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

裝配圖步進電機指數(shù)規(guī)律升降速的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計,裝配,步進,電機,機電,指數(shù),規(guī)律,升降,單片機,控制系統(tǒng),設(shè)計 附件1：四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書 四 川 理 工 學 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書 設(shè)計（論文）題目：步進電機指數(shù)規(guī)律升降速的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 系： 機電工程系 專業(yè)： 機電一體化 班級：2003級1班 學號： 030110119 學生： 唐 忠 川 指導教師： 孫 祥 國 接受任務時間 2007.03.05 教研室主任 （簽名）　　系主任 （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 用單片機對步進電機進行三相六拍的控制，通過軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)電機指數(shù)規(guī)律升降速。 (1) 系統(tǒng)總體方案擬定； (2) 數(shù)學模型建立，求控制算法； (3) 硬件設(shè)計； (4) 軟件設(shè)計； 編寫設(shè)計說明書，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及說明 (1) 《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》 (2) 《計算機控制系統(tǒng)分析與設(shè)計》 (3) 《單片機應用設(shè)計》 (4) 《電子電工技術(shù)》 (5) 《C語言程序設(shè)計》 (6) 《機床電氣控制》 3．進度安排 設(shè)計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱資料，進行總體方案擬定，完成開題報告 07.03.05-07.03.20 2 建立系統(tǒng)數(shù)學模型，求控制算法 07.03.20-07.04.15 3 進行硬件設(shè)計，軟件設(shè)計 07.04.15-07.05.20 4 編寫設(shè)計說明書 07.05.20-07.06.02 5 準備畢業(yè)答辯 07.06.02-07.06.15 注：本表在學生接受任務時下達 附件2：四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 設(shè)計（論文）名稱 步進電機指數(shù)規(guī)律升降速的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計（論文）類型 B 指導教師 孫祥國 學生 姓名 唐忠川 學號 030110119 系、專業(yè)、班級 機電031班 一、選題依據(jù)：（簡述研究現(xiàn)狀或生產(chǎn)需求情況，說明該設(shè)計（論文）目的意義。） 步進電機具有啟停迅速、步距精確、控制方便等優(yōu)點，因此廣泛應用于需精確定位的控制系統(tǒng)和儀器設(shè)備，如各類數(shù)控機床、打印機、磁盤驅(qū)動器等。隨著計算機的廣泛應用，步進電機已成為微機控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件之一。 步進電機的矩-頻特性決定了當啟動頻率較高時，啟動轉(zhuǎn)矩如果很小便無法帶動負載，造成失步，停止時又會發(fā)生過沖，因此，在控制過程中，要求有合理的升降速規(guī)律。以前常選用直線規(guī)律升降速，這種控制方法簡單，但是由于它的脈沖變化有個恒定的加速度，所以它不能保證在升降速的過程中步進電機轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應，不能很好的發(fā)揮電機的加速性能。因此有必要對脈沖頻率進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，使步進電機在運行的過程中能夠快速定位，并且運行步數(shù)準確。 此設(shè)計運用計算機控制設(shè)計的知識，推導指數(shù)規(guī)律升降速控制算法，理論上使步進電機發(fā)揮良好的工作性能。并通過具體軟硬件的設(shè)計過程，充分運用鞏固微機原理和單片機設(shè)計，軟件設(shè)計的相關(guān)知識，鍛煉自己運用知識解決問題的實際工作能力，為以后進一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 二、設(shè)計（論文研究）思路及工作方法 由步進電機動力學方程和矩-頻特性曲線推導出指數(shù)規(guī)律升降速控制算法，在此基礎(chǔ)上運用單片機進行升降速的并行控制，完成軟硬件設(shè)計。硬件設(shè)計包括單片機的存儲器配置、鍵盤與顯示電路設(shè)計、定時中斷設(shè)計等。軟件設(shè)計首先通過行結(jié)構(gòu)劃分和程序流程的設(shè)計，再模塊化編程。 三、設(shè)計（論文研究）任務完成的階段內(nèi)容及時間安排。 1.查閱資料，進行總體方案擬定，完成開題報告 07.03.05-07.03.20 2.建立系統(tǒng)數(shù)學模型，求控制算法 07.03.20-07.04.15 3.進行硬件設(shè)計，軟件設(shè)計 07.04.15-07.05.20 4.編寫設(shè)計說明書 07.05.20-07.06.02 5.準備畢業(yè)答辯 07.06.02-07.06.15 指導教師意見 指導教師簽字： 年 月 日 教研室畢業(yè)設(shè)計（論文）工作組審核意見 難度 分量 綜合訓練程度 教研室主任： 年 月 日 設(shè)計（論文）類型：A—理論研究；B—應用研究；C—軟件設(shè)計；D-其它等。 四 川 理 工 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）說 明 書 題 目 步進電機指數(shù)規(guī)律升降速的 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 學 生 唐 忠 川 系 別 機 電 工 程 系 專 業(yè) 班 級 機械設(shè)計制造及自動化機電03.1班 學 號 030110119 指 導 老 師 孫 祥 國 四 川 理 工 學 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書 設(shè)計（論文）題目： 步進電機指數(shù)規(guī)律升降速的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 系： 機電工程系 專業(yè)： 機電一體化 班級：2003級1班 學號： 030110119 學生： 唐 忠 川 指導教師： 孫 祥 國 接受任務時間 2007.03.05 教研室主任 （簽名）　　系主任 （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 用單片機對步進電機進行三相六拍的控制，通過軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)電機指數(shù)規(guī)律升降速。 (1) 系統(tǒng)總體方案擬定； (2) 數(shù)學模型建立，求控制算法； (3) 硬件設(shè)計； (4) 軟件設(shè)計； 編寫設(shè)計說明書，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及說明 (1) 《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》 (2) 《計算機控制系統(tǒng)分析與設(shè)計》 (3) 《單片機應用設(shè)計》 (4) 《電子電工技術(shù)》 (5) 《C語言程序設(shè)計》 (6) 《機床電氣控制》 3．進度安排 設(shè)計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱資料，進行總體方案擬定，完成開題報告 07.03.05-07.03.20 2 建立系統(tǒng)數(shù)學模型，求控制算法 07.03.20-07.04.15 3 進行硬件設(shè)計，軟件設(shè)計 07.04.15-07.05.20 4 編寫設(shè)計說明書 07.05.22-07.06.05 5 準備畢業(yè)答辯 07.06.06-07.06.24 注：本表在學生接受任務時下達 摘 要 摘 要 摘 要 從步進電機的矩-頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶動負載的能力越差。當啟動頻率較高時，啟動時會造成失步，而停止時由于慣性作用又會發(fā)生過沖，所以在步進電機控制中必須要采取升降速控制措施。本文根據(jù)步進電機的動力學方程和矩-頻特性曲線建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用指數(shù)規(guī)律的升降速算法，以單片機為核心對步進電機進行并行控制。系統(tǒng)的軟件設(shè)計由C51 語言編程來實現(xiàn)。并設(shè)計了檢測系統(tǒng)用于對步進電機轉(zhuǎn)速和步數(shù)的檢測。最后，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：在顯示器的提示下，由鍵盤輸入運行的步數(shù)和穩(wěn)定運行的速度；由各個功能鍵控制系統(tǒng)的運行，按啟動鍵后，步進電機按照輸入的步數(shù)進行走步；如在運行期間按停止鍵，則步進電機停止運行。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控制步進電機的最高工作頻率，大大縮短所需的升降速時間。 關(guān)鍵詞：步進電機,單片機,速度控制,C51 語言 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步進電機控制系統(tǒng)的構(gòu)成 3 2.1.2步進電機的串行和并行控制 3 2.2步進電機工作原理和動態(tài)特性分析 4 2.2.1反應式步進電機原理 4 2.2.2 步進電機的動態(tài)特性 6 2.3步進電機升降速控制討論 7 2.3.1步進電機的失步 7 2.3.2步進電機升降速曲線的分析 8 第三章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 9 3.1 步進電機升速的控制算法 9 3.2 步進電機升速過程的離散處理 11 3.3 步進電機降速過程的離散處理 12 3.4 步進電機升速過程運行參數(shù)的計算 12 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 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 15 4.2.1 微處理器及存儲器的配置 15 4.2.2 鍵盤與顯示接口電路的設(shè)計 16 4.2.3 定時和報警電路的設(shè)計 20 4.2.4步進電機的脈沖分配 21 4.2.5 擴展存儲器及擴展芯片地址的確定 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 26 5.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 26 5.2 系統(tǒng)的程序流程 28 5.3 程序設(shè)計問題分析 38 5.3.1 程序的初始化及變量的定義 38 5.3.2 存儲類型與存儲模式的定義 39 5.3.3 編譯預處理的定義 40 5.3.4 數(shù)組查表功能 40 5.3.5 中斷服務函數(shù)的定義 41 5.3.6 有關(guān)定時器精確定時的實現(xiàn) 42 5.3.7 主函數(shù)及鍵盤與顯示功能的實現(xiàn) 43 第六章 轉(zhuǎn)速和步數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計 45 6.1 光電編碼器的工作原理 45 6.2 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 45 6.3 檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計 47 6.3.1 檢測系統(tǒng)的流程圖 48 6.3.1 檢測系統(tǒng)程序 48 第七章 結(jié) 論 49 參考文獻 50 致 謝 51 附錄A：步進電機升速過程運行參數(shù)計算程序 52 附錄B：步進電機控制系統(tǒng)程序 55 附錄C：步進電機檢測系統(tǒng)程序 63 符號說明 符號說明 阻尼系數(shù) 通電狀態(tài)系數(shù) 脈沖頻率 Hz 勻速運行時的頻率 Hz 負載轉(zhuǎn)矩下的最高運行頻率 Hz 負載轉(zhuǎn)矩下的最高啟動頻率 Hz 空載下的最高啟動頻率 Hz 每檔的頻率 Hz 轉(zhuǎn)動慣量 步進電機的相數(shù) 脈沖數(shù) 每檔脈沖數(shù) 步進電機轉(zhuǎn)速 r/min 轉(zhuǎn)盤的窄縫數(shù) 轉(zhuǎn)矩 N·m 負載轉(zhuǎn)矩 N·m 電機輸出轉(zhuǎn)矩 N·m 最大轉(zhuǎn)矩 N·m 時間 s 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 轉(zhuǎn)子的位置角 ° 步距角 ° 時間常數(shù) s 角速度 四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第一章 緒 論 步進電機是一種將電脈沖信號變換成相應的機械角位移的機電執(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、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”； 沒有積累誤差等特點，因此被廣泛應用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較好的位置精度，如各類數(shù)控機床、光學測量儀器、打印機、磁盤驅(qū)動器等。隨著單片機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)廣泛應用于各機械智能儀器和裝備中，步進電機也成為主要的電氣執(zhí)行元件之一。 在數(shù)控點-位控制系統(tǒng)中，從起點至終點的運行速度都有一定要求。如果要求運行頻率(速度)小于系統(tǒng)的極限起動頻率，則系統(tǒng)可以按要求的頻率(速度)直接起動，運行至終點后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運行方式下其速度可認為是恒定的。但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動頻率是比較低的，而要求的運行速度往往較高。從步進電機的矩-頻特性可知，步進電機的轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶動負載的能力越差，當啟動頻率較高并已超過極限起動頻率會發(fā)生丟步或根本不能起動的情況，停止時又會發(fā)生過沖。所以，步進電機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，會造成升降時間延長，電機失步，力矩達不到要求等嚴重后果。 以前一般的升降速規(guī)律設(shè)計，常選用直線規(guī)律升降速，這種控制方法簡單，但是由于它的脈沖變化有個恒定的加速度，所以它不能保證在升降速的過程中步進電機轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應，不能很好的發(fā)揮電機的加速性能。因此有必要對脈沖頻率進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，使步進電機在運行的過程中能夠快速定位，并且運行步數(shù)準確。理想的升降速曲線是指數(shù)規(guī)律曲線，本文就是由步進電機的動力學方程和矩-頻特性曲線推導出的指數(shù)規(guī)律的升降速控制算法，這樣能夠使得頻率增高時，保證輸出最大的力矩，能充分發(fā)揮步進電機的工作性能，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。 在完成升降速曲線的參數(shù)計算得出升降速控制算法后，將要完成以下工作以具體實現(xiàn)單片機對步進電機升降速的并行控制。 1.本系統(tǒng)用單片機來實現(xiàn)步進電機升降速過程的控制，首先對升速過程進行離散處理，在程序運行前將升速過程的離散值固化在程序存儲器中，降速過程則采用運行時實時計算定時器的裝載值。程序運行時采用查表的方法將離散值裝入定時器來控制步進電機的換相周期，使得步進電機按照指數(shù)規(guī)律進行走步。 2.以單片機為核心并選用必要的外圍設(shè)備構(gòu)成單片機對步進電機的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計中進行單片機和存儲器的配置、鍵盤與顯示電路的設(shè)計、定時和報警電路的設(shè)計、步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計和存儲器地址映像工作，生成步進電機控制系統(tǒng)的硬件原理圖。 3.由于C51語言是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生緊湊代碼。本系統(tǒng)軟件用C51語言編寫，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，便于改進和擴充，可以很容易地進行單片機的程序移植工作，有利于產(chǎn)品中的單片機的重新選型。根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能劃分程序模塊，按照各個模塊繪制程序流程圖，進行模塊化程序設(shè)計，并對其中一些關(guān)鍵技術(shù)進行具體的論述。 4.為了檢測步進電機運行的轉(zhuǎn)速和步數(shù)，進行步進電機轉(zhuǎn)速和步數(shù)的檢測系統(tǒng)的設(shè)計。論述檢測系統(tǒng)的工作原理，并進行檢測系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。 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步進電機控制系統(tǒng)的構(gòu)成 步進電機的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計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)動步進電機運行。舊式的步進電機控制系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器、步進控制器、功率放大器和步進電機組成，如圖2.1所示。步進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，以便實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)動和正反轉(zhuǎn)的控制。功率放大器的作用是將步進控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。這種控制方案由于是用各種邏輯電路來實現(xiàn)控制過程，線路復雜、控制方案改變困難、成本高。 圖2.1步進電機控制系統(tǒng)的組成 隨著單片微型計算機迅速發(fā)展和普及，為設(shè)計功能很強而價格低廉的步進電機控制器提供了條件。采用計算機控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機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為單片機控制步進電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖2.2單片機控制步進電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.1.2步進電機的串行和并行控制 使用單片機對步進電機進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系統(tǒng)與步進電機驅(qū)動電源之間，具有較少的連線將信號送入步進電動機驅(qū)動電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動電源中必須含有環(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：用微型計算機系統(tǒng)的數(shù)個端口直接去控制步進電動機各相驅(qū)動電路的方法稱為并行控制。在電動機驅(qū)動電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其并行控制功能必須由微型計算機系統(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擴展并行接口，主要用軟件實現(xiàn)環(huán)分功能，控制電機為三相，故選用并行控制方案。 2.2步進電機工作原理和動態(tài)特性分析 圖2.5 步進電機外觀 2.2.1反應式步進電機原理 圖2.5為步進電機外形圖。電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開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相對齊，B與齒2向右錯開1/3L，C與齒3向右錯開2/3L，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： 圖2.6 定轉(zhuǎn)子展開圖 旋轉(zhuǎn)時，如A相通電，B，C相不通電時，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，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3L，此時齒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應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3L，此時齒4與A偏移為1/3L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1/3L。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，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3L,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關(guān)系。而方向由導電順序決定。 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-BC-C-CA-A這種導電狀態(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，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制—這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多，本設(shè)計選用三相反應式步進電機。? 步進電機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)，當采用單相或雙相通電方式時，C=1； 而采用單、雙相輪流通電方式時，C=2；m為步進電機定子的相數(shù)；Zr為步進電機轉(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)動電路來實現(xiàn)的。每當外電路送入一個脈沖，控制繞組的通電狀態(tài)即改變一次，與此對應步進電機將轉(zhuǎn)動一個步距角。因此步進電機轉(zhuǎn)過的步距角數(shù)等于外加脈沖數(shù)，則步進電機的轉(zhuǎn)速為： (2-2) 式中為步進電機通電的脈沖頻率，單位為Hz；n為步進電機轉(zhuǎn)速，單位為r/min。 步進電機的轉(zhuǎn)速用步距角表示為： (2-3) 由式（2-1）和（2-2）可知，電機的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)越多，則步距角就越小，電機在脈沖頻率一定時的轉(zhuǎn)速也越低。當電機的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一定時，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)順序就可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。由于這些特性，步進電機控制系統(tǒng)中，能夠按照控制命令實現(xiàn)啟動、停止、升速、降速、正反轉(zhuǎn)等操作。 2.2.2 步進電機的動態(tài)特性 圖2.7 啟動矩頻特性及運行矩頻特性曲線關(guān)系圖 機械負載位置的變化往往需要步進電機的連續(xù)運行，電機轉(zhuǎn)子必須產(chǎn)生足夠大的力矩，以克服摩擦和加速總慣量，電機無能力產(chǎn)生足夠大的力矩時可能引起電機的失速，造成轉(zhuǎn)子步進與相勵磁之間失去同步，從而產(chǎn)生不正確的負載定位。因此步進電機加速、減速、恒速運行時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩以及電機能夠驅(qū)動負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-頻特性一般用啟動矩-頻特性和運行矩-頻特性來表示。它們之間關(guān)系的典型曲線如圖2.7所示。啟動矩-頻特性是牽入轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系曲線，運行矩-頻特性曲線是失步轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系曲線。 當工作在Ⅰ區(qū)范圍內(nèi)，步進電機可以停止和再啟動，或者反向轉(zhuǎn)動，而不會失步。步進電機在Ⅰ區(qū)的工作速度上所產(chǎn)生的最大力矩坐標位于啟動矩-頻特性曲線上，啟動矩-頻特性曲線與縱坐標的交點為最大運行力矩，與橫坐標的交點為最大啟動頻率。Ⅱ區(qū)為單向工作區(qū)，在此區(qū)電機不能直接啟動，若電機不停止、啟動和換向，在此區(qū)域內(nèi)工作，電機不會失步。為了在Ⅱ區(qū)內(nèi)工作，電機必須首先在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)。若達到不失步停止時，也要在限制加速度的條件下，由Ⅱ區(qū)轉(zhuǎn)移到Ⅰ區(qū)，在減速時慣性反作用力矩為負，對電機有利。Ⅲ區(qū)為失步區(qū)域，在任何情況下都是不允許的。 2.3步進電機升降速控制討論 2.3.1步進電機的失步 在步進電機的運行過程中，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電機的旋轉(zhuǎn)磁場，也就是低于換相速度而產(chǎn)生的。 這是因為輸入電機的電能不足，在步進電機中產(chǎn)生的同步力矩無法使轉(zhuǎn)子速度跟 隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)，從而引起失步。 2.轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度，這時定子通電勵磁的時 間較長，大于轉(zhuǎn)子步進一步所需要的時間，則轉(zhuǎn)子在步進過程中獲得過多的能量， 從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動振蕩，當振蕩足夠嚴重時就會導致失步。 以步進電機三相單三拍通電方式為例分析步進電機的失步。如圖2.8，由 B 相斷電，接通 C 相時，轉(zhuǎn)子齒 2、4 與 B 相磁極對齊而轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子齒 1、3 與 C 相磁極對齊(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 相磁極對齊的位置，而停留在原處未動的位置(圖 b)那么當 C 繞組斷電再接通 A 相時，受 A 相磁極影響最大的轉(zhuǎn)子齒 1、3 仍返回到與A 相磁極對齊(圖 a)。由此可見，當步進電機發(fā)生失步時，往往丟掉一個通電循環(huán)的步數(shù)或其整數(shù)倍。也就是說步進電機運行時失步的規(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 啟動矩頻特性及運行矩頻特性曲線關(guān)系圖 同理在停止過程中，如果負載超過步進電機的極限制動能力，步進電機將產(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。 所以要使步進電機快速的達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運行頻率下步進電機所提供的轉(zhuǎn)矩，又不能超過這個轉(zhuǎn)矩。 2.3.2步進電機升降速曲線的分析 正由于步進電機失步的原因，需要對步進電機進行升降速的定位控制，運行速度都需要一個加速—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間盡量的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。 以前一般的升降速規(guī)律設(shè)計，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恒定的加速度。在步進電機不失步的條件下，驅(qū)動脈沖頻率變化的加速度和步進電機轉(zhuǎn)子的角加速度成正比。步進電機轉(zhuǎn)子的角加速度是由步進電機的輸出力矩決定的，步進電機的輸出力矩隨著驅(qū)動脈沖頻率的上升而下降，也就要求步進電機轉(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電機轉(zhuǎn)子的角加速度保持不變。所以，只有在步進電機的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升保持恒定時，直線規(guī)律的升降速才是理想的升降速曲線，而當步進電機的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升而下降時 ，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電機轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應，未能很好的的發(fā)揮電機的加速性能。如果要求電機盡可能快的加速，則所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，以這個轉(zhuǎn)矩克服負載并加速系統(tǒng)慣量。 圖2.9 步進電機直線規(guī)律升降速曲線 本設(shè)計按照步進電機的動力學方程和矩-頻特性曲線推導出按指數(shù)曲線變化的升降速脈沖序列的分布規(guī)律，因為矩-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載加給步進電機的最大轉(zhuǎn)矩。因此把矩-頻特性作為加速范圍下可以達到(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，保證輸出最大的力矩，即能夠?qū)ψ畲蟮牧剡M行跟隨，能充分的發(fā)揮步進電機的工作性能，使系統(tǒng)具有良好的動態(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。所以用步進電機的動力學方程和矩-頻特性曲線來導出步進電機的最佳升降速的控制算法，并用單片機對其進行離散控制。 3.1 步進電機升速的控制算法 在步進電機的控制系統(tǒng)中，如圖3-1，給一個電脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。設(shè)輸入為脈沖數(shù)，輸出為轉(zhuǎn)角，則(為步矩角)，這就是步進電機輸入/輸出的比例關(guān)系。 圖3.1 步進電機與驅(qū)動電路特性框圖 步進電機的旋轉(zhuǎn)物體動力學方程式為： (3-1) 式中為輸出力矩，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，為阻尼系數(shù)，為負載轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)子位置，如為電機的回轉(zhuǎn)角速度，，則(3-1)式用表示的方程為： (3-2) 如驅(qū)動脈沖的頻率用表示，由，有，則式(3-2)變?yōu)椋? (3-3) 如果電機盡可能快的加速，則所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，由式(3-3)步進電機的運動一定滿足下式： (3-4) 式中為步進電機輸出轉(zhuǎn)矩。 假設(shè)矩-頻特性曲線是線性下降的,電機的輸出轉(zhuǎn)矩可由下式求出： (3-5) 為最大轉(zhuǎn)矩，為假定輸出轉(zhuǎn)矩按直線變化時的斜率，，()為對應負載轉(zhuǎn)矩()下步進電機的最高運行頻率。 可得在速度工作范圍內(nèi)，運動方程為： 即 (3-6) 假設(shè)電機從零開始升速，即初始值時，(3-6)式方程的解為： (3-7) 式中，，。 (3-8) 圖3.2 步進電機的矩-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間常數(shù)，其數(shù)值可由(3-8)式理論計算得出，實際工作中也可由實驗來確定。(3-7)式表明驅(qū)動脈沖的頻率應隨時間 t 作指數(shù)規(guī)律上升，這樣就可以在較短的時間內(nèi)使步進電機的轉(zhuǎn)速上升至要求的運行速度。鑒于大多數(shù)的步進電機的矩-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，也就是隨著頻率的增加失步轉(zhuǎn)矩減小到與負載轉(zhuǎn)矩相等的點下的失步頻率。步進電機必須在低于該頻率下運行才能保證不失步。所以可由給定的步進電機的矩-頻特性曲線及所帶動的負載轉(zhuǎn)矩來求得。 步進電機的升降速特性與步進電機、驅(qū)動電源及負載特性等密切相關(guān)，因此對整個步進電機拖動系統(tǒng)而言，其升降速特性的影響因素很多，為方便起見，將步進電機的電拖動系統(tǒng)看作一個慣性阻尼系統(tǒng)，做上述的處理后，得出式(3-7)即為步進電機的升速特性。它可以看作一階慣性環(huán)節(jié)的階躍響應。在工程上認為經(jīng)過時間可以達到穩(wěn)定速度。 3.2 步進電機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) 若單片機使用定時器中斷方式來控制步進電機的速度，那么升降速控制實際上就是不斷改變定時器的裝載值的大小。為了便于編制程序，不必每步都計算裝載值，可以用階梯曲線來逼近升速曲線。 如圖 3-3，縱坐標是頻率，它的單位是步/秒，實質(zhì)上也反映了轉(zhuǎn)速的高低。橫坐標是時間，各段時間內(nèi)走過的步數(shù)用來表示，步數(shù)實質(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 表示的是實際的升速曲線。 將升速段均勻地離散為段，設(shè)整個上升時間為，則相鄰兩次速度變化的時間間隔為： (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，同時取出該檔速度應走的步數(shù)，然后以遞減方式檢查。當減至零時，表示該檔速度應走的步數(shù)已走完，于是速度字，再從升速表中取出下一檔速度。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，步進電機的運行越平穩(wěn)，但因升降速占用的時間增加，影響CPU 處理其他事件的能力。另外，因為是采用定時器定時，還要受定時器最大的定時時間間隔的限制。如果采用 12MHz 時鐘，定時器的最大中斷周期為 65.536ms，相當于步進電機的脈沖頻率 15.259Hz，即采用一個定時器來定時分檔的最低速度不能低于此值。實際取值時，在最低的頻率大于15.259Hz 的條件下，滿足即可，為拖動系統(tǒng)的允許突跳頻率。可由電機的啟動矩-頻特性曲線與負載的矩- 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，也可由電機的最高空載啟動頻率求得，一般取。 選用 110BF003 步進電機的空載啟動頻率Hz,則可取Hz。 3.3 步進電機降速過程的離散處理 因為降速時從勻速開始，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)別是升速過程的運行參數(shù)的 計算是在運行前計算好，然后固化在程序存儲器里，而降速過程的處理是在運行 時實時計算進行的。 3.4 步進電機升速過程運行參數(shù)的計算 圖3.4 輸入?yún)?shù)界面 由3.2節(jié)的離散處理可知，在實際的步進電機運行前，要將升速過程的定時器的裝載初值等參數(shù)先計算出來放在程序存儲器中，以便在程序運行時使用。本設(shè)計采用VB語言進行可視化編程來計算運行參數(shù)。 程序運行時首先顯示圖3.4所示的界面，這時根據(jù)給定的步進電機類型來確定最高運行頻率，并輸入階梯的分檔數(shù)。在輸入階梯分檔數(shù)時，如果給定的分檔數(shù)不能滿足條件，那么程序會重新的返回到圖3.4所示的界面，要重新輸入合適的分檔數(shù)。當這些參數(shù)輸入完成后，按確定鍵則進入結(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算的各個運行參數(shù)值，把這些參數(shù)值固化在 程序存儲器中，以便在程序運行時供查詢使用。 具體的程序見附錄 1。 圖3.4計算機結(jié)果顯示界面 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 4.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 計算機的硬件和軟件是相互結(jié)合而工作的，有些任務必須由硬件來實現(xiàn)，另 外有些任務必須由軟件來實現(xiàn)。但是也有一些任務可以由軟件來完成，也可由硬 件來完成。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設(shè)計程序，且實時性好。 反之，加重軟件任務，會增加編程調(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)步進電機速度的控制是由改變發(fā)出脈沖的時間間隔來實現(xiàn)的，用定時 器來控制發(fā)出脈沖的時間間隔，這樣更能發(fā)揮硬件實時性的優(yōu)勢，同時能夠減輕 軟件的任務。 系統(tǒng)的硬件框圖如圖4.1所示。系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，通過擴展外圍 設(shè)備及接口電路完成對步進電機的并行控制。 圖4.1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖 由于本微機控制系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，利用單片機構(gòu)成系統(tǒng)應從元件級進行系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)任務需要，選擇合理的單片機并配置必須的存儲器、接口和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。 在進行系統(tǒng)的擴展和配置設(shè)計時考慮了以下原則： 1．盡可能的選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 2．系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置的水平應充分滿足應用系統(tǒng)功能的要求，并留有適當?shù)挠嗟兀员氵M行二次開發(fā)。 3．硬件結(jié)構(gòu)應結(jié)合應用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響?？紤]的原則是，軟件能實現(xiàn)的功能盡可能的由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件電路。但是由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應的時間要比直接用硬件實現(xiàn)的時間長，而且占用 CPU 時間。 4．整個系統(tǒng)中的相關(guān)的器件要盡可能的做到性能匹配。 5．單片機外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或者減少芯片功耗，降低總線負載。 根據(jù)以上設(shè)計原則及結(jié)構(gòu)框圖，逐一設(shè)計出每個單元電路，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 4.2.1 微處理器及存儲器的配置 一、微處理器的選擇 微處理器的主要性能指標是位數(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，除了影響運算精度外，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，它具有以下優(yōu)點： (1)內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲器 在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進行程序的修改，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)時鐘方式 AT89C51 單片機采用靜態(tài)時鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對于降低成品的功耗十分有用。 (4)錯誤編程亦無廢品產(chǎn)生 一般的 OTP 產(chǎn)品一旦錯誤編程就成了廢品，而AT89C51 單片機內(nèi)部采用了 Flash 存儲器，所以錯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)可進行反復系統(tǒng)試驗 用 AT89C51 單片機設(shè)計的系統(tǒng)可以反復進行系統(tǒng)試驗，每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計達到最優(yōu)，而且隨用戶的需要和發(fā)展還可以進行修改，使系統(tǒng)能不斷追隨用戶的最新要求。 由于該機型具有上述優(yōu)點，并且有現(xiàn)成的開發(fā)系統(tǒng)，不需購置新的開發(fā)系統(tǒng),可節(jié)約開發(fā)成本，所以選擇 AT89C51 單片機。 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(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。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ·三級程序存儲器鎖定 ·128*8位內(nèi)部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個16位定時器/計數(shù)器 ·5個中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內(nèi)振蕩器和時鐘電 二、存儲器的配置 存儲器配置的任務是確定片外存儲器的類型和容量，選定存儲器型號，設(shè)計擴展電路。在硬件設(shè)計階段，可根據(jù)對控制系統(tǒng)的分析，憑借經(jīng)驗大致估算所需存儲器的容量，估算時應留有余量。對于 ROM 和 RAM，需分別確定容量。選擇存儲器芯片的型號時，應選擇常用型號，盡量減小芯片的數(shù)量。 由于本系統(tǒng)要進行少量的運算，其中有數(shù)組存儲計算結(jié)果，數(shù)組占用較大的空間，所以擴展數(shù)據(jù)存儲器 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)的擴展需要等原因，擴展 8K 字節(jié)的程序存儲空間，選擇 2764ROM 芯片。 4.2.2 鍵盤與顯示接口電路的設(shè)計 一、鍵盤操作的接口和電路設(shè)計 有關(guān)鍵盤操作的部分，可分為參數(shù)設(shè)定和啟動、停止等功能操作。 1．鍵盤操作實現(xiàn)的功能分析和接口選用 (1)參數(shù)設(shè)定 本系統(tǒng)在開始運行之前要求輸入步進電機勻速的運行速度和運行的總步數(shù)，所以要進行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。 (2)系統(tǒng)啟動、停止等操作 為了實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動、停止和正、反轉(zhuǎn)，要設(shè)置相應的按鍵和開關(guān)進行功能鍵的處理。 接口選用：根據(jù)上面對鍵盤要求的分析，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 芯片與單片機的接口 由于 8255A 提供三個 8 位口，所以很方便的進行輸入輸出的擴展，可以實現(xiàn)64 個鍵的鍵盤和 8 位的 LED 數(shù)碼顯示的擴展。8255A 芯片的讀寫信號 RD 、WR ，復位信號 RESET，數(shù)據(jù)總線 D0~ D7均與 CPU 相應的管腳直接相連。片選信號CS與高位地址 P2.7連接和數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。另外由于考慮停機時中斷的需要，由PC 端引出鍵盤的行掃描線通過“與”門接到單片機的外部中斷信號輸入端。 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，因此無鍵按下時，各行線均為高電平。②當采用列線輸出低電平時，有鍵按下相應行線上出現(xiàn)低電平。③根據(jù)此原理，CPU 對整個鍵盤進行掃描，即在已確定有按件按下的行內(nèi)，CPU不斷對列線逐列置低電平，然后檢查行線輸入狀態(tài)，確定按鍵情況。若無鍵按下時，行線與列線斷開，行線上全是高電平，當有鍵按下時，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”。此時讀到的鍵值就是按下的鍵。掃描全部鍵盤時間很短，僅十幾微秒，而按鍵時間一次至少幾十毫秒，所以只要有鍵按下，都能被掃描到。 鍵是機械開關(guān)結(jié)構(gòu)，由于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動，所以要進行鍵的去抖動處理。用軟件延時可以躲過抖動，大約延時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)計如下： 0～9 為數(shù)字鍵：用來輸入運行參數(shù)的值。 輸入速度鍵 Fg：若要輸入運行速度 Fg，先按下此鍵，然后在進行速度的輸入，按“確認”鍵完成輸入； 輸入步數(shù)鍵 sn：若要輸入運行總步數(shù) sn，先按下此鍵，然后再進行步數(shù)的輸入，按“確認”鍵完成輸入； 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)鍵：按下此鍵即進行步進電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換； 確定鍵：當速度或步數(shù)輸入完畢后，按下此鍵以確認輸入； 啟動鍵：若速度、步數(shù)以及正、反轉(zhuǎn)的狀態(tài)都確定后，按下此鍵即可以進入工作狀態(tài)； 停止鍵：在運行過程中，如按下此鍵則步進電機停止轉(zhuǎn)動，在非運行狀態(tài)無效，其功能由中斷來實現(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 鍵盤鍵值和相應的數(shù)字鍵和功能鍵對應表 鍵的編碼格式 鍵代碼（行號+列號） 數(shù)字鍵與功能鍵分配 行 號 列 號 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 1 1 0 0 0 0 1 0 0EH 停止 1 1 0 0 0 0 1 1 0FH 確認 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 1．LED 顯示器的設(shè)計 發(fā)光二級管將電能轉(zhuǎn)變成光能。利用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料可制成發(fā)光二極管LED(Libht Emitting Diode)。發(fā)光二級管工作在正向偏置時，PN結(jié)內(nèi)載流子復合過程中將釋放出能量的大部分以光的形式輻射出來。實際光輻射在約2mA電流強度下便已開始。光強的增加與電流強度成正比。 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)計選用國類常見型號BS225，直流工作電流每段3～5mA,采用脈沖驅(qū)動，響應速度快。 LED 顯示器的發(fā)光二極管有兩種連接方法，共陽極接法和共陰極接法。本設(shè)計中采用共陰極接法。七段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計八段，因此提供給 LED 顯示器的字形代碼正好一個字節(jié)。用 LED 顯示器顯示十六進制的字形代碼在表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 顯示器選用動態(tài)顯示方式。8255A 的 PB0~PB7 作段選碼口，經(jīng)驅(qū)動器與 LED 的段相連；8255A 的 PA0~PA3 作位選碼口，經(jīng)驅(qū)動器與 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)；同時字段線上輸出相應位要顯示字符的段選碼。這樣在每一瞬時，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，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)進行。雖然這些字符是在不同的瞬時輪流顯示出來的，但如使每位顯示的字符停留顯示一段時間，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 十六進制數(shù)字形代碼表 字型 共陽極代碼 共陰極代碼 字型 共陽極代碼 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 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)和運行狀態(tài)。這兩個發(fā)光燈可以用一個I/O口來控制。用單片機的端口P3.0驅(qū)動 LED發(fā)光燈的電路如圖4.3所示。 發(fā)光二級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LED的正極都經(jīng)過500Ω的限流電阻拉到+5V，LED2的負極接到P3.0端口上，而LED1經(jīng)過反相器接到的P3.0端口上，這樣，當