基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)

1、基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng) 【摘要】 本文介紹了基于89c51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的系統(tǒng)，分別概述的介紹了單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。并采用C語(yǔ)言編程，結(jié)果表明該方法具有簡(jiǎn)單、進(jìn)度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，介紹了該測(cè)速的基本原理、實(shí)現(xiàn)的步驟和軟硬件設(shè)計(jì)。 【關(guān)鍵詞】 89C51單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)速測(cè)量 前 言 目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速法（如離心式轉(zhuǎn)速表，用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得）、同步測(cè)速法（如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀）以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。技術(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式計(jì)

2、數(shù)法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也采用電磁式（利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等）、電容式（對(duì)高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制）等，還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來(lái)發(fā)生脈沖信號(hào)。其中應(yīng)用最廣的是光電式測(cè)系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤(pán)、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。 目 錄 摘要4關(guān)鍵詞4前 言5第一章 緒 論71.1 簡(jiǎn) 介71.2 系

3、統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)7第二章 步進(jìn)電機(jī)的基本原理82.1 步進(jìn)電機(jī)的介紹82.2 步進(jìn)電機(jī)的分類92.3 步進(jìn)電機(jī)的基本原理和參數(shù)92.4 步進(jìn)電機(jī)的控制方式102.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式11第三章 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的原理163.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理163.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法17第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)23 4.1 89C51單片機(jī)的介紹23 4.2 復(fù)位電路23 4.3 時(shí)鐘電路24 4.4 顯示電路25 4.5 HD7279接口27 4.5 鍵盤(pán)電路29第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)305.1 主程序初始化305.2 主程序流程圖、程序流程圖32 總 結(jié)34參考文獻(xiàn)35致 謝36 第一章 緒 論 1.1 簡(jiǎn) 介 步進(jìn)電

4、機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，因此步進(jìn)電機(jī)適用于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行工作。因此，單片機(jī)通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 智能化轉(zhuǎn)速測(cè)量可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，需要對(duì)其平穩(wěn)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，適時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量有效地可以反映電機(jī)的狀況。當(dāng)我們對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

5、和轉(zhuǎn)速測(cè)量的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)方向等進(jìn)行控制使其在一定范圍內(nèi)運(yùn)行從而滿足在工程實(shí)踐中的各種需求。1.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的主要模塊：電源模塊、單片機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、測(cè)量轉(zhuǎn)速模塊、運(yùn)行按鍵模塊、LED顯示模塊?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1.2所示。 電 源 模 塊 鍵盤(pán)控制模塊八位LED顯示模塊 AT 89C51 步進(jìn)電機(jī) 測(cè)量轉(zhuǎn)速 如圖1.2 總體設(shè)計(jì)框圖 第二章 步進(jìn)電機(jī)的基本原理2.1 步進(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電

6、一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說(shuō)最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的

7、脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)械快速移動(dòng)的需要。 2.2 步進(jìn)電機(jī)的分類 一、按工作原理分為反應(yīng)式 、永磁式 、混合式 （Hybrid） ） 三種。 (1)、 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子鐵芯用硅鋼片或是軟磁性材料做成，沒(méi)有勵(lì)磁繞組； (2)、 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子鐵芯是用永久性磁鐵做的，沒(méi)有勵(lì)磁繞組。 (3)、 混合式步進(jìn)電機(jī)： 混合式步進(jìn)

8、電機(jī)綜合了反應(yīng)式 、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它有時(shí)也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 二、按輸出轉(zhuǎn)矩大小分為 (1)、快速步進(jìn)電機(jī) （ 輸出扭矩0.074N.m ）,可控制小型精密機(jī)床的工作臺(tái)； (2)、功率步進(jìn)電機(jī)（ 輸出扭矩540N.m ），可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件。 三、按勵(lì)磁相數(shù)分有二、三、四 、五 、六 、 八相等。2.3步進(jìn)電機(jī)的基本原理和參數(shù) 圖2.1是最常見(jiàn)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的剖面示意圖。 2.1三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 1定子 2轉(zhuǎn)子 3定子繞組 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，

9、按圖2.1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，其比值是一分?jǐn)?shù)，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，如圖2.1，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

10、的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi)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)。因?yàn)槊恳凰查g只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運(yùn)行方式。單三拍運(yùn)行時(shí)的步矩角b為30。三相步進(jìn)電機(jī)還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運(yùn)行，即按ABBCCAAB順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運(yùn)行，即按AABBBCCCAA順序循環(huán)通電的方式。六拍運(yùn)

11、行時(shí)的步矩角將減小一半。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角可按下式計(jì)算： b=360/NEr (1)式中 Er轉(zhuǎn)子齒數(shù)； N運(yùn)行拍數(shù)，N=km，m為步進(jìn)電機(jī)的繞組相數(shù)，k=1或2。2.4 步進(jìn)電機(jī)的控制方式 步進(jìn)電機(jī)控制雖然是一個(gè)比較精確的，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者換向周期實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，另一種是定時(shí)。延時(shí)方法是再每次換向之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。該方法簡(jiǎn)單

12、，占用資源燒，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同的速度運(yùn)行。但占用CPU時(shí)間長(zhǎng)，不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作。因此只適合較簡(jiǎn)單的控制過(guò)程。定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)后，定時(shí)器從裝載的初值開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器溢出是，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時(shí)中斷子程序，將電機(jī)換向子程序放在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，定時(shí)中斷一次，電機(jī)換向一次，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。由于從定時(shí)器裝載完重新啟動(dòng)開(kāi)始至定時(shí)器申請(qǐng)中斷止，有一定的時(shí)間間隔，造成定時(shí)時(shí)間增加，為了減少這種定時(shí)誤差，實(shí)現(xiàn)精度定時(shí)，要對(duì)重裝的計(jì)

13、數(shù)初值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在某些時(shí)候，需要更多的可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量的保證，因此，閉環(huán)控制也是一種選擇，一下是一些實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制的方法： （1）步進(jìn)確認(rèn)，這是最簡(jiǎn)單的位移控制，使用一個(gè)低值的光學(xué)編碼器計(jì)算步進(jìn)移動(dòng)的數(shù)量。一個(gè)簡(jiǎn)單的回路與指令校驗(yàn)，驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)到預(yù)計(jì)的位置； （2）反電動(dòng)勢(shì)，一種無(wú)傳感器的檢測(cè)方法，使用步進(jìn)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，測(cè)量和控制速度。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)電壓降至監(jiān)測(cè)探測(cè)水平時(shí)，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)環(huán)，完成最終的位移移動(dòng)； （3）全伺候控制，指全時(shí)間的使用反饋設(shè)備，勇于步進(jìn)電機(jī)編碼器、解碼器或其它反饋傳感器上，從而更為精確的控制步進(jìn)電機(jī)位移和轉(zhuǎn)矩。 2.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

14、 不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如圖2.2所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。圖中點(diǎn)劃線所包圍的二個(gè)單元可以用微機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制器的功率接口，這里予以簡(jiǎn)單介紹。圖2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器 1.單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口實(shí)用電路如圖2.3（a）所示。在電機(jī)繞組回路中串有電阻Rs，使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡(jiǎn)單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中，Rs是不可缺少的。Rs對(duì)步進(jìn)電機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖2.3(b)。 圖2.3單電

15、壓功率驅(qū)動(dòng)接口及單步響應(yīng)曲線 2.雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 雙電壓驅(qū)動(dòng)的功率接口如圖2.4所示。雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動(dòng)，而在高速（高頻段）時(shí)用較高的電壓UH驅(qū)動(dòng)。這種功率接口需要兩個(gè)控制信號(hào)，Uh為高壓有效控制信號(hào)，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。圖中，功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對(duì)繞組供電。反之Uh高電平，TH導(dǎo)通，DL反偏，高電壓UH對(duì)繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時(shí)功耗減小。 圖2.4雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 3.高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口如圖2.5所示。高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思

16、想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來(lái)提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過(guò)后，用低電壓UL來(lái)維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)Uh和Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變，如圖2.5所示。圖中，高壓管VTH的導(dǎo)通時(shí)間tl不能太大，也不能太小，太大時(shí)，電機(jī)電流過(guò)載；太小時(shí)，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。一般可取13ms。（當(dāng)這個(gè)數(shù)值與電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)比較合適）。 圖2.5高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口 4.斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時(shí)均

17、保持固定數(shù)值。使電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖2.6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個(gè)用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當(dāng)電流不大時(shí)，VT1和VT2同時(shí)受控于走步脈沖，當(dāng)電流超過(guò)恒流給定的數(shù)值，VT2被封鎖，電源U被切除。由于電機(jī)繞組具有較大電感，此時(shí)靠二極管VD續(xù)流，維持繞組電流，電機(jī)靠消耗電感中的磁場(chǎng)能量產(chǎn)生出力。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值，VT2導(dǎo)通，電源再次接通。如此反復(fù)，電機(jī)繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖2.6所示。 圖2.6 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口斬波恒流功

18、率驅(qū)動(dòng)接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)，其中u1是數(shù)字脈沖，u2是模擬信號(hào)。這種功率接口的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。 5.升頻升壓功率驅(qū)動(dòng)接口為了進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，可采用升頻升壓功率驅(qū)動(dòng)接口。這種接口對(duì)繞組提供的電壓與電機(jī)的運(yùn)行頻率成線性關(guān)系。它的主回路實(shí)際上是一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，利用頻率-電壓變換器，將驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平，并用此電平去控制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入，這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動(dòng)接口。 6.集成功率驅(qū)動(dòng)接口目前已有多種用于小功率步進(jìn)電機(jī)的集成功率驅(qū)動(dòng)接口電路可供選用。L298芯片是一種H

19、橋式驅(qū)動(dòng)器，它設(shè)計(jì)成接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。H橋可承受46V電壓，相電流高達(dá)2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的邏輯電路使用5V電源，功放級(jí)使用546V電壓，下橋發(fā)射極均單獨(dú)引出，以便接入電流取樣電阻。L298(等)采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝，工業(yè)品等級(jí)。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。H橋驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)是能夠?qū)﹄姍C(jī)繞組進(jìn)行正、反兩個(gè)方向通電。L298特別適用于對(duì)二相或四相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 圖2.7 L298原理框圖與L298類似的電路還有TER公司的3717，它是單H橋電路。SGS公司的SG3635則是單橋臂電路，IR公司的IR2130則是三相橋電路，

20、Allegro公司則有A2916、A3953等小功率驅(qū)動(dòng)模塊。圖2.8是使用L297(環(huán)形分配器專用芯片)和L298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 圖2.8 專用芯片構(gòu)成的步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 第三章 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的原理 3.1轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 一般的轉(zhuǎn)速長(zhǎng)期測(cè)量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個(gè)有60 齒的測(cè)速齒盤(pán),用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉(zhuǎn)60 倍轉(zhuǎn)速脈沖,再用測(cè)頻的辦法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。而臨時(shí)性轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng),多采用光電傳感器,從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個(gè)標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖,隨后利用電子倍頻器和測(cè)頻方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。不論長(zhǎng)期或臨時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量,都可以在微處理器的參與下,通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)

21、一齒的鑒相信號(hào)或光電信號(hào)的周期,換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過(guò)速度傳感器,將轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)殡娒}沖,利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),再經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即:n=N/ (mT) (1)n 轉(zhuǎn)速、單位:轉(zhuǎn)/ 分鐘;N 采樣時(shí)間內(nèi)所計(jì)脈沖個(gè)數(shù);T采樣時(shí)間、單位:分鐘;m 每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)(通常指測(cè)速碼盤(pán)的齒數(shù)) 。如果m=60, 那么1 秒鐘內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)N就是轉(zhuǎn)速n, 即:n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (2)通常m為60。在對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較快系統(tǒng)或要求動(dòng)態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)周期一般很短,相應(yīng)的采樣周期需取得很小,使得脈沖當(dāng)量增高,從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度

22、降低,難以滿足測(cè)控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時(shí)間T, 而T 的減小會(huì)使采到的脈沖數(shù)值N 下降,導(dǎo)致脈沖當(dāng)量(每個(gè)脈沖所代表的轉(zhuǎn)速) 增高,從而使得測(cè)量精度變得粗糙。通過(guò)增加測(cè)速碼盤(pán)的齒數(shù)可以提高精度,但是碼盤(pán)齒數(shù)的增加會(huì)受到加工工藝的限制,同時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速測(cè)量脈沖的頻率增高,頻率的提升又會(huì)受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時(shí)分時(shí)雙頻率采樣法,可在保證采樣精度的同時(shí),提高采樣速率,充分發(fā)揮微機(jī)智能測(cè)速方法的優(yōu)越性及靈活性。 圖3.0系統(tǒng)原理圖 各部分模塊的功能：傳感器：用來(lái)對(duì)信號(hào)的采樣。放大、整形電路

23、：對(duì)傳感器送過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，在送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。單片機(jī)：對(duì)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實(shí)際值，送入LEDLED顯示：用來(lái)對(duì)所測(cè)量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。 3.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法 轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法可以使用霍爾傳感器或光電編碼器。 （一）、霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應(yīng)用?；魻栐且环N磁傳感器。要他們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可以在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)?；魻柶陂g具有許多優(yōu)點(diǎn)，他們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐

24、蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回調(diào)、位置重復(fù)精度高（可達(dá)um級(jí)）。采用了各種補(bǔ)償措施的霍爾器件的工作溫度范圍廣，可達(dá)55-150度。 按照霍爾器件的功能可將他們分為：霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出被測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)被檢測(cè)對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)作為被檢測(cè)信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)換成電量來(lái)

25、進(jìn)行檢測(cè)和控制。 集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測(cè)量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越愛(ài)到眾的重視。 集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過(guò)處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過(guò)處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。霍爾開(kāi)關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。圖3.1 霍

26、爾傳感器的電路圖 （二）、光電編碼器在電機(jī)控制中可以用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹?？梢岳枚〞r(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測(cè)速方法有M法、T法和M/T法3種。 M法又稱之為測(cè)頻法，其測(cè)速原理是在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間Tc內(nèi)，對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的測(cè)速方法。在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間Tc內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測(cè)量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說(shuō)是小于百分之一，那么M1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測(cè)脈沖數(shù)M1以減小誤

27、差，可以增大檢測(cè)時(shí)間Tc單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見(jiàn)，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。M法測(cè)速適用于測(cè)量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷?duì)于給定的光電編碼器線數(shù)N機(jī)測(cè)量時(shí)間Tc條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖M1越大，誤差也就越小。如圖3.2“M”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時(shí)間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)為X，則轉(zhuǎn)速n可由下式表示： n= (3-1)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)X可用下式所示m1 X (3-2) 圖3.2 “M”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖將（3-2）式代入（3-1）式得轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為： n= （3-3） P-為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；n-

28、轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；T-定時(shí)時(shí)間單位：（秒）。 在該方法中，測(cè)量精度是由于定時(shí)時(shí)間T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在T內(nèi)能否正好測(cè)量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個(gè)脈沖的量化誤差。因此，為了提高測(cè)量精度，T要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間。定時(shí)時(shí)間可根據(jù)測(cè)量對(duì)象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計(jì)的脈沖數(shù)增大（碼盤(pán)孔數(shù)已定情況下），限制了轉(zhuǎn)速測(cè)量的量程。而設(shè)置的時(shí)間過(guò)短，測(cè)量精度會(huì)受到一定的影響。 測(cè)周期法“T法” 轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度TP來(lái)決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤(pán)，可以是單孔或多孔，對(duì)于單孔碼盤(pán)測(cè)量?jī)纱蚊}沖間的時(shí)間，就可測(cè)出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，TP也可以用時(shí)鐘脈沖數(shù)來(lái)表

29、示。對(duì)于多孔碼盤(pán)，其測(cè)量的時(shí)間只是每轉(zhuǎn)的1/N，N為碼盤(pán)孔數(shù)。如圖3.3“T”法脈寬測(cè)量所示。TP通過(guò)定時(shí)器測(cè)得。定時(shí)器對(duì)時(shí)基脈沖(頻率為fc)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)，在TP內(nèi)計(jì)數(shù)值若為m2，則計(jì)算公式為： n= （3-4）即： （3-5）fc-為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率：?jiǎn)挝唬℉z）；n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；m2-時(shí)基脈沖。 圖3.3 “T”法脈寬測(cè)量 由 “T”法脈寬測(cè)量可知“T”法測(cè)量精度的誤差主要有兩個(gè)方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致而產(chǎn)生的；二是計(jì)數(shù)和定時(shí)起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計(jì)數(shù)和定時(shí)嚴(yán)格同步。測(cè)周法在低轉(zhuǎn)速時(shí)精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精

30、度變差，有小于一個(gè)脈沖的誤差存在。M/T法測(cè)速是將M法和T法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1和M2進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為 實(shí)際工作時(shí)，在固定的Tc時(shí)間內(nèi)對(duì)光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)開(kāi)始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí)Tc時(shí)間到，對(duì)光電編碼器的脈沖停止計(jì)數(shù)，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來(lái)時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止記錄。采用M/T法既具有M法測(cè)速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有T法測(cè)速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測(cè)量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。 測(cè)頻測(cè)周法“M/T法” 所謂測(cè)頻測(cè)周法，即

31、是綜合了“T”法和“M”法分別對(duì)高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖3.4“M/T”法定時(shí)/計(jì)數(shù)測(cè)量所示。 “M/T”法采用三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，同時(shí)對(duì)輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)，m1反映轉(zhuǎn)角，m2反映測(cè)速的準(zhǔn)確時(shí)間，通過(guò)計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值n。該法在高速及低速時(shí)都具有相對(duì)較高的精度。測(cè)速時(shí)間Td由脈沖發(fā)生器脈沖來(lái)同步，即Td等于m1個(gè)脈沖周期。由圖可見(jiàn)，從a點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)數(shù)器對(duì)m1和m2計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù)定的測(cè)速時(shí)間時(shí)，單片機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)的指令，因?yàn)門(mén)c不一定正好等于整數(shù)個(gè)脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計(jì)數(shù)器仍對(duì)高頻脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù)，

32、到達(dá)c點(diǎn)時(shí)，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計(jì)數(shù)器停止，這樣，m2就代表了m1個(gè)脈沖周期的時(shí)間。 “M/T”法綜合了“T”和“M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計(jì)算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為fc，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個(gè)脈沖，由式（3-2）和（3-5）可得M/T法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： (3-6)n-轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn)/分）；fc-晶體震蕩頻率：?jiǎn)挝唬℉z）；m1-輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角；m2-時(shí)基脈沖數(shù)。圖3.4“M/T”法定時(shí)/計(jì)數(shù)測(cè)量 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 89C51單片機(jī)的介紹 本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51芯片控制，用以產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制電機(jī)，相比其它意模擬電路產(chǎn)生控制信號(hào)波，AT89C51單片機(jī)擁有許多優(yōu)勢(shì)。A

33、T89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦出只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價(jià)的方案。 主要特性:與MCS-51 兼容、4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)、數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年、全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz、三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM 、32可編程I/O線 、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、

34、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 4.2 復(fù)位電路 計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)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(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入(對(duì)于CHMOS單片機(jī)，RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻)，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)采用的復(fù)位方式是采用芯片TCM812

35、進(jìn)行復(fù)位。 TCM812是高性價(jià)比的系統(tǒng)監(jiān)控電路，用于對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的電源電壓VDD 進(jìn)行監(jiān)控，并在必要時(shí)向主處理器提供復(fù)位信號(hào)。提供的手動(dòng)復(fù)位輸入可以替代復(fù)位監(jiān)控器，適合使用按鍵來(lái)復(fù)位。無(wú)需外部元件。該器件由SOT-143方式 封裝，工作溫度范圍為-40 至+85。其引腳如下： 圖4.0TCM812芯片的引腳圖TCM812芯片的引腳功能：（1）GND 地（2）RESET 當(dāng)VDD 低于復(fù)位電壓門(mén)限值和VDD恢復(fù)上升到高于復(fù)位電壓門(mén)限值之后的140 ms（最小值）內(nèi)，RESET推挽輸出保持高電平。 （3）MR 手動(dòng)復(fù)位輸入，當(dāng)MR 低于VIL 時(shí)產(chǎn)生復(fù)位。 （4）VDD 電源電壓 由于TCM812

36、芯片的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用該芯片進(jìn)行復(fù)位，其電路圖如下：圖4.1 復(fù)位電路 4.3時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的典型值為12MHZ 。MCS-51內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器， XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30pf左右。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩器的頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的振蕩頻率的范圍通常是在1.2MHZ-12MHZ之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)

37、的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但反過(guò)來(lái)運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印制電路板的工藝要求也高，即要求線簡(jiǎn)的寄生電容要??；晶振和電容應(yīng) 盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用30pf的電容，因?yàn)榫д竦念l率無(wú)法精確達(dá)到12MHZ，所以一般情況采用11.0592MHZ,其電路圖如下所示：圖4.2 AT89C51的時(shí)鐘電路 4.4顯示電路 顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，LED（Light-Emitting Diode）是一種外加電壓從而渡過(guò)電流并發(fā)出可見(jiàn)光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時(shí)必須加限流電阻。LED有

38、單個(gè)LED和八段LED之分，也有共陰和共陽(yáng)兩種。 1 LED顯示器的結(jié)構(gòu)及其工作原理 常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的稱為共陽(yáng)極顯示器,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。1位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)發(fā)光二極管ag控制七個(gè)筆畫(huà)（段）的亮或暗，另一個(gè)控制一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的亮和暗，這種筆畫(huà)式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開(kāi)頭有些失真，但控制簡(jiǎn)單，使用方便。此外，要畫(huà)出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進(jìn)行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來(lái)，如圖4.3所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖。 圖4.3 七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu) LED數(shù)

39、碼管通過(guò)點(diǎn)亮特定的字段來(lái)顯示數(shù)字或符號(hào)。共陰與共陽(yáng)七段LED數(shù)碼管的顯示字符與對(duì)應(yīng)的顯示段碼如下表所示，共陽(yáng)七段數(shù)碼管的段碼剛好是共陰七段數(shù)碼管段碼的反碼。 表4-2 共陰極七段LED數(shù)碼管和共陽(yáng)極七段LED數(shù)碼管的顯示段碼表顯示字符012345678共陰極字符3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH共陽(yáng)極字符C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H顯示字符9AbCdEFHP共陰極字符6FH77H7CH39H5EH79H71H76H73H共陽(yáng)極字符90H88H83HC6HA1H86H8EH89H8CH LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從

40、而顯示出我們要的數(shù)位，因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 A靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)位器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O埠多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5840根I/O口來(lái)驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè)89C51單片機(jī)可用的I/O口才32個(gè)呢。故實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬體電路的復(fù)雜性。 B動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f

41、,g,. 的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。 2 LED顯示器接口電路的具體設(shè)計(jì) 單片機(jī)的LED顯示接口設(shè)計(jì)可采用多種方案。按照顯示方式分為靜態(tài)顯示接口電路和動(dòng)態(tài)顯示接口電路。從與單片機(jī)的接口方式來(lái)分可分為并行接口方式和串行接口方式。在設(shè)計(jì)LED顯示接口電路時(shí)，既可采用通用集成芯片，也可采用專用的集成顯示接口芯

42、片。在本設(shè)計(jì)考慮了綜合因素，一般采用動(dòng)態(tài)顯示方式，采用了HD7279驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，在接下來(lái)的小節(jié)中將具體介紹其功能。因?yàn)镠D7279A是一款具有簡(jiǎn)單SPI串行接口的器件，可直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，所以我們采用了共陰極數(shù)碼管。為了使LED數(shù)碼管的正常工作，都采用一定的驅(qū)動(dòng)電壓，所以在顯示電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)該加上限流電阻，具體的電路圖將在下節(jié)一起介紹。 4.5 HD7279接口 1引腳介紹HD7279A是一款具有簡(jiǎn)單SPI串行接口的器件，可直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管(或64個(gè)獨(dú)立的LED)，管理多達(dá)64鍵鍵盤(pán)，單片即可完成LED顯示和鍵盤(pán)接口的全部功能，大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，占用單片機(jī)資源

43、極少(最少2線)，完全免調(diào)試，外圍電路更簡(jiǎn)單。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器可直接接收BCD碼或16進(jìn)制碼，也可不譯碼，并同時(shí)具有兩種譯碼方式。此外，該器件還具有多種控制指令，諸如消隱，閃爍，左移，右移和段尋址等，顯示控制方式靈活，其段尋址能力可用于獨(dú)立的LED顯示或信息指示燈控制。圖4.4為HD729A的引腳配置，其各引腳功能描述如表4-3所列。HD7279A具有片選信號(hào)，可方便實(shí)現(xiàn)高于8位的顯示或高于64鍵的鍵盤(pán)接口，采用多片級(jí)聯(lián)，對(duì)片選信號(hào)進(jìn)行譯碼即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)中只有一片HD7279A時(shí)，片選端CS可直接接地。圖4.4 HD7279引腳配置表4-3 HD7279引腳功能介紹引腳名稱功

44、能描述1,2VDD正電源3,5NC無(wú)連接，必須懸空4VSS接地6片選輸入端，此引腳為低電平，可向器件發(fā)送指令及讀取鍵盤(pán)數(shù)據(jù)7CLK同步時(shí)鐘輸入端，向器件發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當(dāng)器件接收指令時(shí)，此引腳為輸入端；當(dāng)讀取鍵盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳在讀指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?按鍵有效輸出端，平時(shí)為高電平，當(dāng)檢測(cè)到有效按鍵時(shí)，此引腳為低電平1016SGSA段g 段a驅(qū)動(dòng)輸出17DP小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出1825DIG0-DIG7數(shù)字0 數(shù)字7 驅(qū)動(dòng)輸出26CLKORC振蕩器連接端27RC復(fù)位端28復(fù)位端 2HD7279A的工作原理 HD7279

45、A最顯著的優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，最多只需5條連接線，分別是復(fù)位端RESET，片選輸入端CS，同步時(shí)鐘輸入端CLK，數(shù)據(jù)輸入輸出端DATA和按鍵有效輸出端KEY。在一般應(yīng)用系統(tǒng)中，RESET可直接接電源，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)中只有一片HD7279A器件時(shí)，CS也可以直接接地，此時(shí)只需占用3條單片機(jī)的IO端口線，如果應(yīng)用系統(tǒng)中沒(méi)有鍵盤(pán)，僅具有顯示功能，或者即使有鍵盤(pán)，但單片機(jī)軟件任務(wù)不復(fù)雜，均可不接KEY線，使用定時(shí)讀取鍵盤(pán)鍵值代碼的方法，則此時(shí)只需占用2條單片機(jī)的I/0端口線。 3HD7279A接口的具體設(shè)計(jì) 根據(jù)HD7279A的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)，我們選擇該器件來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，其具體電路如圖4.

46、5 所示：圖4.5 HD7279驅(qū)動(dòng)顯示器的具體電路 4.5 鍵盤(pán)電路 本設(shè)計(jì)使用的鍵盤(pán)主要為完成一個(gè)功能轉(zhuǎn)速測(cè)量的啟動(dòng)/停止；我們將開(kāi)關(guān)直接與AT89C51單片機(jī)的P1.1接口相連，通過(guò)讀I/O口，判定各I/O線的電平狀態(tài)，即可識(shí)別出按下的按鍵。操作員通過(guò)鍵盤(pán)可以輸入數(shù)據(jù)或指令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。我們采用了獨(dú)立式鍵盤(pán)電路，按鍵均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)，個(gè)I/O口有確定的高電平，同時(shí)，還備用兩個(gè)按鍵方便擴(kuò)展，其具體電路如下所示：圖4.6鍵盤(pán)電路 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 硬件電路完成以后，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。首先要分析系統(tǒng)對(duì)軟件的要求，然后進(jìn)行軟件的總體的設(shè)計(jì)，包括程序的總體設(shè)計(jì)

47、和對(duì)程序的模塊化設(shè)計(jì)。按整體功能分為多個(gè)不同的模塊，單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，然后將各個(gè)模塊裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，單片機(jī)的任務(wù)是：內(nèi)部進(jìn)行計(jì)數(shù)，在計(jì)算出速度后顯示。軟件編程用C語(yǔ)言完成的，需要能掌握C語(yǔ)言，還要熟練AT89C51單片機(jī)。從程序流程圖、編寫(xiě)程序、編譯，到最后的調(diào)試，是很復(fù)雜的。下面作簡(jiǎn)單介紹：系統(tǒng)軟件主程序的功能是完成系統(tǒng)的初始化、顯示程序。 5.1 主程序初始化 （1）.定時(shí)器的初始化 AT89C51有兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器均可設(shè)置成為16位，也可以設(shè)置成為13位進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的功能是對(duì)T0或T1外來(lái)脈沖的進(jìn)行計(jì)數(shù)，外部輸入脈沖

48、負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1。 定時(shí)功能是通過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，即每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)器加1，因此定時(shí)時(shí)間等于計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)乘以機(jī)器周期。定時(shí)器工作時(shí)，每接收到1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖（或機(jī)器周期）則在設(shè)定的初值基礎(chǔ)上自動(dòng)加1，當(dāng)所有位都位1時(shí)，再加1就會(huì)產(chǎn)生溢出，將向CPU提出定時(shí)器溢出中斷身請(qǐng)。當(dāng)定時(shí)器采用不同的工作方式和設(shè)置不同的初值時(shí)，產(chǎn)生溢出中斷的定時(shí)值和計(jì)數(shù)值將不同，從而可以適應(yīng)不同的定時(shí)或計(jì)數(shù)控制。 定時(shí)器有4種工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此對(duì)工作方式不做具體介紹。工作方式寄存器TMOD的設(shè)定：GATEC/TM1-M0GATEC/TM1M0TMOD各位的含

49、義如下：GATE：門(mén)控位，用于控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)是否受外部中斷請(qǐng)求信號(hào)的影響。C/T：定時(shí)或計(jì)數(shù)方式選擇位，當(dāng)C/T=1時(shí)工作于計(jì)數(shù)方式；當(dāng)C/T=0時(shí)工作于定時(shí)方式。M1、M0為工作方式選擇位 ，用于對(duì)T0的四種工作方式，T1的三種工作方式進(jìn)行選擇，選擇情況如下表5-1：M1M0=00為方式0;M1M0=01為方式1； 表5-1 M1、M0為工作方式選擇位MOM1工作方式方式說(shuō)明00110101012313位定時(shí)/計(jì)數(shù)器16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器8位自動(dòng)重置定時(shí)/計(jì)數(shù)器兩個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（只有T0有） （2）中斷允許控制 MCS-51單片機(jī)中沒(méi)有專門(mén)的開(kāi)中斷和關(guān)中斷指令，對(duì)各個(gè)中斷源的允許和屏

50、蔽是由內(nèi)部的中斷允許寄存器IE的各位來(lái)控制的。中斷允許寄存器IE的字節(jié)地址為A8H，可以進(jìn)行位尋址. 表5-2 中斷位尋址表IED7D6D5D4D3D2D1D0（A8H）EAET2ESET1EX1ET0EX0EA：中斷允許總控位。EA=0，屏蔽所有的中斷請(qǐng)求；EA=1，開(kāi)放中斷。 ET2：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的溢出中斷允許位 ES：串行口中斷允許位。 ET1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出中斷允許位。 EX1：外部中斷 INT1的中斷允許位。ET0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的溢出中斷允許位。 EX0：外部中斷 INT0的中斷允許位。 5.2主程序流程圖、程序流程圖主程序流程圖5.1顯示開(kāi)始初始化定時(shí)器計(jì)時(shí)器刷新數(shù)碼管延時(shí)2ms 圖5.1 流程圖顯示子程序流程圖5.2開(kāi)始顯示緩存初始化LED顯示初始化數(shù)碼顯示圖5.2 顯示子程序流程圖定時(shí)計(jì)數(shù)子程序流程圖5.3開(kāi)定時(shí)器開(kāi)計(jì)數(shù)器定時(shí)0.5s計(jì)數(shù)0.5s讀出計(jì)數(shù)器值并清零計(jì)數(shù)器定時(shí)重新裝初始值并啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始圖5.3 定時(shí)計(jì)數(shù)子程序流程圖總 結(jié) 采用單片機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，可以提高轉(zhuǎn)速的測(cè)量，可以提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的精確度，并且加快了采樣的速率，具有較好的實(shí)時(shí)性。本文介紹了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理及