1、1. 本次課程設(shè)計(jì)目的本次課程設(shè)計(jì)的安排旨在提升學(xué)生的動(dòng)手能力，加強(qiáng)大家對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解和實(shí)際運(yùn)用，通過(guò)團(tuán)隊(duì)成員之間的密切配合，加強(qiáng)團(tuán)員的合作協(xié)調(diào)能力。通過(guò)本次課程的歷練，加強(qiáng)大家的自學(xué)能力，為大家做畢業(yè)設(shè)計(jì)做很好的鋪墊。2. 課程設(shè)計(jì)題目描述和要求我們小組的課程設(shè)計(jì)題目是步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。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)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

2、機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)我們是這樣設(shè)計(jì)的， 運(yùn)用AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖同時(shí)采用驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、復(fù)位功能，再用紅外對(duì)管檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)數(shù)碼管顯示。3. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與硬件設(shè)計(jì)3.1步進(jìn)電機(jī)控制原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，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。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電

3、機(jī)（簡(jiǎn)稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱HB）。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(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-B-CD,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，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，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

4、步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。3.2 單片機(jī)部分科技的進(jìn)步需要技術(shù)不斷的提升。一塊大而復(fù)雜的模擬電路花費(fèi)了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。而現(xiàn)在，只需要一塊幾厘米見(jiàn)方的單片機(jī)，寫(xiě)入簡(jiǎn)單的程序，就可以使您以前的電路簡(jiǎn)單很多。相信您在使用并掌握了單片機(jī)技術(shù)后，不管在您今后開(kāi)發(fā)或是工作上，一定會(huì)帶來(lái)意想不到的驚喜。我們首先從它的構(gòu)成說(shuō)起：?jiǎn)纹瑱C(jī)，亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器（）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（）、儲(chǔ)存器（）、輸入輸出端口（）等主要計(jì)算機(jī)功能部件

5、都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生加快了人類改造世界的步伐，但是它畢竟體積大。微計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）在這種情況下誕生了，它為我們改變了什么？縱觀我們現(xiàn)在生活的各個(gè)領(lǐng)域，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機(jī)上各種儀表的控制，從計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能卡、電子寵物等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。20世紀(jì)90年代以后，單片機(jī)取得了飛速的發(fā)展，世界各大半導(dǎo)體公司相繼開(kāi)發(fā)了功能更為強(qiáng)大的單片機(jī)。將微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（ROM和RAM等）、輸出/輸入口（I/O口）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等集成在一塊集成電路芯片上。稱之為單片微型計(jì)算

6、機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)（MCU）。單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域由于單片機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域之廣，幾乎到了無(wú)孔不入的地步。單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域有：  1.智能化家用電2.辦公自動(dòng)化設(shè)備  3.商業(yè)營(yíng)銷設(shè)備  4.工業(yè)自動(dòng)化控制  5.智能化儀表 6.智能化通信產(chǎn)品7.汽車電子產(chǎn)品8.航空航天系統(tǒng)和國(guó)防軍事、尖端武器等領(lǐng)域,單片機(jī)的應(yīng)用更是不言而喻。 單片機(jī)是微型機(jī)的一個(gè)主要分支，在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是把CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器和多種輸入/輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和功能而言，一塊單片機(jī)芯片就

7、是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。其主要基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 典型單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)AT89S52單片機(jī)是在一塊芯片中集成了CPU，8K字節(jié)的閃存，256字節(jié)內(nèi)存，32個(gè)輸入/輸出線，看門(mén)狗定時(shí)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6矢量?jī)蓚€(gè)級(jí)別的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，AT89S52設(shè)計(jì)與靜態(tài)邏輯操作下降到零頻率，并支持兩種軟件可選的省電模式：閑置模式和斷電模式。AT89S52單片機(jī)內(nèi)包含下列幾個(gè)部件： 一個(gè)8位CPU； 一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路； 8K字節(jié)可重復(fù)擦寫(xiě)的Flash閃速存儲(chǔ)器 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 256×8字節(jié)內(nèi)部RAM； 3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)

8、器； 32條可編程的I/O線（四個(gè)8位并行I/O端口）； 一個(gè)可編程全雙工串行口； 具有8個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。3.3 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路我們采用L298芯片，恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接457

9、V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)25 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。表1是L298N功能邏輯圖。 In3，In4的邏輯圖與表1相同。由表1可知EnA為低電平時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎

10、停。L298N的說(shuō)明及應(yīng)用下面是3個(gè)虛線框圖功能：（1）虛線框圖1控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，U1A，U2A是比較器，VI來(lái)自爐體壓強(qiáng)傳感器的電壓。當(dāng)VIVRBF1時(shí)，U1A輸出高電平，U2A輸出高電平經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖?，電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理VIVRBF1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)可控制抽氣機(jī)抽出氣體的流量，從而改變爐體壓強(qiáng)。 （2）虛線框圖2中，U3A，U4A兩個(gè)比較器組成雙限比較器，當(dāng)VBVIVA時(shí)輸出低電平，當(dāng)VIVA，VIVB時(shí)輸出高電平。VA，VB是由爐體壓強(qiáng)轉(zhuǎn)感器轉(zhuǎn)換電壓的上下限，即反應(yīng)爐體壓強(qiáng)控制范圍。根據(jù)工藝要求，我們可自行規(guī)定VA，VB的值，只要爐體壓強(qiáng)在VA，VB所確定范圍之間電機(jī)停轉(zhuǎn)（注意V

11、BVRBF1VA，如果不在這個(gè)范圍內(nèi)，系統(tǒng)不穩(wěn)定）。 （3）虛線框圖3是一個(gè)長(zhǎng)延時(shí)電路。U5A是一個(gè)比較器，Rs1是采樣電阻，VRBF2是電機(jī)過(guò)流電壓。Rs1上電壓大于VREF2，電機(jī)過(guò)流，U5A輸出低電平。由上面可知，框圖1控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，框圖2控制爐體壓強(qiáng)的紋波大小。當(dāng)爐體壓強(qiáng)太小或太大時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到兩端固定位置停止，根據(jù)直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方程3： UCeNRaIa其中:為電機(jī)每極磁通量；Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)； N為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)； Ia為電樞電流；Ra電樞回路電阻。電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)N為0，電機(jī)的電流急劇增加，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將會(huì)使電機(jī)燒壞。但電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電機(jī)中線圈中的電流也急劇變大，因此我們必須把這兩種狀態(tài)分開(kāi)。長(zhǎng)延時(shí)電路可把這兩種狀態(tài)區(qū)分出來(lái)。長(zhǎng)延時(shí)電路工作原理：當(dāng)Rs1過(guò)流U5A產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖經(jīng)過(guò)微分后，脈沖觸發(fā)555的2腳，電路置位，3腳輸出高電平，由于放電端7腳開(kāi)路，C1，R5及U6A組成積分器開(kāi)始積分，電容C1上的充電電壓線性上升，延時(shí)運(yùn)放積分常數(shù)為100R5C1。當(dāng)C1上充電電壓，即6腳電壓超過(guò)23 VCC，555電路復(fù)位，輸出低電平。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間一般小于08 s，C1充電時(shí)間一般為081 s。U5A輸出電平與555的3腳輸出電平經(jīng)U7相或，如果U5A輸