步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文論文題目：基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路板設(shè)計(jì) 摘 要隨著微電子和計(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，它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，其在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器,功率放大器及步進(jìn)電機(jī)等組成。采用單片機(jī)控制,用軟件代替上述步進(jìn)控制器,使得線路簡(jiǎn)單,成本低,可靠性大大增加。軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列來(lái)控制各種步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式。本設(shè)計(jì)是采用A

2、T89C51單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，通過(guò)IO口輸出的時(shí)序方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；同時(shí)，用 4個(gè)按鍵來(lái)對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其中，硬件設(shè)計(jì)包括AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)、電源模塊、鍵盤控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（集成達(dá)林頓ULN2003）模塊、數(shù)碼顯示（SM420361K數(shù)碼管）模塊、測(cè)速模塊（含霍爾片UGN3020）6個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，以及各模塊在電路板上的有機(jī)結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包括鍵盤控制、步進(jìn)電機(jī)脈沖、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示以及轉(zhuǎn)速信號(hào)采集模塊的控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)

3、速度的控制，并將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上，對(duì)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。軟件采用在Keil軟件環(huán)境下編輯*第1章 緒 論1.1 課題背景當(dāng)今社會(huì)，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。步進(jìn)電機(jī)是最常見(jiàn)的一種控制電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(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。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

4、度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(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。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便。尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累的特點(diǎn)，給實(shí)際的應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便。它廣泛用于消費(fèi)類產(chǎn)品（打印機(jī)、照相機(jī)、雕刻機(jī)）、工業(yè)控制（數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人）、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中。研究步進(jìn)電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義?？刂坪诵牟捎肅51芯片，它以其獨(dú)特的低成本，小體積廣受歡迎，當(dāng)然其易編程也是不可多得的優(yōu)點(diǎn)為

5、此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的高效控制。1.2 設(shè)計(jì)目的及系統(tǒng)功能 本設(shè)計(jì)的目的是以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出一個(gè)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用AT89C51作為控制單元，通過(guò)鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。AT89C51鍵盤控制模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊數(shù)碼顯示模塊電源模塊圖1-1 總體設(shè)計(jì)框圖設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：1. 步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂?步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制3. 步進(jìn)電機(jī)的加速控制4. 步進(jìn)電機(jī)的減速控制5. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)顯示第2章 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計(jì)2

6、.1 步進(jìn)電機(jī)2.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，單路電脈沖信號(hào)可先通過(guò)脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（稱為步距角）。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

7、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。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用的是脈沖信號(hào)，而脈沖是數(shù)字信號(hào)，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長(zhǎng)處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動(dòng)電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：1不需要反饋，控制簡(jiǎn)單。2與微機(jī)的連接、速度控制（啟停和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。3沒(méi)有角累積誤差。4停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。5沒(méi)有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。6即使沒(méi)有傳感器，也能精確定位。7根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)

8、動(dòng)。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)：1難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩2.不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng)3在體積重量方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低。4超過(guò)負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的種類目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類：表2-1 步進(jìn)電機(jī)分類類別結(jié)構(gòu)步距力矩動(dòng)態(tài)性能反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子小小較差永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）轉(zhuǎn)子采用多磁極圓筒形的永磁鐵，其外側(cè)配置齒狀定子吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)大大好混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）這是PM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)小大好2.1.4 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理在本設(shè)計(jì)以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例

9、，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。圖2-1是CZ-2801型永磁步進(jìn)電機(jī)的外形圖，圖2-2是該電機(jī)的接線圖。 圖2-1 CZ-2801型永磁步進(jìn)電機(jī)外形圖 圖2-2 CZ-2801型永磁步進(jìn)電機(jī)接線圖從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有 5根引出線。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM 端標(biāo)識(shí)為C，只要 AC、BC或/AC、/BC，輪流加電就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，如果將 COM 端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管） ，將 A、B或/A、/B輪流接地。不難設(shè)計(jì)出控制電路，因其工作電壓為 12V，因此用一塊開路輸出達(dá)林頓

10、驅(qū)動(dòng)器（這里用ULN2003，關(guān)于ULN2003將在后面介紹）作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò) P1.0、 P1.3來(lái)控制各線圈的接通與切斷。開機(jī)時(shí)，P1.0、 P1.3均為高電平，依次將 P1.0、 P1.2 （或P1.1、 P1.3反向）切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間。改變轉(zhuǎn)速，只要改變 P1.0、 P1.2 （或P1.1、 P1.3反向）輪流變低電平的時(shí)間即可達(dá)到要求，因?yàn)椴粫?huì)影響到其他功能的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)間可以用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，。這里以定時(shí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面首先計(jì)算一下定時(shí)時(shí)間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn)/分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 7.5，即每 4

11、8 個(gè)脈沖為 1 周，即在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為960脈沖/分，相當(dāng)于 62.5ms/脈沖。而在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 100轉(zhuǎn)/分，即 48000 脈沖/分，相當(dāng)于 12.5ms/脈沖。可以列出下表：表2-2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定時(shí)常數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)速單步時(shí)間(ms)TH0TL02062.51F02159.5238095229B62256.8181818233742354.347826093C592452.08333333448025504C02648.0769230852EC2746.296296359552844.642857145F499313.44086022CF9C9413.29787234D0

12、209513.15789474D0A19613.02083333D1209712.88659794D19B9812.75510204D2149912.62626263D28B10012.5D30表中不僅計(jì)算出了 TH0和 TL0，而且還計(jì)算出了在這個(gè)定時(shí)常數(shù)下，真實(shí)的定時(shí)時(shí)間，可以根據(jù)這個(gè)計(jì)算值來(lái)估算真實(shí)速度與理論速度的誤差值。 表中 TH0 和TL0 是根據(jù)定時(shí)時(shí)間算出來(lái)的定時(shí)初值，這里用到的晶振是 12.000M。有了上述表格，程序就不難實(shí)現(xiàn)了，使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0為定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間到后切換輸出腳即可。2.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為六個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤

13、控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、測(cè)速模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊。1.單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機(jī)能正常啟動(dòng)。時(shí)鐘電路采用外部時(shí)鐘方式，保證單片機(jī)個(gè)功能部件都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。2.鍵盤控制模塊包括方向控制鍵、加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機(jī)的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相連。實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。3.數(shù)碼顯示模塊采用共陰極數(shù)碼管來(lái)動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度。利用I/O口為數(shù)碼管的com端提供低電平。二號(hào)單片機(jī)的P1口提供數(shù)碼管的段選信號(hào)，P2.6和P2

14、.7控制數(shù)碼管的位選信號(hào)。4.測(cè)速模塊采用開關(guān)霍爾片對(duì)安放在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤上的小磁片的磁信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤每次帶動(dòng)小磁片經(jīng)過(guò)霍爾片時(shí)，其都將有脈沖信號(hào)從霍爾片輸出。單片機(jī)外部中斷口對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。5.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用七個(gè)NPN達(dá)林頓連接晶體管ULN2003為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。該模塊與單片機(jī)的P1.0P1.3相連。6.電源模塊是通過(guò)將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2V和直流5V分別供給驅(qū)動(dòng)模塊和單片機(jī)模塊。2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)近年，由于CHMOS技術(shù)的進(jìn)步，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精

15、細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以80C51取代8051為標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片的原因。因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片多數(shù)是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。CMOS電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。CHMOS和HMOS工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的CHMOS電路已達(dá)到LSTTL的速度，傳輸延遲時(shí)間小于2ns，它的綜合優(yōu)勢(shì)已在于TTL電路。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域CMOS正在逐漸取代TTL電路。單片機(jī)是通過(guò)內(nèi)部總線把計(jì)算機(jī)的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和

16、控制總線。其中，地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)提供地址，CPU通過(guò)它們將地址輸出到存儲(chǔ)器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲(chǔ)器或I/O接口之間，或存儲(chǔ)器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括CPU發(fā)出的控制信號(hào)線和外部送入CPU的應(yīng)答信號(hào)線等。考慮到經(jīng)濟(jì)和可靠性的要求，本設(shè)計(jì)中采用AT89C51單片機(jī)，它宏晶科技設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)。是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。1. AT89C51單片機(jī)參數(shù)：工作電壓：5.5V3.8V/3.3VFlash程序存儲(chǔ)器字節(jié)：4K定時(shí)器T0、T1：有中斷優(yōu)先級(jí)：22.

17、AT89C51單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)：超低功耗超強(qiáng)抗干擾，超強(qiáng)抗靜電輸入輸出口多，最多有40個(gè)I/O速度快，1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，可用低頻率晶振2.2.2 鍵盤控制電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實(shí)質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。一個(gè)電壓信號(hào)在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般為510ms；兩次抖動(dòng)之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時(shí)間由按鍵動(dòng)作所決定；第一次抖動(dòng)前和第二次抖動(dòng)后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過(guò)對(duì)輸出電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下

18、與否。在本設(shè)計(jì)中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個(gè)按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時(shí)，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。消除按鍵抖動(dòng)通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡(jiǎn)單。其原理是在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。其原理圖如圖2-3所示：圖2-3

19、鍵盤控制模塊原理圖2.2.3 LED數(shù)碼顯示電路發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。LED數(shù)碼顯示器是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管，其中7個(gè)用于顯示字符，1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：（1）共陽(yáng)極接法。把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極，使用時(shí)公共陽(yáng)極接+5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過(guò)電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不點(diǎn)亮。（2）共陰極接法。把發(fā)光二

20、極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極接地。每個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極通過(guò)電阻與輸入端相連。當(dāng)陽(yáng)極端輸入高電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平時(shí)則不點(diǎn)亮。在本設(shè)計(jì)中所采用的是共陰極LED數(shù)碼顯示器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4所示：圖2-4 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖這里用四位一體數(shù)碼管SM420361K：型號(hào)：SM420361K-12P類別：4位一體共陰規(guī)格：長(zhǎng)×寬×高-30.1×14.1×7.3mm管腳標(biāo)號(hào)：12-9-8-6公共腳、A-11、B-7、C-4 D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3在本設(shè)計(jì)中采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，數(shù)碼顯示電路通過(guò)交替向P

21、2.6和P2.7輸出低電平，使得與這兩個(gè)端口連接的數(shù)碼管公共端交替為低電平，從而為數(shù)碼管提供導(dǎo)通回路，通過(guò)對(duì)交替時(shí)間的控制實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管在視覺(jué)上的不間斷顯示。通過(guò)P1口輸出段選信號(hào)，控制了數(shù)碼管顯示的內(nèi)容。如圖2-5所示：圖2-5 數(shù)碼管顯示電路2.2.4 測(cè)速電路介紹開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個(gè)部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對(duì)稱的施密特整形電路。圖2-6是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。N S S圖2-6 UGN3020功能特性曲線對(duì)于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是

22、：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖2-6看出，當(dāng)B=0時(shí)，V0為高電平；當(dāng)外磁場(chǎng)增至BOP時(shí)，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場(chǎng)由BOP降至BrP時(shí)，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點(diǎn)。對(duì)于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V24V。UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計(jì)探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測(cè)量電路。將具有10個(gè)齒的圓盤固定于被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當(dāng)圓盤齒經(jīng)過(guò)測(cè)量磁路的間隙時(shí)，霍爾元件輸出高電平，其他時(shí)間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個(gè)脈沖，脈沖經(jīng)過(guò)分頻后，用

23、頻率計(jì)即可測(cè)出被測(cè)對(duì)象的實(shí)際轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)采用的測(cè)速電路原理圖如下圖所示：圖2-7 測(cè)速電路2.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要將單片機(jī)發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，我們?cè)谶@里采用ULN2003為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號(hào)。ULN2003七NPN達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。ULN2003的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。它的管腳連接圖

24、如圖2-8所示:圖2-8 ULN2003管腳連接圖圖2-9 ULN2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要特性為：表2-3 ULN2003主要特性表極限值（若無(wú)其他規(guī)定，Tamb=25）參數(shù)名稱符號(hào)數(shù)值單位輸入電壓VIN30V輸入電流IIN25mA功耗PD1W工作環(huán)境溫度Topr-20to +85 貯存溫度Tstg-55to+150ULN2003芯片概述與特點(diǎn)：ULN2003芯片是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅(qū)動(dòng)各種類型的負(fù)載。功率驅(qū)動(dòng)電路是功

25、率電子設(shè)備輸出電路的一個(gè)重要組成部分。ULN2003芯片高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品屬于可控大功率器件。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工作過(guò)程是：首先從P1口輸出00000001B，由于單片機(jī)與ULN2003連接只用到了P1.0P1.3，所以ULN2003與單片機(jī)連接的四個(gè)管腳中每時(shí)刻只有一個(gè)管腳處于導(dǎo)通狀態(tài)（采用單拍方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制），其他管腳處于斷開狀態(tài)。這樣就使得與ULN2003連接的步進(jìn)電機(jī)只有一個(gè)引出端導(dǎo)通。該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2-10：圖2-10 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖2.2.6 電源設(shè)計(jì)在此系統(tǒng)中因要用到兩路電源，再三考慮購(gòu)買了一個(gè)輸出為交流9V（電壓表實(shí)測(cè)電壓在12V左右）的適配器，然后通

26、過(guò)4個(gè)IN4007（圖中未標(biāo)出）搭建的整流橋，分出兩路一路引出供驅(qū)動(dòng)器，另一路再經(jīng)LM7805降為5V，完全符合要求，同時(shí)避免了電路設(shè)計(jì)中電路板上存在的大電源干擾等問(wèn)題。電路電源設(shè)計(jì)如下圖所示：圖2-11 電源原理圖其中電源端口和LM7805封裝圖如下圖所示：圖2-12 電源端口和LM7805封裝圖第3章 控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)3.1 程序設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備3.1.1 程序設(shè)計(jì)平臺(tái)考慮到程序的易讀性和簡(jiǎn)練，程序設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言。程序編輯平臺(tái)采用Keil。圖3-1 Keil軟件界面3.1.2 程序設(shè)計(jì)思路步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件需要同時(shí)完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、控制數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示等任務(wù)，這

27、就必須通過(guò)中斷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測(cè)按鍵動(dòng)作是否發(fā)生，若有按鍵動(dòng)作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)鍵盤的實(shí)時(shí)處理功能。定時(shí)器0中斷服務(wù)程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)：根據(jù)當(dāng)前顯示的速度進(jìn)行鍵盤手動(dòng)改變T0定時(shí)時(shí)間常數(shù)，設(shè)置TH0和TL0的值，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速精確控制的目的；根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制位的值，控制脈沖信號(hào)循環(huán)移動(dòng)的方向，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制的目的。說(shuō)明如下：1.單片機(jī)接受鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。2.單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。3.單片機(jī)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)值，控制數(shù)碼管顯示。3.2程序流程圖3.2.1 主程序流程圖步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的主程序在對(duì)

28、整個(gè)系統(tǒng)初始化后主要完成讀鍵盤和處理鍵盤的功能，如圖3-2所示：圖3-2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電復(fù)位后，先調(diào)用初始化子程序，對(duì)步進(jìn)電機(jī)各端口，相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置T0工作方式控制時(shí)間常數(shù)。初始化完成后，步進(jìn)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，T0定時(shí)器處于關(guān)閉狀態(tài)。然后循環(huán)調(diào)用讀鍵盤子程序和鍵盤處理子程序，等待中斷，以便實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制。3.2.2 讀鍵盤子程序流程圖首先初始化實(shí)際鍵值參數(shù)為0FH，然后掃描P2口，與初始值比較，相等則說(shuō)明沒(méi)有鍵按下，不相等則軟件消抖，以便確認(rèn)是否真的有鍵按下。延時(shí)10ms后再次掃描P2口，第二次與初始值比較，若相等則表明前一次比較不相等是由抖動(dòng)產(chǎn)生；如果相

29、等則表明確實(shí)有鍵按下。執(zhí)行鍵盤之程序里的指令，將相應(yīng)的變量值改變，為鍵盤處理子程序做準(zhǔn)備。啟動(dòng)否是否有鍵按下處理鍵盤子程序是圖3-3 掃描鍵盤字程序流程圖3.2.3 鍵盤處理子程序流程圖按鍵處理子程序流程圖如圖3-3所示：初始化變量開始P2.3是否按下P2.2是否按下P2.0是否按下P2.1是否按下退出TR0取反，通過(guò)啟停T0啟停步進(jìn)電機(jī)取反方向控制為，改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向修改速度參數(shù)值，減速修改速度參數(shù)值，加速 是是是是圖3-3鍵盤處理子程序流程圖步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂仆ㄟ^(guò)啟停定時(shí)器T0來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槎〞r(shí)器T0控制著脈沖信號(hào)的輸出，關(guān)閉定時(shí)器T0也就阻止了脈沖信號(hào)的輸出。3.2.4 電機(jī)控制中斷程序流

30、程圖定時(shí)器中斷0服務(wù)程序流程圖如圖3-4所示： 圖3-4 定時(shí)器中斷0服務(wù)程序流程圖定時(shí)器中斷0服務(wù)程序的中斷時(shí)間由當(dāng)前的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。進(jìn)入中斷程序后，首先要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，再根據(jù)當(dāng)前值設(shè)置TH0和TL0的值。然后判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制位的值，如果是0則控制脈沖信號(hào)P1.0、P1.2輸出，如果是1則控制脈沖信號(hào)P1.1、P1.3輸出。最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，返回，等待下次中斷。通過(guò)用當(dāng)前轉(zhuǎn)速控制中斷時(shí)間，控制了脈沖的輸出頻率，也就到達(dá)了控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的目的；通過(guò)檢測(cè)方向控制位的電平，選擇脈沖信號(hào)P1.0、P1.2與P1.1、P1.3間的切換，控制了步進(jìn)電機(jī)各引出端的接通順序，也就到實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。各

31、模塊控制的詳細(xì)程序附于最后。23 第4章 調(diào)試與改進(jìn)4.1 調(diào)試與改進(jìn)在系統(tǒng)完成后測(cè)試系統(tǒng)，檢查硬件和軟件是否能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，并對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析，看是否能夠達(dá)到系統(tǒng)創(chuàng)作之初所設(shè)想的效果，如達(dá)不到則重新修改系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)或者修改軟件的程序部分，直到達(dá)到設(shè)計(jì)需要為止。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為：首先從整體上劃分出各功能模塊，然后硬件和軟件同時(shí)進(jìn)行依次完成各個(gè)功能模塊，最后將各個(gè)模塊聯(lián)系起來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)。在硬件調(diào)試的過(guò)程中，遇到了很多問(wèn)題。主要有：1. 確定步進(jìn)電機(jī)的使用方法，和控制模式。此處尤為重要，這是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是確定軟件是否能控制步進(jìn)電機(jī)思路的開端。2.鍵盤設(shè)計(jì)完成后，在多次運(yùn)行過(guò)程中發(fā)

32、現(xiàn)按鍵是否按下難以直觀準(zhǔn)確判斷，在此處進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，為每一個(gè)按鍵接上一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)有鍵按下時(shí)，相對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管變亮，使得按鍵動(dòng)作形象直觀。并以此方法測(cè)試步進(jìn)電機(jī)控制程序。3.向電源插座送入12V直流電源，測(cè)量LM7805輸出腳對(duì)地電壓，是否為5V左右，這個(gè)電壓的測(cè)量可以直接在L7805的OUT腳和GND之間完成。4. 單片機(jī)應(yīng)用(電源)注意事項(xiàng):在電源兩端應(yīng)該加一個(gè)47uF以上的電解電容和一個(gè)0.1uF的小電容，進(jìn)行電源去藕濾波。5.可供霍爾片檢測(cè)到的信號(hào)注意是S磁極。軟件測(cè)試的時(shí)候也有些問(wèn)題，主要有：1.軟件去抖方式，和時(shí)間的控制。2.控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的程序段完成后，調(diào)試發(fā)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度的控制范圍過(guò)小，查閱資料后發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)思路不太合理，原先的設(shè)計(jì)思路是用主程序控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用延時(shí)方式控制步進(jìn)電機(jī)速度，由定時(shí)器處理鍵盤；改進(jìn)程序，主程序用來(lái)處理鍵盤，由定時(shí)器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度由定時(shí)器定時(shí)時(shí)間決定。問(wèn)題得到解決，不僅擴(kuò)大了步進(jìn)電機(jī)速度的控制范圍，也使得單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度的控制更加精確。4.2 運(yùn)行結(jié)果連接好硬件電路，上電復(fù)位，程序開始運(yùn)行。1.此時(shí)步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，LED數(shù)碼管不顯示；按下啟停鍵，步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，LED數(shù)碼管顯示數(shù)值當(dāng)前數(shù)值，即當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分；2.此時(shí)每按下加速鍵一次，LED數(shù)碼管顯示數(shù)值加1，