基于PIC單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計

1、編號 本科生畢業(yè)設(shè)計本科生畢業(yè)設(shè)計基于基于 PICPIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)位置單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計Stepping Motor position control system design based on the PIC Microcomputer學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名名石石 懂懂專專 業(yè)業(yè)電子信息工程電子信息工程學(xué)學(xué) 號號指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師白雪梅白雪梅學(xué)學(xué) 院院電子信息工程學(xué)院電子信息工程學(xué)院 20082008 年年 6 6 月月 摘摘 要要本文介紹了步進(jìn)電機(jī)工作原理以及各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，分析了單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法。系統(tǒng)采用了單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)串行控制方案，采用旋轉(zhuǎn)

2、編碼器對系統(tǒng)的精確度進(jìn)行衡量。以 PIC 單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的控制器，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動。硬件結(jié)構(gòu)由串行顯示電路、鍵盤接口電路、電機(jī)驅(qū)動電路等構(gòu)成。軟件采用模塊化設(shè)計，通過調(diào)用一系列子程序，如中斷，鍵盤掃描，串行顯示等實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)三相單四拍、雙四拍和單、雙八拍的運(yùn)行。給出了硬件原理圖、編程流程圖和軟件程序。關(guān)關(guān) 鍵鍵 字字：步進(jìn)電機(jī) PIC 單片機(jī) 硬件接口電路ABSTRACT.Key words: Stepping motor；PIC microcomputer；Hardware interface circuit目目 錄錄第一章第一章 概概 述述.11.1 課題背景.11.2 單片機(jī)應(yīng)用發(fā)

3、展簡介.11.3 主要研究工作.2第二章第二章 步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動.42.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理.42.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動.62.2.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式.62.2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動特點(diǎn).82.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源的確定.122.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成.12第三章第三章 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法.143.1 步進(jìn)電機(jī)控制方法.143.1.1 串行方式.143.1.2 并行方式.143.2 PIC 單片機(jī)介紹 .143.2.1 PIC 單片機(jī)介紹.143.2.2 PIC 系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu).153.3 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制.16第四章

4、第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計.204.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).204.2 模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路.204.3 LED 顯示接口電路 .214.4 鍵盤接口設(shè)計.224.5 石英多諧振蕩器電路設(shè)計.244.6 光電編碼器原理及分類.25第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計.285.1 軟件結(jié)構(gòu).285.2 子程序模塊.295.2.1 串行靜態(tài)顯示模塊.295.2.2 鍵盤掃描模塊.305.2.3 中斷模塊.31結(jié)結(jié) 論論.36參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).37致致 謝謝.38附錄附錄 1 1.39附錄附錄 2.43第一章第一章 概概 述述1.11.1 課題背景課題背景步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機(jī)

5、電執(zhí)行元件，每外加一個控制脈沖，電機(jī)就運(yùn)行一步故稱為步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個脈沖信號，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(步進(jìn)角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低，定位精度高，無累積誤差，控制簡單等特點(diǎn)。實(shí)際操作時不受電源電壓，負(fù)載，環(huán)境，溫度的影響能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行高精度控制，步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，以廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展

6、,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。隨著數(shù)字技術(shù)和計算機(jī)的發(fā)展，研究步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，使步進(jìn)電機(jī)的控制更加簡便，靈活和智能化，使其應(yīng)用更加廣泛。步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展方向主要有如下三點(diǎn):（1）進(jìn)一步完善和擴(kuò)展驅(qū)動和控制功能。如采用 SVPWM 技術(shù)，采用電子齒輪比技術(shù)，擴(kuò)展通訊網(wǎng)絡(luò)功能等。（2）高功率密度步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)。（3）閉環(huán)控制步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)。為了徹底克服步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)一些根本性的弱點(diǎn)，如振蕩的傾向及失步等，可改為閉環(huán)系統(tǒng)，但這種改變使步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)已起了質(zhì)的變化，不再是本來意義上的步進(jìn)電動機(jī)，而成為無刷直流電動機(jī)(BLDCM)，或交流伺服電機(jī)(AC SERVO） 。1.2

7、1.2 單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展簡介單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展簡介單片微型計算機(jī)（Single Chip Microcomputer)簡稱單片機(jī)，是在一塊芯片體上集成了中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲器 RAM 或 EPROM、定時器/計數(shù)器、中斷控制器以及串行和并行 I/O 接口等部件，構(gòu)成的一個完整的微型計算機(jī)。自 1971 年 Intel 公司制造出第一塊 4 位微處理器以來，發(fā)展十分迅猛，經(jīng)歷了 4 位機(jī)、低檔 8 位機(jī)、高檔 8 位機(jī)、16 位機(jī)及最新一代的單片機(jī)。最新一代單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上采用雙 CPU 或內(nèi)部流水線，CPU 有 8 位、16 位、32 位，時鐘頻率高達(dá) 20Hz，片內(nèi)有 PWM 輸出、監(jiān)視定時

8、器 WDT、可編程計數(shù)器陣列PCA、DMA 傳輸、調(diào)制解調(diào)器等。芯片向高集成化，低功耗方向發(fā)展，使得單片機(jī)在大量數(shù)據(jù)的及時處理、高級通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、復(fù)雜工業(yè)過程控制、高級機(jī)器人以及局域網(wǎng)等方面得到大量應(yīng)用。單片機(jī)具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，故在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。按照單片機(jī)特點(diǎn)，單片機(jī)可分為單機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用。單機(jī)應(yīng)用主要領(lǐng)域有：（1）測控系統(tǒng)：用單片機(jī)構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如溫室人工氣候控制、水閥自動控制、電鍍生產(chǎn)線自動控制、汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。（2）智能儀表：用單片機(jī)改造原有的測量、控

9、制儀表，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。如溫度、壓力、流量、濃度的測量、顯示及儀表控制。通過單片機(jī)軟件編程，是測量儀表中長期存在的誤差修正、線形化處理等難題迎刃而解。（3）機(jī)電一體化產(chǎn)品：如簡易數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械等。（4）智能接口：在大型工控系統(tǒng)中，普遍采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，這個因?yàn)閱纹瑱C(jī)與主機(jī)是并行工作的，可大大提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。如大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用單片機(jī)對 ADC 接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。如數(shù)字濾波、線形化、誤差修正等。多機(jī)應(yīng)用主要領(lǐng)域有：（1）功能集散系統(tǒng)：多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系

10、統(tǒng)。如一個加工中心的計算機(jī)系統(tǒng)除完成機(jī)床加工運(yùn)行控制外，還要控制對刀系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅(qū)動等機(jī)構(gòu)。（2）并行多控制系統(tǒng)：并行多控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的加速問題，以便構(gòu)成大型實(shí)時工程應(yīng)用系統(tǒng)。典型的有快速并行數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)、實(shí)時圖象處理系統(tǒng)等。（3）局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個新的水平。目前該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是分布式測控系統(tǒng)，單片機(jī)主要用于系統(tǒng)中的通信控制，以及構(gòu)成各種測控子級系。1.31.3 主要研究工作主要研究工作硬件設(shè)計方面：通過單片機(jī)實(shí)驗(yàn)加深對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源和電機(jī)工作情況了解，測定并研究其在單步運(yùn)行狀態(tài)，角位移和脈沖數(shù)關(guān)系，

11、平均轉(zhuǎn)速和脈沖頻率的關(guān)系。觀察轉(zhuǎn)子振蕩狀態(tài)，并且掌握步進(jìn)電機(jī)的基本特性和指標(biāo)。根據(jù)功能需要選擇電路元器件和型號，設(shè)計電路并能解決現(xiàn)實(shí)抗干擾問題。畫出電路原理圖。軟件設(shè)計方面：通過匯編語言編寫核心模塊對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。最終編寫出一個完整步進(jìn)電機(jī)控制程序，能夠調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。由于轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率實(shí)現(xiàn)的，因此設(shè)計脈沖分配采用完全軟件方式，既按照給定的通電換向順序，通過單片機(jī) I/O 口向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖，這樣就避免采用復(fù)雜脈沖分配芯片，來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。程序設(shè)計按照掌握計算機(jī)相序控制方法，采用適合三相單四拍、雙四拍和單、雙八拍的循環(huán)移位法，并且在現(xiàn)實(shí)操作中解決堵轉(zhuǎn)和

12、啟動失步等問題。第二章第二章 步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動2.12.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡稱 VR） 、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡稱 PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡稱 HB） 。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理如下：（1）控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖

13、分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式如下：單相四拍工作方式：正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?A-B-C-D-A反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?D-C-B-A-D四相八拍工作方式：正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D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)。（2）控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。（3）步進(jìn)電機(jī)指標(biāo)相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、S 磁場的激

14、磁線圈對數(shù)（用 m 表示） 。拍數(shù)：完成一個磁場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)過一個齒距角所需脈沖數(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。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 表示。=360 度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*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)行時步距角為 =360 度/（504）=1.8 度（俗稱整步） ，八拍運(yùn)行時步距角為 =360 度/（508）=0.9 度（俗稱半步） 。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

15、矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 。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)動時，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)動電壓及驅(qū)動電源等無關(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)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。（4）步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。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

16、 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 8090 度完全正常。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，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，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。步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有噪聲。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(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

17、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） 。步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時代發(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。（5）常用步進(jìn)電機(jī)的類型現(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。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 1.5 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，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)

18、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。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。（6）步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用中的注意點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000 轉(zhuǎn)， （0.9 度時6666PPS)，最好在 10003000PPS（0.9 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機(jī)工作效率高，噪音低。步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。只有標(biāo)稱為 12V 電壓的電機(jī)使用 12V 外，其他電機(jī)的電壓可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG 采用直流 24V36V，86BYG 采用直流50V,1

19、10BYG 采用高于直流 80V） ，當(dāng)然 12V 的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫度的變化。轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。高精度時，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用 5 相電機(jī)，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是不準(zhǔn)確的。電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。電機(jī)在 600PPS（0.9 度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。應(yīng)遵

20、循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。2.22.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動2.2.12.2.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動方式是全電壓驅(qū)動，即在電機(jī)移步與鎖步時都加載額定電壓。為防止電機(jī)過流及改善驅(qū)動特性需加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時，限流電阻要消耗掉大量的功率。因此，限流電阻要有較大功率容量，并且開關(guān)管也要有較高的負(fù)載能力。步進(jìn)電機(jī)的另一種驅(qū)動方式是高低壓驅(qū)動，即在電機(jī)移步時加額定或超過額定值的電壓，在較大電流驅(qū)動下，使電機(jī)快速移步。而在鎖步時則加低于額定值的電壓，只讓電機(jī)繞組渡過鎖步所需的電流值。這樣既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機(jī)運(yùn)行速度，但這種驅(qū)動方

21、式的電路相對要復(fù)雜一些。驅(qū)動脈沖的分配可以使用硬件方法，即使用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，芯片化，市場上可以買到。但硬件方法不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本也較高。步進(jìn)電機(jī)控制也可以使用軟件方法，即使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣不但簡化了電路，而且也降低了成本。使用單片機(jī)以軟件方法，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過編程方法在一定范圍內(nèi)自由地設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，往返轉(zhuǎn)動的角度以及轉(zhuǎn)動次數(shù)等，而且還方便靈活控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電動機(jī)自身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。信號放大級推動級環(huán)

22、形分配級驅(qū)動級保護(hù)級圖 2-1 驅(qū)動器構(gòu)成步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的主要構(gòu)成如圖 2-1 所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等部分組成，用于功率步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器還要有多種保護(hù)線路。環(huán)形分配器用來接受來自控制器的 CP 脈沖，并按步進(jìn)電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。每來一個 CP 脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于 CP 脈沖的有無或頻率。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者按反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。接受 CP 脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最基

23、本功能。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號放大的作用是將環(huán)形分配輸出信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動級，這中間一般既需電壓放大，也需電流放大。信號處理級是實(shí)現(xiàn)信號的某些轉(zhuǎn)換、合成、產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。本級還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動輸出。推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅(qū)動級輸入的較大信號。有時，推動級還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。保護(hù)級的作用是保護(hù)驅(qū)動級的安全。一般可根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。有時還需要對輸入信號進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常也提供保護(hù)動作

24、。驅(qū)動級直接與步進(jìn)電動機(jī)各相繞組連接，它接受來自推動級的信號，控制電動機(jī)各相繞組的導(dǎo)通與截止，同時也對繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制。2.2.22.2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動特點(diǎn)各種電子設(shè)備的最末級一般需要功率放大，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動也是這樣。為使步進(jìn)電動機(jī)滿足各種需要的輸出，驅(qū)動級必須對電動機(jī)繞組提供足夠的電壓和電流。但步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動與一般電子設(shè)備的驅(qū)動有不同的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：（1）各相繞組都是開關(guān)工作。多數(shù)電動機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進(jìn)電動機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。（2）電動機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時

25、電流上升率受到限制，因此影響電動機(jī)繞組電流的大小。（3）繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時的反電勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。（4）電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。（5）電動機(jī)繞組中有電感電勢、互感電勢、旋轉(zhuǎn)電勢。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。當(dāng)其疊加結(jié)果

26、使電動機(jī)繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，使驅(qū)動級工作條件更為惡化。步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動有單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、H 橋驅(qū)動、多相橋驅(qū)動、生頻升壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等。下面簡單介紹典型的單電壓驅(qū)動和 H 橋驅(qū)動。1.電壓驅(qū)動圖 2-2 單電壓驅(qū)動的單元線路所謂單電壓驅(qū)動，是指在電動機(jī)繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電。其線路如圖 2-2 所示。前面推動級輸出信號 In 作用于三極管的基極，其集電極接電動機(jī)的一端繞組，繞組另一端直接與電源電壓連接。這樣，三極管導(dǎo)通時，電源電壓全部作用在電動機(jī)繞組上。當(dāng)輸入信號是高電平時 In 提供足夠大的基極電流使三極管

27、 T 處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電動機(jī)繞組上。等值電路如圖 2.4(b)所示，其中，R 是繞組電阻，L 是繞組的平均電感，E 是電動機(jī)運(yùn)動而產(chǎn)生的反電勢。電動機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，繞組在一定的勵磁狀態(tài)下電流維持在穩(wěn)定值，稱為初態(tài)，這是一種靜止的鎖定狀態(tài)。對驅(qū)動器施加一個脈沖，使勵磁狀態(tài)改變一次，或稱換相一次，使電動機(jī)運(yùn)行一步，這個過程稱為單步響應(yīng)。當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速足夠低，即 CP 脈沖周期足夠長時，電動機(jī)運(yùn)行的每一步都可認(rèn)為是單步響應(yīng)的過程。由導(dǎo)通時的等值電路，可知其電壓平衡方程為： （2-1）11diUiEdt如果將電動機(jī)堵轉(zhuǎn)，則電動機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，其反電勢為零。此時繞組電

28、流的單步響應(yīng)可以解方程求出，即： （2-2）11tUieR式中， 為繞組回路的電氣時間常數(shù)，且： （2-3）LR步進(jìn)電動機(jī)有一個重要的問題是低頻振蕩。在頻率較低時，電動機(jī)處于步進(jìn)工作狀態(tài)，每一步都發(fā)生一定的過沖現(xiàn)象，在穩(wěn)定平衡點(diǎn)附近形成一個振蕩過程。在某些運(yùn)行頻率下就會發(fā)生共振，此時電動機(jī)根本沒有帶載能力，在空載時也不能正常運(yùn)行。共振現(xiàn)象，是由于電動機(jī)獲得的能量過剩而引起的。與電動機(jī)帶載的性質(zhì)、電壓高低、電動機(jī)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)都有一定的關(guān)系。目前，通常在電動機(jī)中加機(jī)械阻尼、在電路中加電氣阻尼、改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)等多種方法來克服共振現(xiàn)象。歸納起來，單電壓驅(qū)動器有如下特點(diǎn)：線路簡單，成本低；低頻時響應(yīng)

29、較好；有共振區(qū)；高頻時帶載能力迅速下降。單電壓驅(qū)動由于性能較差，在實(shí)際中應(yīng)用較少，只有在小機(jī)座號電動機(jī)且簡單應(yīng)用中才用到。2.H 橋驅(qū)動圖 2-3 H橋驅(qū)動原理圖永磁步進(jìn)電動機(jī)及二相、三相、五相混合式步進(jìn)電動機(jī)的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說，勵磁繞組有時需通正向電流，有時需通反向電流。這樣的繞組需要用 H 橋驅(qū)動。由四個晶體管 T1T4 組成 H 橋的四臂，高壓管 T1、T3 的集電極接高壓電源，低壓管 T2、T4 的發(fā)射極共地。當(dāng)輸入信號IR為高電平時，T2、T3 導(dǎo)通 T1、T4 截止，電流經(jīng) T2、電動機(jī)繞組、T3 到地，見圖 2-4（a） 。當(dāng) If為高電平時，T1、T4

30、導(dǎo)通，T2、T3 截止，電流經(jīng) T1、電動機(jī)繞組、T4 到地，見圖 2.4(b)?？梢婋娏髟诶@組中流動是兩個完全相反的方向。推動級的信號邏輯應(yīng)使兩對角線晶體管不能同時導(dǎo)通，以免造成高低壓管的直通。直通的結(jié)果會使很大的短路電流流過兩個晶體管，這是非常危險。(a)(b)圖 2-4 不同對角線晶體管導(dǎo)通時電流的方向2.2.32.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源的確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源的確定（1）電壓的確定混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483 的供電電壓為 1248V） ，電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快

31、，那么電壓取值也高，但電源電壓不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。（2）電流的確定供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流 I 來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取 I 的 1.11.3 倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取 I的 1.52.0 倍。2.32.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖 2-5所示。步進(jìn)控制器功率放大器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載脈沖方向控制圖 2-5 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成圖步進(jìn)控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門等。其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動和正

32、反向控制。功率放大器的作用是將步進(jìn)控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。在這種控制中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，限制了它的應(yīng)用。隨著微型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，采用計算機(jī)控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。如圖 2-6 為微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖 2-6 微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過程中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種：（1）轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，也就是低于換相速度而產(chǎn)生的。這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力

33、矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)，從而引起失步。（2）轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度，這時定子通電勵磁的時間較長，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需要的時間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量，從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動振蕩，當(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時就會導(dǎo)致失步。微型計算機(jī)接口驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載第三章第三章 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法3.13.1 步進(jìn)電機(jī)控制方法步進(jìn)電機(jī)控制方法3.1.13.1.1 串行方式串行方式將 PIC 單片機(jī)與串行接口芯片 8251 組成串行控制系統(tǒng)，與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源相連，通過將控制信號送入電源中的環(huán)形分配器，再經(jīng)功率放大器放大，就可控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，如圖

34、 3-1 所示。圖 3-1 串行控制方式示意PIC8251TXDRXD環(huán)形分配器功率放大器步進(jìn)電機(jī)3.1.23.1.2 并行方式并行方式用 PIC 單片機(jī)和 P1 的數(shù)據(jù)輸出信號直接控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動電路的方式，稱為并行控制。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源內(nèi)包括環(huán)形分配器，但其功能由單片機(jī)系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配有 2 種方法，一是純軟件方法，即完全用軟件來實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止信號，主要有寄存器移位法和緩沖區(qū)查表法；二是軟硬件相結(jié)合的方法，單片機(jī)向可編程接口芯片 8255 輸出控制信號數(shù)據(jù)，在由可編程接口芯片輸出步進(jìn)電機(jī)的各相導(dǎo)通或截止的控制信號。3.23.2 PIC 單片機(jī)介紹單

35、片機(jī)介紹3.2.13.2.1 PIC 單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹PIC 系列單片機(jī)是由美國 Microchip 公司生產(chǎn)的單片機(jī)產(chǎn)品，目前在世界 8位單片機(jī)沖銷量第一。PIC 系列單片機(jī)具有良好的抗干擾性能、簡潔的指令集，所需硬件配置較少，因此，在電腦的外設(shè)、家電控制、電信通信、智能儀器、汽車電子及金融電子等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PIC 單片機(jī)（Peripheral Interface Controller）是一種控制外圍設(shè)備的集成電路（IC） ，是把 CPU、ROM 和 I/O 等集成在一塊芯片上的特殊微型計算機(jī)。PIC 系列單片機(jī)是一種具有分散（多任務(wù)）功能的、面對控制應(yīng)用的一種微處理器。它

36、采用精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、二級流水線指令方式。除了具有一般單片機(jī)所具有的實(shí)用、低價、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具有品種多、指令集小、簡單易學(xué)、較強(qiáng)的抗干擾能力、徹底的保密性、自帶看門狗定時器等特點(diǎn)，體現(xiàn)了單片機(jī)發(fā)展的一種新趨勢。3.2.23.2.2 PIC 系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)PIC 系列單片機(jī)映入了原用于小型計算機(jī)的雙總線和兩級指令流水結(jié)構(gòu)。1 雙總線結(jié)構(gòu)在這里 PIC 系列單片機(jī)采用了一種雙總線結(jié)構(gòu)，即所謂哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有兩種總線，即程序總線和數(shù)據(jù)總線。這兩種總線可以采用不同的字長，如PIC 系列單片機(jī)是 8 位機(jī)，所以其數(shù)據(jù)總線當(dāng)然是 8 位。但低檔、

37、中檔和高檔的 PIC 系列機(jī)分別有 12 位、14 位和 16 位的指令總線。這樣，取指令是則經(jīng)指令總線，取數(shù)據(jù)是則經(jīng)數(shù)據(jù)總線，互不沖突。指令總線一般要增加位數(shù)，這是因?yàn)橹噶畹奈粩?shù)多，則每條指令包含的信息量就打，這種指令的功能就是強(qiáng)。一條 12 位、14 位或 16 位的指令可能會具有兩條 8 位指令的功能。因此，PIC 系列單片機(jī)的指令與 CISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)指令相比，前者的指令總數(shù)（即 RISC 指令集）要少得多。2 兩級指令流水線結(jié)構(gòu)由于 PIC 系列單片機(jī)采用了指令空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)，用了兩種位置不同的總線，因此，取指令和取數(shù)據(jù)有可能同時交疊進(jìn)行，所以在 PIC系列微控制器

38、取指令和執(zhí)行指令就采用指令流水線結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)谝粭l指令被取出后，隨即進(jìn)入執(zhí)行階段，這時可能會從某寄存器取數(shù)而送至另一寄存器，或從一端口向寄存器傳送數(shù)等，但數(shù)據(jù)不會流經(jīng)程序總線，而只是再數(shù)據(jù)總線中流動，因此，在這段時間內(nèi)，程序總線有空，可以同時取出第二條指令。當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行完畢，就可執(zhí)行第二條指令，同時取出第三條指令如此等等。這樣，除了第一條指令的取出，其余各條指令的執(zhí)行和下一條指令的取出是同時進(jìn)行的，使得在每個時鐘周期可以獲得最高效率。在大多數(shù)微控制器中，取指令和執(zhí)行指令都是順序進(jìn)行的，但在 PIC 單片機(jī)指令流水線結(jié)構(gòu)中，取指令和執(zhí)行指令在時間上是互相重疊的，所以用 PIC系列單片機(jī)才可實(shí)現(xiàn)單

39、周期指令。只有涉及到改變程序計數(shù)器 PC 值得程序分支指令（例如 GOTO、CALL 等）才需要兩個周期。此外，PIC 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還體現(xiàn)在寄存器組上，如寄存器 I/O 端口、定時器和程序寄存器等都采用了 RAM 結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個周期就可以完成訪問和操作。而其他單片機(jī)常需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。上述各項(xiàng)就是 PIC 系列單片機(jī)能做到指令總數(shù)少，且大都為單周期指令的重要原因。3.33.3 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖 3-2圖 3-

40、2 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)假定以 PIC 單片機(jī)的 PB 口線接步進(jìn)電機(jī)的繞組，輸出控制電流脈沖，其中 PB0接 A，PB1接 B，PB2接 C。（1）雙相三拍控制雙相三拍控制模型如表 3-1 所示表 3-1步序PB 口輸出狀態(tài)繞組控制字100000011AB03H200000110BC06H300000101CA05H假定有如下工作單元和工作位定義：R0為步進(jìn)數(shù)寄存器；PSW 中，F(xiàn)0為方向標(biāo)志位，F(xiàn)0=0 正轉(zhuǎn)，F(xiàn)00 反轉(zhuǎn)。 參考程序如下：MAIN:BSFSTATUS,RP0CLRFTRISCBCFSTATUS,RP0JUDGE:BTFSS PORTC,6;判正反轉(zhuǎn)GOTO ANTICLOC

41、KWISEGOTO CLOCKWISEANTICLOCKWISE:;按照逆時針步序進(jìn)行MOVLW03H;第一拍MOVWFPORTB;向端口 B 送入數(shù)值 03HCALLDELAY;延時MOVLW06H;第二拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW05H;第三拍MOVWFPORTBCALLDELAYGOTO JUDGECLOCKWISE:MOVLW03HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW05HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW06HMOVWFPORTBCALLDELAYGOTO JUDGEEND（2）三相六拍控制程序在雙相三拍程序中，PB 口輸出的控制字是在

42、程序中給定的。而在三相六拍的控制中，由于控制字較多，故可以把這些控制字以表的形式預(yù)先存放在內(nèi)部RAM 單元中，運(yùn)行程序時以查表的方式逐個取出并輸出。MAIN:BSFSTATUS,RP0CLRFTRISCBCFSTATUS,RP0JUDGE:BTFSS PORTC,6;判正反轉(zhuǎn)GOTO ANTICLOCKWISEGOTO CLOCKWISEANTICLOCKWISE:;按照逆時針步序進(jìn)行MOVLW01H;第一拍MOVWFPORTB;向端口 B 送入數(shù)值 03HCALLDELAYMOVLW03H;第二拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW02H;第三拍MOVWFPORTBCALLDEL

43、AYMOVLW06H;第四拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW04H;第五拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW05H;第六拍MOVWFPORTBCALLDELAYGOTO JUDGECLOCKWISE:MOVLW01HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW03HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW02HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW06HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW04HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW05HMOVWFPORTBCALLDELAYGOTO JUDGEEND延時子函數(shù)：DELA

44、Y: MOVLW 03H MOVWF DL_COUNTERDLP: MOVLW 6FH MOVWF DL_COUNTER1DLP1: DECFSZ DL_COUNTER1,1 GOTO DLP1 DECFSZ DL_COUNTER,1 GOTO DLP RETURN第四章第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計4.14.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)計算機(jī)的硬件和軟件是相互結(jié)合而工作的，有些任務(wù)必須由硬件來實(shí)現(xiàn)，另外有些任務(wù)必須由軟件來實(shí)現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)即可以由軟件來完成，也可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設(shè)計程序，且實(shí)時性好。反之，加重軟件任務(wù)，會增加編程調(diào)試工作量，但能降低

45、硬件成本。所以要合理的安排軟、硬件的結(jié)構(gòu)。圖 4-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件框圖如圖 4-1 示。本系統(tǒng)由鍵盤接口電路、數(shù)碼管顯示接口電路、多諧振蕩電路和發(fā)光二極管模擬的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路構(gòu)成。由于本微機(jī)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心部件，利用單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)從元件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)任務(wù)需要，選擇合理的單片機(jī)并配置必須的接口和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。4.24.2 模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路本系統(tǒng)是由單片機(jī) PC 口輸出的脈沖信號來控制步進(jìn)電機(jī)，用 4 個發(fā)光二極管 LED 亮滅的快慢來模擬電機(jī)速度，用 LED 亮滅的順序來模擬電機(jī)的相序和拍數(shù)。本系統(tǒng)選擇的發(fā)光二極管為紅色、圓形，開啟電壓在

46、 1.61.8V 之間，正向電流越大，發(fā)光越強(qiáng)。輸出通道的設(shè)計內(nèi)容是確定通道結(jié)構(gòu)和元件裝置，合理選擇驅(qū)動電路。本系統(tǒng)的輸出通道也就是控制步進(jìn)電機(jī)的通道，由于 PIC 單片機(jī)的 PC 口可以作為輸出使用，所以將其作為輸出通道的控制斷口，采用三相四拍的模擬步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制需要 PC 口中的三位。四相、五相需要 PC 口的四、五位。本來單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口需由專用的控制裝置實(shí)現(xiàn)，這里單片機(jī)與模擬步進(jìn)電機(jī)的發(fā)光二極管通過直接連接的方法實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配由單片機(jī)通過軟件控制構(gòu)成環(huán)形分配器。發(fā)光二極管模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖 4-2 所示。圖 4-2 模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路4.34.3 LED 顯示

47、接口電路顯示接口電路LED 顯示器的發(fā)光二極管有兩種連接方法，共陽極接法和共陰極法。本設(shè)計采用共陰極接法。七段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點(diǎn)位，共計八段，因此提供給 LED 顯示器的字行代碼正好是一個字節(jié)。LED 顯示器顯示十六進(jìn)制數(shù)字行代碼在表 4-1 中給出。表 4-1 十六進(jìn)制數(shù)字行代碼字型共陽極代碼共陰極代碼字型共陽極代碼共陰極代碼00XC00XCFD0XA10X5E1OXF90X06E0X860X792OXA4OX5BF0X8E0X713OXB00X4FG0X900X6040X990X66R0XAF0X5050X920X6DS0XE20X1D60X820X7DT0X870X7870XF

48、80X07P0X8C0X7380X80OX7FN0XAB0X5490X900X6FU0XE30X1CA0X880X77-0XF70X08B0X830X7C滅OXFF0X00COXC60X39LED 顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法；靜態(tài)顯示就是顯示每一字符，相應(yīng)發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。動態(tài)顯示就是一位一位輪流點(diǎn)亮各位顯示器。本系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示，這種方式每一顯示位都需要一個 8 位輸出口控制，這里選用 5 片 74LS164 做 8 位輸出口。74LS164 芯片是串行-并行移位寄存器，實(shí)際上是由 RS 觸發(fā)器組成的 8 位移位寄存器。除能存儲代碼外還能夠在移位脈沖作用下依次左移和右移。這種功能能

49、夠?qū)崿F(xiàn)代碼顯示的進(jìn)位和借位。74LS164 的引腳如圖 4-3 所示。A1B2QA3QB4QC5QD6CLK8CLR9QE10QF11QG12QH1374LS164圖 4-3 74LS164 引腳單片機(jī)與 LED 間串口串行通信，P3.0 為串行數(shù)據(jù)接受端 RXD，P3.1 為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端 TXD。單片機(jī)工作在模式 0：這種模式下，不管輸出還是輸入，數(shù)據(jù)總是從P3.0（RXD）管腳輸出或輸入，而 P3.1（TXD）管腳總用于輸出移位脈沖，每一個移位脈沖將使 RXD 端輸出或者輸入一個二進(jìn)制碼。在 TXD 端的移位脈沖即為模式 0 的波特率，其值固定為晶振頻率 f 的 1/12，即每個機(jī)器周期

50、移動一位數(shù)據(jù)。LED 顯示器的串行顯示如圖 4-4 所示。圖 4-4 串行顯示接口4.44.4 鍵盤接口設(shè)計鍵盤接口設(shè)計有關(guān)鍵盤操作的部分，可分為參數(shù)設(shè)定和執(zhí)行控制等功能操作。所謂參數(shù)設(shè)定是指本模擬系統(tǒng)在開始運(yùn)行前要求設(shè)置步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的相數(shù)、拍數(shù)、轉(zhuǎn)向、運(yùn)行步數(shù)等，所以要進(jìn)行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。所謂執(zhí)行控制是指步進(jìn)電機(jī)的啟動、停止以及復(fù)位。各功能鍵具體設(shè)計如下：S1 鍵：啟動。S2 鍵：停止。S3 鍵：正轉(zhuǎn)。S4 鍵：反轉(zhuǎn)。S5 鍵：加速。S6 鍵：減速。S7 鍵：相數(shù)。S8 鍵：由于外因?qū)е孪到y(tǒng)死機(jī)時可按此鍵，經(jīng)動態(tài)自檢過程后返回系統(tǒng)初態(tài)。非編碼式鍵盤識別按鍵的方法有兩種。一是行掃描法，

51、二是線反轉(zhuǎn)法。在本系統(tǒng)中選擇行掃描法，8 個功能鍵可看成一個 1 行 8 列的矩陣式鍵盤。因行線接地線，各行線均為低電平。行線鍵無鍵按下時，行線、列線斷開，行線所接端口得到的全是“0”信號，當(dāng)列線輸出是高電平時，有鍵按下列線變?yōu)榈碗娖?。此時讀到的鍵值就是按下的鍵。為防止雙鍵或者多鍵同時按下，往往從第0 行一直掃描到最后一行，若發(fā)現(xiàn) 1 個閉合鍵，則有效否則全部作廢。本系統(tǒng)從第 1 鍵掃描到第 7 鍵。掃描全部鍵盤時間很短，僅十幾微秒，而按鍵時間一次至少幾十毫秒，所以只要有鍵按下，都能被掃描到。鍵是機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動，所以要進(jìn)行

52、鍵的去抖動處理。用軟件延時可以躲過抖動，大約延時 10ms即可。本系統(tǒng)鍵盤接口電路由 CPU、鍵盤構(gòu)成。CPU 的 P1.0P1.6 端口發(fā)出脈沖對鍵盤進(jìn)行掃描，CPU 不斷對列線置高電平，有按鍵按下則列線低電平，另外復(fù)位鍵直接和單片機(jī)的 RESET 端口相連，作為外因?qū)е孪到y(tǒng)死機(jī)的重置。鍵盤接口的電路如圖 4-5 所示。圖 4-5 鍵盤接口電路4.54.5 石英多諧振蕩器電路設(shè)計石英多諧振蕩器電路設(shè)計多諧振蕩器是一種自激勵振蕩器，在接通電源之后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動的產(chǎn)生矩形脈沖。本系統(tǒng)對多諧振蕩器振蕩頻率有嚴(yán)格要求，因?yàn)檎袷幤髯鳛槟M步進(jìn)電機(jī)的脈沖源使用，它的頻率直接影響著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

53、的穩(wěn)定性。在這種情形下，采用在多諧振蕩器電路中接入石英晶體，組成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f0，而與外接電阻、電容無關(guān)。石英晶體的諧振頻率由石英晶體的結(jié)晶方向和外行尺寸所決定，具有極高的頻率穩(wěn)定性。它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到(0/0)，工作頻率可達(dá)到幾十兆赫。10 1010 11采用一工作頻率為 12MHz 的石英晶振與對稱式的多諧振蕩器中的耦合電容串聯(lián)起來組成了如圖 4-6 所示的石英晶體多諧振蕩器。圖 4-6 石英晶體多諧振蕩器接口4.64.6 光電編碼器原理及分類光電編碼器原理及分類光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板

54、上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸,電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時,光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn),經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號,其原理示意圖如圖4-7所示,通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外,為判斷旋轉(zhuǎn)方向,碼盤還可提供相位相差90的兩路脈沖信號。圖4-7 光電編碼器原理示意圖根據(jù)編碼器的刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對式以及混合式三種。1增量式編碼器增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相; A、B 兩組脈沖相位差90,從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向,而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖,用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單

55、,機(jī)械平均壽命可在幾萬小時以上,抗干擾能力強(qiáng),可靠性高,適用于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。2絕對式編碼器絕對式編碼器可直接輸出數(shù)字量。在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道,每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成,相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系,碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù),在碼盤的一側(cè)是光源,另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件;當(dāng)碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號,形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計數(shù)器,在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然,碼道越多,分辨率就越高,對于一個具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器,其碼盤必

56、須有N條碼道。絕對式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制(葛萊碼)方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。編碼的設(shè)計可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是: 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值沒有累積誤差電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的,也就是說精度取決于位數(shù),目前有10 位、14 位等多種。其缺點(diǎn)是引出線較多,信號線數(shù)量與二進(jìn)制的位數(shù)相同。3混合式絕對值編碼器混合式絕對值編碼器,它輸出兩組信息:一組信息用于檢測磁極位置,帶有絕對信息功能;另一組則與增量式編碼器的輸出信息完全相同。增量式編碼器實(shí)際上是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測裝置，它根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過的角度，輸出一系列脈沖，能將機(jī)械角度變成電

57、脈沖，其輸出信號如圖 4-2 所示。A、B 兩路信號是相位相差 90的正交方波脈沖串，每個脈沖代表被測對象旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A、B 之間的相位關(guān)系則反映了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向，即當(dāng) A 相超前 B 相，轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎D(zhuǎn)；當(dāng) B 相超前 A 相時，轉(zhuǎn)動方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)。Z 信號是一個代表零位的脈沖信號，可用于調(diào)零、對位。 (a)編碼器正轉(zhuǎn)輸出 (b)編碼器反轉(zhuǎn)輸出圖 4-2 編碼器輸出信號編碼器測量位移的工作原理如下：編碼器位移測量系統(tǒng)硬件主要有光柵辨向電路、PIC單片機(jī)、WH8280鍵盤和數(shù)碼管電路組成。編碼器測量位移系統(tǒng)原理圖如圖4-3.編碼器輸出兩路相角相差90度的位移采集信號，經(jīng)辨向電路得到一方波

58、信號和一光脈沖信號，由于辨向電路輸出的信號是TTL電平，可將方波信號和光脈沖信號分別接入PIC的T0和T1進(jìn)行計數(shù)。WH8280采用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并與CLK端同步。當(dāng)片選信號CS變?yōu)榈碗娖胶?，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入WH8280的緩沖寄存器，即單片機(jī)得到采集數(shù)據(jù)通過WH8280送數(shù)碼管顯示。圖4-3 編碼器測量位移系統(tǒng)原理圖第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計5.15.1 軟件結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序、中斷服務(wù)程序和其它子程序組成。在設(shè)計中采用模塊化程序設(shè)計技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能，將軟件分成若干個功能相對獨(dú)立的模塊，包括系統(tǒng)

59、初始化程序模塊、處理程序模塊、人機(jī)接口程序模塊等。系統(tǒng)主程序必須具有系統(tǒng)自檢和初始化功能。主程序主要完成初始化、產(chǎn)生脈沖、鍵盤檢測、數(shù)值顯示等功能。開機(jī)后首先執(zhí)行初始化程序，系統(tǒng)初始化程序模塊的功能主要是完成對單片機(jī)系統(tǒng)資源的初始分配。主要包括各變量的初始化，時鐘振蕩器的設(shè)置、定時器/計數(shù)器初始化、I/O 端口的初始化以及標(biāo)志位的初始化。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計。采用了串行顯示程序模塊、鍵盤掃描程序模塊、中斷程序模塊、計數(shù)模塊。子程序的調(diào)用通過 ACALL 和 LACLL 指令調(diào)用。子程序調(diào)用既參數(shù)傳遞中，主程序先把有關(guān)參數(shù)存入約定位置，子程序執(zhí)行時，可以從約定位置取得參數(shù)，子程序執(zhí)行完

60、后，將得到的結(jié)構(gòu)存入約定的位置，返回主程序后，主程序可以從約定得到需要的結(jié)果。主程序編程流程圖如圖 5-1 所示。圖 5-1 主程序流程圖開始初始化輸出脈沖LED 顯示判斷按鍵讀取鍵值設(shè)定是否合理改變參數(shù)NNYY5.25.2 子程序模塊子程序模塊5.2.15.2.1 串行靜態(tài)顯示模塊串行靜態(tài)顯示模塊串行靜態(tài)顯示模塊硬件采用 5 個 8 位輸出口控制 74LS164 移位寄存器來控制發(fā)光二極管的恒定導(dǎo)通和截止。寄存器保存 CPU 掃描到的高電平，顯示器顯示出高電平的位，其余為暗，這樣就會顯示出各種字符。串行靜態(tài)顯示模塊的子程序流程圖如下圖 5-2，程序見附錄。入入口口系系統(tǒng)統(tǒng)初初始始化化減減法法