步進(jìn)電機(jī)畫圖系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1、1 引言 隨著生產(chǎn)過程機(jī)械化、電氣化和自動(dòng)化的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的特種電動(dòng)機(jī)。這些電動(dòng)機(jī)的工作原理，一般與普通的異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的基本原理近似，但是它們在性能、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝上各有其特殊性，多用于自動(dòng)控制過程中。 一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電動(dòng)卻是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故叫步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)沖信號(hào)，該電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過一定的角度（有的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以直接輸出線位移，稱為直線電動(dòng)機(jī)）。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號(hào)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步。由于輸

2、入的是脈沖信號(hào)，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源基本上由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成 圖1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的方框圖步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源形式多樣，但其核心部分是脈沖分配器，它的作用就是將控制裝置送來的一系列脈沖按一定的邏輯關(guān)系經(jīng)功率放大后送給步進(jìn)電機(jī)各相繞組，使其各相繞組按照預(yù)先規(guī)定的控制方式通電、斷電，從而使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。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)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。隨著運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中數(shù)字化技術(shù)的

3、發(fā)展與成熟，步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化控制中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種完成數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制用途電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)是，步進(jìn)電機(jī)接收數(shù)字控制信號(hào)（電脈沖信號(hào)），并將這些脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移。步進(jìn)電機(jī)另一重要的特點(diǎn) 是其必須與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取決于所使用的驅(qū)動(dòng)電路的類型和實(shí)際參數(shù)。因此，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。1.1步進(jìn)電機(jī)原理說明步進(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

4、機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(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)來控制變的非常的簡單。 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。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，16位單片機(jī)由于其運(yùn)算速度和精度已得到廣泛的應(yīng)用，尤其在工業(yè)過程控制及儀表中，16位單片機(jī)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的精確控制具有特別重要的意義。在對(duì)某型船用燃油機(jī)的油門控制器的研制過程中,步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件

5、，如何提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、抗干擾性、可靠性成為研究的核心問題。 對(duì)于基于16位單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)來說，驅(qū)動(dòng)電源的輸出直接作用于步進(jìn)電機(jī)的繞組，因而驅(qū)動(dòng)電源性能好壞直接影響步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能。1.2 步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)1). 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。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)；一般來講，磁性材料的退磁點(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)

6、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；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(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)速從低速升到高速）。5).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

7、是通過輸入脈沖信號(hào)來進(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：(a)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。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。(b)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)。(c)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(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)

8、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。 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。伴隨著不同的數(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。1.3控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本要求是：1）在一定的速度范圍內(nèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行，輸出軸轉(zhuǎn)過的步數(shù)必須等于輸入脈沖數(shù)，既不能多走一步也不能少走一步，即不能出現(xiàn)所謂的“失步”現(xiàn)象。 2）每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，輸出軸所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，該值要小而且精度要高，這樣才能使工作臺(tái)的位移量小而且準(zhǔn)確和均勻，從而可以提高加工精度。 3）允許的工作頻率高，這樣才能動(dòng)作迅速，減少輔助工時(shí)，提高生產(chǎn)率。 1.

9、4  步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)： 1.4.1 電機(jī)固有步距角：       它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表 示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱之為電機(jī)固有步距角，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 1.4.2 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：      是指電機(jī)內(nèi)

10、部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步 距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主 要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。1.4.3 保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING  TORQUE）：      是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)

11、，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨 速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特 殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。1.4.4 DETENT  TORQUE： 是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT  TORQUE  在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETE

12、NT TORQUE。2 系統(tǒng)方案選擇與論證2.1 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一電機(jī)控制系統(tǒng)，利用動(dòng)滑輪，靜滑輪和繩索的索引帶動(dòng)畫筆在傾斜角度為85°的平面上畫圖。在一白色底板上固定兩個(gè)滑輪，兩只電機(jī)（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為80cm×100cm。物體的形狀不限，質(zhì)量大于100克。物體上固定有淺色畫筆，以便運(yùn)動(dòng)時(shí)能在板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡。板上標(biāo)有間距為1cm的淺色坐標(biāo)線（不同于畫筆顏色），左下角為直角坐標(biāo)原點(diǎn), 示意圖2如下: 圖2 實(shí)物圖2.1.1 基本要求 （1）控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)； （2）控制物體在80cm&

13、#215;100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡長度不小于100cm，物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠在板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡，限300秒內(nèi)完成； （3）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運(yùn)動(dòng)，限300秒內(nèi)完成； （4）物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(兩點(diǎn)間直線距離不小于40cm)。2.1.2 說明1、物體的運(yùn)動(dòng)軌跡以畫筆畫出的痕跡為準(zhǔn)，應(yīng)盡量使物體運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡吻合，同時(shí)盡量縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間；2、在某項(xiàng)測試中運(yùn)動(dòng)不超過限定的時(shí)間， 3、運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差不超過4cm時(shí)，4、在基本要求(3)、(4)和發(fā)揮部分(2)中，物體開始運(yùn)動(dòng)前，允許手動(dòng)將物體定位；開始運(yùn)

14、動(dòng)后，不能再人為干預(yù)物體運(yùn)動(dòng)；2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)可以劃分為運(yùn)動(dòng)控制部分和信號(hào)檢測部分.其中運(yùn)動(dòng)控制部分包括：控制器小模塊、鍵盤顯示模塊、存儲(chǔ)器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。信號(hào)檢測部分由光電檢測模塊組成。方案一：整個(gè)系統(tǒng)的控制部分可采用LPC935作為其核心部分，考慮到物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了比較精確的確立圓周上各個(gè)點(diǎn)到圓心的距離相等，可采用運(yùn)動(dòng)控制中常用到的一種算法。雖然LPC935速度比一般的單片機(jī)要快，但控制物體的運(yùn)動(dòng)要求不斷的進(jìn)行運(yùn)算處理，使得計(jì)算量大，誤差積累，程序冗長且復(fù)雜，最終不能滿足設(shè)計(jì)預(yù)定的要求。方案二：采用單片機(jī)或可編程邏輯器件作為控制核心，外接片外存儲(chǔ)器，把

15、物體運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)通過計(jì)算機(jī)可以很快算出相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)一存儲(chǔ)在片外存儲(chǔ)器中，根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求調(diào)用相應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)即可。決定采用方案二，可以穩(wěn)定可靠的控制物體做對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。模塊框圖如圖3所示。鍵盤顯示模塊光電檢測模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊控制器模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 圖3 運(yùn)動(dòng)物體基本結(jié)構(gòu)框圖為實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，分別對(duì)幾種不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證和選擇。2.2.1 各個(gè)模塊方案選擇和論證（1） 控制器模塊根據(jù)系統(tǒng)的要求，控制器主要是用于對(duì)鍵盤輸入的參數(shù)處理，讀取外部的數(shù)據(jù)，把這兩個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的算法進(jìn)行運(yùn)算，去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于控制器的選擇有以下兩種方案。方案一：采用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件

16、）作為系統(tǒng)的控制器。CPLD可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高，體積小，速度快，穩(wěn)定性高，易于軟件仿真、調(diào)試，并且容易進(jìn)行功能的擴(kuò)展。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，CPLD的優(yōu)勢沒有得到充分的體現(xiàn)，并且其價(jià)格昂貴，引腳多，使得硬件電路布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)中一些任務(wù)。方案二：采用ATMEL公司的AT89S52，由于單片機(jī)編程靈活、自由度大可實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，且其功耗低，體積小、成本低，由于MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容，8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，1000次擦寫周期，全靜態(tài)操作：0Hz33Hz，三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，32個(gè)可編程I/O口線，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，

17、八個(gè)中斷源，全雙工UART串行通道，低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒，看門狗定時(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針，掉電標(biāo)識(shí)符等優(yōu)點(diǎn)，AT89S52在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求不是很高，口線并不多，速度也能達(dá)到其系統(tǒng)的要求，基于以上的分析決定采用方案AT89S52功能特性描述：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用ATMEL 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S5

18、2為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 圖4 89S52引腳示意圖（2） 鍵盤顯示模塊人機(jī)交互接口主要是通過是鍵盤顯示模

19、塊來處理的，主要用于單片機(jī)讀取鍵盤的值，進(jìn)行處理后，把所要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。對(duì)于鍵盤顯示的方案這里有2種。方案一：采用傳統(tǒng)和單片機(jī)的I/O口直接相接進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，可以讀取鍵盤和進(jìn)行相應(yīng)的顯示，但其接口復(fù)雜，硬件電路實(shí)現(xiàn)困難，軟件操作繁瑣，并不采用此方案。方案二：采用7279鍵盤顯示模塊，和單片機(jī)接口簡單，僅有4根口線通過串行傳遞數(shù)據(jù)，硬件電路簡單，程序編寫容易，且顯示穩(wěn)定可靠。據(jù)以上原因采用第二種方案。（3） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用兩只步進(jìn)電機(jī)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的速度要求不是特別高，用步進(jìn)電機(jī)完全可達(dá)到要求，而且步進(jìn)電機(jī)的力矩很大，控制精確度較直流電機(jī)高，適合本設(shè)計(jì)中吊重物畫曲線的要求。對(duì)步進(jìn)

20、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)有以下幾種方案。方案一：可利用繼電器有順序的開關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式（單拍、雙拍，半拍）。前級(jí)用光電耦合器與MCU隔離。該方法電路簡單，但繼電器的響應(yīng)速度慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短。另外，繼電器吸合與斷開時(shí)對(duì)電路的干擾大，故不選用該電路。方案二：采用分立元件，前級(jí)驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)的連接用光電耦合器隔離，減少電機(jī)對(duì)MCU的干擾。用四個(gè)大功率的開關(guān)三極管BU406做驅(qū)動(dòng)，一方面提高了驅(qū)動(dòng)模塊的散熱效果，另一方面可以增強(qiáng)其負(fù)載能力，且可承受頻繁的大電流沖擊。綜合以上兩個(gè)方案的的分析，選用方案二。（4） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 采用傳統(tǒng)的32K存儲(chǔ)芯片24C256，通過串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，比一般的并

21、口外部ROM節(jié)省的口線要多。所以我們采用片外存儲(chǔ)芯片24C256。2.2.2 系統(tǒng)各模塊的最終方案經(jīng)過分析和論證，決定各個(gè)模塊的最終方案，如下：（1）控制模塊：采用單片機(jī)AT89S52控制；（2）鍵盤顯示模塊：采用7279串行數(shù)據(jù)傳遞和進(jìn)行顯示；（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用光耦TLP521-4和BU406作驅(qū)動(dòng)部分；（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：采用AT24C256存儲(chǔ)各個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)；系統(tǒng)的基本框圖如圖5所示：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C256單片機(jī)AT89S52電機(jī)驅(qū)動(dòng)鍵盤輸入數(shù)碼管輸出 圖5 系統(tǒng)基本框圖在上圖中，單片機(jī)AT89S52是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要功能：從7279鍵盤顯示模塊讀取鍵值，并進(jìn)行

22、所對(duì)應(yīng)的顯示，讀取片外存儲(chǔ)器24C256數(shù)據(jù)，輸出脈沖控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在平面上畫出軌跡和達(dá)到預(yù)設(shè)的位置。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件的基本組成部分本系統(tǒng)是一個(gè)由機(jī)械，電子一體的綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了自動(dòng)控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)的硬件部分包括控制電路的設(shè)計(jì)，鍵盤顯示電路的設(shè)計(jì)，片外存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電路驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。3.2主要單元部分電路的設(shè)計(jì)3.2.1控制部分的電路設(shè)計(jì)控制電路的設(shè)計(jì)1正確的時(shí)序是保證HD7279A正常工作的前提條件。當(dāng)選定了HD7279A的振蕩元件RC和晶振之后，應(yīng)調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間,使時(shí)序中的T1T8滿足所需要求。HD7279A時(shí)序規(guī)定的時(shí)間范圍很寬，達(dá)10

23、50倍，很容易滿足，但為了提高微處理器訪問HD7279A的速度，在要求系統(tǒng)運(yùn)行速度較快時(shí)，應(yīng)仔細(xì)調(diào)試HD7279A的讀寫程序，使其運(yùn)行時(shí)間接近最短。 2 微處理器通過KEY引腳電平來判斷是否有鍵按下，在使用查詢方式管理鍵盤時(shí)，該引腳接至微處理器的1位I/O端口；如果使用中斷方式，該引腳應(yīng)接至微處理器的外部中斷輸入端。同時(shí)應(yīng)將該中斷觸發(fā)控制位設(shè)置成下降沿有效的邊沿觸發(fā)方式。若置成電平觸發(fā)方式，則應(yīng)注意在按鍵時(shí)間較長時(shí)可能引起的多次中斷問題。 3HD7279A沒有提供組合鍵功能。如果某些場合確需雙鍵組合使用，可在微處理器某位I/O引腳接入一鍵,與HD7279A所連鍵盤共同組成雙鍵功能。 4電路中有

24、3種電阻：阻值為200的電阻是限流電阻，用來限制LED數(shù)碼管的電流。在使用中不應(yīng)為了過分追求數(shù)碼管的亮度而任意減小其電阻值，以防HD7279A芯片過熱燒壞。阻值為100k和10k的電阻分別稱為下拉電阻和位選電阻，如果HD7279A僅用于顯示器管理,則這兩種電阻都可以去掉。 5 HD7279A的空閑引腳，一律懸空。 單片機(jī)ATS89S52外接7279鍵盤顯示模塊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路和片外存儲(chǔ)模塊（已包含）。為了方便單片機(jī)引腳的使用，將單片機(jī)的所有引腳用接口引出。具體電路由圖6所示。J6是鍵盤顯示模塊的接口，J8是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的接口，J9是片外存儲(chǔ)器24C256的SCL口和SDA口。 最小系統(tǒng)一

25、般應(yīng)該包括：單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路?？蛇m合擴(kuò)展基本模塊：復(fù)位電路、晶振、電源供入及電源開關(guān)、ISP下載、串口通信、各IO預(yù)留跳針。 圖6 AST89S52最小系統(tǒng)及外圍電路說明:復(fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì),可以知道,當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平,并且,這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來決定.典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位,所以,適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位.一般教科書推薦C 取10u,R取8.2K.當(dāng)然也有其他取法的,原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個(gè)機(jī)周期的高電

26、平.至于如何具體定量計(jì)算,可以參考電路分析相關(guān)書籍.晶振電路:典型的晶振取11.0592MHz(因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級(jí)時(shí)歇,方便定時(shí)操作)單片機(jī):一片AT89S51/52或其他51系列兼容單片機(jī)特別注意:對(duì)于31腳(EA/Vpp),當(dāng)接高電平時(shí),單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行;當(dāng)接低電平時(shí),復(fù)位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行.這一點(diǎn)是初學(xué)者容易忽略的.3.2.2鍵盤顯示部分的電路設(shè)計(jì)此電路采用7289芯片進(jìn)行鍵盤的檢測和動(dòng)態(tài)掃描進(jìn)行顯示。ZLG7289A 是具有SPI 串行接口功能的可同時(shí)

27、驅(qū)動(dòng)8 位共陰式數(shù)碼管或64 只獨(dú)立LED 的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64 鍵的鍵盤矩陣單片即可完成LED 顯示鍵盤接口的全部功能.ZLG7289A 內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD 碼或16 進(jìn)制碼并同時(shí)具有2 種譯碼方式此外還具有多種控制指令如消隱閃爍左移右移段尋址等.ZLG7289A 具有片選信號(hào)可方便地實(shí)現(xiàn)多于8 位的顯示或多于64 鍵的鍵盤接口.特點(diǎn):(1) 串行接口無需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED;(2) 各位獨(dú)立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性;(3) 循環(huán)左移/ 循環(huán)右移指令;(4) 具有段尋址指令方便控制獨(dú)立LED;(5) 4鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動(dòng)電路.3.2.3 控

28、制指令說明ZLG7289A的控制指令分為二大類：純指令和帶有數(shù)據(jù)的指令。1.純指令純指令包括復(fù)位（清除）指令（0A4H）、測試指令（0BFH）、左移指令（0A1H）、 右移指令（0A0H）、 循環(huán)左移指令（0A3H）、 循環(huán)右移指令（0A2H）等。下面以復(fù)位（清除）指令（0A4H）為例來進(jìn)行說明，該指令的格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D010100100 當(dāng)ZLG7289A接收到該指令后，將所有的顯示清除，所有設(shè)置的字符消隱、閃爍等屬性也被一起清除。執(zhí)行該指令后，芯片所處的狀態(tài)與系統(tǒng)上電后所處的狀態(tài)一樣。3.2 帶有數(shù)據(jù)的指令(1)下載數(shù)據(jù)且按方式0譯碼指令該指令的格式如下：D7D6D

29、5D4D3D2D1D010000a2a1a0D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXXd3d2d0d1 該命令由二個(gè)字節(jié)組成。前半部分為指令，其中210 為位地址，03為數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)接收到此指令時(shí)(ZLG7289A將按譯碼方式0進(jìn)行譯碼)。小數(shù)點(diǎn)的顯示可由DP位控制，DP為時(shí)，小數(shù)點(diǎn)顯示,DP為0時(shí)，小數(shù)點(diǎn)不顯示。在該指令格式中，表示沒有影響。 譯碼方式:D0d3d3d2d1d07段顯示00H0000001H0011102H0000203H0011304H0100405H0101506H0110607H0111708H1000809H100190AH1010-0BH1011E0CH1100H0

30、DH1101L0EH1110P0FH1111空無顯示 (2)下載數(shù)據(jù)且按方式譯碼指令這種指令與上一個(gè)指令基本相同。所不同的是，該指令的03對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位0AH0FH分別為七段顯示中的A、B、C、D、E、F。該指令的具體格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D011001a2a1a0D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXXd3d2d0d1 (3) 讀鍵盤數(shù)據(jù)指令該指令從ZLG7289A讀出當(dāng)前的按鍵代碼，格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D000010101D7D6D5D4D3D2D1D0d7d6d5d4d3d2d0d1 與其它指令不同的是，此命令的前一個(gè)字節(jié)(0001010)B為單片機(jī)傳送

31、到ZLG7289A的指令，而后一個(gè)字節(jié)07則為ZLG7289A返回的按鍵代碼。 其范圍為03FH（無鍵按下時(shí)為OFF）。在此指令的前半段，ZLG7289A 的DATA 引腳處于高阻輸入狀態(tài)，可以用來接收來自微處理器的指令；在指令的后半段，DATA引腳從輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)為輸出狀態(tài)，此時(shí)將輸出鍵盤代碼的值。故微處理器連接到DATA引腳的口應(yīng)當(dāng)有一個(gè)從輸出態(tài)到輸入態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)ZLG7289A檢測到有效的按鍵時(shí)，KEY 腳將從高電平變?yōu)榈碗娖剑⒁恢北３值桨存I結(jié)束。在此期間，如果ZLG7289A 接收到“讀鍵盤數(shù)據(jù)指令”，則輸出當(dāng)前按鍵的鍵盤代碼；如果在接收到“讀鍵盤數(shù)據(jù)指令”時(shí)沒有有效按鍵，ZLG72

32、89A將輸出FFH（11111111B）。（4）其它指令除以上幾個(gè)指令外，ZLG7289A還具有下載數(shù)據(jù)但不譯碼、閃爍控制、消隱控制、段點(diǎn)亮指令、段關(guān)閉等指令。 圖 6 ZLG8279A管腳圖引腳說明ZLG7289A芯片具有標(biāo)準(zhǔn)的DIP28和SOIC28兩種封裝形式。其引腳排列如圖 所示，各引腳的功能說明見表1 所列。表1 ZLG7289A引腳功能說明引角名稱說明1，2VDD正電源3，5NC不連接，必須懸空4VSS接地6CS片選輸入。此腳為低電平時(shí)，可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)7CLK同步時(shí)鐘輸入端。向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，次引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端。

33、當(dāng)芯片接收命令時(shí)，此引腳為輸入端；當(dāng)讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳在讀指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆恕?KEY按鍵有效輸出端。平時(shí)為高電平，當(dāng)檢測到有效按鍵時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖健?016SGSA驅(qū)動(dòng)輸出17DP小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出1825DIG0DIG7數(shù)字07驅(qū)動(dòng)輸出26CLKOUT振蕩輸出端27RCRC振蕩器連接端28RESET復(fù)位端。低電平有效，當(dāng)REST端由低電平變?yōu)楦唠娖胶?，ZLG7289A大約經(jīng)過1825MS的時(shí)間才會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。表ZLG7289A引腳功能說明引 腳名 稱說 明1，2VDD正電源3，5NC不連接，必須懸空4VSS接地6CS片選輸入。此腳為低

34、電平時(shí)，可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)7CLK同步時(shí)鐘輸入端。向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端。當(dāng)芯片接收指令時(shí)，此引腳為輸入端；當(dāng)讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳在讀指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆恕?KEY按鍵有效輸出端。平時(shí)為高電平，當(dāng)檢測到有效按鍵時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖?016SGSA段ga驅(qū)動(dòng)輸出17DP小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出1825DIG0DIG7數(shù)字07驅(qū)動(dòng)輸出26CLKOUT振蕩輸出端27RCRC振蕩器連接端28RESET復(fù)位端。低電平有效，當(dāng)RESET端由低電平變?yōu)楦唠娖胶?，ZLG7289A大約經(jīng)過1825ms的時(shí)間才會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)

35、。 圖8 鍵盤顯示模塊3.2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)是采用的6線4相的步進(jìn)電機(jī)，對(duì)電機(jī)的控制可采用單拍，雙拍和混拍。當(dāng)任意I/O口送出低電平時(shí)，光藕TLP521-4對(duì)應(yīng)的光電門導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的CON口變?yōu)楦唠娖?，從而使其?duì)應(yīng)的三極管Q導(dǎo)通，由VCC直接給步進(jìn)電機(jī)線圈提供電流。由于電機(jī)所吊重物很大，所以我們?yōu)榱嗽黾恿兀扇‰p拍使對(duì)應(yīng)的線圈導(dǎo)通和截止，L1-L4是步進(jìn)電機(jī)里面的4個(gè)線圈。具體電路如圖9所示。圖9 單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖10TLP521-4的管腳示意圖 圖11 四相步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用電路四鄉(xiāng)混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用

36、。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較的場合使用，此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍，因而電機(jī)發(fā)熱??；并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍，因而電機(jī)發(fā)熱較大。我們所用的步進(jìn)電機(jī)是需要按照順序，橙，棕黑黃順次接線，才能使電機(jī)順利驅(qū)動(dòng)。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)速從低速升到高速）。

37、圖12 四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)序圖4 系統(tǒng)主程序流程圖1畫設(shè)定坐標(biāo)開始初始化有鍵按下？置模塊標(biāo)志位判斷是否有模塊標(biāo)志位？2畫設(shè)定圓心坐標(biāo)的圓3畫預(yù)設(shè)軌跡 否否是圖13系統(tǒng)主程序流程圖5 系統(tǒng)的測試5.1 測試儀器表2測試時(shí)需要使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1直流穩(wěn)壓電源1啟東市斯邁特計(jì)算機(jī)廠2DS3102B雙蹤示波器1 揚(yáng)中電子設(shè)備廠3精度0.01S的秒表1深圳天福電子有限公司4卷尺1 -5秒表精度0.01S1 6UNI-T數(shù)字萬用表1勝利公司5.2整機(jī)指標(biāo)（1）能夠通過鍵盤任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)；（2）可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。6 系統(tǒng)調(diào)試首先是在設(shè)計(jì)電路過程中，一開始對(duì)于電機(jī)這一塊不知道怎么

38、下手,在周凱老師的不斷指導(dǎo)下,慢慢有個(gè)思路，開始嘗試著設(shè)計(jì)電路，畫protel圖。設(shè)計(jì)好的電路圖，錯(cuò)誤不斷，通過不斷地排錯(cuò)，最終達(dá)到最佳方案。然后，寫入程序，進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試顯示子程序的時(shí)候，剛開始編寫的程序很不穩(wěn)定，并不能實(shí)現(xiàn)鍵盤的坐標(biāo)設(shè)定，經(jīng)過多次修改與初次設(shè)計(jì)進(jìn)行了較大的改動(dòng)，可以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。還有就是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的部分，一開始我們只能上電走一步，經(jīng)過改寫，可以正常驅(qū)動(dòng)一支電機(jī)。最后在參加過電子競賽的同學(xué)幫助下，不斷地修改終于實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果?？?結(jié)本系統(tǒng)單片機(jī)AT89S52作為核心部件，首先由人機(jī)交互接口，把所要求的數(shù)據(jù)和參數(shù)輸入給單片機(jī)，通過單片機(jī)運(yùn)算和處理，讀取外部ROM的數(shù)據(jù)，來控制

39、兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉動(dòng)物體按預(yù)先設(shè)定的參數(shù)運(yùn)動(dòng)。結(jié) 論本設(shè)計(jì)我已基本完成了硬件電路的設(shè)計(jì)。但是由于自身存在著許多的不足之處，故沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，僅實(shí)現(xiàn)了電路的部分功能，對(duì)于本次設(shè)計(jì)，可以說是對(duì)自己大學(xué)四年來學(xué)習(xí)的一次衡量和檢閱。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，遇到許多的困難，讓我明白了我還有很多的不足。理論知識(shí)需要進(jìn)一步的了解，動(dòng)手能力也有待提高。通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓更加清晰的認(rèn)識(shí)自己，給自己正確的地位。我一定會(huì)在以后的生活工作中努力去加強(qiáng)！致 謝通過兩個(gè)多月的實(shí)學(xué)、調(diào)研、編寫文檔、設(shè)計(jì)、編寫論文等一系列程序，至此，此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。本系統(tǒng)由于時(shí)間的限制，在畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束前只能作到現(xiàn)有的程度。在本次

40、畢業(yè)設(shè)計(jì)的后期，我也盡量對(duì)本作品的功能進(jìn)行了相應(yīng)的擴(kuò)展。如能使用進(jìn)一步以后的更可靠的硬件和更加完善的軟件，提高系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，相信該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，同時(shí)更高質(zhì)量的滿足用戶的需求。這仍然需要假以時(shí)日，還有大量的工作需要去做。完成了大學(xué)四年中的最后一次檢測。在這次的設(shè)計(jì)中凝聚著在大學(xué)期間所有關(guān)心和教導(dǎo)過我的老師們的辛勤汗水，在即將離校之際，我也要向他們表示誠摯的謝意。在這里最要感謝我的導(dǎo)師周凱老師。在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從外出實(shí)習(xí)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是周凱老師仍然細(xì)心地糾正我設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，讓我受益匪淺。論文修改階段，在楊菊秋老師的指導(dǎo)下最終定稿。在本次設(shè)計(jì)中還是遇到了不少的困難，除了周凱老師的指引之外，同窗四年的同學(xué)們給了我真誠的幫助。在離開前送上我最真摯的祝福，希望大家能闖出自己的一片天地。最后，我要感謝母校給予我的大學(xué)生涯與父母親給予我的無