語音控制滅火機(jī)器人

1、NO:50 1 機(jī)器人概述 1.1 引言 自1954年美國G.C. Devol發(fā)表了“通用重復(fù)型機(jī)器人”專利論文和1958年美國Consolidated發(fā)表“數(shù)字控制機(jī)器人”論文，揭開了機(jī)器人研究的序幕以來，機(jī)器人科學(xué)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。它現(xiàn)在己經(jīng)發(fā)展成為一門涉及到力學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、機(jī)械工程、仿生學(xué)和人工智能等諸多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人被大量地應(yīng)用于空間、海洋、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭以及醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域，用途越來越廣泛。機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)過以下三代的演變： 第一代是順序控制機(jī)器人。它們是以1962年AMF公司和Unimation

2、公司的“Versatran”與“Unimate”為起始產(chǎn)品，目前的應(yīng)用已經(jīng)普及化。這一代的機(jī)器人沒有裝配傳感器，依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。因?yàn)樗鼈儧]有傳感器的反饋信息，因此不能在作業(yè)過程中從外界不斷獲取信息，故應(yīng)用范圍和精度受到限制。 第二代是具有簡單的傳感器反饋信息的機(jī)器人。它有若干傳感器，能對自身的實(shí)際位置、方向、速度、力、觸覺等進(jìn)行測量，能通過“視覺”、“觸覺”等傳感能力對外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)際探測，從而根據(jù)這些反饋信息，在事先編好的算法和程序指導(dǎo)下對操作過程進(jìn)行調(diào)整。 第三代是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對自己行為作出自主決策能力的智能機(jī)器人。它能識別景

3、物；有觸覺、視覺、力覺、聽覺，味覺等多種感覺；能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色和識圖等多種仿生動(dòng)作；具有專家知識、語音功能和自學(xué)習(xí)能力等人工智能。遙操作機(jī)器人科學(xué)作為機(jī)器人科學(xué)的重要分支，一直得到了人們的廣泛重視和關(guān)注。它的應(yīng)用，在一定程度上將人類從一些危險(xiǎn)、極限、不可達(dá)和不確定的環(huán)境中解放出來，人們希望能夠在遠(yuǎn)距離遙操作機(jī)器人來完成一些人類不易或者不能完成的操作，例如:：航空航天探測和試驗(yàn)，有毒以及易爆危險(xiǎn)品的處理，地下、海底作業(yè)等等。在操作者和控制對象之間存在遠(yuǎn)距離跨度約束的情況下，遙操作機(jī)器人技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的同步交互操作，幫助人類實(shí)現(xiàn)感知能力和行為能力的延伸，將操作者、機(jī)器人和控制對象閉合

4、到一個(gè)環(huán)路中。使得人類可以不必親臨現(xiàn)場，而通過安裝在機(jī)器人身上的各種傳感器采集現(xiàn)場的有關(guān)數(shù)據(jù)、圖像和語音，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗笥行Э煽康貙⒂嘘P(guān)信息傳遞給操作者，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)的幫助下，進(jìn)而作用到操作現(xiàn)場1.2 機(jī)器人在我國的發(fā)展有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。 我國已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨

5、款在沈陽建立了全國第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。隨著機(jī)器人科學(xué)的發(fā)展，遙控機(jī)器人作為工具，越來越深入人們的日常生活，被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、探測、消防、建筑、教育以及保安等諸多民用領(lǐng)域。在2002年引起了人們極大關(guān)

6、注的埃及金字塔探秘活動(dòng)就是在一個(gè)遙控機(jī)器人的協(xié)助之下進(jìn)行的。相信遙控機(jī)器人在民用領(lǐng)域的研究一定會(huì)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)器人控制領(lǐng)域的應(yīng)用?；诰W(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)也從初期的簡單的機(jī)器人遙控應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到分布式機(jī)器人控制系統(tǒng)等研究領(lǐng)域。利用現(xiàn)有的Internet技術(shù)實(shí)現(xiàn)對于機(jī)器人的控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，這一技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步豐富機(jī)器人遠(yuǎn)程控制手段，具有良好的發(fā)展趨勢和廣闊的應(yīng)用前景。1.3 機(jī)器人的發(fā)展方向機(jī)器人技術(shù)正在向微型化和超微型化方向發(fā)展,無數(shù)微型機(jī)器人將在廣闊的領(lǐng)域中工作。微型機(jī)器人又稱為“明天的機(jī)器人”，它同智能機(jī)器人一起成為科學(xué)

7、家們追求的目標(biāo) 。發(fā)展微型和超微型機(jī)器人的指導(dǎo)思想非常簡單：某些工作若用一臺結(jié)構(gòu)龐大、價(jià)格昂貴大型機(jī)器人去做，不如用成千上萬個(gè)非常低廉的細(xì)小而極簡單的機(jī)器人去完成。機(jī)器人技術(shù)正在向微型化和超微型化方向發(fā)展，無數(shù)機(jī)器人將在廣闊的領(lǐng)域中工作。超微型機(jī)器人是1種極度縮小了的機(jī)器人，它只有人的頭發(fā)絲那樣粗細(xì)，可以在人體血管中穿行，消除癌變或修復(fù)損傷的組織?，F(xiàn)在，微型機(jī)器人的作業(yè)能力已達(dá)到了分子、原子級水平。其已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了藝術(shù)家在頭發(fā)絲上作畫的程度。微型機(jī)器人還可以用于精密制造業(yè)的加工，用它制造存儲(chǔ)量更大的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)芯片，以及精度更高的“超平面磨床”等。應(yīng)用微型機(jī)器人技術(shù)，各種各樣的航天測量可變得更為輕

8、巧，磁帶錄音機(jī)之類的家用電器也會(huì)變得更加小巧和多用。電視屏幕可以做得既大又薄，屏幕上各點(diǎn)的光亮度，可由微型機(jī)器人控制的光閘自動(dòng)控制。2語音控制滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案2.1語音控制滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)語音控制滅火機(jī)器人，要求人通過語音指示對移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行控制，機(jī)器人能夠按照人的意圖實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，加速，減速，停止，滅火，后退”等語言控制的功能，到達(dá)目的地（火源-本設(shè)計(jì)主要是針對室內(nèi)的蠟燭火源的滅火）并具有檢測現(xiàn)場溫度的功能和自我保護(hù)的功能（溫度過高自動(dòng)后退幾步再滅火的功能），滅火不成功時(shí)閃光報(bào)警。2.2 語音控制機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)方案在語音控制機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，采用的基

9、本設(shè)計(jì)方案是：利用麥克風(fēng)作為CPU的輸入信號部分使機(jī)器人執(zhí)行程序，采用循跡的方法驅(qū)動(dòng)電機(jī)行動(dòng)起來。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，語音控制滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要由三部分組成：語音控制，信號處理部分，滅火部分。語音控制機(jī)器人是循跡機(jī)器人的改進(jìn)和完善，使之更好的為人類服務(wù)。 圖2-1 語言控制滅火機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)2.3 對語音控制滅火機(jī)器人方案的理想設(shè)計(jì) 在本文中，我們將語音控制機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程主要分為兩個(gè)大的部分來分析。聲控部分和滅火部分。在聲控部分的設(shè)計(jì)中主要解決麥克風(fēng)接收信息和讓單片機(jī)處理信息的過程，。而滅火部分則包括接收信息和讓單片機(jī)處理信息讓機(jī)器人開始具體動(dòng)作的過程。2.3.1 語音控制部分的設(shè)計(jì)語音控制部

10、分是，機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)過程。聲控性能的好壞直接關(guān)系到機(jī)器人能否“動(dòng)”起來。而這一部分又可以分為單片機(jī)從麥克風(fēng)那里接收信息傳給MCS-51單片機(jī)和MCS-51單片機(jī)處理信息后下達(dá)的指令和給步進(jìn)電機(jī)下達(dá)開始工作指令的過程。2.3.2 滅火部分的設(shè)計(jì)滅火部分其實(shí)就是一個(gè)電風(fēng)扇，電風(fēng)扇的電源電路圖是不與單片機(jī)聯(lián)系的，但在本設(shè)計(jì)中就必須要單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號，這里用三極管當(dāng)電源驅(qū)動(dòng)。RB4口接三極管基極，在適當(dāng)時(shí)候令單片機(jī)的接口產(chǎn)生一個(gè)+5V的信號，驅(qū)動(dòng)電風(fēng)扇。2.3.3單片語音識別電路HL7003-02單片語音識別電路HL7003-02，電路結(jié)構(gòu)簡單、外圍元器件少，設(shè)計(jì)、制作、調(diào)式及操作十分容易，適

11、合愛好者制作各種由語音控制的游戲機(jī)、家電控制、智能玩具、語音門鎖、門鐘等等方面。它是根據(jù)用戶自己的聲音輸入而識別的語音晶片識音辯識的單片IC,它能識別12個(gè)不同的字句,可控制不同的輸出開關(guān),完成指定的功能。特點(diǎn)：（1）內(nèi)置麥克風(fēng)放大器（2）內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器（3）12個(gè)1.5秒長的字句識別 （4）多功能I/O口2個(gè)普通輸入腳,4個(gè)觸發(fā)輸入腳 2個(gè)輸出端口,包含一個(gè)4輸出口及一個(gè)輸出口 2個(gè)LED輸出驅(qū)動(dòng)動(dòng)（5）不同的編碼方式,可做成專用的線路 2.4V3.3V工作電壓 低功耗,自動(dòng)斷電功能（6）極限參數(shù) 工作電壓(VDDGND)-5V 輸入電壓變化-(GND-0.3V)至(VDD+0.3V) 連

12、續(xù)工作溫度-0-+60電氣參數(shù)VDD=3V，GND=0V，Ta=+25，功能說明:此電路的操作分為兩大部分，首先必須將字句錄入，第二步操作才是識別模式，此外，操作中AP7003-01能夠判斷是否有信號輸入，這一切均按內(nèi)部程序或是特定編碼選擇所決定。在你需做識別操作時(shí)，目標(biāo)的字句必須已存入內(nèi)部存12個(gè)存貯區(qū)，存貯12個(gè)不同字句的特征。每個(gè)存貯區(qū)可以存放長達(dá)1.5秒的字句。你可以用鍵盤來選擇存貯區(qū)或用適當(dāng)?shù)拿羁刂?，將字句錄入?？捎猛獠康柠溈孙L(fēng)或其它媒體輸入語音或字句內(nèi)容，經(jīng)過內(nèi)部麥克風(fēng)放大器準(zhǔn)確放大之后，語音信號被內(nèi)容的A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。內(nèi)部聲效處理器將處理數(shù)字化后的語音及將字句里的特征進(jìn)行抽

13、樣。當(dāng)被識別的目標(biāo)字句，錄入之后，你現(xiàn)在可以開識別操作，進(jìn)入內(nèi)部字句識別操作模式，輸入的語音被聲音處理器特征抽樣，同存貯在內(nèi)部的目標(biāo)字句的抽樣特征進(jìn)行比較，必須是剛好同所選擇的識別的目標(biāo)字匹配。結(jié)果才輸入信號至PA口或其它輸出端。在一定時(shí)間內(nèi)，無操作時(shí)，會(huì)將電源關(guān)閉以節(jié)省損耗，后可用按鍵喚醒。表2-1 腳位參數(shù)Pin nameDescriptionGNDD數(shù)字地LED1低電平存放LED驅(qū)動(dòng)腳，能設(shè)計(jì)成語音輸入指示，適合于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用LED2低電平存放LED驅(qū)動(dòng)腳，在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用線路中，設(shè)計(jì)成語音輸入驗(yàn)證結(jié)果的標(biāo)志POB1POB4輸出口，作為鍵盤掃描用，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用PIT1PIT4低電平有效輸入口，內(nèi)部有上

14、拉電阻，能設(shè)計(jì)成輸入口或鍵盤的輸入標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用VDDD數(shù)字電源VDDCAPV去藕合電容，必須接電容在此引腳到地之間，用于內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)器OSCI頻率振蕩器，控制腳，接一個(gè)56K電阻到地PIM1PIM2普通輸入腳，能設(shè)計(jì)成模式控制輸入，用于標(biāo)準(zhǔn)電路TEST測試引腳，用于生產(chǎn)測試POSL輸出模式選擇，用于輸出A口，若ProtA是高有效，則以POSL接高；若低電平有效則接地GNDA模擬地TREF語音輸入門檻電壓控制A2OUT輸出第二放大器AIIN第一(前級)放大器反相輸入A1OUT前級放大輸出MICP麥克風(fēng)的正電源供給腳VDDA模擬電路正電源POA1POA12輸出口PORES高電平有效輸入，清除輸出口A

15、狀態(tài)圖2-2 單片語音識別電路HL7003-02操作方法：1、通電后，先按鍵，LED1和POA1(LED3)同時(shí)亮，此時(shí)立刻對著話筒發(fā)話(語音長度不超過1.5秒)，POA1滅，LED1亮，再對著話筒進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，LED2、POA1同時(shí)亮，表示“學(xué)習(xí)”成功。接著再按鍵，LED1、POA2同時(shí)亮，.。依此類推，直至112鍵全部學(xué)習(xí)完畢。也可以對某一鍵或某幾個(gè)鍵進(jìn)行無序輸入。2、學(xué)習(xí)完畢，即可進(jìn)行語音識別操作，12路輸出可分別控制不同的電器(或動(dòng)作)，12路語音識別可任意操作，即喊一句便控制一種電器的開或關(guān)。第11鍵為輸出轉(zhuǎn)換鍵，每轉(zhuǎn)換控制一種電器都需按一下該鍵。3、若需清除“學(xué)習(xí)”內(nèi)容，應(yīng)按清除鍵

16、“C”，再次輸入時(shí)，須重新按照第1步方法進(jìn)行“學(xué)習(xí)”。4、PIM1接“1”(高電平)，為12鍵模式，應(yīng)用電路見圖2-2。PIM1接“0”(低電平)，為8鍵模式，應(yīng)用電路見圖2。POSL接“0”，POA1POA12輸出為低電平，POSL接“1”，POA1POA12輸出為高電平。注意事項(xiàng)：1、標(biāo)準(zhǔn)電源電壓3V；2、駐極體話筒MIC的(+)、(-)極性一定要正確連接，否則無法輸入，MIC連外殼一端為(-)，另一端(+)。 圖2-3 語音識別電路3 語言控制滅火機(jī)器人的硬件構(gòu)成3.1 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1單片機(jī)的概述現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)都是向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化發(fā)展。其中微型化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的

17、重要方向，把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、控制器、儲(chǔ)存器、輸入/輸出接口四個(gè)組成部分集成在一個(gè)硅片內(nèi)，于是就出現(xiàn)了一個(gè)大規(guī)模集成電路為主組成的微型計(jì)算機(jī)-單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)，由于單片機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹悄芑娮赢a(chǎn)品，一般需要嵌入儀器設(shè)備內(nèi)，故又稱嵌入式微控制器。微處理器（芯片）本身不是計(jì)算機(jī)，但它是小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)的控制和處理部分。微機(jī)則是具有完整的運(yùn)算及控制功能的計(jì)算機(jī)，它除了包括微處理器外，還包括存儲(chǔ)器、接口適配器（即輸入/輸出接口電路）以及輸入/輸出設(shè)備（I/O）等。其中，微處理器由控制器、運(yùn)算器和若干個(gè)寄存器組成；I/O設(shè)備與微處理器的連接需要通過接口適配器（即I/O接口）；存儲(chǔ)器是

18、指微機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器（RAM、ROM和EPROM等芯片）。在本文中選用的是常見的Inter公司推出的MCS-51系列的單片機(jī)8051。微處理器存儲(chǔ)器接口適配 器I/O接口數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線圖3-1 微機(jī)的各個(gè)組成部分2單片機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)面向控制方面：單片機(jī)主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)及功能均按自動(dòng)控制要求設(shè)計(jì)，又稱微控器（MICROCONTROLLER UNIT，MCU）。利用微控制器進(jìn)行控制的技術(shù)稱微控制技術(shù)。微控制技術(shù)通過對單片機(jī)編程的方法代替模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，是對傳統(tǒng)控制的一次革命。在線應(yīng)用方面：在線應(yīng)用就是一個(gè)單片機(jī)代替常規(guī)的模擬或數(shù)字控制電路，使其成為測控系統(tǒng)的一

19、部分，在被控對象工作過程中實(shí)行實(shí)時(shí)檢測，并實(shí)時(shí)控制。在線應(yīng)用為實(shí)時(shí)測控提供了可能和方便。嵌入式應(yīng)用方面：單片機(jī)在應(yīng)用時(shí)通常裝入到各種智能化產(chǎn)品中，所以又稱嵌入式控制器。嵌入式使用使得單片機(jī)的應(yīng)用十分靈活。另外，單片機(jī)還具有體積小、成本底、速度快、使用靈活等特點(diǎn)。3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域目前單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對各個(gè)行業(yè)的技術(shù)改造和更新?lián)Q代起著重要的推動(dòng)作用。由單片機(jī)的特點(diǎn)決定了單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域智能機(jī)器人，智能儀器儀表、機(jī)電一體化、實(shí)時(shí)控制、民用電子產(chǎn)品及國防工業(yè)等方面。智能機(jī)器人是一門綜合性的學(xué)科，它集工程力學(xué)，機(jī)械制造，電子技術(shù)，自動(dòng)控制等為一體，而電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)

20、是他的智能核心，單片機(jī)在這里發(fā)揮它的巨大作用。單片機(jī)價(jià)格低廉，體積小，而又具有計(jì)算機(jī)的一般功能，能嵌入到任何應(yīng)用對象系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)以智能化為主要的控制目的。對機(jī)器人技術(shù)中，無論是過程控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集還是測控技術(shù)，都離不開單片機(jī)。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)在智能機(jī)器人領(lǐng)域?qū)?huì)越來越發(fā)揮它的巨大作用。 4單片機(jī)產(chǎn)品根據(jù)應(yīng)用范圍的不同，單片機(jī)分為通用型和專用型兩種。通用型單片機(jī)是供廣大用戶選擇使用的具有基本功能的芯片。它性能全面，適應(yīng)性強(qiáng)，能滿足多種控制的需要。但使用時(shí)用戶必須進(jìn)行二次開發(fā)：配備外圍電路，芯片，同時(shí)編寫程序。目前世界上通用單片機(jī)芯片的主要生產(chǎn)廠商有：INTEL公司

21、，MOTOROLA公司，PHILIPS公司，SIMENS公司，MICROCHIP等等。其中INTEL公司的單片機(jī)最具代表性，它的MCS-51系列應(yīng)用最廣。專用型單片機(jī)是專門針對某種特定產(chǎn)品而設(shè)計(jì)制造的特殊用途的單片機(jī)，不再需要二次設(shè)計(jì)，也不用進(jìn)行功能開發(fā)。例如來電顯示電話、全自動(dòng)洗衣機(jī)、各種IC卡讀寫器上的單片機(jī)都是專用型單片機(jī)。3.2 MCS-51單片機(jī)在語言控制滅火機(jī)器人的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，起核心作用的就是單片機(jī)，它包括對信息的采集和處理，以及對各個(gè)部件的控制，單片機(jī)的工作時(shí)鐘是依靠晶振和單片機(jī)內(nèi)部的振蕩放火器產(chǎn)生的。3.2.1 單片機(jī)的內(nèi)部資源在本文中選用的是Inter公司推出的MCS-5

22、1系列的單片機(jī)8051，其內(nèi)部資源主要有：8位CPU；4KB字節(jié)掩膜ROM程序存儲(chǔ)器；128字節(jié)內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；2個(gè)16為的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)全雙工的異步串行口；5個(gè)中斷源兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器時(shí)鐘電路，外接晶振和電容可產(chǎn)生1.2MHz12MHz的時(shí)鐘頻率。 3.2.2 單片機(jī)的引腳單片機(jī)的引腳如圖3-2所示。它包括三大部分的引腳：電源及時(shí)鐘引腳，控制引腳，輸入/輸出引腳，總共是40個(gè)引腳。其中P0、P1、P2、P3四個(gè)I/O口，通過這四個(gè)口使單片機(jī)與外部交換信息，達(dá)到采集、處理、控制等各項(xiàng)工作。圖3-2 單片機(jī)的引腳圖 1電源及時(shí)鐘引腳Vcc(40腳)：接+5電源。Vss(20腳

23、)：接地。時(shí)鐘引腳（18、19腳）：外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)震蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號。時(shí)鐘引腳也可以外接晶體震蕩器。2控制引腳RST/VPD（9腳）：當(dāng)震蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為0.5V的低電平，以保證單片機(jī)的正常工作。ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，起頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端

24、可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。對于片內(nèi)具有EPROM型的單片機(jī)8751，在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號。在從外部存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期PSEN兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。/Vpp（31腳）：當(dāng)EA保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問的是內(nèi)部程序寄存器（對8051、8751來說），但當(dāng)PC（程序記數(shù)器）值超過某值（如8751內(nèi)部含有4KB EPROM。值為0FFFH）時(shí)，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為低電平時(shí)，則不管是

25、否有內(nèi)部程序寄存器而只訪問外部程序寄存器。對8031來說，因其無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以該引腳必須接地，即此時(shí)只能訪問外部程序存儲(chǔ)器。對于片內(nèi)有EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳用于施加編程電壓Vpp。3輸入/輸出引腳P0口（P0.0P0.7）：為雙向8位的三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。以便作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1口（P1.0P1.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入時(shí)，口鎖存器必須置1），可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P2口（P2.0P2.7）

26、：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線高8位使用。P3口（P3.0P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。3.2.3 單片機(jī)的幾個(gè)必要電路1時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種，內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，在這里我們采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。MCS-51最常用的內(nèi)部時(shí)鐘電路是采用外接晶體（陶瓷震蕩器的頻率定性不高）和電容組成的并聯(lián)諧振回路，MCS-51單片機(jī)允許的震蕩晶體可在1.2MHz24MHz之間選擇，一般取11

27、.0592MHZ。兩個(gè)的電容的選擇對震蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及震蕩電路的起振速度有少許影響，其取值可在20pF100pF之間選擇，一般當(dāng)外接晶體時(shí)典型值為30pF，外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47pF。2復(fù)位電路：計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，是中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路來實(shí)現(xiàn)的，MCS-51有一個(gè)復(fù)位引腳RST，高電平有效，要使單片機(jī)復(fù)位，只要讓RST保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，MCS-51便保持復(fù)位，RST變成低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)。在單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機(jī)本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展的I/O接口電路等

28、也需要復(fù)位。因此需要一個(gè)系統(tǒng)的同步復(fù)位信號，即單片機(jī)復(fù)位后，CPU開始工作時(shí)，外部電路一定要復(fù)位好，以保證CPU有效的對外部電路進(jìn)行初始化編程。RST是高電平有效，而I/O接口電路的復(fù)位端一般為TTL電平輸入，通常也是高電平有效，但這兩種復(fù)位輸入的復(fù)位有效的電平不完全相同，如果CPU和I/O的復(fù)位不同步，則系統(tǒng)不能正常工作。本設(shè)計(jì)中采用的是系統(tǒng)復(fù)位，如圖，將復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號經(jīng)斯密特電路整形后作為系統(tǒng)的復(fù)位信號，加到MCS-51單片機(jī)和外部I/O接口電路的復(fù)位端。 圖 3-3 復(fù)位電路3晶振電路：其電路圖如圖3-4所示: 圖3-4 晶振電路3.2.4 溫度采集電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用專門的溫度傳

29、感器DALLAS公司的DS18B20，此芯片為TO92封裝，體積小，而且是1WIRE通信，只需一個(gè)I/O口即能實(shí)現(xiàn)控制，在一定程度上可以節(jié)約I/O口資源。DALLAS公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20支持單總線接口，具有單總線獨(dú)特而經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可以輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的創(chuàng)建引入全新的概念。DS18B20體積小，使用靈活，可以充分發(fā)揮單總線的優(yōu)勢。其測溫范圍為-55+125，在-10+85范圍內(nèi)，精度為±0.5。支持3V3.5V的寬電壓，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活，更方便。DS18B20可通過程序設(shè)置912位的分辨率。采用TO92封裝，體積只有普通三極管那么大，并可以支持用戶

30、設(shè)定報(bào)警溫度，設(shè)置值保存于芯片自帶的EEPROM中，掉電后依然保存。并且外圍元件只需要一個(gè)4.7K上拉電阻。圖3-5 溫度傳感器和單片機(jī)的接口電路圖在本設(shè)計(jì)中用的是數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，用溫度傳感器來判斷現(xiàn)場的溫度情況，從而驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路。3.3麥克風(fēng)我們通常所說的聲音是指人的耳朵能感覺到的聲波，但是從物理意義上來講，聲是指在任何彈性介質(zhì)中傳播的擾動(dòng)，是一種機(jī)械波，而在本文中是用聲音作為一種控制信號，也就是說人耳所能聽到的聲音。聲音產(chǎn)生后，通過一種介質(zhì)傳播到耳朵接收，然后進(jìn)入內(nèi)耳，在內(nèi)耳的皮層產(chǎn)生了一個(gè)響應(yīng)，變成電信號到大腦進(jìn)行處理。而接收的也不一定是耳朵，在我們的設(shè)計(jì)中通常用到的是話

31、筒，聲學(xué)上稱為傳聲器，也叫麥克風(fēng)。麥克風(fēng)在設(shè)計(jì)中的作用是將聲音引起空氣的波動(dòng)后產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸送到“大腦”（CPU）做出相應(yīng)的處理。3.3.1麥克風(fēng)的工作原理麥克風(fēng)主要可以分為動(dòng)圈式，電容式和駐極體式。動(dòng)圈式和電容式是目前最成熟的拾音技術(shù)，考慮到設(shè)計(jì)要求和性價(jià)比，在本次設(shè)計(jì)中要用到的是動(dòng)圈式麥克風(fēng)。動(dòng)圈式麥克風(fēng)的工作原理類似發(fā)電機(jī)，傳聲器的膜片與金屬線纏成的彈簧一般的線圈被固定在一起放置在磁鐵構(gòu)成的磁場中，當(dāng)外界的聲波作用與膜片時(shí)便會(huì)帶動(dòng)膜片以及連接于其上的金屬線圈一起震動(dòng)，于是便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化電流，聲音轉(zhuǎn)化成電信號。3.4步進(jìn)電機(jī)圖3-6步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻?/p>

32、位移或線位移的開環(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，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。3.4.1 步進(jìn)電機(jī)的基本原理1反映式步進(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

33、，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,（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相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖3-7。(2)旋轉(zhuǎn):如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場作用，齒1與A對齊，（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

34、對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前圖3-7 定轉(zhuǎn)子的展開圖一齒）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)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對力矩、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)

35、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（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。圖3-8轉(zhuǎn)子與定子的關(guān)系其磁通量=Br*S：Br為磁密；S為導(dǎo)磁面積。F與L*D*Br成正比：L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑。Br=N·I/RN：I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）；R為磁阻。力矩

36、=力*半徑力矩與電機(jī)有效體積*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。2感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)(1)特點(diǎn):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)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行，而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四

37、相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式. 一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 (2)分類:感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為，二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。3步進(jìn)電機(jī)的

38、靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語相數(shù)產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場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：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=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

39、矩（由磁場齒形的諧波以及機(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。 4步進(jìn)電機(jī)動(dòng)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(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)。(2)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。

40、(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(dòng)是不能解決的。 (4)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。 (5)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。 (6)運(yùn)行距頻特性：電機(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)選擇的根本依據(jù)。如圖3-9所示：圖3-9 距頻特性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)

41、力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流的平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。如圖3-10所示：圖3-10電機(jī)的頻率特性其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。(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(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

42、低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。(8)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CA-BC-AB時(shí)為反轉(zhuǎn)。5驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成及使用控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖3-11：圖3-11驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)(1)脈沖信號的產(chǎn)生。脈沖信號一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比越大。(2)信號分配器（又名脈沖分配器）。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ,步距角為1.8度；二相八拍為 ,步距角為0.9度。四相電機(jī)工作

43、方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度)。(3)功率放大（又名脈沖分配器）功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。為盡量提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的

44、驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。電壓對力矩影響如圖3-12：圖3-12 電壓和力矩的關(guān)系(4)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的，具體圖形如圖3-13：圖3-13 細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制圖3.4.2 步進(jìn)電機(jī)的類型1.單極性步進(jìn)電機(jī)這種步進(jìn)電機(jī)之所以稱為單極性是因?yàn)槊總€(gè)繞組中電流僅沿一個(gè)方向流動(dòng)。它也被稱為兩線步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗缓袃蓚€(gè)線圈。兩個(gè)線圈的極性相反，卷繞在同一鐵芯上，具有同一個(gè)中間抽頭。單極性步進(jìn)電機(jī)還被稱為

45、4相步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗?個(gè)激勵(lì)繞組。單極性步進(jìn)電機(jī)的引線有5或6根。如果步進(jìn)電機(jī)的引線是5根，那么其中一根是公共線(連接到V+)，其他4根分別連到電機(jī)的4相。如果步進(jìn)電機(jī)的引線是6根，那么它是多段式單極性步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)繞組，每個(gè)繞組分別有一個(gè)中間抽頭引線。但是如何分辨這些引線呢?請繼續(xù)讀下述內(nèi)容。(1)分辨5線單極性步進(jìn)電機(jī)接頭為了找出5線單極性步進(jìn)電機(jī)各條引線的正確配置，事先需要做一番實(shí)際上很簡單的考察。為了找出正確的引線順序并使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要一塊電池和一段膠帶(當(dāng)然也需要一個(gè)5引線步進(jìn)電機(jī))。備好記號筆來標(biāo)注引線以便分辨它們。按以下步驟操作：用數(shù)字萬用表找到公共線。其他引線與公共線之間的電

46、阻測量值都相同。此線連接到電池的V+。5V或6V就足夠測試用了。膠帶粘貼到步進(jìn)電機(jī)的輸出鈾上，并使它垂直于軸端并伸出成為一個(gè)標(biāo)志。此標(biāo)志的作用在于判斷電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)。任意挑出一條引線稱之為相1。若將此線接地，則電機(jī)輸出軸將做輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)被鎖定在相1的位置上。取另一根引線并將其接地，仔細(xì)觀察輸出軸上的膠帶。如果輸出軸向右輕微地旋轉(zhuǎn)，那么此根引線是相2。取另一根線并將其接地，仔細(xì)觀察輸出軸上的膠帶。如果輸出軸向左輕微地旋轉(zhuǎn)，那么此根引線是相4。再取另一根線并將其接地，仔細(xì)觀察輸出軸上膠帶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果輸出軸不旋轉(zhuǎn)，那么此根引線就是相3。(2)分辨6線單極性步進(jìn)電機(jī)接頭回收打印機(jī)、舊電機(jī)

47、時(shí)最常遇到這種類型的單極性步進(jìn)電機(jī)。6線單極性步進(jìn)電機(jī)通?？雌饋硐袷莾蓚€(gè)單段式電機(jī)疊放在一起，每個(gè)單段有3根線引出.這種步進(jìn)電機(jī)的引線非常容易分辨。分辨6線步進(jìn)電機(jī)引線順序的工作相當(dāng)簡單。如果它的結(jié)構(gòu)形式是多段式步進(jìn)電機(jī)，那么引線的順序?qū)嶋H上已經(jīng)給出了，用數(shù)字萬用表可以找出每對繞組的公共線。只要保持繞組對的兩根引線對應(yīng)一致，它們的順序無關(guān)緊要，僅會(huì)影響電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向而已。如果不是多段式的6線步進(jìn)電機(jī)，可以按以下步驟確定繞組對的引線：使用數(shù)字萬用表找出每對繞組的公共端。照上述方法能找出兩個(gè)繞組對，分隔它們并加以標(biāo)記。請將其中一個(gè)繞組對標(biāo)記為A和C(也可以是1和3)，另一個(gè)標(biāo)記為B和D(也可以是2

48、和4)。在每一對繞組中，哪條引線是何順序并不重要，只要成對就足夠了。2極性步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式單極性步進(jìn)電機(jī)可以來用三種步進(jìn)方式：單拍、雙拍、半拍方式。單拍步進(jìn)方式是指每次僅給一個(gè)繞組通電，結(jié)果導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子永磁體與具有相反極性的繞組對齊的位置。雙拍步進(jìn)方式是同時(shí)給兩個(gè)繞組通電，這樣就導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并在永磁體到達(dá)兩個(gè)通電繞組的中間位置點(diǎn)時(shí)平衡。雙拍步進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)是比單拍步進(jìn)方式多獲得41.4的輸出力矩，不過代價(jià)是需要花費(fèi)后者兩倍的能量，因?yàn)樗袃上嗬@組同時(shí)通電。最后，半拍方式工作時(shí)則讓兩個(gè)繞組通電與單個(gè)繞組通電方式交替地進(jìn)行。半拍方式的輸出力矩比雙拍方式小，隨設(shè)計(jì)不同，在1530之間

49、變化，不過它可以獲得雙拍方式兩倍的步進(jìn)分辨率(每周兩倍的步數(shù))。要使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，只需將通電過程反向即可。3雙極性步進(jìn)電機(jī)雙極性步進(jìn)電機(jī)之所以如此命名，是因?yàn)槊總€(gè)繞組都可以兩個(gè)方向通電。因此每個(gè)繞組都既可以是N極又可以是S極。它又被稱為單繞組步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)槊繕O只有單一的繞組，它還被稱為兩相步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)榫哂袃蓚€(gè)分離的線圈。雙極性步進(jìn)電機(jī)有四根引線，每個(gè)繞組兩條。與同樣尺寸和重量的單極性步進(jìn)電極相比，雙極性步進(jìn)電機(jī)具有更大的驅(qū)動(dòng)能力，原因在于其磁極(不是中間抽頭的單一線圈)中的場強(qiáng)是單極性步進(jìn)電機(jī)的兩倍。雙極性步進(jìn)電機(jī)的每個(gè)繞組需要一個(gè)可逆電源，通常由H橋驅(qū)動(dòng)電路提供。由于雙極性步進(jìn)電機(jī)比單極性

50、步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩大，因此總是應(yīng)用于空間有限的設(shè)計(jì)中。這也是軟盤驅(qū)動(dòng)器的磁頭步進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)之所以總是采用雙極性步進(jìn)電機(jī)的原因?？梢韵喈?dāng)簡單地使用數(shù)字萬用表來查找兩個(gè)繞組。如果在某兩根引線之間能夠測量到阻值，那么這兩根引線之間就屬于一個(gè)繞組，其他兩根線之間是另外一個(gè)繞組。雙極性步進(jìn)電機(jī)的步距通常是1.8°，也就是每周200步。4雙極性步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式雙極性步進(jìn)電機(jī)具有和單極性步進(jìn)電機(jī)相同的步進(jìn)方式，僅僅由于繞組配置的不同，在實(shí)現(xiàn)上存在一些差別。5步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式的相似之處如果我們在實(shí)踐時(shí)很細(xì)心，就會(huì)注意到單極性步進(jìn)電機(jī)和雙極性步進(jìn)電機(jī)在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式上是極其相似的。以前面介紹的單極性步

51、進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式為例，交換列B和列C的位置，將所有的“通”替換為“+”，然后在與狀態(tài)為“+”的引線同一繞組的另一列中補(bǔ)上“-”，就將看到和上面雙極性步進(jìn)電機(jī)同樣的步進(jìn)方式，只是電機(jī)的轉(zhuǎn)向相反。這說明控制單極性步進(jìn)電機(jī)的任何邏輯也可以用來驅(qū)動(dòng)雙極性步進(jìn)電機(jī)。但只是邏輯，而非驅(qū)動(dòng)電路。雙極性步進(jìn)電機(jī)的繞組需要H橋電路，而單極性步進(jìn)電機(jī)僅僅需要一個(gè)簡單的晶體管開關(guān)。做到在控制單極性步進(jìn)電機(jī)和雙極性步進(jìn)電機(jī)之間切換，惟一需要的變化是交換B和C的邏輯輸出。3.4.3步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)要步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其步距角最大不能超過3.6°，否則從視覺效果上都可以觀察到?jīng)_擊。而原則上步角大可到30

52、°，小可到0.9°。步進(jìn)電機(jī)的主要特性指標(biāo)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、保持轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)從一個(gè)齒位轉(zhuǎn)到下一個(gè)齒位時(shí)所具有的轉(zhuǎn)矩，保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)或者處于某工作狀況點(diǎn)時(shí)維持在該平衡位置的能力。加速轉(zhuǎn)矩通常具有最大值，并取決于驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率。此外，驅(qū)動(dòng)電壓和繞組電阻的大小也對其施加影響。如表3-1所示。表 3-1步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)參數(shù)參數(shù)定義電壓額定電壓（步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的正常工作電壓）繞組阻抗單相繞組的直流阻抗電流繞組最大安全電流步數(shù)7.5°=48步，1.8°=200步動(dòng)態(tài)力矩步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的最大力矩要確定步進(jìn)電機(jī)在額定速度上的功率，唯一

53、的辦法是通過制造商給出的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線或者圖表，如圖3-14,知該圖沒有給出轉(zhuǎn)速的值r/min，而是給出驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率PPS（脈沖/秒），這就需要首先將其變換成為轉(zhuǎn)速在進(jìn)行計(jì)算，變換的公式如下：圖3-14 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與頻率特性曲線r/min=脈沖/秒*1轉(zhuǎn)數(shù)/步*60秒/1分 (3-1)rad/s=轉(zhuǎn)數(shù)/分*2弧度/轉(zhuǎn)數(shù)*1分/60秒 (3-2)然后再根據(jù)公式P=T，T的單位是N·m，而角速度的單位應(yīng)該是rad/s。從而得出的功率P的單位應(yīng)該是W。3.4.4 步進(jìn)電機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)有以下特性：1. 步進(jìn)電機(jī)需加驅(qū)動(dòng)電路，其驅(qū)動(dòng)信號輸入端為脈沖信號，若加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，步進(jìn)電機(jī)的

54、轉(zhuǎn)子就以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)；2. 步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角一般為1.8°，即200步完成一圈；3. 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)與急速停止的特性；4. 改變勵(lì)磁順序，可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。3.4.5步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的接口這里用的電機(jī)是單極性步進(jìn)電機(jī)，單極性步進(jìn)電機(jī)可以采用三種步進(jìn)方式：單拍，雙拍和半拍方式。單拍是指每次僅給一個(gè)繞組通電，結(jié)果導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子永磁體與具有相反極性的繞組對齊的位置。雙拍方式同時(shí)給兩個(gè)繞組通電，這樣就導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并在永磁體到達(dá)兩個(gè)通電繞組的中間位置點(diǎn)時(shí)平衡。雙拍方式的優(yōu)點(diǎn)是比單拍方式多獲得41.4%的輸出力矩，不過代價(jià)是要花費(fèi)后者兩倍的能量。半拍方式工作時(shí)則讓兩個(gè)繞組通電與單個(gè)繞組通電方式交替的進(jìn)行。半拍方式的輸出力矩比雙拍方式小，隨設(shè)計(jì)不同，它可以獲得雙拍方式兩倍的步進(jìn)分辨率（每周兩倍的步數(shù)），如表3-2所示：表 3-2 步進(jìn)電機(jī)的通電方式單拍勵(lì)磁雙拍勵(lì)磁半拍勵(lì)磁StepAB/A/BAB/A/BAB/A/B11000110010002010001101100300100011010040001100101105100011000010601000110001170010001100018000110011001P2.0P2.3、P2.4P2.7 通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803分別接到步進(jìn)電機(jī)一和步進(jìn)電機(jī)二的四個(gè)線圈中去