畢業(yè)設(shè)計----基于at89c51單片機的步進電機控制系統(tǒng)

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）</p><p>　　題 目：基于AT89C51單片機的步進</p><p><b>　　電機控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號：</b><

2、;/p><p>　　專 業(yè)：自動化</p><p>　　班 級：自動化06-3班</p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　基于AT89C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><

3、p>　　步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動，制動，正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。具有步距角精度高，停止時能自鎖等特點，因此步進電機在自動控制系統(tǒng)中，特別是在開環(huán)的控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本文以單片機和環(huán)形脈沖分配器為核心設(shè)計的步進電機控制系統(tǒng)，通過軟硬件的設(shè)計調(diào)試，實現(xiàn)步進電機能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進行自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時間到達控制終點，而又不發(fā)

4、生失步的現(xiàn)象；同時它能準確地控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，啟動和停止。硬件是以AT89C51單片機為核心的控制電路，主要包括：環(huán)形脈沖分配器、鍵盤顯示電路、步進電機的驅(qū)動電路等。軟件部分采用C語言編程，主要包括鍵盤顯示程序、步進電機的調(diào)速程序、停止判斷程序等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進電機控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機</p><p><b>　　目錄</b></p&g

5、t;<p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　第一章 引言1</b></p><p>　　1.1 課題提出的背景和研究意義1</p><p>　　1.2 課題的主要研究內(nèi)容2</p><p>　　1.3 本章小結(jié)2</p><p>

6、;　　第二章 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計3</p><p>　　2.1 步進電機的原理3</p><p>　　2.1.1 三相單三拍通電方式3</p><p>　　2.1.2 三相雙三拍通電方式5</p><p>　　2.1.3 三相六拍通電方式6</p><p>　　2.2 環(huán)形脈沖分配器8</p>

7、<p>　　2.3 續(xù)流電路12</p><p>　　2.3.1 二極管續(xù)流13</p><p>　　2.3.2 二極管—電阻續(xù)流14</p><p>　　2.4 步進電機驅(qū)動電路15</p><p>　　2.5 步進電機的變速控制17</p><p>　　2.5.1 變速控制的方法19<

8、;/p><p>　　2.6 步進電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用20</p><p>　　2.7 本章小結(jié)22</p><p>　　第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計23</p><p>　　3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計原則23</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)組成23</p><p>　　3.3 主要元件的選

9、擇24</p><p>　　3.3.1 單片機的選擇24</p><p>　　3.3.2 EPROM的選擇25</p><p>　　3.3.3 可逆計數(shù)器的選擇27</p><p>　　3.4 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計27</p><p>　　3.4.1 環(huán)形脈沖分配器設(shè)計27</p><

10、p>　　3.4.2 顯示電路設(shè)計29</p><p>　　3.4.3 外部復(fù)位電路設(shè)計30</p><p>　　3.5 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計31</p><p>　　3.6 本章小結(jié)31</p><p>　　第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計32</p><p>　　4.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計原則32</p&g

11、t;<p>　　4.2 步進電機控制系統(tǒng)功能設(shè)計32</p><p>　　4.3 主程序設(shè)計33</p><p>　　4.3.1 主程序工作過程33</p><p>　　4.3.2 主程序工作流程圖34</p><p>　　4.3.3 定時器T0中斷程序流程圖34</p><p>　　4.4 P

12、roteus仿真37</p><p>　　4.5 顯示程序設(shè)計39</p><p>　　4.6 鍵盤程序設(shè)計39</p><p>　　4.7 調(diào)速程序設(shè)計41</p><p>　　4.7.1 20BY步進電機參數(shù)41</p><p>　　4.7.2 步進電機轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系41</p><

13、;p>　　4.8 本章小結(jié)42</p><p>　　第五章 結(jié)束語43</p><p><b>　　參考文獻44</b></p><p><b>　　附錄46</b></p><p>　　附錄A 系統(tǒng)程序（C）46</p><p>　　附錄B 20BY步進電機

14、轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系表59</p><p>　　附錄C 控制系統(tǒng)電路圖62</p><p><b>　　致謝63</b></p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　1.1 課題提出的背景和研究意義</p><p>　　由于步進電機不需要位

15、置傳感器或速度傳感器就可以實現(xiàn)定位，即使在開環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿意的，這有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因此步進電機在計算機外圍設(shè)備、數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　對于一個步進電機控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時間到達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外，一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。當步進電機

16、帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負載的能力越差。當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動時有一個加速的過程。從高速運行到停止也應(yīng)該有一個減速的過程，防止步進電機因為系統(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象。為此本文以單片機作為控制核心，實現(xiàn)步進電機的自動加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時間

17、到達控制終點，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因為步進電機的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速，實質(zhì)上是調(diào)節(jié)單片機輸出的脈沖頻率【1】。</p><p>　　由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，并且步進電機能直接接收數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。步進電機工作時，失步或者過沖都會直接影響其控制精度。研究步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精

18、度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。</p><p>　　1.2 課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　1、步進電機的工作原理</p><p>　　通過查閱文獻對步進電機的單拍運行、雙拍運行、單雙拍運行等各種運行方式進行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進電機控制性能的影響。</p><p>　　2、環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計&l

19、t;/p><p>　　研究環(huán)形脈沖分配器的作用和構(gòu)成，并設(shè)計出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器電路。</p><p>　　3、步進電機的續(xù)流電路</p><p>　　根據(jù)步進電機的控制特點，分析續(xù)流電路對步進電機控制性能的影響，并設(shè)計步進電機的續(xù)流電路。</p><p>　　4、步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計</p><p>　　

20、根據(jù)步進電機的原理和控制特點，對步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件進行分析和設(shè)計。</p><p>　　5、程序的調(diào)試及修改</p><p>　　用Keil軟件進行編程和調(diào)試，并且在Proteus環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真。</p><p><b>　　1.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了課題研究的背景，提出設(shè)計的

21、思路。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究內(nèi)容。</p><p>　　第二章 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　2.1 步進電機的原理</p><p>　　反應(yīng)式步進電機的工作原理是與反應(yīng)式同步電機一樣，也是利用轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動，如圖2.1 所示是一臺反應(yīng)式步進電機的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六

22、個磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對的兩個磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有兩個齒，齒寬等于定子的極靴寬【2】。</p><p>　　2.1.1 三相單三拍通電方式</p><p>　　這是步進電機的一種最簡單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進電機，具有三相定子繞組；“單”指每次只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個循環(huán)，第四次換接重復(fù)第一次

23、情況。</p><p>　　當A相繞組通電如圖2.1 (a) 所示，而B相和C相不通電時，A相的兩個磁極被勵磁，一個呈N極另一個呈S極，由于磁場對轉(zhuǎn)子鐵心的電磁吸力，使轉(zhuǎn)子軸線對準A相磁極的軸線。這種現(xiàn)象也可以這樣來理解，A相通電時，轉(zhuǎn)子對定子的相對位置不同，則磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻為最少的轉(zhuǎn)子位置，就是該時的穩(wěn)定平衡位置，即轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子軸線和A相磁極軸線相重合的位置。同樣道理，當A相斷開，接通B相

24、時，如圖2.1 (b) 所示，B相磁極對轉(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過60°，達到轉(zhuǎn)子軸線和B相磁極軸線相重合的位置，即轉(zhuǎn)子走過一步，然后B相電源斷開，同時接通C相如圖2.1 (c) 所示，同理將使轉(zhuǎn)子按順時針方向再走一步。如此按A-B-C-A的順序使三相繞組輪流通電，則轉(zhuǎn)子依順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動。如果改變?nèi)嗬@組的通電順序為A-C-B-A顯然步進電機將按逆時針方向轉(zhuǎn)動。上述三相三拍運行，表示三種通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即三次

25、通電狀態(tài)改變后，又恢復(fù)到起始狀態(tài)，一拍對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，通常用θs表示，圖2.1中轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的步距角為60°。</p><p>　　（a）A相通電 （b）B相通電 （c）C相通電 </p><p>　　圖2.1 三相反應(yīng)式步進電機原理</p><p>　　如果將上圖的反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子制成四極

26、（或稱為四個齒）結(jié)構(gòu)，如圖2.2所示，則按三相單三拍運行時，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。當A相通電時如圖2.2 (a)所示，轉(zhuǎn)子齒1、3對準A相磁極軸線重合，當B相通電時如圖2.2 (b)所示，轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)過30°，穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒2、4對準B相磁極軸線的位置，當C相通電時如圖2.2 (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時針方向轉(zhuǎn)動30°，轉(zhuǎn)子齒1、3對準C相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為30°即每步轉(zhuǎn)

27、過的步距角為30°。</p><p>　　(a) A相通電 (b) B相通電 (c) C相通電</p><p>　　圖2.2 轉(zhuǎn)子為四極的三相步進電機</p><p>　　2.1.2 三相雙三拍通電方式</p><p>　　如果將步進電機的控制繞組的通電方式改為：AB-BC

28、-CA-AB或AC-CB-BC-CA。這種通電方式每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一循環(huán)，如圖2.3所示，轉(zhuǎn)子為四極的反應(yīng)式步進電機。圖2.3 (a) 為AB相同時通電的情況，圖2.3 (b) 為BC相通電的情況，可見轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度為30°與單三拍運行方式相同，但其中有一點不同，即在雙三拍運行時，每拍使步進電機從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)時，總有一相繞組保持通電。例如由AB相通電變?yōu)锽C相通電時，B相保持繼續(xù)通電狀態(tài)，C相磁極

29、力圖使轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動，而B相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步進電機工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運行時，由于沒有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達新的平衡位置后會產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠不如雙三拍運行方式。</p><p>　　(a) AB相通電 (b) BC相通電</p><p>　　圖2.3 三相雙三拍運行方式

30、</p><p>　　2.1.3 三相六拍通電方式</p><p>　　這是一種將一相通電和兩相通電結(jié)合起來的運行方式，其具體通電方式為：A-AB-B-BC-C-CA-A或A–AC-CB-B-BA-A，即一相通電和兩相通電間隔輪流進行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個循環(huán)，這時步進電機的工作情況如圖2.4 所示，圖2.4(a)為A相通電時的情況，轉(zhuǎn)子齒1、3磁軸與A相磁極軸線重合，當通電狀態(tài)由

31、A轉(zhuǎn)為AB時，步進電機的狀態(tài)如圖2.4(b) 所示，轉(zhuǎn)子齒1、3磁極離開A相磁極軸線，即轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過15°。通電方式由AB轉(zhuǎn)為B時，步進電機的狀態(tài)如圖2.4(c) 所示，轉(zhuǎn)子齒2、4磁極軸線和B相磁極軸線相重合，或轉(zhuǎn)子齒1、3磁極軸線離開A相磁極軸線30°角，即轉(zhuǎn)子又逆時針方向運行了一步，相應(yīng)的角度為15°如此類推，可見步進電機每走一步，將轉(zhuǎn)過15°，恰好為三相單拍或雙三拍通電方式的一半。<

32、;/p><p>　　六拍運行方式與雙三拍相同，由一個通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩(wěn)。</p><p>　　(a) A相通電 (b) AB相通電</p><p>　　(c) B相通電

33、 (d) BC相通電</p><p>　　圖2.4 三相六拍通電方式</p><p>　　通過分析可知一臺步進電機可以有不同的通電方式，即可以有不同的拍數(shù)。拍數(shù)不同時，其對應(yīng)的步距角大小也不同，拍數(shù)多則步距角小。通電相數(shù)不同也會帶來不同的工作性能。此外，也可以看到同一種通電方式，對于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不同的步進電機，也會有不同的步距角。步距角θs可由式(1-1)求得【3】</p>

34、<p>　　θs=360°/mKZR (1-1)</p><p>　　式中 m — 控制繞組相數(shù)；</p><p>　　ZR — 轉(zhuǎn)子齒數(shù)；</p><p>　　K —與通電方式有關(guān)的狀態(tài)系數(shù)，當通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為雙拍時，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時，K=2。</p><p>　

35、　2.2 環(huán)形脈沖分配器</p><p>　　要使步進電機正常工作，必須按照該種步進電機的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和次序依次對各相繞組進行通電和斷電控制。環(huán)形分配器的主要功能是把單片機發(fā)出的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給步進電機的驅(qū)動電路，控制繞組的導(dǎo)通和截止。同時步進電機有正反轉(zhuǎn)的要求，所以環(huán)形脈沖分配器的輸出既有周期性又有可逆性?？梢哉f環(huán)形脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器， 但它輸出的不是一般的編碼，而是步

36、進電機勵磁狀態(tài)所要求的特殊編碼【4】。</p><p>　　在步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)中，控制器與驅(qū)動器之間連接方式可分為串行控制和并行控制。串行控制時，控制器輸出脈沖信號和方向電平，環(huán)形脈沖分配器把它轉(zhuǎn)換成并行的驅(qū)動信號，再控制繞組的導(dǎo)通和截止?？刂泼}沖信號的有無就能控制步進電機運行和停止，脈沖信號的頻率決定步進電機的運行速度，方向電平控制步進電機的運轉(zhuǎn)方向。并行控制時，控制器直接輸出各相繞組的導(dǎo)通和截止信號，此時環(huán)

37、形脈沖分配器在控制器中，由軟件來代替環(huán)形脈沖分配器的功能，不管是串行控制還是并行控制必須有環(huán)形脈沖分配器這個環(huán)節(jié)。</p><p>　　步進電機按類型、相數(shù)來劃分種類繁多，不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式都必須有不同的環(huán)形脈沖分配器，因此所需要的環(huán)形脈沖分配器的類型是很多的。如果全部用硬件來搭成，結(jié)構(gòu)是相當復(fù)雜的，不能滿足步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的需要，為此提出一種用EPROM搭建的環(huán)形分配器，以滿足不同的要求。<

38、/p><p>　　EPROM存儲器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲器，存儲器的內(nèi)容可以由使用者自己編程，且可以用紫外線照射后重新使用。用EPROM可以搭建成各種環(huán)形脈沖分配器。其基本思想是：首先確定步進電機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進制碼的形式存入EPROM存儲器中，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，那么存儲器輸出的就是各相繞組的勵磁狀態(tài)，用EPROM搭建的環(huán)形脈沖分配器的原理框圖如圖2.5 所示，它由兩部

39、分組成。前面是一個可逆的循環(huán)計數(shù)器，計數(shù)脈沖的有無控制步進電機的運行與停止，計數(shù)器加減控制端控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，如果低電平時計數(shù)器加計數(shù)，步進電機正轉(zhuǎn)，如果高電平時計數(shù)器減計數(shù)，步進電機反轉(zhuǎn)。計數(shù)器的計數(shù)長度應(yīng)等于步進電機運行一個周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整數(shù)倍，計數(shù)器的輸出端接到EPROM的地址線上，并且使EPROM總是處于讀出的狀態(tài)，這樣計數(shù)器的每個計數(shù)狀態(tài)都對應(yīng)存儲器的一個地址，存儲器的輸出端就對應(yīng)步進電機的一種勵磁狀態(tài)。簡單的說存儲器

40、存入的是一個環(huán)形脈沖分配器的狀態(tài)輸出表，計數(shù)器每輸入一個脈沖，計數(shù)器計一個數(shù)，這個數(shù)值就會選通存儲器的一個地址，存儲器就輸出一個數(shù)據(jù)，即步進電機的一個勵磁狀態(tài)</p><p>　　圖2.5 含有EPROM 環(huán)形脈沖分配器</p><p>　　用EPROM設(shè)計環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點：</p><p>　　1、線路簡單。由可逆循環(huán)計數(shù)器和存儲器兩部分組成，計數(shù)器

41、可以用現(xiàn)有的器件實現(xiàn)，計數(shù)長度可以用簡單的外圍電路實現(xiàn)。對EPROM存儲器的主要工作是編程，存儲狀態(tài)表，所以工作量小。</p><p>　　2、一種線路可以實現(xiàn)多種勵磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作之外，硬件無需改動。</p><p>　　3、可排除非法狀態(tài)。驅(qū)動電路輸入非法狀態(tài)可能會損壞驅(qū)動電路。存儲器中存儲的內(nèi)容，除了在選通的地址存儲所需的狀態(tài)表之外，

42、其他沒用的地址都存儲各相截止的信號。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號，可以保護驅(qū)動器不受損壞。</p><p>　　由于勵磁狀態(tài)是按運行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲器輸出的狀態(tài)也必須按拍數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這就要求計數(shù)器是可逆計數(shù)器，同時計數(shù)長度是運行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。實際上，使用RPROM設(shè)計的環(huán)形脈沖器是一種軟硬件結(jié)合的技術(shù)，通過軟件的編程可以實現(xiàn)不同勵磁方式的輸出。</p><p&g

43、t;　　由上可見，這種方法適用于控制任意類型的步進電機。對于不同的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用CPU時間較多，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。</p><p>　　圖2.6 環(huán)形脈沖分配器電路

44、</p><p>　　由EPROM與可逆計數(shù)器構(gòu)成的環(huán)形脈沖分配器如圖2.6所示，計數(shù)器選用74LS191，74LS191是四位二進制進制可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從CP端輸入，計數(shù)器的輸出QA~QD直接接到EPROM的低四位地址線A0~A3，這樣可以選通2716的十六個地址（00H~0FH）。</p><p>　　74LS191第五腳為加減法輸入控制端，該輸入端作為方向輸入的控制信號，當?shù)碗娖?/p>

45、時做加法計數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。當為高電平時做減法計數(shù)，為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。74LS191數(shù)據(jù)輸入端A、B、C、D各管腳接地，11腳是置數(shù)端，當它為高電平時74LS191為計數(shù)狀態(tài)，當它為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)，把數(shù)據(jù)端的內(nèi)容（ABCD）裝入計數(shù)器。</p><p>　　2716的管腳OE和CE分別為輸出允許和片選端，使它接地讓它一直處于選通狀態(tài)。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍

46、與雙四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。因此本文選擇步進電機八拍的工作方式。EPROM 的存儲內(nèi)容如表2.1所示。</p><p>　　表2.1四相步進電機八拍工作方式存儲狀態(tài)表</p><p><b>　　2.3 續(xù)流電路</b></p><p>　　步進

47、電機的控制性能，與各相繞組導(dǎo)通和截止時電流的增加和衰減速度有關(guān)，對于加速度大、或者運行速度高的步進電機，當轉(zhuǎn)換速度增加時，由于繞組電感的作用，電流經(jīng)常不能立即升到額定值，同樣在繞組斷電時，電流也不能立即衰減到零。當步進電機下一相導(dǎo)通時，斷電相繞組中的衰減電流對步進電機起制動作用。</p><p>　　如圖2.7所示為一相勵磁時的等效電路。L為繞組電感，R為串聯(lián)回路的總電阻，E為反電動勢。當步進電機為鎖定狀態(tài)時，忽

48、略T管的壓降，則繞組的電流為U/R。如果T斷電，繞組中磁場能量將極力保持原有電流的方向。晶體管上的管壓降將隨Ldi/dt正比的增加，這個峰值電壓的大小可能會超過一個晶體管的最大耐壓U，造成晶體管損壞。常用的步進電機可以很容易產(chǎn)生數(shù)值比步進電機外加電壓大的峰值電感電動勢。這個電感電動勢必須控制在晶體管安全運行區(qū)域內(nèi)。所以驅(qū)動電路除了對步進電機繞組提供導(dǎo)通回路外，還必須提供一個繞組斷電時的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時又要

49、抑制電感電勢，保護晶體管不受感應(yīng)電動勢峰值的沖擊。</p><p>　　圖2.7 一相勵磁電路</p><p>　　2.3.1 二極管續(xù)流</p><p>　　抑制電勢的最簡單的形式是用二極管跨接步進電機繞組的兩端，如圖2.8所示。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止狀態(tài)。當繞組斷電時，繞組電勢極性反向，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，為電流提供一個續(xù)流回路，二極管把功放管

50、的集射極電壓鉗位到電源電壓+U。</p><p>　　當一相繞組斷電時，存儲在繞組中的能量必須消耗在電路的電阻R中，該電阻包括繞組電阻，串聯(lián)電阻和二極管正向?qū)娮?，衰減時間常數(shù)為L/R。在低速時，斷電相電流衰減緩慢是允許的，但高速時，就會影響步進電機的控制性能。</p><p>　　圖2.8 二極管泄放電路 圖2.9 負載曲線</p&

51、gt;<p>　　2.3.2 二極管—電阻續(xù)流</p><p>　　要求高速或變速運行時，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個與二極管串聯(lián)的電阻Rs，以減少泄放回路的時間常數(shù)，此時斷電回路的時間常數(shù)為L/(R+Rs)。Rs的最大值取決于集—射極間的擊穿電壓Ucer。當步進電機截止時，若通過二極管的初始電流為額定電流In，即</p><p><b>　　In

52、=U/R</b></p><p>　　則晶體管集—射極間的壓降為</p><p>　　Uce=U+RsIn=U（1+Rs/R）</p><p>　　這樣為使Uce<Ucer</p><p>　　則Rs<R(Ucer/U－1)</p><p>　　圖2.10 二極管—電阻續(xù)流回路

53、 圖2.11 負載曲線</p><p>　　由以上分析可知續(xù)流電路的特點如下：</p><p>　　(1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機繞組自身的電阻。</p><p>　　(2) 續(xù)流串聯(lián)電阻的大小因需要保護功放管的安全而受到限制。</p><p>　　(3) 衰減時間常數(shù)大，在步進電機高速運行時產(chǎn)生

54、阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。</p><p>　　2.4 步進電機驅(qū)動電路</p><p>　　步進電機不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備—步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進電機的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。步進電機的驅(qū)動電路應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時又要保證驅(qū)動級功率器件的安全運行，另外還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗和較低的成本。

55、</p><p>　　驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達林頓管、可控硅以及各種功率模塊。對于小功率的步進電機，可用中小功率晶體管進行驅(qū)動，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點，用于驅(qū)動小功率的步進電機（繞組電流在數(shù)百毫安）。對于功率較大的步進電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動。</p><p>　　步進電機驅(qū)動電路與一般

56、電氣設(shè)備驅(qū)動的不同點主要有：</p><p>　　(1) 各相繞組都是工作在開關(guān)狀態(tài)，多數(shù)電動機的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進電機的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是離散的。</p><p>　　(2) 電動機的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機繞組電流的大小。</p><p>　　(

57、3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。</p><p>　　(4) 電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，這些電動勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，

58、電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。</p><p>　　(5) 電動機繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉(zhuǎn)電動勢。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當其疊加結(jié)果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅(qū)動級的工作條件更為惡化。</p><p>　　由于步進電機需要的驅(qū)動電流比較大，所以單片機與步進電機的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動電路。接口電路

59、可以是鎖存器，也可以是可編程的接口芯片，如8255、8155等。驅(qū)動器可以用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進入單片機而燒毀器件，因而在驅(qū)動器與單片機之間增加一級光耦隔離器。其接口電路原理圖如圖2.12所示。</p><p>　　圖2.12 驅(qū)動電路</p><p>　　電路工作原理：當A輸出為1時，發(fā)光二極管不

60、發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電。反之當A為0時經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達林頓管截止，A相繞組不通電，控制B、C、D相亦然?？傊灰匆欢ǖ捻樞蚋淖傾、B、C、D通電的順序，就可控制步進電機按一定的方向步進【5】。</p><p>　　2.5 步進電機的變速控制</p><p>　　對于大多數(shù)的任務(wù)而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到達控制終

61、點。因此要求步進電機的速度盡可能快一些，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。所謂的最高空載啟動頻率是指步進電機空載時，轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)不失步地進入同步狀態(tài)（即步進電機每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制頻率相對應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又

62、遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為0.1~1s之間。系統(tǒng)運行起來之后，如果到達終點時立即停止，可能會因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏差，所以從高速運行到停止也應(yīng)該有減速的措施【6】。</p><p>　　為此，提出一種變速控制的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應(yīng)頻率fs的速度運行；

63、然后開始慢慢加速，加速到一定頻率fe后就以此速率恒速運行。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率fs的速率下運行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運行。這樣步進電機便可以以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程，上述的變速控制過程如圖2.13所示。</p><p>　　圖2.13 點—位控制的加減速過程</p>

64、;<p>　　對于一個非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。對于中等或比較長的運行距離，步進電機加速后應(yīng)該有一個恒速的過程。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高。</p><p>　　加速時的起始速度應(yīng)該等于或略小于系統(tǒng)的極

65、限起動頻率，而不是從零開始。減速過程結(jié)束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步低速運行后停止。</p><p>　　升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。但實際上步進電機升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉(zhuǎn)矩會有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進電機輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)

66、律【7】。</p><p>　　由于步進電機的速度正比于脈沖頻率，控制步進電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機對步進電機進行加減速控制，即控制CP脈沖的時間間隔。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。本系統(tǒng)采用定時器中斷來控制步進電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。</p>&l

67、t;p>　　步進電機的加減速控制技術(shù)是步進電機控制中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響步進電機運行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。采用步進電機的加減速控制可以有效地克服步進電機啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度【8】。 <

68、;/p><p>　　2.5.1 變速控制的方法</p><p>　　1、改變控制方式的變速控制</p><p>　　最簡單的變速控制可以利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在0.1秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以達到減速的目的。</p><p>　　2

69、、均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制</p><p>　　步進電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。</p><p>　　這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。</

70、p><p>　　3、采用定時器的變速控制</p><p>　　在單片機控制系統(tǒng)中，可以采用單片機內(nèi)部的定時器來提供CP脈沖。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向CPU申請一次中斷，CPU響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個脈沖。此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加減速的目的【9】。</p><p>　　這種方法的優(yōu)點是減少占用CPU的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理

71、能力。為了提高單片機的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進行調(diào)速。</p><p>　　2.6 步進電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用</p><p>　　由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響比較小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，并且步進電機能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。此外，步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器可以在開環(huán)狀態(tài)下定位或同步運行，有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因

72、而在軟盤驅(qū)動器、掃描儀、打印機、數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得了到廣泛的應(yīng)用【10】。</p><p>　　自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖2.14所示，它由搬運站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構(gòu)成，每一個工作站都可自成一個獨立的系統(tǒng)。搬運站的功能是向各個工作單元輸送工件，每完成一道工序就把工件送給下一個工作站，等加工站完成后再將工件送到裝配站和分揀站整個自動生產(chǎn)線的加工過程就完成。搬運站的整體運動采用步進電機驅(qū)動，具有

73、定位精確和快速的特點。該步進電機驅(qū)動系統(tǒng)具有行程長、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。因此步進電機的運動控制在自動生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，需要步進電機的速度盡可能的快，但為了防止步進電機在啟動過程中發(fā)生失步，需要按一定的規(guī)律對步進電機的速度進行控制，也就是對步進電機的脈沖頻率進行控制。當停車時，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進電機立即停止，可能會由于系

74、統(tǒng)慣性的原因，轉(zhuǎn)子會沖過終點，結(jié)果使停車不準確，因此停車也必須有一個降頻的過程。整個加減速的控制，如本文所述的步進電機加減速控制。</p><p>　　圖2.14自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　步進電機傳動組件由齒輪傳動，每轉(zhuǎn)一圈搬運站移動55mm，如果步距角為θ，每轉(zhuǎn)一圈需要走的步數(shù)N=360°/θ，那每一步走過的距離為L=55/N。由此可以算出每個站點之間的需要走的

75、步數(shù)，即需要總的脈沖個數(shù)。例如一個步距角為1.8°的步進電機，從供料站到加工站的距離為470mm，需要總的脈沖個數(shù)為1709個【11】。各站點之間的距離如表2.2所示。</p><p><b>　　表2.2各站點距離</b></p><p>　　選用的步進電機的步距角越小，定位精度就越高。步進電機需要走的步數(shù)可以根據(jù)不同距離預(yù)先計算好，然后在單片機程序里設(shè)定

76、好，也可以通過上位機進行控制。</p><p><b>　　2.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先分析了步進電機的原理，并總結(jié)步進電機控制系統(tǒng)的特點；其次根據(jù)步進電機的控制特點，設(shè)計步進電機的驅(qū)動電路和環(huán)形脈沖分配器；為了使控制系統(tǒng)快以最短時間到達控制終點，并根據(jù)步進電機的矩頻特性設(shè)計步進電機的變速控制的方法。最后根據(jù)步進電機的優(yōu)點，介紹步進電機在自動

77、生產(chǎn)線中的應(yīng)用。</p><p>　　第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計原則</p><p>　　系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè)計應(yīng)遵循下列原則【12】：</p><p>　?。?）盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。</p><p>　?。?）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件

78、方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件的長，而且占用CPU時間。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。</p><p>　?。?）整個系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存貯器的存取時間有限，應(yīng)選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機構(gòu)成低功耗系

79、統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。</p><p>　?。?）可靠性及抗干擾性設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。</p><p>　?。?）單片機外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負載。</p><p>　　（6）系統(tǒng)的擴展及

80、各功能模塊的設(shè)計在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當留有余地，以備將來修改、擴展的需要。</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)組成</p><p>　　控制系統(tǒng)硬件電路主要由鍵盤顯示電路、工作狀態(tài)顯示電路、環(huán)形脈沖分配器、步進電機驅(qū)動電路、51單片機、電源及復(fù)位六部分組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)硬件框圖</p>

81、<p>　　3.3 主要元件的選擇</p><p>　　3.3.1 單片機的選擇</p><p>　　隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。在MCS-51系列單片機系列內(nèi)核8051/80C51的基礎(chǔ)上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL公司的AT89C51系列單片機是當今具有較高

82、性能的單片微型計算機系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電機控制系統(tǒng)等。</p><p><b>　　其主要特點有：</b></p><p>　?。?） CPU內(nèi)核完全和MCS-51系列兼容，具有MCS-51系列單片機的一切功能。</p><p>　　（2） 內(nèi)

83、部集成了4K字節(jié)的在線可編程FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。</p><p>　?。?） 可在0～24MHz的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實時處理控制系統(tǒng)中。</p><p>　?。?） 內(nèi)部具有256個字節(jié)的RAM和3個16位定時器，可以存放系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)和滿足定時或計數(shù)功能擴展的需要。</p><p>

84、;　?。?） 具有6個中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計的中斷系統(tǒng)擴展需要。</p><p>　　因此，AT89C51系列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了AT89C51單片機作為中央控制單元。</p><p>　　3.3.2 EPROM的選擇</p><p&g

85、t;　　只讀存儲器(ROM)的特點是：其內(nèi)容是預(yù)先寫入的且一旦寫入，使用時就只能讀出不能改變，掉電時也不會丟失，ROM器件還具有結(jié)構(gòu)簡單、信息度高，價格低，非易失性和可靠性高等特點。</p><p>　　EPROM是以浮柵型MOS管作存儲單元，它里面存儲的內(nèi)容可以通過紫外線光的照射而被擦除，而且又可再用電流脈沖對其重新編程寫入程序或數(shù)據(jù)，而且還可多次進行擦除和重寫，故稱為可擦除可編程ROM，因而EPROM得到了廣

86、泛的應(yīng)用。</p><p>　　Intel 2716是2K×8的EPROM存儲器。2716的管腳排列如圖3.2所示。它有讀方式、未選中方式、編程方式、程序檢驗方式、編程禁止方式5種工作方式如表3.1所示【13】。</p><p>　　圖3.2 2716 管腳排列</p><p>　　2716管腳定義如下：</p><p>　　A0—

87、A10：地址線，11位(對應(yīng)2K存儲單元)地址信號輸入引腳；</p><p>　　O7—O0：8位雙向數(shù)據(jù)線，編程時作數(shù)據(jù)輸入線，讀出時作數(shù)據(jù)輸出線；</p><p>　　：片選允許輸入端，低電平有效；</p><p>　　：數(shù)據(jù)輸出允許控制信號引腳，低電平有效；</p><p>　　Vpp：+25V電源，用于專用裝置上進行寫操作；</

88、p><p>　　表3.1 2716工作方式</p><p>　　3.3.3 可逆計數(shù)器的選擇</p><p>　　由于環(huán)形脈沖分配器不但需要接收脈沖信號CP，還需要接收方向電平，因此所選的計數(shù)器需要是一個可逆的計數(shù)器。計數(shù)器選用74LS191，這是一種單時鐘4位二進制可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從CP端輸入，加/減脈沖由同一端輸入，加/減控制線的高低電平控制加減計數(shù)。74LS1

89、91是單時鐘方式的可逆計數(shù)器，計數(shù)器的輸出QA～QD接EPROM的低四位地址線，這樣可以選通EPROM的十六個地址（00H～0FH），將步進電機的勵磁狀態(tài)從EPROM中輸出，控制繞組的導(dǎo)通和截止。74LS191的工作方式選擇如表3.2所示。</p><p>　　用74LS164的clk端作為環(huán)形脈沖分配器的CP脈沖信號輸入端，加減計數(shù)控制端作為正反轉(zhuǎn)控制信號輸入端。</p><p>　　表

90、3.2 74LS191功能表</p><p>　　3.4 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計</p><p>　　3.4.1 環(huán)形脈沖分配器設(shè)計</p><p>　　環(huán)形脈沖分配器是用來接收單片機的CP脈沖，并根據(jù)步進電機的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序輸出各相繞組的導(dǎo)通或截止信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形脈沖分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。因此，步進電機轉(zhuǎn)速的高或低、加速或減速、啟動或停止都

91、完全取決于CP脈沖的有無和頻率。同時，環(huán)形脈沖分配器還必須接收控制器發(fā)出的方向電平信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序轉(zhuǎn)換還是反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進電機正反轉(zhuǎn)。接收來自控制器的CP脈沖和方向電平是環(huán)形脈沖分配器的最基本功能。</p><p>　　環(huán)形脈沖分配器由EPROM和可逆計數(shù)器構(gòu)成，將步進電機的勵磁狀態(tài)以二進制的形式存入EPOROM，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址內(nèi)容，EPROM的輸出就是步

92、進電機的勵磁狀態(tài)?？赡嬗嫈?shù)器的輸出作為EPROM的地址輸入端，計數(shù)器的一個計數(shù)狀態(tài)就對應(yīng)步進電機的一個勵磁狀態(tài)，控制計數(shù)脈沖CP就可以控制步進電機的運行，加減計數(shù)控制端可以控制步進電機正反轉(zhuǎn)。環(huán)形脈沖分配器電路如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 環(huán)形脈沖分配器電路</p><p>　　這種方法適用于控制任意類型的步進電機。對于不同類型的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀

93、態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用CPU時間較多，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本文采用硬件設(shè)計環(huán)形脈沖分配器。</p><p>　　3.4.2 顯示電路設(shè)計</p><p>　　單片機與顯

94、示電路的接法一般有如下兩種方法：</p><p>　?。?）串行接法：設(shè)計中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動，其中74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 </p><p>　?。?）并行接法：使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用I/O口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 </p><p>　　由于設(shè)計中用一塊單片機進行控制，資源

95、有限，故使用串行接法，另外，74LS164的鎖存作用也起到節(jié)約資源的作用。 </p><p>　　數(shù)碼管顯示電路是通過串行口方式0擴展單片機的輸出口，在“串入并出”芯片74LS164的配合下，單片機RXD引腳接74LS164串行數(shù)據(jù)輸入端，TXD引腳接74LS164移位脈沖輸入端CLK，電路如圖3.4所示【14】。</p><p>　　圖3.4 數(shù)碼管顯示電路</p><

96、;p>　　3.4.3 外部復(fù)位電路設(shè)計</p><p>　　MCS-51系列單片機采用高電平復(fù)位方式，為保證CPU內(nèi)部各單元電路可靠復(fù)位，RST引腳的復(fù)位脈沖高電平維持時間必須大于2個機器周期（即24個振蕩周期）。單片機外部的復(fù)位電路如圖3.5所示，該電路具有手動復(fù)位和上電復(fù)位的功能。</p><p>　　3.5 外部復(fù)位電路</p><p>　　上電復(fù)位：接

97、通電源的瞬間，電容C上的電壓很小，RST引腳為高電平。在電容充電過程中，RST引腳的電位逐漸下降，當RST引腳的電位小于某一特定值后，CPU就會脫離復(fù)位狀態(tài)，只要電容C的容量足夠大，就能保證RST引腳高電平時間大于24個振蕩周期，使CPU可靠復(fù)位。二極管VD的作用在于：掉電后給電容C提供放電回路，保證再次上電時RST引腳為高電平，使CPU可靠復(fù)位。當VCC=0時，VCC端與地等電位，電容C通過VD迅速放電。放電回路為C正極、電源Vcc端

98、（與地等電位）、二極管VD正極、二極管VD負極、C負極，保證再次上電時，RST引腳為高電平，CPU可靠復(fù)位。</p><p>　　手動復(fù)位：當按下手動復(fù)位按鈕時，電容C通過R2放電，當電容C放電結(jié)束后，RST引腳電位由R2、R1分壓比決定，由于R2<<R1，因此RST引腳為高電平，CPU進入復(fù)位狀態(tài)。松開復(fù)位按鍵后，電容C充電，RST引腳電位下降，使CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。</p><

99、p>　　3.5 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計</p><p>　　將各接口電路有機結(jié)合起來形成一個完整的電路，電路圖如附錄C所示。它是以單片機為核心的控制電路，可以實現(xiàn)步進電機根據(jù)設(shè)定的步數(shù)進行自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進電

100、機需要運行的步數(shù)，并通過LED指示步進電機的工作運行狀態(tài)。</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計原則和控制系統(tǒng)總體設(shè)計，其次對主要元器件進行了選擇和介紹。最后對控制系統(tǒng)各部分的電路進行了分析和設(shè)計，并把各模塊有機組合起來形成一個較完整的電路，如附錄C所示。</p><p>　　第四

101、章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　4.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計原則</p><p>　　系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計的，應(yīng)可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，應(yīng)用軟件各不相同，但是一個優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點【15】：</p><p>　　（1）軟件結(jié)構(gòu)清楚、簡潔、流程合理。</p><p>　?。?）各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊

102、化，子程序化。便于調(diào)試、連接、移植、修改。</p><p>　?。?）程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)格合理，既能節(jié)約內(nèi)存容量，又操作方便。</p><p>　　（4）運行狀態(tài)實現(xiàn)標志化管理。各個功能程序運行狀態(tài)、運行結(jié)果以及運行要求都設(shè)置狀態(tài)標志以便查詢，程序的轉(zhuǎn)移、運行、控制都可通過狀態(tài)標志條件來控制。</p><p>　?。?）經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應(yīng)進行規(guī)范化，除去修

103、改“痕跡”。規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為今后的軟件模塊化，標準化打下基礎(chǔ)。</p><p>　?。?）實現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計。軟件抗干擾是計算機應(yīng)用系統(tǒng)提高可行性的有力措施。</p><p>　　本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，在此本文主要介紹軟件的各個模塊功能與軟件流程。本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括主程序，定時器T0啟動程序，調(diào)速程序，鍵盤顯示程序，停止判斷程序。</p><

104、;p>　　4.2 步進電機控制系統(tǒng)功能設(shè)計</p><p>　　軟件主要功能是單片機根據(jù)設(shè)定的步數(shù)，實現(xiàn)步進電機的自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所設(shè)定的步數(shù)，并通過數(shù)碼管和LED顯示步進電機的運行參數(shù)。其具體功能如下：</p><p>　　按正轉(zhuǎn)按鍵時，步進電機正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時，步進電機反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時，步進電機步進電機停止運行；通過鍵盤可輸入所需要運行的步數(shù)，輸入的

105、步數(shù)的范圍為0—9999步，當輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動按鍵步進電機開始運行，同時數(shù)碼管顯示所需要運行的步數(shù)并通過LED顯示步進電機的運行狀態(tài)。單片機根據(jù)所輸入的步數(shù)判斷是否需要進行加速啟動，當輸入的步數(shù)小于100時，步進電機以最低速度25 r/min運行。當輸入的步數(shù)大于100時，步進電機從最低速度25 r/min開始加速運行，當加速到99 r/min時步數(shù)仍大于100時，步進電機以設(shè)定的最大速度99 r/min恒速運行，當步數(shù)小于100

106、時，步進電機開始減速，減速到25 r/min時，步進電機以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速25 r/min走完所規(guī)定的步數(shù)。當步數(shù)為0時，步進電機停止運行。輸入步數(shù)大于100時的調(diào)速過程如圖4.1 所示。</p><p>　　圖4.1 變速控制中轉(zhuǎn)速與步長之間的關(guān)系</p><p><b>　　4.3 主程序設(shè)計</b></p><p>　　4.3.1 主程序工

107、作過程</p><p>　?。?）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化包括定時器T0初始化，步進電機工作狀態(tài)的初始化。步進電機的初始化狀態(tài)為停止、正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示步數(shù)為0。</p><p>　?。?）鍵盤掃描及按鍵處理。判斷是否有按鍵按下，若有則進行按鍵處理。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動按鍵，停止按鍵，正轉(zhuǎn)按鍵，反轉(zhuǎn)按鍵、復(fù)位按鍵等功能按鍵。</p><p>　　（3）系統(tǒng)啟動。單

108、片機讀取開關(guān)狀態(tài)標志，判斷是否啟動系統(tǒng)。</p><p>　　（4）定時器T0啟動。T0的中斷服務(wù)程序主要用于根據(jù)步數(shù)，產(chǎn)生一個頻率可以改變的脈沖信號，調(diào)節(jié)步進電機的加減速過程。</p><p>　?。?）調(diào)速。根據(jù)輸入的步數(shù)判斷是否需要進行調(diào)速，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)。</p><p>　?。?）步數(shù)為0判斷。判斷是否已經(jīng)走完所設(shè)定的步數(shù)，若步數(shù)為

109、0，則單片機停止產(chǎn)生脈沖信號，讓步進電機停止轉(zhuǎn)動，即T0停止計數(shù)。</p><p>　　4.3.2 主程序工作流程圖</p><p>　　主程序工作流程圖如圖4.2所示。在圖中簡單的反映出了整個控制系統(tǒng)的主程序工作流程。</p><p>　　4.3.3 定時器T0中斷程序流程圖</p><p>　　T0中斷流程圖如圖4.3所示。T0中斷程序的