)不受負(fù)載的影響。這種采用弱點(diǎn)控制強(qiáng)電的控制方式使得步進(jìn)電機(jī)在速度、位移等控制領(lǐng)域有著普通電機(jī)不能比擬的優(yōu)勢(shì)。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，通常可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載 ； 速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。 步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類(lèi)型。按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (簡(jiǎn)稱(chēng) VR)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類(lèi)型 。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。 混合式步進(jìn)電機(jī) 混合式步進(jìn)電機(jī) (簡(jiǎn)稱(chēng) HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。由于能夠開(kāi)環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得 到廣泛應(yīng)用。 [12] 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理闡述 12 圖 四相步進(jìn)電機(jī)原理圖 開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān) SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開(kāi)， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號(hào)齒就和 C、 D 相 繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就和D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。而 0、3 號(hào)齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高 控制精度。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能接受的電信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)隨之作出反應(yīng)，完成規(guī)定動(dòng)作。典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)由三部份構(gòu)成 :控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行部分。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的 。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，加以放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)?？刂撇竭M(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。不同的控制方案，步進(jìn)控制器、驅(qū)動(dòng)器也有不同的類(lèi)型。下面著重介紹以單片機(jī)為控制器的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。它具有輸入脈沖與電機(jī)軸轉(zhuǎn)角成比例的特征，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn) 變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。 圖 32 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 前面已經(jīng)介紹過(guò)，驅(qū)動(dòng)脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)。但硬件方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。因此，常把單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制電路稱(chēng)之為可編程步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。(1)單相三拍方式 (按單相繞組施加電流脈沖 ):A B C 一正轉(zhuǎn) 。 (2) 雙相三拍方式 ( 按雙相繞組施加電流脈沖 ):ABBCCA 一正轉(zhuǎn) 。 (3)三相六拍方式 (單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖 ):AABBBCCCA 一正轉(zhuǎn) 。 整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)。 由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤(pán)作為一個(gè)外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢(xún)相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。待驅(qū)動(dòng)、晶振、復(fù)位、鍵盤(pán)、 LED 顯示各個(gè)電路的設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行硬件合成，就是一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用了一片 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制器的核心運(yùn)算器件，利用單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和可編程的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制功能。而且可以做到人機(jī)交換，使控制更加的直觀和方便，各種運(yùn)行狀態(tài)也都有相應(yīng)的指示，使操作者隨時(shí)都能對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行方便的了解。本系統(tǒng)大致想達(dá)到以下幾個(gè)特點(diǎn) : 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，把成本降到最低； 功能要較為齊全 。 為了達(dá)到以上特點(diǎn)，除了核心控制部件采用單片機(jī)外，在其它硬件的設(shè)計(jì)上也有一些綜合的考慮。硬 件上 采 用 了專(zhuān) 用 的 系統(tǒng) 程 序 運(yùn)行 監(jiān) 控 電 路16 WTD(看門(mén)狗 )。 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成 圖 4. 1 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng) 由 電 源 、顯示 ( 指示 )、單片機(jī) (MCU )、按 鍵 電 路 、看門(mén)狗電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。鍵盤(pán)作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢(xún)相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示轉(zhuǎn)速度狀態(tài)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造。 管腳說(shuō)明 圖 管腳圖 VCC：供電電壓 ； GND：接地； P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存18 儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P3 口還用于實(shí)現(xiàn) AT89C51 的各種第二功能，如下表所列： 表 P3 口 功能 引腳口 功 能 RXD 串行輸入端口 TXD 串行輸出端口 INT0 外中斷 0 INT1 外中斷 1 T0 定時(shí)器 0 外部輸入 T1 定時(shí)器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 P3 口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè) 機(jī)器周期 的高電平時(shí)間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 1 EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 19 1 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。 芯片擦除 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。 最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)又稱(chēng)單片機(jī)最小化系統(tǒng)。 [17] 圖 AT89C51 最小系統(tǒng)電路 采用的是AT89C51 芯片，它內(nèi)部自帶 4K 的FLASH 程序存儲(chǔ)器，一般情況下，這 4K的存儲(chǔ)20 空間足夠我們使用，所以我們將 AT89C51 芯片的第 31 腳固定接高電平（ PCB 畫(huà)板時(shí)已經(jīng)接死），所以我們只用芯片內(nèi)部的 4K 程序存儲(chǔ)器。 復(fù)位電路由 22UF 的電容和 1K 的電阻組成，其好處是在滿(mǎn)足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。 晶振電路 :典型的晶振取 (因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到 9600 波特率和19200 波特率 ,用于有串口通訊的場(chǎng)合 )/12MHz(產(chǎn)生精確的 us 級(jí)時(shí)歇 ,方便定時(shí)操作 ) 特別注意 :對(duì)于 31 腳 (EA/Vpp),當(dāng)接高電平時(shí) ,單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部 ROM的 0000H 開(kāi)始執(zhí)行 。 外圍電路設(shè)計(jì) 顯示電路 — LCD1602 優(yōu)點(diǎn) (1)顯示質(zhì)量高 由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（ CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。 (2)數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。 (4)功耗低 相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng) IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、 PDA 移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。 液晶顯示器各種圖形的顯示原理 (1)線段的顯示 點(diǎn)陣圖形式液晶由 MN 個(gè)顯示單元組成，假設(shè) LCD 顯示屏有 64 行，每行有128 列，每 8 列對(duì)應(yīng) 1 字節(jié)的 8 位，即每行由 16 字節(jié)，共 168=128 個(gè)點(diǎn)組成，屏上 6416 個(gè)顯示單元與顯示 RAM 區(qū) 1024 字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。這就是 LCD 顯示的基本原理。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。 (3)漢字的顯示 漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提取軟件），每個(gè)漢字占 32B，分左右兩半，各占 16B，左邊為 5?? 右邊為 6?? 根據(jù)在 LCD 上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)可找出顯示 RAM 對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加22 1，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對(duì)齊，送第三個(gè)字節(jié) ?? 直到 32B 顯示完就可以 LCD上得到一個(gè)完整漢字。 (1)1602LCD 主要技術(shù)參數(shù) 顯示容量 :162 個(gè)字符 芯片工作電壓 :— 工作電流 :() 模塊最佳工作電壓 : 字符尺寸 :(WH)mm 圖 LCD1602 (2)LCD1602 一般復(fù)位過(guò)程 ○ 1 延遲 15ms； ○ 2 寫(xiě)指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào) )； ○ 3 延遲 5ms； ○ 4 寫(xiě)指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào) )； ○ 5 延遲 5ms； ○ 6 寫(xiě)指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào) )； ○ 7 以后每次寫(xiě)指令、讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù)操作均檢測(cè)忙信號(hào)； ○ 8 寫(xiě)指令 38H：顯示模式設(shè)置； ○ 9 寫(xiě)指令 08H：顯示關(guān)閉； ○10寫(xiě)指令 08H：顯示關(guān)閉； ○11寫(xiě)指令 06H。 (3)引腳功能說(shuō)明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無(wú)背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明如表 2 所示 : 23 表 引腳接口說(shuō)明表 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫(xiě)選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號(hào) 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度。 第 5 腳： R/W 為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。 第 714 腳： D0D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。（說(shuō)明： 1 為高電平、 0 為低電平） 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置。 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。 指令 4：顯示開(kāi)關(guān)控制。 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示