充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 摘要 如今，由于工作臺操作簡單，精度高，能夠滿足一般生產(chǎn)需求。正因為如此，所以它廣泛應(yīng)。 本文主要研究的是兩維步進單片機控制工作臺的控制部分。主要的任務(wù)就是用單片機實現(xiàn)兩個步進電機的正反轉(zhuǎn)和速度的控制。本控制系統(tǒng)可以由鍵盤輸入運行的步數(shù)，由 LED管顯示，信號經(jīng)單片機轉(zhuǎn)換，采用軟件對信號進行環(huán)形分配，利用光電隔離器進行光電隔離，經(jīng)功率放大器進行信號的放大，用放大的信號來驅(qū)動步進電機的運行。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。工作臺 的兩頭都有行程開關(guān)，如果超出了極限位置，行程開關(guān)閉合，步進電機停止轉(zhuǎn)動，并且蜂鳴器報警。 關(guān)鍵詞： 工作臺；步進電機；單片機 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 Abstract Nowadays, The workbench is easy to operate, the precision is high, and it can meet the generally production demand . Just because of this, so it is widely used. Main research of this paper is that the part of control of the two-dimension stepping single-chip microcomputer control workbench. The main task is to realize two stepping motors rotating positive and negatively and control of pace with single-chip microcomputer. The running steps are input by keyboard in this control system, displayed by the LED tube. The signal is transformed by single-chip microcomputer . The signal Loop allotter is achieved by software. The photoelectricity seclusion is achieved by Electro-optical disconnector. The signal is enlarged by power Amplifier. Then the signal can run the stepping motor. The systems 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. There are limit switches on the two heads of the workbench, if the workbench go beyond the terminal position, the limit switch is off, the stepping motor will be stop at once, and the buzzer scream. Keywords workbench stepping motor single-chip microcomputer 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 目錄 1 緒論 . 1 1.1 課題研究的背景 . 1 1.2 工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀與方向 . 1 1.3 本課題研究的范圍和意義 . 3 1.4 步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀 . 3 1.5 單片機的發(fā)展現(xiàn)狀 . 4 2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 . 6 2.1 系統(tǒng)總體方案 . 6 2.2 機械系統(tǒng) . 6 2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計 . 6 2.3.1 接口設(shè)計 . 6 2.3.2 控制方案的選擇 . 7 2.3.3 伺服系統(tǒng)設(shè)計 . 7 3 控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 . 8 3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計 . 8 3.1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) . 8 3.1.2 步進電機 . 8 3.1.3 微處理器的選擇 . 15 3.1.4 鍵盤操作的接口電路設(shè)計 . 17 3.1.5 顯示部分操作的接口和電路設(shè)計 . 21 3.1.6 報警電路的設(shè)計 . 24 3.1.7 單片機與 PC 機的通信 . 25 3.1.8 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 . 26 3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計 . 28 3.2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 28 3.2.2 系統(tǒng)的程序流程 . 29 結(jié)論 . 40 致謝 . 41 參考文獻 . 42 附錄 . 錯誤 !未定義書簽。 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 1 1 緒論 1.1 課題研究的背景 當(dāng)今社會，隨著科技的發(fā)展，工作臺的應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)在的 工作臺廣泛用于焊接 ，點膠 ， 打孔 ， 包裝 ， 取料等各類精密位置控制設(shè)備的應(yīng)用 等。人們對工作臺的研究從來沒有停止過。為了滿足不同的要求，出現(xiàn)了各式各樣的工作臺。例如，用于普通畫線用的二維工作臺，具有防靜電功能的防靜電工作臺，還有回轉(zhuǎn)工作臺可用于分度，用于高精度的加工的納米微動工作臺等。 隨著人類的進步，越來越多并且越來越好的工作臺將會被制造出來，來滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求。 1.2 工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀與方向 （ 1）納米級微動工作臺的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 納米級微動工作臺為從事納米科學(xué)技術(shù)研究提供一維、二維或三維的納米級微運動，是納米科學(xué)技術(shù)研究應(yīng)必備的關(guān)鍵儀器設(shè)備?，F(xiàn)代納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展對微動工作臺提出了迫切的更高要求，即在提供大范圍運動的前提下，還應(yīng)具有納米級的運動精度。在為納米科學(xué)技術(shù)研究提供小范圍納米級精度的微運動時，最常見的是以壓電陶瓷 PZT 作為驅(qū)動部件的柔性鉸鏈 機構(gòu)微動工作臺，要為納米科學(xué)技術(shù)研究提供大范圍納米級精度的微運動時，柔性鉸鏈機構(gòu)、壓電堆、絲桿滑動機構(gòu)和氣浮微動工作臺等卻都不能滿足要求，它們不能同時實現(xiàn)納米級運動精度和大運動范圍。磁懸浮微動工作臺由于運動平臺和驅(qū)動機構(gòu)采用非接觸的磁懸浮驅(qū)動技術(shù)，因此，易于實現(xiàn)大范圍納米級微運動，并且消除了摩擦、磨損對運動精度造成的影響。 納米級微動工作臺的研究現(xiàn)狀： I. 柔性鉸鏈?zhǔn)轿庸ぷ髋_ 柔性鉸鏈微動機構(gòu)是近年來發(fā)展起來的一種新型的微位移機構(gòu)。它的特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積很小，可以做到無機械摩擦、無間隙，具有較高 的位移分辨率，可達 1 nm。使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動，可以實現(xiàn)亞微米甚至是納米級的精度，同時不產(chǎn)生噪音和發(fā)熱，可適于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是精密機械中理想的微位移機構(gòu)。已在航空、宇航、微電子工業(yè)部門、精密測量和生物工程領(lǐng)域獲得重要的應(yīng)用。由于它的出現(xiàn) ,開創(chuàng)了精度進入納米的新時代。 II.滾動導(dǎo)軌式微動工作臺 滾動導(dǎo)軌也是微動工作臺中一種常見的導(dǎo)軌形式，它具有行程大 ,運動靈活、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、容易實現(xiàn)較高的定位精度的優(yōu)點，采用滾珠導(dǎo)軌作為微動工作臺的支承和導(dǎo)向元件，直流伺服電機傳動、實現(xiàn)了對自動分步重復(fù)光刻 機的微定位控制。 III. 磁懸浮式微動工作臺 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 2 磁懸浮式微動工作臺由于運動平臺和驅(qū)動機構(gòu)采用非接觸式的磁懸浮驅(qū)動技術(shù)，因此沒有摩擦力和機械部件的磨損，易于實現(xiàn)高精度、大范圍的要求。 納米級微動工作臺發(fā)展趨勢及需要解決的問題 大范圍、高精度是納米科技對微動工作臺提出的新要求，然而大行程和高精度是微動技術(shù)中的一對矛盾。因此微動工作臺的未來研究方向應(yīng)圍繞如何解決這一對矛盾展開。 I.多種微運動相結(jié)合技術(shù) :結(jié)合多種微動方法以彌補各自的不足仍然是解決以上問題的主要辦法，比如在現(xiàn)有研究已經(jīng)成熟的各種微動工作臺基礎(chǔ)上 ，妥善解決好其中兩種或者多種微動工作臺間的兼容性，解決好機械結(jié)構(gòu)間的裝配誤差、多種平臺間的定位誤差，采用粗動和微動相結(jié)合的方法，粗動臺用以完成快速大范圍，微動工作臺實現(xiàn)高精度，也就是說通過微動工作臺對粗動工作臺由于運動所帶來的誤差進行精度補償，以此實現(xiàn)大范圍、高精度的要求。 II.新型納米級微動工作臺的研究：運動方向間的交叉耦合嚴(yán)重影響納米微動工作臺的定位精度，因此需進一步研究運動導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，從運動原理上有效地消除運動方向間的交叉耦合產(chǎn)生的定位誤差，提高納米級微動工作臺的定位精度。 III.改進控制策略，如采 用建立遲滯和蠕變數(shù)學(xué)模型進行開環(huán)控制來避免因反饋而可能引起的不穩(wěn)定問題 ,采用自適應(yīng)控制消除建模的誤差和參數(shù)的不確定性及系統(tǒng)環(huán)境的變化等因數(shù)對系統(tǒng)精度的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性。采用模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等方法改善系統(tǒng)的非線性和不確定性。 IV.磁懸浮微動工作臺性能的進一步提高：在現(xiàn)有磁懸浮微動工作臺基礎(chǔ)上，充分考慮磁滯非線性、磁飽和以及高次諧波對系統(tǒng)精度的影響，解決運動控制和定位技術(shù)，從而實現(xiàn)納米級精度的大范圍運動。 隨著微米、納米科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米級微動工作臺的研究正日益受到國內(nèi)外的重視。但因受到機 械加工精度、控制精度和機構(gòu)復(fù)雜性等技術(shù)水平的制約，其精度和運動范圍還受到一定影響，隨著對微動工作臺的深入研究 ,結(jié)構(gòu)合理、高精度和高分辨率的微動工作臺必將不斷問世。 （ 2）旋轉(zhuǎn)升降式工作臺的發(fā)展趨勢 多種多樣的升降工作臺有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。許多工業(yè)企業(yè)除了在生產(chǎn)線上或生產(chǎn)線外使用升降工作臺以外，往往還利用升降工作臺來運送較大的工件。例如在物資入庫的時候，人們可以利用升降工作臺首先將成批的鋼材運送到指定的貨架處，然后再存放到貨架的不同規(guī)格格層中或者在室外，將工作臺升降到合適的工作高度或者將單臂吊之類的起重設(shè)備運 送到室外讓它在室外工作等等。 在 2002年的漢諾威博覽會上， Bolzoni Auramo有限責(zé)任公司推出他們開發(fā)生產(chǎn)的移動式升降工作臺。該公司的設(shè)計師們設(shè)計的升降工作臺帶有運動裝置使升降的物體重通過運動設(shè)備的輪子傳遞到地面， 從而可以使升降工作臺在任何器要它的地點發(fā)揮作用。這種移動式的結(jié)構(gòu)設(shè)計也可“移植” 到超薄型升降工作臺的設(shè)計中。尤其 是在汽車制造業(yè)中充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 3 使用更為 頻繁。這種升降工作臺不需要液壓驅(qū)動系統(tǒng)， 幾乎不需要維護保養(yǎng)。早在 20年前 , Flexlift公司就研 制開發(fā)出了機械式升降工作臺。但是在今天機電一體 化驅(qū)動技術(shù)取得了重大進步之后 , 才使機械式升降工作臺也有了較大的發(fā)展。 1.3 本課題研究的范圍和意義 本課題研究的是 X-Y 工作臺的控制部分，主要的任務(wù)就是通過單片機實現(xiàn)對兩個步進電機的控制。包括速度，轉(zhuǎn)向等的控制。采用并行控制方式。通過鍵盤可以輸入控制的運行步數(shù)，電機的正反轉(zhuǎn)，運行出錯時候可以急停鍵停止，還有其他的一些操作等都可以通過鍵盤實現(xiàn)。本系統(tǒng)的顯示功能是利用 8 位的數(shù)碼管實現(xiàn)運行步數(shù)的顯示，在工作臺運行超過極限位置時候，安裝在工作臺兩端的行程開關(guān)會被按下，產(chǎn)生電流信號，通過光電轉(zhuǎn)換裝置，向單片機發(fā)出信 號，經(jīng)單片機發(fā)出信號，蜂鳴器報警，報警的同時，電機停止轉(zhuǎn)動。 通過本課題的學(xué)習(xí)與研究，使我了解工作臺的工作原理，知道了單片機的發(fā)展與簡單的應(yīng)用，對步進電機的結(jié)構(gòu)，工作原理有了更進一步的理解。使我認識了很多的電子元件，懂得了許多的控制方面的知識。 1.4 步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀 步進電機最早是在 20 年代由英國人所開發(fā)。 20 年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn) 過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。 （ 1）步進電機的分類 步進電機依其構(gòu)造上的差異可分為三大類： 可變磁阻式（ VR 型）： 轉(zhuǎn)子以軟鐵加工成齒狀，當(dāng)定子線圈不加激磁電壓時，保持轉(zhuǎn)矩為零，故其轉(zhuǎn)子慣性小、響應(yīng)性佳，但其容許負荷慣性并不大。其步進角通常為 15。 永久磁鐵式（ PM 型）： 轉(zhuǎn)子由永久磁鐵構(gòu)成，其磁化方向為輻向磁化，無激磁時有保持轉(zhuǎn)矩。依轉(zhuǎn)子材質(zhì)區(qū)分，其步進角有 45、 90及 7.5、 11.25、 15、 18等幾種。 混和式（ HB 型）： 轉(zhuǎn)子由軸向磁化的磁鐵制成，磁極做成復(fù)極的形式，兼有可變磁阻式步進電機及永久磁鐵式步進電機的優(yōu)點，精確度高、轉(zhuǎn)矩大、步進角度小。 （ 2）步進電機的歷史 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 4 步進電機在我國已有幾十余年的生產(chǎn)史，近幾年，大規(guī)模集成電路及計算機技術(shù)的發(fā)展，進一步推動了步進電機的技術(shù)進步和廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，全世界步進電機的年產(chǎn)量已達一億多臺，市場銷售量占世界微電機銷售總量的 %左右。 步進電機的發(fā)展依賴計算機外設(shè)和辦公自動化機械的發(fā)展。我國計算機工 業(yè)雖然起步晚，但經(jīng)過三十年的努力，已經(jīng)初具規(guī)模。我國早在六十年代中期開始致力于步進電機的研究和開發(fā)， 直到 20 世紀(jì) 80 年代，一直是磁阻式步進電動機占統(tǒng)治地位，混合式步進電動機是 8 0 年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結(jié)構(gòu)類型同時并存。盡管新的混合式步進電動機完全可能替代磁阻式電動機，但磁阻式電動機的整機獲得了長期應(yīng)用，對于它的技術(shù)也較為熟悉，特別是典型的混合式步進電動機的步距角（ 0 . 9 /1.8）與典型的磁阻式電動機的步距角（ 0.75 /1.5）不一樣，用戶改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的，這就使得 兩種機型并存的局面難以在較短時間內(nèi)改變。這種現(xiàn)狀對步進電動機的發(fā)展是不利的 。 （ 3）步進電機的發(fā)展趨勢 ： 小型化、高精度 計算機外部設(shè)備趨向小型，也就要求永磁式和混合式步進電機向小機座號發(fā)展，目前直徑為 39、 42 的步進電機使用就較多。 電機與線路一體化 機電一體化的步進電機更受到用戶的歡迎，雖然控制線路的成本比較高，但與電機組成一體化產(chǎn)品后更便于整機使用。 多功能 新一代的磁盤與光盤需要具有兩個自由度的圓柱式步進電機，直接完成橫向運動和旋轉(zhuǎn)運動兩個功能，這種產(chǎn)品在日本電話電信公司已有產(chǎn)品。另外 ，美國已推出帶電傳感器的步進電機，能自檢位置和轉(zhuǎn)速。 直線小步距、高分辨率 據(jù)日本和歐美國家報道，此類步進電機已制成步距為 0.1 微米，在 40 英寸 /秒的線速度下產(chǎn)生 50 磅推力，分辨率達 12500 步 /英寸，定位精度為 0.001 英寸。 新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù) 步進電機總的發(fā)展趨向是增大出力、提高精度、改善動態(tài)特性，為此已出現(xiàn)一種盤式、軸向氣隙的新結(jié)構(gòu)步進電機。同時，還在研究采用如高磁能積的鐵氧體、稀土、壓電等新材料。 1.5 單片機的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著目前微電子技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)工藝的不斷提高，單片機技術(shù)也有了長 足的進步。 單片機在最近幾年中得到了極大的發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)單片機發(fā)展的主要領(lǐng)域有 4個：一是歐美，最新開發(fā)產(chǎn)品及主要廠商有： National semicundutor 的 cop8系列單片機，美國的 Scenix 的八位單片機，荷蘭 PHILLIPS的 51系列單片機，美國 AMD公司 186系列 16充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 5 位嵌入式微機控制器， MOTOROLA的各個系列單片機；二是日本， TOSHIBA公司開發(fā)了從 4位到 64位多系列單片機，日立公司也有從 4位到 32位多系列單片機， NEC公司的 75X、78X系列微機；三是臺灣地區(qū)， 主要有 WINBOND的 W741/W516,W78/W77等系列產(chǎn)品微控制器；四是韓國，主要有 HYUNDAI microelectrionics的 GMS800、 GMS30系列微控制器。另外還有 LG公司也生產(chǎn)單片機，可見單片機發(fā)展到今天可以說種類繁多、性能各異。但目前我國的許多單片機應(yīng)用單位仍停留在采用片內(nèi)無 ROM等低檔單片機狀態(tài)。 當(dāng)國內(nèi)從 80 年代起開始了單片機的熱潮 ,二十多年過去了，單片機從研究所走出來 ,成為日常生活中的一個不可缺少的部件。硬件方面日趨多樣化， 4 位、 8 位、 16 位、 32 位等型號共同并存 ,在不同的 領(lǐng)域存在 ,如家電、玩具、工業(yè)設(shè)備、儀器、通訊等。軟件方面發(fā)展主要為匯編語言、 C 語言、嵌入式操作系統(tǒng)。速度、穩(wěn)定性特別要求的場合較多采用匯編語言和 C 語言。單片機作為微型計算機的一個重要分支 ,應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著 C M O S 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 6 2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 2.1 系統(tǒng)總體方案 圖 2-1 總體設(shè)計圖 2.2 機械系統(tǒng) 傳動機構(gòu)采用滾珠絲杠副與齒輪減速。 導(dǎo)向機構(gòu)采用滾動直線導(dǎo)軌。 執(zhí)行機構(gòu)采用步進電機。 2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計 本系統(tǒng)選用的微型機是 8051 單片機，采用開環(huán)的控制方式，采用三相六拍步進電機。 圖 2-2 開環(huán)控制流程圖 2.3.1 接口設(shè)計 （ 1）人機接口 采用鍵盤作為輸入。采用矩陣式鍵盤，用 20 個鍵來控制步進電機。 采用蜂鳴器作為警報裝置。 采用數(shù)碼管作為顯示器。采用八段數(shù)碼管作為步數(shù)的顯示。 （ 2）機電接口 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 7 采用光電偶合器作為微型機與步進電機驅(qū)動電路的接口，實現(xiàn)電氣隔離，以保護單片機。 2.3.2 控制方案的選擇 控制的方案不外乎有三種：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。 上圖為最簡單的“開環(huán)控制”，若在“機械傳動”機構(gòu)中引出反饋給控制部分，在經(jīng)過比較放大的則為“半閉環(huán)控制”。如若是在機械執(zhí)行機構(gòu)中引出反饋則為閉環(huán)控制。 開環(huán)控制：特點是簡單，控制精度低?？刂频木韧耆Q于所用元件的精度和校準(zhǔn)的精度，且抗干擾的能力差。但由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低。在精度要求不高的情況下，有一定的使用價值。 閉環(huán)控制： 特點是控制精度高，抗干擾能力強。缺點是使用的元件多，線路復(fù)雜，系統(tǒng)的分析和設(shè)計都比較麻煩。 半閉環(huán)：特點是控制的精度介于閉環(huán)和開環(huán)之間。 采用步進電機來實現(xiàn)驅(qū)動，一般情況下多采用開環(huán)控制。因為步進電機的輸出轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖數(shù)有正比的關(guān)系，電機轉(zhuǎn)速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精度要求不是很高時，負載不是很大的情況下采用步進電機是合理的。 下圖為開環(huán)控制的框圖 計 算 執(zhí) 行 受 控 對 象給 定 值干擾+被 控 量圖 2-3 開環(huán)控制框圖 2.3.3 伺服系統(tǒng)設(shè)計 由于本系統(tǒng)的精度要求不 高，載荷不大，再考慮了其經(jīng)濟要求等因素后，決定采用開環(huán)控制。 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 8 3 控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計 3.1.1 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(wù)必須由硬件來實現(xiàn)，另外有些任務(wù)必須由軟件來實現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)可以由軟件來完成，也可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設(shè)計程序，且實時性好。反之，加重軟件任務(wù)，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(wù)。 由于本工作臺控制系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，利用單片機構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)從元件級進行系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)任務(wù)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能的要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以便進行二次開發(fā)。 （ 3）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng) 用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響。考慮的原則是，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(yīng)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)。 3.1.2 步進電機 圖 3-1 為三相反應(yīng)式步進電機的工作原理圖，其定 子上有六個極，每個極上裝有控制繞組，每相對的兩極組成一相。轉(zhuǎn)子上有四個均勻分布的齒，其上沒有繞組，當(dāng) A 相控制繞組通電時，轉(zhuǎn)子在磁場力的作用下與定子齒對齊，即轉(zhuǎn)子齒 1、 3 和定子齒 A、 A對齊，如圖 3-1（ a）所示。若切斷 A 相，同時接通 B 相，在磁場力作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30，轉(zhuǎn)子齒 2、 4 和定子齒 B、 B對齊，如圖 3-1（ b）所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。如再使 B 相斷電，同時 C 相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過 30，使轉(zhuǎn)子齒 1、 3 和定子齒 C、 C對齊，如圖 3-1（ c）所示。如此循環(huán)往復(fù)，并按 A B C A 順序通電，步進電機按一 定方向轉(zhuǎn)動。充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 9 電機的轉(zhuǎn)速取決于控制繞組接通和斷開的變化頻率。 （ a） （ b） （ c） 圖 3-1 三相反應(yīng)式步進電機單三拍工作時工作原理圖 實際的步進電機的轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有小齒，齒距相等。定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)要有一定比例的配合，即要求在某一相的一對極下，定子和轉(zhuǎn)子的齒一一對齊，而此時在其它兩相的磁極下，定子和轉(zhuǎn)子的齒要分別錯開一定的角度。這樣，如果步進電機的三相繞組按一定的方式通電，那么它就以一定的步矩角進行走步。步進電機的步距 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： s= CmZr360 式（ 3.1） 式中， s為步距角； C 為通電狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)采用單相或雙相通電方式時， C=1；而采用單、雙相輪流通電方式時， C=2； m為步 進電機的相數(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(dāng)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(yīng)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： n = CmfZr60 式（ 3.2） 式中 f 為步進電機通電的脈沖頻率，單位為 Hz； n 為步進電機的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。步進電機的轉(zhuǎn)速用步矩角表示為： n = 36036060CmfZr= 36060f CmZr360 = 6f s 式（ 3.3） 由式（ 3.1）和（ 3.2）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(dāng)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。 3.1.2.1步進電機控制系統(tǒng)的構(gòu)成 舊式的步進電機控制系統(tǒng)由步進控制器、功率放大器和步進電機組成，如圖 3-2 所示。充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 10 步進控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門等其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)動和正反向控制。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。在這種控制中，由于步進控制器線路復(fù)雜，成本高，限制了它的應(yīng)用。 圖 3-2 步進電機控制系統(tǒng)的組成 隨著微型計算機的廣泛應(yīng)用，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，而且控制方便，提高了可靠性。圖 3-3 為微機控制步進電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖 3-3 微機控制步進電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.1.2.2 步進電機的串行和并行控制 使用微機對步進電機進行控制，有串行和并行兩種方式。 （ 1）串行 控制 具有串行控制功能的單片機與步進電機驅(qū)動電源之間有較少的連線。將信號送入步進電機驅(qū)動電源的為環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動電源必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖見圖 3-4 所示。 圖 3-4 串行控制示意圖 （ 2）并行控制 用微型計算機系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動電路的方法稱為并行充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 11 控制。在電機的驅(qū)動電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，其功能由微型計算機系統(tǒng)實現(xiàn)。并行控制方案示意圖見圖 3-5。 圖 3-5 并行控制示意圖 3.1.2.3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?zé)o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(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時就會導(dǎo)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。在圖 3-1 中，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(dāng) 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(dāng)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。 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。 3.1.2.4步進電機的的脈沖分配 步進電機的步進要求按一定的順序及頻率接通和斷開步進電機的控制繞組，這樣步進電機才能按要求啟動、運轉(zhuǎn)和停止。所以這就需要脈沖分配。以提供步進電機所需要的脈沖信號。 要使步進電機按要求步進，就要確定的給出脈沖分配，加到功率放大器輸入端。實現(xiàn)充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 12 脈沖環(huán)行分配的方法有三種。 一種是采用計算機軟件，利用查表或計算的方 法來進行脈沖的環(huán)行分配。把相應(yīng)的狀態(tài)代碼列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可，通過正向順序讀取和反向順序讀取數(shù)據(jù)表可控制電機進行正反轉(zhuǎn)，通過控制讀取一次的時間間隔可控制電動機的轉(zhuǎn)速。該方法能充分利用計算機軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點。但由于軟件分配法占用計算機的運行時間，易影響步進電機的運行速度。另一種是采用小規(guī)模集成電路搭接而成的環(huán)行分配器。這種方式靈活性大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)行分配器，同時在工作時不占計算機的工作時間。第三種即 采用專用的環(huán)行分配器件。如市售的 CH250 即為一種三相步進電機專用環(huán)行分配器。它可以實現(xiàn)三相步進電機的各種環(huán)行分配，使用方便、接口簡單。 本系統(tǒng)采用軟件分配法來進行脈沖的分配。三相六拍工作方式的脈沖分配的時序圖如圖 3-6 所示。在此方式下，繞組的通電順序是，正轉(zhuǎn)時，按 A AB B BC C CA A；反轉(zhuǎn)時，按 A AC C CB B BA A 進行。 圖 3-6 三相六拍脈沖時序圖 三相六拍控制方式的通電狀態(tài)參看表 3-1，可知正轉(zhuǎn)時 I/O 口應(yīng)循環(huán)輸出控制字 0x01 0x03 0x02 0x06 0x04 0x05，反轉(zhuǎn)時 I/O 口應(yīng)循環(huán)輸出控制字 0x05 0x040x06 0x02 0x03 0x01。在輸出最后一個控制字 0x05（正轉(zhuǎn)）或 0x01（反轉(zhuǎn)）后，要修改控制字地址指針，即地址指針重新賦值。 表 3-1 步進電機三相六拍環(huán)行脈沖分配狀態(tài)表 節(jié)拍序號 通電相 C 相 B 相 A 相 控制字 方向 正轉(zhuǎn) 反向 0 A 0 0 1 0x01 1 AB 0 1 1 0x03 2 B 0 1 0 0x02 3 BC 1 1 0 0x06 4 C 1 0 0 0x06 5 CA 1 0 1 0x05 0 A 0 0 1 0x01 在輸出每一個控制字之前，判斷地址指針中的內(nèi)容是否為 0x00。如果是 0x00，則地址指針重新指向第一個控制字；否則，直接將地址指針中的內(nèi)容輸出到 I/O 口中，然后地充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 13 址指針加 1。如此循環(huán)，便實現(xiàn)步進電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。 3.1.2.5步進電機的驅(qū)動電源 從計算機輸出口或從環(huán)行分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅(qū)動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。步進電機的工作特 性在很大程度上取決于驅(qū)動電源的特性，對其每一相繞組來說，驅(qū)動電源相當(dāng)于一個電流無觸點開關(guān)，理想的驅(qū)動電源應(yīng)使通過繞組的電流盡量接近矩形波。由于電機繞組有很大的電感，要做到這一點是困難的。 傳統(tǒng)的雙極型功率晶體管驅(qū)動電路有兩種型式，一種是應(yīng)用于小功率步進電機的單電源驅(qū)動線路，另一種是應(yīng)用于功率步進電機的高、低壓雙電源驅(qū)動線路。這兩種電路的共同問題是損耗大，效率低，而且大功率管易發(fā)生擊穿故障。 本控制系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動 IC，內(nèi)含四組 NPN 達靈頓晶體管，使步進電機有足夠大的驅(qū)動電流，各個 B 極有 3mA 的輸入電流， 才可使 C-E 導(dǎo)通。每個輸入可承受的最大電流為 4A，非常適合來驅(qū)動步進電機！因為 B 極需要 3mA 的輸入電流方可導(dǎo)通，所以要用緩沖器來推動，其可用的組件有 4050、 74244。 3.1.2.6步進電機及其驅(qū)動電路的設(shè)計 （ 1）步進電機的技術(shù)參數(shù) 具體的產(chǎn)品的型號為： 75BF003 技術(shù)數(shù)據(jù)見表 3-2 表 3-2 75BF003 步進電機技術(shù)數(shù)據(jù) 相數(shù) 步距角 /( ) 電壓（ V） 相電流 /A 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N.m 空載啟動頻率 3 1.5 30 4 0.882 1250 電感 /mH 電阻 /N 分 配方式 外形尺寸（軸徑）（ mm) 重量 /Kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 35.5 0.82 3 相六拍 75 76（ 8） 1.58 1.563 （ 2）步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計 輸出通道的設(shè)計內(nèi)容是確定通道結(jié)構(gòu)和元件裝置，合理選擇驅(qū)動電路。本系統(tǒng)的輸出通道也就是控制步進電機的通道，由于 8051 的 P1 口可以作為輸出使用，所以將其作為輸出通道的控制端口，采用三相六拍的步進電機進行并行控制需要 P1 口中的六位。 另外，單片機與步進電機的接口由專用的控制裝置來實現(xiàn)。步進電機的脈沖分配由單片機通過軟件控制構(gòu)成環(huán)行分配器。 除了 上面的，一個完整的步進電機的控制還需要光電隔離器。光電隔離器的作用的把步進電機與單片機隔離開來，即把強電部分與弱電部分隔開，以保護單片機在步進電機漏電的時候單片機不會被損壞。 光電隔離器是隔離器的一種 , 它是把發(fā)光器件與光敏接受器件集成在一起 , 或用一根充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 14 光導(dǎo)纖維把兩部分連接起來的器件。通常發(fā)光器件為發(fā)光二極管 (LED) , 光接受器件為光敏晶體管等。加在發(fā)光器件上的電信號為耦合器的輸入信號 , 接受器件輸出的信號為隔離器的輸出信號。當(dāng)有輸入信號加在光電隔離器的輸入端時 , 發(fā)光器件發(fā)光 , 光敏管受光照射產(chǎn)生光電 流 , 使輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號 , 于是實現(xiàn)了光電的傳輸和轉(zhuǎn)換。其主要特點是以光為媒介實現(xiàn)電信號的傳輸 , 而且器件的輸入和輸出之間在電氣上完全是絕緣的。 從結(jié)構(gòu)上看 , 光電隔離器由一發(fā)光二極管和光敏晶體管封裝在同一個管殼內(nèi)組成 , 其表示符號如圖 3-7所示。它們在結(jié)構(gòu)排列上使 LED 輻射能量有效地耦合到光敏晶體管上 , 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種形式。金屬封裝采用金屬外殼并用玻璃絕緣 , 芯片采用環(huán)焊以保證發(fā)光管與接受管對準(zhǔn)。塑料封裝采用雙列直插式結(jié)構(gòu) , 管芯先裝于管腳上 ,中間用透明樹脂固定 , 具有聚光作用 , 故 靈敏度較高 , 是目前應(yīng)用較多的一種。 圖 3-7 光電隔離器原理圖 本控制系統(tǒng)選用 TLP521-4型光電耦合器。 引腳如圖 3-8 圖 3-8 TLP521-4型光電耦合器引腳 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 15 每一個 TLP521-4型光電耦合器有四個光電隔離器，所以本系統(tǒng)需要兩個這樣的光電耦合器，實現(xiàn)單片機與步進電機的隔離。 3.1.3 微處理器的選擇 微處理器的主要性能指標(biāo)是位數(shù)、主頻、尋址能力、指令系統(tǒng)、內(nèi)部寄存器情況等。位數(shù)是重要的指標(biāo)，除了影響運算精度外，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。 考慮到需要滿足的要求及經(jīng)濟因素，本系統(tǒng)選擇 MCS-51 單片機。 (1) MCS-51 單片機簡介 MCS-51 單片機是一種單片機系列的名