大棚溫濕度自動控制系統(tǒng)設計 課 題： 大棚溫濕度自動控制系統(tǒng)設計 專 業(yè)： 機電一體化 班 級： 13 級機電一班 學生姓名： 王 博文 學 號： 1302050116 指導教師： 王莉 黑龍江職業(yè)學院 20 年 月 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 I 頁 摘 要 各種各 樣 的信 號是 通信 領 域的重要 組 成部分，其中正弦波、三角波和方波等是 較為 常 見 的信 號 。在科 學 研究及教 學實驗 中常常需 要這 幾種信 號的發(fā) 生 裝 置。為了實驗 、研究方便，研制一種 靈 活適用、功能 齊 全、使用方便的信 號 源是十分必要的。 本文介紹的是利用 生所需不同信號的低頻信號源，其信號幅度和頻率都是可以按要求控制的。文中簡要介紹了模轉換器的結構原理和使用方法， 基礎理論，以及與設計電路有關的各種芯片。根據(jù)對畢業(yè)生設計的要求，文中著重介紹了利用單片機控制 D/A 轉 換器產(chǎn)生上述信號的硬件電路和軟件編程。信號頻率幅度也按要求可調。 本次產(chǎn)生不同低頻信號的信號源的設計方案，不僅在理論和實踐上都能滿足實驗的要求，而且具有很強的可行性。該信號源的特點是：體積小、價格低廉、性能穩(wěn)定、實現(xiàn)方便、功能齊全。 關鍵詞 ： 信 號 源； 單 片機； 龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 目 錄 摘 要 . I 一、緒論 . 1 （一）引言 . 1 二、步進電機常見的控制方案與驅動技術簡介 . 3 （一）常見的步進電 機控制方案 . 2 1、基于電子電路的控制 . 2 2、基于 控制 . 3 3、基于單片機的控制 . 4 （二）步進電機驅動 技術 . 4 （三）本文研究的內容 . 6 三、步進電機概述 . 7 （一）步進電機的分類 . 7 （二）步進電機的工作原理 . 7 1、結構及基本原理 . 7 2、兩相電機的步進順序 . 8 （三）步進電機的工作特點 . 11 四、系統(tǒng)的硬件設計 . 13 （一）系統(tǒng)設計方案 . 13 1、系統(tǒng)的方案簡述與設計要求 . 13 2、系統(tǒng)的組成及其對應功能簡述 . 13 3、單片機最小系統(tǒng) . 14 4、單片機最小系統(tǒng)設計 . 19 5、單片機端口分配及功能 . 19 （四）數(shù)碼管顯示電路設計 . 20 1、共陽數(shù)碼管簡介 . 20 2、共陽數(shù)碼管電路圖 . 21 （五）電機驅動模塊設計 . 21 1、 介 . 22 2、電機驅 動電路設計 . 23 （六）驅動電流檢測模塊設計 . 24 1、 片簡介 . 24 2、 片簡介 . 25 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 3、電流檢測模塊電路圖 . 28 （七）獨立按鍵電路設計 . 28 五、系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) . 30 （一）系統(tǒng)軟件主流程圖 . 30 （二）系統(tǒng)初始化流程圖 . 30 （三）按鍵子程序 . 30 結 論 . 32 致 謝 . 35 參考文獻 . 36 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 1 頁 一、緒論 （一）引言 步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為 應用發(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。步進電機在結構上也是由定子和轉子組成，可以對旋轉角度和轉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，該矢量場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉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一個角度。因此，控制電機轉子旋轉實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉的磁場。每來一個脈沖電壓，轉子就旋轉一個步距角，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)轉動，從而使電機旋轉。步進電機每轉一周的步數(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通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調速、快速起停、正反轉控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點 1。 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鍵 產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用 2。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術，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用在電子計算機的許多外圍設備中，例如打印機，紙帶輸送機構，卡片閱讀機，主動輪驅動機構和存儲器存取機構等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 2 頁 制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應用 3。因而，對于步進電機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系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調試安裝復雜，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。還比如為了適應一些領域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅動技術，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅動、基于單片 機斬波恒流驅動、基于單片機的直流電壓驅動三種常見驅動方式，除上述三種步進電機的驅動方案之外，目前報道的驅動方案還有根據(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) 與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由 直接控制步進電機的方法。 但是在有些應用場合，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)硬件結構簡單，成本低；功能較為齊全；適應性強；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、轉速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應新的環(huán)境，并且在本設計中利用動態(tài)掃描技術，把顯示電路和鍵盤電路有機的結合起來，能做到一定的人機交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應用價值。 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 3 頁 二、步進電 機常見的控制方案與驅動技術簡介 （一）常見的步進電機控制方案 1、基于電子電路的控制 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動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅動電路組成一體，構成步進電機驅動系統(tǒng)。此種控制電路設計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務。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、功率放大驅動電路。系統(tǒng)組成如圖 1示。 脈沖控制器功率放大驅動電路環(huán)形分配器步進電機圖 1基于電子 電路控制系統(tǒng)圖 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)無級調速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉子的位置和速度，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，必須需重新設計，因此靈活性不高。 2、基于 控制 叫可編程控制器， 是一種工業(yè)上用的計算機。 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、編程簡單易學和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有 形分配器和功率驅動電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用 產(chǎn)生控制脈沖。通過 制步進電機的轉角進而控制伺服機構的進給黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 4 頁 量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉動速度，進而控制伺服機構的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將 出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。 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 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)線應該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節(jié)省 源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅動電路將 出的控制脈沖放大，達到比較大的驅動能力，來驅動步進電機。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用 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動器，降低硬件成本。但由于 掃描周期一般為但由于 掃描周期一般為 幾毫秒到幾十毫秒，相應的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到 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，相應的控制精度就降低了。 3、基于單片機的控制 采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結合的控制方法。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進電機各相驅動線路。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉、反轉、檔次、停止等功能，采用 中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態(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。 本方案有以下優(yōu)點： (1)單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響； (2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅動，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。 基于以上優(yōu)點，本次設計采用基于單片機的控制方案。 (二 )步進電機驅動技術 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 5 頁 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式步進電動機沒有什么本質區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉矩。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。步進電機驅動技術指的是用步進電機驅動器的驅動級來實現(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。到目前為止，步進電機驅動技術通常分為單電壓驅動、單電壓串電阻驅動、高低 壓驅動、斬波恒流驅動、升頻升壓驅動和細分驅動等。 單電壓驅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)點是結構簡單、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對性能指標要求不高的步進電機驅動。單電壓串電阻驅動是在單電壓驅動技術的基礎上為電樞繞組回路串入電阻，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、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。 高低壓驅動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導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)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結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。這種驅動方式目前在實際應用中還比較常見。 為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于 采用斬波技術，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增加，故電機的輸出轉矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應用，本文正是應用恒流斬波技術實現(xiàn)了驅動控制。 為改善恒流驅動方式的低頻特性，設計一個低速時低電壓驅動，高速時高電壓驅動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關穩(wěn)壓驅動電源。在低速運行時，電子控制器調節(jié)功率開關管的導通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 6 頁 從而避免產(chǎn)生明 顯的振蕩。當運行速度逐漸變快時，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調頻調壓線路性能優(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，相應調整其輸出電壓與輸入頻率的特性。 細分驅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，而是只改變相應繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分。細分驅動時，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，轉子則需要 n 次才轉過一個步距角，即 n 細分細分驅動最主要的優(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細分驅動技術是步進電動機驅動與控制技術的一個飛躍 6。 （三）本文研究的內容 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)行步進轉動。當某一相繞組通電時相應的兩個磁極就分別形成 產(chǎn)生磁場，并與轉子形成磁路。在磁場的作用下，轉子將轉動一定的角度，使轉子齒與定子齒對其，從而使步進電機向前“走”一步。轉子的角位移大小及轉速分別 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角、轉速及轉向，通過單片機很容易實現(xiàn)對步進電機的數(shù)字控制。 本設計采用 片機實現(xiàn)對兩相步進電機的轉速控制。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的四相脈沖，分解出的四相脈沖經(jīng)驅動電路功率放大后驅動步進電機的轉動。 本課題的研究目的之一就是設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 7 頁 三 、步進電機概述 （一）步進電機的分類 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。按結構特點電磁式步進電機可分為反應式 (永磁式 (混合式 (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式和混合式步進電機 7。 （ 1)反應式步進電機 (稱 應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段 式兩種類型； （ 2)永磁式步進電機 (稱 磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應式 )，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電； （ 3)混合式步進電機 (稱 合式步進電機綜合了反應式和永 磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，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，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的，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)領域中得到廣泛應用。由于本設計的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結合，所以只采用反應式步進電機 7。 （ 二）步進電機的工作原理 1、結構及基本原理 步進電機在結構上也是由定子和轉子組成，可以對旋轉角度 和轉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，該矢量場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉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一個角度。因此，控制電機轉子旋轉實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 8 頁 的電流來產(chǎn)生旋轉的磁場。每來一個脈沖電壓，轉子就旋轉一個步距角，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)轉動，從而使電機旋轉。電機將電能轉換成機械能，步進電機將電脈沖轉換成特定的旋轉運動。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的，并可重復 ，這就是步進電機為什么在定位應用中如此有效的原因。 通過電磁感應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示。定子產(chǎn)生的磁場使轉子轉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子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉運動。 圖 2激勵線圈產(chǎn)生電磁場圖 2、兩相電機的步進順序 （ 1)兩相電機的單相通電步進順序 在圖 2第 1 步中，兩相定子的 A 相通電，因異性相吸，其磁場將轉子固定在圖示位置。當 A 相關閉、 B 相通 電時，轉子順時針旋轉 90。在第 3 步中， 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 9 頁 圖 2兩相電機的單相通電步進順序圖 閉、 A 相通電，但極性與第 1 步相反，這促使轉子再次旋轉 90。在第 4 步中，A 相關閉、 B 相通電，極性與第 2 步相反。重復該順序促使轉子按 90的步距角順時針旋轉 8 9。 運動。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的，并可重復，這就是步進電機為什么在定位應用中如此有效的原因。 通過電磁感應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示。定子產(chǎn)生的磁場使轉子轉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子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉運動。 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 10 頁 圖 2兩相電機的雙相通電步進順序圖 （ 2)兩相電機的雙相通電步進順序 圖 2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，一次只能轉換一相的極性，見圖 2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系，其磁場將轉子固定在圖示 置。在第 2 步中，兩相定子的 A 相關閉，而 B 和 a 相（此時的 a 相通電極性與第 1 步 A 相反）同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關 系，其磁場將轉子固定在圖示 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系，其磁場將轉子固定在圖示 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系，其磁場將轉子固定在圖示 置。按照這樣的通電方式電機就轉過了一周 8 9。 兩相步進時，轉子與定子兩相之間的軸線處對直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進多提供了 力矩，但輸入功率卻為 2 倍。 （ 3)步進電機的半步工作方式 電機也可在轉換相位之間 插入一個關閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進電機的黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 11 頁 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 ，見圖 2是，與“兩相通電”相比，半步進通常導致 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，所以作用在轉子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。 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合起來。 圖 2兩相電機的半步步進順序 圖 兩相步進電機的工作模式有兩相四拍和兩相八拍等兩種， 其中我們在圖 2展示的都叫做兩相四拍工作模式，而下面的 2展示的就是兩相八拍工作模式 8 9。 （三）步進電機的工作特點 本設計選用了型號為 42的感應子式步進電機，它與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比結構上轉子加有永磁體，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，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 12 頁 使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。就目前步進電機的應用情況來說，步進電機的自 身特點具體歸納起來有 ： （ 1)電機必須加驅動才可以運轉，驅動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，步進電機就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比。 （ 2)步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 （ 3)改變驅動器輸入脈沖的順序，可以方便的改變電機的轉動方向。 （ 4)位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時組成 閉環(huán)控制系。 （ 5)電機停止轉動的時候具有自鎖功能。 （ 6)步距角選擇范圍大，可在幾十角分至 180 度大范圍內選擇。在小步距情況下，通常可以在越低速下以高轉矩運行，因而可以不經(jīng)減速器直接驅動負載工作。 （ 7)步進電機不能使用普通的交流電源驅動。 （ 8)一般步進電機的精度是步進角的 3%5%，且步距誤差不會長期積累。 （ 9)步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降：當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 （ 10)步進電機低速時可以正常運轉 ,但若高于一定 頻率就無法啟動 ,并伴有嘯叫聲 載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 13 頁 四、系統(tǒng)的硬件設計 （一）系統(tǒng)設計方案 1、系統(tǒng)的方案簡述與設計要求 本設計采用單片機 作為整個步進電機控制系統(tǒng)的運動控制核心部件，采用了電機驅動芯片 其外圍電路構成了整個系統(tǒng)的驅動部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進電機來構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： （ 1)單片機最小系統(tǒng)板的設計； （ 2)設計兼有兩相兩拍和兩相四拍的脈沖分配器 ; （ 3)實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉、反轉控制； （ 4)驅動電路可提供電壓為 12V，電流為 驅動信號 ; （ 5)能實現(xiàn)步進電機的轉速調節(jié)，最低轉速為 25 轉 /分，最高轉速為 100 轉 /分； （ 6)步進電機的轉速由數(shù)碼管顯示； （ 7)鍵盤掃描電路的設計 2、系統(tǒng)的組成及其對應功能簡述 整個系統(tǒng)的組成 包括單片機最小系統(tǒng)，電機驅動模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機驅動電流檢測模塊，獨立按鍵等模塊組成。具體框圖如圖 3片機最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，它主要負責產(chǎn)生控制步進電機轉動的脈沖，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)成正比步進電機轉動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉動的的方向與輸出的脈沖順序有關。同時單片機系統(tǒng)還負責處理來自電機驅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速，電機的轉動 方向，以及電流檢測模塊檢測到的電機驅動的電流通過數(shù)碼管顯示出來。 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 14 頁 獨 立 按 鍵 控 制 模 塊計 算 機串 口 通 信 模塊單 片 機 最 小 系 統(tǒng)電 機 驅 動 模塊步 進電 機數(shù) 碼 管 顯示 模 塊驅 動 電 流 檢 測 模 塊圖 3系統(tǒng)框圖 電機驅動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大，從而驅動電機工作。 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。 數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機轉速，電機轉向，和通過電機的電流等系統(tǒng)的實時信息。 電機驅動電流檢測模塊主要是檢測通過電機驅動芯片的電流，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)轉換芯片 理后送 給單片機。 獨立按鍵作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，通過它設置了電機的正轉，反轉，加速，減速，顯示電機電流等功能。采用了中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成了對步進電機的最佳的及時的控制。 本節(jié)主要是在第一章和第二章的基礎上引出了本論文將要采用的設計方案，并詳細的清楚的一條條列出了設計要實現(xiàn)的基本設計要求。然后是基于我的設計方案，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的基本功能。通過這一章的內容，我們能對本設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計內容，設計方法，以及最終的預期目標。 3、單片機最小系統(tǒng) （ 1)美國 司生產(chǎn)的低功耗，高性能 單片機，片內含 4可系統(tǒng)編程的 ,器件采用 司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 序存儲器既可在線編程（ 可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 15 頁 單片芯片中，功能強大。 主要性能參數(shù) 與 品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ 速存儲器 1000 次擦寫周期 工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式： 033三級程序加密鎖 128 8 字節(jié)內部 32 個可編程 I O 口線 2 個 16 位定時計數(shù) 器 6 個中斷源 全雙工串行 道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（ 雙數(shù)據(jù)指針 掉電標識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ 節(jié)或頁寫模式） （ 2)功能特性概述 供以下標準功能： 4k 字節(jié) 速存儲器， 128 字節(jié)內部32 個 I O 口線，看門狗（ 兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時， 降至 0靜態(tài)邏 輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 工作，但允許 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 內容，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位。 （ 3)引腳功能說明 該設計使用到的單片機芯片對應管腳名稱位置等如圖 3 源電壓 黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 16 頁 ： 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)總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動 8 個 輯門電路，對端口寫“ l”可作為高阻抗輸入端用。在和數(shù) 據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在 程時， 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，這組口線分時轉換地址（低8 位）。 圖 3： 一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口， 輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 輯門電路。對端口寫“ l”，通過內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 （ 。 ： 一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口， 輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內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（ 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 令）時， 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 i 指令）時， 線上的內容 （也即特 殊功能寄存器（ 存器的內容），在整個訪問期間不改變。 程或校驗時， 接收高位地址和其它控制信號。 ： 是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口。 輸出緩沖級可驅動 （吸收或輸出電流） 4 個 輯門電路。對 寫入“ l”時，它黑龍江職業(yè)學院畢業(yè)設計 第 17 頁 們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的 將用上拉電阻輸出電流 （ 。 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： 還接收一些用于 速存儲器編程和 程序校驗的控制信號。具體功能如表 3示 位輸入。當振蕩器工作時， 腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 出將使該引腳輸出高電平，設置 （地址 8打開或關閉該功能 。 缺為 出高電平打開狀態(tài)。 訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， 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， 以時鐘振蕩頻率的 1 6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定表 3表 3的引腳及功能 端口引腳 第二功能 行輸入口） 行輸出口） 部中斷 0） 外部中斷 1） 0（定時 /計數(shù)器 0 外部輸入） 1（定時 /計數(shù)器 1 外部輸入） R（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） D（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 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 沖。對 儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （ 如必要，可 通過對特殊功能寄存器（ 中的 8元的 置位，可禁止 作。該位置位后，只一條 令 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，應設置 效。 序儲存允許（ 出是外部程序存儲器的讀選通信號，當外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 效，即