步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)方案

1、黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)課程報(bào)告課程控制電機(jī)題目步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)院系信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名孫國(guó)棟學(xué)生學(xué)號(hào)200840733082011年6月30日步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)內(nèi)容摘要步進(jìn)電機(jī)是一種通過(guò)電脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電元件，與其他類型電機(jī)相比具有易于開環(huán)精確控制、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文首先簡(jiǎn)單的介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況、特點(diǎn)及工作原理。包括步進(jìn)電機(jī)的控制方式和驅(qū)動(dòng)方式作了系統(tǒng)說(shuō)明，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案，以及本系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能。然后以AT89C2051單片機(jī)為主控制器，詳細(xì)介紹了基于該單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)外圍電路：鍵

2、盤電路、動(dòng)態(tài)掃描LED顯示電路及步進(jìn)電機(jī)的包流斬波驅(qū)動(dòng)電路、看門狗電路等各個(gè)模塊的電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。接著闡述了步進(jìn)電機(jī)軟件控制的開發(fā)的流程和程序設(shè)計(jì)。同時(shí)給出了三相六拍步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度控制的程序清單。本文采用軟硬件結(jié)合的方法，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；動(dòng)態(tài)掃描；恒流斬波;I步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)目錄內(nèi)容摘要1引言1第1章步進(jìn)電機(jī)的概述31.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)31.2 步進(jìn)電機(jī)的分類31.3 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理5第2章步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)及硬件設(shè)計(jì)72.1 常見步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)72.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基本類型72.3 本系統(tǒng)的特點(diǎn)82.4 本系統(tǒng)功能9第3章系

3、統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)103.1 系統(tǒng)組成103.2 系統(tǒng)核心AT89C2051103.2.1 AT89C2051簡(jiǎn)介103.2.2 系統(tǒng)端口分配123.3 外圍電路設(shè)計(jì)123.3.1 顯示電路設(shè)計(jì)123.3.2 鍵盤電路設(shè)計(jì)133.3.3 看門狗復(fù)位電路143.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路153.5 原器件清單16第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)174.1 系統(tǒng)軟件主流程174.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程184.3 冗余指令194.4 系統(tǒng)說(shuō)明主要資源分配194.4.1 軟件說(shuō)明194.4.2 系統(tǒng)主要資源分配和各標(biāo)志位定義19結(jié)論21參考文獻(xiàn)22附錄23步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)歷史證明，一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平在很大程度上可以體現(xiàn)國(guó)家的實(shí)力，

4、國(guó)家的發(fā)展也在很大程度上依賴于先進(jìn)的制造業(yè)，所以大多數(shù)國(guó)家都非常重視大力發(fā)展制造業(yè)，二戰(zhàn)后，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信息和自動(dòng)化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了數(shù)控（NC）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）等多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)與制造模式，推動(dòng)著世界制造業(yè)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。而在這些技術(shù)環(huán)節(jié)中，具有很多優(yōu)點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)就是一個(gè)重要角色，比如在數(shù)控技術(shù)中。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于

5、脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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。由于脈沖信號(hào)數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。這就是步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中。例如：打印機(jī)、紙帶輸送機(jī)構(gòu)、卡片閱讀機(jī)、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等。步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器、通信和雷達(dá)設(shè)備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置

6、、閥門控制、數(shù)控機(jī)床、電子鐘、醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀、數(shù)字控制系統(tǒng)、工具機(jī)控制、程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因而，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得重要了。上世紀(jì)年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜還要消耗大量元器件。而且，一旦定型之后要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)?；谖⑿蛦纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。但是在有些

7、應(yīng)用場(chǎng)合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：1 .系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。2 .功能較為齊全。3 .適應(yīng)性強(qiáng)。4 .電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、速度指示一目了然、操作方便。5 .系統(tǒng)抗干擾和可靠性高。本論文就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制。如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，把LED顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，既節(jié)約了單片機(jī)的端口,又能做到一定的人機(jī)交換。而且為了抗干擾，

8、提高可靠性，加入看門狗電路,在軟件設(shè)計(jì)上加入去抖動(dòng)，因此具有一定的應(yīng)用價(jià)值。25第1章步進(jìn)電機(jī)的概述1.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，國(guó)外一般稱stepmotor或steppingmotor、pulsemotor、steppermotor等。步進(jìn)電機(jī)有以下特點(diǎn)：1 .可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)。2 .直接接收數(shù)字信號(hào)，不必進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，使用方便。3 .位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。4 .無(wú)刷,電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。5 .易于起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)

9、及變速，響應(yīng)性也好。6 .停止時(shí)，可有自鎖功能。7 .步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诘退傧乱愿咿D(zhuǎn)矩運(yùn)行，因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。8 .速度可以在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行。9 .不能直接使用普通的交流電源驅(qū)動(dòng)。1.2 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為：機(jī)械式、電磁式和組合式三大類。電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為：反應(yīng)式、永磁式和混合式三大類。按相數(shù)分則可分為：?jiǎn)蜗唷上嗪投嘞嗳N。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)。1 .反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)這種類型的步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間，這可能是最容易理解。

10、從結(jié)構(gòu)上看，圖1顯示了一個(gè)典型的VR截面步進(jìn)電機(jī)。這種電機(jī)由一個(gè)軟鐵多齒轉(zhuǎn)子和定子缺口。當(dāng)定子繞組通電，有直流電流的兩極被磁化。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生牙齒被吸引到通電定子磁極。圖1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的截面圖圖2反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)圖3混合步進(jìn)電機(jī)的截面圖4永磁式步進(jìn)電機(jī)2 .永磁式步進(jìn)電機(jī)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(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小相比反應(yīng)式，但啟動(dòng)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)混合式與反應(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(chǎng)而不必提供磁材

11、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(guò)程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。最常用的兩種類型的步進(jìn)電機(jī)的永久磁鐵和混合型。如果設(shè)計(jì)師是不知道哪種類型最適合他的申請(qǐng)將要求他應(yīng)該首先評(píng)估下午類型，它通常是更便宜的好幾倍。如果沒有那么混合發(fā)動(dòng)機(jī)可能是正確的選擇。也有一些特殊的步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)。一個(gè)是光盤永磁電機(jī)。在這里，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為具有稀土磁鐵盤，例如非常低的慣性和優(yōu)化，兩者之間沒有定子繞組耦合磁流路的一些優(yōu)勢(shì)。這些品質(zhì)是至關(guān)重要的一些應(yīng)用。1.3 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它的定子具有均勻

12、分布的六磁極,磁極上繞有繞組。兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一組，聯(lián)法如圖2-1所示。A圖2-1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖下面介紹反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三相六拍通電方式的基本原理。設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A對(duì)齊（2-2a）。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時(shí)定子B、B極對(duì)華專子2、4產(chǎn)生齒拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但是A、A極繼續(xù)拉住齒1、3,因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)齒拉力平衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖2-3b所示，即*$子從圖2-2a位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)了15.接著A相斷電,B相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子2、4齒和定子BB極對(duì)齊（圖2-2c）,轉(zhuǎn)子從圖4b的位置又轉(zhuǎn)過(guò)了15。其位置如（圖2-2d）所示。這樣，如果按

13、A-A、B-B一B、C-C-GA-A的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，步距角15。電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距角。如果按ZAC-CfC、B-BfBZA的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為六拍方式0(a)C(b)AB C413 2C 廠二4BB34C1A(c)(d)a.A相通電b.A、B相通電c.B相通電d.B、C相通電圖2.2六拍通電時(shí)轉(zhuǎn)子位置第2章步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)及硬件設(shè)計(jì)1.1 常見步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)1 .基于電子電路控制步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱

14、，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。該方案多通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高2 .基于單片機(jī)控制采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能。顯示器及時(shí)顯示

15、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度等狀態(tài)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基本類型目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為：?jiǎn)坞妷候?qū)動(dòng)、單電壓用電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。1 .單壓驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)是通過(guò)改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。該驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是用接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2 .高低壓驅(qū)動(dòng)高低壓驅(qū)動(dòng)是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的上升沿斜率，而在前沿過(guò)后采用低電壓來(lái)維持繞組的電流，即采

16、用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過(guò)改善電路的時(shí)間常數(shù)來(lái)使矩頻特性得以提高。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。3 .細(xì)分驅(qū)動(dòng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí)，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除。比如電流分成個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子則需要次才轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角,即細(xì)分驅(qū)動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩其次，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻

17、振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f(shuō)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍。4 .恒流斬波驅(qū)動(dòng)為了彌補(bǔ)高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動(dòng)，流過(guò)繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降，效率較高。因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制。1.3 本系統(tǒng)的特點(diǎn)通過(guò)對(duì)其它步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合設(shè)計(jì)目的，本論文的控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制方案應(yīng)用了一片ATME公司的單片機(jī)AT89C2051（乍為步進(jìn)電機(jī)控制器的核心

18、運(yùn)算器件。本系統(tǒng)大致想達(dá)到以下幾個(gè)特點(diǎn)：1 .系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，把成本降到最低。2 .功能較為齊全，能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、變速以及控制顯示功能。3 .適應(yīng)性強(qiáng)，一般情況下只需改變軟件就可以適應(yīng)新的要求。4 .電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示要一目了然，使操作方便。5 .系統(tǒng)抗干擾和可靠性要高。6 .步進(jìn)電機(jī)的普通應(yīng)用硬件上采用了專用的系統(tǒng)程序運(yùn)行監(jiān)控電路看門狗，軟件上編寫采用了冗余指令，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。1.4 本系統(tǒng)功能本設(shè)計(jì)想使此系統(tǒng)具有以下功能和要求：1 .運(yùn)行時(shí)速度擋可調(diào)。2 .三位七段LED顯示速度檔位。3 .設(shè)有強(qiáng)制復(fù)位鍵，當(dāng)受到嚴(yán)重干擾，致使也失效后，可以通過(guò)強(qiáng)制復(fù)位鍵進(jìn)行手動(dòng)強(qiáng)

19、行復(fù)位。4 .步進(jìn)控制脈沖輸出頻率范圍廣。5 .整個(gè)系統(tǒng)為+5V低電壓供電。第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件是整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)，各種功能的實(shí)現(xiàn)和軟件的運(yùn)行都是以硬件為基礎(chǔ)的，硬件設(shè)計(jì)的合理與否從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。所以設(shè)計(jì)充分發(fā)揮單片機(jī)的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能，使系統(tǒng)的成本盡量的低，工作的更可靠，操作更具備人機(jī)交互性，并且要使整個(gè)系統(tǒng)能真正的在實(shí)踐中起到作用。3.1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由電源、顯示指示、單片機(jī)、按鍵電路、和光電隔離、A/D轉(zhuǎn)換等組成系統(tǒng)組成框圖如圖3-1所示：數(shù)字量模擬量圖3-1系統(tǒng)組成框圖3.2 系統(tǒng)核心AT89C20513.2.1 AT89C2051簡(jiǎn)介AT89C205俾片機(jī)是

20、美國(guó)ATME公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS位單片機(jī),片內(nèi)含2kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM,器件采用ATME公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-5甘旨令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C205憚片機(jī)可為您提供許多高價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C205倏供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2KBFlash存儲(chǔ)器；128字節(jié)RAM15條I/O引線；2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;1個(gè)5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)；1個(gè)全雙工用行口;1個(gè)精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩和時(shí)鐘電路。止匕外，AT89C2051是用可降到0頻率的靜態(tài)

21、邏輯操作設(shè)計(jì)的，并支持兩種可選的軟件節(jié)電工作方式?？臻e方式停止CPUE作，1允許RAM定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、用行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAMft容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其他部件的工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C2051系列單片機(jī)主要功能如下：(1)和MCS-51產(chǎn)品兼容。(2)2KB可重編程Flash存儲(chǔ)器。(3)耐久性；1000次寫/擦除。(4)2.7V-6V的操作范圍。(5)全靜態(tài)操作：0Hz24MHz。(6)2級(jí)加密程序存儲(chǔ)器。(7)128*8位內(nèi)部RAM(8)15條可編程I/O引線。(9)2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。(10)可編程串行UART1道。引腳功能：P1口：P1口

22、是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1.2-P1.7:提供內(nèi)部上拉電阻。P1.0和P1.1:還可分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AINO)和反相輸入(AINI)。P1口輸出緩存器可吸收20mA電流，并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示，當(dāng)P1輸入“1”時(shí)，可作輸入端。當(dāng)引腳P1.2-P1.7用作輸入端并被外部拉低時(shí)，將因內(nèi)部的上拉電阻而輸出電流(IIL)。P1口還在EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí),接收低8位地址，能帶動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051的各種功能，如表3-2所示：表3-2AT89C2051P3口引腳功能表引腳功能P3.0RXD(串行輸入端口)P3.1TXD(串行輸出

23、端口)P3.2INT0(外部中斷0輸入)P3.3INT1(外部中斷1輸入)P3.4T0(定時(shí)器0外部輸入)P3.5T1(定時(shí)器1外部輸入)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫通信號(hào))P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào))3.2.2 系統(tǒng)端口分配1. P1.0-P1.3輸出到七段顯示譯碼器CD4511用于控制顯示的數(shù)碼2. P1.4-P1.5顯示動(dòng)態(tài)掃描位選線，鍵盤掃描輸出線。3. P1.7WTD（看門狗）定時(shí)器復(fù)位輸出口。4. P3.0方向指示LED控制口。5. P3.1工作方式指示LED控制口。6. P3.2、P3.3鍵盤掃描返回線。7. P3.4、P3.5、P3.7步進(jìn)電機(jī)控制脈沖輸出口。

24、3.3 外圍電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)外圍電路包括顯示電路、獨(dú)立式鍵盤電路、看門狗電路等。3.3.1 顯示電路設(shè)計(jì)采用多路分時(shí)動(dòng)態(tài)掃描的七段顯示驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路只使用一塊譯碼集成電路MC14511MC14511只用作譯碼和驅(qū)動(dòng)器，不使用鎖存功能，所以鎖存允許端LE接地。MC1451侮個(gè)輸出端用一個(gè)100Q的電阻限流，每個(gè)輸出端輸出的電流約為20mA顯示位數(shù)為四位DIG0DIG3,DIG0是最高位，DIG3是最低位.四位七段LED顯示器的對(duì)應(yīng)字段引線ag都接到MC1451酌輸出端上，由P3.0控制。七段LED顯示器的4個(gè)公共端各接SN75492的一個(gè)反相驅(qū)動(dòng)器,由P1.4P1.7控制4個(gè)LED顯示器輪流工作

25、。工作時(shí)顯示的字形由P1.0P1.3控制。如圖3-2所示:5V圖3-2采用譯碼器的動(dòng)態(tài)LED驅(qū)動(dòng)接口SN75492是一片與TTL電路兼容的接口集成電路，輸入端可直接與MOSt路連接。一片SN75492有6個(gè)反相驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)反相驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)帶輸入電阻的達(dá)林頓管，有很高的電流增益。低電平輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)250mA壓降約IV。輸出高電平時(shí)與集電極開路的OC1一樣，需要接上拉電阻。所以小數(shù)位的字段引線上要接一個(gè)100Q的電阻到+5V。該端亮的時(shí)候，LED驅(qū)動(dòng)電流由100Q的電阻提供。七段LED顯示器公共端只需要控制通和斷。不需要高電平驅(qū)動(dòng)，所以沒接上拉電阻。七段LED顯示部分采用BCD-鎖存/七

26、段譯碼/驅(qū)動(dòng)器CD451M行譯碼和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示技術(shù)，大大減少了硬件開支和簡(jiǎn)化了電路。CD4511的管腳排列和顯本數(shù)碼如圖3-3所小，應(yīng)用真值表如表3-1所?。罕?-1七段碼（字形表）顯示字符D7D6D5D4D3D2D1D0七段碼dpgfedcba0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011016DH6011111017DH70000011107H8011111117FH9011011116FH3.3.2鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話按鍵電路如圖

27、3-3所示：圖3-3鍵盤電路按鍵采用5個(gè)功能鍵，K1、K2、k3、k4,按鍵開關(guān)分別接在單片機(jī)P1.4、P1.5、P3.2、P3.3引腳上，P3.2、P3.3用來(lái)做返回線。掃描原理：假設(shè)掃描順序?yàn)镻1.4到P1.6,當(dāng)p1.4置零后，單片機(jī)讀取P3.2p3.3的狀態(tài)，如果全為1則沒有鍵按下，如果p3.2為零,則起停鍵按下，進(jìn)入相應(yīng)的處理程序；如果p3.3為0,則表明方向鍵按下，進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。P1.4掃描完后，把P1.4置1,再掃描下一行鍵盤P1.5,讀取返回線P3.2、p3.3的狀態(tài)，判斷是否有鍵按下，如此反復(fù)執(zhí)行。在處理按鍵程序前先要去抖動(dòng)，防止因按鍵時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械抖動(dòng)而錯(cuò)誤的重復(fù)執(zhí)行相

28、應(yīng)的程序。3.3.3 看門狗復(fù)位電路有些單片機(jī)本身帶有看門狗電路，但是AT89C2051單片機(jī)沒有集成看門狗，因而選用了MAXI您司的MAX70琦為外接看門狗電路。看門狗，又叫watchdogtimer,是一個(gè)定時(shí)器電路，一般有一個(gè)輸入，叫喂狗,一個(gè)輸出到MCU勺R(shí)S礎(chǔ),MCUE常工作的時(shí)候，每隔一端時(shí)間輸出一個(gè)信號(hào)到喂狗端，給WDT清零，如果超過(guò)規(guī)定的時(shí)間不喂狗，（一般在程序跑飛時(shí)）,WDT定時(shí)超過(guò)，就回給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到MCUMCUT位.防止MCUE機(jī)。看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說(shuō)程序跑飛?；贏T89C2051單片機(jī)的看門狗電路如圖3-4所示:圖3-4看門狗復(fù)位電路MR8N

29、DFI ,X七M(jìn) P本系統(tǒng)中電阻R4和按鍵SB7組成手動(dòng)復(fù)位電路，二極管D1、D2和電阻R5組成一個(gè)簡(jiǎn)單的與門電路。P1.7作為看門狗定時(shí)器復(fù)位輸入端口，腳RES8單片機(jī)的復(fù)位端。工作原理：電源上電瞬間或者是掉電電壓低于4.65V時(shí),RES腳輸出寬度200ms的高電平，使單片機(jī)復(fù)位。AT89C2051復(fù)位需要兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，系統(tǒng)采用12M晶振，一個(gè)機(jī)器周期為12個(gè)振蕩周期，則復(fù)位高電平應(yīng)大于24us。當(dāng)按下手動(dòng)復(fù)位按鈕SB7時(shí),二極管D1、D2和電阻R5組成的與門電路輸出低電平到腳MR復(fù)位單片機(jī)。當(dāng)在之1.6s內(nèi)沒有脈沖送入WD端，則WD前出低電平，與門電路輸出低電平,RES輸出20

30、0ms高電平，單片機(jī)復(fù)位。如果在1.6s內(nèi)，單片機(jī)有脈沖送到WDI端，則不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。3.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流比單片機(jī)端口所能提供的要大得多，所以，單片機(jī)要控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)就不能直接將端口與電機(jī)各相相連，必須使用一定的接口電路和驅(qū)動(dòng)電路。因此，本系統(tǒng)放入驅(qū)動(dòng)電路采用了恒流斬波電路。這種方案，可以彌補(bǔ)其它電路的不足如：電流過(guò)大，電源利用率過(guò)低，高頻響應(yīng)差等缺點(diǎn)。當(dāng)然，考慮到實(shí)際使用中的干擾和電壓安全，一般都要在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間使用必要的光電隔離器。原理圖如圖3-5所示:+5V30PF-L.12M 口30PFTTP3 .4XTA L1R7r61. 1K Q74 L

31、S044N25XTA L2AT8 9C2 05 1V SSP3 .674 LS044N25R111 KQR101.1K Q圖3-5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由圖3-5可知：若P3.4口輸出為1時(shí)，發(fā)光二極管不會(huì)發(fā)光，此時(shí)，光敏管處于截止?fàn)顟B(tài)，而達(dá)林頓管導(dǎo)通；所以C相通電。反之，P3.4輸出為0時(shí)，由電路分析可知C相不通電。如按要求表3-2所示取控制數(shù)，順序執(zhí)行，就可以使步進(jìn)電機(jī)正常工作。表3-2三相六拍控制字步序P3.4（C相）控制位P3.5（B相）P3.7（A相）工作相控制字1001A相01H2011AB相03H3010B相02H4110BC相06H5100C相04H6101AC相05H以上所示程序

32、由上而下是正轉(zhuǎn)時(shí)的控制數(shù)，由上而下時(shí)反轉(zhuǎn)時(shí)的控制數(shù)驅(qū)動(dòng)電路中：R1為光藕發(fā)射管的限流電阻。所選光藕的為4N25,其發(fā)射管正向工作電流為100ma(1.5V),因?yàn)楣馀罕容^容易因電流過(guò)大而損壞，所以加了限流電阻。R1=(5-1.5-0.5)/100=3Q因?yàn)閱纹瑱C(jī)的最大灌電流為100ma,為了工作可靠，所以電阻取2。R4、R8、R12為繞組內(nèi)阻，D3D5為續(xù)流二極管，使電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)續(xù)流二極管(D3D4)而衰減掉，從而保護(hù)了功率管TIP122不受損壞。3.5 原器件清單硬件電路原件清單如表3-3所示：表3-3原件清單序號(hào)兀器件名稱數(shù)量型號(hào)備注1單片機(jī)1AT89C2051控制核心2譯碼

33、器1MC14511B顯小電路3驅(qū)動(dòng)芯片5SN75492顯小電路4按鍵5鍵盤、看門狗復(fù)位電路5整流二極管3IN4004驅(qū)動(dòng)電路6達(dá)林頓管3TIP122驅(qū)動(dòng)電路7RaR7、R1111.1KQ驅(qū)動(dòng)電路8R2、R&R1011KQ驅(qū)動(dòng)電路9光電耦合器34N25驅(qū)動(dòng)電路10R1、RSR913a驅(qū)動(dòng)電路11反相器174LS04驅(qū)動(dòng)電路12監(jiān)控器1MAX705看門狗電路13二極管2IN4148看門狗電路14R13、R1415.1K看門狗電路15電容230PF晶振電路16晶體振蕩器112M晶振電路17R411k復(fù)位電路18電容122UF復(fù)位電路第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為：系統(tǒng)初始化、按鍵、顯示處

34、理及控制脈沖輸出等幾部分。程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，即從主體逐步細(xì)分到每一個(gè)模塊的流程。本程序主要由鍵盤程序、顯示程序、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序四部分組成，主程序首先初始化各變量，將顯示器、指示燈消隱，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各引腳均輸出高電平，便進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待鍵入相應(yīng)操作。然后調(diào)用鍵盤程序，并作判斷，如果有按鍵按下則調(diào)用鍵盤處理程序。各種方式的不同處理，流程圖中均有詳細(xì)說(shuō)明。具體的程序參看附錄。4.1 系統(tǒng)軟件主流程主程序的工作主要是對(duì)各子程序的調(diào)用和組織。系統(tǒng)上電后先經(jīng)過(guò)必要的參數(shù)初始化后，便進(jìn)入按鍵查詢，等待操作，當(dāng)有按鍵按下后程序便調(diào)用相應(yīng)的子程序運(yùn)行。流程圖如圖4-1所示：圖4-1系統(tǒng)

35、運(yùn)行主流程4.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化后，便進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待鍵入相應(yīng)操作。按鍵操作流程圖如圖4-2所示:（開始）,_濕據(jù)設(shè)定的各參數(shù)標(biāo)志位載入相應(yīng)的表格指針根據(jù)設(shè)定的速度載入定時(shí)器相應(yīng)的初值速度檔個(gè)位BCDP1.4=0選中個(gè)圖4-2系統(tǒng)運(yùn)行程序流程圖4.3 冗余指令冗余指令是針對(duì)程序跑飛而設(shè)計(jì)的一種軟件抗干擾方法。程序跑飛后往往會(huì)引起整個(gè)程序的混亂。清除程序跑飛的方法之一，是采用冗余指令使跑飛的程序恢復(fù)到正常狀態(tài)中。所以謂冗余指令是指在一些關(guān)鍵的地方人為的插入一些單字節(jié)空操作指令“NOP。當(dāng)程序跑飛到“NOP上時(shí)，就不會(huì)發(fā)生程序混亂的情況了。對(duì)于AT89C205憚片機(jī)來(lái)說(shuō),所有的指令都

36、不會(huì)超過(guò)三個(gè)字節(jié),因此在某條關(guān)鍵的指令前插入兩條“NOP指令，則該條指令不會(huì)因程序跑飛過(guò)沒有被執(zhí)行，造成整個(gè)程序的混亂。這些關(guān)鍵的指令一般為：RETRETI、ACALLLCALLAJMPLJMPJZ、JNZJGJNGJB、JBGDJNZCJNEo同樣可以在某些對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)起關(guān)鍵作用的指令前加上冗余指令。4.4 系統(tǒng)說(shuō)明主要資源分配4.4.1 軟件說(shuō)明1 .步進(jìn)電機(jī)工作方式的脈沖代碼以表格形式存放在單片機(jī)的ROW三相六拍正轉(zhuǎn)代碼：TABLE:DB01H,03H,02H,06H,04H,05H三相六拍反轉(zhuǎn)代碼：TABLE:DB05H,04H,06H,02H,03H,01H2 .步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的輸出

37、頻率受定時(shí)器0的初值的控制，即受溢出率的影響。系統(tǒng)上電默認(rèn)的速度檔位為第230檔，相應(yīng)定時(shí)器初值為：（SPEE時(shí)速度檔位緩存）MOVTH0,#0E6HMOVTL0,#00HMOVSPEED,#0E6H3 .速度檔位調(diào)節(jié)影響的是定時(shí)器的THQMOVTH0,SPEED4 .定時(shí)器工作方式為0,中斷允許，中斷優(yōu)先級(jí)為00MOVTMOD,#01H;定時(shí)器0工作模式14.4.2 系統(tǒng)主要資源分配和各標(biāo)志位定義1 .主要RAM資源分配SPEEDEQU33H;速度檔位緩存20H.720H.620H.520H.420H.320H.220H.120H.0無(wú)定義:無(wú)定義正義二無(wú)定義無(wú)定義正義DIRSTATUS無(wú)定

38、義無(wú)定義無(wú)定義無(wú)定義無(wú)定義無(wú)定義運(yùn)行方向標(biāo)志位運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位無(wú)定義無(wú)定義無(wú)定義無(wú)定義無(wú)定義無(wú)定義1:反向0:正向1:運(yùn)行0:停止各系統(tǒng)標(biāo)志位定義.RAM中20H單元如表4-1所示表4-1RAM中20H單元的定義POINTER1EQU38H;運(yùn)行主程序計(jì)數(shù)指針SPEEDD0EQU39H;速度檔位顯示低位緩存SPEEDD1EQU3AH;速度檔位顯示百位緩存SPEEDD2EQU3BH;速度檔位顯示局位綾存系統(tǒng)上電時(shí)20H中各標(biāo)志位均為“0”。即系統(tǒng)上電默認(rèn)運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)，軟件運(yùn)行時(shí)都以這些標(biāo)志位為運(yùn)行依據(jù)。(2)、部分端口定義LED-DBITP3.0;運(yùn)行方向指示燈DOGBITP1.7;喂狗輸出端口本

39、次設(shè)計(jì)通過(guò)分析步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)。工作原理，查閱步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)科技文獻(xiàn)，遵循實(shí)用、簡(jiǎn)單、可靠和低成本的原則，設(shè)計(jì)了一種用于精度要求不是很高，但控制需完備的生產(chǎn)場(chǎng)合，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，有以下結(jié)論：1 .采用單片機(jī)作為控制核心，利用其強(qiáng)大的功能，把鍵盤電路和顯示電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，組成一個(gè)操作方便，交互性強(qiáng)的控制系統(tǒng)。2 .驅(qū)動(dòng)電路采用了恒流斬波電路，可以彌補(bǔ)單電壓電路的不足：電流過(guò)大，電源利用率過(guò)低，高頻響應(yīng)差。采用光電隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓主驅(qū)動(dòng)回路與微電子控制部分有效隔離，避免由于功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓信號(hào)反用到控制級(jí)，造成誤動(dòng)作，甚至電路毀壞。3 .系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，具有易維護(hù)性，根據(jù)用戶新的要求，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行少量的修改，使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。心得體會(huì)一周的時(shí)間很快就要過(guò)去了，本次的課程設(shè)計(jì)我是以控制電機(jī)教材為主要參考主線，我基本能按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，參考了大量的復(fù)習(xí)資料，用大量的時(shí)間圖書館中查閱資料。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我認(rèn)真理解并掌握了每一個(gè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，就是在掌握這些知識(shí)點(diǎn)的前提下，我才能有這個(gè)規(guī)范的設(shè)計(jì)。在此次的設(shè)計(jì)中，我感受