畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

1、 摘 要單片計(jì)算機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)。由ram ,rom,cpu構(gòu)成，定時(shí)，計(jì)數(shù)和多種接口于一體的微控制器。它體積小，成本低，功能強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化上。本文主要研究基于at89c51 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器控制,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用74ls47和達(dá)林頓管，使步進(jìn)電機(jī)可在智能化程序控制下完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定等各種操作。文中在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離可使步進(jìn)電機(jī)具有更高的性能,同時(shí)把數(shù)字電路與驅(qū)動(dòng)電路隔離開,避免了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電壓和電流干擾單片機(jī)。要想達(dá)到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的快速啟停、高精度步進(jìn)運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的控制，則采用單片機(jī)控制系統(tǒng)可將問(wèn)題大大的簡(jiǎn)化。不僅能簡(jiǎn)

2、化線路，降低成本，而且能大大的提高其可靠性。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，通過(guò)人機(jī)交互換接口可實(shí)現(xiàn)各功能設(shè)置，操作簡(jiǎn)單，易于掌握。該系統(tǒng)可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)在機(jī)電一體化控制等大多數(shù)場(chǎng)合。實(shí)踐證明，基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)比傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器具有更好的性能，更加簡(jiǎn)單、方便、可靠。本設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象就是開環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件步進(jìn)電機(jī)。在這科技越來(lái)越發(fā)達(dá)的時(shí)代，人們對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的要求也越來(lái)越高。運(yùn)用單片機(jī)對(duì)其高精度和智能化控制一直備受關(guān)注，對(duì)其高新技術(shù)的開發(fā)持續(xù)不斷，單片機(jī)系統(tǒng)控制的研究具有很大的開發(fā)潛能，本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其中，硬件設(shè)計(jì)主要包括

3、單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼顯示模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)，以及硬件電路在電路板上的實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序以及各個(gè)模塊的控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)顯示在led數(shù)碼管上。本系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用性及可靠性的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：at89c51 步進(jìn)電機(jī) 目 錄摘要緒論······················&#

4、183;···················1第一章 系統(tǒng)方案論證··························31.1 系統(tǒng)基本功能

5、3;·······························31.2 設(shè)計(jì)方案介紹·················

6、;···············31.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)·································&#

7、183;··3第二章 硬件設(shè)計(jì)······························42.1 單片機(jī)系統(tǒng)··············&

8、#183;····················42.1.1 at89c51功能概述··························&

9、#183;········42.2 步進(jìn)電機(jī)······································122.2.1 步進(jìn)

10、電機(jī)的分類······································122.2.2 步進(jìn)電機(jī)概述·········

11、;·······························132.2.3 電機(jī)的工作原理················&#

12、183;·····················152.3 數(shù)碼管顯示電路··························&

13、#183;·····192.4 鍵盤控制電路··································212.5 光電耦合器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)·····

14、83;····················222.6 顯示塊····························

15、············242.7 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路圖··················26第三章 控制系統(tǒng)的軟件··············

16、83;·········283.1程序設(shè)計(jì)思路··································283.1.1程序流程圖··

17、3;·······································28第四章 仿真與調(diào)試·········

18、;···················34第五章 設(shè)計(jì)小結(jié)·····························&

19、#183;35附錄··········································36參考文獻(xiàn)·····

20、83;································41感謝·················

21、;·························42 緒 論步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱為steppingmotor、 pulse motor或stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，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(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上

22、也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受

23、負(fù)載變化的影響，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。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(guó)都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們我國(guó)的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已

24、經(jīng)在我國(guó)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(lái)由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)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。因而，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。為了得到良好的控制性能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒(méi)有停止過(guò)，許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。上

25、世紀(jì)80年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(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(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)?；谖⑿蛦纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)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(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動(dòng)三種

26、常見驅(qū)動(dòng)方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案之外，目前報(bào)道的驅(qū)動(dòng)方案還有根據(jù)匯編語(yǔ)言或c語(yǔ)言進(jìn)行軟件開發(fā)，通過(guò)串行或并行通行的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實(shí)現(xiàn)由pc機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法。但是在有些應(yīng)用場(chǎng)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(jiǎn)單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等要求。本論文就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價(jià)格較貴，功能相對(duì)較單一，并且設(shè)計(jì)要求有所改變，就得改變整個(gè)硬件電路，比較麻煩

27、。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)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(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。第一章 系統(tǒng)方案論證1.1 系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器。要求內(nèi)能從鍵盤上輸入步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及啟停，并顯示轉(zhuǎn)數(shù)。具體要求如下：(1) 鍵盤設(shè)計(jì)09: 數(shù)字鍵。*：正逆轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定完成后，按“*”啟動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。#：清除設(shè)定

28、為正轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)數(shù)為00。a：設(shè)定正逆轉(zhuǎn)。按“a”鍵則led指示燈亮，表示逆轉(zhuǎn)，再按則led只是等滅，表示正轉(zhuǎn)。(2) 控制過(guò)程 送電時(shí)，設(shè)定為正轉(zhuǎn)，顯示器顯示為“00”。 輸入轉(zhuǎn)數(shù)，顯示器顯示輸入的轉(zhuǎn)數(shù)，按“a”設(shè)定正逆轉(zhuǎn)，led指示燈亮表示逆轉(zhuǎn)，led指示燈滅表示正轉(zhuǎn)，然后按“*”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行。 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，顯示器減1，直至為00，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 1.2設(shè)計(jì)方案介紹根據(jù)功能設(shè)計(jì)的要求本設(shè)計(jì)采用at89c51單片機(jī)系統(tǒng)控制運(yùn)用矩陣式鍵盤作為輸入控制端驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用74ls04和達(dá)林頓管，使步進(jìn)電機(jī)可在智能化程序控制下完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定等各種操作。文中在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一

29、級(jí)光電隔離?？墒共竭M(jìn)電機(jī)具有更高的性能,同時(shí)把數(shù)字電路與驅(qū)動(dòng)電路隔離開,避免了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電壓和電流干擾單片機(jī)。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要想實(shí)現(xiàn)以上論述的功能只要通過(guò)p1口的鍵盤輸入并按一定的順序改變p0口輸出的脈沖信號(hào)，從而改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)四端通電的狀況，即可控制步進(jìn)電機(jī)依選定的方向步進(jìn)。同時(shí)通過(guò)顯示器同步的顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。依據(jù)以上描述可畫出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1.1所示 圖1.1 步進(jìn)電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)框圖控制系統(tǒng)包括：鍵盤輸入模塊、顯示、指示模塊以及步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)模塊。鍵盤輸入模塊主要完成數(shù)據(jù)輸入及控制輸入，顯示模塊完成轉(zhuǎn)數(shù)的顯示。步進(jìn)電機(jī)模塊主要是由單片機(jī)輸出控制碼到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制

30、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。第二章 硬件設(shè)計(jì)21單片機(jī)系統(tǒng) 2.1.1 at89c51功能概述at89c51是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器perom和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。此單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合。at89c51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個(gè)i/o口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通訊口

31、，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，同時(shí)at89c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的工作模式，空閑方式停止cpu的工作，但允許ram，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(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(gè)硬件復(fù)位。（1）引腳功能說(shuō)明mcs-51是標(biāo)準(zhǔn)的40腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請(qǐng)參見圖2.1：圖2.1 at89c51的引腳圖vcc：電源電壓； gnd：地；p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i/o口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯門電路，對(duì)端口寫1可作為高阻

32、抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，p0口接受指令字節(jié)，而在程序效驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，效驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。p1口：p1口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口,p1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)端口寫1，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉底時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。flash編程和程序效驗(yàn)期間，p1接收低8位地址。p2口：p2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口,p2的輸出緩沖

33、級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4個(gè)ttl邏輯們電路。對(duì)端口寫1，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉底時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時(shí)，p2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行movxri）時(shí)，p2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中r2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。flash編程或效驗(yàn)時(shí)，p2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。p3口：p3口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口,p3的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出

34、電流）4個(gè)ttl邏輯們電路。對(duì)端口寫1，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉底時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。p3口除了作為一般的i/o口線外，更重要的用途是他的第二個(gè)功能，如下表所示：表1 p3口at89c51特殊功能端口引腳功能特性p3.0rxd（串行口輸入）p3.1txd（并行口輸入）p3.2int0（外部中斷0）p3.3int1（外部中斷1）p3.4t0（定時(shí)計(jì)數(shù)外部輸入0）p3.5t1（定時(shí)計(jì)數(shù)外部輸入0）p3.6(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)p3.7(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)p3口還接收一些用于flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序效驗(yàn)的

35、控制信號(hào)。rst：復(fù)位輸入。其引腳一旦變成兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，所有的i/o口都將復(fù)位到1狀態(tài)，當(dāng)振蕩器正在工作時(shí)，持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平便可完成復(fù)位，每個(gè)機(jī)器周期為12個(gè)振蕩時(shí)鐘周期。ea/vpp：外部訪問(wèn)允許，欲使cpu僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（0000hffffh），ea端必須保持低電平接地，需注意的是：如果加密位lb1被編程，復(fù)位是內(nèi)部會(huì)鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12v編程電壓vpp。xtal1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端

36、。xtal2：振蕩器反相放大器輸出端（2）時(shí)鐘振蕩器at89c51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳xtal1和 xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋器件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖2.2。外接石英晶體或陶瓷振蕩器及電容 c1，c2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容 c1，c2雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振得難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30pf±10pf，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇40pf±10pf。

37、圖 2.2 時(shí)鐘振蕩電路（3）復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行是都需要復(fù)位，使中央處理器cpu和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。mcs-51的復(fù)位輸入引腳rst為mcs-51提供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執(zhí)行，在mcs-51的時(shí)鐘電路工作后，只要rst引腳上出現(xiàn)超過(guò)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，即可產(chǎn)生復(fù)位的操作。只要 rst保持高電平，則mcs-51循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)rst由高電平變低電平以后，mcs-51才從0000h地址開始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位方式的復(fù)位電路。mcs-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳rst，它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)2

38、個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平。使器件復(fù)位，只要rst保持高電平，mcs-51保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ale、/psen、p0、p1、p2、p3口都輸出高電平。rst變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位，cpu從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位以后內(nèi)部寄存器的初始狀態(tài)為（sp=07，p0、p1、p2、p3為0ffh外，其它寄存器都為0。在rst復(fù)位端接一個(gè)電容至vcche 一個(gè)電阻至vss，就能實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，對(duì)于cmos單片機(jī)只要接一個(gè)電容至vcc即可。如圖，在加電瞬間，電容通過(guò)電阻充電，就在rst端出現(xiàn)一定時(shí)間的高電平，只要高電平時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可以使mcs-51有效地復(fù)位。rst端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)

39、間包括vcc的上升時(shí)間和振蕩器起振時(shí)間，vcc上升時(shí)間若為10ms，振蕩器起振時(shí)間和頻率有關(guān)。10mhz時(shí)間約為1ms，1mhz時(shí)約為10ms，所以一般為了可靠地復(fù)位，rst在上電時(shí)應(yīng)保持20ms以上的高電平。圖2.5中，rc時(shí)間常數(shù)越大，上電時(shí)rst端保持高電平的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)振蕩頻率為12mhz時(shí)，典型值為c=10uf,r=8.2k. 圖2-3上電復(fù)位電路（4）人工復(fù)位除上電自動(dòng)復(fù)位以外，常常需要人工復(fù)位，將一個(gè)按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電自動(dòng)復(fù)位電路，按一下開關(guān)就rst端出現(xiàn)一段時(shí)間的高電平，即使器件復(fù)位。如圖所示圖2-4上電和開關(guān)復(fù)位而我們?cè)谶@次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用的人工復(fù)位電路. 其中電平復(fù)位是通過(guò)

40、rst端經(jīng)電阻和電源vcc接通而實(shí)現(xiàn)的，按鍵手動(dòng)電平復(fù)位電路如圖。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用12mhz時(shí)，c選取10uf，r選擇1000歐。（5）上拉電阻的作用p0口沒(méi)有上拉電阻，故作為普通io口用的時(shí)候，須加上拉電阻。p2口內(nèi)部存在上拉電阻，但因?yàn)槠溆米骶仃囨I盤，為了得到較高的可靠性，故將其也再加上外部上拉。一般上拉電阻取值為1k-10k。阻值越小，能提供的上拉 能力也越強(qiáng)，但功耗也會(huì)隨之上升。晶體震蕩器電路如圖2-5所示，圖2-5晶體震蕩器電路圖（6）振蕩器特性xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，x

41、tal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（7）芯片擦除整個(gè)perom陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ale管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，at89c52設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)

42、硬件復(fù)位為止。因此在本次設(shè)計(jì)中用at89c52來(lái)作為該系統(tǒng)的核心處理芯片。如圖2-6：at89c52p3.4-p3.7接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路p1.0-p1.7接數(shù)碼管段選端ea接+5vreset接復(fù)位電路x1,x2接晶振電路p2.0-p2.3接鍵盤控制電路p2.6,p2.7接數(shù)碼管位選端圖2-6at89c52外圍電路圖（8）電源部分 因?yàn)殡娐分械腶t89c52單片機(jī)的工作電壓是+5v，而步進(jìn)電機(jī)的工作電壓是+12v ，根據(jù)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求及其技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合本系統(tǒng)的功率要求及安裝方便實(shí)用，本實(shí)驗(yàn)用電容整流濾波再經(jīng)集成穩(wěn)壓管7805/7812后得到直流 +5v和+12v電壓。提供給at89c52芯片、步

43、進(jìn)電機(jī)及其他外圍電路。其硬件電路如下示：圖2-7 輸出+5v電壓圖2-8 輸出+12v電壓22步進(jìn)電機(jī)2.2.1步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化

44、的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。1.步進(jìn)電機(jī)依其構(gòu)造上的差異可分為三大類：(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(variable reluctance，簡(jiǎn)稱vr)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型；(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(permanent magnet，簡(jiǎn)稱pm)永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈

45、沖供電；(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(hybrid，簡(jiǎn)稱hb)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。混合式與傳統(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(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小,發(fā)熱低。 圖2-9 目前市場(chǎng)上所使用的工業(yè)用步進(jìn)電機(jī)，以混和式（hb型）最為普遍。 2.2.2 步進(jìn)電機(jī)概述1.步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)： （一）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)n、s磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。2、拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍

46、運(yùn)行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍運(yùn)行方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a.3、步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。4、定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）5、靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及

47、驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。（二）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)： 1、步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。2、失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。4、最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下

48、，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。5、最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。6、運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。7、電機(jī)的共振點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)

49、的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 8、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)閍-ab-b-bc-c-cd-d-da時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)閐a-d-cd-c-bc-b-ab-a時(shí)為反轉(zhuǎn)。2.步進(jìn)電機(jī)的特征如下： 1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%-5%，且不積累。 2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于

50、失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。4、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或

51、堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用2.2.3電機(jī)的工作原理1.步進(jìn)電機(jī)原理 步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器。以三相電機(jī)為例, 其結(jié)構(gòu)原理見圖1。各相夾角為120°的定子磁極上均勻分布了5個(gè)矩形小齒, 沒(méi)有繞組的轉(zhuǎn)子圓周上也均勻的分布著40個(gè)小齒（相鄰齒夾角為9°）。利用電磁學(xué)的性質(zhì), 在某相繞組通

52、電時(shí), 相應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng), 與轉(zhuǎn)子形成磁路如此時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊, 則在磁場(chǎng)作用下, 轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度, 達(dá)到齒的對(duì)齊。在單三拍控制方式下, 若a相通電, b、c相不通電, 在磁場(chǎng)作用下使轉(zhuǎn)子齒和a相定子齒相對(duì)假設(shè)此時(shí)為初態(tài)并且令與a相中心對(duì)齊的轉(zhuǎn)子齒為0號(hào)齒, 因?yàn)閎相與a相相差120°，可知120°/9°=13 39, 不為整數(shù), 即此時(shí)轉(zhuǎn)子齒與b相不對(duì)齊, 只是13號(hào)齒靠近相的中心, 且相差3°。如果此時(shí)突然變?yōu)閎相通電, 而a、c相都不通電, 那么, 13號(hào)齒會(huì)在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到與相中心對(duì)齊的位置, 這就是常說(shuō)的走一步, 此時(shí),

53、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了。這樣, 按照a一b一c一a順序通電次, 可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)9°。那么步進(jìn)電機(jī)的步距角q=(360/nz)°（式中n=mc為運(yùn)行拍數(shù)；m為控制繞組相數(shù)；c為狀態(tài)系數(shù), 單三拍或雙三拍時(shí)c=1, 單六拍或雙六拍時(shí)c=2為轉(zhuǎn)子齒數(shù)）。2直流電機(jī)的原理由直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵

54、心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)：電機(jī)要實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量變換，電路和磁路之間必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以旋轉(zhuǎn)電機(jī)具備靜止的和旋轉(zhuǎn)的兩大部分。靜止和旋轉(zhuǎn)部分之間有一定大小的間隙，稱為氣隙。靜止的部分稱為定子，作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)和作為電機(jī)的機(jī)械支撐。包括主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋、軸承、電刷裝置等。旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子或電樞，作用是感應(yīng)電勢(shì)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。包括電樞鐵心，電樞繞組，換向器、軸和風(fēng)扇等。定子部分：1、主磁極：也稱為主極。作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。2、換向極：也稱為附加極或間極。作用是改善換向。裝在主極之間。3、機(jī)座：由鑄鋼或厚鋼板焊成。是電機(jī)的機(jī)械支撐。4、電刷裝置：將直流電壓、電流引入或引出的裝

55、置。其組數(shù)與主極極數(shù)相等。轉(zhuǎn)動(dòng)部分：（轉(zhuǎn)子部分）1、電樞鐵心：主磁路的主要部分及嵌放電樞繞組，由硅鋼片迭壓而成。2、電樞繞組：由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成。用來(lái)感應(yīng)電勢(shì)和通過(guò)電流，是電路的主要部分。3、換向器：由許多彼此絕緣的換向片構(gòu)成。3步進(jìn)電機(jī)的特征： （1）高精度的定位：        步進(jìn)電機(jī)最大特征即是能夠簡(jiǎn)單的做到高精度的定位控制。以5相步進(jìn)電機(jī)為例：其定位基本單位（分辨率）為0.72°（全步級(jí)）/0.36°（半步級(jí)），是非常小的；停止定位精度誤差皆在±3分（±0.05&

56、#176;）以內(nèi)，且無(wú)累計(jì)誤差，故可達(dá)到高精度的定位控制。（步進(jìn)電機(jī)的定位精度是取決于電機(jī)本身的機(jī)械加工精度）（2）位置及速度控制：        步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號(hào)周波數(shù)（頻率）成比例的回轉(zhuǎn)速度。（3）具定位保持力：        步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下（無(wú)脈波信號(hào)輸入時(shí)），仍具有激磁保持力，故即使不依靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。（4）動(dòng)作靈敏：&

57、#160;       步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越,所以可做到瞬時(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動(dòng)作。（5）開回路控制、不必依賴傳感器定位：        步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，不需要速度感應(yīng)器（encoder、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)）及位置傳感器（sensor），就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場(chǎng)合下使用。（6）中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩：     

58、0;  步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。（7）高信賴性：        使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤動(dòng)作少，所以在檢查及保養(yǎng)時(shí)也較簡(jiǎn)單容易。（8）小型、高功率：         步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。 （9）步進(jìn)電機(jī)的速度轉(zhuǎn)矩特性 速度-轉(zhuǎn)矩特性取決于電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，尤其與所搭配的驅(qū)動(dòng)器有著

59、極大的影響；使用的驅(qū)動(dòng)器不同，特性上的差異也就會(huì)有明顯的不同。  圖2-10 4.步進(jìn)電機(jī)速度-轉(zhuǎn)矩特性曲線圖（圖2-10）說(shuō)明： (1)激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩：當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖速度等于0 hz時(shí)，曲線與y軸交接的點(diǎn)即稱為激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩。也就是指電機(jī)在通電但無(wú)輸入脈沖信號(hào)的情況下，其所具備的保持轉(zhuǎn)矩即稱為激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩。 (2)脫出轉(zhuǎn)矩：又稱最大轉(zhuǎn)矩，為電機(jī)于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能帶動(dòng)的最大負(fù)荷。 (3)最大響應(yīng)頻率：在無(wú)負(fù)載、負(fù)荷慣性為0時(shí)，電機(jī)所能夠響應(yīng)之最快的速度。 4)最大自起動(dòng)頻率：電機(jī)在無(wú)載的狀態(tài)下可以做到瞬時(shí)的起動(dòng)而不失步的速度謂之最大自起動(dòng)頻率。2.3數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的顯示部分

60、可以用液晶顯示的方案可供選擇，液晶顯示和數(shù)碼管顯示的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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?yàn)橐壕б话愣际瞧叨伟俗值闹荒茱@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(shí)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(jià)值，最終還是確定選用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的顯示部分功能。2.3.1共陽(yáng)數(shù)碼管簡(jiǎn)介四位共陽(yáng)數(shù)碼管的管腳分配如下圖2-11所示：圖2-11四位共陽(yáng)數(shù)碼管管腳定義數(shù)碼管的管腳排列：從數(shù)碼管的正面觀看，左下角的那個(gè)腳為1腳，從1腳開始，按照逆

61、時(shí)針?lè)较蚺帕幸来问?腳到12腳，其中12、9、8、6為公共角，為位選信號(hào)輸入端。剩余的八個(gè)腳是段選信號(hào)輸入端，其對(duì)應(yīng)方式是a-11、b-7、c-4、d-2、e-1、f-10、g-5、dp-3。只有詳細(xì)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(guò)編程對(duì)其正常的顯示進(jìn)行很好的控制。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，下面我們對(duì)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示作一詳細(xì)介紹。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極com增加位元選通控制電

62、路，位元選通由各自獨(dú)立的i/o線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)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(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)led數(shù)碼管的com端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，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(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感，動(dòng)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/

63、o口，而且功耗更低。2.3.2共陽(yáng)數(shù)碼管電路圖本設(shè)計(jì)選用了數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)，其段選的控制a、b、c、d、e、f、g、dp按照數(shù)碼管的簡(jiǎn)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(jī)的控制端口輸出的電壓不足以直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，所以在單片機(jī)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2-12所示。圖2-12 數(shù)碼管顯示電路2.4鍵盤控制電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實(shí)質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。一個(gè)電壓信號(hào)在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般

64、為510ms；兩次抖動(dòng)之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時(shí)間由按鍵動(dòng)作所決定；第一次抖動(dòng)前和第二次抖動(dòng)后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過(guò)對(duì)輸出電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計(jì)中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個(gè)按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時(shí)，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。消除按鍵抖動(dòng)通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況

65、，方便簡(jiǎn)單。其原理是在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。其原理圖如圖2-13所示：圖2-13鍵盤控制模塊原理圖2.5光電耦合器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1) 4n25光電耦合器光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，通過(guò)光線實(shí)現(xiàn)耦合，構(gòu)成電一光一電的轉(zhuǎn)換器件。將電信號(hào)送入光電耦合器輸入端的發(fā)光器件時(shí)，發(fā)光器件將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)光接收器接收，并將共還原成電信號(hào)。由于輸出與輸入之間沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，信號(hào)傳輸是通過(guò)光耦合的，所以也稱為光電隔離器。其結(jié)構(gòu)如圖2.14圖2.14

66、光電耦合器機(jī)構(gòu)圖光電耦合器由發(fā)光源和受光器兩部分組成，并封閉在同一不透明的管殼內(nèi)由絕緣的透明樹脂隔開，發(fā)光源引出的管腳為輸入端，受光器引出的管腳為輸出端. 光電隅合器的發(fā)光源常用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，受光器常用光電三極管、光敏晶閘管和光敏集成電路等。光電耦合器具有以下特點(diǎn)，首先其信號(hào)傳遞采取電一光一電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，因此具有很高的絕緣電阻，可以達(dá)到1010歐姆以上。并能承受2000伏以上的高壓，因而被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統(tǒng)也不需要“共地”，絕緣和隔離性都很好，能夠避免輸出端對(duì)輸入端可能產(chǎn)個(gè)的反饋和干擾。其次光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外的噪

67、音干擾信號(hào)形成低阻抗旁路，所以有很強(qiáng)的抑制噪音下擾能力。 最后光電耦合器作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用、可靠性高和速度快等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)us以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于10ns。 光電耦合器的用途很多，如作為高壓開關(guān)，信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換脈沖系統(tǒng)間的電平匹配以及各種邏輯電路等。 (2) 在設(shè)計(jì)中為了抗干擾， 或避免一旦驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號(hào)進(jìn)入微型機(jī)而燒毀器件， 通常在驅(qū)動(dòng)器與微型機(jī)之間加一級(jí)光電隔離器。 在xxxxxxx微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離。當(dāng)p1.0輸出為1，發(fā)光二極管不發(fā)光，因此光敏三極管截止， 從而使達(dá)林頓管導(dǎo)通，a相繞組通電。反之，當(dāng)p

68、1.0=0時(shí)，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(dá)林頓管截止，a相繞組不通電。 圖2.15達(dá)林頓管達(dá)林頓管又稱復(fù)合管。它將二只三極管適當(dāng)?shù)倪B接在一起，以組成一只等效的新的三極管。這等效于三極管的放大倍數(shù)是二者之積。在電子學(xué)電路設(shè)計(jì)中，達(dá)林頓接法常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。 達(dá)林頓管廣泛應(yīng)用于音頻功率輸出。開關(guān)控制。電源調(diào)整。繼電器驅(qū)動(dòng)。高增益放大等電路中。繼電器驅(qū)動(dòng)電路與高增益放大電路中使用的達(dá)林頓管，可以選用不帶保護(hù)電路的中。小功率普通達(dá)林頓晶體管。而音頻功率輸出。電源調(diào)整等電路中使用的達(dá)林頓管，可選用大功率。大電流型普通達(dá)林頓晶體管或帶保護(hù)電路的大功率達(dá)林頓晶體管。

69、26顯示快2.6.1 74ls47的功能本設(shè)計(jì)采用74ls47作為七段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)器。74ls47的功能用于將bcd碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過(guò)它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字， 從而簡(jiǎn)化了程序，節(jié)約了 單片機(jī)的io開銷。 因此是一個(gè)非常好的芯片！但是由于目前從節(jié)約成本的角度考慮， 此類芯片已較少用， 大部份情況下都是用動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示。74ls47譯碼器原理：譯碼為編碼的逆過(guò)程。它將編碼時(shí)賦予代碼的含義“翻譯”過(guò)來(lái)。實(shí)現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。74ls47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用 圖2

70、.16 74ls47譯碼器2.6.2 7段led顯示器結(jié)構(gòu)與原理7段led顯示器由7個(gè)發(fā)光二極管組成顯示字段，并按“8”字形排列。 這7段發(fā)光管分別稱為a、b、c、d、e、f、g，有的還帶有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)dp，7段led由此得名。將7段發(fā)光二極管陰極都連在一起， 稱為共陰極接法，當(dāng)某個(gè)字段的陽(yáng)極為高電平時(shí)， 對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮。共陽(yáng)極接法是將led顯示器的所有陽(yáng)極并接后連到+5 v電源上，當(dāng)某一字段的陰極為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮， 如圖所示。 圖2.17 7段led顯示器結(jié)構(gòu)與原理顯示字符共陰極段選碼共陽(yáng)極段選碼顯示字符共陰極段選碼共陽(yáng)極段選碼03fhc0h466h99h106hf9h56dh92h25bha4h67dh82h34fhb0h707hf8hled段選碼和顯示字符之間的關(guān)系點(diǎn)亮led顯示器有兩種方式：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示, 下面以共陰極接法為例說(shuō)明。led靜態(tài)顯示方式： 所謂靜態(tài)顯示就是將n位共陰極led顯示器的陰極連在一起接地，每一位led的8位段選線與一個(gè)8位并行口相連，當(dāng)顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管就恒定地導(dǎo)通或截止。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是用掃描方式輪流點(diǎn)亮led顯示器的各個(gè)位。 特點(diǎn)是將多個(gè)7段led顯示器同名