步进电机画图系统电路设计Word格式.docx
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对于基于16位单片机的步进电机控制系统来说，驱动电源的输出直接作用于步进电机的绕组，因而驱动电源性能好坏直接影响步进电机的运行性能。
1.2步进电机的一些特点
1）.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2）．步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；
一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3）．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；
频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4）．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数：
空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下，启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
5）.步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下：
（a）控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如：
三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。
（b）控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
（c）控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
1.3控制系统对步进电动机的基本要求是：
1）在一定的速度范围内步进电动机能稳定运行，输出轴转过的步数必须等于输入脉冲数，既不能多走一步也不能少走一步，即不能出现所谓的“失步”现象。
2）每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度称为步距角，该值要小而且精度要高，这样才能使工作台的位移量小而且准确和均匀，从而可以提高加工精度。
3）允许的工作频率高，这样才能动作迅速，减少辅助工时，提高生产率。
1.4
步进电机的一些基本参数：
1.4.1电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°
/1.8°
（表示半步工作时为0.9°
、整步工作时为1.8°
），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
1.4.2步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°
、三相的为0.75°
/1.5°
、五相的为0.36°
/0.72°
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
1.4.3保持转矩（HOLDING
TORQUE）：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
1.4.4DETENT
TORQUE：
是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。
DETENT
TORQUE
在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；
由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT
TORQUE。
2系统方案选择与论证
2.1设计要求
设计一电机控制系统，利用动滑轮，静滑轮和绳索的索引带动画笔在倾斜角度为85°
的平面上画图。
在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm×
100cm。
物体的形状不限，质量大于100克。
物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。
板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点,示意图2如下:
图2实物图
2.1.1基本要求
（1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；
（2）控制物体在80cm×
100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成；
（3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；
（4）物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点（两点间直线距离不小于40cm）。
2.1.2说明
1、物体的运动轨迹以画笔画出的痕迹为准，应尽量使物体运动轨迹与预期轨迹吻合，同时尽量缩短运动时间；
2、在某项测试中运动不超过限定的时间，
3、运动轨迹与预期轨迹之间的偏差不超过4cm时，
4、在基本要求（3）、（4）和发挥部分
（2）中，物体开始运动前，允许手动将物体定位；
开始运动后，不能再人为干预物体运动；
2.2系统总体设计方案
根据设计要求，本系统可以划分为运动控制部分和信号检测部分.其中运动控制部分包括：
控制器小模块、键盘显示模块、存储器模块，电机驱动模块。
信号检测部分由光电检测模块组成。
方案一：
整个系统的控制部分可采用LPC935作为其核心部分，考虑到物体做圆周运动时，为了比较精确的确立圆周上各个点到圆心的距离相等，可采用运动控制中常用到的一种算法。
虽然LPC935速度比一般的单片机要快，但控制物体的运动要求不断的进行运算处理，使得计算量大，误差积累，程序冗长且复杂，最终不能满足设计预定的要求。
方案二：
采用单片机或可编程逻辑器件作为控制核心，外接片外存储器，把物体运动中的每个点的坐标参数通过计算机可以很快算出相对应的数据，然后统一存储在片外存储器中，根据运动要求调用相应存储单元的数据即可。
决定采用方案二，可以稳定可靠的控制物体做对应的运动。
模块框图如图3所示。
图3运动物体基本结构框图
为实现各个模块的功能，分别对几种不同的设计方案进行论证和选择。
2.2.1各个模块方案选择和论证
（1）控制器模块
根据系统的要求，控制器主要是用于对键盘输入的参数处理，读取外部
的数据，把这两个数据经过一定的算法进行运算，去控制电机的转动。
对于控制器的选择有以下两种方案。
采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）作为系统的控制器。
CPLD可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，速度快，稳定性高，易于软件仿真、调试，并且容易进行功能的扩展。
但由于本设计对数据处理的速度要求不高，CPLD的优势没有得到充分的体现，并且其价格昂贵，引脚多，使得硬件电路布线复杂，加重了电路设计中一些任务。
采用ATMEL公司的AT89S52，由于单片机编程灵活、自由度大可实现各种算法和逻辑控制，且其功耗低，体积小、成本低，由于MCS-51单片机产品兼容，8K字节在系统可编程Flash存储器，1000次擦写周期，全静态操作：
0Hz～33Hz，三级加密程序存储器，32个可编程I/O口线，三个16位定时器/计数器，八个中断源，全双工UART串行通道，低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒，看门狗定时器，双数据指针，掉电标识符等优点，AT89S52在各个领域应用广泛。
系统对时间的要求不是很高，口线并不多，速度也能达到其系统的要求，基于以上的分析决定采用方案
AT89S52功能特性描述：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，
单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图489S52引脚示意图
（2）键盘显示模块
人机交互接口主要是通过是键盘显示模块来处理的，主要用于单片机读取键盘的值，进行处理后，把所要求的数据进行显示。
对于键盘显示的方案这里有2种。
采用传统和单片机的I/O口直接相接进行动态扫描，可以读取键盘和进行相应的显示，但其接口复杂，硬件电路实现困难，软件操作繁琐，并不采用此方案。
采用7279键盘显示模块，和单片机接口简单，仅有4根口线通过串行传递数据，硬件电路简单，程序编写容易，且显示稳定可靠。
据以上原因采用第二种方案。
（3）电机驱动模块
选用两只步进电机。
因为设计对运动控制系统的速度要求不是特别高，用步进电机完全可达到要求，而且步进电机的力矩很大，控制精确度较直流电机高，适合本设计中吊重物画曲线的要求。
对步进电机的驱动有以下几种方案。
可利用继电器有顺序的开关控制步进电机的驱动方式（单拍、双拍，半拍）。
前级用光电耦合器与MCU隔离。
该方法电路简单，但继电器的响应速度慢，机械结构易损坏，寿命较短。
另外，继电器吸合与断开时对电路的干扰大，故不选用该电路。
采用分立元件，前级驱动与单片机的连接用光电耦合器隔离，减少电机对MCU的干扰。
用四个大功率的开关三极管BU406做驱动，一方面提高了驱动模块的散热效果，另一方面可以增强其负载能力，且可承受频繁的大电流冲击。
综合以上两个方案的的分析，选用方案二。
（4）数据存储模块
采用传统的32K存储芯片24C256，通过串行口进行数据的读取，比一般的并口外部ROM节省的口线要多。
所以我们采用片外存储芯片24C256。
2.2.2系统各模块的最终方案
经过分析和论证，决定各个模块的最终方案，如下：
（1）控制模块：
采用单片机AT89S52控制；
（2）键盘显示模块：
采用7279串行数据传递和进行显示；
（3）电机驱动模块：
采用光耦TLP521-4和BU406作驱动部分；
（4）数据存储模块：
采用AT24C256存储各个点的对应的数据参数；
系统的基本框图如图5所示：
图5系统基本框图
在上图中，单片机AT89S52是整个系统的控制核心，主要功能：
从7279键盘显示模块读取键值，并进行所对应的显示，读取片外存储器24C256数据，输出脉冲控制两个电机的转动，在平面上画出轨迹和达到预设的位置。
3系统硬件设计和实现
3.1系统硬件的基本组成部分
本系统是一个由机械，电子一体的综合设计系统，在设计中运用了自动控制技术和电子技术。
系统的硬件部分包括控制电路的设计，键盘显示电路的设计，片外存储电路的设计，步进电路驱动电路的设计。
3.2主要单元部分电路的设计
3.2.1控制部分的电路设计
控制电路的设计
1正确的时序是保证HD7279A正常工作的前提条件。
当选定了HD7279A的振荡元件RC和晶振之后，应调节延时时间,使时序中的T1~T8满足所需要求。
HD7279A时序规定的时间范围很宽，达10~50倍，很容易满足，但为了提高微处理器访问HD7279A的速度，在要求系统运行速度较快时，应仔细调试HD7279A的读写程序，使其运行时间接近最短。
2微处理器通过KEY引脚电平来判断是否有键按下，在使用查询方式管理键盘时，该引脚接至微处理器的1位I/O端口；
如果使用中断方式，该引脚应接至微处理器的外部中断输入端。
同时应将该中断触发控制位设置成下降沿有效的边沿触发方式。
若置成电平触发方式，则应注意在按键时间较长时可能引起的多次中断问题。
3HD7279A没有提供组合键功能。
如果某些场合确需双键组合使用，可在微处理器某位I/O引脚接入一键,与HD7279A所连键盘共同组成双键功能。
4电路中有3种电阻：
阻值为200Ω的电阻是限流电阻，用来限制LED数码管的电流。
在使用中不应为了过分追求数码管的亮度而任意减小其电阻值，以防HD7279A芯片过热烧坏。
阻值为100kΩ和10kΩ的电阻分别称为下拉电阻和位选电阻，如果HD7279A仅用于显示器管理,则这两种电阻都可以去掉。
5HD7279A的空闲引脚，一律悬空。
单片机ATS89S52外接7279键盘显示模块电路、电机驱动模块电路和片外存储模块（已包含）。
为了方便单片机引脚的使用，将单片机的所有引脚用接口引出。
具体电路由图6所示。
J6是键盘显示模块的接口，J8是电机驱动模块的接口，J9是片外存储器24C256的SCL口和SDA口。
最小系统一般应该包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
可适合扩展
基本模块：
复位电路、晶振、电源供入及电源开关、ISP下载、串口通信、各I／O预留跳针。
图6AST89S52最小系统及外围电路
说明:
复位电路:
由电容串联电阻构成,由图并结合"
电容电压不能突变"
的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.至于如何具体定量计算,可以参考电路分析相关书籍.
晶振电路:
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作）
单片机:
一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机
特别注意:
对于31脚（EA/Vpp）,当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;
当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.这一点是初学者容易忽略的.
3.2.2键盘显示部分的电路设计
此电路采用7289芯片进行键盘的检测和动态扫描进行显示。
ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能.ZLG7289A内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式此外还具有多种控制指令如消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等.ZLG7289A具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口.
特点:
（1）串行接口无需外围元件可直接驱动LED;
（2）各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性;
（3）循环左移/循环右移指令;
（4）具有段寻址指令方便控制独立LED;
（5）4键键盘控制器内含去抖动电路.
3.2.3控制指令说明
ZLG7289A的控制指令分为二大类：
纯指令和带有数据的指令。
1.纯指令
纯指令包括复位（清除）指令（0A4H）、测试指令（0BFH）、左移指令（0A1H）、右移指令（0A0H）、循环左移指令（0A3H）、循环右移指令（0A2H）等。
下面以复位（清除）指令（0A4H）为例来进行说明，该指令的格式如下：
D7D6D5D4D3D2D1D010100100
当ZLG7289A接收到该指令后，将所有的显示清除，所有设置的字符消隐、闪烁等属性也被一起清除。
执行该指令后，芯片所处的状态与系统上电后所处的状态一样。
3.2带有数据的指令
（1）下载数据且按方式0译码指令
该指令的格式如下：
D7D6D5D4D3D2D1D010000a2a1a0D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXXd3d2d0d1
该命令由二个字节组成。
前半部分为指令，其中ａ2ａ1ａ0为位地址，ｄ0～ｄ3为数据。
当系统接收到此指令时（ZLG7289A将按译码方式0进行译码）。
小数点的显示可由DP位控制，DP为１时，小数点显示,DP为0时，小数点不显示。
在该指令格式中，ｘ表示没有影响。
位地址分配a2a1a0显示位00010012010301141005101611071118
译码方式:
D0~d3d3d2d1d07段显示00H0000001H0011102H0000203H0011304H0100405H0101506H0110607H0111708H1000809H100190AH1010-0BH1011E0CH1100H0DH1101L0EH1110P0FH1111空无显示
（2）下载数据且按方式１译码指令
这种指令与上一个指令基本相同。
所不同的是，该指令的ｄ0～ｄ3对应的数据位0AH～0FH分别为七段显示中的A、B、C、D、E、F。
该指令的具体格式如下：
D7D6D5D4D3D2D1D011001a2a1a0D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXXd3d2d0d1
（3）读键盘数据指令
该指令从ZLG7289A读出当前的按键代码，格式如下：
D7D6D5D4D3D2D1D000010101D7D6D5D4D3D2D1D0d7d6d5d4d3d2d0d1
与其它指令不同的是，此命令的前一个字节（0001010）B为单片机传送到ZLG7289A的指令，而后一个字节ｄ0～ｄ7则为ZLG7289A返回的按键代码。
其范围为0～3FH（无键按下时为OｘFF）。
在此指令的前半段，ZLG7289A的DATA引脚处于高阻输入状态，可以用来接收来自微处理器的指令；
在指令的后半段，DATA引脚从输入状态转为输出状态，此时将输出键盘代码的值。
故微处理器连接到DATA引脚的Ｉ／Ｏ口应当有一个从输出态到输入态的转换过程。
当ZLG7289A检测到有效的按键时，KEY脚将从高电平变为低电平，并一直保持到按键结束。
在此期间，如果ZLG7289A接收到“读键盘数据指令”，则输出当前按键的键盘代码；
如果在接收到“读键盘数据指令”时没有有效按键，ZLG7289A将输出FFH（11111111B）。
（4）其它指令
除以上几个指令外，ZLG7289A还具有下载数据但不译码、闪烁控制、消隐控制、段点亮指令、段关闭等指令。
图6ZLG8279A管脚图
２ 引脚说明
ZLG7289A芯片具有标准的DIP28和SOIC28两种封装形式。
其引脚排列如图所示，各引脚的功能说明见表1所列。
表1ZLG7289A引脚功能说明
引角
名称
说明
1，2
VDD
正电源
3，5
NC
不连接，必须悬空
4
VSS
接地
6
CS
片选输入。
此脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据
7
CLK
同步时钟输入端。
向芯片发送数据及读取键盘数据时，次引脚电平上升沿表示数据有效
8
DATA
串行数据输入/输出端。
当芯片接收命令时，此引脚为输入端；
当读取键盘数据时，此引脚在读指令最后一个时钟的下降沿变为输出端。
9
KEY
按键有效输出端。
平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平。
10～16
SG~SA
驱动输出
17
DP
小数点驱动输出
18～25
DIG0~DIG7
数字0～7驱动输出
26
CLKOUT
振荡输出端
2
升级会员 