步進電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、山東科技大學學士學位論文 摘要摘 要眾所周知，打印機、復印機等已成為日常生活中不可或缺的機電產(chǎn)品，而且人們對其輸出質(zhì)量要求越來越高，作為其中關(guān)鍵技術(shù)的進紙系統(tǒng)對打印質(zhì)量有重要影響。因此，要實現(xiàn)對進紙系統(tǒng)的有效控制，對步進電機的準確控制就顯得更有意義。本課題為了實現(xiàn)對打印機進紙系統(tǒng)中的步進電機的有效控制，設(shè)計了一套對步進電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)及其人機交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)以stc89c52單片機為核心控制芯片，它一方面產(chǎn)生步進電機的控制脈沖給驅(qū)動器經(jīng)環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉(zhuǎn)動；另一方面它可檢測鍵盤輸入并通過液晶顯示器輸出電機運行狀態(tài)等信息，為步進電機的調(diào)試和運行提供人機

2、交互界面。整個系統(tǒng)軟件使用易于維護的模塊化設(shè)計方法，并采取軟、硬件抗干擾技術(shù)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后，對設(shè)計的系統(tǒng)進行了調(diào)試，實驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)實現(xiàn)了對步進電機的控制，并可通過人機交互界面?zhèn)鬟_指令和顯示電機運行狀態(tài)等信息。整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低和實用性強等特點，具有較高的通用性和應用推廣價值。關(guān)鍵詞：步進電機 人機交互 單片機 12864液晶 鍵盤64山東科技大學學士學位論文 目錄1緒論 . 31.1課題的背景及意義31.2步進電機驅(qū)動控制的現(xiàn)狀31.3 本課題的主要內(nèi)容.42步進電機的控制及其人機交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計62.1引言.62.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計.62.3系統(tǒng)硬件電路設(shè)

3、計.62.4系統(tǒng)軟件設(shè)計102.5結(jié)論.113步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計.123.1步進電機概述123.2 硬件電路設(shè)計.153.2.1步進電機的工作原理.153.2.2步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計.163.3 軟件設(shè)計.194 人機交互系統(tǒng)設(shè)計21 4.1液晶顯示模塊設(shè)計214.1.1液晶介紹214.1.2液晶顯示硬件設(shè)計364.1.3液晶顯示軟件設(shè)計374.2矩陣鍵盤模塊設(shè)計42 4.2.1硬件電路設(shè)計42 4.2.2 軟件設(shè)計.435系統(tǒng)調(diào)試44 5.1調(diào)試目標44 5.2步進電機調(diào)試.445.3液晶調(diào)試.455.4鍵盤調(diào)試.455.5 整體調(diào)試.466結(jié)束語.47主要參考文獻48致謝49附錄 程序代

4、碼501緒論1.1課題的背景及意義步進電機可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。步進電機作為控制執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領(lǐng)域。例如，在儀器儀表，機床設(shè)備以及計算機的外圍設(shè)備中（如打印機 復印機 繪圖儀等），凡需要對轉(zhuǎn)角進行精確控制的情況下，使用步進電機最為理想。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。上個世紀就出現(xiàn)了步進電動機，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，動作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在本世紀初，由于資本主義列強爭奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很

5、快，同時也使得步進電動機的技術(shù)得到了長足的進步。到了80年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。計算機則通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出電動機的潛力。因此，用計算機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨勢?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。其中反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生

6、轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)階段，反應式步進電機獲得最多的應用。1.2步進電機驅(qū)動控制現(xiàn)狀在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是在日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動機。因此對電動機的控制變得越來越重要了。電動機的控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)、微機應用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進步使電動機控制技術(shù)化。對步進電機的控制種類很多，實現(xiàn)步進電機的品種規(guī)格很多,按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應式或變磁阻式)電機、混合式電機、永磁式電機和特種電機等四種主要型式。步進電機不需位

7、移傳感器就可精確定位,所以在精確定位系統(tǒng)中應用廣泛。目前打字機、計算機外部設(shè)備、數(shù)控機床、傳真機等設(shè)備中都使用了步進電機。隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展,步進電機必將發(fā)揮它的控制方便、控制準確的特點,在工業(yè)控制等領(lǐng)域取得更為廣泛的應用。隨著電子產(chǎn)品更加人性化設(shè)計的要求，現(xiàn)如今一款可靠的控制系統(tǒng)就顯得更加重要，在液晶顯示上能夠做到根據(jù)具體的要求實現(xiàn)對控制目標的實時控制，目前市場上有許多的電子產(chǎn)品，良好的人機交互界面，圖形文字的詳細說明，用戶在操作的時候能夠得心應手。1.3 本課題的主要內(nèi)容本課題主要的內(nèi)容是設(shè)計一款穩(wěn)定、可控的步進電機控制系統(tǒng)，通過單片機的控制來實現(xiàn)可操作的人機交互控制系統(tǒng)。(1) 單

8、片機使用stc系列的單片機，作為主要的控制芯片，通過單片機的i/o輸出脈沖信號控控制步進電機驅(qū)動器，從而達到控制步進電機目的。(2) 整體的設(shè)計離不開具體的模塊的設(shè)計，在設(shè)計步進電機驅(qū)動電路的過程中使用了74hc08與門邏輯電路芯片，同時為了達到驅(qū)動mos管的目的，增加了光電開關(guān)，從而達到啟動mos管來驅(qū)動步進電機。(3) 人機交互控制模塊的設(shè)計，通過鍵盤輸入 液晶顯示來實現(xiàn)交互控制，整個設(shè)計能夠展示一個比較清楚的人機界面，實現(xiàn)更加合理的人機交互。（4）編程的語言使用的是c語言，通過過程控制指令來實現(xiàn)對單片機所需指令的要求。通過最終的選擇確定，在使用器件的時候盡量的使用易于控制，價格合理，穩(wěn)定

9、的器件，實現(xiàn)最后的產(chǎn)品使用要求，達到設(shè)計要求。 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)介紹2 步進電機的控制及其人機交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1引言隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，控制技術(shù)越來越顯得更加重要，在現(xiàn)代控制理論日益完善的背景下，通過高性能的驅(qū)動單元對機械執(zhí)行構(gòu)件進行自動化控制。好的控制離不開更加人性化的控制界面，本文采用了高性能的控制芯片，同時設(shè)計了驅(qū)動電路人機交互控制界面來實現(xiàn)更加人性化的控制。2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計通過對步進電機控制器關(guān)鍵技術(shù)進行分析、研究和比較，并綜合國內(nèi)外運動控制器產(chǎn)品智能化、集成化、開放化的發(fā)展趨勢，我們提出的步進電機運動控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。12864液晶顯示單片機stc89

10、c52串口通信電機驅(qū)動電路4*4鍵盤控制 圖2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計（1）硬件電路主要的目的是控制步進電機，但是單片機的i/o口得輸出電壓、電流都有限，于是需要設(shè)計可控的驅(qū)動電路，這樣可以達到控制步進電機的目的。在設(shè)計的過程中還需要對各個模塊合理的進行分配，需要設(shè)計液晶模塊、鍵盤模塊，還要留有i/o口以便來驅(qū)動步進電機驅(qū)動電路。步進電機驅(qū)動電路用到了74hc08芯片mos管 光電開關(guān) 通過7hc08與門電路來控制光電開關(guān)，達到驅(qū)動mos管效果，從而達到了驅(qū)動步進電機的目的。步進電機控制框圖如圖2-2所示。stc89c52單片機74hc08光電開關(guān)步進電機圖2-2控制框圖（2）

11、系統(tǒng)的供電系統(tǒng)需要給系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定、安全的輸入電源，因此在整個系統(tǒng)模塊的供電設(shè)計中，重點圍繞了系統(tǒng)穩(wěn)定、安全性來設(shè)計。因為單片機需要的電壓是+5v，液晶需要的電壓也是+5v，電機需要的電壓是+12v因此在設(shè)計中要考慮到多級電壓的提供，在設(shè)計中考慮到了由于輸入時候的電壓過大，而穩(wěn)壓管的承載能力有限，因此設(shè)計了多級穩(wěn)壓的電路，這樣設(shè)計的目的是為了使穩(wěn)壓管不至于過熱。在穩(wěn)壓的電路中設(shè)計了濾波電路，保證了供電電流的穩(wěn)定可靠，電源輸入模塊設(shè)計電路如圖2-3所示。圖2-3電源輸入模塊設(shè)計（3）串口通信模塊本模塊實現(xiàn)上位機跟單片機的通信功能的實現(xiàn) 通過實現(xiàn)串口通信功能可以更好的實現(xiàn)將上位機上的程序下載到單

12、片機中，實現(xiàn)單片機各個功能實現(xiàn)本設(shè)計采用了max232芯片 能夠?qū)崿F(xiàn)上位機跟單片機之間的電位轉(zhuǎn)換，從而達到通過串口的通信功能實現(xiàn)上位機跟單片機的通信功能在單片機系統(tǒng)的通信中，rs-232和rs-485標準總線應用最為成熟。為了使運動控制器的適用范圍更加廣泛，配合pc的現(xiàn)有接口，我們選用rs- 232標準總線來實現(xiàn)控制器和pc的通信，其接口電路如圖3所示。在圖3中，選用max232作為系統(tǒng)的通信接口芯片。max232是maxim公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙rs-232發(fā)送/接收發(fā)器，適用于各種eia-232e和v.28/v.24的通信接口。max232芯片可以把輸入的+5v電源變換成rs-232輸

13、出電平所需的±10v電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5v電源就可以。通信接口電路如圖2-4所示。圖2-4 通信接口電路max232外圍需要4個電解電容c1，c2，c3，c4是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為0.1f。max232的引腳t1in，t2in，r1out，r2out為接ttl/cmos電平的引腳。引腳t1out，t2out，r1in，r2in為接rs-232c電平的引腳。因此ttl/cmos電平的t1in，t2in引腳應接stc89s52 的串行發(fā)送引腳txd；r1out，r2out應接stc89s52的串行接收引腳rxd。與之對應的rs-232c電平的t

14、1out，t2out應接pc機的接收端rd；r1in，r2in應接pc機的發(fā)送端。（4）硬件抗干擾技術(shù)為了克服可能發(fā)生的各種干擾，保證系統(tǒng)能夠可靠的運行，現(xiàn)有的抗干擾技術(shù)在硬件方面采取如下措施;抑制電源干擾。傳導干擾通常由交流電源端引入系統(tǒng)內(nèi)部。為了抑制這種干擾，系統(tǒng)通常在交流進線端串接入低通lc濾波器。這種方法在實際中己經(jīng)取得明顯效果，但為了抑制電源浪涌電壓的沖擊，系統(tǒng)還必須在電源線之間及電源線對地之間分別裝壓敏電阻。抑制傳輸線干擾。對于系統(tǒng)中傳輸距離較長的線路通常選用屏蔽電纜來實現(xiàn)系統(tǒng)各部分的連接，以達到抗干擾的目的。在一些應用環(huán)境比較惡劣的系統(tǒng)中，為了進一步抑制干擾，可采用光電隔離方式將

15、系統(tǒng)控制部分與i/o口部分分開，并采用雙電源供電。盡量減小干擾造成的影響。通常的做法有：1）增加硬件看門狗電路。2）增加電壓監(jiān)測電路。3）選擇抗干擾能力較強的單片機系列。4）盡可能使用單片機的內(nèi)部程序存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器而不使用外部總線連接這些器件。5）協(xié)調(diào)好電路中不同類型ic的電平匹配。6）數(shù)據(jù)總線和控制總線間形成板與板連接時，應加總線驅(qū)動器。2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的主程序由消息循環(huán)和初始化程序構(gòu)成，其流程如圖2-5所示圖2-5系統(tǒng)流程圖在系統(tǒng)的主程序中，初始化程序的功能是在系統(tǒng)復位后完成單片機各個特殊功能寄存器的設(shè)置、各數(shù)據(jù)區(qū)的初始化、外部硬件設(shè)備的設(shè)置等操作;系統(tǒng)的消息循環(huán)則用來實現(xiàn)消

16、息合法性的判斷及消息處理功能模塊的調(diào)用。為了能夠?qū)ο⒌暮戏ㄐ赃M行判斷，我們?yōu)橄⒔M中的每個消息定義了對應的合法性判斷標識位。如果某消息所對應的合法性判斷標識位為“1”，則表示該消息是合法的消息，系統(tǒng)應該調(diào)用相應的消息處理功能模塊對消息進行處理;為“0”則表示該消息是非法的消息，系統(tǒng)應該忽略該消息。為了實現(xiàn)“看門狗”功能，我們還在消息循環(huán)中加入了喂狗輸出操作。值得注意的是，在系統(tǒng)的串行通信處理模塊中，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行判斷是自動加工，或是手動加工，還是參數(shù)設(shè)置，分別對消息序列中的標志位進行置位，以保證主程序能夠正確實現(xiàn)各2.5結(jié)論通過整個系統(tǒng)的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對步進電機的控制，從而實現(xiàn)更加人性化

17、的電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)字化系統(tǒng)的要求，步進電機能夠更加智能化得到控制。山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)分析與設(shè)計 3步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計3.1步進電機概述步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的數(shù)字控制執(zhí)行機構(gòu)。它將電脈沖信號轉(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。 步進電機具有控制簡便、定位準確等特點。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,在許多領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應用。鑒于傳統(tǒng)的脈沖系統(tǒng)移植性不好,本文提出微機控制系統(tǒng)代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器,用軟件的方法產(chǎn)生控制脈沖,通過軟件編程可以任意設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動次數(shù)和控制步進電機的運行狀態(tài)。以簡化控制電路,降低

18、生產(chǎn)成本,提高系統(tǒng)的運行效率和靈活性。步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，因此，當它轉(zhuǎn)動一周后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、 廉價，又非?？煽?。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。步進電機的動態(tài)響應快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑 調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。步進電機是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件。步

19、進電機的輸入信號為脈沖電流,它能將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移,因而步進電機可看作是一個串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。由于步進電機能夠直接接受數(shù)字信號,而不需數(shù)/模轉(zhuǎn)換,所以使用微機控制步進電機顯得非常方便。步進電機的一些特點:一般步進電機的精度為步進角的3%-5%，且不累積。步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點;一般來講，磁性材料的退磁點都在130c以上，有的甚至高達200c以上，所以步進電機外表溫度80c-90c完全正常。步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電

20、機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。介紹步進電機的一個技術(shù)參數(shù):空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)

21、字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應用。步進電機的品種規(guī)格很多,按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應式或變磁阻式)電機、混合式電機、永磁式電機和特種電機等四種主要型式。步進電機不需位移傳感器就可精確定位,所以在精確定位系統(tǒng)中應用廣泛。目前打字機、計算機外部設(shè)備、數(shù)控機床、傳真機等設(shè)備中都使用了步進電機。隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展,步進電機必將發(fā)揮它的控制方便、控制準確的特點,在工業(yè)控制等領(lǐng)域取得更為廣泛的應用步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載

22、變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。由于脈沖信號數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相

23、時序控制器 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。這款步進電機的驅(qū)動電壓12v，步進角為7.5度.一圈 360 度 , 需要 48 個脈沖完成，電機如圖3-1所示。圖3-1步進電機該步進電機有6根引線，排列次序如下：1:紅色、2:紅色、3:橙色、4:

24、棕色、5:黃色、6:黑色。3.2.硬件電路設(shè)計3.21步進電機的工作原理通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。下圖是該四相步

25、進電機工作原理圖。圖3-2步進電機原理圖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。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。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。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖3-3.a、b、c所示： a單四拍 b雙四拍 c八拍圖3-3步進電機工作時序波形圖3.2.2步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)主控電路設(shè)計系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主芯片采用的是stc系列的單片機，主電路中進行了人機交互界面的設(shè)計，主控制系統(tǒng)原理圖如圖3-4所示圖3-4主控制系統(tǒng)原理圖步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)

26、電路原理如圖3-5： 圖3-5 步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖stc89s52將控制脈沖從p3口的p3.2 p3.2 p3.4 p3.5 p3.6輸出，經(jīng)過74hc08與門電路芯片后驅(qū)動光電耦合器，光電耦合開關(guān)原理圖如圖3-6所示，其中光電耦合加上了 15v外部電壓從而驅(qū)動mos管，從而達到驅(qū)動步進電機的目的，mos管驅(qū)動步進電機原理圖如圖3-7所示。 圖3-6光電耦合開關(guān) 圖3-7 mos管驅(qū)動步進電機d1d4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管（d1d4）而衰減掉，從而保護了功率管tip521不受損壞。q1q4為四個mos管 能夠驅(qū)動步進電機 3.3.軟件設(shè)計方式1為中斷方式

27、：p3.5(int1)為步進脈沖輸入端，p3.7為正反轉(zhuǎn)脈沖輸入端。上位機(pc機或單片機)與驅(qū)動器僅以2條線相連。方式2為串行通訊方式：上位機(pc機或單片機)將控制命令發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)控制命令自行完成有關(guān)控制過程。方式3為撥碼開關(guān)控制方式：通過開關(guān)，直接控制步進電機。當上電或按下復位鍵kr后，stc89s52先檢測撥碼開關(guān)kx、ky的狀態(tài)，根據(jù)kx、ky 的不同組合，進入不同的工作方式。以下給出方式1的程序流程框圖與源程序。在程序的編制中，要特別注意步進電機在換向時的處理。為使步進電機在換向時能平滑過渡，不至于產(chǎn)生錯步，應在每一步中設(shè)置標志位。其中20h單元的各位為步進電機正轉(zhuǎn)標志

28、位;21h單元各位為反轉(zhuǎn)標志位。在正轉(zhuǎn)時，不僅給正轉(zhuǎn)標志位賦值，也同時給反轉(zhuǎn)標志位賦值;在反轉(zhuǎn)時也如此。這樣，當步進電機換向時，就可以上一次的位置作為起點反向運動，避免了電機換向時產(chǎn)生錯步。程序框圖如圖3-8所示圖3-8 程序框圖山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的具體實現(xiàn) 4人機交互系統(tǒng)設(shè)計4.1液晶顯示模塊設(shè)計4.1.1液晶介紹12864a-1漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16x16點陣，16*8=128，16*4=64，一行只能寫8個漢字，4行；）、128個字符（8x16點陣）及64x256點陣顯示ram（gdram）。1主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性:電源：v

29、dd 3.3v+5v(內(nèi)置升壓電路，無需負壓)；顯示內(nèi)容：128列× 64行（128表示點數(shù)）顯示顏色：黃綠顯示角度：6：00鐘直視lcd類型：stn與mcu接口：8位或4位并行/3位串行配置led背光多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等主要外形尺寸項 目標 準 尺 寸單 位模 塊 體 積113.0×65.0×12.8mm定 位 尺 寸105.0×55.0mm視 域73.4×38.8mm行 列 點 陣 數(shù)128×64dots點 距 離0.52×0.52mm點 大 小0.48×0.48mm128x

30、64 引腳說明引腳號引腳名稱方向功能說明1vss-模塊的電源地2vdd-模塊的電源正端3v0-lcd驅(qū)動電壓輸入端4rs(cs)h/l并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號；串行的片選信號5r/w(sid)h/l并行的讀寫選擇信號；串行的數(shù)據(jù)口6e(clk)h/l并行的使能信號；串行的同步時鐘7db0h/l數(shù)據(jù)08db1h/l數(shù)據(jù)19db2h/l數(shù)據(jù)210db3h/l數(shù)據(jù)311db4h/l數(shù)據(jù)412db5h/l數(shù)據(jù)513db6h/l數(shù)據(jù)614db7h/l數(shù)據(jù)715psbh/l并/串行接口選擇：h-并行；l-串行16nc空腳17/reth/l復位 低電平有效18nc空腳19led_a-背光源正極（led+5v

31、）20led_k-背光源負極（led-ov）邏輯工作電壓(vdd)：4.55.5v電源地(gnd)：0v工作溫度(ta)：060(常溫) / -2075（寬溫）2接口時序模塊有并行和串行兩種連接方法（時序如下）：8位并行連接時序圖mpu寫資料到模塊mpu從模塊讀出資料串行連接時序圖串行數(shù)據(jù)傳送共分三個字節(jié)完成：第一字節(jié)：串口控制格式 11111abc a為數(shù)據(jù)傳送方向控制：h表示數(shù)據(jù)從lcd到mcu，l表示數(shù)據(jù)從mcu到lcd b為數(shù)據(jù)類型選擇：h表示數(shù)據(jù)是顯示數(shù)據(jù)，l表示數(shù)據(jù)是控制指令 c固定為0第二字節(jié)：(并行)8位數(shù)據(jù)的高4位格式 dddd0000第三字節(jié)：(并行)8位數(shù)據(jù)的低4位格式

32、0000dddd串行接口時序參數(shù)：(測試條件：t=25 vdd=4.5v)3用戶指令集指令表1：（re=0：基本指令集）指令指令碼說明執(zhí)行時間（540khz）rsrwdb7db6db5db4db3db2db1db0清除顯示0000000001將ddram填滿“20h”，并且設(shè)定ddram的地址計數(shù)器（ac）到“00h”4.6ms地址歸位000000001x設(shè)定ddram的地址計數(shù)器（ac）到“00h”，并且將游標移到開頭原點位置；這個指令并不改變ddram的內(nèi)容4.6ms進入點設(shè)定00000001i/ds指定在資料的讀取與寫入時，設(shè)定游標移動方向及指定顯示的移位72us顯示狀態(tài)開/關(guān)00000

33、01dcbd=1：整體顯示onc=1：游標onb=1：游標位置on72us游標或顯示移位控制000001s/cr/lxx設(shè)定游標的移動與顯示的移位控制位元；這個指令并不改變ddram的內(nèi)容72us功能設(shè)定00001dlx0rexxdl=1 （必須設(shè)為1）re=1： 擴充指令集動作re=0： 基本指令集動作72us設(shè)定cgram地址0001ac5ac4ac3ac2ac1ac0設(shè)定cgram地址到地址計數(shù)器（ac）72us設(shè)定ddram地址001ac6ac5ac4ac3ac2ac1ac0設(shè)定ddram地址到地址計數(shù)器（ac）72us讀取忙碌標志（bf）和地址01bfac6ac5ac4ac3ac2a

34、c1ac0讀取忙碌標志（bf）可以確認內(nèi)部動作是否完成，同時可以讀出地址計數(shù)器（ac）的值0us寫資料到ram10d7d6d5d4d3d2d1d0寫入資料到內(nèi)部的ram（ddram/cgram/iram/gdram）72us讀出ram的值11d7d6d5d4d3d2d1d0從內(nèi)部ram讀取資料（ddram/cgram/iram/gdram）72us指令表2：（re=1：擴充指令集）指令指令碼說明執(zhí)行時間（540khz）rsrwdb7db6db5db4db3db2db1db0待命模式0000000001將ddram填滿“20h”，并且設(shè)定ddram的地址計數(shù)器（ac）到“00h”72us卷動地址

35、或iram地址選擇000000001srsr=1：允許輸入垂直卷動地址sr=0：允許輸入iram地址72us反白選擇00000001r1r0選擇4行中的任一行作反白顯示，并可決定反白與否72us睡眠模式0000001slxxsl=1：脫離睡眠模式sl=0：進入睡眠模式72us擴充功能設(shè)定000011x1reg0re=1： 擴充指令集動作re=0： 基本指令集動作g=1 ：繪圖顯示ong=0 ：繪圖顯示off72us設(shè)定iram地址或卷動地址0001ac5ac4ac3ac2ac1ac0sr=1：ac5ac0為垂直卷動地址sr=0：ac3ac0為icon iram地址72us設(shè)定繪圖ram地址00

36、1ac6ac5ac4ac3ac2ac1ac0設(shè)定cgram地址到地址計數(shù)器（ac）72us備注：（1）當模塊在接受指令前，微處理順必須先確認模塊內(nèi)部處于非忙碌狀態(tài)，即讀取bf標志時bf需為0，方可接受新的指令；如果在送出一個指令前并不檢查bf標志，（一般在輸入每天指令前加個delay）那么在前一個指令和這個指令中間必須延遲一段較長的時間，即是等待前一個指令確實執(zhí)行完成，指令執(zhí)行的時間請參考指令表中的個別指令說明。（2）“re”為基本指令集與擴充指令集的選擇控制位元，當變更“re”位元后，往后的指令集將維持在最后的狀態(tài)，除非再次變更“re”位元，否則使用相同指令集時，不需每次重設(shè)“re”位元。（

37、1）清除顯示code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0lllllllllh功能：清除顯示屏幕，把ddram位址計數(shù)器調(diào)整為“00h”（2）位址歸位code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0llllllllhx功能：把ddram位址計數(shù)器調(diào)整為“00h”，游標回原點，該功能不影響顯示ddram（3）位址歸位code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0lllllllhi/ds功能：把ddram位址計數(shù)器調(diào)整為“00h”，游標回原點，該功能不影響顯示ddram功能：執(zhí)行該

38、命令后，所設(shè)置的行將顯示在屏幕的第一行。顯示起始行是由z地址計數(shù)器控制的，該命令自動將a0-a5位地址送入z地址計數(shù)器，起始地址可以是0-63范圍內(nèi)任意一行。z地址計數(shù)器具有循環(huán)計數(shù)功能，用于顯示行掃描同步，當掃描完一行后自動加一。（4）顯示狀態(tài) 開/關(guān)code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0llllllhdc b 功能： d=1；整體顯示on c=1；游標on b=1；游標位置on（5）游標或顯示移位控制code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0lllllhs/cr/lx x 功能：設(shè)定游標的移動與顯示

39、的移位控制位：這個指令并不改變ddram的內(nèi)容（6）功能設(shè)定code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0llllhdlx0 rex x 功能：dl=1（必須設(shè)為1） re=1；擴充指令集動作 re=0：基本指令集動作（7）設(shè)定cgram位址code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0lllhac5ac4ac3ac2ac1 ac0功能：設(shè)定cgram位址到位址計數(shù)器（ac）（8）設(shè)定ddram位址code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0llhac6ac5ac4ac3a

40、c2ac1 ac0 功能：設(shè)定ddram位址到位址計數(shù)器（ac）（9）讀取忙碌狀態(tài)（bf）和位址code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0lhbfac6ac5ac4ac3ac2ac1 ac0 功能：讀取忙碌狀態(tài)（bf）可以確認內(nèi)部動作是否完成，同時可以讀出位址計數(shù)器（ac）的值(10)寫資料到ramcode： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0hld7d6d5d4d3d2d1 d0 功能：寫入資料到內(nèi)部的ram（ddram/cgram/tram/gdram）(11)讀出ram的值code： rw rs db7

41、db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0hhd7d6d5d4d3d2d1 d0 功能：從內(nèi)部ram讀取資料（ddram/cgram/tram/gdram）(12)待命模式（12h）code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0lllllllll h 功能：進入待命模式，執(zhí)行其他命令都可終止待命模式(13)卷動位址或iram位址選擇（13h）code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0llllllllh sr 功能：sr=1；允許輸入卷動位址 sr=0；允許輸入iram位址 (14)反白選擇（14h）

42、code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0lllllllhr1 r0 功能：選擇4行中的任一行作反白顯示，并可決定反白的與否(15)睡眠模式（015h）code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0llllllhslx x 功能：sl=1；脫離睡眠模式 sl=0；進入睡眠模式(16)擴充功能設(shè)定（016h）code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0llllhhx1 reg l 功能：re=1；擴充指令集動作 re=0；基本指令集動作 g=1；繪圖顯示on g=0；繪圖

43、顯示off(17)設(shè)定iram位址或卷動位址（017h）code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0lllhac5ac4ac3ac2ac1 ac0 功能：sr=1；ac5ac0為垂直卷動位址 sr=0；ac3ac0寫iconram位址(18)設(shè)定繪圖ram位址（018h）code： rw rs db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0llhac6ac5ac4ac3ac2ac1 ac0 功能：設(shè)定gdram位址到位址計數(shù)器（ac）水平方向x以字節(jié)單位 垂直方向y以位為單位漢字顯示坐標 x坐標line180h81h82h83h84h8

44、5h86h87hline290h91h92h93h94h95h96h97hline388h89h8ah8bh8ch8dh8eh8fhline498h99h9ah9bh9ch9dh9eh9fh7.3字符表代碼（02h-7fh）4顯示ram文本顯示ram（ddram）文本顯示ram提供8個×4行的漢字空間，當寫入文本顯示ram時，可以分別顯示cgrom、hcgrom與cgram的字型；st7920a可以顯示三種字型 ，分別是半寬的hcgrom字型、cgram字型及中文cgrom字型。三種字型的選擇，由在ddram中寫入的編碼選擇，各種字型詳細編碼如下：顯示半寬字型 ：將一位字節(jié)寫入ddr

45、am中，范圍為02h-7fh的編碼。顯示cgram字型：將兩字節(jié)編碼寫入ddram中，總共有0000h，0002h，0004h，0006h四種編碼顯示中文字形：將兩字節(jié)編碼寫入ddramk ，范圍為a1a0h-f7ffh(gb碼)或a140h-d75fh(big5碼)的編碼。繪圖ram（gdram）繪圖顯示ram提供128×8個字節(jié)的記憶空間，在更改繪圖ram時，先連續(xù)寫入水平與垂直的坐標值，再寫入兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)到繪圖ram，而地址計數(shù)器（ac）會自動加一；在寫入繪圖ram的期間，繪圖顯示必須關(guān)閉，整個寫入繪圖ram的步驟如下：1、關(guān)閉繪圖顯示功能。2、先將水平的位元組坐標（x）寫入

46、繪圖ram地址；再將垂直的坐標（y）寫入繪圖ram地址；將d15d8寫入到ram中；將d7d0寫入到ram中；打開繪圖顯示功能。繪圖顯示的緩沖區(qū)對應分布請參考“顯示坐標”游標/閃爍控制st7920a提供硬件游標及閃爍控制電路，由地址計數(shù)器（address counter）的值來指定ddram中的游標或閃爍位置。4.1.2液晶顯示硬件設(shè)計本設(shè)計采用的12864液晶是20跟引線的液晶芯片，在電路原理圖設(shè)計過程中，使用了14個i/o口通信，其中714為并行數(shù)據(jù)線。在設(shè)計中采用通用的液晶顯示接線方式，方便更好的實現(xiàn)顯示界面。液晶顯示電路原理圖如圖4-1所示圖4-1液晶顯示電路4.1.3液晶顯示軟件設(shè)計

47、  在使用12864lcd前先必須了解以下功能器件才能進行編程。12864內(nèi)部功能器件及相關(guān)功能如下：1 指令寄存器(ir)  ir是用于寄存指令碼，與數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)相對應。當d/i=0時，在e信號下降沿的作用下，指令碼寫入ir。2數(shù)據(jù)寄存器(dr)  dr是用于寄存數(shù)據(jù)，與指令寄存器寄存指令相對應。當d/i=1時，在下降沿作用下，圖形顯示數(shù)據(jù)寫入dr，或在e信號高電平作用下由dr讀到db7db0數(shù)據(jù)總線。dr和ddram之間的數(shù)據(jù)傳輸是模塊內(nèi)部自動執(zhí)行的。3忙標志：bf  bf標志提供內(nèi)部工作情況。bf=1表示模

48、塊在內(nèi)部操作，此時模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù)。bf=0時，模塊為準備狀態(tài)，隨時可接受外部指令和數(shù)據(jù)。  利用status read指令，可以將bf讀到db7總線，從檢驗模塊之工作狀態(tài)。4顯示控制觸發(fā)器dff  此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。dff=1為開顯示（display off），ddram的內(nèi)容就顯示在屏幕上，dff=0為關(guān)顯示（display off）。  ddf的狀態(tài)是指令display on/off和rst信號控制的。5xy地址計數(shù)器  xy地址計數(shù)器是一個9位計數(shù)器。高3位是x地址計數(shù)器，低6位為y地址計數(shù)器，xy地址計數(shù)器實際上是作為ddram的地址指針，x地址計數(shù)器為ddram的頁指針，y地址計數(shù)器為ddram的y地址指針。  x地址計數(shù)器是沒有記數(shù)功能的，只能用指令設(shè)置。  y地址計數(shù)器具有循環(huán)記數(shù)功能，各顯示數(shù)據(jù)寫入后，y地址自動加1，y地址指針從0到63。6顯示數(shù)據(jù)ram（ddram）  ddram是存儲圖形顯示數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)為1表示顯示選擇，數(shù)據(jù)為0表示顯示非選擇。ddram與地址和顯示位置的關(guān)系見ddram地址表。7z地址計數(shù)器  z地址計數(shù)器是一