1、基于PIC單片機的步進電機定位控制系統(tǒng)設(shè)計摘要介紹了步進電機的工作原理及各項指標參數(shù)，分析了單片機控制步進電機的方法。系統(tǒng)采用單片機和步進電機的串行控制方案，采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量系統(tǒng)的精度。 PIC單片機作為步進電機的控制器，實現(xiàn)步進電機的運動。硬件結(jié)構(gòu)由串口顯示電路、鍵盤接口電路、電機驅(qū)動電路等組成。軟件采用模塊化設(shè)計，通過調(diào)用中斷、鍵盤掃描、串口顯示等。給出了硬件原理圖、編程流程圖和軟件程序。關(guān)鍵詞：步進電機PIC單片機硬件接口電路目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc202228345 概述 PAGEREF _Toc202228345 h 1 HYPERLI

2、NK l _Toc202228346 1.1學(xué)科背景 PAGEREF _Toc202228346 h 1 HYPERLINK l _Toc202228347 1.2 MCU應(yīng)用開發(fā)介紹 PAGEREF _Toc202228347 h 1 HYPERLINK l _Toc202228348 1.3主要研究工作 PAGEREF _Toc202228348 h 2 HYPERLINK l _Toc202228349 第二章步進電機原理與驅(qū)動 PAGEREF _Toc202228349 h 4 HYPERLINK l _Toc202228350 2.1步進電機的工作原理 PAGEREF _Toc202

3、228350 h 4 HYPERLINK l _Toc202228351 2.2步進電機驅(qū)動 PAGEREF _Toc202228351 h 6 HYPERLINK l _Toc202228352 2.2.1步進電機驅(qū)動方式 PAGEREF _Toc202228352 h 6 HYPERLINK l _Toc202228353 2.2.2步進電機的驅(qū)動特性 PAGEREF _Toc202228353 h 8 HYPERLINK l _Toc202228354 2.2.3步進電機驅(qū)動器直流電源的確定 PAGEREF _Toc202228354 h 12 HYPERLINK l _Toc20222

4、8355 2.3步進電機控制系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc202228355 h 12 HYPERLINK l _Toc202228356 第三章單片機控制步進電機的方法 PAGEREF _Toc202228356 h 14 HYPERLINK l _Toc202228357 3.1步進電機控制方法 PAGEREF _Toc202228357 h 14 HYPERLINK l _Toc202228358 3.1.1串行模式 PAGEREF _Toc202228358 h 14 HYPERLINK l _Toc202228359 3.1.2并聯(lián)模式 PAGEREF _Toc202228359

5、 h 14 HYPERLINK l _Toc202228360 3.2 PIC單片機介紹 PAGEREF _Toc202228360 h 14 HYPERLINK l _Toc202228361 3.2.1 PIC單片機簡介 PAGEREF _Toc202228361 h 14 HYPERLINK l _Toc202228362 3.2.2 PIC 系列單片機的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc202228362 h 15 HYPERLINK l _Toc202228363 3.3單片機控制步進電機 PAGEREF _Toc202228363 h 16 HYPERLINK l _Toc202228

6、364 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc202228364 h 20 HYPERLINK l _Toc202228365 4.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc202228365 h 20 HYPERLINK l _Toc202228366 4.2模擬步進電機驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc202228366 h 20 HYPERLINK l _Toc202228367 4.3 LED顯示屏接口電路 PAGEREF _Toc202228367 h 21 HYPERLINK l _Toc202228368 4.4鍵盤界面設(shè)計 PAGEREF _Toc202228368

7、h 22 HYPERLINK l _Toc202228369 4.5石英多諧振蕩器電路設(shè)計 PAGEREF _Toc202228369 h 24 HYPERLINK l _Toc202228370 4.6光電編碼器原理及分類 PAGEREF _Toc202228370 h 25 HYPERLINK l _Toc202228371 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc202228371 h 28 HYPERLINK l _Toc202228372 5.1軟件架構(gòu) PAGEREF _Toc202228372 h 28 HYPERLINK l _Toc202228373 5.2子程序模

8、塊 PAGEREF _Toc202228373 h 29 HYPERLINK l _Toc202228374 5.2.1串行靜態(tài)顯示模塊 PAGEREF _Toc202228374 h 29 HYPERLINK l _Toc202228375 5.2.2鍵盤掃描模塊 PAGEREF _Toc202228375 h 30 HYPERLINK l _Toc202228376 5.2.3中斷模塊 PAGEREF _Toc202228376 h 31 HYPERLINK l _Toc202228377 結(jié)論 PAGEREF _Toc202228377 h 36 HYPERLINK l _Toc2022

9、28378 參考文獻 PAGEREF _Toc202228378 h 37 HYPERLINK l _Toc202228379 至 PAGEREF _Toc202228379 h 38 HYPERLINK l _Toc202228380 附錄1 PAGEREF _Toc202228380 h 39 HYPERLINK l _Toc202228381 附錄2 PAGEREF _Toc202228381 h 43第一章概述1.1 學(xué)科背景步進電機是一種機電致動器，可將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移。每增加一個控制脈沖，電機就運行一個步進，所以稱為步進電機或脈沖電機。當步進電機接收到脈沖信號時，它會按照設(shè)定的方

10、向旋轉(zhuǎn)一個固定的角度（步距角） ?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移，從而達到精確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。小，定位精度高，無累積誤差，控制簡單。在實際運行中，不受電源電壓、負載、環(huán)境、溫度的影響，可實現(xiàn)快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。步進電機可以高精度控制旋轉(zhuǎn)角度和速度。步進電機作為控制執(zhí)行器，是機電一體化的重點產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領(lǐng)域。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。隨著數(shù)字技術(shù)和計算機的發(fā)展，對步進電機驅(qū)動電路的研究，使步進電機的控制更加簡單、靈活、智能化，應(yīng)用

11、更加廣泛。步進電機的發(fā)展方向主要有以下三點：( 1 )進一步完善和擴展驅(qū)動和控制功能。如采用SVPWM技術(shù)，采用電子齒輪比技術(shù)，擴展通訊網(wǎng)絡(luò)功能。( 2 )高功率密度步進電機系統(tǒng)。( 3 )閉環(huán)控制步進電機系統(tǒng)。為了徹底克服步進電機系統(tǒng)的一些根本性弱點，如容易出現(xiàn)振蕩和失步等問題，可以改為閉環(huán)系統(tǒng)，但這種變化使步進電機系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的變化，不再是原來的意義。步進電機變成無刷直流電機（BLDCM），或交流伺服電機（AC SERVO）。1.2 單片機應(yīng)用開發(fā)介紹單片機（Single Chip Microcomputer）簡稱單片機。組成一個完整的微型計算機的組件。Intel自1971年生產(chǎn)出第一塊4

12、位微處理器以來，發(fā)展迅速，先后經(jīng)歷了4位機、低端8位機、高端8位機、16位機和最新一代單機芯片微型計算機。最新一代單片機在結(jié)構(gòu)上采用雙CPU或部分流水線。 CPU有8位、16位和32位，時鐘頻率最高可達20Hz。該芯片具有PWM輸出、看門狗定時器WDT、可編程計數(shù)器陣列PCA、DMA傳輸、調(diào)制解調(diào)器等。芯片向高集成度和低功耗方向發(fā)展，使得單片機廣泛應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)的及時處理、先進的通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、復(fù)雜的工業(yè)過程控制、先進的機器人和局域網(wǎng)等領(lǐng)域。單片機具有體積小、重量輕、價格低、功耗低、控制功能強、運行速度快等特點，因此在國民經(jīng)濟建設(shè)、軍工、家用電器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)單片機的特點，

13、單片機可以分為單機應(yīng)用和多機應(yīng)用。獨立應(yīng)用程序的主要領(lǐng)域是：( 1 )測控系統(tǒng)：由單片機組成各種工控系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如溫室人工氣候控制、水閥自動控制、電鍍生產(chǎn)線自動控制、汽輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。( 2 )智能儀表：可將原有的測控儀表改造為單片機，推動儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、集成化、柔性化方向發(fā)展。如溫度、壓力、流量、濃度測量、顯示和儀表控制。通過單片機的軟件編程，可以輕松解決測量儀器中長期存在的誤差校正和線性化處理等問題。( 3 )機電一體化產(chǎn)品：如簡單的數(shù)控機床、醫(yī)療器械等。( 4 )智能接口：在大型工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般采用單片機進行接口控制和管理。由于單片機和主機并

14、行工作，可以大大提高系統(tǒng)運行速度。例如，在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使用單片機控制ADC接口，不僅可以提高采集速度，還可以對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。如數(shù)字濾波、線性化、糾錯等。多機應(yīng)用的主要領(lǐng)域有：( 1 )功能分配系統(tǒng)：多功能分配系統(tǒng)是為滿足工程系統(tǒng)各種外圍功能的要求而設(shè)置的多機系統(tǒng)。例如，加工中心的計算機系統(tǒng)不僅完成機床的加工操作控制，還控制對刀系統(tǒng)、坐標系、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)控、伺服驅(qū)動等機構(gòu)。( 2 )并行多控系統(tǒng)：并行多控系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的加速問題，以形成大型實時工程應(yīng)用系統(tǒng)。典型的有快速并行數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)、實時圖像處理系統(tǒng)等。( 3 )局域網(wǎng)系統(tǒng)：單片機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)，將單片機的應(yīng)用提

15、升到了一個新的高度。目前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是分布式測控系統(tǒng)，系統(tǒng)中主要采用單片機進行通訊控制，形成各種測控子系統(tǒng)。1.3 主要研究工作硬件設(shè)計：通過單片機實驗加深對驅(qū)動電源和步進電機工作狀況的了解，測量研究角位移與脈沖數(shù)的關(guān)系，平均速度與脈沖數(shù)的關(guān)系。單步運行狀態(tài)下的脈沖頻率。觀察轉(zhuǎn)子振蕩狀態(tài)，掌握步進電機的基本特性和指標。根據(jù)功能需要選擇電路元件和型號，設(shè)計電路，解決實際抗干擾問題。畫出電路原理圖。軟件設(shè)計：用匯編語言編寫核心模塊來控制步進電機。最后編寫了一個完整的步進電機控制程序，可以調(diào)節(jié)步進電機的方向和速度。由于轉(zhuǎn)速是通過調(diào)整脈沖頻率來實現(xiàn)的，所以脈沖分布的設(shè)計采用了完整的軟件方式，即按照給定

16、的上電換相順序，通過I/O向驅(qū)動電路致控制脈沖單片機的端口，從而避免使用復(fù)雜的脈沖分配芯片。 ，實現(xiàn)單片機對步進電機的控制。程序設(shè)計在掌握計算機相序控制方法的基礎(chǔ)上，采用適用于三相單四拍、雙四拍和單雙八拍的循環(huán)移位法，解決了存在的問題實際運行中轉(zhuǎn)子失速和啟動失步。第二章步進電機原理與驅(qū)動2.1 步進電機的工作原理步進電機是數(shù)控電機，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，即給定脈沖信號時，步進電機轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合單片機控制。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機（簡稱VR ）、永磁步進電機（簡稱PM ）和混合式步進電機（簡稱HB ）。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是它是通過輸入脈沖信號來控制的，即電機的

17、總轉(zhuǎn)角由輸入的脈沖數(shù)決定，電機的轉(zhuǎn)速由輸入的脈沖數(shù)決定。通過脈沖信號的頻率。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。基本原理如下：( 1 )控制換相順序通電換流的過程稱為脈沖分布。四相步進電機的工作原理如下：單相四拍工作方式：正轉(zhuǎn)上電順序為： A - B - C - D - A反向上電順序為： D - C - B - A - D四相八拍工作方式：正轉(zhuǎn)上電順序為： A - AB - B - BC - C - CD - D - DA - A反向上電順序為： D - DC - C - CB - B - BA - A - AD - D控制步進電機的轉(zhuǎn)向。若給定工作方式正序換相通電，則

18、步進電機正轉(zhuǎn)；如果以相反的順序通電和換向，則電機將反轉(zhuǎn)。( 2 )控制步進電機的速度如果您向步進電機致一個控制脈沖，它將走一步，另一個脈沖將使其多走一步。兩個脈沖之間的間隔越短，步進電機轉(zhuǎn)動得越快。步進電機的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)單片機致的脈沖頻率來調(diào)節(jié)。(3) 步進電機指示燈勵磁線圈（由m 表示）產(chǎn)生不同極性的 N 和 S 磁場。完成一次磁場周期性變化所需的脈沖數(shù)或?qū)顟B(tài)（用n表示），或電機轉(zhuǎn)動一個螺距角所需的脈沖數(shù)。以四相電機為例，有四相四拍的運行方式。即AB-BC-CD-DA-AB ，四相八拍運行模式為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子的角位移用

19、表示。 =360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J *運轉(zhuǎn)節(jié)拍），以50齒的常規(guī)兩相或四相電機為例。四拍運行時步距角=360度/(504)=1.8度（俗稱全步），步距角 = 360度/(508)=0.9度（俗稱全步）在八拍運行時運行半步）。定位力矩：電機不通電時電機轉(zhuǎn)子本身的鎖緊力矩（由磁場齒形諧波和機械誤差引起）。靜力矩：電機在額定靜電作用下不轉(zhuǎn)動時電機軸的鎖緊力矩。這個扭矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓和驅(qū)動功率無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁勵磁的安匝數(shù)成正比，并與定轉(zhuǎn)子之間的氣隙有關(guān)，但不宜減小氣隙，增加勵磁的安匝數(shù)以增加勵磁的安匝數(shù)。靜態(tài)扭矩，這將導(dǎo)致電機發(fā)熱。和機械噪音。(4) 步進電機的特點

20、一般步進電機的精度為步進角的35 %，不累加。步進電機表面內(nèi)容的最高溫度。如果步進電機的溫度過高，電機的磁性材料會先退磁，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩下降，甚至失步。因此，電機表面內(nèi)容的最高溫度應(yīng)取決于不同電機的磁性材料的退磁點。一般來說，磁性材料的退磁點在130攝氏度以上，有的甚至高達200攝氏度，所以步進電機的表面溫度在80到90攝氏度是完全正常的。步進電機的轉(zhuǎn)矩會隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感會形成反電動勢，頻率越高，反電動勢越大。在它的作用下，電動機的相電流隨著頻率（或速度）的增加而減小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。步進電機在低速下可以正常運行，但高于一定速度則無法啟動，并伴有噪音。步進電

21、機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載條件下能正常啟動的脈沖頻率。如果脈沖頻率高于此值，電機將無法正常啟動，可能會出現(xiàn)失步或失速。在負載下，啟動頻率應(yīng)該更低。如果要使電機高速旋轉(zhuǎn)，脈沖頻率應(yīng)該有一個加速過程，即啟動頻率較低，然后以一定的加速度上升到所需的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速上升到高速）。步進電機以其顯著的特性，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重要作用。隨著不同數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和步進電機技術(shù)的提高，步進電機將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。（五）常用步進電機的種類比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（ VR ）、永磁步進電機（ PM ）、混合式步進電機（ HB ）和單相步進電機。永磁步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和

22、體積小，步進角一般為7.5度或15度。反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大扭矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪音和振動較大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子有一個多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機是指結(jié)合了永磁和無功的優(yōu)點。分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度，五相步進角一般為0.72度。這種步進電機應(yīng)用最廣泛。(6)步進電機應(yīng)用中的注意事項步進電機用于低速場合轉(zhuǎn)速不宜超過1000轉(zhuǎn)，（ 0.9度時為6666PPS ） ，最好在1000-3000PPS （ 0.9度）之間使用。電機工作效率高，噪音低。步進電機最好不要使用全步狀態(tài)，全步狀態(tài)下振動較大。只有標稱電壓

23、為12V的電機使用12V，其他電機電壓可根據(jù)驅(qū)動器選擇。除了12V恒壓驅(qū)動外，其他驅(qū)動電源也可以使用，但要考慮溫度變化。轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選用大機座電機。電機在高速或大慣量負載下，一般不以工作轉(zhuǎn)速啟動，而是逐漸提高頻率和轉(zhuǎn)速。一是電機不丟步，二是可以降低噪音，提高停車定位精度。精度高時，應(yīng)采用機械減速、提高電機轉(zhuǎn)速或使用高細分驅(qū)動器來解決。也可以用5相電機，但是整個系統(tǒng)的價格比較貴，廠家少。據(jù)說被淘汰了。不準確。電機不應(yīng)在振動區(qū)工作。如有必要，可以通過改變電壓、電流或增加一些阻尼來解決。電機在600PPS （ 0.9度）以下工作時，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓驅(qū)動。 應(yīng)遵循先選電機、后驅(qū)動的原

24、則。2.2 步進電機的驅(qū)動2.2.1步進電機驅(qū)動步進電機常用的驅(qū)動方式是全電壓驅(qū)動，即在電機運動和鎖定時加載額定電壓。為了防止電機過流并改善驅(qū)動特性，需要增加一個限流電阻。當步進電機鎖定時，限流電阻會消耗大量功率。因此，限流電阻必須有很大的功率容量，開關(guān)管也必須有很高的負載能力。步進電機的另一種驅(qū)動方式是高低壓驅(qū)動，即在電機運動時，加上額定電壓或超過額定值，用大電流驅(qū)動電機，使電機快速運動。在鎖步中，施加低于額定值的電壓，只有電機繞組所需的電流值通過鎖步。這樣既可以降低限流電阻的功耗，又可以提高電機的運行速度，但是這種驅(qū)動方式的電路比較復(fù)雜。可以使用硬件方法，即使用脈沖分配器來實現(xiàn)驅(qū)動脈沖的分

25、配?，F(xiàn)在脈沖分配器已經(jīng)標準化、芯片化，并在市場上銷售。但硬件方法不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本高。步進電機的控制也可以采用軟件的方式，甚至可以用單片機，既簡化了電路，又降低了成本。采用單片機通過軟件方式驅(qū)動步進電機，不僅可以通過編程在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速、往復(fù)旋轉(zhuǎn)的角度和轉(zhuǎn)數(shù)等，而且步進電機的運行狀態(tài)可以輕松靈活地控制。步進電機不能直接接交流、直流電源工作，必須使用特殊的設(shè)備步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能好壞不僅與電機本身的性能有關(guān)，而且很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。信號放大級信號放大級推動級環(huán)形分配級驅(qū)動級保護級圖 2-1 驅(qū)動結(jié)構(gòu)步進電機驅(qū)動器的主要組成如圖2-1所示，一般由環(huán)

26、形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等組成。用于功率步進電機的驅(qū)動器也有一個各種保護電路。環(huán)形分配器用于接收來自控制器的CP脈沖，并根據(jù)步進電機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所要求的狀態(tài)順序，產(chǎn)生各相的開啟或關(guān)閉信號。對于每個CP脈沖，環(huán)形分頻器的輸出切換一次。因此，步進電機的速度，加速或減速，啟動或停止，都取決于CP脈沖的存在或頻率。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而判斷其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是正序還是反序，從而決定步進電機的轉(zhuǎn)向。接受CP脈沖和方向電平是環(huán)形分頻器最基本的功能。的各相開啟或關(guān)閉信號送至信號放大處理級。信號放大的作用是將環(huán)形分布的輸出信號放大成足夠大的信號送到升壓級，一般需要電壓放大和電

27、流放大。信號處理階段是實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換、合成、斬波、抑制等信號的一些特殊功能，從而產(chǎn)生特殊功能。該級也常與各種保護電路和各種控制電路結(jié)合，形成高性能的驅(qū)動輸出。推動級的作用是將較小的信號放大成足以推動驅(qū)動級輸入的較大信號。有時，push 階段也起到電平轉(zhuǎn)換的作用。保護層的作用是保護驅(qū)動層的安全。一般可根據(jù)需要設(shè)置過流保護、過熱保護、過壓保護、欠壓保護等。有時需要對輸入信號進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)輸入異常時也要提供保護動作。驅(qū)動級直接與步進電機各相繞組相連。它接受來自驅(qū)動級的信號，控制電機各相繞組的通斷，也控制繞組所承受的電壓和電流。2.2.2步進電機的驅(qū)動特性各種電子設(shè)備的末級一般都需要功率放大，步進電機

28、驅(qū)動也是如此。為了使步進電機滿足各種所需的輸出，驅(qū)動級必須為電機繞組提供足夠的電壓和電流。但步進電機的驅(qū)動與一般電子設(shè)備的驅(qū)動有不同的特點，主要體現(xiàn)在：( 1 )切換各相繞組。大多數(shù)電機繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進電機的每一相繞組都是脈沖的，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。( 2 )電機的每一相繞組都是繞在鐵芯上的線圈，所以電感比較大。繞組通電時電流上升率受到限制，從而影響電機繞組電流的大小。( 3 )當繞組斷電時，電感中磁場的能量儲存會使繞組中的電流不發(fā)生突變，從而使本應(yīng)被電流切斷的相不能立即被切斷。為了使電流盡快衰減，必須設(shè)計合適的續(xù)流電路。繞組在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中會產(chǎn)生很大的反電動勢

29、，關(guān)斷時的反電動勢會對驅(qū)動級設(shè)備的安全產(chǎn)生非常有害的影響。( 4 )電動機運行時，各相繞組會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)電位，這些電位的大小和方向?qū)@組電流有很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電位基本上與電機的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電位越大，繞組電流越小，這樣電機的輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。( 5 )電機繞組中存在感應(yīng)電勢、互感電勢和旋轉(zhuǎn)電勢。這些電位與施加在功率器件上的電壓一起作用。當疊加結(jié)果使電機繞組兩端的電壓大大超過電源電壓時，驅(qū)動級的工作條件進一步惡化。步進電機的驅(qū)動包括單電壓驅(qū)動、單電壓串聯(lián)電阻驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、 H橋驅(qū)動、多相橋驅(qū)動、變頻驅(qū)動和細分驅(qū)動。下面簡單介紹一下典型的單電

30、壓驅(qū)動和H橋驅(qū)動。1.電壓驅(qū)動圖 2-2 單電壓驅(qū)動的單元電路所謂單電壓驅(qū)動，是指在電機繞組工作過程中，只用一個方向電壓給繞組供電。其電路如圖 2-2 所示。前推級的輸出信號In作用于三極管的基極，其集電極接電機繞組的一端，繞組的另一端直接接電源電壓。這樣，當三極管導(dǎo)通時，電源電壓全部作用在電機繞組上。當輸入信號為高電平時， In提供足夠大的基極電流，使晶體管T處于飽和狀態(tài)。如果忽略飽和壓降，電源電壓將全部作用在電機繞組上。等效電路如圖2.4(b)所示，其中R為繞組電阻， L為繞組的平均電感， E為電機運動產(chǎn)生的反電動勢。電動機處于靜止狀態(tài)，在一定的勵磁狀態(tài)下，繞組的電流保持在一個穩(wěn)定值，稱為

31、初始狀態(tài)，為靜止鎖定狀態(tài)。向驅(qū)動器施加一個脈沖，改變一次勵磁狀態(tài)，或換向一次，使電機運行一步，這個過程稱為單步響應(yīng)。當電機轉(zhuǎn)速足夠低時，即CP脈沖周期足夠長時，電機運行的每一步都可以看作是一個單步響應(yīng)過程。從開啟時的等效電路可知，其電壓平衡方程為： (2 - 1)如果電機被阻塞，電機將無法運行，并且其反電動勢為零。此時，繞組電流的單步振鈴應(yīng)該可以解方程，即：(2-2)其中是繞組電路的電氣時間常數(shù)，并且：(2-3)步進電機的一個重要問題是低頻振蕩。當頻率較低時，電機處于步進工作狀態(tài)，每一步都會出現(xiàn)一定的超調(diào)現(xiàn)象，在穩(wěn)定平衡點附近形成振蕩過程。在某些工作頻率下會發(fā)生共振。此時電機完全沒有負載能力，

32、無負載也無法正常運行。共振現(xiàn)象是由電機獲得的多余能量引起的。它與電機負載的性質(zhì)、電壓等級、電機的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)都有一定的關(guān)系。目前，克服共振現(xiàn)象的方法通常有很多，如在電機中加入機械阻尼、在電路中加入電氣阻尼、改進電路結(jié)構(gòu)等。綜上所述，單電壓驅(qū)動器具有以下特點：電路簡單，成本低；低頻響應(yīng)較好；有共振區(qū)； 高頻時負載能力迅速下降。由于性能較差，實際中很少使用單電壓驅(qū)動。它僅用于小尺寸電機和簡單應(yīng)用。僅在使用中。2.H橋驅(qū)動圖2-3 H橋驅(qū)動示意圖永磁步進電機和兩相、三相、五相混合式步進電機的勵磁繞組必須采用雙極電源供電，即勵磁繞組有時需要通過正向電流，有時需要通過反向電流。 .此類繞組需要使用

33、H橋驅(qū)動。 H橋的四個臂由四個晶體管T1-T4組成。高壓管T1、 T3的集電極連接高壓電源，低壓管T2 、 T4的發(fā)射極共地。當輸入信號IR為高電平時， T2和T3導(dǎo)通， T1和T4關(guān)斷，電流通過T2 、電機繞組和T3到地，見圖2-4 （a） 。當I f為高電平時，T1、T4導(dǎo)通， T2、T3截止，電流通過T1 、電機繞組、 T4 到地，見圖2.4 （b ） ?？梢钥闯?，電流以兩個完全相反的方向在繞組中流動。推壓級的信號邏輯要防止兩個對角晶體管同時導(dǎo)通，避免高低壓管直通。直通的結(jié)果是兩個晶體管流過很大的短路電流，非常危險。（一個）(二)圖 2-4 不同對角線晶體管導(dǎo)通時的電流方向2.2.3步進

34、電機驅(qū)動器直流電源的確定( 1 )電壓的測定混合式步進電機驅(qū)動器的電源電壓范圍一般較寬（例如IM483的電源電壓為1248V），電源電壓通常根據(jù)電機的工作速度和響應(yīng)要求來選擇.如果電機高速工作或響應(yīng)快，電壓值也高，但電源電壓不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。( 2 )電流的測定我的司機。如果采用線性電源，電源電流一般為I的1.11.3倍；如果使用開關(guān)電源，電源電流一般為I的1.52.0倍。2.3 步進電機控制系統(tǒng)組成步進電機控制系統(tǒng)由步進控制器、功率放大器和步進電機組成，如圖2-5所示。步進控制器步進控制器功率放大器步進電機負載脈沖方向控制圖2-5 步進電機控制系統(tǒng)組成圖步進控

35、制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯和正向和反向控制門。它的作用是將輸入的脈沖變成環(huán)形脈沖，從而實現(xiàn)步進電機的旋轉(zhuǎn)和正反轉(zhuǎn)控制。功放的作用是放大步進控制器輸出的環(huán)形脈沖，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。在這種控制中，由于步進控制器電路復(fù)雜、成本高，限制了其應(yīng)用。隨著微機的廣泛應(yīng)用，采用微機控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的個數(shù)和頻率，按照電機繞組相序通電，即可得到所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。這不僅簡化了電路，降低了成本，而且便于控制，提高了可靠性。圖2-6是微機控制步進電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。微型計算機微型計算機接口驅(qū)動器步進電機負載圖2-6 微機控制步進電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖步進電機在運行過程中，可能會出現(xiàn)失步，失步的原因

36、有兩個：( 1 )轉(zhuǎn)子的加速度比步進電機的旋轉(zhuǎn)磁場慢，即在換向速度以下產(chǎn)生。這是因為輸入電機的功率不足，步進電機產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩不能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨定子磁場的轉(zhuǎn)動，造成失步。( 2 )轉(zhuǎn)子的平均轉(zhuǎn)速高于定子磁場的平均轉(zhuǎn)速。此時定子通電勵磁的時間較長，比轉(zhuǎn)子進一步步進所需的時間長，轉(zhuǎn)子在步進過程中獲得的能量過多。產(chǎn)生前沖和后沖的振蕩振蕩，當振蕩足夠嚴重時，會導(dǎo)致不同步。第三章單片機控制步進電機的方法3.1 步進電機控制方法3.1.1串行模式PIC單片機與串行接口芯片8251組成串行控制系統(tǒng)，與步進電機驅(qū)動電源相連。通過將控制信號送入電源中的環(huán)形分配器，再經(jīng)功率放大器放大，即可控制步進電機。運行，如圖

37、3-1 所示。PICPIC8251TXDRXD環(huán)形分配器功率放大器步進電機圖 3-1串行控制方式示意圖3.1.2平行方式利用PIC單片機和P1的數(shù)據(jù)輸出信號直接控制步進電機各相的驅(qū)動電路稱為并聯(lián)控制。步進電機驅(qū)動電源包括一個環(huán)形分配器，但其功能由單片機系統(tǒng)完成。系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖分配有兩種方式。一種是純軟件方式，即完全由軟件實現(xiàn)相序分配，直接輸出各相的導(dǎo)通或截止信號。主要有寄存器移位法和緩沖表查找法。二是軟硬件結(jié)合的方法。單片機向可編程接口芯片8255輸出控制信號數(shù)據(jù)，可編程接口芯片輸出步進電機各相開啟或關(guān)閉的控制信號。3.2 PIC單片機介紹3.2.1 P集成電路微控制器PIC系列單片機是美國Mi

38、crochip公司生產(chǎn)的單片機產(chǎn)品，目前位居世界8位單片機銷量第一。 PIC系列單片機抗干擾性能好，指令集簡潔，硬件配置要求低。因此，它們已廣泛應(yīng)用于計算機周邊、家電控制、電信、智能儀表、汽車電子、金融電子等各個領(lǐng)域。應(yīng)用程序。PIC單片機（ Peripheral Interface Controller ）是一種控制外圍設(shè)備的集成電路（ IC ），是將CPU 、 ROM和I/O集成在一個芯片上的專用微機。 PIC系列微控制器是一種用于控制應(yīng)用的具有分散（多任務(wù)）功能的微處理器。它采用精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、兩級流水線指令模式。它除了具有一般單片機的實用性、價格低、功耗低、速度快、體積小、功

39、能強等特點外，還具有品種多、指令集小、易學(xué)、抗干擾能力強等特點。徹底的表現(xiàn)。 ，自帶看門狗定時器等特點，體現(xiàn)了單片機發(fā)展的新趨勢。3.2.2 PIC系列單片機PIC系列單片機反映了小型計算機原有的雙總線兩級指令流水線結(jié)構(gòu)。1 雙總線結(jié)構(gòu)這里PIC系列單片機采用雙總線結(jié)構(gòu)，即所謂的哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中有兩種總線，程序總線和數(shù)據(jù)總線。這兩條總線可以使用不同的字長。比如PIC系列單片機是8位機，那么它的數(shù)據(jù)總線當然是8位的。但低、中、高檔的PIC系列機器分別有12位、14位和16位指令總線。這樣取指令是通過指令總線，取數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)總線，兩者互不沖突。指令總線一般需要增加位數(shù)。這是因為指令中的位數(shù)較

40、多，每條指令所包含的信息量增加。該指令功能強大。一條 12 位、14 位或 16 位指令可以用作兩條 8 位指令。因此， PIC系列單片機的指令總數(shù)（即RISC指令集）遠少于CISC結(jié)構(gòu)的單片機指令。2 兩級指令流水線結(jié)構(gòu)由于PIC系列單片機采用指令空間和數(shù)據(jù)空間分離的哈佛結(jié)構(gòu)，使用兩條不同位置的總線，取指令和取數(shù)據(jù)可能同時重疊，所以PIC系列單片機取指令并執(zhí)行指令。指令采用指令流水線結(jié)構(gòu)。取出第一條指令后，立即進入執(zhí)行階段。這時候可能會從一個寄存器中取出數(shù)據(jù)致到另一個寄存器，也可能是從某個端口向寄存器傳輸數(shù)據(jù)等，但數(shù)據(jù)不會流經(jīng)程序總線，而只是流入數(shù)據(jù)總線，所以在這段時間內(nèi)，程序總線是空閑的，

41、可以同時取第二條指令。當?shù)谝粭l指令執(zhí)行完畢后，可以執(zhí)行第二條指令，同時取出第三條指令以此類推。這樣，除了第一條指令的取指外，其他指令的執(zhí)行和下一條指令的取指同時進行，從而在每個時鐘周期內(nèi)都能獲得最高的效率。在大多數(shù)單片機中，取指令和執(zhí)行是順序進行的，但在PIC單片機指令流水線結(jié)構(gòu)中，取指令和執(zhí)行指令在時間上是相互重疊的，因此PIC系列單片機可以實現(xiàn)單周期指令。只有涉及更改程序計數(shù)器的 PC 值的程序分支指令（例如GOTO 、 CALL 等）需要兩個周期。此外， PIC的結(jié)構(gòu)特點還體現(xiàn)在寄存器組上，如寄存器I/O口、定時器和程序寄存器等，均采用RAM結(jié)構(gòu)，只需一個周期即可完成訪問和操作.而其他微

42、控制器通常需要兩個或更多周期來更改寄存器內(nèi)容。PIC系列單片機能夠?qū)崿F(xiàn)指令總量少，且大部分為單周期指令的重要原因。3.3 步進電機單片機控制步進電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)如圖3-2所示圖 3-2 單片機控制步進電機假設(shè)PIC單片機的PB口接步進電機繞組，輸出控制電流脈沖，其中PB 0接A ， PB 1接B ， PB 2接C .(1) 兩相三拍控制兩相三拍控制模型見表3-1表 3-1序列PB口輸出狀態(tài)纏繞控制字100000011AB03小時200000110公元前06小時300000101加州05H_ _

43、假設(shè)以下工作單元和工作位定義：R 0為步數(shù)寄存器；PSW ， F 0為方向標志位， F 0 =0 為正向， F 0 0 為反向。參考程序如下：MAIN：BSF狀態(tài),RP0CLRF TRISCBCF狀態(tài),RP0法官：BTFSS PORTC,6 ;正反判斷逆時針轉(zhuǎn)順時針轉(zhuǎn)逆時針： ;按照逆時針步驟MOVLW 03H ;第一拍MOVWF PORTB ;將值 03H 致到端口 B呼叫延遲；延遲MOVLW 06H ;第二拍MOVWF端口通話延遲MOVLW 05H ;第三拍MOVWF端口通話延遲藤法官順時針：MOVLW 03HMOVWF端口通話延遲MOVLW 05HMOVWF端口通話延遲MOVLW 06H

44、MOVWF端口通話延遲藤法官結(jié)尾(2) 三相六拍控制程序在兩相三拍程序中， PB口輸出的控制字在程序中給出。在三相六拍的控制中，由于控制字比較多，可以將這些控制字以表格的形式預(yù)先存儲在部分RAM單元中，通過查找可以一一檢索輸出運行程序時把桌子收起來。MAIN：BSF狀態(tài),RP0CLRF TRISCBCF狀態(tài),RP0法官：BTFSS PORTC,6 ;正反判斷逆時針轉(zhuǎn)順時針轉(zhuǎn)逆時針： ;按照逆時針步驟MOVLW 01H ;第一拍MOVWF PORTB ;將值 03H 致到端口 B通話延遲MOVLW 03H ;第二拍MOVWF端口通話延遲MOVLW 02H ;第三拍MOVWF端口通話延遲MOVLW

45、 06H ;第四拍MOVWF端口通話延遲MOVLW 04H ;第五拍MOVWF端口通話延遲MOVLW 05H ;第六拍MOVWF端口通話延遲藤法官順時針：MOVLW 01HMOVWF端口通話延遲MOVLW 03HMOVWF端口通話延遲MOVLW 02HMOVWF端口通話延遲MOVLW 06HMOVWF端口通話延遲MOVLW 04HMOVWF端口通話延遲MOVLW 05HMOVWF端口通話延遲藤法官結(jié)尾子函數(shù)：延遲：MOVLW 03HMOVWF DL_COUNTER數(shù)據(jù)泄露協(xié)議：MOVLW 6FHMOVWF DL_COUNTER1DLP1：DECFSZ DL_COUNTER1,1轉(zhuǎn)到 DLP1D

46、ECFSZ DL_COUNTER,1轉(zhuǎn)到 DLP返回第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)計算機的硬件和軟件相互結(jié)合工作。有些任務(wù)必須通過硬件來實現(xiàn)，有些任務(wù)必須通過軟件來實現(xiàn)。但也有一些任務(wù)可以通過軟件或硬件完成。一般來說，增加硬件會增加成本，但可以簡化設(shè)計過程，實時性好。反之，增加軟件任務(wù)會增加編程和調(diào)試工作量，但可以降低硬件成本。因此，有必要合理安排軟硬件的結(jié)構(gòu)。圖 4-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1所示。該系統(tǒng)由鍵盤接口電路、數(shù)碼管顯示接口電路、多振振蕩電路和發(fā)光二極管模擬的步進電機驅(qū)動電路組成。由于微機控制系統(tǒng)以單片機為核心部件，因此系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)從部件組成系統(tǒng)。4.2 模擬步

47、進電機驅(qū)動電路系統(tǒng)通過單片機PC口輸出的脈沖信號控制步進電機，以四個發(fā)光二極管LED的亮滅速度模擬電機轉(zhuǎn)速，模擬相序和數(shù)量電機的節(jié)拍與 LED 的打開和關(guān)閉順序。本系統(tǒng)選用的發(fā)光二極管為紅色圓形，開啟電壓在1.61.8V之間。正向電流越大，光越強。輸出通道的設(shè)計容量是確定通道結(jié)構(gòu)和組成器件，合理選擇驅(qū)動電路。本系統(tǒng)的輸出通道也是控制步進電機的通道。由于PIC單片機的PC口可以作為輸出，所以作為輸出通道的控制接口。三相四拍模擬步進電機用于控制PC口。三個。四相和五相需要 PC 端口的四位或五位。原來，單片機與步進電機的接口需要通過專門的控制裝置來實現(xiàn)。這里，單片機與仿真步進電機的發(fā)光二極管采用直

48、連的方式實現(xiàn)。步進電機的脈沖分配由單片機控制，形成環(huán)形分配器。發(fā)光二極管仿真步進電機驅(qū)動電路如圖4-2所示。圖 4-2 模擬步進電機驅(qū)動電路4.3 LED顯示屏接口電路LED顯示屏的發(fā)光二極管有兩種接法，共陽極接法和共陰極接法。本設(shè)計采用共陰接法。七段發(fā)光二極管，加上一個小數(shù)點，共八段，所以提供給LED顯示屏的行碼正好是一個字節(jié)。 LED 顯示屏顯示表 4-1 中給出的十六進制數(shù)字線路代碼。表 4-1 十六進制數(shù)字行代碼字體共陽極代號共陰極代碼字體共陽極代號共陰極代碼00 C00 XCFD0 XA 10 X 5 E1O XF 90 06乙0 860 792 XA 4牛5 BF0 X 8 E0

49、713 XB 00 X4G0 900 6040 990 66R0 XAF0 5050 920 X 6天小號0 XE 20 X 1天60 820 X 7天噸0 870 7870 XF 80 07磷0 X80 7380 80氧_70 XAB0 5490 900 X60 XE 30X_ 1C一個0 880 77-0 XF 70 08乙0 830X_ 7C熄滅OXFF0 00C XC 60 39LED顯示屏有靜態(tài)和動態(tài)兩種方式；靜態(tài)顯示就是顯示每個字符，相應(yīng)的發(fā)光二極管不斷地打開或關(guān)閉。動態(tài)顯示是依次點亮顯示器。本系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示，這樣每個顯示位需要一個8位輸出端口控制，這里我們選擇5個74LS164

50、作為8位輸出端口。 74LS164芯片是一個串并移位寄存器，實際上是一個由RS觸發(fā)器組成的8位移位寄存器。除了存儲代碼外，它還可以在移位脈沖的作用下依次左右移位。該函數(shù)使能代碼顯示的進位和借位。 74LS164 的引腳如圖4-3所示。AA1B2QA3QB4QC5QD6CLK8CLR9QE10QF11QG12QH1374LS164圖 4-3 74LS164 引腳單片機與LED進行串行通信，P3.0為串行數(shù)據(jù)接收端RXD，P3.1為串行數(shù)據(jù)致端TXD。單片機工作在模式0 ：在該模式下，無論輸出或輸入，數(shù)據(jù)始終從P3.0（RXD）引腳輸出或輸入，P3.1（TXD）引腳始終用于輸出移位脈沖。一個移位脈

51、沖將使 RXD 端輸出或輸入一個二進制碼。 TXD端的移位脈沖為方式0的波特率，其值固定為晶振頻率f的1/12，即每個機器周期移位一位數(shù)據(jù)。 LED 顯示屏的串行顯示如圖4-4 所示。圖 4-4 串口顯示界面4.4 鍵盤界面設(shè)計對鍵盤操作可分為參數(shù)設(shè)置和執(zhí)行控制等功能操作。所謂參數(shù)設(shè)置，是指仿真系統(tǒng)在開始運行前需要設(shè)置步進電機的相數(shù)、節(jié)拍、轉(zhuǎn)數(shù)、運行步數(shù)。所謂執(zhí)行控制，是指步進電機的啟動、停止和復(fù)位。各功能鍵的具體設(shè)計如下：S 1鍵：開始。S 2鍵：停止。S 3鍵：正轉(zhuǎn)。S 4鍵：反向。S 5鍵：加速。S 6鍵：減速。S 7鍵：相號。S 8鍵：當系統(tǒng)因外部原因崩潰時，可在動態(tài)自檢過程后按此鍵返

52、回系統(tǒng)初始狀態(tài)。非編碼鍵盤有兩種識別按鍵的方法。一種是線掃描法，另一種是線反轉(zhuǎn)法。本系統(tǒng)選擇行掃描方式， 8個功能鍵可視為1行8列的矩陣鍵盤。因為行線接地，所以每條行線都是低電平。當沒有按鍵按下行線鍵時，行列線斷開，所有與行線相連的端口都得到“0”信號。平坦的。此時讀取的鍵值是按下的鍵。為防止雙鍵或多鍵同時按下，常從第0行掃描到最后一行。如果找到一個關(guān)閉的密鑰，它是有效的，否則它是無效的。系統(tǒng)從第 1 個按鍵掃描到第 7 個按鍵。掃描整個鍵盤的時間很短，只有十微秒，而每次擊鍵時間至少有幾十毫秒，所以只要按下一個鍵，就可以被掃描。關(guān)鍵是機械開關(guān)結(jié)構(gòu)。由于機械觸點的彈性和電壓的突然跳躍，在觸點閉合

53、或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動，因此需要對按鍵進行去抖處理。使用軟件延遲可以避免抖動，大約10ms的延遲。系統(tǒng)的鍵盤接口電路由CPU和鍵盤組成。 CPU的P1.0P1.6端口發(fā)出脈沖掃描鍵盤。 CPU 連續(xù)將列線設(shè)置為高電平。按下按鈕時，列線為低電平。另外，復(fù)位按鈕直接連接到單片機的RESET端口。外部原因引起的系統(tǒng)崩潰的復(fù)位。鍵盤接口電路如圖4-5所示。圖 4-5 鍵盤接口電路4.5 石英多諧振蕩器電路設(shè)計多諧振蕩器為自激振蕩器，上電后無需外部觸發(fā)信號即可自動產(chǎn)生矩形脈沖。該系統(tǒng)對多諧振蕩器的振蕩頻率有嚴格的要求，因為振蕩器作為模擬步進電機的脈沖源，其頻率直接影響電機運行的穩(wěn)定性。在這種情況下，

54、通過將石英晶體連接在多諧振蕩器電路中形成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f 0 ，與外接電阻電容無關(guān)。石英晶體的諧振頻率由石英晶體的晶向和排列尺寸決定，具有極高的頻率穩(wěn)定性。其頻率穩(wěn)定，工作頻率可達幾十兆赫。工作頻率為12MHz的石英晶體振蕩器與對稱多諧振蕩器中的耦合電容串聯(lián)，構(gòu)成如圖4-6所示的石英晶體多諧振蕩器。圖 4-6 石英晶體多諧振蕩器界面4.6 光電編碼器原理及分類光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開若干個矩形孔。由于光電編碼盤與電機同軸，當電機轉(zhuǎn)動時，光柵盤與電機同速轉(zhuǎn)動，由發(fā)光二極管等電子元件組成的

55、檢測裝置檢測并輸出若干脈沖信號。 .原理示意圖如圖4-7所示。光電編碼器每秒輸出的脈沖數(shù)可以反映電機當前的轉(zhuǎn)速。此外，為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可以提供兩個相差90的脈沖信號。圖4-7 光電編碼器原理圖根據(jù)編碼器的刻度方式和信號輸出形式，可分為增量式、絕對式和混合式三種。1個增量編碼器增量式編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A 、 B 、 Z相； A 、 B兩組脈沖相位差為90 ，旋轉(zhuǎn)方向容易判斷， Z相為每轉(zhuǎn)。用于基準定位的脈沖。其優(yōu)點是原理和結(jié)構(gòu)簡單，平均機械壽命可達數(shù)萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合遠距離傳輸。缺點是無法輸出軸旋轉(zhuǎn)的絕對位置信息。2個絕對編碼器絕對值編碼器可

56、以直接輸出數(shù)字量。在其圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道。每個磁道由透光和不透光扇區(qū)組成。相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)加倍。碼道數(shù)是其二進制數(shù)的位數(shù)。碼盤一側(cè)為光源，另一側(cè)對應(yīng)每個碼道帶有感光元件；當碼盤處于不同位置時，每個感光元件根據(jù)是否發(fā)光進行轉(zhuǎn)換。輸出相應(yīng)的電平信號，形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不需要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可以讀出與位置相對應(yīng)的固定數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高。對于N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N個碼道。絕對值編碼器使用自然二進制或循環(huán)二進制（ Ley 碼）進行光電轉(zhuǎn)換。編碼的設(shè)計可以使用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點是：可直接讀取角度坐標的絕對值無累積

57、誤差斷電后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制位數(shù)決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位數(shù)、 14位數(shù)等。缺點是引出線多，信號線數(shù)與二進制位數(shù)相同。3混合絕對值編碼器混合絕對值編碼器，輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，具有絕對信息功能；另一組與增量編碼器的輸出信息完全相同。增量編碼器實際上是一種旋轉(zhuǎn)角位移檢測裝置。它根據(jù)軸旋轉(zhuǎn)的角度輸出一系列脈沖，可將機械角度轉(zhuǎn)化為電脈沖。輸出信號如圖 4-2 所示。 . A、B兩路信號為正交方波脈沖串，相位差為90。每個脈沖代表被測物體旋轉(zhuǎn)一定角度。 A和B的相位關(guān)系反映了被測物體的旋轉(zhuǎn)方向。即當A相超前B相時，旋轉(zhuǎn)方向為正轉(zhuǎn)；當 B 相超前

58、A 相時，旋轉(zhuǎn)方向為反轉(zhuǎn)。 Z信號是代表零位的脈沖信號，可用于調(diào)零和對準。(a) 編碼器正向輸出 (b) 編碼器反向輸出圖 4-2 編碼器輸出信號編碼器測量位移的工作原理如下：編碼器位移測量系統(tǒng)的硬件主要由光柵方向判別電路、 PIC單片機、 WH 8280鍵盤和數(shù)碼管電路組成。編碼器位移測量系統(tǒng)示意圖如圖4-3所示。編碼器輸出兩個相位角相差90度的位移采集信號，通過方向鑒別電路得到一個方波信號和一個光脈沖信號。對訪問PIC的T 0 和T 1進行計數(shù)。 WH 8280以串行方式與微處理器通信，串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片并與CLK端同步。當片選信號CS變?yōu)榈碗娖綍r， DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CL

59、K引腳的上升沿寫入WH 8280的緩沖寄存器，即單片機獲取采集到的數(shù)據(jù)并致通過WH 8280到數(shù)碼管顯示。圖4-3 編碼器位移測量系統(tǒng)示意圖第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1 軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序、中斷服務(wù)程序和其他子程序組成。在設(shè)計中，采用了模塊化編程技術(shù)。根據(jù)系統(tǒng)的功能，軟件分為幾個功能相對獨立的模塊，包括系統(tǒng)初始化程序模塊、處理程序模塊、人機界面程序模塊。系統(tǒng)主程序必須具有系統(tǒng)自檢和初始化功能。主程序主要完成初始化、脈沖產(chǎn)生、鍵盤檢測、數(shù)值顯示等功能。開機后首先執(zhí)行初始化程序，系統(tǒng)初始化程序模塊的作用主要是完成單片機系統(tǒng)資源的初始分配。主要包括各種變量的初始化、時鐘振蕩器的設(shè)置、定時器/計

60、數(shù)器的初始化、I/O口的初始化和標志位的初始化。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化編程。采用串口顯示程序模塊、鍵盤掃描程序模塊、中斷程序模塊和計數(shù)模塊。使用 ACALL 和 LACLL 指令進行子程序調(diào)用。當調(diào)用子程序并傳遞參數(shù)時，主程序首先將相關(guān)參數(shù)存儲在約定的位置。子程序執(zhí)行時，可以從約定的位置獲取參數(shù)。子程序執(zhí)行后，將得到的結(jié)構(gòu)體存放在約定的位置，返回給主程序。之后，主程序就可以從約定中得到想要的結(jié)果了。主程序編程流程圖如圖5-1所示。開始開始初始化輸出脈沖LED顯示判斷按鍵讀取鍵值設(shè)定是否合理改變參數(shù)NNYY圖 5-1 主程序流程圖5.2 子程序模塊5.2.1串行靜態(tài)顯示模塊串行靜態(tài)顯示模塊的硬件