基于-單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

1、 55/64 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 （機(jī)械電子工程方向） 年級(jí)班別 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 年 月基于51單片機(jī)地步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) 機(jī)電工程學(xué)院摘 要步進(jìn)電機(jī)被越來(lái)越地廣泛應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)仍不夠成熟，需要進(jìn)行改進(jìn)完善才能更方便地讓用戶進(jìn)行操作使用，所以需要更多更成熟的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以滿足社會(huì)的需要。本設(shè)計(jì)采用軟件控制代替硬件搭建電路控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方法以達(dá)到簡(jiǎn)化硬件電路、降低驅(qū)動(dòng)器成本的目的，主要使用STC89C52RC芯片作為主控芯片，來(lái)達(dá)到對(duì)外界輸入的脈沖進(jìn)行接收、判斷分析并分

2、配給二相四線步進(jìn)電機(jī)四條線路進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)。但由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓是12V，而主控芯片輸出的電壓只有5V，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓電路以達(dá)到電壓要求，于是本設(shè)計(jì)采用了L298N芯片，其主要功能是對(duì)主控芯片發(fā)送過(guò)來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，然后再轉(zhuǎn)化成足夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)輸出給電機(jī)。其次，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)工作時(shí)是高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所有電路中還需要加一定的保護(hù)才能保證電路能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作不受影響。本設(shè)計(jì)采用高速光電耦合器6N137和低速光電耦合器TLP521-1對(duì)電路的輸入脈沖信號(hào)及正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)進(jìn)行保護(hù)。再者，為防止步進(jìn)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)自感電壓對(duì)電路造成沖擊，在電機(jī)接線部分加了二極管對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。綜上所述

3、，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)使用軟件控制來(lái)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，能夠精準(zhǔn)地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器，軟件控制，脈沖信號(hào)注：本設(shè)計(jì)（論文）題目來(lái)源于自選項(xiàng)目。AbstractStepper motor is more and more widely used, but the stepper motor driver technology is still not mature enough, need to be improved in order to more easily allow users to operate, so the need for more

4、mature stepper motor drive system development meet the needs of society. This design uses software control instead of hardware to build circuit control stepper motor driver method to achieve simplified hardware circuit, reduce the cost of the purpose of the drive, the main use of STC89C52RC chipto a

5、chieve the input pulse to receive, to determine the analysis and assigned to the two-phase four-wire stepper motor four lines for motor drive. But because the motor drive voltage is 12V, and the master chip output voltage is only 5V, so the need to design a stepper motor drive voltage circuit to mee

6、t the voltage requirements, so the design uses the L298N chip, its main function is the master chip The transmitted pulse signal is processed and then converted into a pulse signal sufficient to drive the stepper motor to the motor. Second, because the stepper motor is running high-speed operation,

7、all the circuit also need to add some protection in order to ensure long-term stable operation of the circuit will not be affected. The design uses high-speed optocoupler 6N137 and low-speed optocoupler TLP521-1 on the circuit input pulse signal and forward and reverse control signal protection. In

8、addition, in order to prevent the stepper motor high-speed rotation when the self-induced voltage on the circuit impact, in the motor wiring part of the diode to add the circuit protection. In summary, this design implements a stable stepper motor driver that uses software control for motor drive, e

9、nabling accurate operation of the stepper motor.Keywords:stepper motor,driver, software control, pulse signalTOC o 1-3 h u 目 錄 HYPERLINK l _Toc3505 1 緒論 PAGEREF _Toc3505 1 HYPERLINK l _Toc28686 1.1 引言 PAGEREF _Toc28686 1 HYPERLINK l _Toc29550 1.2 設(shè)計(jì)的目的及意義 PAGEREF _Toc29550 1 HYPERLINK l _Toc21589 1.

10、3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc21589 2 HYPERLINK l _Toc28983 1.4 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc28983 2 HYPERLINK l _Toc6590 1.4.1 步進(jìn)電機(jī)的分類及相關(guān)參數(shù) PAGEREF _Toc6590 2 HYPERLINK l _Toc10452 1.4.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 PAGEREF _Toc10452 4 HYPERLINK l _Toc3837 1.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器介紹 PAGEREF _Toc3837 5 HYPERLINK l _Toc23027 1.5.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)介紹 PAGERE

11、F _Toc23027 5 HYPERLINK l _Toc6574 1.5.2 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)原理 PAGEREF _Toc6574 6 HYPERLINK l _Toc28122 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc28122 7 HYPERLINK l _Toc6062 2.1 ALTIUM DESIGNER軟件介紹及設(shè)計(jì)思路介紹 PAGEREF _Toc6062 7 HYPERLINK l _Toc17882 2.2 STC89C52RC芯片簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc17882 8 HYPERLINK l _Toc7244 2.3 L298N芯片簡(jiǎn)介 PAGEREF _T

12、oc7244 10 HYPERLINK l _Toc2624 2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc2624 11 HYPERLINK l _Toc28663 2.4.1 電源部分 PAGEREF _Toc28663 12 HYPERLINK l _Toc26061 2.4.2 高速光電耦合電路 PAGEREF _Toc26061 12 HYPERLINK l _Toc11851 2.4.3 低速光耦隔離電路 PAGEREF _Toc11851 13 HYPERLINK l _Toc14850 2.4.4 主控CPU電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14850 14 HYPERLI

13、NK l _Toc32180 2.5 脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc32180 16 HYPERLINK l _Toc31432 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc31432 19 HYPERLINK l _Toc29953 3.1 KEIL UVISION軟件介紹及設(shè)計(jì)思路介紹 PAGEREF _Toc29953 19 HYPERLINK l _Toc5165 3.2 驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc5165 20 HYPERLINK l _Toc9873 3.3 脈沖產(chǎn)生電路軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc9873 23 HYPERLINK l _Toc495

14、6 4 調(diào)試 PAGEREF _Toc4956 27 HYPERLINK l _Toc17933 結(jié) 論 PAGEREF _Toc17933 30 HYPERLINK l _Toc21490 參 考 文 獻(xiàn) PAGEREF _Toc21490 31 HYPERLINK l _Toc17609 致 謝 PAGEREF _Toc17609 32 HYPERLINK l _Toc15711 附錄A 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路原理圖及PCB圖 PAGEREF _Toc15711 33 HYPERLINK l _Toc25148 附錄B 脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖及PCB圖 PAGEREF _Toc25148 35

15、HYPERLINK l _Toc14329 附錄C 驅(qū)動(dòng)電路程序 PAGEREF _Toc14329 37 HYPERLINK l _Toc22836 附錄D 脈沖產(chǎn)生電路程序 PAGEREF _Toc22836 391 緒論1.1 引言步進(jìn)電機(jī)又被稱為脈沖電機(jī)，其工作原理源于最基本的電磁鐵原理，它可以被看作為一個(gè)自由地轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)最開(kāi)始的模型起源于1830年到1860年之間。1870年前后開(kāi)始被嘗試用來(lái)控制氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)。這個(gè)應(yīng)用被認(rèn)為是原始的步進(jìn)電機(jī)。后來(lái),步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于電話自動(dòng)交換機(jī)中。因?yàn)槲鞣劫Y本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地，在

16、缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。二十世紀(jì)五十年代后期發(fā)明的晶體管也逐漸被應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)上,使得數(shù)字化的控制變得更為普遍。到了八十年代后,由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進(jìn)電機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣13。戰(zhàn)后全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史經(jīng)驗(yàn)證明，一個(gè)國(guó)家的實(shí)力及其繁榮，主要取決于其制造業(yè)所能提供的產(chǎn)品與勞務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)力。二戰(zhàn)期間，大量的制造技術(shù)有了很大的發(fā)展。二戰(zhàn)后50年來(lái)，計(jì)算機(jī)、微電子、信息和自動(dòng)化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了數(shù)控(NC)、計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)輔助

17、設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)與制造模式。制造業(yè)正經(jīng)歷著一場(chǎng)新的技術(shù)革命4。但我國(guó)技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等先發(fā)起工業(yè)革命的國(guó)家，其中包括電機(jī)控制技術(shù)。1.2 設(shè)計(jì)的目的及意義步進(jìn)電機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移或線位移的微電動(dòng)機(jī)5，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，由于步進(jìn)電機(jī)具有控制方便、體積小等特點(diǎn)，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，既降低了硬件成本又提

18、高了控制的靈活性、可靠性及多功能性，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，因此研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有十分重要的意義6。雖然步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)與交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須有雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成的控制系統(tǒng)才可以使用。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)，三者缺一不可7。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者線位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是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)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、

19、廉價(jià)，又非?？尚?，在被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。所以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研發(fā)與更新顯得很迫切需要，不斷地研發(fā)改進(jìn)驅(qū)動(dòng)器能夠更進(jìn)一步提高步進(jìn)電機(jī)的工作效率以及工作精度，使其更好地為我們服務(wù)。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀步進(jìn)電機(jī)是國(guó)外發(fā)明的，但在文化大革命期間，中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)和應(yīng)用，例如在江蘇、浙江、北京、南京、四川等地區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用，而且在各行業(yè)中均有使用。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，帶動(dòng)著電機(jī)的不斷更新?lián)Q代，先后出現(xiàn)了更高精度的直線電機(jī)、音圈電機(jī)等，其控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，但價(jià)格也較為昂貴。數(shù)控機(jī)床中高精度的主軸通常會(huì)使用精度比較高的電機(jī)進(jìn)行帶動(dòng)，保證加工質(zhì)量，但除此之外的機(jī)床傳動(dòng)一般均會(huì)使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，以降

20、低機(jī)床成本。步進(jìn)電機(jī)是一種簡(jiǎn)易的開(kāi)環(huán)控制，對(duì)運(yùn)用者的要求低，不適合在大功率或者高精度的場(chǎng)合使用。隨著電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)使用細(xì)分控制技術(shù)提高了步進(jìn)電機(jī)的精度，提高了步進(jìn)電機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器使用高精度D/A轉(zhuǎn)換器，分割方法通過(guò)“電流相量永久均勻旋轉(zhuǎn)”實(shí)現(xiàn)了高精度定位。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性得到極大提高，振動(dòng)也得到了改善。1.4 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介1.4.1 步進(jìn)電機(jī)的分類及相關(guān)參數(shù)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(kāi)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)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

21、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)控制變得非常的簡(jiǎn)單8。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)載變化的影響。由于步進(jìn)電機(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、現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單項(xiàng)式步進(jìn)電機(jī)等。反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2，但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大、可靠性難保證。永磁式：永磁式

22、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差、步距角大（一般為7.5或15）。混合式：混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)（1）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)a.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。b.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)，以二相電機(jī)為例，有二相四拍運(yùn)行方式即，二相八拍運(yùn)行方式即。c.

23、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）=3.6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）。d.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）。e.靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不坐旋轉(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)分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩

24、是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。（2）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)：a.步距角精度：步進(jìn)電機(jī)沒(méi)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7.5之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15以內(nèi)。b.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。c.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。d.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，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。e.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

25、的最高轉(zhuǎn)速頻率。f.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)特性曲線中最重要的，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)。g.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)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或400pps（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

26、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。h.電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)時(shí)序?yàn)闀r(shí)為正轉(zhuǎn)，時(shí)為反轉(zhuǎn)914。1.4.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或時(shí)直線位移，就是給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或是前進(jìn)一步，步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率（f）成正比，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)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)步矩角。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)就是，它是通過(guò)輸

27、入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：1、控制換相順序通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳BCD，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。2、控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。3、控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它就會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以

28、對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字化控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。1.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器介紹1.5.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)介紹步進(jìn)電機(jī)不能直接連接到直流電源，而必須使用專用設(shè)備進(jìn)行連接，即步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除了電機(jī)本身的性能外，還在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)這三部分組成，缺一不可。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)送步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)。每次發(fā)出脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角，即進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)速度或加減速度、啟動(dòng)或停止完全取決于脈沖頻率?？刂破鞯姆较?/p>

29、信號(hào)決定了步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)器電路、保護(hù)電路和電源組成。一旦步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到來(lái)自控制器的方向信號(hào)和階躍脈沖，控制電路根據(jù)預(yù)設(shè)的電動(dòng)機(jī)通電模式產(chǎn)生步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相勵(lì)磁繞組的導(dǎo)通或截止信號(hào)?？刂齐娐份敵鲂盘?hào)功率非常低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源驅(qū)動(dòng)部分。功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制繞組輸入電流，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，保護(hù)電路能在發(fā)生短路、過(guò)載、過(guò)熱等故障時(shí)快速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。1.5.2 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)原理典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖1.1所示，主要是由步進(jìn)電機(jī)主控芯片、功率放大器

30、及步進(jìn)電機(jī)等組成。脈沖輸入信號(hào)步進(jìn)電機(jī)主控芯片 功率放大器 步進(jìn)電機(jī) 負(fù)載正反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖1.1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)軟件主要使用了ALTIUM DESIGNER?？紤]到用硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的方法會(huì)比較復(fù)雜，調(diào)試也不方便，而且采用多個(gè)元器件來(lái)搭接電路成本比較高。而直接使用集成的驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)使電路穩(wěn)定，成本也比較低，更易于控制，所以最終本設(shè)計(jì)是直接使用STC89C52RC芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心元件。2.1 ALTIUM DESIGNER軟件介紹及設(shè)計(jì)思路介紹ALTIUM DESIGNER綜合了電子產(chǎn)品一體化開(kāi)發(fā)所需要的所有必須技

31、術(shù)和功能。ALTIUM DESIGNER在單一設(shè)計(jì)環(huán)境中集成板級(jí)和FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)以及PCB版圖設(shè)計(jì)、編輯和制造。圖2.1為ALTIUM DESIGNER工作界面。圖2.1 ALTIUM DESIGNER工作界面利用ALTIUM DESIGNER來(lái)進(jìn)行電路硬件設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)步驟：構(gòu)思電路，確定所要使用的主要元器件有哪些。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解二線四線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作原理，確定使用STC89C52RC芯片作為主要CPU，進(jìn)行電路控制，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解L298N芯片的工作原理、控制方法、接線等。最后，確定電路需要哪些保護(hù)，通過(guò)查閱資料確定使用高

32、速光電隔離6N137芯片和低速光電隔離TLP521-1芯片搭建光電保護(hù)電路，其次，為了防止二相四線步進(jìn)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生自感電壓對(duì)電路造成破壞，在電路中加入二極管進(jìn)行保護(hù)。畫所需要用到的元件封裝庫(kù)。電路設(shè)計(jì)需要用到的元件有很多，但一些比較普遍的元件，例如電容、電阻、開(kāi)關(guān)等常用的都會(huì)有自帶的封裝庫(kù)，不需要自己畫。STC89C52RC、L298N、6N137、TLP521-1等元件一般的封裝庫(kù)都不具備，需要自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)了解元件封裝，并畫封裝庫(kù)。繪制電路原理圖。畫電路原理圖需要對(duì)電路由一定的了解，了解數(shù)字電路、模擬電路方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要參考相關(guān)文獻(xiàn)，了解有關(guān)電路的常用接法，還有了解

33、電路參數(shù)，例如，電流大小、電阻大小等，并進(jìn)行計(jì)算，以免過(guò)大電壓或者過(guò)大電流使電路產(chǎn)生過(guò)載等問(wèn)題。繪制PCB圖。PCB圖繪制需要有一定的排版經(jīng)驗(yàn)才能更好地對(duì)元件進(jìn)行編排，PCB圖連接關(guān)系在原理圖中已經(jīng)確定好，但由于連線比較多，所以有可能會(huì)出現(xiàn)線路交叉等問(wèn)題，為了能使電路板布線更加方便以及電路板盡量做得比較小，本設(shè)計(jì)采用雙面布線。其次，電路連線線寬也得依據(jù)布線規(guī)則，例如電源線及地線應(yīng)當(dāng)盡量大，以減小電阻，減小電路損耗，信號(hào)線由于電流比較小，線寬可以小一些等。通過(guò)以上四個(gè)步驟，可以完成電路的大部分設(shè)計(jì)，之后通過(guò)軟件與硬件結(jié)合仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以再次對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。2.2 STC89C52RC芯片簡(jiǎn)介S

34、TC89C52RC是由宏晶公司推出的一種小型單片機(jī)，是電子工程師常用器件。其主要特點(diǎn)為采用Flash存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，且采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，可以很快被中國(guó)廣大用戶接受。其程序的電可擦寫特性，使得開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)比較容易，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15。引腳功能如下，圖2.2為芯片引腳圖：圖2.2 STC89C52RC芯片1、電源：VCC - 芯片電源，接+5V；GND - 接地端；2、時(shí)鐘：XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。3、控制線：控制線

35、共有4根：ALE/PROG：地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖。(1)ALE功能：用來(lái)鎖存P0口送出的低8位地址。(2)PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 PSEN：外ROM讀選通信號(hào)。 RST/VPD：復(fù)位/備用電源。 (1)RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。 (2)VPD功能：在VCC掉電情況下，接備用電源。 EA/VPP：內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。 (1)EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。 (2)VPP功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源VPP。4、I/O口線：P0、P1、P2、P3共四個(gè)八位口。

36、（1）P0口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀/寫操作。P0口也用以輸出外部存儲(chǔ)器的低8位地圖1址。由于是分時(shí)輸出,故應(yīng)在外部加鎖存器將此地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存,信號(hào)用ALE。（2）P1口是專門供用戶使用的I/O口,是準(zhǔn)雙向口。（3）P2口是從系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作高8位地址線用。不擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí),P2口也可以作為用戶I/O口線使用,P2口也是準(zhǔn)雙向口。（4）P3口是雙功能口,該口的每一位均可獨(dú)立地定義為第一I/O功能或第二I/O功能。作為第一功能使用時(shí)操作同P1口。 2.3 L298N芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)298N芯片是SGS-THOMSON Microelectronics公

37、司所生產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含有四信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相步進(jìn)電機(jī)和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)或者一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)部包含有兩個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，而且可以直接通過(guò)過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。這個(gè)芯片可以直接由單片機(jī)的IO接口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)16。L298N的引腳圖如圖所示，Pin1和Pin5可以與電流偵測(cè)用電阻連接在一起來(lái)控制負(fù)載的電路；OUT1、OUT2、OUT3和OUT4之間分別接步進(jìn)電機(jī)的不同相線；IN1、IN2、IN3和IN4輸入控制點(diǎn)位來(lái)控制

38、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；ENABLE則用來(lái)控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。L298N引腳功能介紹如下，圖2.3為L(zhǎng)298N引腳圖。圖2.3 L298N芯片1、1腳、15腳（CURRENT SENSING A、CURRENT SENSING B）：電流檢測(cè)端，分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不使用時(shí)可以直接接地。2、2腳、3腳、13腳及14腳（OUTPUT1OUTPUT4）：電壓輸出端，輸出脈沖電壓給步進(jìn)電機(jī)。3、4腳（VS）：功率電源電壓，該引腳與地線必須連接100nF電容器。4、5腳、7腳、10腳和12腳（INPUT1INPUT4）：輸入端，兼容TTL電平。5、6腳、11腳（ENABLE A、ENABLE B）：TTL電平

39、兼容輸入1EN、2EN使能端，低電平禁止輸出。6、8腳（GND）：GND接地端。7、9腳（VSS）：邏輯電源電壓端。該引腳必須與地線連接100nF電容器。2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是用驅(qū)動(dòng)芯片L298N及其外圍電路構(gòu)成，其中從L298N的2腳、3腳、13腳和14腳（即芯片的輸出端）依次按順序連接到插座上，分別和步進(jìn)電機(jī)的四根相線相連。而5腳、7腳、10腳和12腳就依次按順序和單片機(jī)的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3四個(gè)引腳相連。通過(guò)這一連接實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與L298N芯片以及步進(jìn)電機(jī)的串聯(lián)控制。二相四線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路如圖2.4所示。 脈沖信號(hào) 高速光電耦合電路

40、主控制芯片 L298N電路 二相四線 步進(jìn)電機(jī) 低速光電耦合電路 正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)二相四線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖2.4 驅(qū)動(dòng)電路原理圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路原理圖及PCB圖見(jiàn)附錄A。2.4.1 電源部分穩(wěn)壓電路如圖2.5所示，本設(shè)計(jì)采用12V電源供電，但由于主控CPU用的是5V電壓，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)LM7805穩(wěn)壓電路，將12V電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為5V電壓，為CPU提供電源。圖2.5 電源穩(wěn)壓電路2.4.2 高速光電耦合電路本設(shè)計(jì)采用高速光電耦合器6N137芯片來(lái)搭建電路，該電路的主要功能是接收脈沖產(chǎn)生電路發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給主控芯片進(jìn)行電機(jī)控制。6N137芯片工作原理：信號(hào)從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極

41、管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個(gè)輸入端，與門的另一個(gè)輸入為使能端，當(dāng)使能端為高時(shí)與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸入信號(hào)電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時(shí)，輸出高電平，但這個(gè)邏輯高是集電極開(kāi)路的，可針對(duì)接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。圖2.6為高速光電耦合電路接線，6N137芯片左端引腳2連接的是高電平電壓，但此電壓不與右端電壓共用，如果共用同一電壓會(huì)干擾6N137芯片內(nèi)部電路兩端的耦合。引腳3接的是外部脈沖輸入信號(hào)，如果輸入信號(hào)為低電平信號(hào)，那么引腳2及引腳3內(nèi)部電路導(dǎo)通，內(nèi)部LED發(fā)光，檢測(cè)器檢測(cè)到信號(hào)

42、電路導(dǎo)通，通過(guò)引腳6輸出一個(gè)信號(hào)送給主控芯片。圖2.6 高速光電耦合電路6N137電路是脈沖信號(hào)輸入保護(hù)電路，防止信號(hào)倒流對(duì)脈沖信號(hào)輸入端造成影響，甚至損壞脈沖信號(hào)輸入電路。2.4.3 低速光耦隔離電路本設(shè)計(jì)采用低速光耦隔離器TLP521-1芯片來(lái)搭建電路，主要是用來(lái)接收脈沖產(chǎn)生板上發(fā)出的電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給主控芯片進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。圖2.7為低速光電耦合電路接線，TLP521-1芯片左端引腳1連接的是高電平電壓，但此電壓不與右端電壓共用，如果共用同一電壓會(huì)干擾TLP521-1芯片內(nèi)部電路兩端的耦合。引腳2接的是外部脈沖輸入信號(hào)，如果輸入信號(hào)為低電平信號(hào)，那么引腳1及引腳2內(nèi)部電

43、路導(dǎo)通，內(nèi)部LED發(fā)光，檢測(cè)器檢測(cè)到信號(hào)電路導(dǎo)通，通過(guò)引腳4輸出一個(gè)信號(hào)送給主控芯片。圖2.7 低速光電耦合電路本設(shè)計(jì)主要使用TLP521電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路保護(hù)，防止控制端被損壞。2.4.4 主控CPU電路設(shè)計(jì)主控CPU電路采用STC89C52RC芯片來(lái)作為主要部件，主控制電路包括復(fù)位電路、晶振電路等部分。（1）復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位，復(fù)位電路，就是利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。復(fù)位電路就像計(jì)算器的清零按鈕的作用一樣，當(dāng)你進(jìn)行完了一個(gè)題目的計(jì)算后的清零，或者輸入錯(cuò)誤、計(jì)算失誤時(shí)都要進(jìn)行清零操作。以便回到原始狀態(tài)，重新進(jìn)行計(jì)算。STC89C52RC芯片的復(fù)位引腳為引腳9（R

44、ST），該口連接電路如圖2.8所示，每當(dāng)按下按鍵會(huì)給RST口輸入一個(gè)高電平電壓，促使電路進(jìn)行復(fù)位。（2）晶振電路。晶振電路是一個(gè)時(shí)序電路，單片機(jī)必須在時(shí)鐘信號(hào)的作用下以節(jié)拍方式工作，因此必須有一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器電路。輸入微處理器的時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期。引腳19（XTAL1）、引腳18（XTAL2）分別是系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)fosc的輸入、輸出端。如圖2.9所示，XTAL1、XTAL2與晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱晶振）及電容C6和C7按所示的方式連接構(gòu)成晶振電路。晶振、電容C6、C7構(gòu)成了電容三點(diǎn)式振蕩器。在由晶振構(gòu)成的電容三點(diǎn)式振蕩器電路中，由于石英晶體振蕩器中的靜態(tài)電容C0、外接振蕩電容C6和C7均遠(yuǎn)大于晶

45、片彈性等效串聯(lián)電容CS，因此，振動(dòng)頻率主要由晶體振蕩器并聯(lián)諧振頻率fp決定。振蕩電容C6和C7的取值范圍與晶振的種類及頻率有關(guān)。本設(shè)計(jì)采用頻率為11.0592MHz的晶振，電容C6及C7采用22pF電容器。（3）芯片程序燒錄電路。芯片需要一個(gè)燒錄電路才能將編寫完成生成的HEX程序文件燒錄到芯片中，如圖2.10所示，芯片引腳10（RXD）及引腳11（TXD）接到排針上，排針作為一個(gè)插座，如圖2.11所示燒錄器有與之匹配的插口，實(shí)現(xiàn)CPU與電腦的連接。（4）輸入電路。如圖2.12所示，芯片引腳1接收低速光電耦合電路輸出的信號(hào)，并進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制判斷。引腳2接收高速光電耦合電路輸出的信號(hào)，并對(duì)輸入脈沖

46、進(jìn)行處理分配到各個(gè)輸出引腳上。（5）輸出電路。如圖2.13所示，芯片引腳36、引腳37、引腳38、引腳39為脈沖信號(hào)輸出端口，芯片將輸入信號(hào)進(jìn)行分析后分配到這四個(gè)輸出口上輸出到L298N芯片上。STC89C52RC的P0口作為信號(hào)輸出口時(shí)需要加上拉電阻保證輸出電壓。（6）保護(hù)電路。如圖2.14所示，在L298N輸出端與電機(jī)連接之間加上二極管保護(hù)電路，能有效地防止電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的互感電壓對(duì)電路的沖擊，從而保護(hù)電路不被損壞。圖2.8 復(fù)位電路圖2.9 晶振電路 圖2.10 芯片程序燒錄電路 圖2.11 燒錄器 圖2.12 輸入電路 圖2.13 輸出電路圖2.14 保護(hù)電路2.5 脈沖信號(hào)產(chǎn)生電

47、路步進(jìn)電機(jī)是采用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者線位移的微電動(dòng)機(jī)，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖產(chǎn)生電路來(lái)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)。脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)有兩個(gè)方案，第一，采用硬件搭建電路來(lái)獲得脈沖信號(hào)，然后供給驅(qū)動(dòng)電路工作，例如可以采用555芯片搭建脈沖時(shí)序電路，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)輸出一個(gè)合適的時(shí)序脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，但由于使用555芯片搭建的時(shí)序脈沖電路無(wú)法控制及記錄脈沖個(gè)數(shù)，不能對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)，所以放棄這一種使用硬件搭建脈沖信號(hào)電路的方案。第二，采用以STC89C52RC芯片作為主控芯片的脈沖時(shí)序電路，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制脈沖信號(hào)的輸出以及控制脈沖輸出個(gè)數(shù)、記錄脈沖輸出個(gè)數(shù)，

48、從而能對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。脈沖驅(qū)動(dòng)電路采用STC89C52RC芯片來(lái)作為主要部件，包括復(fù)位電路、晶振電路、按鍵開(kāi)關(guān)電路和顯示電路等部分。（1）復(fù)位電路、晶振電路、燒錄電路在上個(gè)部分已經(jīng)詳細(xì)講過(guò)。（2）按鍵電路。按鍵電路主要是讓用戶與單片機(jī)進(jìn)行交互控制，如圖2.15所示，該電路中有五個(gè)按鍵，從上往下分別控制電機(jī)的百位加脈沖數(shù)、十位加脈沖數(shù)、個(gè)位加脈沖數(shù)、開(kāi)始、停止這五個(gè)功能，用戶可以通過(guò)按鍵來(lái)選擇電機(jī)運(yùn)行方式，通過(guò)加脈沖數(shù)及減脈沖數(shù)來(lái)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。（3）輸出電路。脈沖產(chǎn)生電路由一個(gè)四位排針作為一個(gè)插座通過(guò)杜邦線與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行連接，如圖2.16所示，排針的引腳1是電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)

49、控制接口，通過(guò)杜邦線連接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的低速光電耦合電路。引腳2接芯片引腳14，該引腳為脈沖信號(hào)輸出口，然后引腳2通過(guò)杜邦線連接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的高速光電耦合電路。引腳3接電源。引腳4接地線。（4）顯示電路。本設(shè)計(jì)中使用數(shù)碼管來(lái)作為脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)顯示器。如圖2.17、圖2.18、圖2.19所示，該電路中有三個(gè)數(shù)碼管DS1、DS2、DS3，分別顯示脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)的百位、十位和個(gè)位。數(shù)碼管的位選口與芯片的P0口連接，需加上拉電阻保證輸出電壓，同時(shí)還得加限流電阻保證數(shù)碼管內(nèi)二極管不因電流過(guò)大損壞。三個(gè)數(shù)碼管的連接方式是共陽(yáng)連接，顯示方式為動(dòng)態(tài)顯示，段選口分別為引腳23（P2.2）、引腳22（P2.

50、1）、引腳21（P2.0）這三個(gè)I/O口，在設(shè)計(jì)過(guò)程中既需保證三極管放大電流能夠供應(yīng)數(shù)碼管內(nèi)8個(gè)LED燈同時(shí)顯示，又得保證不超過(guò)I/O口最高輸出電流要求。脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖及PCB圖見(jiàn)附錄B。 圖2.15 按鍵電路 圖2.16 輸出電路圖2.17 顯示電路1 圖2.18 顯示電路2 圖2.19 顯示電路33 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 KEIL UVISION軟件介紹及設(shè)計(jì)思路介紹KEIL UVISION是美國(guó)KEIL SOFTWARE公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。KEIL提供了包括C編譯器、宏匯編

51、、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（UVISION）將這些部分組合在一起。運(yùn)行KEIL軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語(yǔ)言編程，那么KEIL幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。圖3.1為KEIL UVISION工作界面。圖3.1 KEIL UVISION工作界面利用KEIL UVISION來(lái)進(jìn)行電路軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)步驟：要進(jìn)行軟件編寫控制，必須先確定電路所使用的芯片以及電路連線。這個(gè)在電路硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)完成，在編寫

52、程序時(shí)只要確認(rèn)好電路連接即可。確定所需要使用的語(yǔ)言。單片機(jī)控制最主要的控制語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言及C語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言主要是偏向于底層控制的語(yǔ)言，需要對(duì)單片機(jī)內(nèi)部硬件電路比較了解才能進(jìn)行編寫，但由于使用匯編語(yǔ)言編寫較為復(fù)雜，所以本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，C語(yǔ)言程序編寫較為簡(jiǎn)潔、靈活，能對(duì)電路更好地進(jìn)行控制，修改也比較方便。進(jìn)行程序編寫及生成HEX程序。該步驟需要對(duì)C語(yǔ)言有一定的了解，能夠熟悉使用的語(yǔ)句進(jìn)行編寫，并能夠善用子程序，能夠大大簡(jiǎn)化主程序。最后程序編譯完通過(guò)設(shè)置輸出生成HEX文件。圖3.2 HEX文件生成設(shè)置最后需要通過(guò)軟件與硬件結(jié)合仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)程序一些不足之處進(jìn)行改進(jìn)。至此才算把程序設(shè)計(jì)

53、完成。3.2 驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)兩相步進(jìn)電機(jī)的基本控制方式有三種：整步：?jiǎn)蜗鄤?lì)磁兩拍：A+ B+ A- B- 雙相勵(lì)磁兩拍：A+B+ B+A- A-B- B-A+半步：?jiǎn)?雙相勵(lì)磁四拍：A+ A+B+ B+ B+A- A- A-B- B- B-A+其中，A+B+和A-B-分別代表A相和B相正向通電和反向通電。本設(shè)計(jì)采用的是整步雙相勵(lì)磁兩拍工作方式，采用的是二相四線步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主控CPU的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入脈沖分配到電機(jī)的各個(gè)繞組上以及控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，充當(dāng)一個(gè)脈沖分配器。脈沖分配情況表3.1及表3.2所示。表 3.1 正轉(zhuǎn)環(huán)形脈沖分配表步數(shù)P0.0P0.1P0.2P0.3ABA-B-111

54、00201103001141001表 3.2 反轉(zhuǎn)環(huán)形脈沖分配表步數(shù)P0.0P0.1P0.2P0.3ABA-B-11100210013001140110步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制流程如圖3.3所示。 開(kāi)始 模式初始化否是否正轉(zhuǎn)是否是否有脈沖信號(hào) 是否有脈沖信號(hào) 否是是 輸出脈沖控制 輸出脈沖控制 電機(jī)正轉(zhuǎn) 電機(jī)反轉(zhuǎn) 結(jié)束圖3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制流程圖詳細(xì)程序請(qǐng)見(jiàn)附錄C。驅(qū)動(dòng)板的主控芯片主要功能是判定正反轉(zhuǎn)以及實(shí)現(xiàn)脈沖分配，所以程序必須能實(shí)現(xiàn)該功能。本設(shè)計(jì)采用P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口四個(gè)I/O口輸出脈沖進(jìn)行電機(jī)控制。脈沖產(chǎn)生電路只能給驅(qū)動(dòng)電路一個(gè)脈沖信號(hào)，而不是四個(gè)脈沖信號(hào)，所以

55、需要對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行分配，部分脈沖分配程序如圖3.4所示，本設(shè)計(jì)將脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路的脈沖信號(hào)作為一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，對(duì)脈沖下降沿進(jìn)行檢測(cè)，每當(dāng)有一個(gè)下降沿存在，主控芯片會(huì)分配給四個(gè)輸出I/O口中的其中一個(gè)。設(shè)置一個(gè)變量m=3，當(dāng)檢測(cè)到有下降沿時(shí)，P0組口輸出如圖3.4（b）數(shù)組中對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)，同時(shí)，每檢測(cè)到一個(gè)下降沿m會(huì)自動(dòng)減1，當(dāng)m=0時(shí)，m不會(huì)再繼續(xù)減1，而是重新變?yōu)?，以保證數(shù)組的循環(huán)輸出，實(shí)現(xiàn)脈沖分配功能。此外，程序中還用到了延時(shí)功能，延時(shí)程序如圖3.5所示，本設(shè)計(jì)將延時(shí)程序作為一個(gè)子程序，以簡(jiǎn)化主程序。延時(shí)程序用for語(yǔ)句循環(huán)，第一個(gè)循環(huán)的次數(shù)時(shí)一個(gè)變量，由主程序確定，第二個(gè)循環(huán)的次數(shù)為

56、固定值110，例如，使用12MHz的晶振時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期是1s，我們?cè)谥鞒绦蛑性O(shè)置第一個(gè)循環(huán)次數(shù)為200，那么總共循環(huán)次數(shù)為22000次，即22ms，本程序中的延時(shí)程序主要是用在下降沿檢測(cè)部分，如圖3.6所示。（a）宏定義 （b）輸出數(shù)組（c）分配程序圖3.4 脈沖分配程序圖3.5 延時(shí)程序圖3.6 下降沿檢測(cè)程序3.3 脈沖產(chǎn)生電路軟件設(shè)計(jì)脈沖產(chǎn)生電路是采用STC89C52RC芯片進(jìn)行編程對(duì)脈沖進(jìn)行控制，通過(guò)軟件來(lái)控制脈沖發(fā)送的個(gè)數(shù)，本試驗(yàn)采用3個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示脈沖設(shè)置個(gè)數(shù)，也即總共可以顯示999個(gè)脈沖，二相四線步進(jìn)電機(jī)每步步距角是1.8，所以每200個(gè)脈沖可以轉(zhuǎn)過(guò)一圈，所以理論上本脈沖產(chǎn)生電

57、路設(shè)計(jì)能讓電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)5圈。顯示數(shù)碼管分別為百位、十位、個(gè)位，采用動(dòng)態(tài)顯示，但在設(shè)置脈沖個(gè)數(shù)時(shí)不想干擾，可以直接設(shè)置百位為多少、十位為多少、個(gè)位為多少而不互相影響。能夠較快地設(shè)置脈沖個(gè)數(shù)。之后每輸出一個(gè)脈沖，數(shù)碼管的個(gè)位會(huì)自動(dòng)減1并顯示出來(lái)，當(dāng)減10個(gè)脈沖時(shí)，會(huì)借十位減1，個(gè)位恢復(fù)為9，每減100個(gè)脈沖時(shí)，會(huì)借百位減1，另外兩位恢復(fù)為9，三位數(shù)碼管是有關(guān)系的。脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路控制流程圖3.7所示。開(kāi)始模式初始化設(shè)置脈沖個(gè)數(shù)是 脈沖個(gè)數(shù)是否為0否輸出脈沖信號(hào) 結(jié)束圖3.7 脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路控制流程圖詳細(xì)程序請(qǐng)見(jiàn)附錄D。脈沖產(chǎn)生電路的主要功能是產(chǎn)生指定個(gè)數(shù)脈沖信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，脈沖輸出為P3.4口，

58、該部分設(shè)計(jì)使用了延時(shí)程序，主程序設(shè)置第一次循環(huán)次數(shù)為400次，子延時(shí)函數(shù)中第二次循環(huán)次數(shù)設(shè)置為55次，所以脈沖產(chǎn)生電路為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供了一個(gè)周期為44ms的脈沖信號(hào)。該電路最主要的設(shè)計(jì)部分是脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)的設(shè)置以及顯示。個(gè)數(shù)的設(shè)置使用的是按鍵電路，按鍵檢測(cè)程序如圖3.8所示，該部分也用到了之前講到的延時(shí)程序，但該部分是用在松手檢測(cè)功能上，為了避免誤觸造成錯(cuò)誤，所以設(shè)置了該功能，能減少操作中的錯(cuò)誤。圖3.8 按鍵檢測(cè)程序脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)顯示使用的是三個(gè)數(shù)碼管，詳細(xì)功能在上文已經(jīng)介紹，由于數(shù)碼管使用的是動(dòng)態(tài)顯示，所以仍需要用到延時(shí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，部分顯示電路程序如圖3.9所示。程序中設(shè)置了變了ge、s

59、hi、bai分別是個(gè)位數(shù)碼管、十位數(shù)碼管、百位數(shù)碼管對(duì)應(yīng)顯示的數(shù)字，使用延時(shí)分別進(jìn)行三個(gè)顯示，因?yàn)槿藗內(nèi)庋勰芤?jiàn)的閃爍是在20Hz以上，所以只要保證三個(gè)數(shù)碼管的閃爍頻率在25Hz以下就可以顯示出讓人感覺(jué)是恒亮的效果。在主函數(shù)中把第一次循環(huán)次數(shù)設(shè)置為400次，第二次循環(huán)的次數(shù)仍為55次，循環(huán)時(shí)長(zhǎng)為22ms，閃爍周期T=44ms，根據(jù)公式3.1可計(jì)算出頻率。 （3.1）可得頻率為23Hz，小于25Hz，所以不會(huì)顯示出閃爍效果，而是顯示為恒亮。（a）宏定義（b）數(shù)碼管顯示位選數(shù)組（c）顯示子程序（d）顯示主程序圖3.9 顯示電路程序4 調(diào)試電路硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，再次檢查后確認(rèn)該設(shè)計(jì)可行，最

60、后進(jìn)行電路板制作并調(diào)試。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板如圖4.1所示。圖4.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路板如何4.2所示。圖4.2 脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路板電路板連接圖如圖4.3所示。圖4.3 電路板連接圖程序燒錄界面如圖4.4所示。圖4.4 程序燒錄界面將程序燒錄好后發(fā)現(xiàn)結(jié)果不太理想，脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路板上的按鍵可用但數(shù)碼管只有個(gè)位顯示數(shù)碼管可用，按鍵操作可以分別顯示1至9這9個(gè)數(shù)字，但百位數(shù)碼管、十位數(shù)碼管無(wú)法顯示，使用示波器測(cè)試發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)數(shù)碼管選擇引腳電壓只有150mV，其他部分檢查發(fā)現(xiàn)未出現(xiàn)短路現(xiàn)象，根據(jù)分析得出結(jié)論-芯片燒壞，可能是焊接時(shí)焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者電烙鐵溫度過(guò)高造成芯片損壞。但由于時(shí)間不