畢業(yè)設(shè)計--基于單片機的步進電機控制器

1、<p>　　課題名稱 基于單片機的步進電機控制器設(shè)計 </p><p>　　基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章　緒論 3</b></p><p><b>　　1.1　引言 3</b>

2、</p><p>　　1.2　步進電機常見的控制方案與驅(qū)動技術(shù)簡介 5</p><p>　　1.2.1　常見的步進電機控制方案 5</p><p>　　1.2.2　步進電機驅(qū)動技術(shù) 7</p><p>　　第2章　步進電機概述 10</p><p>　　2.1　步進電機的分類 10</p><p&g

3、t;　　2.2　步進電機的工作原理 11</p><p>　　2.2.1　結(jié)構(gòu)及基本原理 11</p><p>　　2.2.2　兩相電機的步進順序 11</p><p>　　2.3 步進電機的工作特點 14</p><p>　　第3章　系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16</p><p>　　3.1　系統(tǒng)設(shè)計方案 16</p&

4、gt;<p>　　3.1.1　系統(tǒng)的方案簡述與設(shè)計要求 16</p><p>　　3.1.2　 系統(tǒng)的組成及其對應(yīng)功能簡述 16</p><p>　　3.2　單片機最小系統(tǒng) 18</p><p>　　3.2.1　AT89S51簡介 18</p><p>　　3.2.2　單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 23</p><p&

5、gt;　　3.2.3　單片機端口分配及功能 24</p><p>　　3.3　串口通信模塊 24</p><p>　　3.4　數(shù)碼管顯示電路設(shè)計 25</p><p>　　3.4.1　共陽數(shù)碼管簡介 25</p><p>　　3.4.2　共陽數(shù)碼管電路圖 26</p><p>　　3.5　電機驅(qū)動模塊設(shè)計 27<

6、/p><p>　　3.5.1　L298簡介 27</p><p>　　3.5.2　電機驅(qū)動電路設(shè)計 28</p><p>　　3.6　驅(qū)動電流檢測模塊設(shè)計 30</p><p>　　3.6.1　OP07芯片簡介 30</p><p>　　3.6.2　ADC0804芯片簡介 32</p><p>　　

7、3.6.3　電流檢測模塊電路圖 35</p><p>　　3.7獨立按鍵電路設(shè)計 36</p><p>　　第4章　系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) 37</p><p>　　4.1　系統(tǒng)軟件主流程圖 37</p><p>　　4.2　系統(tǒng)初始化流程圖 38</p><p>　　4.3　按鍵子程序 39</p><p

8、>　　第五章 總結(jié) 43</p><p><b>　　致謝 44</b></p><p><b>　　參考文獻 45</b></p><p>　　摘要：本文應(yīng)用單片機、步進電機驅(qū)動芯片、字符型LCD和鍵盤陣列，構(gòu)建了集步進電機控制器和驅(qū)動器為一體的步進電機控制系統(tǒng)。二維工作臺作為被控對象通過步進電機驅(qū)動滾珠絲桿在X

9、/Y軸方向聯(lián)動。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補方法和步進電機變頻調(diào)速的方法。步進電機控制系統(tǒng)的開發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。最后給出了步進電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。 </p><p>　　In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LCD and keypad arr

10、ay, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Two-dimensional table as a charged object by stepper motor drive ball screw in X / Y axis linkage. This paper discusses

11、a minimum of parameters to determine the trajectory of a circular interpolation method and the method of frequency control stepper motor. Stepper motor control system has been developed using </p><p>　　關(guān)鍵詞:

12、步進電機控制系統(tǒng)，插補算法，變頻調(diào)速，軟硬件協(xié)同仿真</p><p><b>　　第1章　緒論</b></p><p><b>　　1.1　引言</b></p><p>　　步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Steppingmotor、 </p><p>　　Pulse motor或

13、Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞

14、組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。步進電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)

15、通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點[1]。</p><p>　　正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用[2]。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研

16、制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。雖然與發(fā)達國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應(yīng)用在電子計算機的許多外圍設(shè)備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設(shè)備，攝影

17、系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用[3]。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。</p><p>　　為了得到良好的控制性能，對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。上世紀80年代以后，由于微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制

18、系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿蛦纹瑱C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。因此，用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、

19、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進電機的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或C語言進行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實現(xiàn)ｐｃ機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由PC機直接控制步進電機的方法。</p><p>　　但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為

20、齊全；適應(yīng)性強；電機各種運行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高等要求。本論文就是采用這個思路進行設(shè)計。一般步進電機控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相對較單一，并且設(shè)計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。而采用單片機的軟件和硬件結(jié)合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的各種資源，能靈活的對步進電機進行控制，實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控

21、制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機的結(jié)合起來，能做到一定的人機交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價值。</p><p>　　1.2　步進電機常見的控制方案與驅(qū)動技術(shù)簡介</p><p>　　1.2.1　常見的步進電機控制方案</p><p>　　1、基于電子電路的控制</p>

22、<p>　　步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務(wù)。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如圖1.1所示。</p><p&g

23、t;　　圖1.1　基于電子電路控制系統(tǒng)</p><p>　　此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚恚詣咏o出脈沖鏈，使步進電機每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步[4]。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其

24、脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計，因此靈活性不高。</p><p>　　2、基于PLC的控制</p><p>　　PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組

25、成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構(gòu)的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于4時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采

26、用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進電機。 </p><p>　　采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)

27、的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。</p><p>　　3、基于單片機的控制</p><p>　　采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步

28、進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。</p><p>　　本方案有以下優(yōu)點：(1)單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避

29、免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性[5]。</p><p>　　基于以上優(yōu)點，本次設(shè)計采用基于單片機的控制方案。</p><p>　　1.2.2　步進電機驅(qū)動技術(shù)<

30、/p><p>　　步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進電機驅(qū)動技術(shù)指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術(shù)。到目前為止，步進電機驅(qū)動技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動

31、、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等。</p><p>　　單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。該驅(qū)動方式早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，

32、用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應(yīng)、減少了電動機的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合。</p><p>　　高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能

33、得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應(yīng)用中還比較常見。</p><p>　　為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效

34、率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實現(xiàn)了驅(qū)動控制。</p><p>　　為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設(shè)計一個低速時低電壓驅(qū)動，高速時高電壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導(dǎo)通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當運行速度逐漸

35、變快時，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實際運行中需要針對不同參數(shù)的電機，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。</p><p>　　細分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細分驅(qū)動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。比如：電流分成n個臺階，

36、轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個步距角，即n細分細分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步迸電機在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細分驅(qū)動技術(shù)是步進電動機驅(qū)動與控制技術(shù)的一個飛躍[6]。</p><p>　　1.3　本文研究的內(nèi)容</p><p>　　在一般的步進電機工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對步

37、進電機的各相繞組按恰當?shù)臅r序方式通電，就可使其執(zhí)行步進轉(zhuǎn)動。當某一相繞組通電時相應(yīng)的兩個磁極就分別形成N-S極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對其，從而使步進電機向前“走”一步。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入的脈沖同步。只要能正確控制輸入的電脈沖數(shù)、頻率以及電機各相繞組通電的相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，通過單片機很容易實現(xiàn)對步進電機的

38、數(shù)字控制。</p><p>　　本設(shè)計采用AT89S51單片機實現(xiàn)對兩相步進電機的轉(zhuǎn)速控制。由單片機產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過脈沖分配器后分解出對應(yīng)的四相脈沖，分解出的四相脈沖經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。</p><p>　　本課題的研究目的之一就是設(shè)計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應(yīng)性強，操作方便，交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。</p><p

39、>　　第2章　步進電機概述</p><p>　　2.1　步進電機的分類</p><p>　　步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進電機[7]。</p><p&g

40、t;　　(1)反應(yīng)式步進電機(Variable Reluctance，簡稱VR)反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進電機有單段式和多段式兩種類型；</p><p>　　(2)永磁式步進電機(Permanent Magnet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所

41、以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電；</p><p>　　(3)混合式步進電機(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具

42、有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于本設(shè)計的設(shè)計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進電機[7]。</p><p>　　2.2　步進電機的工作原理 </

43、p><p>　　2.2.1　結(jié)構(gòu)及基本原理</p><p>　　步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個

44、步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，步進電機將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運動。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的，并可重復(fù)，這就是步進電機為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。</p><p>　　通過電磁感應(yīng)定律我們很容易知道激勵一個線圈繞組將產(chǎn)生一個電磁場，分為北極和南極，見圖2.1所示。定子產(chǎn)生的磁場使

45、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動。</p><p>　　圖2.1　 激勵線圈產(chǎn)生電磁場</p><p>　　2.2.2　兩相電機的步進順序</p><p>　　1、兩相電機的單相通電步進順序</p><p>　　在圖2.2中我們很清晰的展示了在單相通電時一個兩相步進電機的典型的步進順序。在第1

46、步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。當A相關(guān)閉、B相通電時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90°。在第3步中，B相關(guān)閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90°。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按90°的步距角順時針旋轉(zhuǎn)[8] [9]。</p><p>　　圖2.2　兩相電機的單相通電步進順序</p>&l

47、t;p>　　2、兩相電機的雙相通電步進順序</p><p>　　圖2.2中顯示的步進順序稱為“單相激勵”步進。更常用的步進方法是“雙相激勵”，其中電機的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖2.3所示。在第1步中，兩相定子的A相和B相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第2步中，兩相定子的A相關(guān)閉，而B和a相（此時的a相通電極性與第1步A相反）同時

48、通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step2位置。在第3步中，兩相定子的a相和b相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。在第4步中，兩相定子的b相和A相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step4位置。按照這樣的通電方式電機就轉(zhuǎn)過了一周[8] [9]。</p><p>　　兩相步進時，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的

49、軸線處對直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進多提供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。</p><p>　　圖2.3　兩相電機的雙相通電步進順序</p><p>　　3、步進電機的半步工作方式</p><p>　　電機也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進電機的整個步距角一分為二。例如，一個90°的步進電機將每半步移動45&

50、#176;，見圖2.4。但是，與“兩相通電”相比，半步進通常導(dǎo)致15%～30%的力矩損失（取決于步進速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。</p><p>　　從原理圖我們很容易看到半步工作方式其實就是將兩相電機的單相通電工作方式和兩相電機的雙相通電工作方式相互結(jié)合起來。</p><p>　　兩相步進電機的工作模式有兩相四

51、拍和兩相八拍等兩種，其中我們在圖2.2和圖2.3中展示的都叫做兩相四拍工作模式，而下面的2.4圖展示的就是兩相八拍工作模式[8] [9]。</p><p>　　圖2.4　兩相電機的半步步進順序</p><p>　　第3章　系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　3.1　系統(tǒng)設(shè)計方案 </p><p>　　3.1.1　系統(tǒng)的方案簡述與設(shè)計要求<

52、;/p><p>　　本設(shè)計采用單片機AT89S51來作為整個步進電機控制系統(tǒng)的運動控制核心部件，采用了電機驅(qū)動芯片L298及其外圍電路構(gòu)成了整個系統(tǒng)的驅(qū)動部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進電機來構(gòu)成了一個基本的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體功能和要求如下：</p><p>　　1.單片機最小系統(tǒng)板的設(shè)計；</p><p>　　2.設(shè)計兼有兩相兩拍和兩相四拍的脈沖分配器;<

53、;/p><p>　　3.實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；</p><p>　　4.驅(qū)動電路可提供電壓為12V，電流為0.3A的驅(qū)動信號;</p><p>　　5.能實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，最高轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分；</p><p>　　6.步進電機的轉(zhuǎn)速由數(shù)碼管顯示；</p><p>　　7.鍵盤掃

54、描電路的設(shè)計</p><p>　　3.1.2　 系統(tǒng)的組成及其對應(yīng)功能簡述</p><p>　　整個系統(tǒng)的組成包括單片機最小系統(tǒng)，電機驅(qū)動模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機驅(qū)動電流檢測模塊，獨立按鍵等模塊組成。具體框圖如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1　系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　單片機最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，

55、它主要負責產(chǎn)生控制步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比步進電機轉(zhuǎn)動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉(zhuǎn)動的的方向與輸出的脈沖順序有關(guān)。同時單片機系統(tǒng)還負責處理來自電機驅(qū)動電流檢測模塊檢測到的電流值。與此同時，單片機將會把電機轉(zhuǎn)速，電機的轉(zhuǎn)動方向，以及電流檢測模塊檢測到的電機驅(qū)動的電流通過數(shù)碼管顯示出來。</p><

56、p>　　電機驅(qū)動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大，從而驅(qū)動電機工作。</p><p>　　串口下載模塊主要是負責實行計算機和單片機之間的通信，將在計算機里面編寫好的程序下載到單片機芯片當中。</p><p>　　數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)向，和通過電機的電流等系統(tǒng)的實時信息。</p><p>　　電機驅(qū)動電流檢測模塊主要是檢測通過電機

57、驅(qū)動芯片的電流，然后通過運放將檢測到的信號放大，最后將放大后的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804處理后送給單片機。</p><p>　　獨立按鍵作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，通過它設(shè)置了電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，顯示電機電流等功能。采用了中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成了對步進電機的最佳的及時的控制。</p><p>　　本節(jié)主要是在第一章和第二章的基礎(chǔ)上引出了本

58、論文將要采用的設(shè)計方案，并詳細的清楚的一條條列出了設(shè)計要實現(xiàn)的基本設(shè)計要求。然后是基于我的設(shè)計方案，比較簡單的但有條理的描述了系統(tǒng)的各個部分的組成以及其對應(yīng)的基本功能。通過這一章的內(nèi)容，我們能對本設(shè)計有一個簡單的總體的把握，既是能清楚的知道本題目的設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計方法，以及最終的預(yù)期目標。</p><p>　　33.2　單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　3.2.1　AT89S51簡介<

59、;/p><p>　　AT89S51是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes 的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，功能強大。</p><p><b>　　

60、1、主要性能參數(shù)</b></p><p>　　·與MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 </p><p>　　·4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲器 </p><p>　　·1000 次擦寫周期 </p><p>　　·4.0－5.5V 的工作電壓范圍 </p>

61、<p>　　·全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz </p><p><b>　　·三級程序加密鎖 </b></p><p>　　·128×8 字節(jié)內(nèi)部RAM </p><p>　　·32 個可編程I／O口線 </p><p>　　·2 個16 位定時／

62、計數(shù)器 </p><p><b>　　·6 個中斷源 </b></p><p>　　·全雙工串行UART 通道 </p><p>　　·低功耗空閑和掉電模式 </p><p>　　·中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) </p><p>　　·看門狗（WDT）及

63、雙數(shù)據(jù)指針 </p><p>　　·掉電標識和快速編程特性 </p><p>　　·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP 字節(jié)或頁寫模式）</p><p><b>　　2、功能特性概述</b></p><p>　　AT89S51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個

64、I ／O 口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16 位定時／計數(shù)器，一個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51 可降至0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時／計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。</p><p&g

65、t;<b>　　3、引腳功能說明</b></p><p>　　3.2　 AT89S51</p><p>　　該設(shè)計使用到的單片機芯片對應(yīng)管腳名稱位置等如圖3.2的引腳功能圖詳細說明。</p><p><b>　　·VCC：電源電壓</b></p><p><b>　　·

66、GND：地</b></p><p>　　·P0 口：P 0口是一組8位漏極開路型雙向I／0口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash 編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分

67、時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）。</p><p>　　·P1 口：Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I ／O 口，Pl 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 （IIL ）。</p><p>　　·P2 口

68、：P2 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I ／O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 （IIL ）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行M

69、OVX@Ri 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容 （也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū) P2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程或校驗時，P2 亦接收高位地址和其它控制信號。</p><p>　　· P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I ／O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l(fā)”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸

70、入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流 （IIL ）。P3口除了作為一般的I ／O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。具體功能如表2.1所示</p><p>　　表3.1　P3口的引腳及功能</p><p>　　·RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將

71、使單片機復(fù)位。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR 的DISRT0 位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRT0 位缺 為RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。</p><p>　　·ALE ／PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1 ／6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸

72、出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對F1ash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （PROG）。如 必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只一條M0VX 和M0VC 指令A(yù)LE 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE 無效。</p><p>　　·P

73、SEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。</p><p>　　·EA ／VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H－FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位L

74、B1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA 端狀態(tài)。</p><p>　　如EA 端為高電平（接Vcc 端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。</p><p>　　F1ash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程電壓Vpp 。 </p><p>　　·XTALl：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　

75、83;XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　·存儲器結(jié)構(gòu) ：MCS-51 單片機內(nèi)核采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 </p><p>　　·程序存儲器 ：如果EA引腳接地（GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲器。在AT89S51，假如EA 接至Vcc（電源+），程序首先執(zhí)行地址從0000H－0FFFH

76、（4KB）內(nèi)部程序存儲器，再執(zhí)行地址為1000H－FFFFH （60KB）的外部程序存儲器。</p><p>　　·數(shù)據(jù)存儲器：AT89S51的具128字節(jié)的內(nèi)部RAM，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進行，128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。</p><p>　　4、晶體振蕩器特性 </p><p>　　AT89S51一個

77、用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。</p><p>　　外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容Cl、C2 接在放大器的反饋回路 構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容Cl、C2 雖然沒 十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如

78、果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF ±10pF。</p><p>　　用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。</p><p>　　由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時

79、間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。</p><p>　　5、Flash 閃速存儲器的并行編程</p><p>　　AT89s51單片機內(nèi)部4k字節(jié)的可快速編程的Flash存儲陣列。編程方法可通過傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓（+12V）和協(xié)調(diào)的控制信號進行編程。</p><p>　　AT89S51的代碼是逐一字節(jié)進行編程的。 </p>

80、<p><b>　　編程方法：</b></p><p>　　編程前，須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號，AT89S51 編程方法如下： </p><p>　　1．在地址線上加上要編程單元的地址信號。</p><p>　　2．在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。</p><p>　　3．激活相應(yīng)的控制信號。</p&

81、gt;<p>　　4．將EA ／Vpp 端加上+12V 編程電壓。</p><p>　　5．每對Flash 存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位，加上一個ALE ／PROG編程脈沖。每個字節(jié)寫入周期是自身定時的，大多數(shù)約為50us。改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù)1－5 步驟，直到全部文件編程結(jié)束。</p><p>　　3.2.2　單片機最小系統(tǒng)設(shè)計</p&g

82、t;<p>　　采用AT89S51單片機構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。在本設(shè)計當中，單片機的P 0口、P 1口、P 2口、P 3口全部參與系統(tǒng)工作，單片機最小系統(tǒng)的接線如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3　單片機最小系統(tǒng)圖</p><p>　　3.2.3　單片機端口分配及功能</p><p>　　1、其中P

83、 0口用于控制數(shù)碼管的具體顯示功能，既是數(shù)碼管的段選。</p><p>　　2、P 1口主要用于控制電機驅(qū)動芯片L298的工作，以及ADC0804芯片的編程的讀寫控制。</p><p>　　3、P 2口主要用于控制數(shù)碼管的公共端，既是數(shù)碼管的位選。與此同時還處理鍵盤掃描電路的。</p><p>　　4、P 3口主要用于負責處理ADC0804的模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片的工作。&l

84、t;/p><p>　　3.3　串口通信模塊</p><p>　　本設(shè)計采用串口通信，來實現(xiàn)計算機與單片機的通信。其具體的電路圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4　串口通信模塊</p><p>　　3.4　數(shù)碼管顯示電路設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計的顯示部分可以用液晶顯示的方案可供選擇，液晶顯示和數(shù)碼管顯示的

85、區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個方面：數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，而液晶顯示器顯示內(nèi)容豐富，因為液晶一般都是七段八字的只能顯示單一的內(nèi)容，而液晶顯示的內(nèi)容就很豐富；數(shù)碼管還比液晶顯示耗電，而且使用液晶也比使用數(shù)碼管顯得美觀。但是控制液晶顯示器的時候占用的系統(tǒng)資源多，編程更復(fù)雜，最關(guān)鍵的是液晶顯示的成本是數(shù)碼管的幾十倍，所以考慮到應(yīng)用價值，最終還是確定選用數(shù)碼管實現(xiàn)本設(shè)計的顯示部分功能。</p><p>　　3.4.1　共陽數(shù)碼管簡

86、介</p><p>　　四位共陽數(shù)碼管的管腳分配如下圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5　四位共陽數(shù)碼管管腳定義</p><p>　　數(shù)碼管的管腳排列：從數(shù)碼管的正面觀看，左下角的那個腳為1腳，從1腳開始，按照逆時針方向排列依次是1腳到12腳，其中12、9、8、6為公共角，為位選信號輸入端。剩余的八個腳是段選信號輸入端，其對應(yīng)方式是A-11、B-7、C-4、

87、D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3。</p><p>　　只有詳細的了解了數(shù)碼管的管腳定義，以及段選位選情況，我們才能通過編程對其正常的顯示進行很好的控制。在本設(shè)計當中采用了數(shù)碼管動態(tài)掃描的方式進行顯示，下面我們對數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示作一詳細介紹。</p><p>　　數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,

88、c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。</p><p>　　通過分時輪流控制各個LED數(shù)碼管

89、的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低。</p><p><b>　　3..4.2</b></p

90、><p>　　本設(shè)計選用了數(shù)碼管顯示設(shè)計，其段選的控制A、B、C、D、E、F、G、DP按照數(shù)碼管的簡介資料選用了P 0口作為其控制端口，其位選部分由于單片機的控制端口輸出的電壓不足以直接點亮數(shù)碼管，所以在單片機控制端口和數(shù)碼管的位選控制端口加入了三極管，其具體的電路連接如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6　 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　3.5　電機驅(qū)動

91、模塊設(shè)計</p><p>　　在第一章的1.2.2中已經(jīng)詳細的介紹了目前的電機的驅(qū)動技術(shù)的基本類型，考慮要硬件設(shè)計驅(qū)動電路的方法會電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，而且采用多個元器件搭接，成本高。而直接采用集成的驅(qū)動芯片時電路穩(wěn)定，成本低，易于控制，所以最終本設(shè)計是直接采用電機驅(qū)動芯片L298作為電機驅(qū)動部分的核心部件。</p><p>　　3.5.1　L298簡介</p><p&

92、gt;　　L298N為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片，內(nèi)部包含4 信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準：TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號。</p

93、><p>　　L298N 之接腳如圖 3.7所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測用電阻連接來控制負載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個步進電機；input1~input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機停轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖3.7　L298管腳圖</p><p><b>　　引腳功能介紹

94、：</b></p><p>　　1、1；15腳（Sense A；Sense B）：電流檢測端，分別為兩個H橋的電流反饋腳，不用時可以直接接地；</p><p>　　2、2；3腳（Output1；Output2）：1Y1、1Y2輸出端；</p><p>　　3、4腳（VS）：功率電源電壓,此引腳與地必須連接 100nF電容器；</p><

95、;p>　　4、5；7腳（Input 1； Input）：1A1、1A2輸入端，TTL 電平兼容；</p><p>　　5、6；11腳（Enable A；Enable B）：TTL 電平兼容輸入 1EN、2EN 使能端，低電平禁止輸出；</p><p>　　6、8腳（GND）：GND接地端；</p><p>　　7、9腳（VSS）：邏輯電源電壓。此引腳必須與地連

96、接100nF電容器；</p><p>　　8、10；12腳（Input3；Input4）：2A1，2A2輸入端，TTL電平兼容；</p><p>　　9、13；14腳（Out3；Out4）：2Y1、2Y2 輸出端，監(jiān)測引腳15；</p><p>　　3.5.2　電機驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　如圖2.8所示，本設(shè)計的電機驅(qū)動部分是由驅(qū)動

97、芯片L298及其外圍電路構(gòu)成，其中從L298的2、3腳和13、14腳（即芯片的輸出端）依次按順序連成一個插座，分別與步進電機的四根線相連。而5、6、7、10、11、12腳就依次與單片機的P1口的六個管腳相連。通過這一連接實現(xiàn)了單片機與L298以及步進電機的串聯(lián)控制。</p><p>　　圖中很重要的部分是由四個二極管連成的保護電路，其作用是防止由于步進電機的轉(zhuǎn)速提高而產(chǎn)生的自感電動勢損壞芯片。由于本設(shè)計使用的電機

98、驅(qū)動電壓是使用了9V (也可以使用12V)，所以二極管的負端接9V的參考電壓。如果驅(qū)動芯片的電壓改變，那么這個參考電壓也隨之一起改變。</p><p>　　圖2.8　電機驅(qū)動電路圖</p><p>　　3.6　驅(qū)動電流檢測模塊設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計的驅(qū)動芯片電流檢測模塊的實際應(yīng)用意義在于，檢測流過電機的電流值并及時顯示，對于防止電機過流而損壞電機有一定的意

99、義。從上面的L298的芯片資料當中我們可以知道L298的Pin1和Pin15可與電流偵測電阻連接來偵測電機正常工作的情況下的工作電流。一般檢測電流的方法是通過檢測電壓值，然后通過歐姆定律換算電流值的方法測試電流，本設(shè)計也不例外。設(shè)計采用的42BYG101反應(yīng)式步進電機，其額定電流值0.2安，在加上一般常用的電流偵測電阻都是1歐姆或0.1歐姆，這樣換算來檢測到的電壓值一般是在mV級，這樣以來，要是直接將檢測到的電壓值送給ADC0804進行

100、模數(shù)轉(zhuǎn)換那么由于精度的原因勢必會對檢測結(jié)果的準確性造成很大的影響。所以考慮到這一原因我們是先將檢測到的電流值經(jīng)過OP07作放大處理后再將信號送給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片處理這樣保證了檢測值的可靠性。ADC0804輸出的數(shù)字信號再送給單片機的P 3口，經(jīng)過單片機處理后最后將檢測到的數(shù)字信號通過數(shù)碼管顯示出來。而在顯示這一部分有這樣一個問題，就是步進電機的工作電流不是一個恒定值，它是隨著時間的變化，會在一個小范圍內(nèi)不停的波動為了使顯示出來的電流數(shù)據(jù)更可

101、靠，</p><p>　　圖2.9 電流檢測框圖</p><p>　　3.6.1　OP07芯片簡介</p><p>　　1、OP07功能介紹</p><p>　　Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。

102、OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。</p><p><b>　　2、特點</b></p><p>　　超低偏移：150μV最大</p><p>　　低輸入偏置電流：1

103、.8nA</p><p>　　低失調(diào)電壓漂移：0.5μV/℃</p><p>　　超穩(wěn)定時間：2μV/month最大</p><p>　　高電源電壓范圍： ±3V至±22V</p><p>　　3、芯片引腳功能說明</p><p>　　1腳和8腳：是偏置平衡（調(diào)零端）</p><

104、p><b>　　2腳：為反相輸入端</b></p><p><b>　　3腳：為同向輸入端</b></p><p>　　4腳和7腳：分別為ｖｃｃ－和ｖｃｃ＋</p><p><b>　　5腳：懸空</b></p><p><b>　　6腳：為輸出端</b&

105、gt;</p><p>　　其引腳圖如圖3.10</p><p>　　圖2.10　OP07芯片及管腳圖</p><p>　　3.6.2　ADC0804芯片簡介</p><p>　　1、芯片主要技術(shù)指標</p><p>　　(1) 分辨率：8 位(0~255)</p><p>　　(2) 存取時間

106、：135 ms</p><p>　　(3) 轉(zhuǎn)換時間：100 ms</p><p>　　(4) 總誤差：-1~+1LSB</p><p>　　(5) 工作溫度：ADC0804C為0度~70度；ADC0804L為-40 度~85 度</p><p>　　(6) 模擬輸入電壓范圍：0V~5V</p><p>　　(7) 參

107、考電壓：2.5V</p><p>　　(8) 工作電壓：5V</p><p>　　1、芯片引腳功能及說明</p><p>　　接腳說明見下圖：ADC0804 為一只具有20引腳8位CMOS連續(xù)近似的A/D 轉(zhuǎn)換器。芯片具體引腳圖如圖3.11所示。</p><p>　　圖2.11　ADC0804芯片及管腳圖</p><p&g

108、t;　　(1). PIN1 (CS )：Chip Select，與RD、WR 接腳的輸入電壓高低一起判斷讀取或?qū)懭肱c否，當其為低位準(low) 時會active。</p><p>　　(2). PIN2 ( RD )：Read。當CS 、RD皆為低位準(low)時，ADC0804會將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字訊號經(jīng)由DB7 ~ DB0 輸出至其它處理單元。</p><p>　　(3). PIN3 (W

109、R )：啟動轉(zhuǎn)換的控制訊號。當CS 、WR 皆為低位準(low) 時ADC0804 做清除的動作，系統(tǒng)重置。當WR由0→1且CS ＝0 時，ADC0804會開始轉(zhuǎn)換信號，此時INTR 設(shè)定為高位準(high)。</p><p>　　(4). PIN4、PIN19 (CLK IN、CLKR)：頻率輸入/輸出。頻率輸入可連接處理單元的訊號頻率范圍為100 kHz 至800 kHz。而頻率輸出頻率最大值無法大于640K