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1、第一章 数控步进电机驱动系统的总体设计1-1步进电动机及驱动系统概述步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便会转过一个固定的角度，这个角度称为步距角,简称为步距。（本数控步进电动机步距角为15度）脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动，步进电机便因之而命名。 步进电动机和一般旋转电动机动一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环行分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电机”，用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。步时电动机的结构形式虽然繁多，但工作原
2、理都相同。1-2 步进电机驱动系统的总体设计 单片机虽然是一个五脏俱全的计算机，但由于本身无开发能力，必须借肋开发工具来开发应用软件以及对硬件系统进行诊断。因此，用户要研制一个较完整的单片机产品时，必须完成以下几步工作：（1） 硬件电路设计、组装、调试；（2） 应用软件的编制、调试；（3） 应用软件的链接调试、固化、脱机运行（即脱离开发装置）。单片机应用系统的开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段，但各阶段不是绝对分开的，有时是交叉进行的。1-2-1步进电机硬件设计的特点：（1） 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
3、可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意如用软件来实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件来实现花的时间长，而且占用CPU时间。因此，选择软件方案时，要考虑到这此因素。（2） 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。（3） 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。（4） 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。本系统的硬件设计包括：键盘输入电路设计、振荡电路、中断电路、复位电路、键盘输入电路、数字显示与驱动电路、步进
4、电机及其驱动电路等。在完成各个单元电路的设计与调试后，我们与软件系统进行了联调，且达到了一个较为理想的结果。1-2-2数控步进电动机驱动系统软件设计的特点：应用系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的，应可靠地实现系统的各种功能。应用系统种类每秒多，应用软件各不相同，但是一个优秀的应用系统的软件应具有下列特点：（1） 软件结构清晰、简捷、流程合理。（2） 各功能程序实现模块化、子程序化。这样，既便于调试、链接，又便于移植、修改。（3） 程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约内存容量，又使操作方便。（4） 实现全面软件抗干扰设计。软件抗干扰是计算机应用系统提高可靠性的有力措施。本系统软件设计采
5、用汇编语言编程，程序编译通过后，我们进行了固化，并与系统的硬件进行了联调，达到了一个较令人满意的效果。本数控步进电机驱动系统机总体开发与设计的流程图如图1所示:图1单片机总体开发与设计的流程图1-3数控步进电动机驱动系统总体功能介绍本数控步进电动机驱动系统主要完成以下功能:(1)步进电机按键盘输入电路设定的圈数，按A键旋转相应的圈数同时显示电路倒计时显示已转的圈数；(2)点动正反转运行；(3)按根据事先设定，以三种不同的速度运行；(4)根据事先设定，分别以4拍、8拍模式运行；(5)通过按SW1键暂停步进电机运行（此时数码显示暂停），松手步进电机继续运行。其键盘输入数字排列如图2所示:01234
6、56789ABCDEF000102030405060708090A0B0C0D0E0F键盘内码键 盘图2键盘输入数字排列图各个按键与其功能对应关系如表1所示：09ABCDEFSW1SW2数字键正逆转启动键点动执行键返转设定键1速度设定键2速度设定键8拍模式设定键暂停键复位键表1键盘功能对照表现在说明如下：“09”键：为数字键，用来预先设定步进电机转动的圈数。“A”键 ：A键为执行键，按A，则步进电机根据先前设定，执行运转。“B”键 ：点动直行键。按“B”键则电机点动运行，松开则停止转动。“C”键 ：设定正反转键。按“C”键则P3.0LED亮，表示反转，再按P3.0熄为正转，再按P3.0亮为反转
7、。“D”键：速度1设定键，按D，则速度显示数码管显示1。“E” 键：速度2设定键，按E，则速度显示数码管显示2。系统默认速度0，此时速度显示数码管显示0。“F”键 ：设定8拍模式设定键。按F则设定8拍运行模式。P3.4绿灯亮，表示8拍模式，再按绿灯熄，表4拍模式。如此循环。“SW1”键：暂停键，按INT1，步进电动机暂停，圈数显示数码管在当前显示的圈数下停下，松手则步进电机继续运行。“SW2”键 ：复位键。用来急停步进电机数控步进电机驱动系统软件总体框图如图3所示：图3数控步进电机软件系统框图传统的步进电机驱动控制系统一般采用模拟电路控制，其电路复杂、功能较为单一，控制也不够灵活。而采用单片机
8、控制的步进电机驱动控制系统具有线路简单、控制灵活、成本较低等诸多优点。以AT89C51为控制核心的步进电机及驱动系统框图如图4所示：图4数控步进电机总体框图第二章 数控步进电机硬件系统设计2-1数控步进电机硬件系统设计应考虑的问题硬件设计需考虑下列几点：(1) 尽可能选择典型电路(2) 系统的扩充与外围装置，应充分满足应用系统的要求，并留一些扩充槽，以便进行二次开发。(3) 硬件结构应结合应用软件一并考虑。软件有执行的功能尽可能由软件来执行，以简化硬件结构。但必须注意，由软件执行硬件的功能，其响应时间比直接使用硬件要长，且占用CPU时间。(4) 整个系统器件尽可能做到性能匹配。(5) 可靠性及
9、抗干扰设计是硬件设计极其重要的部分，包括器件选择、电路板布线、通道隔离等。(6) 单片机微处理器外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不可靠。解决办法是增加驱动能力，或减少IC功耗，降低总线负载。2-2 系统各部分硬件电路介绍本数控步进电机驱动系统硬件电路由本系统的硬件设计包括：最小单片机系统、键盘输入电路、数字驱动与显示电路、步进电机及其驱动电路等，下面一一进行阐明。2-2-1单片机AT89C51最小系统AT89C51特点:(1)本数控步进电机驱动系统以AT89C51为控制核心,这样一来，大大地简化；了电路。在单片机的选择上，我们采用了AT89C51单片机。AT89C5
10、1单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内改编程或用常规的非易失性存储器来编程。其主要性能有以下几个方面： 在开发过程中，采用内部Flash存储器，可以十分容易进行程序的灌制，这样以来就大大缩短了系统的开发时间。提高了系统的效率，具我们了解目前AT89C51已成为51系列单片机设计采用的主流产品。(2) 静态时钟方式 ：AT89C51单片机采用了静态时钟方式，可以节省电能(3) AT98C5
11、1和8051插座兼容：AT89C51的引脚同8051的引脚一样的，所以我们在取代8051时，可以直接进行代换，这样以来，大大方便了使用者，原有8051的资源我们可以直接加以利用。(4) 可进行反复系统试验：用AT89C51单片机设计步进电系统时，我们可利用其反复电擦除功能，这样一来，大大节省了我们开发系统的时间和经费。这样可以保证我们的系统设计达到最优。其管脚图如图5所示 : 图5 89C51的管脚图其各个引脚功能如下：（1） 电源引用：Vcc（40脚）：供电源+5V。Vcc（20脚）：接地线。（2） 时钟电路引脚：XTAL2（18脚）和XTAL（19脚）。利用内部时钟电路时，于XTAL1与X
12、TAL2之间接晶体振荡器，XTAL1为放大电路输入端，XTAL2为输出端。在采用外部时钟时， XTAL1端接地，XTAL2端接外部输入时钟脉冲。（3） 控制信号引脚：RST/VPD（9脚）：接复位电路可实现复位；接+5V备用电源，当断电时，RAM中数据不丢失。ALE/PROG（30脚）：访问片外存储器时，ALE输出作低位地址锁存允许控制；在对89C51片内EPROM编程（固化）时，此脚用于输入编程脉冲（PROG）。PSEN（29脚）：访问片外程序存储器时，此脚输出负脉冲作为读选通信号。EA(31脚)：该脚具有双功能。EA控制CPU执行程序，当EA端接高电平时，程序地址小于4KB访问片内程序存储
13、区；若超出4KB地址，则自动执行片外程序存储器程序。当EA端接低电平时，EPU直接访问片外存储器。（4） 输入/输出口引脚：89C51共4个8位I/O口，占32个引脚。PO口（PO.0PO.7）为3932脚。P1口（P1.1-P1.7）为18脚。P2口（P2.0P2.7）为2128脚。P3口（P3.0P3.7）为1017脚。时钟电路CPUROMRAM定时器/计数器并行接口串行接口中断系统AT89C51内部总体框图如图6所示：图6 89C51内部功能图2-2-2振荡电路：本单片机系统的振荡电路如图7所示:图7振荡电路XTAL1为振荡电路的输入端，而XTAL2为振荡电路的输出端，单片机系统时钟是利
14、用其内部的振荡电路在XTAL1T和XTAL2引脚上外接石英晶体振荡器（简称晶振），使内部振荡器产生自激振荡而产生的，晶振频率可以在1.212MHz之间任选，电容可以在530pF之间选择。在本系统中，振荡电路晶振振荡频率为12M，经过2分频后，作为系统的时钟信号，在二分频的基础上再6分频产生机器周期信号，这样本系统一个周期为1微秒。2-2-3中断系统：中断系统是为使处理机具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理机CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件请求，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。处理完以后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作，这样的过程称为中断。实现这
15、种功能的部件称为中断系统，请示CPU中断的请求源称为中断源。当几个中断源同时向CPU请求中断，要求为它服务时，这就存在CPU优先响应那一个中断源请求的问题。优先处理最紧急事件的中断请求源，即规定一个中断源有一个优先级别。CPU总是先响应级别最高的中断请求。AT89C51单片机提供了5个中断源，其中两个为外部中断源，由INT0、INT1（P3.2、P3.3）输入；两个为片内定时器/计数器溢出进产生的中断请求（用TF0、TF1做标志）；另一个为片内串行口产生的中断请求（TI或RT）。这此中断请求源分别由MCS-51的特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位锁存。中断的允许和禁止由中断允许寄存器（IE）控制。中断允许寄存器的字节地址为0A8H，可位导址，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0EAESET1
