小功率步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

I-目錄第一章概述 11.1課題背景 11.2單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展簡(jiǎn)介 11.3主要研究工作 2第二章步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動(dòng) 42.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理 42.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 62.2.1步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 62.2.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn) 82.2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的直流供電電源的確定 122.3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成 12第三章單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法 143.1步進(jìn)電機(jī)控制方法 143.1.1串行方式 143.1.2并行方式 143.2PIC單片機(jī)介紹 143.2.1PIC單片機(jī)介紹 143.2.2PIC系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 153.3步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 16第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 204.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 204.2模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 204.3LED顯示接口電路 214.4鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì) 224.5石英多諧振蕩器電路設(shè)計(jì) 244.6光電編碼器原理及分類(lèi) 25第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 285.1軟件結(jié)構(gòu) 285.2子程序模塊 295.2.1串行靜態(tài)顯示模塊 295.2.2鍵盤(pán)掃描模塊 305.2.3中斷模塊 31結(jié)論 36參考文獻(xiàn) 37致謝 38附錄1 39附錄2 43第一章概述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)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(步進(jìn)角)。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。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低，定位精度高，無(wú)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，以廣泛應(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)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)，但這種改變使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已起了質(zhì)的變化，不再是本來(lái)意義上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而成為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)，或交流伺服電機(jī)(ACSERVO）。1.2單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展簡(jiǎn)介單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer)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位微處理器以來(lái)，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(guò)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。1.3主要研究工作硬件設(shè)計(jì)方面：通過(guò)單片機(jī)實(shí)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)速和脈沖頻率的關(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(wèn)題。畫(huà)出電路原理圖。軟件設(shè)計(jì)方面：通過(guò)匯編語(yǔ)言編寫(xiě)核心模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。最終編寫(xiě)出一個(gè)完整步進(jìn)電機(jī)控制程序，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(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率實(shí)現(xiàn)的，因此設(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(guò)單片機(jī)I/O口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，這樣就避免采用復(fù)雜脈沖分配芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。程序設(shè)計(jì)按照掌握計(jì)算機(jī)相序控制方法，采用適合三相單四拍、雙四拍和單、雙八拍的循環(huán)移位法，并且在現(xiàn)實(shí)操作中解決堵轉(zhuǎn)和啟動(dòng)失步等問(wèn)題。第二章步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動(dòng)2.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱HB）。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。2.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(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。為防止電機(jī)過(guò)流及改善驅(qū)動(dòng)特性需加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時(shí)，限流電阻要消耗掉大量的功率。因此，限流電阻要有較大功率容量，并且開(kāi)關(guān)管也要有較高的負(fù)載能力。步進(jìn)電機(jī)的另一種驅(qū)動(dòng)方式是高低壓驅(qū)動(dòng)，即在電機(jī)移步時(shí)加額定或超過(guò)額定值的電壓，在較大電流驅(qū)動(dòng)下，使電機(jī)快速移步。而在鎖步時(shí)則加低于額定值的電壓，只讓電機(jī)繞組渡過(guò)鎖步所需的電流值。這樣既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機(jī)運(yùn)行速度，但這種驅(qū)動(dòng)方式的電路相對(duì)要復(fù)雜一些。驅(qū)動(dòng)脈沖的分配可以使用硬件方法，即使用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，芯片化，市場(chǎng)上可以買(mǎi)到。但硬件方法不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本也較高。步進(jìn)電機(jī)控制也可以使用軟件方法，即使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣不但簡(jiǎn)化了電路，而且也降低了成本。使用單片機(jī)以軟件方法，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過(guò)編程方法在一定范圍內(nèi)自由地設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等，而且還方便靈活控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電動(dòng)機(jī)自身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。信號(hào)放大級(jí)信號(hào)放大級(jí)推動(dòng)級(jí)環(huán)形分配級(jí)驅(qū)動(dòng)級(jí)保護(hù)級(jí)圖2-1驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要構(gòu)成如圖2-1所示，一般由環(huán)形分配器、信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)等部分組成，用于功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還要有多種保護(hù)線路。環(huán)形分配器用來(lái)接受來(lái)自控制器的CP脈沖，并按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。每來(lái)一個(gè)CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無(wú)或頻率。同時(shí)，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號(hào)，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者按反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。接受CP脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最基本功能。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)送入信號(hào)放大與處理級(jí)。信號(hào)放大的作用是將環(huán)形分配輸出信號(hào)加以放大，變成足夠大的信號(hào)送入推動(dòng)級(jí)，這中間一般既需電壓放大，也需電流放大。信號(hào)處理級(jí)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的某些轉(zhuǎn)換、合成、產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號(hào)，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。本級(jí)還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動(dòng)輸出。推動(dòng)級(jí)的作用是將較小的信號(hào)加以放大，變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入的較大信號(hào)。有時(shí)，推動(dòng)級(jí)還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。保護(hù)級(jí)的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的安全。一般可根據(jù)需要設(shè)置過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。有時(shí)還需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常也提供保護(hù)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)級(jí)直接與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組連接，它接受來(lái)自推動(dòng)級(jí)的信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通與截止，同時(shí)也對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制。2.3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖2-5所示。步進(jìn)控制器步進(jìn)控制器功率放大器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載脈沖方向控制圖2-5步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成圖步進(jìn)控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門(mén)等。其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和正反向控制。功率放大器的作用是將步進(jìn)控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在這種控制中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，限制了它的應(yīng)用。隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。這不僅簡(jiǎn)化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。如圖2-6為微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。微型計(jì)算機(jī)接口微型計(jì)算機(jī)接口驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載圖2-6微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)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(guò)程中獲得過(guò)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。第三章單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法3.1步進(jìn)電機(jī)控制方法3.1.1串行方式將PIC單片機(jī)與串行接口芯片8251組成串行控制系統(tǒng)，與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源相連，通過(guò)將控制信號(hào)送入電源中的環(huán)形分配器，再經(jīng)功率放大器放大，就可控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，如圖3-1所示。PICPIC8251TXDRXD環(huán)形分配器功率放大器步進(jìn)電機(jī)圖3-1串行控制方式示意3.1.2并行方式用PIC單片機(jī)和P1的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)直接控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方式，稱為并行控制。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)包括環(huán)形分配器，但其功能由單片機(jī)系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配有2種方法，一是純軟件方法，即完全用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止信號(hào)，主要有寄存器移位法和緩沖區(qū)查表法；二是軟硬件相結(jié)合的方法，單片機(jī)向可編程接口芯片8255輸出控制信號(hào)數(shù)據(jù)，在由可編程接口芯片輸出步進(jìn)電機(jī)的各相導(dǎo)通或截止的控制信號(hào)。3.2PIC單片機(jī)介紹PIC系列單片機(jī)是由美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的單片機(jī)產(chǎn)品，目前在世界8位單片機(jī)沖銷(xiāo)量第一。PIC系列單片機(jī)具有良好的抗干擾性能、簡(jiǎn)潔的指令集，所需硬件配置較少，因此，在電腦的外設(shè)、家電控制、電信通信、智能儀器、汽車(chē)電子及金融電子等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PIC單片機(jī)（PeripheralInterfaceController）是一種控制外圍設(shè)備的集成電路（IC），是把CPU、ROM和I/O等集成在一塊芯片上的特殊微型計(jì)算機(jī)。PIC系列單片機(jī)是一種具有分散（多任務(wù)）功能的、面對(duì)控制應(yīng)用的一種微處理器。它采用精簡(jiǎn)指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、二級(jí)流水線指令方式。除了具有一般單片機(jī)所具有的實(shí)用、低價(jià)、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具有品種多、指令集小、簡(jiǎn)單易學(xué)、較強(qiáng)的抗干擾能力、徹底的保密性、自帶看門(mén)狗定時(shí)器等特點(diǎn)，體現(xiàn)了單片機(jī)發(fā)展的一種新趨勢(shì)。3.3步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開(kāi)環(huán)控制，不需要反饋信號(hào)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖3-2圖3-2單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)假定以PIC單片機(jī)的PB口線接步進(jìn)電機(jī)的繞組，輸出控制電流脈沖，其中PB0接A，PB1接B，PB2接C。（1）雙相三拍控制雙相三拍控制模型如表3-1所示表3-1步序PB口輸出狀態(tài)繞組控制字100000011AB03H200000110BC06H300000101CA05H（2）三相六拍控制程序在雙相三拍程序中，PB口輸出的控制字是在程序中給定的。而在三相六拍的控制中，由于控制字較多，故可以把這些控制字以表的形式預(yù)先存放在內(nèi)部RAM單元中，運(yùn)行程序時(shí)以查表的方式逐個(gè)取出并輸出。第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(lái)實(shí)現(xiàn)，另外有些任務(wù)必須由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)即可以由軟件來(lái)完成，也可由硬件來(lái)完成。一般來(lái)說(shuō)，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)。圖4-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1示。本系統(tǒng)由鍵盤(pán)接口電路、數(shù)碼管顯示接口電路、多諧振蕩電路和發(fā)光二極管模擬的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。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(lái)構(gòu)成系統(tǒng)。4.2模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)是由單片機(jī)PC口輸出的脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，用4個(gè)發(fā)光二極管LED亮滅的快慢來(lái)模擬電機(jī)速度，用LED亮滅的順序來(lái)模擬電機(jī)的相序和拍數(shù)。本系統(tǒng)選擇的發(fā)光二極管為紅色、圓形，開(kāi)啟電壓在1.6～1.8V之間，正向電流越大，發(fā)光越強(qiáng)。輸出通道的設(shè)計(jì)內(nèi)容是確定通道結(jié)構(gòu)和元件裝置，合理選擇驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)的輸出通道也就是控制步進(jìn)電機(jī)的通道，由于PIC單片機(jī)的PC口可以作為輸出使用，所以將其作為輸出通道的控制斷口，采用三相四拍的模擬步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制需要PC口中的三位。四相、五相需要PC口的四、五位。本來(lái)單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口需由專用的控制裝置實(shí)現(xiàn)，這里單片機(jī)與模擬步進(jìn)電機(jī)的發(fā)光二極管通過(guò)直接連接的方法實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配由單片機(jī)通過(guò)軟件控制構(gòu)成環(huán)形分配器。第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序、中斷服務(wù)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)初始化程序模塊、處理程序模塊、人機(jī)接口程序模塊等。系統(tǒng)主程序必須具有系統(tǒng)自檢和初始化功能。主程序主要完成初始化、產(chǎn)生脈沖、鍵盤(pán)檢測(cè)、數(shù)值顯示等功能。開(kāi)機(jī)后首先執(zhí)行初始化程序，系統(tǒng)初始化程序模塊的功能主要是完成對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)資源的初始分配。主要包括各變量的初始化，時(shí)鐘振蕩器的設(shè)置、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器初始化、I/O端口的初始化以及標(biāo)志位的初始化。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)。采用了串行顯示程序模塊、鍵盤(pán)掃描程序模塊、中斷程序模塊、計(jì)數(shù)模塊。子程序的調(diào)用通過(guò)ACALL和LACLL指令調(diào)用。子程序調(diào)用既參數(shù)傳遞中，主程序先把有關(guān)參數(shù)存入約定位置，子程序執(zhí)行時(shí)，可以從約定位置取得參數(shù)，子程序執(zhí)行完后，將得到的結(jié)構(gòu)存入約定的位置，返回主程序后，主程序可以從約定得到需要的結(jié)果。主程序編程流程圖如圖5-1所示。開(kāi)始開(kāi)始初始化輸出脈沖LED顯示判斷按鍵讀取鍵值設(shè)定是否合理改變參數(shù)NNYY圖5-1主程序流程圖5.2子程序模塊5.2.1串行靜態(tài)顯示模塊串行靜態(tài)顯示模塊硬件采用5個(gè)8位輸出口控制74LS164移位寄存器來(lái)控制發(fā)光二極管的恒定導(dǎo)通和截止。寄存器保存CPU掃描到的高電平，顯示器顯示出高電平的位，其余為暗，這樣就會(huì)顯示出各種字符。串行靜態(tài)顯示模塊的子程序流程圖如下圖5-2。圖5-2靜態(tài)顯示流程圖5.2.2鍵盤(pán)掃描模塊系統(tǒng)鍵盤(pán)掃描采用行掃描法。8個(gè)功能鍵可看成一個(gè)1行8列的矩陣式鍵盤(pán)。因行線接地線，各行線均為低電平。當(dāng)列線輸出是高電平時(shí)，有鍵按下列線變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)讀到的鍵值就是按下的鍵。帶移位寄存器的鍵盤(pán)掃描程序流程圖如圖5-3所示。5-3鍵盤(pán)掃描程序流程圖5.2.3中斷模塊單片機(jī)的中斷系統(tǒng)由與中斷有關(guān)的特殊功能寄存器、中斷入口、順序查詢邏輯電路組成。中斷源有5個(gè)，分別為INTO、定時(shí)器T0、INT1、定時(shí)器T1、串行口。本系統(tǒng)中斷模塊采用外部INT1中斷源，它由P3.3引腳輸入，低電平/負(fù)跳變有效，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2采樣并建立IE1標(biāo)志。外部中斷1的地址入口為0013H。外部INT1中斷服務(wù)如下：INTSEV:5.2.4計(jì)數(shù)模塊單片機(jī)都具有定時(shí)/計(jì)數(shù)器，是一個(gè)增量溢出計(jì)數(shù)器，對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)使用的?？蛇x擇用脈沖的上升沿或者下降沿來(lái)觸發(fā)，進(jìn)行加1計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器有兩種工作方式：同步計(jì)數(shù)和異步計(jì)數(shù)