基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

編號(hào) 畢業(yè)論文畢業(yè)論文 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 題 目基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 教學(xué)單位 蓋章 二 O 一一年五月四日 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 開題報(bào)告書 2011 年 2 月 20 日 院 系 機(jī)電工程系專 業(yè)自動(dòng)化 姓 名學(xué) 號(hào) 論文 設(shè)計(jì) 題目基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一 選題目的和意義 隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛 步進(jìn)電動(dòng)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 并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單 廉價(jià) 又非?？尚?因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備 以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增 研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義 二 本選題在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī) 國(guó)外一般稱為 Stepping motor Pulse motor 或 Stepper servo 其應(yīng)用發(fā)展已有 80 年的歷史 正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的 優(yōu)點(diǎn) 所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中 隨著 微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增 在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng) 用 比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到了廣泛應(yīng)用 目前世界各國(guó)都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù) 我國(guó) 的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大發(fā)展 我國(guó)已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要 的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng) 其中華中數(shù)控系統(tǒng)解決了 五軸聯(lián)動(dòng) 為 神州 系列飛船順 利升空立下了汗馬功勞 雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比 我國(guó)的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比 較低 但已經(jīng)在我國(guó)占有非常重要的地位 并起了很大的作用 三 課題設(shè)計(jì)方案 主要說(shuō)明 研究 設(shè)計(jì) 的基本內(nèi)容 觀點(diǎn)及擬采取的研究途徑和方法 為了使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 功能齊全 適應(yīng)性強(qiáng) 電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示 一目了然 操作方便 系統(tǒng)抗干擾和可靠性高 所以本課題采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié) 合進(jìn)行控制 運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能 充分利用單片機(jī)的各種資源 能靈活的 對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制 實(shí)現(xiàn)其不同模式 步數(shù) 正反轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)速等控制 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī) 實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法 用軟件代替環(huán) 形分配器 達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制 系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電 機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路 由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能 還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路 鍵盤作為一個(gè)外 部中斷源 設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 檔次 停止等功能 采用中斷和查詢相結(jié)合的 方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序 完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制 顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)速 度 環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 采用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配 本方案有以下優(yōu)點(diǎn) 1 單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確 控制 避免了失步 振蕩等控制精度的影響 2 用軟件代替環(huán)形分配器 通過(guò)對(duì)單片 機(jī)的設(shè)定 用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng) 大大提高了接口電路的靈 活性和通用性 3 單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路 鍵盤電路 復(fù)位電路等外圍電路有 機(jī)的組合 大大提高系統(tǒng)的交互性 四 計(jì)劃進(jìn)度安排 主要說(shuō)明 起止時(shí)間及分階段的進(jìn)度要求 1 步進(jìn)電機(jī)的概述 闡述步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 分類和工作原理 為后面的硬件 軟件 設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ) 2011 2 20 3 3 2 概述步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng) 在框架結(jié)構(gòu)上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹 而且重點(diǎn)闡述基 于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的一般框架 為自己的設(shè)計(jì)提供有力的支持 接著介紹本論文要設(shè) 計(jì)的控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn) 及要實(shí)現(xiàn)的操作方式 2011 3 4 3 15 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 先提出框架 然后分別闡述單片機(jī)端口分配 外圍電路 驅(qū)動(dòng)電 路的設(shè)計(jì) 2011 3 16 3 27 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 按照模塊化的思想 主要闡述主流程 初始化流程及幾種模式下 的不同的控制流程 2011 3 28 4 7 5 進(jìn)一步完善初稿 2011 4 8 4 10 五 主要參考文獻(xiàn) 1 張友德 單片微型機(jī)原理 應(yīng)用與實(shí)驗(yàn) M 上海 復(fù)旦大學(xué)出版社 2005 2 李夙 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1998 3 王鴻鈺 步進(jìn)電機(jī)控制入門 M 上海 同濟(jì)大學(xué)出版社 1990 4 袁任光 張偉武 電動(dòng)機(jī)控制電路選用與 258 實(shí)例 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2005 5 王秀和 永磁電機(jī) M 北京 中國(guó)電力出版社 2007 6 房玉明 杭柏林 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng) J 電機(jī)與控制應(yīng)用 2006 33 4 64 64 7 孫笑輝 韓曾晉 減少感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法 J 電氣傳動(dòng) 2001 1 8 11 8 馮江華 陳高華 黃松濤 異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制 J 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 1999 6 29 33 指導(dǎo)教師意見及建議 議 簽名 年 月 日 教學(xué)單位領(lǐng)導(dǎo)小組審批意見 組長(zhǎng)簽名 年 月 日 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 中期檢查表 院 系 機(jī)電工程系 專業(yè) 自動(dòng)化 2011 年 4 月 1 日 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 題目 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師職 稱副教授 計(jì)劃完成時(shí)間 2011 年 4 月 20 日 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 的進(jìn)度計(jì)劃 2011 2 20 3 3 步進(jìn)電機(jī)的概述 闡述步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 分類和工作原 理 為后面的硬件 軟件設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ) 2011 3 4 3 15 概述步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng) 在框架結(jié)構(gòu)上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行 介紹 而且重點(diǎn)闡述基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的一般框架 為自己的設(shè)計(jì)提供有力 的支持 接著介紹本論文要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn) 及要實(shí)現(xiàn)的操作方式 2011 3 16 3 27 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 先提出框架 然后分別闡述單片機(jī)端口分 配 外圍電路 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 2011 3 28 4 7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 按照模塊化的思想 主要闡述主流程 初始 化流程及幾種模式下的不同的控制流程 2011 4 8 4 10 進(jìn)一步完善初稿 完成情況 到現(xiàn)在為止 我通過(guò)查找資料學(xué)到了很多 指導(dǎo)教師評(píng)議 指出優(yōu)點(diǎn)和不足 如有其它建議 可另附頁(yè) 簽 名 xxxx 年 x 月 x 日 備 注 目目 錄錄 1 引言 1 1 1 課題研究的目的和意義 1 2 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡(jiǎn)介 2 2 1 步進(jìn)電機(jī)介紹 2 2 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 6 2 3 單片機(jī)原理 8 3 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu) 13 3 1 系統(tǒng)整圖 13 3 2 電源部分 14 3 3 按鍵部分 15 3 4 驅(qū)動(dòng)部分 16 3 5 狀態(tài)指示部分 16 3 6 時(shí)鐘部分 17 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 18 4 1 系統(tǒng)主程序 18 4 2 查鍵部分 18 4 3 前進(jìn)部分 19 4 4 后退部分 20 4 5 加速部分 21 4 6 減速部分 22 參考文獻(xiàn) 23 謝 辭 24 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 步進(jìn)電機(jī)由于用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單 廉價(jià) 又非常可行 因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng) 化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用 本文介紹的是一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī) 的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 用匯編語(yǔ)言編寫出電機(jī)的正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 加速 減速 停止程序 通過(guò)單片機(jī) 電機(jī)的驅(qū) 動(dòng)芯片 ULN2004 以及相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)以上功能 并且步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)要用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示 出來(lái) 本文內(nèi)容介紹了步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)原理 該系統(tǒng)的硬件電路 程序組成 同時(shí)對(duì)軟 硬件進(jìn) 行了調(diào)試 同時(shí)介紹了調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決問(wèn)題的方法 該設(shè)計(jì)具有思路明確 可靠性高 穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn) 通過(guò)調(diào)試實(shí)現(xiàn)了上述功能 關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) 脈寬調(diào)制 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 單片機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) 1 引言 1 1 課題研究的目的和意義 步進(jìn)電動(dòng)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 并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單 廉價(jià) 又非?？尚?因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用 隨 著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增 研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及 其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義 本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī) 采用的方法是利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的 驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈 沖信號(hào) 它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 稱為 步距角 它的 旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的 可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量 從而達(dá) 到準(zhǔn)確定位的目的 同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度 從而 達(dá)到調(diào)速的目的 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的 并且 通過(guò)數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級(jí)別 另外通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn) 步進(jìn)電機(jī)可以作為一 種控制用的特種電機(jī) 利用其沒(méi)有積累誤差 精度為 100 的特點(diǎn) 廣泛應(yīng)用于各種開環(huán) 控制 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 2 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡(jiǎn)介 2 1 步進(jìn)電機(jī)介紹 2 1 1 步進(jìn)電機(jī)概述 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 機(jī)來(lái)控制變得非常的簡(jiǎn)單 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)電動(dòng)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 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是步距角為 1 8 度的四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 一 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ) 1 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 2 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) 以四相電機(jī)為例 有四相四拍運(yùn)行方式即 AB BC CD DA AB 四相八拍運(yùn)行方式即 A AB B BC C CD D DA A 3 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 1 8 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 4 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 5 靜轉(zhuǎn)矩 電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下 電機(jī)不作旋轉(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)份采用減小 氣隙 增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的 這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音 二 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ) 1 步距角精度 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)每轉(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 5 之內(nèi) 八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15 以內(nèi) 2 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 3 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 4 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 5 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)載的最高轉(zhuǎn)速頻率 6 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)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) 7 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 或在 400pps 左右 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 8 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?A AB B BC C CD D DA 時(shí)為正轉(zhuǎn) 通電時(shí)序?yàn)?DA D CD C BC B AB A 時(shí)為反轉(zhuǎn) 步進(jìn)電機(jī)的特征如下 1 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3 5 且不積累 2 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁 從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步 因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn) 一般來(lái)講 磁性材 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上 有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上 所以步進(jìn)電機(jī)外表溫 度在攝氏 80 90 度完全正常 3 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì) 頻率越高 反向 電動(dòng)勢(shì)越大 在它的作用下 電機(jī)隨頻率 或速度 的增大而相電流減少 從而導(dǎo)致力 矩下降 4 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng) 但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng) 并伴有嘯叫聲 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù) 空載啟動(dòng)頻率 即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng) 的脈沖頻率 如果脈沖頻率高于該值 電機(jī)不能正常啟動(dòng) 可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn) 在有 負(fù)載的情況下 啟動(dòng)頻率應(yīng)更低 如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng) 脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò) 程 即啟動(dòng)頻率較低 然后按一定加速度升到所希望的高頻 電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚?步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn) 在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途 伴隨著不同數(shù) 字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高 步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用 2 1 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)的角位移或是直 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)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 如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī) 采用單極性直流電源供電 只要對(duì)步進(jìn)電 機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電 就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng) 圖 1 是該四相反應(yīng)式步進(jìn) 電機(jī)工作原理示意圖 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 圖 1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 開始時(shí) 開關(guān) SB 接通電源 SA SC SD 斷開 B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0 3 號(hào)齒對(duì)齊 同 時(shí) 轉(zhuǎn)子的 1 4 號(hào)齒就和 C D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒 2 5 號(hào)齒就和 D A 相繞組磁極產(chǎn) 生錯(cuò)齒 當(dāng)開關(guān) SC 接通電源 SB SA SD 斷開時(shí) 由于 C 相繞組的磁力線和 1 4 號(hào)齒之間 磁力線的作用 使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 1 4 號(hào)齒和 C 相繞組的磁極對(duì)齊 而 0 3 號(hào)齒和 A B 相 繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒 2 5 號(hào)齒就和 A D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒 依次類推 A B C D 四相繞組輪流供電 則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A B C D 方向轉(zhuǎn)動(dòng) 單四拍 雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 2 所示 圖 2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 2 1 3 步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇 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 和單相式步進(jìn)電機(jī)等 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 生產(chǎn)成本低 步距角可以做的相當(dāng)小 一般為三相 可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出 步進(jìn)角一般為 1 5 度 但 噪聲和振動(dòng)都很大 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成 定子上有多相勵(lì)磁繞 組 利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差 永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵 在其外側(cè)配置齒狀定子 用轉(zhuǎn) 子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng) 它的出力大 動(dòng)態(tài)性能好 但步距角一般比較 大 一般為兩相 轉(zhuǎn)矩和體積較小 步進(jìn)角一般為 7 5 度 或 15 度 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn) 它又分為兩相和五相 兩相步 進(jìn)角一般為 1 8 度而五相步進(jìn)角一般為 0 72 度 這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛 它是 P M 和 VR 的復(fù)合產(chǎn)品 其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料 定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu) 此類 電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn) 步距角小 出力大 動(dòng)態(tài)性能好 是性能較好 的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī) 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)有步距角 涉及到相數(shù) 靜轉(zhuǎn)矩 及電流三大要素組成 一旦三大要素 確定 步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了 1 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求 將負(fù)載的最小分辨率 當(dāng)量 換算到電機(jī)軸 上 每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度 包括減速 電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度 目 前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0 36 度 0 72 度 五相電機(jī) 0 9 度 1 8 度 二 四相電機(jī) 1 5 度 3 度 三相電機(jī) 等 2 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定 我們往往先確定電機(jī)的靜力矩 靜力矩選擇 的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載 而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種 單一的慣性負(fù)載和 單一的摩擦負(fù)載是不存在的 直接起動(dòng)時(shí) 一般由低速 時(shí)二種負(fù)載均要考慮 加速起 動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載 恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載 一般情況下 靜力矩應(yīng)為摩擦 負(fù)載的 2 3 倍內(nèi)好 靜力矩一旦選定 電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái) 幾何尺寸 3 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī) 由于電流參數(shù)不同 其運(yùn)行特性差別很大 可依據(jù)矩頻特性曲 線圖 判斷電機(jī)的電流 參考驅(qū)動(dòng)電源 及驅(qū)動(dòng)電壓 4 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用 其功率是變化的 一般只用力矩來(lái)衡量 力 矩與功率換算如下 P M 2 n 60 P 2 nM 60 1 其 P 為功率單位為瓦 為每秒角速度 單位為弧度 n 為每分鐘轉(zhuǎn)速 M 為力矩單位為 牛頓 米 P 2 fM 400 半步工作 2 其中 f 為每秒脈沖數(shù) 簡(jiǎn)稱 PPS 2 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 2 2 1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作 而必須使用專用設(shè)備 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 除與電機(jī)本身的性能有關(guān)外 也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng) 器的優(yōu)劣 典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī) 本體三部分組成 步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號(hào) 每發(fā)一個(gè)脈沖 步進(jìn)電機(jī) 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角 即步進(jìn)一步 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低 升速或 降速 啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無(wú)或頻率的高低 控制器的方向信號(hào)決定步進(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)電路 保護(hù)電路和電源組成 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一旦接收到來(lái)自控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖 控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組導(dǎo)通或截止信號(hào) 控 制電路輸出的信號(hào)功率很低 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 這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分 功率驅(qū)動(dòng)電路向步進(jìn)電機(jī)控制繞組輸入電流 使其勵(lì)磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng) 保護(hù)電路在出現(xiàn)短路 過(guò)載 過(guò)熱等故障 時(shí)迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行 2 2 2 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性 步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的銅線圈 電阻和電感是電機(jī)相繞組的兩個(gè)固有屬性 電機(jī)的性能和這兩個(gè)因素密切相關(guān) 繞組通電時(shí) 電感使繞組電流上升速度受到限制 因此影響電機(jī)繞組電流的大小 繞組線圈的電阻是電機(jī)溫升和電能損耗的主要因素 圖 3 電感 電阻串聯(lián)電路及其電流波形 步進(jìn)電機(jī)的相繞組可以等效為一個(gè)電感一電阻串聯(lián)電路 圖 3 表明了一個(gè)電感一電 阻電路的電氣特性 在 t 0 時(shí)刻 電壓 V 施加到該電路上時(shí) 電路中的電流變化規(guī)律為 I t V 1 e Rt L R 3 通電瞬間繞組電流上升速率為 di 0 dt V t 4 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間 電流達(dá)到最大值 Imax V R 5 L R 定義為該電路的時(shí)間常數(shù) 是電路中的電流達(dá)到最大電流 Imax的 63 所需要的時(shí) 間 在 t t 時(shí)刻 電路斷開與直流電壓源 V 的連接 并且短路 電路中的電流以初始速 率一 V L 開始下降 電流變化規(guī)律為 I t Ve R t t1 L R 6 不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上 電流波形如圖 4 所示 低頻時(shí)電流能夠達(dá) 到最大值 a 當(dāng)矩形波頻率上升達(dá)到某一臨界頻率 電流剛達(dá)到最大值就開始下降 b 矩形波頻率超過(guò)此臨界值后 繞組中的電流不能達(dá)到最大值 c 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的 大小與繞組的電流成正比 所以電機(jī)低速運(yùn)行時(shí) 電機(jī)能夠達(dá)到其額定轉(zhuǎn)矩 而在某一 特定頻率以上運(yùn)行時(shí) 繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降 電機(jī)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)逐漸減小 從而降低了高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶負(fù)載能力 圖 4 不同頻率脈沖作用下電感 電阻電路的電流波形 要改善電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的性能 有兩種辦法 提高電流上升速度 VA 和減小時(shí)間常數(shù) L R 可以通過(guò)加大繞組的電壓從而增加電流上升的速率得時(shí)間常數(shù) 或者在電路中串聯(lián)電 阻 使 L R 減少 2 3 單片機(jī)原理 2 3 1 單片機(jī)原理概述 單片機(jī) single chip microcomputer 是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一塊芯片 上的單芯片微型計(jì)算機(jī) 圖 5 中表示單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖 由于單片機(jī)的高度集成化 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離 優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置 大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速 度 同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求 所以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制 中得到了廣泛的應(yīng)用 圖 5 典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 2 3 2 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí) 需要與外界交換信息 人們需要通過(guò)人 機(jī)對(duì)話 了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制 單片機(jī)芯片與其它 CPU 比較 功能雖然要強(qiáng) 得多 但由于芯片結(jié)構(gòu) 引腳數(shù)目的限制 片內(nèi) ROM RAM I O 口等不能很多 在構(gòu)成 實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)需要加以擴(kuò)展 以適應(yīng)不同的工作情況 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成基本 上如圖 6 所示 圖 6 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置的狀況 可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng) 最小功 耗系統(tǒng) 典型應(yīng)用系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款最小應(yīng)用系統(tǒng) 最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單 片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng) 這種系統(tǒng)成本低廉 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 常用來(lái)構(gòu)成簡(jiǎn)單的控制 系統(tǒng) 如開關(guān)量的輸入 輸出控制 時(shí)序控制等 對(duì)于片內(nèi)有 ROM EPROM 的芯片來(lái)說(shuō) 最 小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器 復(fù)位電路和電源的單個(gè)芯片 對(duì)與片內(nèi)沒(méi)有 ROM EPROM 芯片來(lái)說(shuō) 其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振 復(fù)位電路和電源外 還應(yīng)配備 EPROM 或 EEPROM 作為程序存儲(chǔ)器使用 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 2 3 3 AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 的主要參數(shù)如表 1 所示 表 1AT89C51 的主要參數(shù) 型號(hào)存儲(chǔ)器 E PROMROMRAM 定時(shí) 器 I 0 串行 口 中斷速度 MH 其它特 點(diǎn) 89C514K1282321624 低電壓 AT89C51 含 E PROM 電可編閃速存儲(chǔ)器 有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密系統(tǒng) 防止 E PROM 中的程序被非法復(fù)制 不用紫外線擦除 提高了編程效率 程序存儲(chǔ)器 E PROM 容 量可達(dá) 20K 字節(jié) AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低電壓 高性能 CMOS8 位微處理器 俗稱單片機(jī) 該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS 51 指令集和輸出管腳相兼容 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 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 其引腳如圖 7 所示 1 主要特性 與 MCS 51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命 1000 寫 擦循環(huán) 圖 7 單片機(jī)的引腳排列 全靜態(tài)工作 0Hz 24Hz 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128 8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I O 線 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2 管腳說(shuō)明 VCC 供電電壓 GND 接地 P0 口 P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I O 口 每腳可吸收 8TTL 門電流 當(dāng) P1 口的 管腳第一次寫 1 時(shí) 被定義為高阻輸入 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 它可以被定 義為數(shù)據(jù) 地址的第八位 在 FIASH 編程時(shí) P0 口作為原碼輸入口 當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn) 時(shí) P0 輸出原碼 此時(shí) P0 外部必須被拉高 P1 口 P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流 P1 口管腳寫入 1 后 被內(nèi)部上拉為高 可用作輸入 P1 口被外部下拉為低 電平時(shí) 將輸出電流 這是由于內(nèi)部上拉的緣故 在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí) P1 口作為第 八位地址接收 P2 口 P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 P2 口緩沖器可接收 輸出 4 個(gè) TTL 門電流 當(dāng) P2 口被寫 1 時(shí) 其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高 且作為輸入 并因 此作為輸入時(shí) P2 口的管腳被外部拉低 將輸出電流 這是由于內(nèi)部上拉的緣故 P2 口 當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí) P2 口輸出地址的高八位 在給出地址 1 時(shí) 它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì) 當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí) P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和 控制信號(hào) P3 口 P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I O 口 可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流 當(dāng) P3 口寫入 1 后 它們被內(nèi)部上拉為高電平 并用作輸入 作為輸入 由于外部下 拉為低電平 P3 口將輸出電流 ILL 這是由于上拉的緣故 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口 如下所示 P3 口管腳備選功能 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) P3 0 RXD 串行輸入口 P3 1 TXD 串行輸出口 P3 2 INT0 外部中斷 0 P3 3 INT1 外部中斷 1 P3 4 T0 記時(shí)器 0 外部輸入 P3 5 T1 記時(shí)器 1 外部輸入 P3 6 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 P3 7 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào) RST 復(fù)位輸入 當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí) 要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間 ALE PROG 當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí) 地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字 節(jié) 在 FLASH 編程期間 此引腳用于輸入編程脈沖 在平時(shí) ALE 端以不變的頻率周期輸 出正脈沖信號(hào) 此頻率為振蕩器頻率的 1 6 因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí) 目的 然而要注意的是 每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) 將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖 如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0 此時(shí) ALE 只有在執(zhí)行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起 作用 另外 該引腳被略微拉高 如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止 置位無(wú)效 PSEN 外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào) 在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間 每個(gè)機(jī)器周期 兩次 PSEN 有效 但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) 這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn) EA VPP 當(dāng) EA 保持低電平時(shí) 則在此期間外部程序存儲(chǔ)器 0000H FFFFH 不管 是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 注意加密方式 1 時(shí) EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET 當(dāng) EA 端保持高 電平時(shí) 此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 在 FLASH 編程期間 此引腳也用于施加 12V 編程電源 VPP XTAL1 反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入 XTAL2 來(lái)自反向振蕩器的輸出 3 I O 口引腳 a P0 口 雙向 8 位三態(tài) I O 口 此口為地址總線 低 8 位 及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用 b P1 口 8 位準(zhǔn)雙向 I O 口 c P2 口 8 位準(zhǔn)雙向 I O 口 與地址總線 高 8 位 復(fù)用 d P3 口 8 位準(zhǔn)雙向 I O 口 雙功能復(fù)用口 4 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出 該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 器 石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用 如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件 XTAL2 應(yīng)不接 有余輸 入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器 因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求 但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 5 芯片擦除 整個(gè) EPROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合 并保持 ALE 管 腳處于低電平 10ms 來(lái)完成 在芯片擦操作中 代碼陣列全被寫 1 且在任何非空存儲(chǔ) 字節(jié)被重復(fù)編程以前 該操作必須被執(zhí)行 此外 AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯 可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯 支持兩種軟件 可選的掉電模式 在閑置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 串口和中斷 系統(tǒng)仍在工作 在掉電模式下 保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器 禁止所用其他芯片功 能 直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止 3 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu) 3 1 系統(tǒng)整圖 系統(tǒng)整圖如圖 8 所示 本系統(tǒng)采用外部中斷方式 p0 口作為信號(hào)的輸入部分 p1 口為發(fā)光二極管顯示部分 p2 口作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 圖 8 系統(tǒng)整圖 3 2 電源部分 利用 LM7812 和 LM7805 芯片得到 12V 和 5V 的電壓 它們的應(yīng)用要注意以下幾點(diǎn) 1 輸入輸出壓差不能太大 太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低 而且容易擊穿損壞 2 輸出 電流不能太大 1 5A 是其極限值 大電流的輸出 散熱片的尺寸要足夠大 否則會(huì)導(dǎo)致 高溫保護(hù)或熱擊穿 3 輸入輸出壓差也不能太小 大小效率很差 其中 12V 電壓給步 進(jìn)電機(jī)供電 5V 電壓則給單片機(jī)供電 分別如圖 9 圖 10 所示 1 產(chǎn)生 12V 的電壓給步進(jìn)電機(jī)供電 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 圖 9 12V 電路部分 2 產(chǎn)生 5V 的電壓給單片機(jī)供電 圖 10 5V 電路部分 3 3 按鍵部分 本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的 P0 口來(lái)控制信號(hào)的輸入 所以把按鍵開關(guān)和 P0 口連接 起來(lái) 當(dāng)按下開關(guān) S1 時(shí) 相當(dāng)于給 P0 0 口一個(gè)低電平 當(dāng)按下開關(guān) S2 時(shí) 相當(dāng)于給 P0 1 口一個(gè)低電平 當(dāng)按下開關(guān) S3 時(shí) 相當(dāng)于給 P0 2 口一個(gè)低電平 當(dāng)按下開關(guān) S4 時(shí) 相 當(dāng)于給 P0 3 口一個(gè)低電平 當(dāng)按下開關(guān) S5 時(shí) 相當(dāng)于給 P0 4 口一個(gè)低電平 然后通過(guò) 單片機(jī)實(shí)行相應(yīng)的操作 如圖 11 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 圖 11 按鍵部分電路 3 4 驅(qū)動(dòng)部分 此電路是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分 我選用的是 ULN2004 芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)的 ULN2004 系列是 一款高耐壓 大電流達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器 包含 7 個(gè) NPN 達(dá)林頓管 如圖 12 圖 12 驅(qū)動(dòng)部分電路 3 5 狀態(tài)指示部分 狀態(tài)指示用 P1 口控制發(fā)光二極管的顯示 如果相應(yīng)端口是低電平 相應(yīng)的發(fā)光二極 管就會(huì)亮 用它來(lái)表示步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài) 如圖 13 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 圖 13 狀態(tài)指示部分電路 3 6 時(shí)鐘部分 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟 它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏 可以通過(guò)提高時(shí)鐘頻率 來(lái)提高 CPU 的速度 本次設(shè)計(jì)采用的晶振為 12MHz 如圖 14 圖 14 時(shí)鐘部分電路 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4 1 系統(tǒng)主程序 系統(tǒng)分為電機(jī)正轉(zhuǎn) 電機(jī)反轉(zhuǎn) 電機(jī)加速與電機(jī)減速的幾部分組成 其主程序框圖 如圖 15 所示 開始 初始化 調(diào)按鍵子程序 調(diào)按鍵子程序 調(diào)用正反轉(zhuǎn) 子程序 調(diào)用加減速子程序 停止 圖 15 主程序框圖 4 2 查鍵部分 查鍵程序用于判斷 P0 0 口與 P0 1 口的值 當(dāng) p0 0 口為 0 時(shí) 電機(jī)正轉(zhuǎn) 當(dāng) p0 0 口為 1 時(shí) 繼續(xù)判斷 p0 1 口的值 p0 1 口為 0 時(shí) 電機(jī)反轉(zhuǎn) 如圖 16 所示 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) N N Y Y 調(diào)按鍵子程序 P0 0 是否為 0 P0 1 是否為 0 前進(jìn)后退 圖 16 查鍵部分流程圖 4 3 前進(jìn)部分 系統(tǒng)初始化之后 前進(jìn)子程序 R0 用于給 P2 口送不同的值 根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的相序 使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng) P2 口的值分別為 01H 03H 02H 06H 04H 0CH 08H 09H 流程圖如圖 17 所示 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 開始 R0 1 R0 延時(shí)子程序 R0 是否等 于 17H 10H R0 N Y 圖 17 前進(jìn)部分流程圖 4 4 后退部分 電機(jī)反轉(zhuǎn)原理與正轉(zhuǎn)相似 此時(shí) P2 口的值分別為 09H 08H 0CH 04H 06H 02H 03H 01H 流程圖如圖 18 所示 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 開始 R0 1 R0 延時(shí)子程序 R0 是否等 于 10H 17H R0 N Y 圖 18 后退部分流程圖 4 5 加速部分 當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候 按下加速鍵 調(diào)用加速子程序 使電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的 延時(shí)時(shí)間變短 從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速 流程圖如圖 19 所示 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) Y N 開始 R1 是否為 25H R1 1 R1 正反轉(zhuǎn)子程序 圖 19 加速部分流程圖 4 6 減速部分 電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候 按下減速鍵 通過(guò)改變電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的延時(shí)時(shí)間 使 時(shí)間變長(zhǎng) 從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速 流程圖如圖 20 所示 Y N 開始 R1 是否為 20H R1 1 R1 正反轉(zhuǎn)子程序 圖 20 減速部分流程圖 學(xué)院 機(jī)電工程系 xxxx 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) 1 張友德 單片微型機(jī)原理 應(yīng)用與實(shí)驗(yàn) M 上海 復(fù)旦大學(xué)出版社 2005 2 李夙 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1998 3 王鴻鈺 步進(jìn)電機(jī)控制入門 M 上海 同濟(jì)大學(xué)出版社 1990 4 袁任光 張偉武 電動(dòng)機(jī)控制電路選用與 258 實(shí)例 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2005 5 王秀和 永磁電機(jī) M 北京 中國(guó)電力出版社 2007 6 房玉明 杭柏林 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng) J 電機(jī)與控制應(yīng)用 2006 33 4 64 64 7 孫笑輝 韓曾晉 減少感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法 J 電氣傳動(dòng) 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