二维步进单片机控制工作台控制系统设计

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1、毕业设计(论文)摘要如今，由于工作台操作简单，精度高，能够满足一般生产需求。正因为如此，所以它广泛应。本文主要研究的是两维步进单片机控制工作台的控制部分。主要的任务就是用单片机实现两个步进电机的正反转和速度的控制。本控制系统可以由键盘输入运行的步数，由LED管显示，信号经单片机转换，采用软件对信号进行环形分配，利用光电隔离器进行光电隔离，经功率放大器进行信号的放大，用放大的信号来驱动步进电机的运行。由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。工作台的两头都有行程开关，如果超出了极限位置，行程开关闭合，步进电机停止转动，并且蜂

2、鸣器报警。关键词：工作台；步进电机；单片机AbstractNowadays, The workbench is easy to operate, the precision is high, and it can meet the generally production demand . Just because of this, so it is widely used.Main research of this paper is that the part of control of the two-dimension stepping single-chip microcomputer

3、 control workbench. The main task is to realize two stepping motors rotating positive and negatively and control of pace with single-chip microcomputer. The running steps are input by keyboard in this control system, displayed by the LED tube. The signal is transformed by single-chip microcomputer .

4、 The signal Loop allotter is achieved by software. The photoelectricity seclusion is achieved by Electro-optical disconnector. The signal is enlarged by powerAmplifier. Then the signal can run the stepping motor. The systems run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given

5、steps if the “start” key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop” key is pressed. There are limit switches on the two heads of the workbench, if the workbench go beyond the terminal position, the limit switch is off, the stepping motor will be stop at once, and the buzzer scream

6、.Keywords workbench stepping motor single-chip microcomputer III目录1 绪论11.1课题研究的背景11.2工作台的发展现状与方向11.3本课题研究的范围和意义31.4步进电机的发展现状31.5单片机的发展现状42 控制系统的总体设计62.1系统总体方案62.2机械系统62.3 控制系统设计62.3.1接口设计62.3.2控制方案的选择72.3.3伺服系统设计73 控制系统的设计方案83.1 硬件系统设计83.1.1系统的硬件结构83.1.2步进电机83.1.3微处理器的选择153.1.4键盘操作的接口电路设计173.1.5显示部分

7、操作的接口和电路设计213.1.6 报警电路的设计243.1.7 单片机与PC机的通信253.1.8系统的抗干扰设计263.2 软件系统设计283.2.1 软件结构设计283.2.2系统的程序流程29结论40致谢41参考文献42附录43I1 绪论1.1课题研究的背景当今社会，随着科技的发展，工作台的应用越来越广泛。现在的工作台广泛用于焊接，点胶，打孔，包装，取料等各类精密位置控制设备的应用等。人们对工作台的研究从来没有停止过。为了满足不同的要求，出现了各式各样的工作台。例如，用于普通画线用的二维工作台，具有防静电功能的防静电工作台，还有回转工作台可用于分度，用于高精度的加工的纳米微动工作台等。

8、随着人类的进步，越来越多并且越来越好的工作台将会被制造出来，来满足生产发展的需求。1.2工作台的发展现状与方向（1）纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势纳米级微动工作台为从事纳米科学技术研究提供一维、二维或三维的纳米级微运动，是纳米科学技术研究应必备的关键仪器设备。现代纳米科学技术的快速发展对微动工作台提出了迫切的更高要求，即在提供大范围运动的前提下，还应具有纳米级的运动精度。在为纳米科学技术研究提供小范围纳米级精度的微运动时，最常见的是以压电陶瓷PZT作为驱动部件的柔性铰链机构微动工作台，要为纳米科学技术研究提供大范围纳米级精度的微运动时，柔性铰链机构、压电堆、丝杆滑动机构和气浮微动工作台等

9、却都不能满足要求，它们不能同时实现纳米级运动精度和大运动范围。磁悬浮微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触的磁悬浮驱动技术，因此，易于实现大范围纳米级微运动，并且消除了摩擦、磨损对运动精度造成的影响。 纳米级微动工作台的研究现状：I. 柔性铰链式微动工作台柔性铰链微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。它的特点是结构紧凑、体积很小，可以做到无机械摩擦、无间隙，具有较高的位移分辨率，可达1 nm。使用压电或电致伸缩器件驱动，可以实现亚微米甚至是纳米级的精度，同时不产生噪音和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子工业部门、精密测量和生物工程领

10、域获得重要的应用。由于它的出现,开创了精度进入纳米的新时代。II.滚动导轨式微动工作台滚动导轨也是微动工作台中一种常见的导轨形式，它具有行程大,运动灵活、结构简单、工艺性好、容易实现较高的定位精度的优点，采用滚珠导轨作为微动工作台的支承和导向元件，直流伺服电机传动、实现了对自动分步重复光刻机的微定位控制。III. 磁悬浮式微动工作台磁悬浮式微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触式的磁悬浮驱动技术，因此没有摩擦力和机械部件的磨损，易于实现高精度、大范围的要求。 纳米级微动工作台发展趋势及需要解决的问题大范围、高精度是纳米科技对微动工作台提出的新要求，然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。

11、因此微动工作台的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。I.多种微运动相结合技术:结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要办法，比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上，妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性，解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差，采用粗动和微动相结合的方法，粗动台用以完成快速大范围，微动工作台实现高精度，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以此实现大范围、高精度的要求。II.新型纳米级微动工作台的研究：运动方向间的交叉耦合严重影响纳米微动工作台的定位精度，因此需进一步研究运动导向结构，从运动原理上有效地

12、消除运动方向间的交叉耦合产生的定位误差，提高纳米级微动工作台的定位精度。III.改进控制策略，如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引起的不稳定问题,采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因数对系统精度的影响，提高系统的鲁棒性。采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性。IV.磁悬浮微动工作台性能的进一步提高：在现有磁悬浮微动工作台基础上，充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的影响，解决运动控制和定位技术，从而实现纳米级精度的大范围运动。随着微米、纳米科学技术的不断发展，纳米级微动工作台的研究正日益受到国内外的重视。但因

13、受到机械加工精度、控制精度和机构复杂性等技术水平的制约，其精度和运动范围还受到一定影响，随着对微动工作台的深入研究,结构合理、高精度和高分辨率的微动工作台必将不断问世。（2）旋转升降式工作台的发展趋势多种多样的升降工作台有着广泛的应用领域。许多工业企业除了在生产线上或生产线外使用升降工作台以外，往往还利用升降工作台来运送较大的工件。例如在物资入库的时候，人们可以利用升降工作台首先将成批的钢材运送到指定的货架处，然后再存放到货架的不同规格格层中或者在室外，将工作台升降到合适的工作高度或者将单臂吊之类的起重设备运送到室外让它在室外工作等等。在2002年的汉诺威博览会上，Bolzoni Auramo

14、有限责任公司推出他们开发生产的移动式升降工作台。该公司的设计师们设计的升降工作台带有运动装置使升降的物体重通过运动设备的轮子传递到地面， 从而可以使升降工作台在任何器要它的地点发挥作用。这种移动式的结构设计也可“移植” 到超薄型升降工作台的设计中。尤其是在汽车制造业中使用更为频繁。这种升降工作台不需要液压驱动系统， 几乎不需要维护保养。早在20年前, Flexlift公司就研制开发出了机械式升降工作台。但是在今天机电一体化驱动技术取得了重大进步之后, 才使机械式升降工作台也有了较大的发展。1.3本课题研究的范围和意义本课题研究的是X-Y工作台的控制部分，主要的任务就是通过单片机实现对两个步进电

15、机的控制。包括速度，转向等的控制。采用并行控制方式。通过键盘可以输入控制的运行步数，电机的正反转，运行出错时候可以急停键停止，还有其他的一些操作等都可以通过键盘实现。本系统的显示功能是利用8位的数码管实现运行步数的显示，在工作台运行超过极限位置时候，安装在工作台两端的行程开关会被按下，产生电流信号，通过光电转换装置，向单片机发出信号，经单片机发出信号，蜂鸣器报警，报警的同时，电机停止转动。通过本课题的学习与研究，使我了解工作台的工作原理，知道了单片机的发展与简单的应用，对步进电机的结构，工作原理有了更进一步的理解。使我认识了很多的电子元件，懂得了许多的控制方面的知识。1.4步进电机的发展现状步

16、进电机最早是在20年代由英国人所开发。20年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。（1）步进电机的分类 步进电机依其构造上的差异可分为三大类： 可变磁阻式（VR型）：转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通

17、常为15。 永久磁铁式（PM型）：转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有45、90及7.5、11.25、15、18等几种。 混和式（HB型）：转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，兼有可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。（2）步进电机的历史步进电机在我国已有几十余年的生产史，近几年，大规模集成电路及计算机技术的发展，进一步推动了步进电机的技术进步和广泛应用，据统计，全世界步进电机的年产量已达一亿多台，市场销售量占世界微电机销售总量的%左右。步进电机的发展依赖计算机外设和办公自动化机械的发展。我国计

18、算机工业虽然起步晚，但经过三十年的努力，已经初具规模。我国早在六十年代中期开始致力于步进电机的研究和开发，直到20 世纪80 年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是8 0 年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0 . 9/1.8）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75/1.5）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的 。（3）步进电

19、机的发展趋势： 小型化、高精度计算机外部设备趋向小型，也就要求永磁式和混合式步进电机向小机座号发展，目前直径为39、42的步进电机使用就较多。 电机与线路一体化机电一体化的步进电机更受到用户的欢迎，虽然控制线路的成本比较高，但与电机组成一体化产品后更便于整机使用。 多功能新一代的磁盘与光盘需要具有两个自由度的圆柱式步进电机，直接完成横向运动和旋转运动两个功能，这种产品在日本电话电信公司已有产品。另外，美国已推出带电传感器的步进电机，能自检位置和转速。 直线小步距、高分辨率据日本和欧美国家报道，此类步进电机已制成步距为0.1微米，在40英寸/秒的线速度下产生50磅推力，分辨率达12500步/英寸

20、，定位精度为0.001英寸。 新结构、新材料、新技术步进电机总的发展趋向是增大出力、提高精度、改善动态特性，为此已出现一种盘式、轴向气隙的新结构步进电机。同时，还在研究采用如高磁能积的铁氧体、稀土、压电等新材料。1.5单片机的发展现状随着目前微电子技术的发展，技术工艺的不断提高，单片机技术也有了长足的进步。单片机在最近几年中得到了极大的发展，目前世界范围内单片机发展的主要领域有4个：一是欧美，最新开发产品及主要厂商有：National semicundutor 的cop8系列单片机，美国的Scenix 的八位单片机，荷兰PHILLIPS的51系列单片机，美国AMD公司186系列16位嵌入式微机

21、控制器，MOTOROLA的各个系列单片机；二是日本，TOSHIBA公司开发了从4位到64位多系列单片机，日立公司也有从4位到32位多系列单片机，NEC公司的75X、78X系列微机；三是台湾地区， 主要有WINBOND的W741/W516,W78/W77等系列产品微控制器；四是韩国，主要有HYUNDAI microelectrionics的GMS800、GMS30系列微控制器。另外还有LG公司也生产单片机，可见单片机发展到今天可以说种类繁多、性能各异。但目前我国的许多单片机应用单位仍停留在采用片内无ROM等低档单片机状态。当国内从80 年代起开始了单片机的热潮,二十多年过去了，单片机从研究所走出

22、来,成为日常生活中的一个不可缺少的部件。硬件方面日趋多样化，4 位、8 位、16 位、32 位等型号共同并存,在不同的领域存在,如家电、玩具、工业设备、仪器、通讯等。软件方面发展主要为汇编语言、C 语言、嵌入式操作系统。速度、稳定性特别要求的场合较多采用汇编语言和C 语言。单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着C M O S 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。2 控制系统的总体设计2.1系统总体方案 图2-1 总体设计图2.2机

23、械系统传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮减速。导向机构采用滚动直线导轨。执行机构采用步进电机。2.3 控制系统设计本系统选用的微型机是8051单片机，采用开环的控制方式，采用三相六拍步进电机。 图2-2 开环控制流程图2.3.1接口设计（1）人机接口采用键盘作为输入。采用矩阵式键盘，用20个键来控制步进电机。采用蜂鸣器作为警报装置。采用数码管作为显示器。采用八段数码管作为步数的显示。（2）机电接口采用光电偶合器作为微型机与步进电机驱动电路的接口，实现电气隔离，以保护单片机。2.3.2控制方案的选择控制的方案不外乎有三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。上图为最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构

24、中引出反馈给控制部分，在经过比较放大的则为“半闭环控制”。如若是在机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。开环控制：特点是简单，控制精度低。控制的精度完全取决于所用元件的精度和校准的精度，且抗干扰的能力差。但由于其结构简单、成本低。在精度要求不高的情况下，有一定的使用价值。闭环控制：特点是控制精度高，抗干扰能力强。缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。半闭环：特点是控制的精度介于闭环和开环之间。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有正比的关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精度要求不是很高时，负载不是很大

25、的情况下采用步进电机是合理的。下图为开环控制的框图 图2-3 开环控制框图2.3.3伺服系统设计由于本系统的精度要求不高，载荷不大，再考虑了其经济要求等因素后，决定采用开环控制。3 控制系统的设计方案3.1 硬件系统设计3.1.1系统的硬件结构计算机的硬件和软件是相互结合而工作的，有些任务必须由硬件来实现，另外有些任务必须由软件来实现。但是也有一些任务可以由软件来完成，也可由硬件来完成。一般来说，增加硬件会提高成本，但能简化设计程序，且实时性好。反之，加重软件任务，会增加编程调试工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排软、硬件的结构。本系统步进电机速度的控制是由改变发出脉冲的时间间隔来实现的

26、，用定时器来控制发出脉冲的时间间隔，这样更能发挥硬件实时性的优势，同时能够减轻软件的任务。由于本工作台控制系统采用单片机作为核心部件，利用单片机构成系统应从元件级进行系统设计，根据任务需要，选择合理的单片机并配置必须的存储器、接口和外围设备来构成系统。在进行系统的扩展和配置设计时考虑了以下原则（1）尽可能的选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。（2）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统功能的要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响。考虑的原则是，软件能实现的功能尽可

27、能的由软件来实现，以简化硬件电路。但是由软件实现的硬件功能，其响应的时间要比直接用硬件实现的时间长，而且占用CPU时间。（4）整个系统中的相关的器件要尽可能的做到性能匹配。（5）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。根据以上设计原则及结构框图，逐一设计出每个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。3.1.2步进电机图3-1为三相反应式步进电机的工作原理图，其定子上有六个极，每个极上装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子上有四个均匀分布的齿，其上没有绕组，当A相控制绕组通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，即转子齿1、3和定子齿A、A对齐

28、，如图3-1（a）所示。若切断A相，同时接通B相，在磁场力作用下转子转过30，转子齿2、4和定子齿B、B对齐，如图3-1（b）所示，转子转过一个步距角。如再使B相断电，同时C相控制绕组通电，转子又转过30，使转子齿1、3和定子齿C、C对齐，如图3-1（c）所示。如此循环往复，并按ABCA顺序通电，步进电机按一定方向转动。电机的转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率。 （a） （b） （c）图3-1三相反应式步进电机单三拍工作时工作原理图实际的步进电机的转子铁心和定子磁极上均有小齿，齿距相等。定子和转子的齿数要有一定比例的配合，即要求在某一相的一对极下，定子和转子的齿一一对齐，而此时在其它两相的

29、磁极下，定子和转子的齿要分别错开一定的角度。这样，如果步进电机的三相绕组按一定的方式通电，那么它就以一定的步矩角进行走步。步进电机的步距角的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定，它们之间存在以下关系： = 式（3.1）式中，为步距角；C为通电状态系数，当采用单相或双相通电方式时，C=1；而采用单、双相轮流通电方式时，C=2；m为步进电机的相数；Zr为步进电机转子齿数。控制绕组通电状态的改变，是由外加输入脉冲驱动电路来实现的。每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态即改变一次，与此对应步进电机将转动一个步距角。因此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数，则步进电机的转速为： n =

30、式（3.2）式中f为步进电机通电的脉冲频率，单位为Hz；n为步进电机的转速，单位为r/min。步进电机的转速用步矩角表示为： n = = = 式（3.3）由式（3.1）和（3.2）可知，电机的相数和转子的齿数越多，则步距角就越小，电机在脉冲频率一定时的转速也越低。当电机的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入的脉冲频率成正比。因此，改变输入的脉冲频率就可以改变转速，改变通电状态顺序就可以实现正反转。由于这些特性，步进电机控制系统中，能够按照控制命令实现启动、停止、升速、降速、正反转等操作。3.1.2.1步进电机控制系统的构成旧式的步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图3

31、-2所示。步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正反向控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本高，限制了它的应用。图3-2步进电机控制系统的组成随着微型计算机的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。图3-3为微机控制步进电机的系统结构图。图3-3微机控制步进电机的系统结构图3.1.2.2 步进电机的串行

32、和并行控制使用微机对步进电机进行控制，有串行和并行两种方式。（1）串行控制具有串行控制功能的单片机与步进电机驱动电源之间有较少的连线。将信号送入步进电机驱动电源的为环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图见图3-4所示。图3-4串行控制示意图（2）并行控制用微型计算机系统的数条端口线直接去控制步进电机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电机的驱动电源内，不包括环形分配器，其功能由微型计算机系统实现。并行控制方案示意图见图3-5。图3-5并行控制示意图3.1.2.3步进电机的失步在步进电机的运行过程中，将可能出现失步，其失步原因有两种：（1）转子的加速度慢于步

33、进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转，从而引起失步。（2）转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。以步进电机三相单三拍通电方式为例分析步进电机的失步。在图3-1中，由B相断电，接通C相时，转子齿2、4与B相磁极对齐而转到转子齿1、3与C相磁极对齐（图c），若是由于某一原因造成转子的阻转矩大于电磁转矩的作用，则转子齿1、3没有转到与C相磁极对齐的位置

34、，而停留在原处未动的位置（图b），那么当C绕组断电再接通A相时，受A相磁极影响最大的转子齿1、3仍返回到与A相磁极对齐（图a）。由此可见，当步进电机发生失步时，往往丢掉一个通电循环的步数或其整数倍。也就是说步进电机运行时失步的规律是，所失的步数是通断电循环拍数的整数倍。同理在停止过程中，如果负载超过步进电机的极限制动能力，步进电机将产生滑步或过冲。丢掉的步数也是循环拍数的整数倍。所以要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，又不能超过这个转矩。3.1.2.4步进电机的的脉冲分配步进电机的步进要求按一

35、定的顺序及频率接通和断开步进电机的控制绕组，这样步进电机才能按要求启动、运转和停止。所以这就需要脉冲分配。以提供步进电机所需要的脉冲信号。要使步进电机按要求步进，就要确定的给出脉冲分配，加到功率放大器输入端。实现脉冲环行分配的方法有三种。一种是采用计算机软件，利用查表或计算的方法来进行脉冲的环行分配。把相应的状态代码列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取数据表可控制电机进行正反转，通过控制读取一次的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软件分配法占用

36、计算机的运行时间，易影响步进电机的运行速度。另一种是采用小规模集成电路搭接而成的环行分配器。这种方式灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环行分配器，同时在工作时不占计算机的工作时间。第三种即采用专用的环行分配器件。如市售的CH250即为一种三相步进电机专用环行分配器。它可以实现三相步进电机的各种环行分配，使用方便、接口简单。本系统采用软件分配法来进行脉冲的分配。三相六拍工作方式的脉冲分配的时序图如图3-6所示。在此方式下，绕组的通电顺序是，正转时，按AABBBCCCAA；反转时，按AACCCBBBAA进行。图3-6 三相六拍脉冲时序图三相六拍控制方式的通电状态参看表3-1，可知正转时I/O口应

37、循环输出控制字0x010x030x020x060x040x05，反转时I/O口应循环输出控制字0x050x040x060x020x030x01。在输出最后一个控制字0x05（正转）或0x01（反转）后，要修改控制字地址指针，即地址指针重新赋值。表3-1步进电机三相六拍环行脉冲分配状态表节拍序号通电相C相B相A相控制字方向正转反向0A0010x011AB0110x032B0100x023BC1100x064C1000x065CA1010x050A0010x01在输出每一个控制字之前，判断地址指针中的内容是否为0x00。如果是0x00，则地址指针重新指向第一个控制字；否则，直接将地址指针中的内容输

38、出到I/O口中，然后地址指针加1。如此循环，便实现步进电机的连续运转。3.1.2.5步进电机的驱动电源从计算机输出口或从环行分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。步进电机的工作特性在很大程度上取决于驱动电源的特性，对其每一相绕组来说，驱动电源相当于一个电流无触点开关，理想的驱动电源应使通过绕组的电流尽量接近矩形波。由于电机绕组有很大的电感，要做到这一点是困难的。传统的双极型功率晶体管驱动电路有两种型式，一种是应用于小功率步进电机的单电源驱动线路，另一种是应用于功率步进电机的高、低压双电

39、源驱动线路。这两种电路的共同问题是损耗大，效率低，而且大功率管易发生击穿故障。本控制系统采用步进电机驱动IC，内含四组NPN达灵顿晶体管，使步进电机有足够大的驱动电流，各个B极有3mA的输入电流，才可使C-E导通。每个输入可承受的最大电流为4A，非常适合来驱动步进电机！因为B极需要3mA的输入电流方可导通，所以要用缓冲器来推动，其可用的组件有4050、74244。3.1.2.6步进电机及其驱动电路的设计（1）步进电机的技术参数 具体的产品的型号为：75BF003 技术数据见表3-2表3-2 75BF003步进电机技术数据 相数步距角/()电压（V）相电流/A最大静转矩/N.m空载启动频率31.

40、53040.8821250电感/mH电阻/N分配方式外形尺寸（轴径）（mm)重量/Kg转子转动惯量35.50.823相六拍7576（8）1.581.563（2）步进电机驱动电路的设计输出通道的设计内容是确定通道结构和元件装置，合理选择驱动电路。本系统的输出通道也就是控制步进电机的通道，由于8051的P1口可以作为输出使用，所以将其作为输出通道的控制端口，采用三相六拍的步进电机进行并行控制需要P1口中的六位。另外，单片机与步进电机的接口由专用的控制装置来实现。步进电机的脉冲分配由单片机通过软件控制构成环行分配器。 除了上面的，一个完整的步进电机的控制还需要光电隔离器。光电隔离器的作用的把步进电机

41、与单片机隔离开来，即把强电部分与弱电部分隔开，以保护单片机在步进电机漏电的时候单片机不会被损坏。光电隔离器是隔离器的一种, 它是把发光器件与光敏接受器件集成在一起, 或用一根光导纤维把两部分连接起来的器件。通常发光器件为发光二极管(LED) , 光接受器件为光敏晶体管等。加在发光器件上的电信号为耦合器的输入信号, 接受器件输出的信号为隔离器的输出信号。当有输入信号加在光电隔离器的输入端时, 发光器件发光, 光敏管受光照射产生光电流, 使输出端产生相应的电信号, 于是实现了光电的传输和转换。其主要特点是以光为媒介实现电信号的传输, 而且器件的输入和输出之间在电气上完全是绝缘的。从结构上看, 光电

42、隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成, 其表示符号如图3-7所示。它们在结构排列上使LED 辐射能量有效地耦合到光敏晶体管上, 一般有金属封装和塑料封装两种形式。金属封装采用金属外壳并用玻璃绝缘, 芯片采用环焊以保证发光管与接受管对准。塑料封装采用双列直插式结构, 管芯先装于管脚上,中间用透明树脂固定, 具有聚光作用, 故灵敏度较高, 是目前应用较多的一种。图 3-7 光电隔离器原理图本控制系统选用TLP521-4型光电耦合器。引脚如图3-8图 3-8 TLP521-4型光电耦合器引脚每一个TLP521-4型光电耦合器有四个光电隔离器，所以本系统需要两个这样的光电耦合器，实现

43、单片机与步进电机的隔离。3.1.3微处理器的选择微处理器的主要性能指标是位数、主频、寻址能力、指令系统、内部寄存器情况等。位数是重要的指标，除了影响运算精度外，还关系到指令系统的功能、寻址能力以及操作速度等。主频影响操作速度。寻址能力决定可能的最大存储容量。指令系统性能影响数据处理、输入输出等操作功能以及编程的方便性。内部寄存器的数量和功能也和操作方便性有关。此外，单片机都带有一定数量的内部RAM，还有内部ROM或其它器件。考虑到需要满足的要求及经济因素，本系统选择MCS-51单片机。(1) MCS-51单片机简介MCS-51单片机是一种单片机系列的名称，由Intel公司研发，是目前国内广泛应

44、用的单片机，属于这一系列的单片机型号有许多种，包括8051、8751、8031、80C51、87C51、80C31等，它们的基本组成和基本性能都是相同的，但是性能上略有差别。MCS-51单片机是在一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时器/计数器和多种功能的I/O端口等一台计算机所需要的基本功能部件。单片机内部包含了下列的几个部件：一个8位CPU；一个片内震荡器及时钟电路；4K字节程序存储器；128字节数据存储器；两个16位可编程定时器/计数器；一个可编程全双工串行口；四个8位可编程并行I/O口；64K字节外部数据存储器和64K字节程序存储器扩展控制电路；五个中断源，两个优先级嵌套中断机构

45、。以上部分通过总线连接。MCS-51系列单片机的引脚：MCS-51系列单片机中各种型号的引脚是相互兼容的，而绝大多数都采用40引脚的双列直插封装方式。如图3-9所示图3-9 8051引脚图（2）8051的引脚功能：主电源引脚VCC和VSS VCC（40脚）接+5V电压； VSS（20脚）接地。外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器

46、的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对CMOS，此引脚应悬浮。控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。 VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（50.5V）内，VP

47、D就向内部RAM提供备用电源。 ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。 对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。 PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每

48、个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。 EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（3

49、9脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，

50、这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。73.1.4键盘操作的接口电路设计3.1.4.1键盘操作实现的功能分析参数设定 本系统在开始运行之前要求输入步进电机匀速的运行速度和运行的总步数，所以要进行按键输入数值以传入参数。系统启动、停止等操作 为了实现系统的启动、停止和正、反转，要设置相应的按键和开关进行功能键的处理。根据上面对键盘要求的分析，考虑到本系统还要求有显示功能，所以选用8255并行接口芯片作为键盘与显示接口。3.1.4.2 8255芯片简介MCS-51单片机是Intel公司的产品，Intel公司的配套I/O接口芯片与MCS-51单

51、片机的接口最为简单、可靠。8255是用Intel MCS-80/85系列的通用可编程并行输入/输出接口芯片。它也可以和MCS-51单片机系统相连，以扩展MCS-51系统的I/O端口，8255与MCS-51单片机相连时是作为外部RAM单元来处理的。它具有三个8位并行输入/输出口，具有三种工作方式，可通过程序来改变其工作方式，因而其使用起来灵活方便，通用性强，可以作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255的引脚功能：8255有40个引脚，采用双列直插式封装，如图3-10图3-10 8255引脚图8255各个引脚的功能：D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU

52、 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写入8255。RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。A1、A0:端口地址总线，8255中有端口A、B、C和一个内部控制字寄存器，共4个端 口，由A

53、0、A1输入地址信号来寻址。PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。63.1.4.3 矩阵式键盘扫描方式工作原理与去抖动的方法无键按下时，各行线均为高电平。当采用列线输出低电平时，有键按下相应行线上出现低电平。

54、根据此原理，CPU对整个键盘进行扫描，即CPU不断对列线逐列置低电平，然后检查行线输入状态，确定按键情况。若无键按下时，行线与列线断开，行线上全是高电平，当有键按下时，总有键把某行某列短接，使行线端口不全为高电平，即不全为“1”。此时读到的键值就是按下的键。扫描全部键盘时间很短，仅十几微秒，而按键时间一次至少几十毫秒，所以只要有键按下，都能被扫描到。键是机械开关结构，由于机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动，所以要进行键的去抖动处理。去抖动的方法有硬件去抖动和软件去抖动。 硬件去抖动对于单个按键或按钮可以采用RC滤波器或RS双稳态触发器（如图）来抑制开关输出逻辑

55、信号的抖动，当开关从A端打向B端时，无法避免的在Q输入一个近似于图示的脉冲序列，利用RS双稳态触发器连续的“置0”和“保持”功能，可以使输出端Q保持翻转为低电平， 维持高电平。如图3-11，该方法比较复杂，如果系统按键输入较多，则因附加电路太多而不用这种方法。图3-11 硬件去抖原理图 软件法I延迟法。延迟法是采用时间延迟来躲过抖动，当检测到按键被按下或释放时，由CPU产生一段延时，时间大约为1020ms，然后再进入扫描检测程序，从而将按键抖动510ms躲过，所以不会造成系统误读输入状态。因为这种方法比较简单，不需要增加成本，所以在大多数微机控制系统中常常使用。II采样法。在数据采集时利用程序

56、实现开关机械抖动的消除，程序设计的思路是：在检测到键有动作时，按照一定的时间间隔对端口进行周期性的采样，采样时间比产生抖动的时间稍长（如3035ms），若考虑器件的差异和老化等因素，采样的时间应该更长一些，如果连续采样得到同样状态的信号，则认为信号值是正确的。但是如果在采样时出现抖动噪声，则噪声信号也可能被误认为信号，为防止噪声可能被误认为信号，通常采用多次采样的模式。由于本控制系统的键数多，使用硬件会使成本增加，所以是用软件法。3.1.4.4 键盘各键功能规划各数值键及功能键具体设计如下：I数字键09 本系统在开始运行之前要求输入步进电机匀速的运行步数，所以要进行按键输入数值以传入参数,并通

57、过显示器显示。II系统启动、停止、急停键 当要输入的参数输入并无误后，按动启动键，步进电机开始走步，运行结束后按停止键结束走步。如果遇到紧急情况，可以按急停键，步进电机同样停止运转，待问题解决后，系统才能正常使用。III正/反转控制 可以控制步进电机的正反转IVX+，Y+，X-，Y-键 可以实现步进电机的手动控制，在输入参数时，先按此键，然后输入相应的数值。V确定与删除键 在输入参数时候如果发现输入错误，可以使用删除键删除然后重新输入，在输入完毕后，按确定键进行下一个参数的设定或者运行步进电机。3.1.5显示部分操作的接口和电路设计3.1.5.1 LED显示器的设计LED显示器的发光二极管有两

58、种连接方法，共阳极接法和共阴极接法。本设计中采用共阴极接法。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段，因此提供给LED显示器的字形代码正好一个字节。用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和 动态（扫描）显示： LED静态显示方式LED工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或+5V）；每位的段选线（adp）分别与一个8位的锁存输出相连。之所以称为静态显示，是由于显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都比较高。这种显示方式接口，编程容易，管理也简单，但

59、是占用口线资源较多。如果显示器位数增多，则静态显示方式无法适应。因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。 LED动态显示方式在多位LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应地连接在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或者共阴极分别由相应的I/O口控制，实现各位的分时选通。在扫描过程中，在某一瞬间，只让某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态；同时字段线上输出相应位要显示字符的段选码。这样在每一瞬时，6位LED中只有选通的那一位LED显示出字符，而其它5位则是熄灭的。同样，在下一瞬时，只显示下一位LED。如此继续，等6位LE

60、D都依次显示完毕后，循环进行。虽然这些字符是在不同的瞬时轮流显示出来的，但如使每位显示的字符停留显示一段时间，一般为15ms，由于人眼的视觉暂留现象，则可以造成多位同时亮的假象，看到的是6位稳定显示的字符，达到显示的目的。考虑到上面的情况，本控制系统，不适用静态显示方式，所以选取动态显示方式。3.1.5.2 LED显示的驱动驱动LED数码管的器件有很多，本系统选用串行显示管理芯片PS7219。串行显示管理芯片PS7219广泛地应用于智能仪表当中，在具体应用过程中，它接收所要显示的数据并将其显示在LED显示器上,动态地扫描管理着显示，该芯片本身只需根线就可与单片机实现接口，硬件连接简便，软件编程

61、容易尤其用在单片机担负繁忙数据处理任务的系统中，节省单片机用于显示扫描的时间，更显出其优越性，分述如下。 显示芯片PS7219PS7219是一种高性价比的多位LED显示管理芯片，其接口采用流行的同步串行外设接口（SPI），可与任何一种单片机方便接口，并可同时驱动8位LED。其内部具有158RAM功能控制寄存器，可方便寻址、对每位数字可单独控制、刷新。显示亮度可数字控制，每位都具有闪烁使能控制。内部自带时钟电路，无需任何外部元件便可多路复用自动扫描。N个PS7219级联，可实现N8位LED的显示。适于各种智能仪表的显示。PS7219具有以下主要特点：I.与单片微处理器的接口只需3条线。II.可以

62、按位选择BCD码译码或者不译码。每位数字可被单独寻址和更新，无需重写整个显示器。III.可以设定扫描显示位数（从1位到8位）。IV.可设定掉电模式禁止所有显示，以降低功耗；也可强迫所有LED接通，进入测试方式。V.具有较高的驱动能力，段驱动处接不同的上拉电阻，可改变LED的段电流。PS7219芯片的引脚如图3-12图3-12 PS7219引脚引脚说明：RST：复位功能。PS7219上电时RST引脚要求外部提供一个典型高电平复位信号；PS7219A内置一个P监控电路，可为系统其他IC提供可靠的复位信号，上电时对外部提供一个可靠的高电平复位信号，脉宽大于140ms。LOAD：装载数据输入。当LOAD为高电平，串行输入数据的最后16位被锁定。DIN：串行数据输入。在CLK的下降沿，数据被加载到内部16位移位寄存器中。CLK：时钟输入。最高频率为500kHz，在CLK