硬件設(shè)計(jì)思路

1、步進(jìn)電機(jī)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)是一種能夠?qū)㈦娮用}沖信號轉(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進(jìn)電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)有單路電脈 沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電動機(jī)有多 相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)為多相 脈沖信號，在經(jīng)過功率放大后分別送入步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組

2、。每輸入一個(gè)脈沖 信號，電動機(jī)電動機(jī)各項(xiàng)的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度， 也就是步距角。正常情況下步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對 應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量 的輸入，所以特別適合微機(jī)控制。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

3、溫度在攝氏 80-90度完全正常。3.步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動勢；頻率 越高，反向電動勢越大。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，并伴有 嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能 夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能 發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到 高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度 升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)

4、速從低速升到高速）。步進(jìn)電動機(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 在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。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、功率驅(qū)動電路等組成控 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。步進(jìn)電動機(jī)有如下特點(diǎn)：1）步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。 因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后, 沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。2）由步進(jìn)電動機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價(jià)，又非 常可靠，同時(shí)，

5、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(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距，因此 一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。5）步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，不能直接使用交流電源和 直流電源。6）步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng) 措施。國內(nèi)控制器的研究起步較晚，運(yùn)動控制技術(shù)為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)， 是一個(gè)以自動控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng) 域。如電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微 計(jì)算機(jī)技術(shù)等，運(yùn)動控制技術(shù)是這些技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體?？?/p>

6、體上來說，國內(nèi) 研究取得很大的進(jìn)步，但無論從控制器還是從控制軟件上來看，與國外相比 還是具有一定差距。在國內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是從五十年代開始發(fā)展，實(shí)際上進(jìn)入七十年代 后才開始有較大進(jìn)展至今己有較好的基礎(chǔ)和一定的規(guī)模。七十年代，我國曾 經(jīng)花費(fèi)了很大的力量來發(fā)展采用步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。眾所周知，那 次的發(fā)展很不成功，主要是控制系統(tǒng)的不可靠、不穩(wěn)定所造成的。其中，步 進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器性能較差、價(jià)格昂貴、可靠性低是一個(gè)重要的原因。八十 年代末開始在我國發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型機(jī)床控制系統(tǒng)，它是一種用單板計(jì)算機(jī)和步 進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的簡易型控制裝置。由于采用了單板機(jī)控制，使得控制 部件的穩(wěn)定性、可靠性大為提

7、高，成本下降。而步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器仍基本 上停留在較低的水平，成為這種系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙。電動機(jī)的理論、設(shè)計(jì) 和制造技術(shù)相對較強(qiáng)，驅(qū)動器的發(fā)展則是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)，一方面在我國步 進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器多采用傳統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)， 性能落后；另一方面還表現(xiàn)在缺乏驅(qū)動 器專業(yè)生產(chǎn)。目前我國許多廠家已研制生產(chǎn)出步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器，其技術(shù)設(shè) 計(jì)基本上是引進(jìn)國外的專用芯片，且其性能還存在許多不足(如節(jié)能、穩(wěn)定性等)，與國外產(chǎn)品相比還有一定距離而對于控制器的研究國內(nèi)起步較晚，運(yùn)動控制技術(shù)為一門多學(xué)科交叉的 技術(shù)，是一個(gè)以自動控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的 技術(shù)領(lǐng)域。如電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳

8、感器技術(shù)、控制理 論和微計(jì)算機(jī)技術(shù)等，運(yùn)動控制技術(shù)是這些技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體。對于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)動控制器就像是它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，指揮著 它的每個(gè)動作。控制器接收相應(yīng)指令，并根據(jù)指令向各進(jìn)給電機(jī)發(fā)出控制信 號，各個(gè)電機(jī)的驅(qū)動器則將控制信號轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動電機(jī)的電信號。開放式 運(yùn)動控制己成為運(yùn)動控制的發(fā)展方向，因此對控制器也有更高的要求。目前控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中多采用如下方案之一構(gòu)成 ：(1) 基于PC和微處理器.由單片機(jī)等微處理器為核心部件，加上存儲器、 編碼器信號處理電路以及 D/A轉(zhuǎn)換電路等組成控制器，其控制算法的程序固 化在存儲器中。而上位機(jī)基于PC的控制系統(tǒng)，由于聯(lián)動插補(bǔ)算法較復(fù)雜，有

9、大量浮點(diǎn)運(yùn)算，對實(shí)時(shí)性要求又較高，選用PC來完成粗插補(bǔ)運(yùn)算和數(shù)值運(yùn)算。同時(shí)可利用豐富的PC軟件來改善控制系統(tǒng)的圖形顯示、動態(tài)仿真、編程和診 斷功能。(2) 基于微控制器設(shè)計(jì)的專用集成電路，如美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM628,惠普公司的HCPLI100等。用一個(gè)芯片即完成速度曲線規(guī)劃、PID伺服控制算法、編碼器信號的處理等多種功能。一些需要用戶經(jīng)常更改的參數(shù)如 電機(jī)位置、速度、加速度、PID參數(shù)等均在芯片內(nèi)部的RAM內(nèi)，可由計(jì)算機(jī)用 指令很方便的修改。但由于受到運(yùn)算速度的限制，復(fù)雜的控制算法和功能很難實(shí)現(xiàn)。(3) 基于PC總線的開放式系統(tǒng)控制器和可編程數(shù)字邏輯器件。可編程器 件具有：高性能、高

10、集成度、高靈活性、簡化電路等優(yōu)點(diǎn)。而現(xiàn)在的奔騰、奔 騰II、奔騰III微處理器計(jì)算速度和運(yùn)算能力很強(qiáng)大，以其為基礎(chǔ)的控制器 已經(jīng)能同專用的控制器相媲美。但這個(gè)方案采用元器件較多，可靠性低，體 積比較大，軟件設(shè)計(jì)工作量較大。而系統(tǒng)中各個(gè)坐標(biāo)軸電機(jī)還需具備位置控制功能，位置控制實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，當(dāng)控制軸數(shù)較多時(shí)，任務(wù)與插補(bǔ)共用一個(gè)CPU 會導(dǎo)致系統(tǒng)主機(jī)負(fù)擔(dān)太重，實(shí)時(shí)性不易保證，而且故障風(fēng)險(xiǎn)過于集中。(4) 基于數(shù)字信號處理器(DSP)型.20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，將運(yùn)算高速、功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器應(yīng)用于控制器。 許多公司研制了以DSP為微處理器的控制器，這些控制器一般以IP

11、C或兼容機(jī)為硬件平臺，以DOS或 WINDOWS軟件平臺，采用開放式開發(fā)手段，使用 很方便。美國Delta TauPMAC一 PC以Data System公司推出的PMA(系列伺 服控制器比較有代表性。Motorola公司的DSP56001為微處理器，主頻20/30MHz, 60/40微秒/軸的伺服更新率，36位位置范圍，16位DAC俞出分辨 率，10/15MHZ編碼計(jì)數(shù)率，每秒可處理多達(dá) 500條程序，可以完成直線或圓 弧插補(bǔ)，"S曲線”加速和減速，三次軌跡計(jì)算、樣條計(jì)算。利用DSF強(qiáng)大的運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)1-8軸的多軸實(shí)時(shí)控制?，F(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)

12、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。1.5永磁式步進(jìn)電機(jī)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；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動都很大。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?；旌鲜讲竭M(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。本次驅(qū)動方案所選用的步進(jìn)電機(jī)是永磁式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)主要的技術(shù)指標(biāo)有：1）步距角 指每給一個(gè)電脈沖信號電動機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度的理論值。 目前國產(chǎn)商品化步進(jìn)電機(jī)常用步距角為

13、：0.36、0.6、0.72、0.75、0.9、1.2、 1.5、1.8、2.25、3.6、4.5 度等。2）齒距角 相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距 角。3）失調(diào)角 失調(diào)角是指轉(zhuǎn)子偏離零位的角度。4）精度步進(jìn)電機(jī)的精度有兩種表示方法，一種用步距誤差最大值來表 示，另一種用步距累計(jì)誤差最大值來表示。最大步距誤差是指電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一 周內(nèi)相鄰兩步之間的最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分?jǐn)?shù) 表示。最大累計(jì)誤差是指任意位置開始經(jīng)過任意步之間，角位移誤差的最大 值。5）轉(zhuǎn)矩 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩是一個(gè)重要的指標(biāo)。它又包括定位轉(zhuǎn)矩、靜轉(zhuǎn)矩、 動轉(zhuǎn)矩。定位轉(zhuǎn)矩是指在繞組不通電時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩

14、的最大值。通常反應(yīng)式步進(jìn) 電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩為零，混合式步進(jìn)電機(jī)有一定的定位轉(zhuǎn)矩。靜轉(zhuǎn)矩是指不改 變繞組通電狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。它是繞組電流及失調(diào)角的函數(shù)。 對應(yīng)某一失調(diào)角時(shí)靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。動轉(zhuǎn)矩是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況 下的最大輸出轉(zhuǎn)矩值，它與運(yùn)行頻率有關(guān)。在一定頻率下，最大靜轉(zhuǎn)矩越大， 動轉(zhuǎn)矩也越大。6）響應(yīng)頻率 在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會丟失一步， 則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常用啟動頻率來作為衡量的指標(biāo)，它是指 在一定負(fù)載下直接啟動而不失步的極限頻率，稱為極限啟動頻率。7）運(yùn)行頻率 指拖動一定負(fù)載使頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電機(jī)能不失步運(yùn)行 的極限頻率課題的研究意

15、義和目的步進(jìn)電機(jī)可在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起 停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，這是步進(jìn)電動機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn) .由其組成的開環(huán)系 統(tǒng)簡單、廉價(jià)、可靠。因此，它被廣泛的運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、計(jì)算裝 置、自動記錄儀、工業(yè)機(jī)器人、無損檢測等系統(tǒng)及裝置中。步進(jìn)電機(jī)的性能 在很大程度上取決于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)控 制器、驅(qū)動器、系統(tǒng)軟件等幾部分組成，控制系統(tǒng)的每一部分對步進(jìn)電機(jī)的 運(yùn)行性能息息相關(guān)。步進(jìn)電機(jī)與它的控制驅(qū)動系統(tǒng)是不可分割的兩部分，由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的不完善，使得步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)表現(xiàn)出一些重大的欠缺；接近工作頻率的低頻 共振，低速運(yùn)行平穩(wěn)性較差，高速運(yùn)行

16、的快速響應(yīng)能力差、容易失步、效率 低、能耗大、發(fā)熱量大等.從應(yīng)用的角度來看，嚴(yán)重制約步進(jìn)電動機(jī)的問題就 是失步、振蕩和較差的矩頻特性。基于以上理論，步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就非常必要?，F(xiàn)舉一個(gè)設(shè)計(jì)，本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、數(shù)碼顯 示模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)，以及硬件電路在電路板上的實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包括主程 序以及各個(gè)模塊的控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制， 并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在 LED數(shù)碼管上。本系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用 性及可靠性的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有以下功

17、能：1. 步進(jìn)電機(jī)的啟停控制2. 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)速的動態(tài)顯示1、步進(jìn)電機(jī)的選擇方案一：選擇反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（VR。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距 角可以做的相當(dāng)小，但動態(tài)性能相對較差。方案二：選擇永磁式步進(jìn)電動機(jī)(PM o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，轉(zhuǎn)動步的角度一般是7.50 o它的出力大， 動態(tài)性能好；但步距角一般比較大。方案三：選擇混合步進(jìn)電動機(jī)(HB o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

18、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，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備 中多用此類電機(jī)。由于永磁式步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)性能比較好，而且結(jié)構(gòu)相對比較簡單，價(jià)格適中，是電子業(yè)余愛好者中常用的步進(jìn)電機(jī)。故在此選用永磁式步進(jìn)電機(jī)。2、單片機(jī)的選擇方案一：選擇 ARM7TDMI S3C44BOX片機(jī)S3C44BOX 單片機(jī)包含 ARM7TDM處理器。ARM7TDM處理器是ARM公司通用 的32位微處理器家族的成員之一，是一種高性能、廉價(jià)、低功耗的RISC處理器, 同時(shí)又具有非常豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。方案二：選擇AT89S52單片

19、機(jī)AT89S52是一種帶 8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROFalshProgrammable and Erasable Read Only Memory )的低電壓，高性能 CMOS位微1000次。該器件采MCS-51旨令集和輸處理器，俗稱單片機(jī)。它的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 出管腳相兼容由于AT89S52的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格適中、高性能，故在此選擇AT89S52單片機(jī)3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 方案一：使用多個(gè)功率放大器件驅(qū)動電機(jī)通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。

20、但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對四路信號 分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來 會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。方案二：使用ULN2803八NPN達(dá)林頓連接晶體管驅(qū)動電機(jī)ULN2803八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/NMO®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。ULN2803勺設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。 由于ULN2803J NPN4林頓連接晶體管的結(jié)構(gòu)簡單而且能為步

21、進(jìn)電機(jī)提供脈沖信 號，進(jìn)而將脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，從而能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。故選擇ULN2803八NPN達(dá)林頓連接晶體管作為所需單片機(jī)。4、數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)方案一：共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極， 使用時(shí) 公共陽極接+5V,每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。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。方案二：共陰極接法。把發(fā)光二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)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極 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)中所采用的是共陽極 LED數(shù)碼顯示器，

22、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示:764219 10 5LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 在本設(shè)計(jì)中，數(shù)碼顯示電路通過交替向P2.6和P2.7輸出低電平，使得與這兩個(gè) 端口連接的三極管交替導(dǎo)通，從而為數(shù)碼管提供電源，也實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管的動態(tài)掃 描。通過P1 口輸出段選信號，控制了數(shù)碼管顯示的內(nèi)容。5 硬件設(shè)計(jì)思路步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為四個(gè)模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊。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。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。鍵盤控制模塊包括啟停鍵、方

23、向控制鍵、加速鍵和減速鍵，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)。數(shù)碼顯示模塊采用共陽極數(shù)碼管來動態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動速度。利用三極管為數(shù)碼管的com端提供高電平。單片機(jī)的P1 口提供數(shù)碼管的段選 信號，P2.6和P2.7控制數(shù)碼管的位選信號。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊選用八NPN±林頓連接晶體管2803為步進(jìn)電機(jī)提供脈 沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機(jī)的P3.4 P3.7相連。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，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。3. 單片機(jī)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)

24、動值，控制數(shù)碼管顯示AT89S52單片機(jī)8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51單片機(jī)影響極深遠(yuǎn)，許多公 司都推出了兼容系列單片機(jī)，就是說MCS-51內(nèi)核實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)8位單 片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。很多公司的51單片機(jī)產(chǎn)品都是和MCS-51內(nèi)核兼容的產(chǎn)品。同樣的一段 程序，在各個(gè)單片機(jī)廠家的硬件上運(yùn)行的結(jié)果都是一樣的，如ATMEL勺89S52,PHILIPS （菲利浦），和WINBOND華邦）等，我們常說的89S52指的是ATMEL 公司的AT89S52單片機(jī)，同時(shí)是在原基礎(chǔ)上增強(qiáng)了許多特性，如時(shí)鐘，更優(yōu) 秀的是由Flash （程序存儲器的內(nèi)容至少可以改寫 1000次）存儲器取帶了原 來的R

25、OM一次性寫入），AT89S52的性能相對于8051已經(jīng)算是非常優(yōu)越的 了。AT89S52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPERO 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)。它的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEI高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL勺AT89S52是一種高效微控器，AT89S52單片機(jī)為很多嵌入式 控制系統(tǒng)提供了一種靈活性

26、高且價(jià)廉的方案。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖為如圖所示:rSE¥ <ALE TEA SSTRAB地址 寄存器0 177E寄存黑普再黑2暫存器1XTAL1EF10I或ROMIB位地址寄存器=nD P T R中斷系撫 串軒口 定時(shí)黯f計(jì)時(shí)器11JF 1現(xiàn)存甜f3玦存制1T1TF1酗動席F?驗(yàn)動器2 B.：IT AL2nFFC1 主要特性：?與 MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容?8K字節(jié)可編程flash存儲器?壽命：1000寫/擦循環(huán)?全靜態(tài)工作：0Hz-33Hz?三級加密程序存儲器?256*8位內(nèi)部RAM?32可編程I/O線?三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?八個(gè)中斷源?全雙工UART串行通道?低功耗空閑和

27、掉電模式?看門狗定時(shí)器2 管腳說明:VCC供電電源。GND接地。P0 口： P0 口為一個(gè)8位漏級開路雙向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F

28、LASH 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)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存 儲器進(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，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(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FLASHS程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3 口： P3 口管

29、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AT89S52的一些特殊功能口，如表 2-1所示：表2-1 P3 口的部分功能口口管腳備選功能P3.0串行輸入口RXDP3.1串行輸出口TXDP3.2外部中斷0/INTOP3.3外部中斷1/INT1P3.4記時(shí)器0外部輸入TOP3.5記時(shí)器1外部輸入T1P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫/WR選通P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀/RD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。RST復(fù)位信號輸入端。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上持續(xù)時(shí)間大于兩 個(gè)機(jī)器周期的高電平是，就可以完成復(fù)位操作。下圖所示的復(fù)位電路兼有上 電復(fù)位和按鈕復(fù)位的雙重功能，并且在滿足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了 復(fù)位引腳的對地阻抗，增強(qiáng)了復(fù)位電路的