基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.docx

基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 摘要步進(jìn)電機(jī)是一種通過(guò)電磁脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電元件，其有易于開環(huán)精確控制、無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。目前步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在高校教學(xué)中也越來(lái)越得到重視。有感于目前高校步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常過(guò)于復(fù)雜昂貴，很難有效地使學(xué)生了解步進(jìn)電機(jī)的控制方法并且親自動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，因此本文研究的內(nèi)容就是一套硬件系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但功能齊全、適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便，能夠把數(shù)字電路、模擬電路、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)的步進(jìn)電機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文首先描述了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展應(yīng)用情況，以及常見(jiàn)的控制方式。然后以單片機(jī)為主控制器設(shè)計(jì)了一整套的控制方案，以及完整的程序流程以及設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 教學(xué)平臺(tái) 控制方式 the stepping motor control system based on scmabstract:stepping motor is a kind of component using electric pulse signal to control winding elements to realize angular displacement. it is easy to realize accurate control, no accumulated error an so on. thus, it is got extensive application. stepper motor control technology has now more mature.and it more and more taken seriously in teaching in college. feeling the stepper motor test system in college are usually too expensive and complicated. it is difficult to make students understand the principle of stepper motor and fulfill the experiment. therefore, the contents of this paper is design a simple step motor control system, which has complete function, strong adaptability, easy to operate, high dependability, missing electronic technique, scm technique and motor control technique. this paper describes the stepper motor application development, and common control first. then, using scm as a main controller to put forward the whole system, and the complete process flow and design.key words: stepping motor,scm, education platform, control目錄1.1 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展前景41.2 國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀51.3 課題背景及意義71.4 主要技術(shù)指標(biāo)7第二章 總體方案設(shè)計(jì)72.1 系統(tǒng)工作原理82.1.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理82.1.2 步進(jìn)電機(jī)控制方式82.2系統(tǒng)控制方案論證92.2.1 控制系統(tǒng)選擇92.2.2 控制電路選擇92.2.3 單片機(jī)控制信號(hào)方式選擇102.2.4 外圍設(shè)備方案選擇112.2.5 鍵盤的選擇11第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)123.1 系統(tǒng)框圖123.2 硬件選擇與設(shè)計(jì)123.2.1 控制器選擇123.2.2 at89s51外部電路153.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片183.2.4 光電編碼器203.2.5 光電編碼器與單片機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸單元223.2.6 電源設(shè)計(jì)22第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)234.1總體設(shè)計(jì)思想234.1.1系統(tǒng)的工作過(guò)程234.1.2程序設(shè)計(jì)方法選擇234.1.3編程語(yǔ)言的選擇244.2程序的設(shè)計(jì)264.2.1 各功能程序設(shè)計(jì)方案264.2.2 主程序37總 結(jié)38致 謝39參考文獻(xiàn)40附錄1：部分程序清單41附錄2：硬件電路原理圖47第一章 緒論1.1 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展前景 步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年代由英國(guó)人所開發(fā)。1950年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過(guò)不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣?huì)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿足工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中較有自己特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)的特征：1) 高精度的定位：步進(jìn)電機(jī)最大特征即是能夠簡(jiǎn)單的做到高精度的定位控制。以5相步進(jìn)電機(jī)為例：其定位基本單位(分辨率)為0.72(全步級(jí))/0.36(半步級(jí))，是非常小的；停止定位精度誤差皆在3分(0.05)以內(nèi)，且無(wú)累計(jì)誤差，故可達(dá)到高精度的定位控制。(步進(jìn)電機(jī)的定位精度是取決于電機(jī)本身的機(jī)械加工精度)2) 位置及速度控制: 步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的角度控制(位置控制)，并可得到與該脈沖信號(hào)周波數(shù)(頻率)成比例的回轉(zhuǎn)速度。3) 步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下(無(wú)脈波信號(hào)輸入時(shí))，仍具有激磁保持力，故即 使不依靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。4) 動(dòng)作靈敏：步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越,所以可做到瞬時(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動(dòng)作。5) 開環(huán)系統(tǒng)控制、不必依賴傳感器定位：步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，不需要速度感應(yīng)器(encoder、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī))及位置傳感器(sensor)，就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場(chǎng)合下使用。6) 中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。7) 高信賴性：使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤動(dòng)作少，所以在檢查及保養(yǎng)時(shí)也較簡(jiǎn)單容易。8) 小型、高功率：步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。由于不僅電機(jī)的以上特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機(jī)控制成本低廉，硬件簡(jiǎn)單并可靠，因此在需要精確控制角度的大量應(yīng)用，如數(shù)控機(jī)床、繪圖儀等。1.2 國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 步進(jìn)電機(jī) 行業(yè)整體運(yùn)行態(tài)勢(shì)良好.國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，特別是改革開放20多年以來(lái)的快速發(fā)展，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。目前， 國(guó)步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)及配套廠家在1000家以上，并且以每年8%的速度遞增，產(chǎn)量已占世界產(chǎn)量的60%以上，已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中不可缺少的基礎(chǔ)性工業(yè)。國(guó)民經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為電機(jī)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供了無(wú)限的發(fā)展空間。世界電機(jī)制造基地正在快速地向中國(guó)轉(zhuǎn)移。當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)全球化和科技高新化這兩大趨勢(shì)正向 們迎面撲來(lái)，全球步進(jìn)電機(jī)年需求量在50億臺(tái)以上，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)的國(guó)際化已基本形成。加入wto后，國(guó)家對(duì)中小企業(yè)的保護(hù)政策如進(jìn)口關(guān)稅逐步降低，直到取消關(guān)稅，國(guó)外電機(jī)憑借其優(yōu)越的品質(zhì)和低廉的價(jià)格進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而出口到國(guó)外的電機(jī)各國(guó)行業(yè)協(xié)會(huì)或政府紛紛設(shè)置了許多技術(shù)壁壘，更讓國(guó)產(chǎn)的電機(jī)全面卷入與世界電機(jī)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)之中。因此，質(zhì)量將成為競(jìng)爭(zhēng)的核心和焦點(diǎn)。目前，步進(jìn)電機(jī)在國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要集中在東南沿海的江、浙、滬、閩、粵等五省市和華北地區(qū)，全國(guó)步進(jìn)電機(jī)企業(yè)約1000多家，由國(guó)有企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)、外資或合資企業(yè)等多種經(jīng)營(yíng)成分共同組成，其中85%以上為中小型民營(yíng)企業(yè)和部分外資或合資企業(yè)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和技術(shù)改造，企業(yè)的整體實(shí)力得到了增強(qiáng)，生產(chǎn)技術(shù)水平有較大提高，質(zhì)量管理體系比較健全，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)在 國(guó)的發(fā)展分兩個(gè)階段。第一階段，順應(yīng) 國(guó)家電業(yè)發(fā)展的需要，應(yīng)用于風(fēng)扇、空調(diào)器、冰箱、洗衣機(jī)、排油煙機(jī)、小家電、保健器具等產(chǎn)品的步進(jìn)電機(jī)，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、設(shè)備引進(jìn)吸收，已縮小了同發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，部分產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，企業(yè)具有了很強(qiáng)的自主研發(fā)能力、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也形成了一些具有廣泛市場(chǎng)知名度的產(chǎn)品品牌。電機(jī)產(chǎn)品在自身大量出口歐美等國(guó)際市場(chǎng)的同時(shí)也隨著風(fēng)扇、空調(diào)器等家電主機(jī)產(chǎn)品暢銷國(guó)際市場(chǎng)，成為 國(guó)機(jī)電出口業(yè)務(wù)的主要部分。第二階段，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用步進(jìn)電機(jī)的需求也迅速增長(zhǎng)，帶動(dòng)了以永磁直流和無(wú)刷直流電機(jī)為主體的車用功能型步進(jìn)電機(jī)的興起。但是，由于這些產(chǎn)品具有相對(duì)技術(shù)難度大、設(shè)備投入大、品種規(guī)格變化大的特點(diǎn)，另外，電機(jī)本身產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量直接關(guān)系到整車的可*性及品牌聲譽(yù)。針對(duì)這種情況，國(guó)內(nèi)一些步進(jìn)電機(jī)主導(dǎo)企業(yè)主動(dòng)出擊，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、國(guó)際合作和技術(shù)攻關(guān)，逐步掌握了這類產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)，其產(chǎn)品已逐漸被世界知名汽車制造企業(yè)所接受，正在成為世界汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)商。盡管步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)廠家眾多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，但正在向生產(chǎn)相對(duì)集中的方向發(fā)展。隨著 國(guó)體制改革的不斷深入，以長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲為主體的步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)密集帶正在逐步形成，步進(jìn)電機(jī)的龍頭企業(yè)的市場(chǎng)占有率不斷提高。以空調(diào)用送風(fēng)電機(jī)為例，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家主要有臥龍控股集團(tuán)、杭州松下電機(jī)、廣東威靈、江蘇天馬等幾家企業(yè)，占據(jù)了國(guó)內(nèi)60%左右的市場(chǎng)份額。這些廠家具有一定的投資規(guī)模，裝備先進(jìn)，生產(chǎn)工藝成熟，技術(shù)設(shè)計(jì)較為領(lǐng)先，品種規(guī)格齊全，產(chǎn)品質(zhì)量檔次高，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。特別是臥龍集團(tuán)最近與日本松下公司合資，在新品開發(fā)和技術(shù)升級(jí)方面取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)3年內(nèi)可發(fā)展成為世界最大的空調(diào)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)。步進(jìn)電機(jī)兼有技術(shù)密集型和勞動(dòng)密集型的雙重特點(diǎn)，日本、歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到國(guó)外生產(chǎn)，我國(guó)因具有巨大的市場(chǎng)潛力和豐富廉價(jià)的勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的主要接受地區(qū)，使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)具有良好的發(fā)展前景，可以充分利用先進(jìn)的技術(shù)、管理手段、原材料及勞動(dòng)力等有利條件，逐步發(fā)展成為全球步進(jìn)電機(jī)制造中心。而且我國(guó)主要的幾家行業(yè)龍頭企業(yè)生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)均符合iec國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)如下的特點(diǎn)：1）一批具有一定規(guī)模和實(shí)力的企業(yè)已經(jīng)涌現(xiàn)。國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)第一階段的發(fā)展，無(wú)論是在企業(yè)經(jīng)營(yíng)機(jī)制變革、管理制度創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新能力突破及全球化競(jìng)爭(zhēng)能力提高等諸方面，都已經(jīng)形成了自身的特色，特別是在第一階段中發(fā)展而成長(zhǎng)起來(lái)的一些行業(yè)優(yōu)勢(shì)企業(yè)，市場(chǎng)占有率較大，具有較高的顧客滿意度、較大規(guī)模、較強(qiáng)綜合實(shí)力及很好的品牌知名度。2）新產(chǎn)品開發(fā)能力不斷提升，擁有一大批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。近幾年各企業(yè)都投入大量資金進(jìn)行技術(shù)改造，引進(jìn)不少國(guó)外先進(jìn)制造設(shè)備和測(cè)試設(shè)備，如有多臺(tái)數(shù)控高速?zèng)_床、各種先進(jìn)的自動(dòng)繞線機(jī)以及各種國(guó)外先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。新產(chǎn)品開發(fā)能力有較大提升，擁有一大批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，僅臥龍控股集團(tuán)有限公司就擁有57項(xiàng)專利，并形成了批量生產(chǎn)能力。有的企業(yè)已建立批量生產(chǎn)無(wú)刷電機(jī)、振動(dòng)馬達(dá)、家電用電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、汽車電機(jī)等各類新型電機(jī)的生產(chǎn)線。3）零部件專業(yè)化生產(chǎn)水平不斷上升。為了降低生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力，步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)日趨社會(huì)化分工，生產(chǎn)規(guī)?；?、專業(yè)化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。近幾年， 國(guó)步進(jìn)電機(jī)零部件專業(yè)化生產(chǎn)水平有長(zhǎng)足進(jìn)步，許多企業(yè)都引進(jìn)和添置許多設(shè)備，以確保大批量生產(chǎn)的品質(zhì)。近年來(lái)，外資企業(yè)大量移師中國(guó)，為降低成本，都希望零部件本地化，這也大大促進(jìn) 國(guó)步進(jìn)電機(jī)零部件制造水平不斷提升。 國(guó)已出現(xiàn)一批較高水平的零部件制造廠家，產(chǎn)品除與國(guó)內(nèi)配套外，還遠(yuǎn)銷海外。過(guò)去， 國(guó)步進(jìn)電機(jī)關(guān)鍵材料的自制能力不足，不少材料還要依賴國(guó)外進(jìn)口。近幾年，這種狀態(tài)有很大變化，相當(dāng)部分材料都能自己生產(chǎn)，并形成一定規(guī)模。1.3 課題背景及意義 由于步進(jìn)電機(jī)的獨(dú)有的特性，其在工業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多。然而目前高校在步進(jìn)電機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中通常采用集成試驗(yàn)臺(tái)，這樣的方式缺點(diǎn)有二：1）集成實(shí)驗(yàn)臺(tái)價(jià)格昂貴，集成度高維修困難，難以大量配備造成學(xué)生無(wú)法人手一機(jī)影響教學(xué)效果。2）實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用便利，但內(nèi)部封閉，導(dǎo)致學(xué)生難以觀察實(shí)際的控制電路，對(duì)動(dòng)手能力與理論實(shí)踐結(jié)合能力提高有限。而本課題就是要設(shè)計(jì)一種通用性強(qiáng)，可以根據(jù)要求隨時(shí)擴(kuò)展。強(qiáng)、成本低廉、開源、可隨意擴(kuò)展的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完全由程序的控制方式使學(xué)生在編寫程序的過(guò)程中完全理解步進(jìn)電機(jī)的控制原理。1.4 主要技術(shù)指標(biāo)1、能使電機(jī)運(yùn)行于三相雙三拍和三相單雙六拍的方式。2、運(yùn)行模式有單步、連續(xù)和預(yù)置步數(shù)三種。3、預(yù)置步數(shù)運(yùn)行模式時(shí)，步數(shù)設(shè)置范圍為0-999步。4、連續(xù)運(yùn)行模式速度256檔可調(diào)。5、步進(jìn)控制脈沖輸出頻率范圍：15.3hz-3.9khz. 第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為處理器控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，以下詳細(xì)介紹步進(jìn)電機(jī)的控制方式。2.1.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖2-1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1，電機(jī)的定子上有六個(gè)均布的磁極，其夾角是60。各磁極上套有線圈，按圖1連成a、b、c三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布40個(gè)小齒。所以每個(gè)齒的齒距為e=360/40=9，而定子每個(gè)磁極的極弧上也有5個(gè)小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是30和40，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯(cuò)位的情況。若以a相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對(duì)齊，那么b相和c相磁極的齒就會(huì)分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)三分之一的齒距，即3。因此，b、c極下的磁阻比a磁極下的磁阻大。若給b相通電，b相繞組產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，其磁力線穿越b相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，直到b磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)3；此時(shí)a、c磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開三分之一齒距。接著停止對(duì)b相繞組通電，而改為c相繞組通電，同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛟俎D(zhuǎn)過(guò)3。依次類推，當(dāng)三相繞組按abca順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)按順時(shí)針?lè)较?，以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)3的規(guī)律步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。若改變通電順序，按acba順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時(shí)針?lè)较蛞悦總€(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)3的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)控制方式 1）單三拍控制方式先給繞組a通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組a對(duì)齊，再給繞組b通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組b對(duì)齊，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，再給繞組c通電，轉(zhuǎn)子齒與繞組c對(duì)齊，電機(jī)再次旋轉(zhuǎn)，依次重復(fù)給繞組a b c通電，電機(jī)即可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。單三拍控制方式是最基本的步進(jìn)電機(jī)控制方式。2）雙三拍控制方式同時(shí)給繞組a 、b通電，a與b同時(shí)獲得磁性，轉(zhuǎn)子鋸齒與a、b 兩相中間對(duì)齊，再給b、c同時(shí)通電，轉(zhuǎn)子鋸齒與b、c兩相中間對(duì)齊，再給c、a同理。雙三拍控制方式時(shí)，轉(zhuǎn)子總是同時(shí)受到兩個(gè)磁極合力影響，所以穩(wěn)定性好。 3）六拍控制方式六拍控制方式是單雙三拍控制方式結(jié)合的控制方法，具體為先給a相通電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，再給a、b同時(shí)通電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，依次類推。通電順序?yàn)閍-ab-b-bc-c-ca，六拍控制方式由于將步距角減少一半，可以提高控制精度。2.2系統(tǒng)控制方案論證2.2.1 控制系統(tǒng)選擇1.開環(huán)控制： 開環(huán)控制時(shí)沒(méi)有位置反饋，不需要光電編碼器之類位置傳感器，因此控制系統(tǒng)的價(jià)格比較便宜。為了保證定位不出錯(cuò)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率不能設(shè)計(jì)的太高，電機(jī)的機(jī)械負(fù)載不能太重。2.閉環(huán)控制閉環(huán)控制則要采用光電編碼器之類位置傳感器將電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置反饋給計(jì)算機(jī)，萬(wàn)一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步，計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置沒(méi)有達(dá)到給定值，就補(bǔ)發(fā)脈沖，直到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置和給定值一致或相當(dāng)接近為止。為了達(dá)到控制精度，并且作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要體現(xiàn)出更多的控制方法，故選用閉環(huán)控制方式。2.2.2 控制電路選擇1）電子電路控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)由脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路提供，這種控制方式成本低，電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。但擴(kuò)展能力低，一旦需求改變，需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)電路，功能單一。適合不需要擴(kuò)展的工業(yè)場(chǎng)合使用。2）基于plc的控制系統(tǒng)plc也叫可編程控制器，是一種應(yīng)用于工業(yè)的邏輯控制器。其通用性好，使用方便，硬件擴(kuò)展性強(qiáng)?？赏ㄟ^(guò)程序控制plc輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并由plc內(nèi)部的定時(shí)器控制輸出脈沖頻率以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)具有充分的可擴(kuò)展性。 但由于plc采用循環(huán)掃描方式，當(dāng)不轉(zhuǎn)速較高時(shí)，控制精度降低，并且由于plc成較高，適合需求轉(zhuǎn)速不高的大型工業(yè)場(chǎng)合。3）基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，可以使用程序代替大部分電路功能，單片機(jī)輸出脈沖，通過(guò)uln2003升壓控制步進(jìn)電機(jī)，使用程序控制正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等功能。采用單片機(jī)可以通過(guò)程序精確控制，避免失步。用軟件代替電路控制能提高系統(tǒng)的靈活性，并且通過(guò)單片機(jī)能建立顯示功能，提高系統(tǒng)的交互性。 以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)。2.2.3 單片機(jī)控制信號(hào)方式選擇1）串行控制方式串行控制中，微機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率接口之間只要兩條控制線：一條用以發(fā)送走步脈沖串(cp)，另一條用以發(fā)送控制旋轉(zhuǎn)方向的電平信號(hào)。串行通信方式信號(hào)流程圖如下：?jiǎn)纹瑱C(jī) p1.0 p1.1脈沖分配器功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)圖2-2脈沖分配器的作用是將單路脈沖轉(zhuǎn)換成多相循環(huán)變化的脈沖。它有一路輸入，多路輸出。隨著一個(gè)個(gè)脈沖的輸入，各路輸出電壓輪流變高和變低利用單片機(jī)的p1.1輸出方向電平，p1.0輸出走步觸發(fā)脈沖。產(chǎn)生走步脈沖只要先對(duì)p1.0進(jìn)行清零，過(guò)一會(huì)兒再進(jìn)行一次置位就可以了。由于任何脈沖分配器對(duì)觸發(fā)脈沖的最小脈寬都有一定的要求，所以在清零和置位之間插入的延時(shí)時(shí)間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。2 并行控制在并行控制中，微機(jī)通過(guò)數(shù)條并行口線，直接發(fā)出多相脈沖波信號(hào)，再通過(guò)功率放大后，送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組。這樣就不再需要脈沖分配器。脈沖分配器的功能可以由微機(jī)用純軟件的方法實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件和硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)p1.0p1.1p1.2單片機(jī)三相功率驅(qū)動(dòng)接口電路圖2-3串行控制的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省控制器資源，但成本較高，并行行控制方式占用控制器資源較多，但不需要外接脈沖分配器，成本較低且外部電路簡(jiǎn)單。綜合考慮本系統(tǒng)采用并行輸出方式。2.2.4 外圍設(shè)備方案選擇1）顯示設(shè)備選擇顯示設(shè)備為控制系統(tǒng)對(duì)用戶輸出信息的重要途徑，單片機(jī)的顯示系統(tǒng)通常使用數(shù)碼管(led)和液晶屏（lcd），下面會(huì)討論兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。由半導(dǎo)體發(fā)光二極管組成的數(shù)碼顯示器（簡(jiǎn)稱led）是最常用的輸出顯示設(shè)備。它以價(jià)廉、可靠、耐用，對(duì)電流、電壓要求低等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。led在脈沖工作狀態(tài)下亮度較強(qiáng)，一般每秒可導(dǎo)通100500次，每段發(fā)光二極管需要串接限流電阻，改變阻值可調(diào)亮度。單片機(jī)系統(tǒng)中l(wèi)ed為最常用的顯示輸出手段。lcd液晶顯示模塊可以顯示漢字、數(shù)字、圖形等用戶需要的大多數(shù)輸出形式，但成本高，消耗控制器資源較多，需要編寫復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序。雖然led成本低，使用方便，但由于本系統(tǒng)需要用漢字顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故選用lcd作為顯示設(shè)備。2.2.5 鍵盤的選擇鍵盤選擇方案有：矩陣式按鍵，獨(dú)立式按鍵。矩陣鍵盤由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行列線分別接在按鍵開關(guān)兩端，行線通過(guò)上拉電阻接到+5v電源上。平時(shí)按鍵無(wú)動(dòng)作時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，當(dāng)鍵被按下時(shí)行線電平狀態(tài)由與此行線相連的列電平?jīng)Q定，因此各鍵之間彼此相互發(fā)生影響，所以必須將行列信號(hào)配合起來(lái)做適當(dāng)?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位置。而按鍵采用掃描識(shí)別方法：先將行線全部置0，當(dāng)有鍵盤按下時(shí)，該列信號(hào)被拉至低電平?？膳袛嘤墟I盤按下，再依次給行信號(hào)送低電平，查看所有列信號(hào)，記錄為0的那里，行列交叉點(diǎn)即為鍵盤位置。據(jù)此分析，很容易得出矩陣鍵盤的識(shí)別方法，分兩步進(jìn)行：第一步，識(shí)別鍵盤有無(wú)鍵被按下，第二步，如果有鍵被按下，識(shí)別該建的位置。獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立每個(gè)按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其它輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但每個(gè)按鍵需要占用一根輸入線，在按鍵數(shù)量較大時(shí)，將占用較多輸入口，電路結(jié)構(gòu)就顯得復(fù)雜。故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。由于本系統(tǒng)需要的按鍵較多，且需要擴(kuò)展空間，所以選擇矩陣式按鍵。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)框圖鍵盤輸入單片機(jī)lcd步進(jìn)電機(jī)光電編碼器并行信號(hào)轉(zhuǎn)串行信號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片圖3-1系統(tǒng)工作流程：用鍵盤選擇步進(jìn)電機(jī)的工作模式，然后讀取光電編碼器測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，經(jīng)過(guò)74ls165將并行信號(hào)轉(zhuǎn)成串行信號(hào)反饋給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，發(fā)送步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),經(jīng)過(guò)uln2003芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。并在lcd上顯示步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)速等信息。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置由光電編碼器檢測(cè)得到。3.2 硬件選擇與設(shè)計(jì)3.2.1 控制器選擇 本方案選擇單片機(jī)作為控制器，單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：cpu、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是intel的8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在8031上發(fā)展出了mcs51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著intel i960系列特別是后來(lái)的arm系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過(guò)300mhz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號(hào)也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的windows和linux操作系統(tǒng)。單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò)pc機(jī)和其他計(jì)算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大本系統(tǒng)使用單片機(jī)型號(hào)為at89s51。at89s51是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用atmel公司的高密度、易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片機(jī)芯片中。1）主要性能參數(shù)： 與mcs-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 4k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)工作：0hz33mhz 32個(gè)可編程i/o口線 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 6個(gè)中斷源 全雙工uart串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 看門狗定時(shí)器 雙數(shù)據(jù)指針 靈活的isp編程（字或字節(jié)模式） 4.0-5.5v電壓工作范圍2)芯片的管腳功能：i/o口引腳：p0.0p0.7p0：雙向8位三態(tài)i/o口，此口為地址總線(低8位)及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl負(fù)載。p1.0p1.7p1:8位準(zhǔn)雙向i/o口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ls型ttl負(fù)載。p2.0p2.7p2:8位準(zhǔn)雙向i/o口，與地址總線(高8位)復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ls型ttl負(fù)載。p3.0p3.7p3:8位準(zhǔn)雙向i/o口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ls型ttl負(fù)載?？刂埔_：reset/vpd:復(fù)位信號(hào)輸入端，持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘震蕩周期）高電平有效。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此腳應(yīng)為0.5v低電平。ale/prog:地址鎖存控制信號(hào)，在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ale用與控制把p0口輸出的 低8位地址送往鎖存器鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外由于ale是以晶振的1/6的固定頻率輸出正脈沖，因此可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。psen：程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端。在單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出的負(fù)脈沖作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此腳接外部程序存儲(chǔ)器的oe(輸出允許端)。psen端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)ls型ttl負(fù)載。ea/vppea功能為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制端。當(dāng)ea端為高電平時(shí)，對(duì)rom的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)ea為低電平時(shí)，對(duì)rom進(jìn)行讀操作限定為外部程序存儲(chǔ)器。電源及時(shí)鐘引腳：電源引腳：電源引腳提供單片機(jī)的工作電源。vcc(40腳)：接+5v電源vss(20腳)：接地。時(shí)鐘引腳：兩個(gè)時(shí)鐘引腳xtal1、xtal2外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了一個(gè)振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號(hào)。2個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器 。x1(19腳)：接外部晶體的一個(gè)引腳。該引腳是內(nèi)部反相放大器的輸入端。這個(gè)反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。x2(18腳)：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。采用外部時(shí)鐘振蕩器時(shí)，該引腳接收時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)，把信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。3.2.2 at89s51外部電路單片機(jī)工作需要外接部分電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，包括復(fù)位、始終、鍵盤等，下面對(duì)系統(tǒng)使用的外接電路進(jìn)行介紹。1）復(fù)位及時(shí)鐘電路 mcs-51系列單片機(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，該高增益反相放大器的輸入端為芯片的引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖。圖3-2復(fù)位電路vcc通過(guò)電容c1濾波接地，當(dāng)s10按下時(shí)，單片機(jī)復(fù)位端口rst被拉高，復(fù)位有效。如圖所示。圖3-3 2）鍵盤圖3-4采用矩陣鍵盤的方式，行線通過(guò)電阻接+5v，程序采用逐行掃描法。該掃描法的特點(diǎn)是逐行掃描查詢，這時(shí)相應(yīng)行應(yīng)有上拉電阻接高電平。圖中行線上拉電阻接5v，列線逐列掃描。 判斷鍵盤中有無(wú)鍵按下，將全部行線置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與行線相交叉的按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無(wú)鍵按下。判斷閉合鍵所在的位置，在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過(guò)程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其他線為高電平，在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)，若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鈕就是閉合的按鍵。鍵盤列線同時(shí)接到單片機(jī)的外部中斷口，當(dāng)有鍵盤按下時(shí)進(jìn)入中斷。3）lcd顯示本系統(tǒng)采用lcd 12864作為顯示系統(tǒng)。帶中文字庫(kù)的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ascii字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。圖3-5基本特性:l 低電源電壓（vdd:+3.0-+5.5v）l 顯示分辨率:12864點(diǎn)l 內(nèi)置漢字字庫(kù)，提供8192個(gè)1616點(diǎn)陣漢字(簡(jiǎn)繁體可選)l 內(nèi)置128個(gè)168點(diǎn)陣字符l 2mhz時(shí)鐘頻率l 顯示方式：stn、半透、正顯l 驅(qū)動(dòng)方式：1/32duty，1/5biasl 視角方向：6點(diǎn)l 背光方式：側(cè)部高亮白色led，功耗僅為普通led的1/51/10l 通訊方式：串行、并口可選l 內(nèi)置dc-dc轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需外加負(fù)壓l 無(wú)需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)l 工作溫度: 0 - +55 ,存儲(chǔ)溫度: -20 - +60 12864引腳說(shuō)明：表3-13.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片由于單片機(jī)本身i/o驅(qū)動(dòng)能力不足以帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，需要采用一些方法使驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大至能需要的電壓。這里采用uln2003作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。uln2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅npn 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。結(jié)構(gòu)如圖3-6。達(dá)林頓管就是兩個(gè)三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管。具體接法如下，以兩個(gè)相同極性的三極管為例，前面為三極管集電極跟后面三極管集電極相接，前面為三極管射極跟后面三極管基極相接，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達(dá)林頓管基極，后面三極管射極為達(dá)林頓管射極，用法跟三極管一樣，放大倍數(shù)是兩個(gè)三極管放大倍數(shù)的乘積，達(dá)林頓電路有四種接法：npn+npn，pnp+pnp，npn+pnp,pnp+npn。前二種是同極性接法，后二種是異極性接法。npn+npn的同極性接法：b1為b，c1c2為c，e1b2接在一起，那么e2為e。這里也說(shuō)一下異極性接法。以npn+pnp為例。設(shè)前一三極管t1的三極為c1b1e1，后一三極管t2的三極為c2b2e2。達(dá)林頓管的接法應(yīng)為：c1b2應(yīng)接一起，e1c2應(yīng)接一起。等效三極管cbe的管腳，c=e2,b=b1，e=e1(即c2）。等效三極管極性，與前一三極管相同。即為npn型。 uln2003經(jīng)常作為顯示驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)、照明燈驅(qū)動(dòng)、電磁閥驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。uln2003 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7k 的基極電阻,在5v 的工作電壓下它 能與ttl 和cmos 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái) 處理的數(shù)據(jù)。uln2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500ma，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50v 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。它是雙列16腳封裝,npn晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓=50v,電流=500ma,輸入電壓=5v,適用于ttl coms,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 uln是集成達(dá)林頓管ic,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管,它的輸出端允許通過(guò)電流為200ma，飽和壓降vce 約1v左右，耐壓bvceo 約為36v。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)uln2003時(shí)，上拉2k的電阻較為合適，同時(shí)，com引腳應(yīng)該懸空或接電源。uln2003a的輸出結(jié)構(gòu)是集電極開路的，所以要在輸出端接一個(gè)上拉電阻，在輸入低電平的時(shí)候輸出才是高電平。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的時(shí)候，電流是由電源通過(guò)負(fù)載灌入uln2003a的。圖3-6表3-2表3-33.2.4 光電編碼器光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。1）絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器如圖所示，他是通過(guò)讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖中是二進(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來(lái)表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來(lái)表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、1111圖3-7按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。2）增量式光電編碼器增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測(cè)的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯(cuò)開90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過(guò)來(lái)的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過(guò)主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的位置和速度。本系統(tǒng)采用絕對(duì)式光電編碼器作為步進(jìn)電機(jī)的位置檢測(cè)工具，選用的編碼器分辨率是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的整數(shù)倍，即可使每個(gè)齒位對(duì)應(yīng)一個(gè)光電編碼器的輸出數(shù)值，通過(guò)單片機(jī)讀取數(shù)值即可知步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前位置。3.2.5 光電編碼器與單片機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸單元光電編碼器采用并行方式輸出，為了節(jié)省cpu資源，需將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，這里采用移位寄存器74ls165作為轉(zhuǎn)換芯片。芯片管腳圖如下：圖3-8當(dāng)移位/置入控制端sh/ld為低電平時(shí)，并行數(shù)據(jù)（a-h）被置入寄存器，而始終（clk,clk inh）及串行數(shù)據(jù)（ser）均無(wú)關(guān)。當(dāng)sh/ld為高電平時(shí)，并行置數(shù)功能被禁止。clk和clk inh的功能上是等價(jià)的，可以互換使用。當(dāng)clk和clk inh有一個(gè)為低電平并且sh/ld為高電平時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘可以輸入，當(dāng)clk和clk inh有一個(gè)為高電平時(shí)，另一個(gè)始終被禁止。只有在clk為高電平時(shí)clk inh才可變?yōu)楦唠娖?。管腳說(shuō)明：clk,clk inh 時(shí)鐘輸入端（上升沿有效）a-h 并行數(shù)據(jù)輸入端ser 串行數(shù)據(jù)輸入端qh 輸出端qh 互補(bǔ)輸出端sh/ld 移位控制/置入控制（低電平有效）3.2.6 電源設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)供電電壓5v，微型步進(jìn)電機(jī)供電電壓12v，為了避免外接開關(guān)電源減小體積，采用由交流220v降壓到12v再降壓到5v的方式，如圖：圖3-9 220v交流電經(jīng)過(guò)變壓器變成12v交流電，通過(guò)橋式整流成12v直流，經(jīng)過(guò)7812穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的12v直流電給步進(jìn)電機(jī)供電，同時(shí)再經(jīng)過(guò)7805降壓到5v給控制系統(tǒng)供電。第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1總體設(shè)計(jì)思想4.1.1系統(tǒng)的工作過(guò)程本系統(tǒng)采用單片機(jī)at89s51為控制核心，通過(guò)鍵盤選擇需要的工作模式，輸出的脈沖經(jīng)過(guò)uln2003升壓控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，并使用光電編碼器檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)目前位置反饋給單片機(jī)。同時(shí)lcd上顯示步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)。 整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)、顯示單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、位置檢測(cè)單元、信號(hào)轉(zhuǎn)換單元組成，具有調(diào)速范圍大，控制精準(zhǔn)、控制方式多等特點(diǎn)。4.1.2程序設(shè)計(jì)方法選擇通常軟件設(shè)計(jì)的方法有結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)和模塊化程序設(shè)計(jì)兩種。(1)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)：基本思想是采用自頂向下，逐步求精的程序設(shè)計(jì)方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。自頂向下、逐步求精的程序設(shè)計(jì)方法從問(wèn)題本身開始，經(jīng)過(guò)逐步細(xì)化，將解決問(wèn)題的步驟分解為由基本程序結(jié)構(gòu)模塊組成的結(jié)構(gòu)化程序框圖；單入口單出口的思想認(rèn)為一個(gè)復(fù)雜的程序，如果它僅是由順序、選擇和循環(huán)三種基本程序結(jié)構(gòu)通過(guò)組合、嵌套構(gòu)成，那么這個(gè)新構(gòu)造的程序一定是一個(gè)單入口單出口的程序。據(jù)此就很容易編寫出結(jié)構(gòu)良好、易于調(diào)試的程序來(lái)。(2)模塊化程序設(shè)計(jì)：所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是程序的編寫不是開始就逐條錄入計(jì)算機(jī)語(yǔ)句和指令，而是首先用主程序、子程序、子過(guò)程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來(lái)，并定義和調(diào)試好各個(gè)框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系。逐步求精的結(jié)果是得到一系列以功能塊為單位的算法描述。以功能塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其求解算法的方法稱為模塊化。模塊化的目的是為了降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡(jiǎn)單化。 根據(jù)系統(tǒng)的工作過(guò)程，本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法. 以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了很多功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)主程序調(diào)用各功能模塊子程序4.1.3編程語(yǔ)言的選擇目前用于程序設(shè)計(jì)的語(yǔ)言基本分為三種：機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言和c語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言在單片機(jī)中，用二進(jìn)制代碼表示的指令、數(shù)字和符號(hào)簡(jiǎn)稱為機(jī)器語(yǔ)言，直接用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序稱為機(jī)器語(yǔ)言程序。用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序，不易看懂，不便于記憶，且容易出錯(cuò)。匯編語(yǔ)言為了克服機(jī)器語(yǔ)言的缺點(diǎn)，用英文字符來(lái)代替機(jī)器語(yǔ)言，這些英文字符稱為助記符，用助記符表示指令。其特點(diǎn)為：1）匯編語(yǔ)言是針對(duì)機(jī)器的語(yǔ)言，程序設(shè)計(jì)人必須對(duì)單片機(jī)的硬件有相當(dāng)?shù)牧私狻?）用匯編語(yǔ)言編寫程序效率高，占用的存儲(chǔ)空間小，運(yùn)行速度快，因此用匯編語(yǔ)言能編寫出最優(yōu)化的程序。3）匯編語(yǔ)言程序能直接管理和控制硬件設(shè)備，它能直接處理中斷。也能直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器及i/o接口電路。c語(yǔ)言是combined language（組合語(yǔ)言）的中英混合簡(jiǎn)稱。是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它既具有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到c語(yǔ)言，具體應(yīng)用比如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。其特點(diǎn)有：1）c是中級(jí)語(yǔ)言。它把高級(jí)語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)和語(yǔ)句與低級(jí)語(yǔ)言的實(shí)用性結(jié)合起來(lái)。c 語(yǔ)言可以像匯編語(yǔ)言一樣對(duì)位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作， 而這三者是計(jì)算機(jī)最基本的工作單元。 2）c是結(jié)構(gòu)式語(yǔ)言。結(jié)構(gòu)式語(yǔ)言的顯著特點(diǎn)是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)以及調(diào)試。c 語(yǔ)言是以函數(shù)形式提供給用戶