畢業(yè)論文—基于DELPHI與單片機串行通信的步進電機控制-精品

1、摘 要本設(shè)計的主要思路是通過對DELPHI界面的控制，通過串行通信實現(xiàn)對單片機的控制，由單片機產(chǎn)生脈沖信號，最終實現(xiàn)對步進電機的控制。同時由單片機把步進電機實時運行狀況經(jīng)串口反饋給計算機，在所編寫的DELPHI界面上顯示和監(jiān)控。項目主要涉及的工作:對步進電機的簡單介紹，軟硬件設(shè)計，原理圖及PCB圖繪制，DELPHI及單片機程序的編寫，以及最終調(diào)試。Delphi軟件是Borland公司推出的快速應(yīng)用開發(fā)工具。它具有功能強大、易于學(xué)習(xí)和使用、編程效率高以及易于調(diào)試等特點。串行通信是指外設(shè)和計算機間使用數(shù)據(jù)信號線,數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)信號線上按位進行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度。步進電機是將電脈沖

2、信號轉(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，電機的轉(zhuǎn)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(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單關(guān)鍵詞：Delphi 串行通信 單片機 步進電機 AbstractThe main idea of this design is the interface through the DELPHI control, serial communications through the realiza

3、tion of the MCU control, generated by the SCM pulse, and eventually realize the stepper motor control. At the same time by the stepper motor MCU operation of real-time feedback to the computer via serial port, prepared by DELPHI on the display and control interface. Mainly the work involved: the ste

4、pper motor of a brief introduction, hardware and software design, schematics and PCB mapping, DELPHI SCM procedures and the preparation and ultimately debugging.Delphi has introduced software is Borland's rapid application development tools. It has a powerful, easy to learn and use, efficient an

5、d easy programming debugging and so on.Serial communications and computer peripherals refers to the use of a data signal line data in an on-line data signals for transmission, every data occupy a fixed length of time.Stepper motor is the electric pulse into angular displacement or displacement of th

6、e open-loop control devices. In the case of non-overloading, motor speed, and stop only depends on the location of the signal pulse frequency and pulses, without the impact of changes in load, that is to add an electrical pulse, the electrical, passed a step angle. The existence of this linear relat

7、ionship, coupled with the cyclical stepper motor only accumulated error without error and so on. Makes the speed, location and other areas controlled by stepper motor control to change the very simpleKeywords：Delphi Serial Communication microcomputer stepping motor 緒 論步進電機是純粹的數(shù)字控制電動機，步進電機是將輸入的電脈沖（數(shù)字

8、控制信號）轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的伺服電動機，因此非常適合單片機控制。它本身就是一個完成數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。步進電機的定子上通常裝有多相繞組，轉(zhuǎn)子是帶齒的鐵心或是永久磁鐵。只要實現(xiàn)各相繞組按一定規(guī)律輪流通電，就可產(chǎn)生步進運動。在實用的系統(tǒng)中，用脈沖分配回路并經(jīng)功率放大來向繞組供電。每當(dāng)電機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的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，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制，近30多年來，數(shù)字技術(shù)、計算機技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，推動了步進電

9、機的發(fā)展，為步進電機的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。本論文的設(shè)計思路是由計算機操作DELPHI軟件通過串口通信向單片機發(fā)送十位二進制數(shù)據(jù)，再由單片機產(chǎn)生一系列脈沖信號實現(xiàn)對步進電機進行控制。單片機發(fā)出的脈沖信號控制步進電機的啟動停止運行、正反轉(zhuǎn)、運行速度、運行步數(shù)。同時單片機把步進電機運行狀況反饋給計算機，由所編寫的DELPHI組件實時顯示步進電機的運行狀況并進行監(jiān)控。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動

10、控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進電動機。步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關(guān)。自從步進電動機在計算機外圍設(shè)備中取代小型直流電動機以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。另一方面，微型計算機和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電動機推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。步進電動機有如下特點：（1）步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。（2）由步進電動機與驅(qū)動電路組成的

11、開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。（3） 步進電動機的動態(tài)響應(yīng)快，易與起停、正反轉(zhuǎn)及變速。（4） 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn) 矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。（5） 步進電動機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。（6） 步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。（7）步進電動機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，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

12、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。該設(shè)計實現(xiàn)了計算機對步進電機進行控制。通過計算機與單片機通信發(fā)出脈沖信號控制步進電機的啟動停止運行。通過編程，能夠?qū)崿F(xiàn)對步進電機正反兩個方向運行的控制，單片機控制板用來發(fā)送二進制數(shù)控制驅(qū)動電路工作，所發(fā)送的二進制是根據(jù)驅(qū)動電路的原理和步進電機的特性說明來確定的，控制板上可以顯示出步進電機所走的步數(shù)。驅(qū)動電路是由八個三極管所組成的橋電路，根據(jù)三極管的開關(guān)特性來控制步進電機的端口，驅(qū)動電路用到兩片TLP521-2光電耦合集成塊的開關(guān)作用，光電耦合

13、器是以光為媒介傳輸電信號的一種電光電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等（外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等）。工作原理：在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電光電的轉(zhuǎn)換。 第1章 步進電機的

14、相關(guān)知識1.1 步進電機的分類步進電動機可分為3大類。（1）反應(yīng)式步進電動機反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。（2）永磁式（感應(yīng)式）步進電動機永磁式步進電動機的的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它的輸出轉(zhuǎn)距大，動態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負(fù)脈沖信號。（3）混合式步進電動機混合式步進電動機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉(zhuǎn)距大，動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。由于反應(yīng)式步進電動機的性能價格比比較高，因此這種步進電動機應(yīng)用的非常廣泛，在單片機系

15、統(tǒng)中尤其大量使用。1.2 步進電機的工作原理步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入肘步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。  1.3 步進電動機的特性 步進電動機的振蕩和失步是一種普

16、遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運行，因此要盡力避免。下面對振蕩和失步的原因進行分析，并給出解決方法。 （1）振蕩 步進電動機的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進電動機工作在低頻區(qū)；步進電動機工作在共振區(qū)；步進電動機突然停車時。 當(dāng)步進電動機工作在低頻區(qū)時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電動機表現(xiàn)為單步運行。當(dāng)勵磁開始時，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動。在到達平衡點時，電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點。這時電磁力產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負(fù)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開始反向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過平衡點后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動。如此下去，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點的振蕩。由

17、于有機械摩擦和電磁阻尼的作用，這個振蕩表現(xiàn)為衰減振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點。 當(dāng)步進電動機工作在共振區(qū)時，步進電動機的脈沖頻率接近步進電動機的振蕩頻率0或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會使振蕩加劇，嚴(yán)重時造成失步。 當(dāng)步進電動機工作在高頻區(qū)時，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖。同時，繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個工作區(qū)中不會產(chǎn)生振蕩。 （2）失步 步進電動機的失步原因有2種。 第1種是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場的速度，或者說慢于換相速度。 第2種是轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度。這主要發(fā)生在制動和突然換向時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過沖，引起失步。 1.4 步進電動機

18、的驅(qū)動 （1）單電壓驅(qū)動：單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電。它的特點是電路最簡單。（2）雙電壓驅(qū)動：用提高電壓的方法使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。雙電壓驅(qū)動有兩種方式：雙電壓法和高低壓法。（3）斬波驅(qū)動：高低壓驅(qū)動時，電流波形在高壓與低壓交接處有一個凹陷，這會引起輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)下降。另外，雙電壓也會增加設(shè)備的成本。斬波驅(qū)動會很好地解決這些問題。（4）細(xì)分驅(qū)動：步進電動機各組繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍輪流通電的，電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān)。當(dāng)通電相的電流并不是馬上升到位，而斷電相的電流并不立即降為0時，它們所產(chǎn)生 的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子

19、有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置是在原來的步距角范圍內(nèi)。也就是說，如果繞組中電流的波形不再是一個近似方波，而是一個分成N個階級的近似階梯波，則電流每升或降一個階級時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過N個小步時，實際上相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過一個步距角。這種將一個步距角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動方法，就稱為細(xì)分驅(qū)動。1.5 步進電機控制原理步進電機是數(shù)字控制電機,它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移,即給一個脈沖信號,步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度,因此非常適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機(簡稱“VR”) 、永磁式步進電機(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

20、大特點是,通過輸入脈沖信號來進行控制,即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定,而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作,控制信號由各類控制器來產(chǎn)生。其基本原理作用如下:控制換相順序,通電換相。這一過程稱為“脈沖分配”。例如:四相步進電機的單四拍工作方式,其各相通電順序為 A 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,控制步進電機的轉(zhuǎn)向。如果給定工作方式正序換相通電,則步進電機正轉(zhuǎn);如果按反序換相通電,則電機就反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M電機的速度。如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個脈沖,它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短,步進電機就轉(zhuǎn)得

21、越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率,就可以對步進電機進行調(diào)速。第2章 步進電機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1 整體方案設(shè)計步進電機的控制系統(tǒng)主要由單片機AT89S51、電機驅(qū)動芯片L298N,串口方式的共陽LED顯示電路(由4片級聯(lián)的74LS164 驅(qū)動) 、電源和時鐘電路等幾個單元組成（如圖21）：顯示系統(tǒng)單片機通信系統(tǒng)驅(qū)動器步進電機圖21系統(tǒng)整體方案設(shè)計借助于AT89S51中內(nèi)置的看門狗,可使系統(tǒng)在失控時恢復(fù)正常運行。整個系統(tǒng)外圍元件少,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性強等特點。在實際應(yīng)用中,也可采用大功率的管子來代替L298N對步進電機進行驅(qū)動,成本比較低,缺點是管子的特性有一定

22、差異,對驅(qū)動效果有一定的影響。本設(shè)計是用所學(xué)到的DELPHI程序設(shè)計軟件，設(shè)計出一個應(yīng)用程序界面使計算機與單片機相通訊來控制一臺步進電機。在計算機上就可以方便的控制步進電機，使步進電機能夠可靠實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和停止。記錄出步進電機所走的步數(shù)和顯示出步進電機此時此刻所走的狀態(tài)。2.2 單片機的選擇本設(shè)計所用的AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成

23、了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。    AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。2.3 通信系統(tǒng)目前RS-232是計算機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，考慮到計算機有RS-232接口，可以很方便地與

24、計算機之間通信，該系統(tǒng)通訊模塊選用RS-232串行數(shù)據(jù)接口在電氣特性上RS-232采用負(fù)邏輯，要求高、低兩信號間有較大的幅度，標(biāo)準(zhǔn)如下：邏輯1為-3-15V；邏輯0為315 V；而單片機串口信號電平為TTL電平；邏輯1為大于3.6V邏輯0為小于0.3V串口標(biāo)準(zhǔn)是種在低速率串行通訊種增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即單端通訊。其收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號都是相對于地信號的。所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線的分布電容，其傳輸距離最大約為15M，最高速率為20KBPS，且其只能支持點對點通信。由于RS-232信號必須進行二者之間的電平轉(zhuǎn)換，在此使用集成電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來進行R

25、S-232/TTL電平轉(zhuǎn)換，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路,使用+5v單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分： 第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T

26、1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳DNG、16腳VCC（+5v）。2.4 顯示系統(tǒng)本電路顯示系統(tǒng)有4個共陽數(shù)碼管和4個74LS164芯片組成，在單片機系統(tǒng)中，通常用數(shù)碼顯示器來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、高亮度、使用電壓低、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。該系統(tǒng)LED顯示方法采用靜態(tài)驅(qū)動，靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二

27、/十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×840根I/O端口來驅(qū)動，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 單片機接口設(shè)計AT89S51單片機中兩條主電源引腳，兩條外接晶體引腳，4條控制電源復(fù)位引腳，32條I/O引腳。其中19腳、20腳外接晶振11.0592MHZ及兩個30P電容，9腳外接復(fù)位電路，40腳、20腳分別接電源正負(fù)極，31腳接+5V電源，以上所述是保證單片機能正常工作的外接條件。P0口：共8條引腳，即3932腳，是雙向8為三態(tài)I/O口。其中

28、P0.0到P0.4控制步進電機驅(qū)動器，通過P0.0發(fā)出的時鐘脈沖來控制步進電機的起停，通過控制P0.0口始終脈沖的快慢來實現(xiàn)對步進電機的定速控制，通過P0.0時鐘脈沖的次數(shù)來實現(xiàn)對步進電機的定位控制。P0.1口控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，步進電機的驅(qū)動器根據(jù)P0.1口的時鐘脈沖來改變步進電機線圈勵磁的順序，以此來改變其正反轉(zhuǎn)。P1口：共8條引腳，即18腳，P1口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8為雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗證時，他接收低8位地址，能驅(qū)動4個LSTTL輸入。P1.0、P1.1口是顯示系統(tǒng)的控制端，能驅(qū)動74LS164工作。P3口：共8條引腳，即1017腳，P1口是一個帶有內(nèi)部上拉電

29、阻的8為雙向I/O口。P3口的每個引腳都有各自的第二功能。P3.0口的第二功能時RXD，既串行數(shù)據(jù)接收端，P3.1口的第二功能是TXD,既串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，P3.0、P3.1在系統(tǒng)中起著與計算機互傳數(shù)據(jù)的作用，是步進電機通信控制的主要端口。3.2 RS-232與單片機通訊首先用RS-232與單片機相連接來通訊。單片機控制板用來發(fā)送二進制數(shù)控制驅(qū)動電路工作，所發(fā)送的二進制是根據(jù)驅(qū)動電路的原理和步進電機的特性說明來確定的，控制板上可以顯示出步進電機所走的步數(shù)和狀態(tài)。驅(qū)動電路是由八個三極管所組成的橋電路，根據(jù)三極管的開關(guān)特性來控制步進電機的端口A，B，C，D的輸出二進制。本設(shè)計所用的是一臺兩相四拍的步

30、進電機，AC為一相，BD為一相，正轉(zhuǎn)流程為AB -BC-CD -DA在返回，所以端口所送的二進制為1100，0110，0011，1001。如果反轉(zhuǎn)時先送DA最后再送BA，二進制同樣與上面相反。RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的。RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。其傳送距離最大約為15米，最高速率為20kb/s，并且RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的。所以，RS232只適合于本地通訊使用。3.3 步進電機驅(qū)動電路驅(qū)動電路用到兩片TLP521-2光電耦合集成塊的開關(guān)作

31、用，光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電光電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等（外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等）。工作原理：在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電光電的轉(zhuǎn)換。步進電機

32、的工作頻率范圍可分成三個區(qū)間：低頻區(qū)、共振區(qū)、高頻區(qū)。對于一臺步進電機來說，它的理想頻率特性曲線應(yīng)該是一條十分光滑的連續(xù)曲線，在低頻區(qū)電磁力矩較大，在高頻區(qū)其轉(zhuǎn)動力矩較小。如果在曲線上出現(xiàn)毛刺或下凹點，就表示電機在該點上有振蕩產(chǎn)生。因為毛刺和下凹點說明電機這時的力矩下降，顯然是有部分能量消耗于振蕩之中。當(dāng)步進電機運行在很低的頻率下，雖然在曲線上不出現(xiàn)下凹點，但因為這時是單步運行狀態(tài)，故也會有明顯的振蕩。另外，步進電機的工作狀態(tài)改變也會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。例如，當(dāng)一個步進電機在正常步進旋轉(zhuǎn)時，突然制動，則無論步進電機原來以什么換相頻率工作，都會產(chǎn)生振蕩。再者，在改善電路時間常數(shù)，加大回路電壓提高工作頻

33、率時，也會產(chǎn)生分頻振蕩點。當(dāng)步進電機進行單步旋轉(zhuǎn)時，其工作頻率必定處于低頻區(qū)。在開始工作時，轉(zhuǎn)子的磁場力指向平衡點，又形成反向過沖，由于機械摩擦力矩及電磁力矩的作用，形成一個衰減振動過程。最后，轉(zhuǎn)子則穩(wěn)定停在平衡點。當(dāng)步進電機運行在主振區(qū)時，轉(zhuǎn)子在每步轉(zhuǎn)動中，它的振動有可能不表現(xiàn)為衰減運動；在轉(zhuǎn)子反沖過平衡點時，它的沖幅足夠大，則會返回原來的平衡點穩(wěn)定下來，顯然，會引起失步。對于步進電機的控制系統(tǒng)來說，振蕩所產(chǎn)生的最嚴(yán)重后果就是失步，而不是過沖。當(dāng)步進電機運行在高頻區(qū)時，由于換相周期很短，故步進的周期很短，繞組中的電流尚未達到穩(wěn)定值，電機吸收的能量不足夠大，且轉(zhuǎn)子也沒有時間反向過沖，所以這時是

34、不會產(chǎn)生振蕩的。在使用步進電機時應(yīng)使步進電機工作與高頻穩(wěn)定區(qū)。步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(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），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負(fù)載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 8、電機正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或( )時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或( )時為反轉(zhuǎn)。三、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成 使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，如圖33：

35、圖33驅(qū)動原理圖（1）脈沖信號的產(chǎn)生。 脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。（2）信號分配器（又名脈沖分配器）感應(yīng)子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ,步距角為1.8度；二相八拍為 ,步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度）。（3）功率放大 功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而

36、樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。 為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計本項目所用到的軟件是Borland公司推出的快速應(yīng)用開發(fā)工具Delphi。它具有功能強大、易于學(xué)習(xí)和使用、編程效率高以及易于調(diào)試等特點。它將可視化應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境IDE、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言O(shè)bject Pascal、快速編譯器和數(shù)據(jù)庫編程工具完美地結(jié)合在一起，使用它可以更直觀、更

37、快捷地開發(fā)出高質(zhì)量的應(yīng)用程序，具有豐富的組件集、強大的代碼自動生成功能和豐富的數(shù)據(jù)庫管理工具等。使用它的集成開發(fā)環(huán)境，編程人員可以更快地建立應(yīng)用程序。4.1 系統(tǒng)所用組件本項目設(shè)計所用到的Delphi組件有，一個RadioGroup1、若干個TButton、六個Shape、三個Tedit、Tlabel、兩個Memo、一個StatusBar1和一個串行通訊組件SPComm組件等。目前，利用 Delphi實現(xiàn)串口通信的常用的方法有 3種：一是利用控件，如 MSCOMM控件和 SPCOMM控件；二是使用 API函數(shù)；三是調(diào)用其他串口通信程序。其中利用 API編寫串口通信程序較為復(fù)雜，需要掌握大量的通

38、信知識。相比較而言，利用 SPCOMM控件則相對較簡單，并且該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供了對串口的各種操作，而且還支持多線程。所以此項目所用到的控件是SPCOMM。實現(xiàn)步驟如下。、實現(xiàn)步驟啟動Delphi7.0，創(chuàng)建一個新的應(yīng)用程序界面，在新窗體Form上放置上述的組件。、設(shè)置各個組件的屬性根據(jù)所要實現(xiàn)的功能設(shè)置所用的組件的屬性如下：RadioGroup1組件該組件用來選者串口，在組件的Items屬性中設(shè)置出COM1，和COM2兩個端口供用戶選者。TButton組件這個組件是用來做各種開關(guān)的，有打開串口、關(guān)閉串口、正轉(zhuǎn)、和反轉(zhuǎn)、停止、清除發(fā)送接受數(shù)據(jù)等。在打開串口（TB

39、utton）組件中的Enabled屬性中設(shè)置成true、其它的Enabled屬性中設(shè)置成false，所起的作用是打開應(yīng)用程序時默認(rèn)的值有打開串口開關(guān)可以操作其它的都不能操作。當(dāng)打開以后，打開串口開關(guān)變成不可操作的其他的開關(guān)可操作。Shape組件次組件的作用是用來顯示應(yīng)用程序的狀態(tài)，和步進電機所走的狀態(tài)。所有的Brush.Color屬性為clsilver，其作用是默認(rèn)的顏色都是灰色。Tedit組件Tedit組件用了三個，其中有兩個是用來顯示步進電機正在運行的狀態(tài)（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)），一個是用來記錄電機所走的步數(shù)Memo組件該組件是用來反映發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)。StatusBar1組件當(dāng)用戶打開串口的時候

40、再軟件界面的下方可以看到串口COMXX已打開或COMMXX已關(guān)閉。SPComm組件1）首先SPCOMM的安裝在Delphi中打開SPCOMM組件選擇下拉菜單 Component中的 Install Component選項，彈出如圖41 (a):圖41 (a) SPCOMM組件的安裝在 Library path處填寫 SPCOMM控件所在的路徑，其他各項可用默認(rèn)值，點擊 OK按鈕。如圖圖41 (b):圖41 (b) SPCOMM組件屬性設(shè)置安裝后，在 System控件面板中將出現(xiàn)一個紅色控件 COM。現(xiàn)在就可以像 Delphi自帶控件一樣使用 COM控件了。2）其次SPCOMM的屬性、方法和事件

41、.屬性CommName：表示 COM1、 COM2等串口的名字；BaudRate:根據(jù)實際需要設(shè)定的波特率，在串口打開后也可更改此值，實際波特率隨之更改；ParityCheck：表示是否需要奇偶校驗；ByteSize：根據(jù)實際情況設(shè)定的字節(jié)長度；Parity：奇偶校驗位；StopBits：停止位；SendDataEmpty：這是一個布爾型屬性，為 true時表示發(fā)送緩存為空，或者發(fā)送隊列里沒有信息；為 false時表示發(fā)送緩存不為空，或者發(fā)送隊列里有信息。方法Startcomm方法用于打開串口，當(dāng)打開失敗時通常會報錯。錯誤主要有 7種：串口已經(jīng)打開；打開串口錯誤；文件句柄不是通信句柄；不能夠安

42、裝通信緩存；不能產(chǎn)生事件；不能產(chǎn)生讀進程；不能產(chǎn)生寫進程；StopComm方法用于關(guān)閉串口，沒有返回值；WriteCommData(pDataToWrite: PChar;dwSizeofDataToWrite:Word )方法是個帶有布爾型返回值的函數(shù)，用于將一個字符串發(fā)送到寫進程，發(fā)送成功返回 true，發(fā)送失敗返回 false。執(zhí)行此函數(shù)將立即得到返回值，發(fā)送操作隨后執(zhí)行。該函數(shù)有兩個參數(shù)，其中 pDataToWrite是要發(fā)送字符串， dwSizeofDataToWrite是發(fā)送字符串的長度。事件OnReceiveData :procedure (Sender: TObject;Buf

43、fer: Pointer;BufferLength: Word) of object 當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入緩存時將觸發(fā)該事件，在這里可以對從串口收到的數(shù)據(jù)進行處理。 Buffer中是收到的數(shù)據(jù)， BufferLength是收到的數(shù)據(jù)長度。OnReceiveError : procedure(Sender: TObject; EventMask : DWORD)當(dāng)接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時將觸發(fā)該事件。4.2 應(yīng)用軟件的具體操作步驟：第一、把硬件電路連接好，使用RS-232/RS-485用數(shù)據(jù)線與計算機相連接通上電源做好一切準(zhǔn)備。第二、打開應(yīng)用軟件，在窗口中選擇通訊端口COMM1或COMM2，點擊打開串口按鈕，

44、用戶可以根據(jù)需要點擊正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鈕，電機就可以根據(jù)計算機發(fā)出的指令來工作。在應(yīng)用程序的界面上有指示燈可以顯示正在執(zhí)行的狀態(tài)，在中間靠右的部位顯示出步進電機所走的步數(shù)，下方的兩個方框中顯示發(fā)送出的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)按下停止按鈕的時候電機停止轉(zhuǎn)動，硬件電路控制板上顯示復(fù)位為零，而計算機上顯示的是步進電機所走的步數(shù)。在按下清除信息鍵指示燈全部為灰色表示復(fù)位等待發(fā)送命令。第5章 調(diào)試完成了硬件設(shè)計、制作、和軟件編程之后，要使系統(tǒng)能夠按照設(shè)計意圖正常運行，必須進行系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個部分，軟硬件的調(diào)試是不可能絕對分開的，硬件的調(diào)試常常需要利用調(diào)試軟件，軟件的調(diào)試也可能需要對硬

45、件的測試和控制來進行。5.1 硬件調(diào)試硬件的調(diào)試主要是把電路各種參數(shù)調(diào)整到符合設(shè)計要求排除硬件故障，其中包括設(shè)計錯誤和工藝性故障。（1） 脫機調(diào)試用萬能表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進行檢查，確定其無誤后再插入芯片檢查。（2） 仿真調(diào)試暫時排除目標(biāo)板的CPU和EPROM，將樣機接上仿真機的40芯仿真插頭進行調(diào)試，調(diào)試各部分接口電路是否滿足設(shè)計要求。這部分工作是一種經(jīng)驗性很強的工作，一般來說，設(shè)計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調(diào)試的。通常的方法是，先編調(diào)試軟

46、件，逐一檢查調(diào)試硬件電路系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)確性。其次是調(diào)試MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以進行下面的應(yīng)用軟件調(diào)試。硬件電路調(diào)試的一般順序是： 檢查CPU的時鐘電路。通過測試ALE信號，如沒有ALE信號，則判斷是晶體或CPU故障，這稱之為“心臟”檢查。 檢查ABUS/DBUS的分時復(fù)用功能的地址鎖存是否正常。 檢查I/O地址分配器。一般是由部分譯碼或全譯碼電路構(gòu)成，如是部分譯碼設(shè)計，則排除地址重疊故障。 對擴展的RAM、ROM進行檢查調(diào)試。一般先后寫入55H、AAH，再讀出比較，以此判斷是否正常。因為這樣RAM、ROM的各位均寫入過0、1代碼。 用戶級I/O設(shè)備調(diào)試。5.2

47、軟件調(diào)試軟件調(diào)試的任務(wù)是利用開發(fā)工具進行在線仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)和糾正程序錯誤，同時也能發(fā)現(xiàn)硬件故障。程序的調(diào)試是一個模塊一個模塊進行的，首先單獨調(diào)試各功能子程序，檢查程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，接口的控制是否正常等；最后逐步將各子程序連接起來總調(diào)試。軟件調(diào)試根據(jù)開發(fā)的設(shè)備情況可以有以下方法： 交叉匯編：用IBM PC/XT機對MCS51系列單片機程序進行交叉匯編時，可借助IBM PC/XT機的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規(guī)定的格式輸入到PC機，生成MCS51 HEX目標(biāo)代碼和LIST文件。 用匯編語言：現(xiàn)在有些單片STD工業(yè)控制機或者開發(fā)系統(tǒng)，可直接使用匯編語言，借助CRT進行匯編語言調(diào)試。

48、手工匯編：這種方法是最原始，但又是一種最簡捷的調(diào)試方法，且不必增加調(diào)試設(shè)備。這種方法的實質(zhì)就是對照MCS51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機器碼，然后輸入到RAM重新進行調(diào)試。在進行手工匯編時，要特別注意轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令、查表指令。必須準(zhǔn)確無誤地計算出操作碼、轉(zhuǎn)移地址和相對偏移量，以免出錯。 以上3種方法調(diào)試完成以后，即可通過EPROM寫入器，將目標(biāo)代碼寫入EPROM中，并將其插至機器的相應(yīng)插座上，系統(tǒng)便可投入運行。5.3 硬件軟件連接調(diào)試經(jīng)過硬件、軟件單獨調(diào)試后，即可進入硬件、軟件聯(lián)合仿真調(diào)試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復(fù)修改和調(diào)試。實驗室調(diào)試工作完成以后，即可組裝成機器

49、，移至現(xiàn)場進行運行和進一步調(diào)試，并根據(jù)運行及調(diào)試中的問題反復(fù)進行修改連接調(diào)試需要注意的是，各程序模塊間是否能正常傳遞參數(shù)，特別要注意各子程序的現(xiàn)場保護與恢復(fù)?？偨Y(jié)與展望經(jīng)過兩個多月的畢業(yè)設(shè)計我學(xué)到了不少的東西，同時我也感覺我有很多不足的地方。知識面的缺乏，基礎(chǔ)知識不扎實，實踐動手能力很差，感覺有很多東西都沒有學(xué)到過。通過這次Delphi課程設(shè)計，使我掌握了其中很多組件的使用方法軟件的設(shè)計過程和編程的一些技巧。通過這次的畢業(yè)設(shè)計,我受益非淺,在做DELPHI通訊的時候有一些問題還不是很清楚,還沒有完全弄明白,這次課程設(shè)計是在單片機的基礎(chǔ)上作了更進一步的深入我覺的DELPHI和單片機在寫程序方面是

50、大同小異的,只不過僅僅是語言不同而已.只要在你的思想中有那種思考的方式經(jīng)過不斷的努力和調(diào)試就能夠調(diào)出與自己思想一致的程序來.本論文有許多不足之處，在編程期間發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)習(xí)知識不是很牢靠,發(fā)現(xiàn)有的地方在學(xué)習(xí)期間的理解并不是很深入,當(dāng)真正用到的時候往往是在這些地方出錯.同時感還覺到自己知識的匱乏.比如串口通信的波特率由于剛開始考慮不周，造成傳輸速度滯后于步進電機運行速度，實時顯示與監(jiān)控這一目標(biāo)沒有實現(xiàn)這次畢業(yè)設(shè)計的全部過程，使學(xué)習(xí)到許多在書本上無法學(xué)到的許多知識，同時也比較深刻的認(rèn)識了自己，了解了自己在理論和實踐能力的結(jié)合能力，同是也深刻的感覺到自己在理論和實踐上的不足，也體會到做一個程序的難處和

51、其中的快樂。通過這次設(shè)計讓我感受頗深，使我全面的了解了要做一個程序的全過程。它不僅需要你知識的牢固，需要你自己去大量的實踐，大量的思考，做必要的分析，這樣做出來的程序才有價值，才有活力，否則做工的程序也只能用來觀賞，而無價值。在做程序時要考慮周全，從用戶的角度出發(fā)，全面為用戶考慮，每一個細(xì)節(jié)，切身體會用戶的需要，這才是你做程序的最終目標(biāo)-方便用戶的使用。致 謝經(jīng)過二個多月認(rèn)真而細(xì)致的努力，基于DELPHI與單片機串口通信的步進電機控制畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)完成。從開始的選題，確定設(shè)計任務(wù)和目的，尋找相關(guān)材料，到系統(tǒng)的總體設(shè)計及論文的寫作，都一直得到了老師的指導(dǎo)和幫助，從中提出了許多寶貴的意見和建議，幫助

52、解決了不少難題。同時，老師也幫助提供了許多寶貴的資料及器材，使我系統(tǒng)地掌握了更多的專業(yè)知識。此外，本小組的同學(xué)也給予我很大的啟發(fā)和幫助。正是老師及同學(xué)們的指導(dǎo)和幫助，我的畢業(yè)論文才得以順利完成。在此，對給予我指導(dǎo)和幫助的老師及同學(xué)表示我最衷心的感謝。限于水平，文中不妥、疏漏或錯誤之處在所難免，懇請大家提出寶貴意見。參考文獻：1 張新成主編. Delphi程序設(shè)計.武漢: 武漢理工大學(xué)出版社,20042 童愛紅、張琦、胡光兵編著. Delphi7應(yīng)用教程.北京:清華大學(xué)出版社,20043 范逸之、陳立元編著. Delphi與RS-232串行通信控制.北京:清華大學(xué)出版社,20024 梅麗鳳、王艷秋編著.單片機原理及接口技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,20045 江曉安、董秀峰編著.模擬電子技術(shù). 西安:西安電子科技大學(xué)出版社19836 吳金戌、沈慶陽、郭庭吉編著. 8051單片機實踐與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,20027 楊志忠主編.數(shù)字電子技術(shù).北京: 高等教育出版社,20008 吳堅、趙英凱、黃玉清主編.計算機控制系統(tǒng).武漢: 武漢理工大學(xué)出