机电一体化毕业设计论文 基于单片机的冲床自动控制系统设计

绪 论

本次设计完成冲床自动控制系统的总体设计，包括机械的尺寸设计、机械的主要零件和组成部分及在机体上结构位置设计、激振源的确定及计算（振动电机）、悬挂弹簧设计、机械结构的动力学分析，包括机械的运动学参数确定（振动方向角、振幅、振动圆频率等）、物体在槽体上的运动情况分析、动力学模型确定及动力学分析、安装、使用及维护、技术条件等任务。

首先完成振动给料机的总体设计，依据处理量和工作原理，确定机械参数、槽体设计几何尺寸、振动电机功率的计算和型号的选取、悬挂弹簧的设计和槽体、弹簧强度的校核；最后，完成振动给料机的安装、使用、维护等技术条件的说明。

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电机来说，步进电动机可简单的定义为，根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变则保持一定的位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲同步的 同步电动机。

由于用可编程控制器（PLC）对步进电机进行控制价格比较贵，而单片机由于其运算速度和精度已得到广泛的应用，尤其在工业过程控制及仪表中，单片机对于步进电机的精确控制具有特别重要的意义。它具有体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此本文利用单片机来控制步进电机，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路。目前它在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制单片机的脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。

单片机控制步进电机的系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。同时步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。

步进电机具有优越的控制特性,而单片机控制步进电机的系统也将会得到广泛的应用。

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第1章 步进电机概述

1.1 步进电机简述

步进电机（也称脉冲电机）是一种跟踪脉冲信号来控制转角和转速、并适合微控制器控制的电机。下面我们还是主要介绍它的转动控制。

步进电机又称脉冲电机,是数字控制系统中的一种执行元件,其功能是将脉冲电信号变换成相应的角位移或者线位移.通俗来说,即给一个脉冲电信号,电机就转动一个角度或前进一步。

1.1.1 步进电机结构以及工作原理

步进电机按照其结构以及工作原理分为反应式步进电机,混合式步进电机,永磁式步进电机和特种步进电机。

(1) 步进电机结构

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。1/3τ、2/3τ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以τ表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3τ，C与齿3向右错开2/3τ，A'与齿5相对齐（A'就是A，齿5就是齿1）,下图1-1是定转子的展开图：

图1-1 定转子的展开图

(2) 步进电机工作原理

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3τ，此时齿3与C偏移为1/3τ，齿4与A偏移τ-1/3τ=2/3τ。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3τ，此时齿4与A偏移为1/3τ对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3。

这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3τ,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3τ改变为1/6τ。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3τ变为1/12τ，1/24τ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

反应式步进电机可以按照特定的指令旋转某一角度进行角度控制,也可以连续不断的转动进行控制. 角度控制时,每输入一个脉冲,定子绕组就换接一次,输出轴就转过一个角度,其步数与脉冲数一致, 输出轴转过的角位移量输入脉冲数成正比。速度控制时, 步进电机绕组中送入的是连续脉冲,各相脉冲不断的通断, 步进电机连续运转,它

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的转速与脉冲频率成正比.由齿矩角的计算公式360°/ZN; (N为运行拍数) 每输入一个脉冲,转子转过的角度整个圆周角的也就是转过1/ZN转。因此每分钟转子所转过的圆周数。即转速为: n=60f/ZN(转/分) f为控制脉冲的频率,即每秒输入的脉冲数。

有上式可知, 反应式步进电机的转速取决于脉冲的频率, 转子齿数和拍数.当转子齿数一定时,转子转速与输入脉冲的频率成正比,或者说, 其转速与输入脉冲的频率同步,改变脉冲的频率可以改变转速,故可以进行无级调速,调速范围广。

另外,改变通电顺序,即改变定子磁场旋转方向,就可以控制电机正转或者反转。步进电机的转速可用齿矩角来表示。

当脉冲频率一定时, 步矩角越小,电机转速就越低,因而输出功率也就越小,所以从提高加工精度上要求应该选用小的步矩角,但是从提高输出功率上要求时, 步矩角不能取的太小,一般步矩角根据系统中的应用情况进行选取.步进电机控制示意图如图1-2所示

图1--2控制步进电机示意框图

1.2 步进电机的指标

1.2.1 步进电机的术语

1. 相数

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

2．拍数

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3. 步距角

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J为运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为0.9°（俗称半步）。

4. 定位转矩

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

5. 静转矩

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

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虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

三相反应式步进电机,定子有六个极,不带小齿,.几种工作方式的相序如下: 三相单三拍 A---B---C---A

三相六拍 A---AB---B---BC---C---CA---A 三相双三拍 AB---BC---CA---AB 三相是指步进电机具有三相定子绕组

“三拍”是指三次换接为一个循环,第四次换接为第一次的情况。 1.2.2 步进电机的动态指标

1、步距角精度

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3、失调角

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 6、运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图1-3所示：

图1-3 力矩与频率关系的曲线

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电

机的频率特性越硬。如图1-4所示：

图1-4 电机力矩频率和负载的关系

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其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越

大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如图1-5所示：

图1-5 电压对力矩影响

7.电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较

多。

8.细分驱动器 细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹

角来控制步进电机运转的。

1.3步进电机驱动控制模块

步进电机驱动控制系统的硬件电路由脉冲发生单元,脉冲分配器,微机控制单元和

功率放大器几个部分组成.示意框图如1-6所示:

图1-6 步进电机驱动控制框图

1 . 脉冲信号的产生 ：脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

2. 信号分配：脉冲分配器的作用就是在步进脉冲的激励下产生步进脉冲.利用移位寄存器可以实现脉冲分配。如图1-7利用4位移位寄存器74LS194可以构成脉冲分配器。

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图1-7 74LS194管脚图

感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。

3. 功率放大 ：功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 为尽量提高电机的动态性能，

将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。

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第2章 步进电机的控制方案

2.1步进电机的控制类型简介

采用单片机微机对步进电机进行控制，方法有开环控制和闭环控制两种。 2.1.1 开环控制

开环控制包括串行控制和并行控制。

串行控制中，单片机与步进电机功率驱动接口之间只需两条控制线，一条是用来发送走步脉冲（CP），另一条是用来发送指定旋转方向的电平信号，如图3.9所示。串行控制的功率接口电路内部含有一个环行分配器电路。环行分配器电路的作用是将

CP脉冲转换成多相循环变化的脉冲。

图2-1是使用CH250工作三相六拍状态的接线图。通过设置引脚（1，2和14，15）的电平，可使CH250按双三拍、单三拍、单双六拍以及相应的正六种状态工作。

图2-1 CH250三相六拍脉冲

图2-2是L298步进电机控制器的原理图。其中包括：

（1）译码器（即是环行分配器）它将时钟脉冲、正/反转信号、半/整步信号综

合后，产生所要求的各相通断信号。

（2）由比较器、触发器和振荡器组成。用于检测电流采样值和参考值，并进行

比较。由比较器输出信号来开通触发器，再由振荡器决定频率并实现斩波。

（3）输出逻辑 输出逻辑综合了分配信号与斩波信号，产生ABCD四相信号。

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图2-2 L298内部电路原理图

在实际应用中，利用EPROM和可逆计数器组合，可以构成通用型分配器，如图2-3所示。这种环形分配器的工作原理是：设置计数器的计数长度等于电机运行的拍数（或拍数的整数倍）。计数器的输出端接到EPROM地址线上，并使用EPROM总处于读出状态。这样，计数器每一个输出状态都对应EPROM的一个地址，EPROM地址单元中的内容就可以确定其数据输出端的某一种状态。只要根据要求设定计数长度和固化EPROM中的内容，就能完成所要求的环形分配器的输入输出逻辑关系。改变EPROM的页地址，可以设定不同的逻辑关系，从而实现诸如：正转、反转、二相、三相、四相

各种拍数的控制逻辑的通用环形分配器功能。

图2-3通用环形分配器

在并行控制中，单片机用数条输出线直接去控制步进电机各相绕组的驱动线路。很显然，电机功率接口中不包含环形分配器，环形分配器的功能必须由单片机来完成。而单片机实现脉冲分配的功能又有两种方法，一种是纯软件方法，即是全部用软件来实现相序配，直接输出各相导通或截止的信号。另一种方法是软件与硬件结合的方法 2.1.2 步进电机的闭环控制

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采用单片机微机对步进电机进行开环控制，方法有串行控制和并行控制两种。 闭环控制有反馈环节，通过反馈系统是系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统. 开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统. 开环控制是控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力。所以闭环控制有更好的优越性能，所能达到的精度、速度和动态特性优于开环控制，即可对信号的误差进行调整，但是闭环控制系统也是有误差的，原因有很多，检测元件，监测方法等都能对输出造成影响。

2.2步进电机的加减速定位控制

所谓点位控制，就是控制电动机拖动负载从一个位置到另一个位置。对步进电机而言，就是控制电动机从一个锁定位置运行若干步到达另一个位置进入锁定状态。着

里要求电动机实际的步数一定要与设定相符，不允许有误差。

用微机实现对步进电机的点位控制一般需要在系统内设置两个坐标系，一个是绝对坐标系，一个是增量坐标系。所谓绝对坐标系，实际上是整个系统设点的坐标系，即是电动机转角代表的系统的位置系统的位置坐标，电动机运行过程中，系统的绝对坐标值，即是电动机的转角代表的系统的位置坐标，电动机运行的过程中，绝对坐标值一直跟踪系统位置的变化。姿态还需对坐标值经常进行检测，坐标值为负号。系统在运动之前，增量坐标值最大，在开始运行后，增量坐标值一旦发现越限故障，即发出报警信号。坐标值为正号；如向负方向运动，则增量递减，当减至增量坐标值为零时，说明系统已经走完需要的步数，停止运行。增量坐标值的符号，实际上就是电动机运行的方向标志。

电动机运行的每一步都需要对绝对坐标值和增量坐标值进行计算。这些技术程序

都安排在中断服务子程序中。

步进电机的最高的启动频率一般比最高的运行频率低许多，所以直接按最高的运行频率启动将产生丢步或根本不运行的情况。而对于正在快速运行的步进电机，若在到达终点附近，立即停发脉冲，令其立即锁定，也是难以实现的，由于旋转系统的惯性，会发生冲过终点的现象。因此，在点位控制过程中，运行速度要有一个加速恒速减速低恒速锁定的过程，如图2-4所示，图中，纵坐标是频率，其实质是转速，它的

单位是步/S；横坐标是步数，其实质是距离。

图2-4 点位控制的加、减过程

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当然短距离点位控制，加减速过程没有意义；对于中等的运行距离，电动机可能只需加速和减速而没有恒速过程。对于最佳的点位控制，应该是尽可能增加恒速度运行时间，缩短加速、减速过程的时间。为此升速的起始速度应取等于或小于系统的极限起动频率，而不是从零开始。减速过程结束时的速度一般应等于或略小于低于起动

速度，再经数步低速运行后停止。

升速规律有两种选择，一是按指数规律，它更接近步进电机输出转矩随转速变化的规律；另一种是按直线规律升速，它更显简练。用微机对步进电机进行加减 速控

制，实际是控制每次换向的时间间隔。

升速时，使脉冲串逐渐加密，减速时则反之。当微机利用定时器中断方式来控制电动机变速，实际上就是不断的改变定时器的装载值的大小。为了减少每步计算装载值的时间，可以用阶梯近理想升降曲线。这样，每次装载，软件系统可以通过查表方法，查出所需要的装载值。从而大幅度减少占用CPU的时间，提高系统的响应速度。

图2—5 阶梯升速图

系统在执行升降速的位置过程中，对加减速过程的控制还需要准备下列数据： （1）加减速的斜率。在直线加速过程中，速度不是连续的变化，而是按上述分档阶段变化，为与要求的生速斜率相逼近，必须确定每个速度台阶上运行的时间，见图。时间越小，升速越快，反之渐慢。的大小可由理论分析或实验确定，以升速最快而又不丢步为原则。则每台阶运行的步数为NS=f, t=sN, N反映了每个速度台阶运行步数与速度字s之间的关系。程序在执行的过程中，每次速度升一档，然后以

递减方式检查，当减至零是表示该档速度运行完毕，ss+1,升入又一档速度。

（2）升速过程的总步数。电动机升速过程中，一直对这个总步数进行递减操作，

当减至零时表示升速过程完毕，转入恒速运行。

（3）恒速运行总步数。电动机恒速运行中，一直对总步数进行递减操作，当减

至零是表示恒速过程完毕，开始转入减速运行。

（4）减速运行的总步数。这个步数可以取与升速总步数相同。减速过程的规律也与升速过程相同，只是按相反的顺序进行即可。

2.3基本方案的确定

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对步进电机的控制和驱动方案：

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方案一：使用多个功率放大器件驱动电机，通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。

方案二：使用ATS51单片机驱动电机，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便，选择了方案二。

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第3章 硬件设计

3.1步进电机的选择

步进电机的选择由步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。

2、静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3、电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。 3.1.1 步进电机设计步骤：

一）电机最大度选择：

步进电机最大度一般在600～1000 rm。机械传动系统要根据此参数设计。 二）电机步距角选择： 机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。

一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2 或更小。注意：当细分等级大于1/4 后，步距角的精度不能保证。

三）电机负载力矩选择： 1．转动惯量

在旋转运动中，物体的转动惯量J 对应于直线运动中的物体质量。要计算系统在加速过程中产生的动态载荷，就必须计算物体的转动惯量J 和角加速度，然后得惯性力矩T＝J。已给出负载转矩为30.05kg·㎡，将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量。

2．加速度计算

控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如下图所示。

一般电动机计数所用时间加速时间t=0.3~1s之间，取0.4，由于冲头工作地速度为60次/min，我们设计工作台转速也是60r/min，传动机构采用传动比为1的直齿圆锥齿轮，电动机转速nw也为60r/min，算出电机的角加速度(rad / s2) ：

角加速度 =2πnw/60t=0.047 rad / s2

3．电机负载力矩

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伺服系统带动被控对象，控制对象的负载很复杂，难以用简单的数学表达式来描述。因此，在工程设计中常对负载作合理的简化，设计中只考虑惯性转矩。

在旋转运动中，物体的转动惯量 J 对应于直线运动中的物体质量。要计算系统在加速过程中产生的动态载荷，就必须计算物体的转动惯量J 和角加速度，然后得惯性力矩。

对旋转机械系统，输出轴上的负载力矩等效到电机轴上的等效力矩为

=30.05×0.047/0.95=0.049

其中：=30.05kg·㎡，为角加速度(rad /s2)，η为传动系统的效率。一般每对锥齿轮副的传动效率η为0.93～0.96，取0.95。

根据计算出的力矩T 再加上一定的安全系数K，即可选电机型号。即用K×T来初选电机的最大静转矩，对于开环控制一般在2.5~4之间，取3，则K×T=0.147N·m。

由此选择不进电机最大静转矩，选取45BF003型三相反应式步进电机。 下表列出了该电机的一些典型参数见表3-1： 型号 步距角 相数 电压 电流 最大静转距 0.096 空载运空载启行频率 动频率 转动 惯量 0.015 45BF003 1.5/3 3 27 2.5 3000 27000 表3-1 步进电机的参数

图3-2 45BF003型三相反应式步进电机

图3-2是45BF003型三相反应式步进电机的外形图，要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将COM端标识为C，只要AC、 C、BC、 C，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将COM端接正电源，那么只要用开关元件（如三极管），将A、B、C 轮流接地。

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图3 单片机控制35BY48S03 型步进电机的电路原理图

3.2 单片机的微机接口

3.2.1 工作电源及复位电路

单片机的工作电压范围为2.7~5.5V，在本设计中的单片机的工作电压是5V。单片机上RESET和微机上的RESET有异曲同工之妙。RESET复位引脚上的低电压

引发外部复位，单片机就恢复到初始状态。在此，我们使用简单的RC电路便可以满

足要求该设计。

单片机上的其中的复位电路如图3-3所示，

图3-3工作电源及复位电路

其工作原理如下：

系统上电复位：在系统上电时，通过电阻R2向电容C3充电，当电容C3两端的电压未达到高电平的门限电压时，RESET端输出为低电平，系统处于复位状态；当C3

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两端的电压达到电平的的门限电压时，RESET端的输出为高电压，系统进入正常的工作状态。

用户手动复位：当用户按下复位键S1时，C3与大地相接，它两端的电荷被放掉，

RESET端输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常的工作状态。另外还可以调节R2、C3的大小来调整复位时间的大小。 3.2.2 CPU时钟电路

XTAL1与XTAL2两引脚内部连接一个可作为CPU时钟源的高增益反相放大

器，它适于构成反馈振荡电路，为此必须从外部向它提供参考频率。如图3-4所示:

图3-4 CPU时钟电路

在两端跨接一个石英晶体振荡器或陶瓷振荡器以及一端接地的两只电容。这里的石英晶体振荡器为一电感性器件，与外接其上的电容构成并联谐振回路，为片内振荡器提供正反馈和振荡所必须的相依条件，从而构成一个自激振荡器。

1）VCC（40）：电源+5V。

2）VSS（20）：接地，也就是GND。

3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。

4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。

5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。 6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 7）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择端。 8）P0口（39-32）：双向I/O口。 9）P2口（21-28）：准双向I/0口。

3.3 单片机的选择：

ATS51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes

ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令

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系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的ATS51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

ATS51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，ATS51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 3.3.1．主要特性：

• 8031 CPU与MCS-51 兼容

• 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) • 全静态工作：0Hz-24KHz • 三级程序存储器保密锁定 • 128*8位内部RAM • 32条可编程I/O线

• 两个16位定时器/计数器 • 6个中断源

• 可编程串行通道

• 低功耗的闲置和掉电模式 • 片内振荡器和时钟电路

3.3.2．管脚说明：

VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1）

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P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

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图3-5 ATC51的引脚图

3.4 传感器的选择

光栅式传感器在几何量测量领域中有着广泛的应用。与长度（或直线位移）和角度（或角位移）测量有关的精密仪器都经常使用光栅式传感器。此外，在测量振动、速度、应力、应变等机械量测量中也有应用。

在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。 3.4.1 光栅式传感器的特点：

①精度高。光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的。

②大量程测量兼有高分辨力。感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器。

③可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。

④具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。

光栅式传感器在几何量测量领域中有着广泛的应用。与长度（或直线位移）和角度（或角位移）测量有关的精密仪器都经常使用光栅式传感器。此外，在测量振动、速度、应力、应变等机械量测量中也有应用。 3.4.2 计量光栅的种类

利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量称为计量光栅。计量光栅种类很多，按基体材料的不同主要可分为金属光栅和玻璃光栅；按刻线的形式不同可分为振幅光栅和相位光栅；按光线的走向又可分为透射光栅和反射光栅；按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。本节按用途对计量光栅进行介绍。

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（一）长光栅

长光栅用于长度或直线位移的测量，它的刻线相互平行，图7-22所示为一种玻璃长光栅。长光栅有时也称为光栅尺。长光栅栅线的疏密常用每毫米长度内的栅线数（也称栅线密度）来表示，例如栅线间距W=0.02mm时，栅线密度为50线/mm。

长光栅有振幅光栅和相位光栅两种形式。振幅光栅是对入射光波的振幅进行调制，也叫黑白光栅，它又可分为透射光栅和反射光栅两种。在玻璃的表面上制作透明与不透明间隔相等的线纹，可制成透射光栅；在金属的镜面上或玻璃镀膜（如铝膜）上制成全反射或漫反射相间，二者间还有吸收的线纹，可制成反射光栅。相位光栅是对入射光波的相位进行调制，它也有透射光栅和反射光栅两种形式，透射光栅是在玻璃上直接刻划具有一定断面形状的线条，图7-23所示为一种对称形刻线的相位光栅。反射式相位光栅通常是在金属材料上用机械的方法压出一道道线槽，这些线槽就是相位光栅的刻线。振幅光栅与相位光栅相比，突出的特点是容易复制，成本低廉，这也是大部分光栅传感器都采用振幅光栅的一个主要原因。

2．圆光栅

刻划在玻璃圆盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘，用来测量角度或角位移。圆光栅的参数多使用整圆上刻线数或栅距角（也称节距角）来表示，它是指圆光栅上相邻两条栅线之间的夹角。

根据栅线刻划的方向，圆光栅可分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心，如图7-24a所示，另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点几到几个毫米的小圆相切，如图7-24b所示。切向光栅适用于精度要求较高的场合。圆光栅只有透射光栅。 3.4.3 莫尔条纹

莫尔条纹是光栅式传感器工作的基础。 （一）形成莫尔条纹的光学原理

（7-17）

式中 W1——标尺光栅1的光栅常数； W2——指示光栅2的光栅常数； ——两光栅栅线的夹角。 莫尔条纹有如下重要特性： 1．运动对应关系

莫尔条纹的移动量和移动方向与两光栅的相对位移量和位移方向有着严格的对应关系。在图7-25中，当主光栅1向右运动一个栅距W1时，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B；如果主光栅1向左运动，莫尔条纹则向上移动。光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向判定光栅的位移量和位移的方向。

2．位移放大作用

由于两光栅的夹角很小，若它们的光栅常数相等，设为W，从式（7-18）可得到如下近似关系

（7-19）

明显看出，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为1/。所以尽管栅距很小，难以观察到，但莫尔条纹却清晰可见。这非常有利于布置接收莫尔条纹信号的光电器件。

3．误差平均效应

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莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，在很大程度上消除了栅线的局部缺陷和短周期误差的影响, 个别栅线的栅距误差或断线及疵病对莫尔条纹的影响很微小，从而提高了光栅传感器的测量精度。

上述讨论是假设两光栅的栅线平行时双光栅的衍射现象。当栅线不平行时，两光栅的栅线相交，接近于棱形孔的衍射。

（二）莫尔条纹的种类 1．长光栅的莫尔条纹

当取不同的光栅常数W1、W2和栅线夹角时，根据式（7-18）可以得到不同的莫尔条纹图案。

（1）横向莫尔条纹 当两光栅栅距相等W1＝W2=W时，以夹角相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。图7-25所示就是横向莫尔条纹。莫尔条纹的宽度可由式（7-19）近似求得。

（2）光闸莫尔条纹 当W1=W2=W，且 =0时，由式（7-18）可知，莫尔条纹的宽度趋于无穷大，两光栅相对移动时，对入射光就像闸门一样时启时闭，故称为光闸莫尔条纹。两光栅相对移过一个栅距，视场上的亮度明暗变化一次。图7-27为两光栅在不同的相对位置时视场变化情况。

上述两种莫尔条纹在长光栅中应用最多。此外，在W1 =W2的条件下，若 =0，得到纵向莫尔条纹；若W=0，得到斜向莫尔条纹。这二者极少应用。

2．圆光栅的莫尔条纹

圆光栅的莫尔条纹种类繁多，而且形状复杂。

（1）径向光栅莫尔条纹 在几何量测量中，径向光栅主要使用两种莫尔条纹：圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔条纹。

①圆弧形莫尔条纹。两块栅距角 相同的径向光栅以不大的偏心叠合，如图7-28所示。在光栅的各部分栅线的交角 不同，便形成了不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。可以证明，这种莫尔条纹是对称的两簇圆形条纹，它们的圆心排列在两光栅中心连线的垂直平分线上。

这种莫尔条纹的宽度不是定值，它随条纹位置的不同而不同。位于偏心方向垂直位置上的条纹近似垂直于栅线，称这部分为横向莫尔条纹。沿着偏心方向的条纹近似平行于栅线，成为纵向莫尔条纹。在实际使用中，主要应用横向莫尔条纹这部分。

②光闸莫尔条纹。将栅距角 相同的两块圆光栅同心叠合时，得到与长光栅中相类似的光闸莫尔条纹。主光栅转过一个栅距角 ，透光亮度变化一个周期。

(2)切向光栅的莫尔条纹 两块切向相同、栅距角 相同的切向光栅栅线面相对同心叠合时，形成的莫尔条纹是以光栅中心为圆心的同心圆簇，称为环形莫尔条纹，如图7-29所示。

环形莫尔条纹的突出优点是具有全光栅的平均效应，因而可用于高精度的圆光栅传感器。

用两个圆光栅组成角度或角位移传感器时，一般让其中一块随主轴转动，称为标尺光栅；另一块光栅固定不动，称为指示光栅。指示光栅通常并不是一个圆盘，而是若干小块，安放在主光栅圆周的几个特定位置上。 3.4.4 光栅式传感器

光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的。光栅传感器一般由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件组成，光电器件接收到的信号经电路处理后可得到两光栅的相对位移。光栅式传感器有多种不同的光学系统，其中，比较常见的有透射式光栅传感器和反射式光栅传感器。

（一）透射式光栅传感器

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图7-30和图7-31分别为透射式长光栅和圆光栅传感器。这里采用的光源是发光二极管，有的发光二极管本身将透镜集成在一起，光线平行性比较好，不需要外加透镜。有的发光二极管本身没有集成透镜，需外加透镜改善光线的平行性。另外白炽灯也常用作光栅传感器的光源。标尺光栅和指示光栅形成莫尔条纹，这里采用的指示光栅是一种裂相光栅，一般由四部分组成，每一部分的刻线间距与对应的标尺光栅完全相同，但各个部分之间在空间上依次错开nW+W/4（n为整数，W为长光栅的栅距或者圆光栅的栅距角）的距离，指示光栅与标尺光栅刻线平行放置，它们之间形成光闸莫尔条纹（也可采用指示光栅与标尺光栅刻线间有很小的夹角，形成横向莫尔条纹），用光电器件分别接收裂相光栅四个部分的透射光，可以得到相位差依次为 /2的四路信号

（7-20）

（7-21）

（7-22）

（7-23）

式中 U0——电信号的直流电平，对应于莫尔条纹的平均光强； Um——电信号的幅值，对应于莫尔条纹明暗的最大变化。

这四相电信号的后续处理过程是：首先将u1、u3和u2、u4分别两两相减，消除信号中的直流电平，得到两路相位差为90 的信号，然后将它们送入专门的电子细分和辨向电路，可以实现对位移的测量。需要说明的是，相位差为90 的两路信号是辨向电路所必需的，单独一路信号无法实现辨向。

（二）反射式光栅传感器

典型的反射式光栅传感器原理如图7-32所示。发光二极管经聚光透镜形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成，光电器件接收莫尔条纹的光强。

这种光路的传感器一般用在数控机床上，主光栅常为金属光栅，它坚固耐用，而且线膨胀系数与机床基体的线膨胀系数接近，能减小温度误差。

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采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10～100线／毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。这种传感器的优点是量程大和精度高。光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。

3.5 传动机构设计

本设计中是把水平方向的旋转转换成竖直方向的旋转，所以选用直齿圆锥齿轮，传动比为1。

直齿圆锥齿轮是机械工业中广泛使用传递两相交轴之间运动和动力的重要基础零部件，它的绘图工作繁杂费时。而这类零件大部分具有相似的结构和形状，在新产品的设计和图纸绘制过程中，不可避免要反复修改，进行零件形状、尺寸的综合协调和优化。因此，应用参数化建模技术有非常重要的经济效用和现实作用，对于提高设计效率和保证设计质量也具有重要意义。

圆锥齿轮主要用于几何轴线相交的两轴间的传动，其运动可以看成是两个圆锥形摩擦轮相切作纯滚动，该圆锥即节圆锥。与圆柱齿轮相似，圆锥齿轮也分为分度圆锥、齿顶圆锥和齿根圆锥等。但和圆柱齿轮不同的是轮齿的厚度沿锥顶方向逐渐减小。锥齿轮的轮齿也有直齿和斜齿两种，本设计选用直齿圆锥齿轮。

图5-19 圆锥齿轮的基本尺寸

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3.6 工作台的设计

我们设计工作台在水平方向上旋转，圆盘形，上面平均分布三个冲孔，用于上料、冲压、下料循环工作，工作速度为60次/分钟。通过轴与圆锥齿轮相连来工作。

3.7 硬件的总体逻辑设计

单片机控制步进电机就是用单片机发出脉冲信号,经过驱动单元驱动步进电机工作，同时可以利用外围电路控制步进电机的状态,显示其工作状态。针对本设计,采用模块化设计，每个模块完成一项功能，便于系统调试与扩展。系统示意框图3-15所

示 。

键盘控制 单片机 脉冲分配器 驱动电 路 步进电机 转速显示 图3-15系统示意图

步进电动机工作，需要步进电机线圈的励磁信号，还需要功率放大器根据该信号产生驱动电流。专门为步进电机设计的环形分配器和功率驱动器可以实现这种功能根据设计要求，通过单片机IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片L298N,L298N对相脉冲信号进行放大，驱动步进电机转动。采用4*4行列式键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS1作为4位单个数码管的显示驱动。

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第四章 软件部分

总的步进电机主程序流程图如图4-1所示。

图4-1总的步进电机主程序流程图

4.1 步进电机控制部分

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图4-4 步进电机中断服务子程序流程框图

三相单三拍控制程序清单： T_CON:PUSH A ；保护现场 PUSH PSW MOV R7,#N ；设定控制步数 JNB FLAG,LEFT ；判断旋转方向 RIGHT: MOV R0,RM ；正转模型起始地址 AJMP ROTATE LEFT: MOV R0,LM ROTATE:MOV A,@R0 ；取第一拍控制模型 MOV P1,A ；输出第一拍控制模型 ACALL DELAY1；延时 INC R0

MOV A,@R0 ；取第二拍控制模型 MOV P1,A ；输出第二拍控制模型

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ACALL DELAY1 ；延时 INC R0 MOV A,@R0 ；取第三拍控制模型 MOV P1,A ；输出第三拍控制模型 ACALL DELAY1 ；延时 DJNZ R7,ROTATE ；未走完要求的步数，继续 POP PSW ；恢复现场 POP A RET ；返回

4.2 加减速控制部分

图4-5加减速控制程序流程框图

步进电机的加减速定位控制程序清单

JJKZ :MOV RO，#20H ；取状态计数值 INC @R0 ；计数器加一，正转一步 MOV P1,@R0 ；送输出口 CLR EA ；关一切中断 INC R0 ；指针指向绝对坐标值 INC @R0 ；绝对坐标值加一

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TIM1:SETB EA ；重新开中断 CJNE R4,#24H,TIM4 ；测试R4，判断是哪个阶段

MOV R0,#24H ；是升速段 DEC @R0 ；升速步数减一 TIM2:SJNE R3,TIM3 ；判断该档走完否，否转 INC R1 ；走完，增一档 MOV A,R1 ；计算该档步数 MOV B,#DATA ；#DATA为立即数，即N MUL AB MOV R2,A TIM3:MOV A,24H ORL A,25H JNZ TIM9 MOV R4,#26H TIM4:CJNE R4,#26H,TIM6 MOV R0,#26H DEC @R0 CJNE @R0,#0FFH,TIM5 INC R0 DEC @R0 CJNE @R0,#0FFH,TIM5 INC R0 DEC @R0 TIM5: MOV A,26H ORL A,27H ORL A,28 JNZ TIN9 MOV R4,,#29H DEC R1 MOV A,R1 MOV B,#DATA MUL A,B MOV R3,A SJMP TIM9 TIM6 MOV R0,#29H DEC @RO CJNE @R0,#0FFH,TIM7 INC R0 DEC @R0 TIM7:DJNE R3,TIM8 DEC R1 MOV A,R1 MOV B,#DATA MUL A,B MOV R3,A ；存好该档步数 ；判断升速结束否 ；判断是恒速段否，否转 ；是，恒速步数减一 ；判断恒速段结束否 ；结束，则重置指针指降速 ；准备降速第一档步数 ；转重新装载 ；处理降速段 ；降速段步数减一 ；判断该档走完否，否转 ；走完，降速段走完否 ；计算该档步数 ；存好步数 27

；未结束，转重新装载

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TIM8:MOV A,29H ；判断降速段走完否 ORL A,2AH JNZ TIM9 ；未完，转重新装载 CLR TR0 ；完成，则停定时器 SJMP TIM10 TIM9: MOV DPTR,#8F00H ；开始准备装载定时器 MOV A,R1 ；取速度字 RL A ；乘2，因每档占两字节 MOV B,A MOVC A,@A+DPTR CLR TR0 ADD A,TL0 MOV A,B INC A MOVC A,@A+DPTR ADDC A,TH0 MOV TH0,A SETB TR0 TIM10:RET1

；存低位字节 ；存高位字节 ；存高位字节 ；退出中断

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；取低位字节

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第5章 结 论

本设计以ATS51单片机为控制核心，利用其很好的处理能力，以及丰富的外围接口，步进电机驱动，对冲床自动控制系统进行了很好的控制。

本系统有如下优点： (1)结构简单，控制部分成本低廉，维护方便。

(2)配置灵活、方便、易于扩展，测速部分（测速精度），键盘控制部分留有很大的扩展空间。

这次冲床自动控制系统的综合设计学到了步进电机、单片机及检测装置的使用。学会了采用8位单片机对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时用 4*4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，用ATS51作为4位单个数码管的显示驱动来显示步进电机的转速。

这次设计过程中，通过不断摸索，开拓了思维，同时也解决了不少以前尚未搞明白的问题，使自己的技术知识得到了巩固，提高了自己操作的能力。这次实习中，得到了老师的很多帮助，并在老师的帮助之下，解决了许多疑难问题。对自己的知识面和技术水平的提高有很大的帮助。

通过设计我也认识到自己的不足，对细节的东西学的不到家，对知识深度的挖掘不够。同时我也感悟到与别人合作的快乐，我们通过交流可以很快的学会很多东西。

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致 谢

首先感谢我的指导老师杨老师对我们的指导和教诲。论文写作的指导，您严谨的教学态度使我学到了不少东西。感谢大学生中所有的老师对我的指导和教诲。他们渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。他们兢兢业业的治学态度也给我很大的影响。

另外，我还要特别感谢一起度过大学生活的兄弟姐妹，潜移默化中我从你们身上学到了不少东西。感谢我的小组成员，我们的合作是我学到了许多东西。

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢，正是你们充实了我的大学生活，虽然有不少坎坷，但一路走过，我无怨无悔，这一段美好的生活，必将成为我生命中永不褪色的回忆。

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参考文献

[1] 梅丽凤.王艳秋.汪毓铎.单片机原理及接口技术[M].清华大学出版社.2004.2

[2] 王永章.机床的数字控制技术[M].哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社.1996 [3] 楼然苗李光飞著.51系列单片机设计实例[C].北京航天航空大学出版社.2001.

[4] 先锋工作室. 单片机程序设计实例[M].清华大学出版社.2002.

[5] 张洪润,蓝清华. 单片机应用技术教程[M].北京:清华大学出版社,1997. [6] 秦曾煌. 电工学[M].北京:高等教育出版社,1999.

[7] 常斗南.等.可编程序控制器原理、应用、实验[M]. 北京:机械工业出版社,1998.

[8] 于海生,等. 微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,1999.

[9] 王福瑞,等. 单片机微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

[10] 刘保延,等. 步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.

[11] 刘国荣. 单片微型计算机技术[M].北京.机械工业出版社,1996.

[12] 王福瑞. 单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

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123456 DD1.原理图：

12345678aDPYabcfbgdeecdfdpgdpDPY_7-SEG_DP3 14 25 36 410 511 612 712345678aDPYabcfbgdeecdfdpgdpDPY_7-SEG_DPDPY_7-SEG_DPDPY_7-SEG_DPaDPYabcfbgdeecdfdpgdpaDPYabcfbgdeecdfdpgdp1234567812345678123AP1.33 14 25 36 410 511 612 73 14 25 36 410 511 612 73 14 25 36 410 511 612 7569BP1.2Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q0Q1Q2Q3Q4Q5QVCCCLKQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6710CCVCC141397VCC/MR74LS1812P1.1CLKC.ABCLKABCLK8Q7GND74LS1812812AB#137Q7GND74LS1ABDVCC/MRQ7GNDVCC/MRVCC/MRQ7GNDVCC149P1.0812VCC149137VCC149137P1.7P1.6P1.5附 录

VCC5VR?VCC40VCCC5A9RESET0.1UFS?42361112+VSS河南机电高等专科学校毕业论文

SVDDR1B1KENA+VSENBSENSEAOUT1SENSEBOUT2SW-PBR2P1.432 74LS1VCCP10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P073938373635343332VCC1234567810KINT1INT0ATS51GNDBT1T0EA/VPX1X2RESETRDWRALE/PPSEN3029VSSATS51RXDTXD1011YP20P21P22P23571012IN1IN2IN3IN4OUT3OUT41314XIX21312CBCRYSTAL1514DC13180.1PFC20.1PFU?VOLTREGX119X218RESET9P20P21P22P23P24P25P26P272122232425262728L298N1GNDVinVout3S1716JC3C430PF2012CON2230PFVCC河南机电高等专科学校毕业论文

2．程序清单：

ORG 0000H SJMP MAIN ORG 000BH SJMP 0023H SJMP KEY ORG 0030H MAIN：MOV SP，#5FH MOV 50H #0 MOV 50H #0 T_CON:PUSH A ；保护现场 PUSH PSW MOV R7,#N ；设定控制步数 JNB FLAG,LEFT ；判断旋转方向 RIGHT: MOV R0,RM ；正转模型起始地址 AJMP ROTATE LEFT: MOV R0,LM ROTATE: MOV A,@R0 ；取第一拍控制模型 MOV P1,A ；输出第一拍控制模型 ACALL DELAY1 ；延时 INC R0

MOV A,@R0 ；取第二拍控制模型 MOV P1,A ；输出第二拍控制模型 ACALL DELAY1 ；延时 INC R0 MOV A,@R0 ；取第三拍控制模型 MOV P1,A ；输出第三拍控制模型 ACALL DELAY1 ；延时 DJNZ R7,ROTATE ；未走完要求的步数，继续 POP PSW ；恢复现场 POP A RET ；返回 KEY1: ACALL KS1 ；有无键按下子程序 JNZ LK1 ；有键按下，转去抖延时 AJMP KEY1 ；无键按下，继续扫描 LK1: ACALL DELA12 ；12ms延时程序调用 ACALL KS1 ；判断键是否真正按下 JNZ LK2 ；有键按下，转逐列扫描 AJMP KEY1 ；无键按下，继续扫描 LK2: MOV R2,#0FEH ；设置首列扫描字 MOV R4,#00H ；保存首列号 LK4: MOV DPTR,#7F01H ；列扫描字送至PA口 MOV A,R2 MOVX @DPTR,A

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INC DPTR ；指向PC口 INC DPTR MOVX A, @DPTR ；读入行状态 JB ACC.0, LONE ；第0行无键按下，转LONE MOV A, #00H ；有键按下，设置行首键号 AJMP LKP ；转求键号 LONE:JB ACC.1, LTWO ；第1行无键按下，转LTWO MOV A, #08H ；有键按下，设置行首键号 AJMP LKP ；转求键号 LTWO:JB ACC.2, LTHR ；第2行无键按下，转LTHR MOV A, #10H ；有键按下，设置行首键? AJMP LKP ；转求键号 LTHR:JB ACC.3,NEXT ；第3行无键按下，查下一列 MOV A,#18H ；有键按下，设置行首键

LKP: ADD A,R4 ；求键号，键号=行首键号+列号 PUSH ACC LK3: ACALL KS1 ；等待键释放

JNZ LK3 ；键未释放，继续等待 POP ACC ；键释放，键号送A AJMP OVER ；键扫描结束

NEXT:INC R4 ；列号加1，指向下一列 MOV A,R2 ；判断4列扫描完否 JNB ACC.7,KND ；4列扫描完，继续 RL A ；扫描字左移一位 MOV R2,A ；送扫描字 AJMP LK4 ；转下一列扫描 KND:AJMP KEY1 OVER:RET ；键扫描结束 KS1: MOV DPTR,#7F01H ；指向PA口 MOV A,#00H ；设置扫描字 MOVX @DPTR,A ；扫描字送PA口 INC DPTR INC DPTR

MOVX A,@DPTR CPL ；以高电平表示有键按下 ANL A,#0FH ；屏蔽高4位 RET ； DISP: PUSH 00H ；压入堆栈 PUSH 07H PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL MOV R0,#53H MOV R7,#8 MOV DPTR,#TABLE1

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CLR P1.1 DPLOOP0:MOV A,@R0 ；查表 MOVC A,@A+DPTR DPLOOP1:RRC A MOV P1.0,C SETB P1.1 CLR P1.1 DJNZ R7,DPLOOP1 MOV R7,#8 DEC R0 CJNE R0,#4FH,DPLOOP0 POP DPL POP DPH POP ACC POP 07H POP 00H RET TABLE1: DB 11H,7DH,23H,29H,4DH DB H,81H,3DH,01H,09H DIVD: CLR C MOV A,R3 SUBB A,1001011000 MOV A,R2 SUBB A,R6 JC DVD1 SETB OV RET DVD1: MOV B,#10H DVD2:CLR C MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV A,R3 RLC A MOV R3,A XCH A,R2 RLC A XCH A,R2 MOV F0,C CLR C SUBB A,R7 MOV R1,A 35

；显示数地址表

；被除数除600 ；溢出 ；计算双字节商 ；部分商和余数同时左移一位 ；保存溢出位

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MOV A,R2 SUBB A,R6 ANL C,/F0 ；结果判断 MOV R2,A ；够减，存放新的余数 MOV A,R1 MOV R3,A INC R5 ；商的低位置1 DVD3: DJNZ B,DVD2 ；计算完十六位商（R4R5） MOV A,R4 ；将商移到R2R3中 MOV R2,A MOV A,R5 MOV R3,A CLR OV RET D20MS: PUSH 07H PUSH 06H MOV R7,#40 JJKZ :MOV RO，#20H INC @R0 MOV P1,@R0 CLR EA INC R0 INC @R0 TIM1:SETB EA CJNE R4,#24H,TIM4 MOV R0,#24H DEC @R0 TIM2:SJNE R3,TIM3 INC R1 MOV A,R1 MOV B,#DATA MUL AB

MOV R2,A TIM3:MOV A,24H ORL A,25H

JNZ TIM9 MOV R4,#26H TIM4:CJNE R4,#26H,TIM6 MOV R0,#26H DEC @R0 CJNE @R0,#0FFH,TIM5 INC R0 DEC @R0 CJNE @R0,#0FFH,TIM5

；设标志 ；取状态计数值 ；计数器加一，正转一步 ；送输出口 ；关一切中断 ；指针指向绝对坐标值

；绝对坐标值加一 ；重新开中断 ；测试R4，判断是哪个阶段 ；是升速段 ；升速步数减一 ；判断该档走完否，否转 ；走完，增一档 ；计算该档步数 ；#DATA为立即数，即N ；存好该档步数 ；判断升速结束否 ；判断是恒速段否，否转 ；是，恒速步数减一 36

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INC R0 DEC @R0 TIM5: MOV A,26H ；判断恒速段结束否 ORL A,27H ORL A,28 JNZ TIN9 ；未结束，转重新装载 MOV R4,,#29H ；结束，则重置指针指降速 DEC R1 ；准备降速第一档步数 MOV A,R1 MOV B,#DATA MUL A,B MOV R3,A SJMP TIM9 TIM6 MOV R0,#29H DEC @RO CJNE @R0,#0FFH,TIM7 INC R0 DEC @R0 TIM7:DJNE R3,TIM8 DEC R1 MOV A,R1 MOV B,#DATA MUL A,B MOV R3,A TIM8:MOV A,29H ORL A,2AH JNZ TIM9 CLR TR0 SJMP TIM10 TIM9: MOV DPTR,#8F00H MOV A,R1 RL A MOV B,A

MOVC A,@A+DPTR CLR TR0 ADD A,TL0 MOV A,B INC A MOVC A,@A+DPTR ADDC A,TH0 MOV TH0,A SETB TR0 TIM10:RET1 ；转重新装载 ；处理降速段 ；降速段步数减一 ；判断该档走完否，否转 ；走完，降速段走完否 ；计算该档步数 ；存好步数 ；判断降速段走完否 ；未完，转重新装载 ；完成，则停定时器 ；开始准备装载定时器 ；取速度字 ；乘2，因每档占两字节 ；取低位字节 ；存低位字节 ；存高位字节 ；存高位字节

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