裝配圖步進(jìn)電機(jī)指數(shù)規(guī)律升降速的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝配圖步進(jìn)電機(jī)指數(shù)規(guī)律升降速的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),裝配,步進(jìn),電機(jī),機(jī)電,指數(shù),規(guī)律,升降,單片機(jī),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）說 明 書 題 目 步進(jìn)電機(jī)指數(shù)規(guī)律升降速的 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 唐 忠 川 系 別 機(jī) 電 工 程 系 專 業(yè) 班 級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化機(jī)電03.1班 學(xué) 號(hào) 030110119 指 導(dǎo) 老 師 孫 祥 國(guó) 四 川 理 工 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 設(shè)計(jì)（論文）題目： 步進(jìn)電機(jī)指數(shù)規(guī)律升降速的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系： 機(jī)電工程系 專業(yè)： 機(jī)電一體化 班級(jí)：2003級(jí)1班 學(xué)號(hào)： 030110119 學(xué)生： 唐 忠 川 指導(dǎo)教師： 孫 祥 國(guó) 接受任務(wù)時(shí)間 2007.03.05 教研室主任 （簽名）　　系主任 （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行三相六拍的控制，通過軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)指數(shù)規(guī)律升降速。 (1) 系統(tǒng)總體方案擬定； (2) 數(shù)學(xué)模型建立，求控制算法； (3) 硬件設(shè)計(jì)； (4) 軟件設(shè)計(jì)； 編寫設(shè)計(jì)說明書，完成系統(tǒng)控制硬件圖1張 A 2； 2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明 (1) 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 (2) 《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》 (3) 《單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)》 (4) 《電子電工技術(shù)》 (5) 《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》 (6) 《機(jī)床電氣控制》 3．進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱資料，進(jìn)行總體方案擬定，完成開題報(bào)告 07.03.05-07.03.20 2 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，求控制算法 07.03.20-07.04.15 3 進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì) 07.04.15-07.05.20 4 編寫設(shè)計(jì)說明書 07.05.22-07.06.05 5 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 07.06.06-07.06.24 注：本表在學(xué)生接受任務(wù)時(shí)下達(dá) 摘 要 摘 要 摘 要 從步進(jìn)電機(jī)的矩-頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶動(dòng)負(fù)載的能力越差。當(dāng)啟動(dòng)頻率較高時(shí)，啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成失步，而停止時(shí)由于慣性作用又會(huì)發(fā)生過沖，所以在步進(jìn)電機(jī)控制中必須要采取升降速控制措施。本文根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程和矩-頻特性曲線建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用指數(shù)規(guī)律的升降速算法，以單片機(jī)為核心對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由C51 語(yǔ)言編程來實(shí)現(xiàn)。并設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和步數(shù)的檢測(cè)。最后，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：在顯示器的提示下，由鍵盤輸入運(yùn)行的步數(shù)和穩(wěn)定運(yùn)行的速度；由各個(gè)功能鍵控制系統(tǒng)的運(yùn)行，按啟動(dòng)鍵后，步進(jìn)電機(jī)按照輸入的步數(shù)進(jìn)行走步；如在運(yùn)行期間按停止鍵，則步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行。研究表明，采用指數(shù)規(guī)律的升降速曲線將大大地提高微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率，大大縮短所需的升降速時(shí)間。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī),單片機(jī),速度控制,C51 語(yǔ)言 V ABSTRACT According to torque vs. speed characteristic of stepping motor, the higher startup speed is, the smaller startup torque is and then the worse the capability of driving load is. When the startup speed is higher, stepping motor will lose steps. While stopping, it will also lose steps because of inertia. So, it needs to take speed control measures on control of stepping motor. Mathematic model of the system is educed by dynamics equation and torque vs. speed characteristic of stepping motor. It adopts speed control arithmetic of exponential rule and deals with process of acceleration and deceleration via discrete method. Single-chip microcomputer that is the core of system controls stepping motor. The system is programmed by C51 language. The test system is designed to test the rotate speed and steps of stepping motor. Finally, according to the direction of LED display, running steps and speed are input by keyboard. The system’s run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given steps if the “start” key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop” key is pressed during its running. The research shows: the method of acceleration and deceleration via exponential rule will greatly improve the highest running frequency of stepping motor and shorten the acceleration and deceleration time. Keywords: stepping motor; single-chip microcomputer; speed control; C51 language 目 錄 目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 第一章 緒 論 1 第二章 系統(tǒng)工作原理和總體方案擬定 3 2.1控制方案論證與比較 3 2.1.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 3 2.1.2步進(jìn)電機(jī)的串行和并行控制 3 2.2步進(jìn)電機(jī)工作原理和動(dòng)態(tài)特性分析 4 2.2.1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 4 2.2.2 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性 6 2.3步進(jìn)電機(jī)升降速控制討論 7 2.3.1步進(jìn)電機(jī)的失步 7 2.3.2步進(jìn)電機(jī)升降速曲線的分析 8 第三章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 9 3.1 步進(jìn)電機(jī)升速的控制算法 9 3.2 步進(jìn)電機(jī)升速過程的離散處理 11 3.3 步進(jìn)電機(jī)降速過程的離散處理 12 3.4 步進(jìn)電機(jī)升速過程運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算 12 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 14 4.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 14 4.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 15 4.2.1 微處理器及存儲(chǔ)器的配置 15 4.2.2 鍵盤與顯示接口電路的設(shè)計(jì) 16 4.2.3 定時(shí)和報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 20 4.2.4步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配 21 4.2.5 擴(kuò)展存儲(chǔ)器及擴(kuò)展芯片地址的確定 24 4.3 硬件系統(tǒng)的合成及其原理圖 25 第五章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 26 5.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 5.2 系統(tǒng)的程序流程 28 5.3 程序設(shè)計(jì)問題分析 38 5.3.1 程序的初始化及變量的定義 38 5.3.2 存儲(chǔ)類型與存儲(chǔ)模式的定義 39 5.3.3 編譯預(yù)處理的定義 40 5.3.4 數(shù)組查表功能 40 5.3.5 中斷服務(wù)函數(shù)的定義 41 5.3.6 有關(guān)定時(shí)器精確定時(shí)的實(shí)現(xiàn) 42 5.3.7 主函數(shù)及鍵盤與顯示功能的實(shí)現(xiàn) 43 第六章 轉(zhuǎn)速和步數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 45 6.1 光電編碼器的工作原理 45 6.2 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 45 6.3 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 47 6.3.1 檢測(cè)系統(tǒng)的流程圖 48 6.3.1 檢測(cè)系統(tǒng)程序 48 第七章 結(jié) 論 49 參考文獻(xiàn) 50 致 謝 51 附錄A：步進(jìn)電機(jī)升速過程運(yùn)行參數(shù)計(jì)算程序 52 附錄B：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)程序 55 附錄C：步進(jìn)電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)程序 63 符號(hào)說明 符號(hào)說明 阻尼系數(shù) 通電狀態(tài)系數(shù) 脈沖頻率 Hz 勻速運(yùn)行時(shí)的頻率 Hz 負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的最高運(yùn)行頻率 Hz 負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的最高啟動(dòng)頻率 Hz 空載下的最高啟動(dòng)頻率 Hz 每檔的頻率 Hz 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 脈沖數(shù) 每檔脈沖數(shù) 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min 轉(zhuǎn)盤的窄縫數(shù) 轉(zhuǎn)矩 N·m 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N·m 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N·m 最大轉(zhuǎn)矩 N·m 時(shí)間 s 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 轉(zhuǎn)子的位置角 ° 步距角 ° 時(shí)間常數(shù) s 角速度 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒 論 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的機(jī)械角位移的機(jī)電執(zhí)行元件。它具有工作狀態(tài)不易受影響；控制性能好，在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”； 沒有積累誤差等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較好的位置精度，如各類數(shù)控機(jī)床、光學(xué)測(cè)量?jī)x器、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器等。隨著單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各機(jī)械智能儀器和裝備中，步進(jìn)電機(jī)也成為主要的電氣執(zhí)行元件之一。 在數(shù)控點(diǎn)-位控制系統(tǒng)中，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行頻率(速度)小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可以按要求的頻率(速度)直接起動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下其速度可認(rèn)為是恒定的。但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高。從步進(jìn)電機(jī)的矩-頻特性可知，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶動(dòng)負(fù)載的能力越差，當(dāng)啟動(dòng)頻率較高并已超過極限起動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生丟步或根本不能起動(dòng)的情況，停止時(shí)又會(huì)發(fā)生過沖。所以，步進(jìn)電機(jī)的升降速是精確控制步數(shù)和速度的關(guān)鍵問題，如果升降過程脈沖頻率變化不合理，會(huì)造成升降時(shí)間延長(zhǎng)，電機(jī)失步，力矩達(dá)不到要求等嚴(yán)重后果。 以前一般的升降速規(guī)律設(shè)計(jì)，常選用直線規(guī)律升降速，這種控制方法簡(jiǎn)單，但是由于它的脈沖變化有個(gè)恒定的加速度，所以它不能保證在升降速的過程中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應(yīng)，不能很好的發(fā)揮電機(jī)的加速性能。因此有必要對(duì)脈沖頻率進(jìn)行合理性的研究和論證，尋求一種較理想的指數(shù)升降速曲線，使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行的過程中能夠快速定位，并且運(yùn)行步數(shù)準(zhǔn)確。理想的升降速曲線是指數(shù)規(guī)律曲線，本文就是由步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程和矩-頻特性曲線推導(dǎo)出的指數(shù)規(guī)律的升降速控制算法，這樣能夠使得頻率增高時(shí)，保證輸出最大的力矩，能充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的工作性能，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。 在完成升降速曲線的參數(shù)計(jì)算得出升降速控制算法后，將要完成以下工作以具體實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)升降速的并行控制。 1.本系統(tǒng)用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)升降速過程的控制，首先對(duì)升速過程進(jìn)行離散處理，在程序運(yùn)行前將升速過程的離散值固化在程序存儲(chǔ)器中，降速過程則采用運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算定時(shí)器的裝載值。程序運(yùn)行時(shí)采用查表的方法將離散值裝入定時(shí)器來控制步進(jìn)電機(jī)的換相周期，使得步進(jìn)電機(jī)按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行走步。 2.以單片機(jī)為核心并選用必要的外圍設(shè)備構(gòu)成單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)中進(jìn)行單片機(jī)和存儲(chǔ)器的配置、鍵盤與顯示電路的設(shè)計(jì)、定時(shí)和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)器地址映像工作，生成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件原理圖。 3.由于C51語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生緊湊代碼。本系統(tǒng)軟件用C51語(yǔ)言編寫，將大大的加快軟件的開發(fā)速度，明顯的增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，可以很容易地進(jìn)行單片機(jī)的程序移植工作，有利于產(chǎn)品中的單片機(jī)的重新選型。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能劃分程序模塊，按照各個(gè)模塊繪制程序流程圖，進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，并對(duì)其中一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體的論述。 4.為了檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和步數(shù)，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和步數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。論述檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。 67 第二章 系統(tǒng)工作原理和總體方案擬定 2.1控制方案論證與比較 2.1.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 步進(jìn)電機(jī)的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計(jì)者的要求完成一定的控制過程，是功率放大電路按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。舊式的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器、步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖2.1所示。步進(jìn)控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯，其作用主要是將輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和正反轉(zhuǎn)的控制。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)。這種控制方案由于是用各種邏輯電路來實(shí)現(xiàn)控制過程，線路復(fù)雜、控制方案改變困難、成本高。 圖2.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 隨著單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展和普及，為設(shè)計(jì)功能很強(qiáng)而價(jià)格低廉的步進(jìn)電機(jī)控制器提供了條件。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，而且操作方便，提高了可靠性。圖2.2為單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖2.2單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.1.2步進(jìn)電機(jī)的串行和并行控制 使用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制有串行和并行兩種方式。 串行控制：具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間，具有較少的連線將信號(hào)送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖如圖2.3所示。 圖2.3串行控制示意圖 并行控制：用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)個(gè)端口直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其并行控制功能必須由微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。這種控制方案示意圖見圖2.4所示。 圖2.4并行控制示意圖 本系統(tǒng)考慮到使用8255擴(kuò)展并行接口，主要用軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)分功能，控制電機(jī)為三相，故選用并行控制方案。 2.2步進(jìn)電機(jī)工作原理和動(dòng)態(tài)特性分析 圖2.5 步進(jìn)電機(jī)外觀 2.2.1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 圖2.5為步進(jìn)電機(jī)外形圖。電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，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、1/3L、2/3L,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以L表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3L，C與齒3向右錯(cuò)開2/3L，A’與齒5相對(duì)齊，（A’就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 圖2.6 定轉(zhuǎn)子展開圖 旋轉(zhuǎn)時(shí)，如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)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(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3L，此時(shí)齒3與C偏移為1/3L，齒4與A偏移（L-1/3L）=2/3L。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3L，此時(shí)齒4與A偏移為1/3L對(duì)齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3L。這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）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）1/3L,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(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3L改變?yōu)?/6L。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3L變?yōu)?/12L，1/24L，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依。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(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多，本設(shè)計(jì)選用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。? 步進(jìn)電機(jī)步距角的大小是由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、控制繞組的相數(shù)和通電方式?jīng)Q定，它們之間存在以下關(guān)系： (2-1) 式中，為步距角：C為通電狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)采用單相或雙相通電方式時(shí)，C=1； 而采用單、雙相輪流通電方式時(shí)，C=2；m為步進(jìn)電機(jī)定子的相數(shù)；Zr為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 控制繞組通電狀態(tài)的改變，是由外加輸入脈沖驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)外電路送入一個(gè)脈沖，控制繞組的通電狀態(tài)即改變一次，與此對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的步距角數(shù)等于外加脈沖數(shù)，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： (2-2) 式中為步進(jìn)電機(jī)通電的脈沖頻率，單位為Hz；n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min。 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速用步距角表示為： (2-3) 由式（2-1）和（2-2）可知，電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)越多，則步距角就越小，電機(jī)在脈沖頻率一定時(shí)的轉(zhuǎn)速也越低。當(dāng)電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸入的脈沖頻率成正比。因此，改變輸入的脈沖頻率就可以改變轉(zhuǎn)速，改變通電狀態(tài)順序就可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。由于這些特性，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，能夠按照控制命令實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、升速、降速、正反轉(zhuǎn)等操作。 2.2.2 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性 圖2.7 啟動(dòng)矩頻特性及運(yùn)行矩頻特性曲線關(guān)系圖 機(jī)械負(fù)載位置的變化往往需要步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)子必須產(chǎn)生足夠大的力矩，以克服摩擦和加速總慣量，電機(jī)無(wú)能力產(chǎn)生足夠大的力矩時(shí)可能引起電機(jī)的失速，造成轉(zhuǎn)子步進(jìn)與相勵(lì)磁之間失去同步，從而產(chǎn)生不正確的負(fù)載定位。因此步進(jìn)電機(jī)加速、減速、恒速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載的最高速度等特性至關(guān)重要。這些特性常以失步轉(zhuǎn)矩/頻率特性曲線表示。 矩-頻特性一般用啟動(dòng)矩-頻特性和運(yùn)行矩-頻特性來表示。它們之間關(guān)系的典型曲線如圖2.7所示。啟動(dòng)矩-頻特性是牽入轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系曲線，運(yùn)行矩-頻特性曲線是失步轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系曲線。 當(dāng)工作在Ⅰ區(qū)范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)可以停止和再啟動(dòng)，或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)失步。步進(jìn)電機(jī)在Ⅰ區(qū)的工作速度上所產(chǎn)生的最大力矩坐標(biāo)位于啟動(dòng)矩-頻特性曲線上，啟動(dòng)矩-頻特性曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為最大運(yùn)行力矩，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為最大啟動(dòng)頻率。Ⅱ區(qū)為單向工作區(qū)，在此區(qū)電機(jī)不能直接啟動(dòng)，若電機(jī)不停止、啟動(dòng)和換向，在此區(qū)域內(nèi)工作，電機(jī)不會(huì)失步。為了在Ⅱ區(qū)內(nèi)工作，電機(jī)必須首先在Ⅰ區(qū)內(nèi)工作，然后利用控制加速度斜坡，轉(zhuǎn)變到Ⅱ區(qū)。若達(dá)到不失步停止時(shí)，也要在限制加速度的條件下，由Ⅱ區(qū)轉(zhuǎn)移到Ⅰ區(qū)，在減速時(shí)慣性反作用力矩為負(fù)，對(duì)電機(jī)有利。Ⅲ區(qū)為失步區(qū)域，在任何情況下都是不允許的。 2.3步進(jìn)電機(jī)升降速控制討論 2.3.1步進(jìn)電機(jī)的失步 在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過程中，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)過程中獲得過多的能量， 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。 以步進(jìn)電機(jī)三相單三拍通電方式為例分析步進(jìn)電機(jī)的失步。如圖2.8，由 B 相斷電，接通 C 相時(shí)，轉(zhuǎn)子齒 2、4 與 B 相磁極對(duì)齊而轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子齒 1、3 與 C 相磁極對(duì)齊(圖 c)，若是由于某一原因造成轉(zhuǎn)子的阻轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩的作用，則轉(zhuǎn)子齒 1、3 沒有轉(zhuǎn)到與 C 相磁極對(duì)齊的位置，而停留在原處未動(dòng)的位置(圖 b)那么當(dāng) C 繞組斷電再接通 A 相時(shí)，受 A 相磁極影響最大的轉(zhuǎn)子齒 1、3 仍返回到與A 相磁極對(duì)齊(圖 a)。由此可見，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)發(fā)生失步時(shí)，往往丟掉一個(gè)通電循環(huán)的步數(shù)或其整數(shù)倍。也就是說步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)失步的規(guī)律是，所失的步數(shù)是通斷電循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。 圖2.8 啟動(dòng)矩頻特性及運(yùn)行矩頻特性曲線關(guān)系圖 同理在停止過程中，如果負(fù)載超過步進(jìn)電機(jī)的極限制動(dòng)能力，步進(jìn)電機(jī)將產(chǎn)生滑步或過沖。丟掉的步數(shù)也是循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。 所以要使步進(jìn)電機(jī)快速的達(dá)到所要求的速度又不失步或過沖，其關(guān)鍵在于使加速過程中加速度所要求的轉(zhuǎn)矩既能充分利用各個(gè)運(yùn)行頻率下步進(jìn)電機(jī)所提供的轉(zhuǎn)矩，又不能超過這個(gè)轉(zhuǎn)矩。 2.3.2步進(jìn)電機(jī)升降速曲線的分析 正由于步進(jìn)電機(jī)失步的原因，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降速的定位控制，運(yùn)行速度都需要一個(gè)加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程，如圖 2.9 所示。各種系統(tǒng)在工作的過程中，都要求升降速過程時(shí)間盡量的短，恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時(shí)的速度最高。 以前一般的升降速規(guī)律設(shè)計(jì)，常常選擇按直線規(guī)律升降速，它的脈沖頻率的變化有一個(gè)恒定的加速度。在步進(jìn)電機(jī)不失步的條件下，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率變化的加速度和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度成正比。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度是由步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩決定的，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的上升而下降，也就要求步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度隨著脈沖頻率的上升而下降，而采用直線規(guī)律的升降速卻使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度保持不變。所以，只有在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升保持恒定時(shí)，直線規(guī)律的升降速才是理想的升降速曲線，而當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升而下降時(shí) ，它就不是理想的升降速曲線，它不能保證在升降速的過程中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應(yīng)，未能很好的的發(fā)揮電機(jī)的加速性能。如果要求電機(jī)盡可能快的加速，則所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，以這個(gè)轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載并加速系統(tǒng)慣量。 圖2.9 步進(jìn)電機(jī)直線規(guī)律升降速曲線 本設(shè)計(jì)按照步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程和矩-頻特性曲線推導(dǎo)出按指數(shù)曲線變化的升降速脈沖序列的分布規(guī)律，因?yàn)榫?頻特性是描述每一頻率下的最大輸出轉(zhuǎn)矩，即在該頻率下作為負(fù)載加給步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。因此把矩-頻特性作為加速范圍下可以達(dá)到(但不能超過)的最大輸出轉(zhuǎn)矩來擬訂升降速脈沖序列的分布規(guī)律，就接近于最大轉(zhuǎn)矩控制的最佳升降速規(guī)律。這樣能夠使得頻率增高時(shí)，保證輸出最大的力矩，即能夠?qū)ψ畲蟮牧剡M(jìn)行跟隨，能充分的發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的工作性能，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。具體的控制算法見第三章。 第三章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 由2.3節(jié)分析可知，把矩-頻特性作為加速范圍下可以達(dá)到(但不能超過)的最大輸出轉(zhuǎn)矩來擬訂升降速脈沖序列的規(guī)律，就接近于最大轉(zhuǎn)矩控制的最佳升降速規(guī)律。所以用步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程和矩-頻特性曲線來導(dǎo)出步進(jìn)電機(jī)的最佳升降速的控制算法，并用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行離散控制。 3.1 步進(jìn)電機(jī)升速的控制算法 在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，如圖3-1，給一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。設(shè)輸入為脈沖數(shù)，輸出為轉(zhuǎn)角，則(為步矩角)，這就是步進(jìn)電機(jī)輸入/輸出的比例關(guān)系。 圖3.1 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路特性框圖 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)物體動(dòng)力學(xué)方程式為： (3-1) 式中為輸出力矩，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為阻尼系數(shù)，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)子位置，如為電機(jī)的回轉(zhuǎn)角速度，，則(3-1)式用表示的方程為： (3-2) 如驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率用表示，由，有，則式(3-2)變?yōu)椋? (3-3) 如果電機(jī)盡可能快的加速，則所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，由式(3-3)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)一定滿足下式： (3-4) 式中為步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。 假設(shè)矩-頻特性曲線是線性下降的,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可由下式求出： (3-5) 為最大轉(zhuǎn)矩，為假定輸出轉(zhuǎn)矩按直線變化時(shí)的斜率，，()為對(duì)應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩()下步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率。 可得在速度工作范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)方程為： 即 (3-6) 假設(shè)電機(jī)從零開始升速，即初始值時(shí)，(3-6)式方程的解為： (3-7) 式中，，。 (3-8) 圖3.2 步進(jìn)電機(jī)的矩-頻特性曲線的近似逼近 如果忽略阻尼轉(zhuǎn)矩，即阻尼系數(shù)，那么，否則實(shí)際的指數(shù)規(guī)律曲線中的要略小于。是決定升速快慢的時(shí)間常數(shù)，其數(shù)值可由(3-8)式理論計(jì)算得出，實(shí)際工作中也可由實(shí)驗(yàn)來確定。(3-7)式表明驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率應(yīng)隨時(shí)間 t 作指數(shù)規(guī)律上升，這樣就可以在較短的時(shí)間內(nèi)使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升至要求的運(yùn)行速度。鑒于大多數(shù)的步進(jìn)電機(jī)的矩-頻特性都近似線性遞減的，所以上述的控制規(guī)律為最佳。 是負(fù)載轉(zhuǎn)矩頻率特性曲線和失步轉(zhuǎn)矩頻率特性曲線的交點(diǎn)，也就是隨著頻率的增加失步轉(zhuǎn)矩減小到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等的點(diǎn)下的失步頻率。步進(jìn)電機(jī)必須在低于該頻率下運(yùn)行才能保證不失步。所以可由給定的步進(jìn)電機(jī)的矩-頻特性曲線及所帶動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩來求得。 步進(jìn)電機(jī)的升降速特性與步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源及負(fù)載特性等密切相關(guān)，因此對(duì)整個(gè)步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)而言，其升降速特性的影響因素很多，為方便起見，將步進(jìn)電機(jī)的電拖動(dòng)系統(tǒng)看作一個(gè)慣性阻尼系統(tǒng)，做上述的處理后，得出式(3-7)即為步進(jìn)電機(jī)的升速特性。它可以看作一階慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)。在工程上認(rèn)為經(jīng)過時(shí)間可以達(dá)到穩(wěn)定速度。 3.2 步進(jìn)電機(jī)升速過程的離散處理 如果忽略阻尼轉(zhuǎn)矩，則由(3-7)式可知升速算法為: (3-9) 若單片機(jī)使用定時(shí)器中斷方式來控制步進(jìn)電機(jī)的速度，那么升降速控制實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器的裝載值的大小。為了便于編制程序，不必每步都計(jì)算裝載值，可以用階梯曲線來逼近升速曲線。 如圖 3-3，縱坐標(biāo)是頻率，它的單位是步/秒，實(shí)質(zhì)上也反映了轉(zhuǎn)速的高低。橫坐標(biāo)是時(shí)間，各段時(shí)間內(nèi)走過的步數(shù)用來表示，步數(shù)實(shí)質(zhì)上反映了距離。圖中曲線 1 表示的是理想的升速曲線，曲線 2 表示的是實(shí)際的升速曲線。 將升速段均勻地離散為段，設(shè)整個(gè)上升時(shí)間為，則相鄰兩次速度變化的時(shí)間間隔為： (3-10) 式中為階梯升速的分檔數(shù)，則每一檔的頻率為： (3-11) 各分檔速度內(nèi)運(yùn)行步數(shù)為： (3-12) 則升速總步數(shù)為： (3-13) 程序執(zhí)行過程中，首先從升速表中取出每檔速度，同時(shí)取出該檔速度應(yīng)走的步數(shù)，然后以遞減方式檢查。當(dāng)減至零時(shí)，表示該檔速度應(yīng)走的步數(shù)已走完，于是速度字，再?gòu)纳俦碇腥〕鱿乱粰n速度。一直循環(huán)到取出的速度大于或等于給定的速度為止。 由圖3.3可知，越小，升速越快，但頻率跳變加劇，易引起失步。越大曲線2越接近曲線 1，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行越平穩(wěn)，但因升降速占用的時(shí)間增加，影響CPU 處理其他事件的能力。另外，因?yàn)槭遣捎枚〞r(shí)器定時(shí)，還要受定時(shí)器最大的定時(shí)時(shí)間間隔的限制。如果采用 12MHz 時(shí)鐘，定時(shí)器的最大中斷周期為 65.536ms，相當(dāng)于步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率 15.259Hz，即采用一個(gè)定時(shí)器來定時(shí)分檔的最低速度不能低于此值。實(shí)際取值時(shí)，在最低的頻率大于15.259Hz 的條件下，滿足即可，為拖動(dòng)系統(tǒng)的允許突跳頻率?？捎呻姍C(jī)的啟動(dòng)矩-頻特性曲線與負(fù)載的矩- 圖3.3 升降速控制離散化的階梯升降速曲線 頻特性曲線求得，也可由電機(jī)的最高空載啟動(dòng)頻率求得，一般取。 選用 110BF003 步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率Hz,則可取Hz。 3.3 步進(jìn)電機(jī)降速過程的離散處理 因?yàn)榻邓贂r(shí)從勻速開始，所以降速曲線為： (3.14) 式中為勻速過程的速度,一般取與升速相同的值。 降速過程的處理方法和升速過程相同。唯一的區(qū)別是升速過程的運(yùn)行參數(shù)的 計(jì)算是在運(yùn)行前計(jì)算好，然后固化在程序存儲(chǔ)器里，而降速過程的處理是在運(yùn)行 時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算進(jìn)行的。 3.4 步進(jìn)電機(jī)升速過程運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算 圖3.4 輸入?yún)?shù)界面 由3.2節(jié)的離散處理可知，在實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行前，要將升速過程的定時(shí)器的裝載初值等參數(shù)先計(jì)算出來放在程序存儲(chǔ)器中，以便在程序運(yùn)行時(shí)使用。本設(shè)計(jì)采用VB語(yǔ)言進(jìn)行可視化編程來計(jì)算運(yùn)行參數(shù)。 程序運(yùn)行時(shí)首先顯示圖3.4所示的界面，這時(shí)根據(jù)給定的步進(jìn)電機(jī)類型來確定最高運(yùn)行頻率，并輸入階梯的分檔數(shù)。在輸入階梯分檔數(shù)時(shí)，如果給定的分檔數(shù)不能滿足條件，那么程序會(huì)重新的返回到圖3.4所示的界面，要重新輸入合適的分檔數(shù)。當(dāng)這些參數(shù)輸入完成后，按確定鍵則進(jìn)入結(jié)果顯示界面，如圖3.5所示。 在圖3.5中按下確定鍵則顯示要計(jì)算的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)值，把這些參數(shù)值固化在 程序存儲(chǔ)器中，以便在程序運(yùn)行時(shí)供查詢使用。 具體的程序見附錄 1。 圖3.4計(jì)算機(jī)結(jié)果顯示界面 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)的硬件結(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)必須由硬件來實(shí)現(xiàn)，另 外有些任務(wù)必須由軟件來實(shí)現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)可以由軟件來完成，也可由硬 件來完成。一般來說，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)。 本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)速度的控制是由改變發(fā)出脈沖的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)的，用定時(shí) 器來控制發(fā)出脈沖的時(shí)間間隔，這樣更能發(fā)揮硬件實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠減輕 軟件的任務(wù)。 系統(tǒng)的硬件框圖如圖4.1所示。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心部件，通過擴(kuò)展外圍 設(shè)備及接口電路完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的并行控制。 圖4.1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖 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)從元件級(jí)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)并配置必須的存儲(chǔ)器、接口和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。 在進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下原則： 1．盡可能的選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 2．系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能的要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟兀员氵M(jìn)行二次開發(fā)。 3．硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響?？紤]的原則是，軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能的由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件電路。但是由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)的時(shí)間要比直接用硬件實(shí)現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)，而且占用 CPU 時(shí)間。 4．整個(gè)系統(tǒng)中的相關(guān)的器件要盡可能的做到性能匹配。 5．單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或者減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。 根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)框圖，逐一設(shè)計(jì)出每個(gè)單元電路，最后組合起來，成為完整的硬件系統(tǒng)。 4.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4.2.1 微處理器及存儲(chǔ)器的配置 一、微處理器的選擇 微處理器的主要性能指標(biāo)是位數(shù)、主頻、尋址能力、指令系統(tǒng)、內(nèi)部寄存器情況等。位數(shù)是重要的指標(biāo)，除了影響運(yùn)算精度外，還關(guān)系到指令系統(tǒng)的功能、尋址能力以及操作速度等。主頻影響操作速度。尋址能力決定可能的最大存儲(chǔ)容量。指令系統(tǒng)性能影響數(shù)據(jù)處理、輸入輸出等操作功能以及編程的方便性。內(nèi)部寄存器的數(shù)量和功能也和操作方便性有關(guān)。此外，單片機(jī)都帶有一定數(shù)量的內(nèi)部RAM，還有內(nèi)部 ROM 或其它器件。 本系統(tǒng)選擇 AT89C51 單片機(jī)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器 在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進(jìn)行程序的修改，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。 (2)和 80C51 插座兼容 該機(jī)型通用性好，能夠利用現(xiàn)成的 51 系列的開發(fā)系統(tǒng)，不需另外重新建立新的開發(fā)系統(tǒng)，這樣可節(jié)約開發(fā)成本。 (3)靜態(tài)時(shí)鐘方式 AT89C51 單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對(duì)于降低成品的功耗十分有用。 (4)錯(cuò)誤編程亦無(wú)廢品產(chǎn)生 一般的 OTP 產(chǎn)品一旦錯(cuò)誤編程就成了廢品，而AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部采用了 Flash 存儲(chǔ)器，所以錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。 (5)可進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)試驗(yàn) 用 AT89C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且隨用戶的需要和發(fā)展還可以進(jìn)行修改，使系統(tǒng)能不斷追隨用戶的最新要求。 由于該機(jī)型具有上述優(yōu)點(diǎn)，并且有現(xiàn)成的開發(fā)系統(tǒng)，不需購(gòu)置新的開發(fā)系統(tǒng),可節(jié)約開發(fā)成本，所以選擇 AT89C51 單片機(jī)。 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51主要特性： ·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ·128*8位內(nèi)部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·5個(gè)中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電 二、存儲(chǔ)器的配置 存儲(chǔ)器配置的任務(wù)是確定片外存儲(chǔ)器的類型和容量，選定存儲(chǔ)器型號(hào)，設(shè)計(jì)擴(kuò)展電路。在硬件設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)的分析，憑借經(jīng)驗(yàn)大致估算所需存儲(chǔ)器的容量，估算時(shí)應(yīng)留有余量。對(duì)于 ROM 和 RAM，需分別確定容量。選擇存儲(chǔ)器芯片的型號(hào)時(shí)，應(yīng)選擇常用型號(hào)，盡量減小芯片的數(shù)量。 由于本系統(tǒng)要進(jìn)行少量的運(yùn)算，其中有數(shù)組存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果，數(shù)組占用較大的空間，所以擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 6264RAM，8K 字節(jié)的空間。 考慮到給控制軟件的調(diào)整留有余地及系統(tǒng)的擴(kuò)展需要等原因，擴(kuò)展 8K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)空間，選擇 2764ROM 芯片。 4.2.2 鍵盤與顯示接口電路的設(shè)計(jì) 一、鍵盤操作的接口和電路設(shè)計(jì) 有關(guān)鍵盤操作的部分，可分為參數(shù)設(shè)定和啟動(dòng)、停止等功能操作。 1．鍵盤操作實(shí)現(xiàn)的功能分析和接口選用 (1)參數(shù)設(shè)定 本系統(tǒng)在開始運(yùn)行之前要求輸入步進(jìn)電機(jī)勻速的運(yùn)行速度和運(yùn)行的總步數(shù)，所以要進(jìn)行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。 (2)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止等操作 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和正、反轉(zhuǎn)，要設(shè)置相應(yīng)的按鍵和開關(guān)進(jìn)行功能鍵的處理。 接口選用：根據(jù)上面對(duì)鍵盤要求的分析，考慮到本系統(tǒng)還要求有顯示功能，所以選用8255A 并行接口芯片作為鍵盤與顯示接口。 2．8255A 芯片與單片機(jī)的接口 由于 8255A 提供三個(gè) 8 位口，所以很方便的進(jìn)行輸入輸出的擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)64 個(gè)鍵的鍵盤和 8 位的 LED 數(shù)碼顯示的擴(kuò)展。8255A 芯片的讀寫信號(hào) RD 、WR ，復(fù)位信號(hào) RESET，數(shù)據(jù)總線 D0~ D7均與 CPU 相應(yīng)的管腳直接相連。片選信號(hào)CS與高位地址 P2.7連接和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。另外由于考慮停機(jī)時(shí)中斷的需要，由PC 端引出鍵盤的行掃描線通過“與”門接到單片機(jī)的外部中斷信號(hào)輸入端。 3．矩陣式鍵盤掃描方式工作原理 如硬件電路圖所示，①在行線上有上掛電阻連接電源，因此無(wú)鍵按下時(shí)，各行線均為高電平。②當(dāng)采用列線輸出低電平時(shí)，有鍵按下相應(yīng)行線上出現(xiàn)低電平。③根據(jù)此原理，CPU 對(duì)整個(gè)鍵盤進(jìn)行掃描，即在已確定有按件按下的行內(nèi)，CPU不斷對(duì)列線逐列置低電平，然后檢查行線輸入狀態(tài)，確定按鍵情況。若無(wú)鍵按下時(shí)，行線與列線斷開，行線上全是高電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)，總有鍵把某行某列短接，使行線端口不全為高電平，即不全為“1”。此時(shí)讀到的鍵值就是按下的鍵。掃描全部鍵盤時(shí)間很短，僅十幾微秒，而按鍵時(shí)間一次至少幾十毫秒，所以只要有鍵按下，都能被掃描到。 鍵是機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)，所以要進(jìn)行鍵的去抖動(dòng)處理。用軟件延時(shí)可以躲過抖動(dòng)，大約延時(shí)10ms即可。 4．鍵盤各鍵功能規(guī)劃 各數(shù)值鍵及功能鍵具體設(shè)計(jì)如下： 0～9 為數(shù)字鍵：用來輸入運(yùn)行參數(shù)的值。 輸入速度鍵 Fg：若要輸入運(yùn)行速度 Fg，先按下此鍵，然后在進(jìn)行速度的輸入，按“確認(rèn)”鍵完成輸入； 輸入步數(shù)鍵 sn：若要輸入運(yùn)行總步數(shù) sn，先按下此鍵，然后再進(jìn)行步數(shù)的輸入，按“確認(rèn)”鍵完成輸入； 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)鍵：按下此鍵即進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換； 確定鍵：當(dāng)速度或步數(shù)輸入完畢后，按下此鍵以確認(rèn)輸入； 啟動(dòng)鍵：若速度、步數(shù)以及正、反轉(zhuǎn)的狀態(tài)都確定后，按下此鍵即可以進(jìn)入工作狀態(tài)； 停止鍵：在運(yùn)行過程中，如按下此鍵則步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在非運(yùn)行狀態(tài)無(wú)效，其功能由中斷來實(shí)現(xiàn)。 5．鍵盤各鍵的鍵值 以上各數(shù)字和功能鍵的鍵值如表4.1所示。 表4.1 鍵盤鍵值和相應(yīng)的數(shù)字鍵和功能鍵對(duì)應(yīng)表 鍵的編碼格式 鍵代碼（行號(hào)+列號(hào)） 數(shù)字鍵與功能鍵分配 行 號(hào) 列 號(hào) 0 0 0 0 0 0 0 0 00H 0 0 0 0 0 0 0 0 1 01H 1 0 0 0 0 0 0 1 0 02H 2 0 0 0 0 0 0 1 1 03H 3 0 1 0 0 0 0 0 0 04H 4 0 1 0 0 0 0 0 1 05H 5 0 1 0 0 0 0 1 0 06H 6 0 1 0 0 0 0 1 1 07H 7 1 0 0 0 0 0 0 0 08H 8 1 0 0 0 0 0 0 1 09H 9 1 0 0 0 0 0 1 0 0AH 速度Fg 1 0 0 0 0 0 1 1 0BH 步數(shù)sn 1 1 0 0 0 0 0 0 0CH 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn) 1 1 0 0 0 0 0 1 0DH 啟動(dòng) 1 1 0 0 0 0 1 0 0EH 停止 1 1 0 0 0 0 1 1 0FH 確認(rèn) 圖4.2 鍵盤按鍵分布示意圖 具體鍵盤的按鍵分布如圖4.2所示。 二、顯示部分操作的接口和電路設(shè)計(jì) 1．LED 顯示器的設(shè)計(jì) 發(fā)光二級(jí)管將電能轉(zhuǎn)變成光能。利用Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料可制成發(fā)光二極管LED(Libht Emitting Diode)。發(fā)光二級(jí)管工作在正向偏置時(shí)，PN結(jié)內(nèi)載流子復(fù)合過程中將釋放出能量的大部分以光的形式輻射出來。實(shí)際光輻射在約2mA電流強(qiáng)度下便已開始。光強(qiáng)的增加與電流強(qiáng)度成正比。 七段一位數(shù)碼顯示器是由發(fā)光二極管芯片黏結(jié)在印制電路板的規(guī)定位置上，采用塑料反射框罩灌封環(huán)氧樹脂而形成的。本設(shè)計(jì)選用國(guó)類常見型號(hào)BS225，直流工作電流每段3～5mA,采用脈沖驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)速度快。 LED 顯示器的發(fā)光二極管有兩種連接方法，共陽(yáng)極接法和共陰極接法。本設(shè)計(jì)中采用共陰極接法。七段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)八段，因此提供給 LED 顯示器的字形代碼正好一個(gè)字節(jié)。用 LED 顯示器顯示十六進(jìn)制的字形代碼在表4.3中列出。在程序中把這些代碼放在數(shù)組中以供查詢。 程序中 LED 顯示器選用動(dòng)態(tài)顯示方式。8255A 的 PB0~PB7 作段選碼口，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器與 LED 的段相連；8255A 的 PA0~PA3 作位選碼口，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器與 LED 的位相連。 在掃描過程中，在某一瞬間，只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)；同時(shí)字段線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段選碼。這樣在每一瞬時(shí)，4 位 LED 中只有選通的那一位 LED 顯示出字符，而其它 3 位則是熄滅的。同樣，在下一瞬時(shí)，只顯示下一位 LED。如此繼續(xù)，等 4 位 LED 都依次顯示完畢后，循環(huán)進(jìn)行。雖然這些字符是在不同的瞬時(shí)輪流顯示出來的，但如使每位顯示的字符停留顯示一段時(shí)間，一般為 1~5ms，由于人眼的視覺慣性，看到的是 4位穩(wěn)定顯示的字符。 表4.3 十六進(jìn)制數(shù)字形代碼表 字型 共陽(yáng)極代碼 共陰極代碼 字型 共陽(yáng)極代碼 共陰極代碼 0 0xC0 0x3F d 0xA1 0x5E 1 0xF9 0x06 E 0x86 0x79 2 0xA4 0x5B F 0x8E 0x71 3 0xB0 0x4F g 0x90 0x6F 4 0x99 0x66 r 0xAF 0x50 5 0x92 0x6D S 0xE2 0x1D 6 0x82 0x7D t 0x87 0x5D 7 0xF8 0x07 P 0x8C 0x73 8 0x80 0x7F n 0xAB 0x54 9 0x90 0x6F u 0xE3 0x1C A 0x88 0x77 - 0xF7 0x08 b 0x83 0x7C 滅 0xFF 0x00 C 0xC6 0x39 2．發(fā)光燈狀態(tài)顯示的設(shè)計(jì) 發(fā)光燈是把LED芯片黏結(jié)在管座或引線上，經(jīng)鍵合內(nèi)引線(一般為的金絲或的硅鋁絲)，然后用環(huán)氧樹脂包封而成的一種器件。 為了顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，分別選擇紅、綠發(fā)光燈來顯示系統(tǒng)處于監(jiān)控狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。這兩個(gè)發(fā)光燈可以用一個(gè)I/O口來控制。用單片機(jī)的端口P3.0驅(qū)動(dòng) LED發(fā)光燈的電路如圖4.3所示。 發(fā)光二級(jí)管正向工作電壓一般為1.5V,工作電流為5～20mA；3.5V/6mA=500Ω，故紅綠兩個(gè)LED的正極都經(jīng)過500Ω的限流電阻拉到+5V，LED2的負(fù)極接到P3.0端口上，而LED1經(jīng)過反相器接到的P3.0端口上，這樣，當(dāng)