基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電氣自動(dòng)化專業(yè)

引言1.1步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展步進(jìn)電機(jī)的最主要功能就是將輸入脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換化成為角位移或線位移，我們通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和圈數(shù)來衡量其工作精度和速度大小。脈沖電信號(hào)輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)能夠直接對(duì)外輸出階躍型的角位移或直線位移,不需要額外的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元,近年來基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制手段引起廣泛關(guān)注。中國(guó)在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國(guó)產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。中等耐壓的大功率半導(dǎo)體器件也徹底國(guó)產(chǎn)化。那時(shí)運(yùn)用至多的是線切割機(jī)，都是快走絲的。線切割機(jī)的X-Y平臺(tái)絲桿就用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)時(shí)的圖紙是全國(guó)公開，給個(gè)曬藍(lán)圖的費(fèi)用就行了。原始的電路設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的元老，應(yīng)該有網(wǎng)友將他們的名字和個(gè)人簡(jiǎn)歷，工作經(jīng)歷發(fā)上來。國(guó)外在大功率的產(chǎn)業(yè)裝備驅(qū)動(dòng)上，現(xiàn)在根本不利用大扭矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由于從驅(qū)動(dòng)電路的本錢，效力，噪音，加速度，絕對(duì)速度，體系慣量與最大扭矩最近對(duì)比，比較不劃算，仍是用直流電動(dòng)機(jī)，加電動(dòng)機(jī)編碼器總體技能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。一些少數(shù)高級(jí)的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。國(guó)外在小功率的場(chǎng)所，還利用步進(jìn)電機(jī)，比方一些產(chǎn)業(yè)東西，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動(dòng)柜員機(jī)。國(guó)外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國(guó)內(nèi)以往是用大力矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有氣力的公司目前也采取交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動(dòng)裝備的主要差距，是國(guó)外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的節(jié)制理論與工程剖析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部?？偟膩碚f，步進(jìn)電機(jī)電是一種簡(jiǎn)略的開環(huán)控制，對(duì)應(yīng)用者的請(qǐng)求低，不適合在大功率的場(chǎng)所利用。在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場(chǎng)合，中國(guó)在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)，在高品質(zhì)的控制場(chǎng)合，有時(shí)還不能使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開放初期，國(guó)內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制相比，難度要低得多。1.2步進(jìn)電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用及前景 我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比起步較晚，步進(jìn)電機(jī)的制造及研發(fā)技術(shù)的發(fā)展也滯后于歐美國(guó)家。新中國(guó)成立以后，在國(guó)家政策的扶植下，我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平贏得了較大的發(fā)展。同一時(shí)期，步進(jìn)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)自主研發(fā)引起了廣泛關(guān)注，以高校、科研機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)商研發(fā)團(tuán)隊(duì)為主體的隊(duì)伍成為了我國(guó)步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的核心研發(fā)人員。此后，我國(guó)各大工業(yè)技術(shù)相對(duì)發(fā)達(dá)的沿海城市涌現(xiàn)出一大批步進(jìn)電機(jī)零部件及電子元件生產(chǎn)商，國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)、銷售初見規(guī)模。例如，我國(guó)成功攻克了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中必不可少的半導(dǎo)體器件集成化核心技術(shù)，使得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路不再需要計(jì)數(shù)器、耦合器、觸發(fā)器等多種元件組合構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)外形尺寸及制造成本大大降低。改革開放以后，我國(guó)與西方國(guó)家的技術(shù)交流更加頻繁，步進(jìn)電機(jī)控制器及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式也不斷推陳出新，各種新型的混合驅(qū)動(dòng)高性能步進(jìn)電機(jī)層出不窮。步進(jìn)電機(jī)最先是由英國(guó)人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也使用逐步在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的節(jié)制變得更為輕易。日后經(jīng)由不竭改善，使得今日步進(jìn)電機(jī)已普遍應(yīng)用在必要高定位精度、高分化能、高響應(yīng)性、信賴性等矯健控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程當(dāng)中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很輕易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤影，尤為以注重速率、位置控制、必要準(zhǔn)確操縱各項(xiàng)指令行動(dòng)的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)機(jī)電用的至多。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)之外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為電機(jī)能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生存進(jìn)入電氣化過程當(dāng)中起著樞紐的作用。但是在人類社會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化期間的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿足工場(chǎng)自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種活動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為順應(yīng)這些要求，成長(zhǎng)了一系列新的具有控制功效的電動(dòng)機(jī)體系，個(gè)中較有本身特征，且運(yùn)用非常普遍的一類就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的成長(zhǎng)與計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中替代小型直流電動(dòng)機(jī)之后，使其設(shè)置裝備擺設(shè)的機(jī)能進(jìn)步，很快地增進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的成長(zhǎng)。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技能的成長(zhǎng)，又將作為數(shù)控系統(tǒng)實(shí)行部件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)推廣應(yīng)用到其他范疇，如電加工機(jī)床、小功率機(jī)器加工機(jī)床、測(cè)量?jī)x器、光學(xué)和醫(yī)療儀器和包裝機(jī)器等。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡(jiǎn)化的過程。目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的成長(zhǎng)已歸結(jié)為單段式布局的磁阻式、混合式和爪極構(gòu)造的永磁式三類。爪極機(jī)電價(jià)格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式首要作為高分辨率電動(dòng)機(jī)，因?yàn)榛旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)擁有控制功率小，運(yùn)行安穩(wěn)性較好而逐漸處于主導(dǎo)地位。國(guó)內(nèi)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器曾持久處于不冷不熱狀況，但在提倡低碳、節(jié)能減排政策的鞭策下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器推廣應(yīng)用勢(shì)必呈現(xiàn)實(shí)際性的進(jìn)展。電機(jī)行業(yè)屬于傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)。大中型電機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)理論，工藝技術(shù)都是非常成熟的?，F(xiàn)在永磁電機(jī)是電機(jī)行業(yè)的一個(gè)成長(zhǎng)熱門，尤其是幾年近來火起來的NVH永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)。特斯拉驅(qū)動(dòng)電機(jī)原來是用的臺(tái)灣福田電機(jī)公司做的異步電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在準(zhǔn)備改技術(shù)路線，用永磁電動(dòng)機(jī)了。電機(jī)行業(yè)的一個(gè)基本特點(diǎn)，就是勞動(dòng)密集型行業(yè)，利潤(rùn)低。做電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的就業(yè)薪資和發(fā)展前景要比電機(jī)設(shè)計(jì)好許多，當(dāng)然每一個(gè)行業(yè)都存在專家，做到專家了，就差距不大了1.3本研究的主要內(nèi)容及意義根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可得，步進(jìn)電機(jī)的常見動(dòng)作需求主要包括：①輸出軸具備單獨(dú)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)功能；②輸出軸具有先正轉(zhuǎn)后反轉(zhuǎn)功效；③輸出軸轉(zhuǎn)速可調(diào)，包括連續(xù)可調(diào)或存在若干個(gè)備選速度檔位；④步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中可以人為啟動(dòng)和停止。本研究以上述動(dòng)作需求為目標(biāo)完成了基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)完成的控制系統(tǒng)可以通過鍵盤來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各個(gè)不同動(dòng)作的控制。完成了整體方案設(shè)計(jì)之后，我們對(duì)控制系統(tǒng)的電路布局進(jìn)行了仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)電路布局合理，結(jié)構(gòu)可靠，能夠完全滿足日常使用需求。2步進(jìn)電機(jī)控制總系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)框架本研究中我們是以四相步進(jìn)電機(jī)為主要對(duì)象，鑒于步進(jìn)電機(jī)工作過程中必須具備的功能有啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速等多種功能，我們?cè)诟鱾€(gè)功能的按鍵上還設(shè)置了發(fā)光二極管，用以直觀的對(duì)外展示電機(jī)處于何種工作狀態(tài)。本研究中我們選用單片機(jī)作為控制器的主要元件，得到了如下圖所示基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，從圖中我們可以了解到步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要是由驅(qū)動(dòng)電路模塊、狀態(tài)顯示模塊和按鍵模塊三大部分構(gòu)成。單片機(jī)單片機(jī)鍵盤控制模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊數(shù)碼管顯示模塊電源模塊圖2-1總體設(shè)計(jì)框圖2.2主控芯片選擇隨著智能化設(shè)備的不斷發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用不再是簡(jiǎn)單的選型、安裝、調(diào)試、使用。很多時(shí)候客戶都會(huì)按照自身的使用需求和產(chǎn)品更新?lián)Q代需求對(duì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制器進(jìn)行二次開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制需求。故而，我們步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)要求主控芯片支持多種語言且擁有良好的編程環(huán)境。為了方便使用人員的二次開發(fā)，所選芯片應(yīng)盡量為市場(chǎng)上較為常見、具有典型參考案例和規(guī)范程序的成熟芯片。此外，考慮到只要成本和使用成本的控制，我們通常會(huì)傾向于選擇工作溫度范圍較寬、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的芯片作為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心單元。鑒于本研究所針對(duì)的四相步進(jìn)電機(jī)通常是用于商業(yè)場(chǎng)合，在功耗和抗干擾方面并沒有特別嚴(yán)格的要求，故而，我們選用商業(yè)級(jí)STC89C51芯片來完成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)工作，所得到的控制系統(tǒng)成本低，二次開發(fā)方便。2.3步進(jìn)電機(jī)輸出參數(shù)的確定本研究中我們選用的目標(biāo)步進(jìn)電機(jī)為28BYJ48型四相八拍電機(jī)，查閱該型號(hào)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)可得其驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)為DC5V~DC12V。也就是說，本研究中所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的對(duì)外輸出電壓應(yīng)不小于5V才能保證電機(jī)正常工作。步進(jìn)電機(jī)的控制原理為主控芯片對(duì)電機(jī)輸出連續(xù)脈沖時(shí)電機(jī)則保持連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)的確定查閱單片機(jī)的工作原理可得，其各個(gè)輸出引腳只能對(duì)外輸出電信號(hào)，而電機(jī)工作過程中我們是通過轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和圈數(shù)來衡量其工作精度和速度大小的。因而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步就是要實(shí)現(xiàn)脈沖電信號(hào)到步進(jìn)角度之間的轉(zhuǎn)化，這一過程往往可以借助數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化芯片來完成，本研究中選擇與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容的ULN2003達(dá)林頓連接晶體管來實(shí)現(xiàn)脈沖電信號(hào)到步進(jìn)角度之間的轉(zhuǎn)化。3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成本研究所述基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件單元主要包括核心處理器（STC89C51單片機(jī)）和電機(jī)驅(qū)動(dòng)（集成芯片ULN2003）。步進(jìn)電機(jī)工作過程中必須具備的功能有啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速等多種功能，我們?cè)谕饨渔I盤上設(shè)置了6個(gè)按鈕分別與上述功能一一對(duì)應(yīng)，還在各個(gè)功能的按鍵上還設(shè)置了發(fā)光二極管，用以直觀的對(duì)外展示電機(jī)處于何種工作狀態(tài)及運(yùn)行速度的檔數(shù)。3.2步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的主要功能就是將輸入的電能轉(zhuǎn)換化成為機(jī)械能（常見的表現(xiàn)形式有角位移或線位移），我們通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和圈數(shù)來衡量其工作精度和速度大小。而根據(jù)輸入電信號(hào)的不同我們又可以將步進(jìn)電機(jī)分為單相和多相電機(jī)，其中單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多用于微小功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合而多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多用于大功率場(chǎng)合。3.2.1步進(jìn)電機(jī)的原理步進(jìn)電機(jī)工作的關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)脈沖電信號(hào)到步進(jìn)角度之間的轉(zhuǎn)化，輸入脈沖電信號(hào)與輸出角度之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，單片機(jī)控制技術(shù)能夠完全滿足需求。我們知道步進(jìn)電機(jī)的工作原理為：①脈沖分配：舉例來說，三相步進(jìn)電機(jī)工作過程中脈沖必須嚴(yán)格按照A-B-C-D的通電順序進(jìn)行；②電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制：通電相位與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)的目的同等；③電機(jī)速率控制：經(jīng)由控制單片機(jī)輸出脈沖頻率（兩個(gè)脈沖的距離）實(shí)現(xiàn)調(diào)速。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組發(fā)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)動(dòng)員轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)偏向同等。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也跟著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)遷移轉(zhuǎn)變一個(gè)角度進(jìn)步一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。轉(zhuǎn)變繞組通電的次序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。以是可用節(jié)制脈沖數(shù)目、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的遷移轉(zhuǎn)變。平日見到的各種電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會(huì)發(fā)消耗耗，消耗巨細(xì)與電阻和電流的平方成正比，這便是我們常說的銅損，若是電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會(huì)發(fā)生諧波消耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)發(fā)生消耗，其巨細(xì)與質(zhì)料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會(huì)以發(fā)熱的情式表現(xiàn)出來，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)一樣平常尋求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成份高，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而轉(zhuǎn)變，因此步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情形比平常交流電機(jī)嚴(yán)峻。3.2.2步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)1.通常情況下，步進(jìn)電機(jī)的精度以步進(jìn)角來判斷，一般為后者的3-5%，并未其角位移和輸入脈沖數(shù)之間為完全的正比關(guān)系，不存在誤差積累，跟隨性較好。2.電機(jī)表面的溫度不能過高。3.電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，一個(gè)升高另一個(gè)反而會(huì)降低。4.電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)較大，因此其所發(fā)出的噪音也較大，使得其在帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)表現(xiàn)不好。5.對(duì)于電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路共同形成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，性能可靠，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)錢便宜。并且其能夠和角度反饋環(huán)節(jié)共同使用形成閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在使用時(shí)，具有較高的性能。3.2.3永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理本設(shè)計(jì)使用了較為常見的永磁式步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)使用了單片機(jī)來控制該電機(jī)的狀態(tài)。下圖3-1為該電機(jī)的接線圖。圖3-1永磁步進(jìn)電機(jī)接線圖3.3單片機(jī)系統(tǒng)在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇STC89C5l芯片作為電機(jī)的控制中心。該芯片在結(jié)構(gòu)上較為簡(jiǎn)單，同時(shí)具有上萬次閃爍式的電擦寫功能，性能強(qiáng)大且應(yīng)用方便，還能夠與MCS5l系列兼容。其具有4K的ROM，具有一個(gè)8位微處理器，因此性能好，功能強(qiáng)大。在制造的時(shí)間利用了ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技能，能夠兼容產(chǎn)業(yè)尺度的MCS-51指令集和輸出管腳。圖3-2單片機(jī)引腳圖3.4鍵盤控制電路當(dāng)使用單片機(jī)時(shí)，為了保證每次按鍵只能對(duì)應(yīng)唯一的按鍵動(dòng)作時(shí)，必須要消除抖動(dòng)帶來的干擾。這一消除操作主要可以通過兩方面來實(shí)現(xiàn)，分別為硬件和軟件。但是對(duì)于硬件消抖來說，由于其電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，從而給實(shí)現(xiàn)過程帶來一定的困難，因此本文中并沒有使用該方法，因此，也不再過多進(jìn)行論述；對(duì)于軟件消抖來說，尤其適用于具有較多按鍵時(shí)，并且實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單。這一過程的主要原理為當(dāng)初始按下按鍵時(shí)，執(zhí)行10ms的延時(shí)，之后確定該鍵的電平是不是仍然是閉合情況下的電平，如果是，則表示有按鍵操作，從而將消除抖動(dòng)帶來的干擾。下圖2-2即為這一過程的主要實(shí)現(xiàn)原理。圖3-4鍵盤控制模塊原理圖3.5數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路數(shù)碼管的根本構(gòu)成元件為發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件。根據(jù)段數(shù)的不同分為了兩種類型，分別為七段和八段數(shù)碼管，這兩者所需要的組成發(fā)光二極管數(shù)目不同，前者較后者多一個(gè)，表現(xiàn)為前者顯示時(shí)有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)；根據(jù)所表現(xiàn)的“8”的個(gè)數(shù)的差別可以將數(shù)碼管又分為若干類，如1位、2位或者4位等：按照其構(gòu)成發(fā)光二極管的差別連接體式格局又可分為兩大類，分別為共陽極和共陰極。對(duì)于前者而言，其內(nèi)部的所有發(fā)光二極管的連接方式為陽極共同接到同一公共陽極上(COM)，在使用這一類的數(shù)碼管時(shí)，需要將COM與+5V相連，從而當(dāng)某部分二極管陰極為低電平時(shí)，則會(huì)顯示這部分的內(nèi)容，相反當(dāng)該部分為高電平時(shí)，將不會(huì)顯示。對(duì)于后者（共陰數(shù)碼管）而言，其內(nèi)部的所有發(fā)光二極管的連接方式為陰極共同接到同一公共陰極上(COM)，在使用這一類數(shù)碼管時(shí)，需要將COM與地線GND相連，從而當(dāng)某部分二極管陽極為高電平時(shí)，則會(huì)顯示這部分的內(nèi)容，相反當(dāng)該部分為低電平時(shí)，將不會(huì)顯示。該數(shù)碼管的價(jià)錢較低，使用方便，因此在家用電器的使用上尤其常見。在本次設(shè)計(jì)過程中，需要顯示時(shí)間信息，因此使用共陽極數(shù)碼管，同時(shí)對(duì)于該數(shù)碼管的開斷操作選擇三極管來控制。圖3-5數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路3.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)初衷是希望能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高效控制，所以需要將單片機(jī)發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，以此來對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、角度進(jìn)行控制，這一過程中使用的提供脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路為ULN2003。在使用該電路時(shí)，首先需要用到的接口器件為NPN達(dá)林頓連接晶體管，該器件的適用范圍較廣，如具有低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大電流高電壓的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載上，同時(shí)在計(jì)算機(jī)、工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中使用也較為廣泛。對(duì)于這類的所有器件中均存在著集電極開路輸出，同時(shí)還存在著續(xù)流箝位二極管，該二極管的主要作用為瞬變抑制。該器件的兼容性也不錯(cuò)，可以兼容標(biāo)準(zhǔn)的TTL系列。下圖5-2為該器件的各引腳及內(nèi)部電路圖3-6ULN2003管腳連接圖

4.控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖對(duì)于電機(jī)的整個(gè)控制系統(tǒng)而言，由以下幾個(gè)部分，分別為電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速，下圖4-1即為整個(gè)控制系統(tǒng)的主程序流程圖。開始開始初始化調(diào)按鍵、顯示子程序調(diào)按鍵子程序調(diào)用正反轉(zhuǎn)子程序調(diào)用加減速子程序停止圖4-1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖4.2讀按鍵子程序流程圖在確定按鍵操作時(shí)，使用的主要方法為掃描法，當(dāng)掃描到一個(gè)數(shù)值時(shí)，將其與初始值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩者為同一值時(shí)，則表示未按鍵，反之將進(jìn)行軟件消抖操作，方便后續(xù)進(jìn)行按鍵與否的判斷。延時(shí)10ms后再進(jìn)行第二次掃描操作，并將該掃描值與初值對(duì)比，當(dāng)兩者不等時(shí)，表示之前對(duì)比的不等結(jié)果主要誘因?yàn)槎秳?dòng)；當(dāng)兩者相等時(shí)，表示確實(shí)存在按鍵操作。從而將執(zhí)行鍵盤輸出的指令，改變相應(yīng)的變量，以便后續(xù)進(jìn)行按鍵處理子程序的操作。具體流程如圖4-2所示啟動(dòng)啟動(dòng)否是否有鍵按下處理鍵盤子程序是圖4-2掃描鍵盤字程序流程圖4.3按鍵處理子程序流程圖下圖4-3為按鍵處理子程序的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程圖。其主要流程如下：使用定時(shí)器T0來控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止，因?yàn)槎〞r(shí)器T0對(duì)輸出脈沖信號(hào)起到控制作用，當(dāng)將其關(guān)閉時(shí)，意味著脈沖信號(hào)也將無法輸出。初始化變量初始化變量開始P1.0是否按下P3.0是否按下P1.1是否按下P3.1是否按下退出TR0取反，通過啟停T0啟停步進(jìn)電機(jī)取反方向控制為，改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向修改速度參數(shù)值，減速修改速度參數(shù)值，加速是是是是圖4-3鍵盤處理子程序流程圖4.4電機(jī)控制中斷程序流程圖下圖4-4為定時(shí)器中只0辦事程序的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程圖。其主要流程如下：對(duì)于該程序的實(shí)現(xiàn)過程中的中斷時(shí)間取決于電機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)開始中斷操作時(shí)，第一點(diǎn)應(yīng)該保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后以此時(shí)的數(shù)值來確定TH0和TL0。接著確定控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的控制位的數(shù)值，最后使現(xiàn)場(chǎng)回復(fù)到之前狀態(tài)，返回，再等待開始下一次中斷操作。開始開始設(shè)置T0時(shí)間參數(shù)判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制位的值有控制位查詢輸出脈沖退出改變方向控制變量值是圖3.4定時(shí)器中斷0服務(wù)程序流程圖

5.系統(tǒng)調(diào)試與改進(jìn)5.1調(diào)試與改進(jìn)在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，也出現(xiàn)了不少的問題，具體有以下幾點(diǎn)：1.明確電機(jī)的操作方法以及控制模式。這一點(diǎn)非常關(guān)鍵，因?yàn)樗钦麄€(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)軟件的整個(gè)設(shè)計(jì)思路起到基礎(chǔ)作用。2.在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行通電時(shí)，需要關(guān)注其所使用的電源，以下為主要的關(guān)注點(diǎn)：應(yīng)該在其兩端各添加1個(gè)電容，分別為電解電容和小電容，對(duì)應(yīng)的容量分別為47uF以上和0.1uF，以此來實(shí)現(xiàn)電源的濾波。3.在使用不同檔位的運(yùn)行模式時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不明顯，因此應(yīng)該針對(duì)改變檔位時(shí)設(shè)置差異明顯的二維數(shù)組值。以上是硬件測(cè)試的問題，同樣的軟件測(cè)試也不例外存在著很多的問題，其中主要包括：1.軟件去抖方式以及時(shí)間控制。2.最初始做好了電機(jī)的控制程序，但調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)使用該程序所控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍很小，通過對(duì)大量相關(guān)資料的研究與分析，發(fā)現(xiàn)了初始的設(shè)計(jì)思路存在問題，剛開始采用的設(shè)計(jì)思路是為了使用主程序來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，再以延時(shí)的方式調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，最后使用定時(shí)器來控制鍵盤的操作；這一設(shè)計(jì)思路對(duì)于該問題的處理并不合適，因此對(duì)該思路進(jìn)行了改進(jìn)，使用主程序來控制著鍵盤操作，而電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由定時(shí)器來控制，而其定時(shí)的時(shí)間決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過這一改進(jìn)之后，發(fā)現(xiàn)上述問題得到了改善與解決，使得最終的電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制范圍大大增加的同時(shí)對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制的精度也更高。5.2運(yùn)行結(jié)果初始情況下，電機(jī)并沒有正常轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)時(shí)考慮可能的問題為虛焊，因此為了防止這一問題，先使用萬用表將整個(gè)電路都做了檢查，發(fā)現(xiàn)并沒有虛焊的情況，同時(shí)控制程序也運(yùn)行良好。因此又詳細(xì)的對(duì)電機(jī)運(yùn)行原理進(jìn)行了分析，了解了電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)必須首先了解其四個(gè)相序。當(dāng)接通電源以后，使用高電平與電機(jī)引線碰觸，當(dāng)每次碰觸之后電機(jī)即正向或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)一下，進(jìn)行多次類似的碰觸試驗(yàn)后，明確了電機(jī)的四個(gè)相序，其依次為1—A，2—C，3—B，4—D。從而，依據(jù)這一正確的相序，重新去布置電路板，并且焊接好，之后電機(jī)就可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為確保步進(jìn)電機(jī)不丟步，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)，是保證粉末包裝機(jī)充填量精確的必要條件，對(duì)步進(jìn)電機(jī)來講，在下料運(yùn)行一個(gè)周期過程當(dāng)中可分為三個(gè)階段，即起動(dòng)加快階段、恒速運(yùn)行階段、減速終止階段。起動(dòng)加速階段：步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顩r逐步加速到運(yùn)行速度，不一樣的步進(jìn)電機(jī)在不同負(fù)載下都有其不同的起動(dòng)頻率，只有低于這個(gè)起動(dòng)頻率情況下，步進(jìn)電機(jī)最先起動(dòng)才能保證步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)不丟步。從起動(dòng)頻率上升到運(yùn)行頻率是個(gè)加速歷程。頻率上升過快即加速時(shí)候太短，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)有可能丟步，要保證步進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)加速階段不丟步，應(yīng)選擇較低的起動(dòng)頻率和較慢的頻率上升曲線（加速曲線）。而太低的起動(dòng)頻率和過慢的上升速度，將使起動(dòng)加速階段的時(shí)間太長(zhǎng)，從而影響整機(jī)的包裝速率。所以，依據(jù)差別物理特征粉末的充填選擇符合的起動(dòng)頻率和頻率上升速率至關(guān)重要。恒速運(yùn)行階段：此階段步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器輸出的恒定頻率驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，按恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。差別型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)有不同的空載最高運(yùn)行頻率。在不同負(fù)載下，步進(jìn)電機(jī)又有其不丟步的最高運(yùn)行頻率。太高的運(yùn)行頻率將會(huì)有可能使運(yùn)行丟步，而過低的運(yùn)行頻率將延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，從而影響包裝速率，所以精確選擇恒速運(yùn)行階段的運(yùn)行頻率同樣是至關(guān)重要的。減速終止階段：此階段步進(jìn)電機(jī)從運(yùn)行速率減速至停轉(zhuǎn)靜止，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)擁有必定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，故步進(jìn)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下不可能瞬時(shí)立刻終止，而有一個(gè)逐漸減速直至終止的進(jìn)程，而這個(gè)進(jìn)程除與步進(jìn)電機(jī)和螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有慣性有關(guān)以外，還與所受阻力即粉末的流動(dòng)性有關(guān)。在減速終止過程中，又有頻率下落速度和停止頻率兩個(gè)概念，對(duì)于差別的物料，要保證在減速終止階段不丟步，就應(yīng)選擇盡量慢的頻率下落速度和盡量低的停止頻率，但過慢的下降頻率和過低的終止頻率將耽誤減速階段時(shí)間，從而影響包裝速率。所以，在減速終止階段，合理選擇下落速率和停止頻率也是至關(guān)重要的。

總結(jié)在我的不懈努力