【正文】 先簡單介紹了步進電機的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅(qū)動方案，在這個基礎(chǔ)上提出了自己的設(shè)計目的，即設(shè)計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應(yīng)性強，操作方便，交互性強，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)效果的步進電機控制系統(tǒng)。具體安排如下 : 第一章為緒論，介紹了步進電機的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng) 方案和常見的驅(qū)動方案，了解各種方案的優(yōu)缺點，提出自己的思路和設(shè)計目的。 第三章為步進電機控制系統(tǒng)概述，在框架結(jié)構(gòu)上對整個系統(tǒng)進行介紹，而且重點闡述基于單片機的控制系統(tǒng)的一般框架，為自己的設(shè)計提供有力的支持。 第四章為系統(tǒng)硬件設(shè)計，先提出框架，然后分別闡述單片機端 12 口分配、外圍電路、驅(qū)動電路的設(shè)計。 在負載正常范圍的情況下，步進電機的運行狀態(tài)只和數(shù)字脈沖發(fā)生器提供的信號的頻率和脈沖占空比有關(guān)，一般情況下，電機的狀態(tài)不受負載的影響。這種采用弱點控制強電的控制方式使得步進電機在速度、位移等控制領(lǐng)域有著普通電機不能比擬的優(yōu)勢。在小步距情況下，通常可以在超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負載； 速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。 步進電機的分類 步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。 反應(yīng)式步進電機 反應(yīng)式步進電機 (簡稱 VR)反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。反應(yīng)式步進電機有單段式和多段式兩種類型。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。 混合式步進電機 混合式步進電機 (簡稱 HB)混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁 15 式兩者的優(yōu) 點。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 [12] 步進電機的運行原理闡述 圖 四相步進電機原理圖 開始時，開關(guān) SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子0、 3 號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、 D 相 繞組磁極 16 產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。而 0、 3 號齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 四相步進電機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)化為運動控制系統(tǒng)能接受的電信號，運動控制系統(tǒng)隨之作出反應(yīng)，完成規(guī)定動作。典型的運動控制系統(tǒng)應(yīng)由三部份構(gòu)成 :控制部分、驅(qū)動部分、執(zhí)行部分。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的 。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅(qū)動步進電機?？刂撇竭M脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。不同的控制方案，步進控制器、驅(qū)動器也有不同的類型。下面著重介紹以單片機為控制器的步進電機控制系統(tǒng)。它具有輸入脈沖與電機軸轉(zhuǎn)角成比例的特征，將脈沖信號轉(zhuǎn) 變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。 圖 32 單片機控制步進電機控制系統(tǒng) 前面已經(jīng)介紹過，驅(qū)動脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實現(xiàn)。但硬件方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。因此，常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅(qū)動器。 采用單片機來控制步進電機，實現(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，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動電路。轉(zhuǎn)動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動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) 。 整個系統(tǒng)以單片機為核心，設(shè)計出硬件系統(tǒng)。 由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為 20 一個外部中斷源，和單片機端口連接，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次 、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。待驅(qū)動、晶振、復(fù)位、鍵盤、 LED 顯示各個電路的設(shè)計完成之后，進行硬件合成，就是一個完整的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用了一片 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機作為步進電機控制器的核心運算器件，利用單片機強大的運算能力和可編程的特點，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的步進電機控制功能。而且可以做到人機交換，使控制更加的直觀和方便，各種運行狀態(tài)也都有相應(yīng)的指示，使操作者隨時都能對電機的運行狀況進行方便 21 的了解。本系統(tǒng)大致想達到以下幾個特點 : 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要簡單，把成本降到最低； 功能要較為齊全 。 為了達到以上特點，除了核心控制部件采用單片機外，在其它硬件的設(shè)計上也有一些綜合的考慮。硬件上采用了專用的系統(tǒng)程序運行監(jiān)控電路 WTD(看門狗 )。 22 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)組成 圖 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)由電源、顯示 (指示 )、單片機 (MCU )、按鍵電路、看門狗電路和電機驅(qū)動電路等組成。鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示轉(zhuǎn)速度狀態(tài)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造。 管腳說明 圖 管腳圖 VCC：供電電壓； 24 GND：接地； P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收8TTL 門電流。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P3 口還用于實現(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 定時器 0 外部輸入 T1 定時器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 P3 口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳 25 兩個 機器周期 的高電平時間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。 1 EA/VPP：當(dāng) /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）。 1 XTAL2：來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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。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) 單片機最小系統(tǒng)又稱單片機最小化系統(tǒng)。 [17] 27 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 程序存儲器，一般情況下，這 4K的存儲空間足夠我們使用，所以我們將 AT89C51芯片的第 31 腳固定接高電平（ PCB 畫板時已經(jīng)接死），所以我們只用芯片內(nèi)部的 4K 程序存儲器。 復(fù)位電路由 22UF 的電容和 1K 的電阻組成，其好處是在滿足單片機可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復(fù)位電路的抗干擾能力。 晶振電路 :典型的晶振取 (因為可以準(zhǔn)確地得到9600波特率和 19200 波特率 ,用于有串口通訊的場合 )/12MHz(產(chǎn)生精確的 us 級時歇 ,方便定時操作 ) 特別注意 :對于 31 腳 (EA/Vpp),當(dāng)接高電平時 ,單片機在復(fù)位后從內(nèi)部 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行 。 外圍電路設(shè)計 顯示電路 — LCD1602 優(yōu)點 28 (1)顯示質(zhì)量高 由于液晶顯示器每一個點在收到信號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。 (2)數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。 (4)功耗低 相對而言，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、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機、 PDA 移動通信工具等眾多領(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。 29 液晶顯示器各種圖形的顯示原理 (1)線段的顯示 點陣圖形式液晶由 M N 個顯示單元組成，假設(shè) LCD 顯示屏有 64行，每行有 128 列，每 8 列對應(yīng) 1 字節(jié)的 8 位，即每行由 16 字節(jié)，共 16 8=128 個點組成，屏上 64 16 個顯示單元與顯示 RAM 區(qū) 1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。這就是 LCD 顯示的基本原理。這樣一來就組成某個字符。 (3)漢字的顯示 漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占 32B，分左右兩半，各占 16B，左邊為 5??右邊為 6??根據(jù)在 LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示 RAM 對應(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 1，送第二個字 30 節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié) ?? 直到 32B 顯示完就可以 LCD上得到一個完整漢字。 (1)1602LCD 主要技術(shù)參數(shù) 顯示容量 :16 2 個字符 芯片工作電壓 :— 工作電流 :() 模塊最佳工作電壓 : 字符尺寸 : (W H)mm 圖 LCD1602 31 (2)LCD1602 一般復(fù)位過程 ○ 1 延遲 15ms； ○ 2 寫指令 38H(不檢測忙信號 )； ○ 3 延遲 5ms； ○ 4 寫指令38H(不檢測忙信號 )； ○ 5 延遲 5ms； ○ 6 寫指令 38H(不檢測忙信號 )； ○ 7以后每次寫指令、讀 /寫數(shù)據(jù)操作均檢測忙信號； ○ 8 寫指令 38H：顯示模式設(shè)置； ○ 9 寫指令 08H：顯示關(guān)閉； ○10寫指令 08H：顯示關(guān)閉；○11寫指令 06H。 (3)引腳功能說明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 2 所示 : 表 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 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 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 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 背光源負極 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 第 714 腳： D0D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。（說明： 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：顯示開關(guān)控