畢業(yè)設(shè)計（論文）基于AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對四相四拍步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行開環(huán)控制

1、 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 1 頁 共 44 頁目錄1 1 引言引言 .311 選題背景意義.312 研究內(nèi)容 .42 2 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)概述 .52.1 步進(jìn)電機(jī)的分類.52.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理及控制技術(shù).62.3 步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) .82.3.1 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù).82.3.2 動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語.82.4 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn) .92.5 步進(jìn)電機(jī)的控制方法 .93 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計 .113.1 系統(tǒng)設(shè)計方案 .113.2 系統(tǒng)的組成和對應(yīng)功能的簡述 .113.2.1 單片機(jī)簡介.113.2.2 單片機(jī)中斷.143.2.3 中斷控制的專用寄存器.143.2.4 中斷

2、響應(yīng)過程.173.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 .183.4 控制電路的設(shè)計.19 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 2 頁 共 44 頁3.5 驅(qū)動電路設(shè)計.193.6 數(shù)碼管顯示電路.203.6.1 數(shù)碼管顯示方式.203.6.2 led 數(shù)碼管.214 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試 .234.1 軟件設(shè)計 .234.2 仿真軟件proteus特點(diǎn).254.3 isis 智能原理圖輸入系統(tǒng).264.4 proteus 6 professional 界面簡介.264.5 操作簡介 .275 5 調(diào)試調(diào)試 .285.1 keil軟件簡介.285.2 調(diào)試 .286 結(jié)束語結(jié)束語 .32致謝致謝 .

3、33參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .34英文翻譯資料英文翻譯資料 .35中文翻譯資料中文翻譯資料 .38附錄附錄 a a 總體原理圖總體原理圖 .41附錄附錄 b b 系統(tǒng)軟件程序系統(tǒng)軟件程序 .42 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 3 頁 共 44 頁1 1 引言引言1 11 1 選題背景意義選題背景意義步進(jìn)電機(jī)最早是在 1920 年由英國人所開發(fā)。1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步

4、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)指令動作的靈活控制性場合步進(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。一般電動機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進(jìn)電動機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時步進(jìn)電動機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進(jìn)電動機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸

5、入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動機(jī)已成為除直流電動機(jī)和交流電動機(jī)以外的第三類電動機(jī)。傳統(tǒng)電動機(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)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)已成為除直流電機(jī)和交流電機(jī)以外的第三類電動機(jī)。傳統(tǒng)電動

6、機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生活和生產(chǎn)進(jìn)入電氣化過程中起這關(guān)機(jī)的作用?？墒窃谌祟惿鐣M(jìn)入電氣化時代的今天，傳統(tǒng)電動機(jī)已不能滿足工業(yè)自動化和辦公自動化等各種運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求。發(fā)展了一系列新的具有控制功能的電動機(jī)系統(tǒng)，其中較有自己的特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的就是步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展與計算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電機(jī)在計算機(jī)外圍設(shè)備上取代小型電動機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快的促進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，比如電加工機(jī)床，小功率機(jī)械加工機(jī)床，測量儀器，光學(xué)和醫(yī)學(xué)儀器以及包裝機(jī)械等。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)

7、變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開懷控制元件。在非超載的情況稀奇啊，點(diǎn)擊的轉(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(fù)載變化的影響，即給一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一現(xiàn)行關(guān)系的存在加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無積累誤差等特點(diǎn)，使得在速度，位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)控制變得非常簡單。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)每給一個脈沖就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步距角從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。在本設(shè)計方案中采用at89c51 型單片機(jī)內(nèi)部的定

8、時器改變 cp 脈沖的頻率從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能。本課題通過單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，滿足了現(xiàn)代化工業(yè)對步進(jìn)電機(jī)的高要求。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 4 頁 共 44 頁1 12 2 研究內(nèi)容研究內(nèi)容在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組按恰當(dāng)?shù)臅r序方式通電，就可使其執(zhí)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動。當(dāng)某一相繞組通電時響應(yīng)的兩個磁極就分別形成繞組通電時的兩個磁極就分別形成極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前走一步。轉(zhuǎn)子的角位移大小及輸入的脈沖數(shù)與頻率成正比，并在時間

9、上與輸入的脈沖同步。只要能真確的控制輸入的電脈沖，頻率以及惦記各相繞組通電相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，通過單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。本設(shè)計采用 at89c51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對四相四拍步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行開環(huán)控制，由單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過 uln2083 芯片進(jìn)行驅(qū)動，在該步進(jìn)電機(jī)的控制中，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，可以加速，減速，其中電機(jī)的轉(zhuǎn)速分為七個級別。在顯示電路中用單片機(jī)的 p0 口和 p2 口分別顯示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電極的轉(zhuǎn)速級別。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 5 頁 共 44 頁2 2 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)概述2.12.1 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)分為三大類

10、：(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（variable reluctance，簡稱 vr）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種。(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)（permanent magnet），簡稱 pm 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步進(jìn)角比較大，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小（相比反應(yīng)式），但啟動運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。(3)混合式步進(jìn)電機(jī)（hybrid，簡稱 hb） 混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳

11、統(tǒng)的反應(yīng)式相比，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，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)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機(jī)設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。2.22.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理及控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理及控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是一種將點(diǎn)脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)的輸入是脈

12、沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動。正常情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)；做連續(xù)運(yùn)動時，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制 ,將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位移的電機(jī) ,其機(jī)械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比 ,每一個脈沖信號可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度.當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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

13、一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器，控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)的各相輸入端，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機(jī)軟件設(shè)計的方法實(shí)行環(huán)形分配器的功能，通常稱為軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬件環(huán)形分配器。

14、功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的目的，步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個方面。具體控制如下：(1) 換相順序的控制通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式下，其各相通電順序?yàn)?a-b-c-a，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 a,b,c 相的通段。三相雙三拍通電順序?yàn)?ab-bc-ca-ab,三相六拍的通電順序?yàn)?a-ab-b-c-ca-a. 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 6 頁 共 44 頁(2)步進(jìn)電機(jī)的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)的勵磁方式為三相六拍，即aabbbcccaa。如果按照反相通電換相

15、，即 a-ac-c-cb-b-ba-a。則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似?？傊竭M(jìn)電機(jī)的通電順序決定了電機(jī)的方向控制。(3)步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它就再轉(zhuǎn)一步，兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行的調(diào)速。(4)步進(jìn)電機(jī)的起停控制步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)是會有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動平滑，可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)的停轉(zhuǎn)是，為了防止因慣性我而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。(5)步進(jìn)

16、電機(jī)的加減速控制在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，通電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號的變化，這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)的啟動時，必須有加速過程，在停止時波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個降速過程頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆程。選定的曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降速的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高頻率稱為“ 啟動頻率” ，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)

17、位置的最高步進(jìn)頻率。點(diǎn)擊的啟動頻率，停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對電機(jī)進(jìn)行加減速控制，加速過程有突然施加的脈沖頻率 f0.步進(jìn)電機(jī)的最高啟動頻率（突跳頻率）一般為 0.1khz 到 34khz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到 n*102khz，以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動，會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。 一般的應(yīng)用中，經(jīng)過大量的實(shí)踐和反復(fù)驗(yàn)證，頻率如直接按直線上升或下降，控制效果就可以滿足常規(guī)的應(yīng)用要求。用 plc 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，實(shí)踐上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時，使脈沖頻率增高，減速時相反。如果使用定時器來控制點(diǎn)擊的速度，加減速控制就是不斷改變定

18、時中斷的設(shè)定值。速度從 v1v2 變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加減速：如果是突變，則按階梯加速處理。在此過程中要處理好兩個問題：一個是速度轉(zhuǎn)換時間應(yīng)盡量短。為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個連續(xù)的數(shù)據(jù)表，通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時初值，就可以控制電機(jī)的運(yùn)行。定時初值的計算是在定時中斷外實(shí)現(xiàn)的，并不占用中斷時間，保證電機(jī)的高速運(yùn)行。另一個是保證控制速度的精確性。要從一個速度準(zhǔn)確達(dá)到另一個速度，就要建立一個校驗(yàn)機(jī)制，以防超過或者達(dá)到所需速度。(6)步進(jìn)電機(jī)的換向控制步進(jìn)電機(jī)換向時，一定要在電機(jī)減速停止或降到突跳頻率范圍

19、之內(nèi)再換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結(jié)束以及下一個方向的第一個脈沖前 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 7 頁 共 44 頁出發(fā)。對于脈沖的設(shè)計主要要求其有一定的脈沖寬度，脈沖序列的均勻及高低電平方式。在某一高速下的正，反向切換實(shí)質(zhì)包括了降速-換向-加速三個過程。2.32.3 步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)2.3.1 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)(1)空載啟動頻率即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該

20、有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。(2)電機(jī)固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如 86byg250a 型電機(jī)給出的值為 0.9/1.8（表示半步工作時為 0.9、整步工作時為1.8），這個步距角可以稱之為電機(jī) 固有步距角， 它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。(3)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有兩相，三相，四相，五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 0.9/1.8、三相的為 0.75/1.5、五相的為0.

21、36/0.72。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。(4)保持轉(zhuǎn)矩（holdingtorque）：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力 矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說 2n.m 的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2n.m 的步進(jìn)電機(jī)。2.3.2 動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語

22、動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(1)步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同， 四拍運(yùn)行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。(2)失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱為失步。(3)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)動是不能解決的。 (4)最大空載起動頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。(5)最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 (6)運(yùn)行矩頻特性：電

23、機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩特性，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 8 頁 共 44 頁(7)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。其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定而動態(tài)力矩卻不

24、然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（而非靜態(tài)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。2.42.4 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)(1)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5%，且不累積。(2)步進(jìn)電機(jī)外表允許的溫度高。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。(3)步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將

25、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(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。(4)步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。(5)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速還可以用步距角來表示即 n=f/6 *步距角。2.52.5 步進(jìn)電機(jī)的控制方法步進(jìn)

26、電機(jī)的控制方法步進(jìn)電機(jī)控制雖然是一個比較精確的，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、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)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(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。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是 cp 脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)行。但占用 cpu 時間長，不能在運(yùn)行時處理其他工作。因此

27、只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 cp 脈沖的周期。當(dāng)定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計數(shù)，當(dāng)定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序。在某些應(yīng)用中，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.以下是一些實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制的方法：(1) 步進(jìn)確認(rèn)，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光學(xué)編碼器計算步進(jìn)移動的數(shù)量。一個簡單的回路與指令校驗(yàn)的步進(jìn)電機(jī)比較，驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)移動到預(yù)計的位置。(2) 反電動勢, 一種無傳感器的檢測方法，使用步進(jìn)電機(jī)的反電動勢

28、（electromotiveforce，emf）信號，測量和控制速度。當(dāng)反電動勢電壓降至監(jiān)測探測水平時，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為開環(huán)控制，完成最終的位移移動。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 9 頁 共 44 頁(3) 全伺服控制，指全時間的使用反饋設(shè)備，用于步進(jìn)電機(jī)-編碼器、解碼器、或其它反饋傳感器上，從而更為精確地控制步進(jìn)電機(jī)位移和轉(zhuǎn)矩。其它的方法包括各種不同的反電動勢控制電機(jī)參數(shù)測量和軟件技術(shù)，一些制造企業(yè)都會使用這些方法。這里，步進(jìn)驅(qū)動監(jiān)控和測量電機(jī)線圈，使用電壓額電流信息提高步進(jìn)電機(jī)控制。正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度，產(chǎn)生更多的可用的轉(zhuǎn)矩輸出，降低轉(zhuǎn)矩的機(jī)械振動損耗。無編碼器安裝監(jiān)測采用信息檢測同步

29、速度的損耗。傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制通常采用反饋設(shè)備和非傳感方法，是有效的實(shí)現(xiàn)帶有安全需求、危險狀況或高精確度要求的運(yùn)動應(yīng)用的方法。大多數(shù)基于步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)，一般都運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)下，這樣可提供一個低成本的方案。 事實(shí)上，步進(jìn)系統(tǒng)可提高位移控制的的性能，且不需要反饋。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 10 頁 共 44 頁3 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計3.13.1 系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)設(shè)計方案本設(shè)計采用單片機(jī) at89c51 來作為整個步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動控制核心部件，采用了電機(jī)驅(qū)動芯片 uln2083 及外圍電路構(gòu)成了整個系統(tǒng)的驅(qū)動步部分。系統(tǒng)的具體功能和要求如下：1) 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計：2) 控制電路的

30、設(shè)計；3) 驅(qū)動電路的設(shè)計；4) 顯示電路的設(shè)計；5) 能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最低轉(zhuǎn)速為 25 轉(zhuǎn)每分，最高轉(zhuǎn)速為 75 轉(zhuǎn)每分；6) 步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速等級由數(shù)碼管顯示；3.23.2 系統(tǒng)的組成和對應(yīng)功能的簡述系統(tǒng)的組成和對應(yīng)功能的簡述整個系統(tǒng)的組成包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動模塊，數(shù)碼管顯示，復(fù)位模塊，電源是時鐘模塊等。具體系統(tǒng)框圖如下；復(fù)位電路電源時鐘電路步進(jìn)電機(jī)uln2083 驅(qū)動電路顯示電路單片機(jī)核心控制單元圖 3.13.2.1 單片機(jī)簡介單片機(jī)簡介本次設(shè)計以 cpu 選用 89c5l 作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片89c51 的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上使

31、用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容 mcs5l 系列單片機(jī)的所有功能。at89c51 是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能 cmos8 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。at89c51 主要特性：1). 4k 字節(jié)可編程閃爍存儲器 2).壽命：1000 寫/擦循環(huán)3).數(shù)據(jù)保留時間：10 年 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 11 頁 共 44 頁4).全靜態(tài)工作：0hz-24hz

32、5).三級程序存儲器鎖定6). 128*8 位內(nèi)部 ram7). 32 可編程 i/o 線8).兩個 16 位定時器/計數(shù)器9). 5 個中斷源 10).可編程串行通道11).低功耗的閑置和掉電模式 由于將多功能 8 位 cpu 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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價廉的方案單片機(jī)的引腳功能:vcc:電源電壓gnd：地p0 口：p0 口是一組 8 位漏極開路雙向 i/o 口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅(qū)動 8 個 ttl 電路。當(dāng)“1”被寫入 p0 口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸

33、入端。p0口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時激活內(nèi)部的上拉電阻。p0 口在閃爍編程時，p0 口接收指令，在程序校驗(yàn)時，輸出指令，需要接電阻。p1 口：p1 口一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 ttl 電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗(yàn)時，p1 口接收低 8 位地址。p2 口：p2 口是一個內(nèi)部帶有上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 ttl 電路。對端口寫“1”，通

34、過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2 口線上的內(nèi)容在整個運(yùn)行期間不變。閃爍編程或校驗(yàn)時，p2 口接收高位地址和其它控制信號。p3 口：p3 口是一組帶有內(nèi)部電阻的 8 位雙向 i/o 口，p3 口輸出緩沖故可驅(qū)動 4 個 ttl 電路。對 p3 口寫如“1”時，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的 p3 口將用電阻輸出電流。p3 口除了作為一般的 i/o 口外，更重要的用途是它的

35、第二功能，如下表 3.1 所示：表 3.1 p3 口第二功能端口引腳 第二功能p3.0 rxdp3.1 txdp3.2 int0p3.3 int1p3.4 t0p3.5 t1p3.6 wrp3.7 rd 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 12 頁 共 44 頁p3 口還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。rst：復(fù)位輸入。當(dāng)震蕩器工作時，ret 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位ale/prog：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale 輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale 以時鐘震蕩頻率的 1/16 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于

36、定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ale 脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊寄存器區(qū)中的 8eh 單元的 d0 位置禁止 ale 操作。這個位置后只有一條 movx 和 movc 指令 ale 才會被應(yīng)用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ale 無效。psen：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) at89c51 由外部程序存儲器讀取指令時，每個機(jī)器周期兩次 psen 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 psen 信號不出現(xiàn)。ea/vpp：外部訪問允許。欲使中央處

37、理器僅訪問外部程序存儲器，ea 端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位 lbi 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 ea 端狀態(tài)。如 ea 端為高電平，cpu 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上+12v 的編程允許電壓 vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12v 編程電壓 vpp。xtal1：震蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：震蕩器反相放大器的輸出端。時鐘震蕩器at89c51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部震蕩器的高增益反相放大器，引腳 xtal1 和 xtal2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自然震蕩器。

38、外接石英晶體及電容 c1，c2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)震蕩電路。對外接電容 c1，c2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響震蕩頻率的高低、震蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30pf10pf，而如果使用陶瓷振蕩器建議選擇 40pf10pf。用戶也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到 xtal1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2 則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個 2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間

39、應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。圖 3.2 內(nèi)部振蕩電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 13 頁 共 44 頁圖 3.3 外部振蕩電路3.2.2 單片機(jī)中斷單片機(jī)中斷mcs-51 單片機(jī)的中斷源共有兩類，它們分別是：外部中斷和內(nèi)部中斷外部中斷源 外部中斷 0（ ）：來自 p3.2 引腳，采集到低電平或者下降沿時，產(chǎn)生中斷請求。外部中斷 1（ ）：來自 p3.3 引腳，采集到低電平或者下降沿時，產(chǎn)生中斷請求。內(nèi)部中斷源 定時器計數(shù)器 0（ t0 ）：定時功能時，計數(shù)脈沖來自片內(nèi)；計數(shù)功能時，計數(shù)脈沖來自片外 p3.4 引腳。發(fā)生溢出時，產(chǎn)生中斷請求。 定時器計數(shù)器 1（ t1 ）：定時功能時，計數(shù)脈沖來自片

40、內(nèi)；計數(shù)功能時，計數(shù)脈沖來自片外 p3.5 引腳。發(fā)生溢出時，產(chǎn)生中斷請求。 串行口：為完成串行數(shù)據(jù)傳送而設(shè)置。單片機(jī)完成接受或發(fā)送一組數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生中斷請求。3.2.33.2.3 中斷控制的專用寄存器中斷控制的專用寄存器 mcs-51 單片機(jī)為用戶提供了四個專用寄存器，來控制單片機(jī)的中斷系統(tǒng)。 (1) 定時器控制寄存器（tcon） 該寄存器用于保存外部中斷請求以及定時器的計數(shù)溢出。進(jìn)行字節(jié)操作時，寄存器地址為88h。按位操作時，各位的地址為 88h8fh。寄存器的內(nèi)容及位地址表 3.2 如下： 表 3.2 定時寄存器內(nèi)容位地址 8fh 8eh 8dh 8ch 8bh 8ah 89h 88h 位

41、符號 tf1 tr1 tf0 tr0 ie1 it1 ie0 it0 it0 和 it1外部中斷請求觸發(fā)方式控制位it0 （it1）1 脈沖觸發(fā)方式，下降沿有效 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 14 頁 共 44 頁it0 （it1）0 電平觸發(fā)方式，低電平有效 ie0 和 ie1外中斷請求標(biāo)志位 當(dāng) cpu 采樣到 （或 ）端出現(xiàn)有效中斷請求時，ie0（ie1）位由硬件置“1” 。當(dāng)中斷響應(yīng)完成轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時，由硬件把 ie （或 ie ）清零。 tr0 和 tr1定時器運(yùn)行控制位tr0 （tr1 ）0 定時器/計數(shù)器不工作tr0 （tr1 ）1 定時器/計數(shù)器開始工作 tf0和 tf1計數(shù)溢出

42、標(biāo)志位當(dāng)計數(shù)器產(chǎn)生計數(shù)溢出時，相應(yīng)的溢出標(biāo)志位由硬件置“1” 。當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)時，再由硬件自動清“0” 。計數(shù)溢出標(biāo)志位的使用有兩種情況：采用中斷方式時，作中斷請求標(biāo)志位來使用；采用查詢方式時，作查詢狀態(tài)位來使用。 (2) 串行口控制寄存器（scon） 進(jìn)行字節(jié)操作時，寄存器地址為 98h。按位操作時，各位的地址為 98h9fh。寄存器的內(nèi)容及位地址表 3.3 如下： 表 3.3 串行口控制寄存器（scon）位地址 9fh 9eh 9dh 9ch 9bh 9ah 99h 98h 位符號 sm0 sm1 sm2 ren tb8 rb8 ti ri其中與中斷有關(guān)的控制位共 2 位： ti串行口發(fā)送

43、中斷請求標(biāo)志位當(dāng)發(fā)送完一幀串行數(shù)據(jù)后，由硬件置“1” ；在轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后，用軟件清“0” 。 ri串行口接收中斷請求標(biāo)志位 當(dāng)接收完一幀串行數(shù)據(jù)后，由硬件置“1” ；在轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后，用軟件清“0” 。串行中斷請求由 ti 和 ri 的邏輯或得到。就是說，無論是發(fā)送標(biāo)志還是接收標(biāo)志，都會產(chǎn)生串行中斷請求。 (3) 中斷允許控制寄存器（ie） 進(jìn)行字節(jié)操作時，寄存器地址為 0a8h。按位操作時，各位的地址為 0a8h0afh。寄存器的內(nèi)容及位地址表 3.4 如下： 表 3.4 中斷允許控制位地址 oafh oaeh 0adh 0ach 0abh 0aah 0a9h 0a8h 位符號 ea

44、 / / es et1 ex1 et0 ex0 其中與中斷有關(guān)的控制位共 6 位： ea中斷允許總控制位ea0 中斷總禁止，禁止所有中斷 ea1 中斷總允許，總允許后中斷的禁止或允許由 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 15 頁 共 44 頁各中斷源的中斷允許控制位進(jìn)行設(shè)置。 ex0和 ex1外部中斷允許控制位ex0（ex1）0 禁止外部中斷ex0（ex1）1 允許外部中斷 et0和 et1定時器/計數(shù)器中斷允許控制位et0（et1）0 禁止定時器/計數(shù)器中斷et0（et1）0 允許定時器/計數(shù)器中斷 es串行中斷允許控制位es=0 禁止串行中斷es=1 允許串行中斷可見，mcs-51 單片機(jī)通過中斷允

45、許控制寄存器對中斷的允許（開放）實(shí)行兩級控制。即以ea 位作為總控制位，以各中斷源的中斷允許位作為分控制位。當(dāng)總控制位為禁止時，關(guān)閉整個中斷系統(tǒng)，不管分控制為狀態(tài)如何，整個中斷系統(tǒng)為禁止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)總控制位為允許時，開放中斷系統(tǒng)，這時才能由各分控制位設(shè)置各自中斷的允許與禁止。mcs-51 單片機(jī)復(fù)位后（ie）00h，因此中斷系統(tǒng)處于禁止?fàn)顟B(tài)。單片機(jī)在中斷響應(yīng)后不會自動關(guān)閉中斷。因此在轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序后，應(yīng)根據(jù)需要使用有關(guān)指令禁止中斷，即以軟件方式關(guān)閉中斷。(4) 中斷優(yōu)先級控制寄存器（ip） mcs-51 單片機(jī)的中斷優(yōu)先級控制比較簡單，因?yàn)橄到y(tǒng)只定義了高、低 2 個優(yōu)先級。高優(yōu)先級用“1”表示，低

46、優(yōu)先級用“0”表示。各中斷源的優(yōu)先級由中斷優(yōu)先級寄存器（ip）進(jìn)行設(shè)定。ip寄存器地址 0b8h，位地址為 0bfh0b8h。寄存器的內(nèi)容及位地址表 3.5 如下：表 3.5 中斷優(yōu)先級控制位地址 obfh obeh 0bdh 0bch 0bbh 0bah 0b9h 0b8h 位符號 / / / ps pt1 px1 pt0 px0 其中： px0外部中斷 0 優(yōu)先級設(shè)定位；pt0定時中斷 0 優(yōu)先級設(shè)定位；px1外部中斷 1 優(yōu)先級設(shè)定位；pt1定時中斷 1 優(yōu)先級設(shè)定位；ps串行中斷優(yōu)先級設(shè)定位。以上各位設(shè)置為“0”時，則相應(yīng)的中斷源為低優(yōu)先級；設(shè)置為“1”時，則相應(yīng)的中斷源為高優(yōu)先級。優(yōu)

47、先級的控制原則是： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 16 頁 共 44 頁 低優(yōu)先級中斷請求不能打斷高優(yōu)先級的中斷服務(wù)；但高優(yōu)先級中斷請求可以打斷低優(yōu)先級的中斷服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。 如果一個中斷請求已被響應(yīng)，則同級的其它中斷服務(wù)將被禁止。即同級不能嵌套。 如果同級的多個中斷同時出現(xiàn)，則按 cpu 查詢次序確定哪個中斷請求被響應(yīng)。其查詢次序?yàn)椋和獠恐袛?0定時中斷外部中斷定時中斷串行中斷。3.2.43.2.4 中斷響應(yīng)過程中斷響應(yīng)過程中斷響應(yīng)過程為，中斷源發(fā)出中斷請求對中斷請求進(jìn)行響應(yīng)執(zhí)行中斷服務(wù)程序返回主程序。這個過程可分為三個階段來完成。 (1) 中斷采樣 對于外部中斷請求，中斷請求信號來自于單

48、片機(jī)外部，計算機(jī)要想知道有沒有中斷請求發(fā)生，必須對信號進(jìn)行采樣。 電平觸發(fā)方式的外中斷請求（it0/it10）采樣到高電平時，表明沒有中斷請求，ie0或 ie1繼續(xù)為“0” 。采樣到低電平時，ie0/ie1由硬件自動置“1” ，表明有外中斷請求發(fā)生。 脈沖觸發(fā)式的外中斷請求（it0/it11）在相鄰的機(jī)器周期采樣到的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，則 ie0/ie1由硬件自動置“1” ，否則為“0” 。(2) 中斷查詢 由 cpu 測試 tcon 和 scon 中的各個中斷標(biāo)志位的狀態(tài)，確定有那個中斷源發(fā)生請求，查詢時按優(yōu)先級順序進(jìn)行查詢，即先查詢高優(yōu)先級再查詢低優(yōu)先級。如果同級，按以下順序查詢：

49、s如果查詢到有標(biāo)志位為“1” ，表明有中斷請求發(fā)生，接著就從相鄰的下一機(jī)器周期開始進(jìn)行中斷響應(yīng)。 (3) 中斷響應(yīng) 當(dāng) cpu 查詢到中斷請求時，由硬件自動產(chǎn)生一條 lcall 指令，lcall 指令執(zhí)行時，首先將pc 內(nèi)容壓入堆棧進(jìn)行斷點(diǎn)保護(hù)，再把中斷入口地址裝入 pc，使程序轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷區(qū)入口地址。lcall 指令的形式如下：lcall addr16 ；addr16：中斷入口地址入口地址已由系統(tǒng)設(shè)定，如下： 表 3.6 中斷響應(yīng)中斷源 入口地址int0 0003ht0 000bh int1 0013ht1 001bhs 0023h 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 17 頁 共 44 頁從表中可以

50、看出，每個中斷區(qū)只有 8 個單元，很難安排下一個中斷程序，一般是在中斷入口地址處加一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到用戶的服務(wù)程序入口。編寫中斷服務(wù)程序的格式一般如下：org 0000hsjmp mainorg 0003hajmp 1njerrvpmain： here： sjmp here 1njerrvp： ；中斷響應(yīng)程序reti并不是所有的請求都被響應(yīng)，當(dāng)遇到下列情況之一時不響應(yīng)這些中斷請求： （1）cpu 正在處理一個同級或者高級的中斷服務(wù) （2）當(dāng)前指令還沒有執(zhí)行完畢 （3）當(dāng)前指令是 ret、reti 或者是訪問 ip、ie 的指令，執(zhí)行完這些指令后，還必須再執(zhí)行一條指令，才響應(yīng)中斷請求。注意：m

51、cs-51 單片機(jī)對中斷查詢結(jié)果不作記憶，當(dāng)有新的查詢結(jié)果出現(xiàn)時，因?yàn)橐陨显蚨煌涎拥牟樵兘Y(jié)果將不復(fù)存在，其中斷請求也就不能再被響應(yīng)了。3.33.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計最小系統(tǒng)一般包括：單片機(jī)，復(fù)位電路，晶振電路。復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤，單片機(jī)的 p1 口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需 4 個鍵盤對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對控制功能的擴(kuò)展，使用 6 路獨(dú)立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用 30pf 的電容和 12m晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。晶振電路：8051 單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路

52、形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部中斷方式。在引腳 xtal1 和 xtal2 外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖所示。其電容一般在 530pf，晶振頻率的典型值為 12mhz，采用 6mhz 的情況比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實(shí)用電路使用較多。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 18 頁 共 44 頁圖 3.4 最小系統(tǒng)設(shè)計電路3.43.4 控制電路的設(shè)計控制電路的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動控制，換向控制，加速控制和減速控制按鈕，分

53、別sw1,sw2,s2,s3,控制電路如圖所示。通過 sw1,sw2 狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊的啟動和換向功能。當(dāng)sw1，sw2 狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測 p1.0 和 p1.1 的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動和正反轉(zhuǎn)控制根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖信號頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于單片機(jī)而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機(jī)的加減速主要是通過 s2，s3 的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體控制

54、電路如下圖: 圖 3.5 控制電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 19 頁 共 44 頁3.5 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路設(shè)計通過 uln2083 構(gòu)成比較多的驅(qū)動電路，電路圖如下所示。通過單片機(jī)的 p1.0p1.3 輸出脈沖到uln2083 的 1b4b 口，經(jīng)過信號放大后從 1c4c 分別輸出到點(diǎn)擊的 a，b，c，d 相。圖 3.6 驅(qū)動電路3.6 數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路3.6.1 數(shù)碼管顯示方式數(shù)碼管顯示方式（1）靜態(tài)顯示方式靜態(tài)顯示，是由微型計算機(jī)一次輸出顯示模型后，就能保持顯示結(jié)果，直到下次發(fā)送新的顯示數(shù)據(jù)為止。這種顯示占用機(jī)時少，顯示可靠，因而在工業(yè)過程控制中得到了廣泛應(yīng)用。這種顯示方式

55、的不足在于使用元件多，且線路也比較復(fù)雜。但是，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出具有多種功能的顯示器件，例如鎖存器、譯碼器、驅(qū)動器、顯示器四位一體的顯示器件，用起來比較方便。占用的硬件資源多，成本高，只適合顯示位數(shù)較少的場合。數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路在實(shí)際應(yīng)用中很少采用。（2）動態(tài)顯示方式動態(tài)顯示，就是微型計算機(jī)定時地對顯示器進(jìn)行后期掃描。在這種方式中，顯示器件分時工作每次只能有一個器件顯示。但由于人的視覺沒有反應(yīng)過來，所以，仍感覺所有的器件都在顯示，如 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 20 頁 共 44 頁許多單片機(jī)的開發(fā)系統(tǒng)及仿真器上的 4 位顯示器即采用這類顯示方式。此種顯示的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，

56、因而價格低，線路簡單。但它占用機(jī)時長，只要微型計算機(jī)不執(zhí)行顯示程序，就立馬停止顯示。由此可見，這種顯示將使計算機(jī)的開銷增大，所以，在以工業(yè)控制為主的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較少。3.6.2 led 數(shù)碼管數(shù)碼管led(發(fā)光二極管)數(shù)碼管是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出設(shè)備，用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息 led 數(shù)碼管內(nèi)部有八個發(fā)光二極管，這些發(fā)光二極管組成一個帶小數(shù)點(diǎn)的 8 型，數(shù)碼管的筆段名稱依次為：a ,b,c,d,e,f,g,dp,有對應(yīng)的引腳和他們相連。在內(nèi)部有兩種接法，一種是將所有二極管的負(fù)極連在一起作為公共端，稱為共陰型數(shù)碼管；另外一種是將所有數(shù)碼管的正極連在一起，稱為共陽型數(shù)碼管。公共端引

57、腳的名稱為 com,又成為數(shù)碼管的位。常見 led 數(shù)碼管如圖 5.7 所示。圖 3.7 常見 led 數(shù)碼管數(shù)碼管的公共端一般接地或電源，或者是通過控制電路控制它接地或電源，比較簡單。數(shù)碼管要顯示不同的字符是通過控制加在段上的信息實(shí)現(xiàn)的，在單片機(jī)的應(yīng)用電路里是用一個 8 位的 i/o去控制，一般按下表 5.1 中的方式對應(yīng)。表 3.7 led 數(shù)碼管編碼方式d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0dp g f e d c b a 8 位的二進(jìn)制的可以組成數(shù)碼管顯示的字符信息，其中用“1”或者“0”表示筆段的亮或滅，可以用 00111111b 表示，這種用二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示的字符顯示信息稱為

58、數(shù)碼管的字符段碼。從下面表中可以看出共陽型，共陰型數(shù)碼管字符碼之間互為取反的關(guān)系，這與它們的結(jié)構(gòu)關(guān)系是一致的，因此只要掌握了共陽型數(shù)碼管的字符碼編制，就可以推出共陰型的字段碼。在實(shí)際應(yīng)用中，也有其他形式的引腳排列順序，編碼時需要根據(jù) pcb 板的設(shè)計來確定對應(yīng)關(guān)系，編碼時筆段信息不變，只有與二進(jìn)制數(shù)位的對應(yīng)關(guān)系改變。 在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以加速，減速。其中電機(jī)轉(zhuǎn)速等級分為七級，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速等級，這里設(shè)計了電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機(jī)的 p0 口和 p2 口。采用兩個共陽數(shù)碼管作顯示。第一個數(shù)碼管接的 a，

59、b，c，d，e，f，g，h 分別接 p0.0p0.7 口，用于顯示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時顯 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 21 頁 共 44 頁示1,反轉(zhuǎn)時顯示一，不轉(zhuǎn)時顯示0。第二個數(shù)碼管的 a，b，c，d，e，f，g，h 分別接p2.0p2.7 口，用于顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級別，一共七級，即從 17 轉(zhuǎn)速依次遞增，0表示轉(zhuǎn)速為零。電路如圖所示：圖 3.8 顯示電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第 22 頁 共 44 頁4 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試4.1 軟件設(shè)計軟件設(shè)計通過分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時有可能輸入加速，減速信號和方向信號，因而采用中斷方式效率最高，這樣總

60、共要完成 4 個部分的工作才能滿足課題要求，即主程序，定時器中斷部分，外部中斷 0 和外部中斷 1 部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動開關(guān)的檢測，若啟動開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個外部中斷程序要做的工作就是為了完成改變速度這一功能，下面分析主程序和定時中斷程序及外部中斷程序。 (1) 主程序設(shè)計:主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置，系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時器，外部中斷；對 p1 口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲區(qū)送初值