畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、摘要步進(jìn)電機(jī)是一種將輸入的電脈沖信號(hào)變換為階躍性角位移或直線位移的電機(jī),既給一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步,故而又稱為脈沖電機(jī)。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。步近電機(jī)必須與驅(qū)動(dòng)器、控制器配套使用才能完成工作要求。本設(shè)計(jì)既有硬件電路設(shè)計(jì)，也包括軟件電路設(shè)計(jì)。其中硬件電路設(shè)計(jì)主要有鍵盤電路，串行顯示電路，驅(qū)動(dòng)電路等。軟件設(shè)計(jì)主要有主程序，鍵盤掃描子程序，串行顯示子程序和延時(shí)子程序等。硬件設(shè)計(jì)采用57byg350a型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，與其配套的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ms-3h057m系列驅(qū)動(dòng)器。采用at89s51單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過4×4矩陣鍵盤對(duì)步進(jìn)電

2、機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，采用led數(shù)碼管來顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)和運(yùn)行速度。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)，at89c51，硬件接口電路，軟件模塊abstracttread into the electrical engineering(the stepping motors) is a kind of electricity pulse signal transformation that will input to jumps sex  cape move or the straight line to move for the rank of electrical engineering, sin

3、ce give a pulse signal, the electrical engineering turns to move an angle or fronts further, hence be called the pulse electrical engineering again.its output's  cape move with the importation of pulse the number becomes the direct proportion, turning to become the direct proportion with th

4、e pulse frequency soon.tread the near electrical engineering must then can complete the work request with actuator, the controller kit usage.the design of both hardware circuit design, including software design. one major hardware circuit design circuit has a keyboard, serial show circuit, the drive

5、r circuit. software design main main program, keyboard scanning routines, serial display routines and routines, and so delayed. 57 byg350a hardware design using models of stepping motor, instead of supporting the drive models for ms-3h057m series drives. at89s51 microcontroller used to stepping moto

6、r control, through the 4 × 4 matrix keyboard on the status of stepping motor control, the use of led digital display of the stepping motor running steps and speed.keyword: stepping motor，at89s51, hardware circuit, software module1 緒論1.1 課題背景步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機(jī)電執(zhí)行元件，每外加一個(gè)控制脈沖,電機(jī)就運(yùn)行一步故稱為步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)

7、。通俗一點(diǎn)講:當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(步進(jìn)角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量底，定位精度高，無累積誤差，控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。實(shí)際操作時(shí)不受電源電壓，負(fù)載，環(huán)境，溫度的影響能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制"步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增,在各個(gè)國(guó)

8、民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，研究步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使步進(jìn)電機(jī)的控制更加簡(jiǎn)便，靈活和智能化，使其應(yīng)用更加廣泛 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向主要有如下三點(diǎn):(1)進(jìn)一步完善和擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)和控制功能。如采用svpwm技術(shù)，采用電子齒輪比技術(shù)，擴(kuò)展通訊網(wǎng)絡(luò)功能等。(2)高功率密度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。(3)閉環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。為了徹底克服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一些根本性的弱點(diǎn)，如振蕩的傾向及失步等，可改為閉環(huán)系統(tǒng)，但這種改變的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已起了質(zhì)的變化，不再是本來意義上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而成為無刷直流電動(dòng)機(jī)(bldcm)，或交流伺服電機(jī)(ac servo）。1.2 主要研究工作硬件設(shè)計(jì)方面：通過單片機(jī)實(shí)

9、驗(yàn)加深對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源和電機(jī)工作情況了解，測(cè)定并研究其在單步運(yùn)行狀態(tài)，角位移和脈沖數(shù)關(guān)系，平均轉(zhuǎn)速和脈沖頻率關(guān)系。觀察轉(zhuǎn)子振蕩狀態(tài)，并且掌握步進(jìn)電機(jī)的基本特性和指標(biāo)。根據(jù)功能需要選擇電路元器件和型號(hào)，設(shè)計(jì)電路并能解決現(xiàn)實(shí)抗干擾問題。畫出電路原理圖，進(jìn)行電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)，做出pcb圖。軟件設(shè)計(jì)方面：通過高效率的匯編語(yǔ)言編寫核心模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。最終設(shè)計(jì)出一個(gè)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)電路，能夠調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。由于轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率實(shí)現(xiàn)的，該設(shè)計(jì)脈沖分配采用完全軟件方式，既按照給定的通電換向順序，通過單片機(jī)i/o口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，避免采用復(fù)雜脈沖分配器芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)直接控制

10、步進(jìn)電機(jī)。在現(xiàn)實(shí)操作中解決堵轉(zhuǎn)和啟動(dòng)失步等問題。設(shè)計(jì)采用tkscm1-型實(shí)驗(yàn)?zāi)０寮皞ジ７抡嫫鬟M(jìn)行仿真。2 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.1單片機(jī)選擇2.1.1單片機(jī)選擇依據(jù)第一，價(jià)格因素?？紤]到該控制器設(shè)計(jì)的適用性，因此價(jià)格問題尤為重要，要選擇一個(gè)性價(jià)比較高的單片機(jī)，包括單片機(jī)的單片價(jià)格和開發(fā)系統(tǒng)的造價(jià)。 第二，性能因素。at89s51單片機(jī)機(jī)內(nèi)部資源豐富、具有在線編程（串行下載目標(biāo)程序）等功能，軟硬件調(diào)試方便，通過對(duì)該系統(tǒng)分析，8位單片機(jī)可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求。第三，安全因素。電子產(chǎn)品的安全性是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)的安全性必須達(dá)到系統(tǒng)要求。2.1.2 at89s51單片機(jī)的

11、優(yōu)點(diǎn)（1）內(nèi)部含flash存儲(chǔ)器： 在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進(jìn)行程序的修改，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。（2）和 80s51 插座兼容： 該機(jī)型通用性好，能夠利用現(xiàn)成的 51 系列的開發(fā)系統(tǒng)，不需另外重新建立新的開發(fā)系統(tǒng)，這樣可節(jié)約開發(fā)成本。（3）靜態(tài)時(shí)鐘方式： at89s51 單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對(duì)于降低成品的功耗十分有用。（4）錯(cuò)誤編程亦無廢品產(chǎn)生： 一般的 otp 產(chǎn)品一旦錯(cuò)誤編程就成了廢品，而at89s51 單片機(jī)內(nèi)部采用了 flash 存儲(chǔ)器，所以錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。（5）可進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)試驗(yàn)： 用 at89s51 單片機(jī)

12、設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且隨用戶的需要和發(fā)展還可以進(jìn)行修改，使系統(tǒng)能不斷追隨用戶的最新要求。由于該機(jī)型具有上述優(yōu)點(diǎn)，并且有現(xiàn)成的開發(fā)系統(tǒng)，不需購(gòu)置新的開發(fā)系統(tǒng)，可節(jié)約開發(fā)成本，所以選擇 at89s51 單片機(jī)。2.2 單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展簡(jiǎn)介單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是在一塊芯片體上集成了中央處理器cpu、隨機(jī)存儲(chǔ)器ram或eprom、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器以及串行和并行i/o接口等部件，構(gòu)成的一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。 自1971年intel公司制造出第一塊4位微處理器以

13、來，發(fā)展十分迅猛，經(jīng)歷了4位機(jī)、低檔8位機(jī)、高檔8位機(jī)、16位機(jī)及最新一代的單片機(jī)。最新一代單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上采用雙cpu或內(nèi)部流水線，cpu有8位、16位、32位，時(shí)鐘頻率高達(dá)20hz，片內(nèi)有pwm輸出、監(jiān)視定時(shí)器wdt、可編程計(jì)數(shù)器陣列pca、dma傳輸、調(diào)制解調(diào)器等。芯片向高集成化，低功耗方向發(fā)展，使得單片機(jī)在大量數(shù)據(jù)的及時(shí)處理、高級(jí)通信系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、復(fù)雜工業(yè)過程控制、高級(jí)機(jī)器人以及局域網(wǎng)等方面得到大量應(yīng)用。 單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，故在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。按照單片機(jī)特點(diǎn)，單片機(jī)可分為單機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用。單機(jī)

14、應(yīng)用主要領(lǐng)域有（1）測(cè)控系統(tǒng)。用單片機(jī)構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如溫室人工氣候控制、水閥自動(dòng)控制、電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)控制、汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。（2）智能儀表。用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。如溫度、壓力、流量、濃度的測(cè)量、顯示及儀表控制。通過單片機(jī)軟件編程，是測(cè)量?jī)x表中長(zhǎng)期存在的誤差修正、線形化處理等難題迎刃而解。（3）機(jī)電一體化產(chǎn)品。如簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械等。（4）智能接口。在大型工控系統(tǒng)中，普遍采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，這個(gè)因?yàn)閱纹瑱C(jī)與主機(jī)是并行工作的，可大大提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。如大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用

15、單片機(jī)對(duì)adc接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。如數(shù)字濾波、線形化、誤差修正等。多機(jī)應(yīng)用主要在功能集散系統(tǒng)、并行多控制系統(tǒng)、局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。（1）功能集散系統(tǒng)。多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。如一個(gè)加工中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除完成機(jī)床加工運(yùn)行控制外，還要控制對(duì)刀系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、刀庫(kù)管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅(qū)動(dòng)等機(jī)構(gòu)。（2）并行多控制系統(tǒng)。并行多控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的加速問題，以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。典型的有快速并行數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)圖象處理系統(tǒng)等。（3）局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的水平。目前該網(wǎng)絡(luò)

16、系統(tǒng)主要是分布式測(cè)控系統(tǒng)，單片機(jī)主要用語(yǔ)系統(tǒng)中的通信控制，以及構(gòu)成各種測(cè)控子級(jí)系統(tǒng)。2.3 at89s51單片機(jī)外部引腳說明 mcs-51單片機(jī)芯片均有40個(gè)引腳。在40條引腳中有兩條專用于主電源的引腳，兩條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復(fù)用的引腳,32條i/o引腳。單片機(jī)管腳圖如圖2.1。圖2.1 msc-51單片機(jī)的管腳圖下面分別敘述這40條引腳的功能(1) 主電源引腳vcc和vssgnd（20腳）接地；vcc（40腳）接5v電源(2) 外接晶體引腳xtal1和xtal2xtal1（19腳）接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器，當(dāng)

17、采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。xtal2（18腳）接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。(3) 控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳rst（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦此引腳與vss引腳之間連接一個(gè)約8.2k的下拉電阻，與vcc引腳之間連接一個(gè)約10mf的電容，以保證可靠的復(fù)位。vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部ram的數(shù)據(jù)，當(dāng)vcc下降到低于規(guī)定的值，而rst在其規(guī)定的電壓范圍（5±0.5v）內(nèi)時(shí)，rst就向內(nèi)部

18、ram提供備用電源。ale/prog（30腳）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale（允許地址鎖存）的輸出用于所存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ale端仍以不變的頻率周期地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6，因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ale脈沖。ale端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）8個(gè)ttl輸出。對(duì)于eprpm型單片機(jī)（如8751），在eprom編程期間，此引腳用來輸入編程脈沖（prog）。psen（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期psen兩次有效。但在

19、次期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（即從程序存儲(chǔ)器取來的指令是movx類指令），過兩次有效的psen信號(hào)將不出現(xiàn)。psen可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）8個(gè)lsttl。ea/vpp（31腳）：當(dāng)ea端保持高電平時(shí)，訪問程序存儲(chǔ)器，但在pc（程序計(jì)數(shù)器）值超過0ffffh時(shí)（對(duì)于8051、8751來說），將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)ea端保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于8031來說，無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器所以該腳必須接地，這樣只能選擇外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于eprom型單片機(jī)，在eprom編程期間，此引腳用于施加21伏的編程電源（vpp）。(4) 輸入/輸出（i/

20、o）引腳p0口，p1口，p2口，p3口p0口：雙向8位三態(tài)i/o口，與地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線復(fù)用。p1口：8位準(zhǔn)雙向i/o口。p2口：8位準(zhǔn)雙向i/o口，與地址總線（高8位）復(fù)用。p3口：8位準(zhǔn)雙向i/o口，復(fù)用雙功能口。作為第一功能使用時(shí)，即作為普通i/o口用，功能和操作方法與p1口相同。值得強(qiáng)調(diào)的是，p3口的每一位均可獨(dú)立地定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。3步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。(1)步距角的選擇:電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換

21、算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。(2) 靜力矩的選擇: 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能

22、確定下來（幾何尺寸）。（3）電流的選擇：靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）。綜上所述本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用57byg350a型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。因一般的步進(jìn)電機(jī)都配有固定型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，57byg350a型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)與其配套的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ms-3h057m系列驅(qū)動(dòng)器，所以本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的選擇不再另作選擇。3.2 步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子

23、上有多相勵(lì)磁繞組,利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)階段,感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)獲得較多的應(yīng)用。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。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)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 各種步進(jìn)電機(jī)工作原理都大同小異，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。 (1)結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。 0、1/3、2/3

24、,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即a與齒1相對(duì)齊，b與齒2向右錯(cuò)開1/3，c與齒3向右錯(cuò)開2/3，a'與齒5相對(duì)齊，（a'就是a，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：圖3.1 定轉(zhuǎn)子展開圖 (1)旋轉(zhuǎn)： 如a相通電，b，c相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與a對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如b相通電，a，c相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與b對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時(shí)齒3與c偏移為1/3，齒4與a偏移（-1/3）=2/3。 如c相通電，a，b相不通電，齒3應(yīng)與c對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時(shí)齒4與a偏移為1/3對(duì)齊。 如a相通電，b，c相不通電，齒4與a對(duì)齊，轉(zhuǎn)子

25、又向右移過1/3 這樣經(jīng)過a、b、c、a分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到a相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按a，b，c，a通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按a，c，b，a通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用a-ab-b-bcc-ca-a這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒

26、軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。 (3)力矩： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力f與（d/d）成正比。其磁通量=br×s。br為磁密，s為導(dǎo)磁面積，f與l×d×br成正比， l為鐵芯有效長(zhǎng)度，d為轉(zhuǎn)子直徑。br=n·i/r，n·i為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）r為磁阻。力矩=力×半徑。力矩與電機(jī)有效體積

27、5;安匝數(shù)×磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。圖 3.2 磁通量與受力圖3.3步進(jìn)電機(jī)各指標(biāo)和參數(shù)步進(jìn)電機(jī)的指標(biāo)和參數(shù)通常分為靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)。 （1）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)。 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 n s 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍運(yùn)行方式即a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a. 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角

28、位移用表示。=360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) j× 運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50×4）=1.8 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50×8） =0.9 度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力

29、矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 （2）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)： 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角×100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。 失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過程中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種 ： (1)轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，也就是低于換相速度而產(chǎn)生的。這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，從而引起失步。 (2)轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場(chǎng)的平均旋

30、轉(zhuǎn)速度，這時(shí)定子通電勵(lì)磁的時(shí)間較長(zhǎng)，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需要的時(shí)間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量，從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動(dòng)振蕩，當(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致失步。 失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依

31、據(jù)。 其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。如圖3.3所示：圖 3.3 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性圖電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)

32、電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)閍b-bc-cd-da時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)閐a-ca-bc-ab時(shí)為反轉(zhuǎn)。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖計(jì)算機(jī)的硬件和軟件是相互結(jié)合而工作的，有些任務(wù)必須由硬件來實(shí)現(xiàn)，另外有些任務(wù)必須由軟件來實(shí)現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)可以由軟件來完成，也可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會(huì)提高成本，但能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序，且實(shí)時(shí)性好。反之，加重軟件任務(wù)，會(huì)增加編程調(diào)試工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排軟、硬件的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的硬件框圖如圖4.1所示。由于本微機(jī)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心部件，利用單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)從元件級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)需要，選擇合理的單片機(jī)并配置必須的接口和外圍設(shè)備來

33、構(gòu)成系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主要有控制器、鍵盤、數(shù)碼管顯示、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。其中控制器采用at89s51單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器配套使用，本文采用57byg350a型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，與其配套的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ms-3h057m系列驅(qū)動(dòng)器?？驁D中人機(jī)對(duì)話部分包括鍵盤和數(shù)碼管顯示。其中鍵盤用來設(shè)置初始值和控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，加速運(yùn)行，減速運(yùn)行等一些基本功能。因本設(shè)計(jì)采用二維步進(jìn)電機(jī)，每8個(gè)按鍵控制一維步進(jìn)電機(jī)，共用到16個(gè)按鍵，考慮到i/o口個(gè)數(shù)問題，本設(shè)計(jì)采用4×4矩陣鍵盤。數(shù)碼管用來顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)和運(yùn)行速度，以方便步進(jìn)電機(jī)在工作中我們能直接觀察到步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行參數(shù) 鍵

34、盤設(shè)定運(yùn)行結(jié)果 數(shù)碼管顯示單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)圖4.1 系統(tǒng)硬件框圖4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 一般情況下，單片機(jī)結(jié)合簡(jiǎn)單的接口電路就可以構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。一般包括單片機(jī)復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、鍵盤電路、顯示電路等。鍵盤電路和顯示電路在下文單獨(dú)介紹，在單片機(jī)最小系統(tǒng)里就不再另做介紹。下面介紹一下單片機(jī)的復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。4.2.1 單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和外部脈沖復(fù)位三種，本設(shè)計(jì)采用按鍵電平復(fù)位電路,如圖4.2所示。按鍵電平復(fù)位是通過按壓鍵使復(fù)位端經(jīng)電阻與vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。圖4.2 單片機(jī)復(fù)位電路4.2.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要

35、的時(shí)鐘信號(hào)，控制著單片機(jī)的有序運(yùn)行節(jié)奏，在at89s51芯片內(nèi)部，有一個(gè)振蕩器電路和時(shí)鐘發(fā)生器，在引腳xtal1和xtal2之間接入晶體振蕩器和電容后構(gòu)成內(nèi)部的時(shí)鐘方式。設(shè)計(jì)電路如圖4.3所示。圖4.3 單片機(jī)時(shí)鐘電路4.3鍵盤電路4.3.1 矩陣式鍵盤按鍵的識(shí)別當(dāng)非編碼鍵盤的按鍵較多時(shí)，若采用獨(dú)立式鍵盤占用i/o口線太多，此時(shí)可采用矩陣式鍵盤，鍵盤上的鍵按行列構(gòu)成矩陣，在行列的交點(diǎn)上都對(duì)應(yīng)有一個(gè)鍵。行列方式是用m條i/o線組成行輸入口，用n條i/o線組成列輸出口，在行列線的每一個(gè)交點(diǎn)處，設(shè)置一個(gè)按鍵，組成一個(gè)mxn的矩陣，如圖4.4所示，矩陣鍵盤所需的連線數(shù)為行數(shù)+列數(shù)，如4×4的

36、16鍵矩陣鍵盤需要8條線與單片機(jī)相連，般鍵盤的按鍵越多，這種鍵盤占i/o口線少的優(yōu)點(diǎn)就越明顯，因此，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)較為常見。列行圖4.4 矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤識(shí)別按鍵的方法有兩種: 一是行掃描法, 二是線反轉(zhuǎn)法。這里只說明一下第一種情況， 行掃描法：先令列線y0為低電平（0），其余3根列線y1、y2、y3都為高電平，讀行線狀態(tài)。如果x0、x1、x2、x3都為高電平，則y0這一列上沒有鍵閉合，如果讀出的行線狀態(tài)不全為高電平，則為低電平的行線和y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)；如果y0這一列上沒有鍵閉合，接著使列線y1為低電平，其余列線為高電平。用同樣的方法檢查y1這一列上有無鍵閉合，依次類推，最后使列

37、線y3為低電平，其余列線為高電平，檢查y3這一列有無鍵閉合。 為了防止雙鍵或多鍵同時(shí)按下, 往往從第 0 行一直掃描到最后 1 行, 若只發(fā)現(xiàn) 1 個(gè)閉合鍵, 則為有效鍵, 否則全部作廢。 找到閉合鍵后, 讀入相應(yīng)的鍵值, 再轉(zhuǎn)至相應(yīng)的鍵處理程序。l 關(guān)于鍵盤的抖動(dòng)問題的分析和解決：當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)，如圖4.5所示，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個(gè)鍵時(shí)，也回會(huì)出現(xiàn)類似的情況。這就是抖動(dòng)。抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通?？偸遣淮笥?0ms。很容易想到，抖動(dòng)問題不解決就會(huì)引起對(duì)閉合鍵的識(shí)別。用軟件方法可以很容易地解決抖動(dòng)問題，這就是通過延遲1

38、0ms來等待抖動(dòng)消失，這之后，在讀入鍵盤碼。因此本系統(tǒng)采用軟件消抖的方法。鍵按下前沿抖動(dòng)后沿抖動(dòng)閉合穩(wěn)定圖4.5 鍵抖動(dòng)信號(hào)波形l 鍵編碼及鍵值(1) 用鍵盤連接的i/o線的二進(jìn)制組合表示鍵碼。例如用4行、4列線構(gòu)成的16個(gè)鍵的鍵盤，可使用一個(gè)8位i/o口線的高、低4位口線的二進(jìn)制數(shù)的組合表示16個(gè)鍵的編碼，如圖所示。各鍵相應(yīng)的鍵值為88h、84h、82h、81h、48h、44h、42h、41h、28h、24h、22h、21h、18h、14h、12h、11h。這種鍵值編碼軟件較為簡(jiǎn)單直觀，但離散性大，不便安排散轉(zhuǎn)程序的入口地址。(2) 順序排列鍵編碼。如圖所示。這種方法，鍵值的形成要根據(jù)i/o

39、線的狀態(tài)作相應(yīng)處理。鍵碼可按下式形成：鍵碼=行首鍵碼+列號(hào)。4.3.2 鍵盤電路設(shè)計(jì)有關(guān)鍵盤操作的部分，可分為參數(shù)設(shè)定和執(zhí)行控制等功能操作。所謂參數(shù)設(shè)定，本系統(tǒng)在開始運(yùn)行前要求設(shè)置步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的速度，轉(zhuǎn)向、運(yùn)行步數(shù)等，所以要進(jìn)行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。所謂執(zhí)行控制指步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止。本系統(tǒng)采用二維電機(jī)，共十六個(gè)按鍵，如圖4.6。每八個(gè)按鍵控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制鍵功能相同，因此只介紹其中的八個(gè)按鍵。 各功能鍵具體設(shè)計(jì)如下： 設(shè)置鍵：設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的速度（包括加速和減速）。 啟動(dòng)鍵：執(zhí)行該按鍵，步進(jìn)電機(jī)就開始工作。 停止鍵：執(zhí)行該按鍵，步進(jìn)電機(jī)就停止工作。 轉(zhuǎn)向鍵：電機(jī)正、反轉(zhuǎn)選擇

40、。 數(shù)位鍵：預(yù)置步數(shù)的數(shù)據(jù)位設(shè)置。 數(shù)據(jù)鍵：預(yù)置步數(shù)位的數(shù)據(jù)設(shè)置。圖4.6 4×4矩陣鍵盤4.4 led顯示電路設(shè)計(jì)多位led顯示時(shí)，常將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位io口控制，也可采用并行擴(kuò)展口構(gòu)成顯示電路，通常，需要擴(kuò)展器件管腳的較多，價(jià)格較高。在本測(cè)量?jī)x中,為了節(jié)約i/o口資源，采用了由max7219芯片構(gòu)成的串行顯示方式。max7219是串行輸入，輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)電路，可直接與單片機(jī)的3條i/o線接口，特別適用于i/o口線少的系統(tǒng)，并且可以程序控制數(shù)碼管的亮度。本設(shè)計(jì)采用串行l(wèi)ed顯示驅(qū)動(dòng)器max7219來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)led顯示。4.4.1 串行l(wèi)ed顯示驅(qū)動(dòng)器max7

41、219max7219是美國(guó)maxim公司生產(chǎn)的串行接口8位led數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器，采用cmos工藝，內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)保持、bcd譯碼、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)器和位驅(qū)動(dòng)器。每片max7219最多可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8個(gè)led數(shù)碼管、條形圖顯示器或64只發(fā)光管。max7219的主要特點(diǎn)如下：·采用三線串行傳送數(shù)據(jù)，僅用3個(gè)引腳與微處理器相應(yīng)端相連即可，串行數(shù)據(jù)傳送速率高達(dá)10mhz，還可以級(jí)聯(lián)使用。·內(nèi)部具有8字節(jié)顯示靜態(tài)ram（稱為數(shù)字寄存器）和6個(gè)控制寄存器，可單獨(dú)尋址和更新內(nèi)容。·有譯碼和不譯碼兩種顯示模式。·上電時(shí)所有l(wèi)ed熄滅，正常工作時(shí)通過外接電阻或編程方式調(diào)節(jié)le

42、d亮度。·最大功耗為0.87w，具有150ua電流的低功耗關(guān)閉模式。max7219和led數(shù)碼管直接連接時(shí)不用外加驅(qū)動(dòng)器和限流電阻，不用譯碼器、鎖存器和其他硬件電路。max7219還可以級(jí)聯(lián)使用，驅(qū)動(dòng)更多的led數(shù)碼管，且不必另外占用單片機(jī)口線。下面介紹max7219的功能和使用方法。max7219是24腳雙列直插式芯片，引腳排列如圖4.7。圖4.7 max7219引腳圖1) din：串行數(shù)據(jù)輸入端。在clk的上升沿，數(shù)據(jù)被裝入到內(nèi)部的16位移位寄存器中。    2) dig7dig0：8位數(shù)值驅(qū)動(dòng)線。輸出位選信號(hào)，從每位led顯示器公共陰極吸入電流。&

43、#160;   3) gnd：接地端。    4) load：裝載數(shù)據(jù)控制端。在load的上升沿，最后送入的16位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中。    5)dout：串行數(shù)據(jù)輸出端。進(jìn)入din的數(shù)據(jù)在16.5個(gè)時(shí)鐘后送到dout端，以便在級(jí)聯(lián)時(shí)傳送到下一片max7219。    6)segasegg：led七段顯示器段驅(qū)動(dòng)端。    7)segh：小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端。    8

44、)vcc：+5v電源端。    9)iset：led段峰值電流提供端。它通過一只電阻與電源相連，以便給led段提供峰值電流。    10)clk：串行時(shí)鐘輸入端。最高輸入頻率為10mhz，在clk的上升沿，數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部移位寄存器；在clk的下降沿，數(shù)據(jù)被移至dout端。 4.4.2 led顯示硬件電路max7219是串行輸入，輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)電路，可直接與單片機(jī)的3條i/o線接口，特別適用于i/o口線少的系統(tǒng)，并且可以程序控制數(shù)碼管的亮度。在本設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)串行口（p3.0和p3.1）及p0.0三條線與ma

45、x7219相連接，p3.0、p3.1分別作為max7219串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)din和時(shí)鐘信號(hào) clk，p0.0輸出口作為load信號(hào)。因本系統(tǒng)中共用到16個(gè)led數(shù)碼管，因此用兩個(gè)max7219級(jí)聯(lián)來驅(qū)動(dòng)led數(shù)碼管的顯示。本系統(tǒng)中共用到16個(gè)led數(shù)碼管，每八個(gè)數(shù)碼管顯示一個(gè)電機(jī)的一些參數(shù)。其中四位數(shù)碼管用來顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)，另四位用來顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。具體硬件線路圖見圖4.8。圖4.8 max7219顯示電路圖4.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式是全電壓驅(qū)動(dòng),即在電機(jī)移步與鎖步時(shí)都加載額定電壓，為了防止電機(jī)過流及改善驅(qū)動(dòng)特性,需加限流電阻。步進(jìn)電機(jī)的另一種驅(qū)動(dòng)方式是高低

46、壓驅(qū)動(dòng),即在電機(jī)移步時(shí),加額定或超過額定值的電壓,以便在較大的電流驅(qū)動(dòng)下,使電機(jī)快速移步。在現(xiàn)代社會(huì)，一般步進(jìn)電機(jī)都有其配套的驅(qū)動(dòng)器與其配套使用，本設(shè)計(jì)就采用了57byg350a型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，與其配套的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ms-3h057m系列驅(qū)動(dòng)器。4.5.1 ms-3h057m型號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器介紹21圖4.9 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器面板圖cp+ 步進(jìn)脈沖信號(hào)正端cp- 步進(jìn)脈沖信號(hào)負(fù)端dir+ 方向電平信號(hào)正端dir- 方向電平信號(hào)負(fù)端en+ 使能電平信號(hào)正端en- 使能電平信號(hào)負(fù)端cw+ 正向步進(jìn)脈沖信號(hào)正端cw- 正向步進(jìn)脈沖信號(hào)負(fù)端ccw+ 反向步進(jìn)脈沖信號(hào)正端ccw- 反向步進(jìn)脈沖信號(hào)負(fù)端po

47、wer 電源指示燈（綠色）no ready 未準(zhǔn)備好指示燈（紅色）1-4位設(shè)定電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)（細(xì)分?jǐn)?shù)）5位 設(shè)定步進(jìn)脈沖方式0- 單脈沖，1-雙脈沖6位 設(shè)定是否允許半電流 0- 不允許，1-允許7-10位 設(shè)定輸出電流值（有效值）4.5.2 ms系列驅(qū)動(dòng)器主要功能電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)設(shè)定（細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定）：每一種型號(hào)驅(qū)動(dòng)器都有16種步數(shù)（細(xì)分?jǐn)?shù)）可選，由驅(qū)動(dòng)器上的撥位開關(guān)的第1、2、3、4位設(shè)定，此16種步數(shù)基本涵蓋了用戶對(duì)電機(jī)步距的要求，步數(shù)設(shè)定必須在驅(qū)動(dòng)器未加電或已加電但電機(jī)未運(yùn)行時(shí)才有效。驅(qū)動(dòng)器輸出電流設(shè)定：每一種型號(hào)驅(qū)動(dòng)器都有16檔輸出電流可選，由驅(qū)動(dòng)器上的撥位開關(guān)的第7、8、9、10位設(shè)定，驅(qū)動(dòng)

48、器輸出三相正弦電流給電機(jī)，電流大小以有效值標(biāo)稱?？刂菩盘?hào)方式設(shè)定：每一種型號(hào)驅(qū)動(dòng)器都有2種控制信號(hào)方式可選，由驅(qū)動(dòng)器上的撥位開關(guān)的第5位設(shè)定： cp/dir方式： 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向由dir換向電平控制，而步進(jìn)信號(hào)取決于cp。比如說，dir為高電平時(shí)電機(jī)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，dir為低電平時(shí)電機(jī)則為反方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此種換向方式，我們稱之為單脈沖方式。撥位開關(guān)的第5位設(shè)定在“0”位置；cw/ccw方式： 驅(qū)動(dòng)器接受兩路脈沖信號(hào)（一般標(biāo)注為cw和ccw），當(dāng)其中一路（如cw）有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)正向運(yùn)行，當(dāng)另一路（如ccw）有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)反向運(yùn)行,我們稱之為雙脈沖方式。撥位開關(guān)的第5位設(shè)定在“1”位置。自

49、動(dòng)半電流：是指驅(qū)動(dòng)器在脈沖信號(hào)停止施加1秒左右，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入半電流狀態(tài)，這時(shí)電機(jī)相電流為運(yùn)行時(shí)的一半，以減小功耗和保護(hù)電機(jī)，此功能由驅(qū)動(dòng)器上的撥位開關(guān)的第6位設(shè)定：0無此功能、1有此功能。相位記憶功能(無時(shí)間限制)：驅(qū)動(dòng)器斷電時(shí)處于某一相位，下次加電時(shí)如果和此相位不同，電機(jī)就會(huì)“抖動(dòng)”一下，為了消除電機(jī)抖動(dòng)就必須把斷電時(shí)的相位記憶住。此功能在某些行業(yè)非常重要，記憶時(shí)間為無限。保護(hù)功能：過溫保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、保護(hù)信號(hào)輸出。4.5.3 ms系列驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)器是把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供的弱電信號(hào)放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受的強(qiáng)電流信號(hào)，控制系統(tǒng)提供給驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)主要有以下三路：1步進(jìn)脈沖信號(hào)c

50、p：這是最重要的一路信號(hào)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)脈沖信號(hào)cp，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角， cp的頻率和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比， cp的脈沖個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號(hào)cp就可以達(dá)到電機(jī)調(diào)速和定位的目的。2方向電平信號(hào)dir：此信號(hào)決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。比如說，此信號(hào)為高電平時(shí)電機(jī)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此信號(hào)為低電平時(shí)電機(jī)則為反方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此種換向方式，我們稱之為單脈沖方式。另外，還有一種雙脈沖換向方式：驅(qū)動(dòng)器接受兩路脈沖信號(hào)（標(biāo)注為cw和ccw），當(dāng)其中一路（如cw）有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)正向運(yùn)行

51、，當(dāng)另一路（如ccw）有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)反向運(yùn)行。由撥位開關(guān)的第5位決定使用何種方式。3使能信號(hào)en：此信號(hào)在不連接時(shí)默認(rèn)為有效狀態(tài)，這時(shí)驅(qū)動(dòng)器正常工作。當(dāng)此信號(hào)回路導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)器停止工作，這時(shí)電機(jī)處于無力矩狀態(tài)（等同于本公司sh系列驅(qū)動(dòng)器的free信號(hào)），此信號(hào)為選用信號(hào)。4.5.4 控制電路設(shè)計(jì)為了使控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器正?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)，本系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用共陰方式，把cp-、dir-和en-接在一起作為共陰端接外部系統(tǒng)的gnd。其中一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)的具體接線為脈沖信號(hào)cp+端接入單片機(jī)p0.1，方向信號(hào)dir+端接入p0.2, 使能信號(hào)en+端接入p0.3。電路圖如圖4.10. 圖

52、4.10 驅(qū)動(dòng)及其控制電機(jī)電路4.6 電源電路由于系統(tǒng)放大模塊和交流/直流轉(zhuǎn)換模塊要用到5v、12v、24v直流電源，因此需要自行設(shè)計(jì)并制作合適的直流穩(wěn)壓電源。本產(chǎn)品外接交流220v電源輸入，通過4個(gè)二極管進(jìn)行交流變直流的整流，利用三端穩(wěn)壓器mc78l24和mc7812及mc7805產(chǎn)所需的電壓，c1和c2為三端集成穩(wěn)壓器mc7824的旁路電容，c3為低頻濾波電容，c4為高頻濾波電容。三端集成穩(wěn)壓器mc7824供給某些部件24v直流工作電源。同樣mc7812和mc7805分別為系統(tǒng)的某些部件提供12v和5v的直流工作電源。具體的電路設(shè)計(jì)如圖4.11所示：圖4.11 電源電路5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用

53、系統(tǒng)中控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)最終是靠程序的執(zhí)行完成的。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的如何，將決定系統(tǒng)的效率和優(yōu)劣。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面： （1）采用模塊程序設(shè)計(jì)。 （2）采用自頂而下的程序設(shè)計(jì)。 （3）外部設(shè)備和外部事件盡量采用中斷方式與cpu聯(lián)絡(luò)，這樣利于系統(tǒng)模塊化和提高程序效率。 （4）可使用高級(jí)語(yǔ)言，大大提高開發(fā)和調(diào)試效率。 （5）程序設(shè)計(jì)時(shí)可采用一些實(shí)用的子程序。其中包括運(yùn)行子程序和控制算法程序等。 （6）系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)充分空靈廠到軟件抗干擾措施。如數(shù)字濾波、程序跑飛的陷阱、軟件狗、軟件的容錯(cuò)設(shè)計(jì)等。5.1 匯編語(yǔ)言的簡(jiǎn)介指令是單片機(jī)執(zhí)行操作的命令，所有指令的集合稱為指令系統(tǒng)。指令有兩種描述形式，用機(jī)

54、器語(yǔ)言描述的指令和用匯編語(yǔ)言描述的指令。機(jī)器語(yǔ)言指令用二進(jìn)制編碼表示，是cpu唯一能直接識(shí)別和執(zhí)行的指令。匯編語(yǔ)言指令是一種符號(hào)指令，由助記符、符號(hào)和數(shù)字等來表示指令，與機(jī)器語(yǔ)言指令一一對(duì)應(yīng)。機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序不便于記憶、查錯(cuò)和修改，匯編語(yǔ)言比機(jī)器語(yǔ)言容易理解和記憶。近年來，適用于單片機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言已日漸成熟，應(yīng)用于51系列單片機(jī)編程的高級(jí)語(yǔ)言主要為plm、basic、c語(yǔ)言等。高級(jí)語(yǔ)言用自然語(yǔ)言描述，使用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序具有效率高、可讀性好和可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。實(shí)際編寫程序時(shí)通常使用匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言。主要特點(diǎn)是占用

55、資源少、程序執(zhí)行率高等。80c51單片機(jī)指令共有111條指令，其中單字節(jié)指令49條，雙字節(jié)指令45條，三字節(jié)指令17條。單字節(jié)指令對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼占一個(gè)字節(jié)（byte），雙字節(jié)指令對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼占兩個(gè)字節(jié)，三字節(jié)指令對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼占三個(gè)字節(jié)。按指令的執(zhí)行時(shí)間分，分為單周期指令、雙周期指令、四周期指令。在編寫程序時(shí)，盡量使用周期數(shù)少的指令，以加快程序的執(zhí)行速度，節(jié)省執(zhí)行時(shí)間。5.2 偉福仿真器偉福仿真器采用大規(guī)?？删幊绦酒皩Ｓ梅抡嫘酒圃? 集仿真器、邏輯分析儀、跟蹤器、邏輯筆、 波形發(fā)生器、影子存儲(chǔ)器、代碼覆蓋、記時(shí)器、程序時(shí)效分析、數(shù)據(jù)時(shí)效分析、硬件測(cè)試儀、事件觸發(fā)器于一體的通用仿真器。偉福仿真器

56、有如下系列仿真器：（1）e6000系列仿真器：基于hooks技術(shù)的pod-h8x5x，偉福6000全新版軟件。（2）h51系列專用仿真器：偉福新版仿真頭pod8x5xp，偉福6000支持的ht-tech picc me。（3）p51 philips專用型仿真器 （4）microchip pic系列專用仿真器 pic6000 （5）philips lpc76x專用仿真器、編程器 （6）philips lpc932專用仿真器、編程器 （7）mplab-icd在線調(diào)試器 本系統(tǒng)采用e2000/s仿真器，該仿真器能實(shí)現(xiàn)51、196、pic系列微型控制器的仿真。仿真環(huán)境如圖5.1所示。圖 5.1 偉福仿真器開發(fā)環(huán)境仿真器的使用大致步驟如下：（1）硬件電路正確連接；（2）仿真頭設(shè)置（3）按照控制功能輸入?yún)R編程序；（4）編譯程序；（5）執(zhí)行。 本仿真器軟件設(shè)計(jì)使用的是匯編語(yǔ)言。它的功能性強(qiáng)，執(zhí)行效率比較高?？芍苯釉L問系統(tǒng)硬件，對(duì)內(nèi)存容量要求低，適合應(yīng)用于工控和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)到的仿真器軟件的具體按鈕及功能在此不再過多闡述。5.3 軟件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序和其它子程序組成。在設(shè)計(jì)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能，將軟件分成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊，包括系統(tǒng)主程序模塊、鍵盤掃描子程序模塊、顯示子程序模塊等。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用