毕业论文（设计）基于嵌入式系统的机械手伺服控制系统设计

1、基于嵌入式系统的机械手伺服控制系统设计摘 要嵌入式系统是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”它是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成.本文介绍的是基于STC89C52单片机控制的机械手的伺服控制系统设计，以步进电机作为驱动元件，编码器作为反馈的半闭环伺服系统1。利用单片机自身带的定时中断，I/O输出以及将一些外围器件等有机结合取来，实现用按键对步进电机的连续调速，实时控制与显示步进电机的工作方式。另外，采用优化合理的步进电机驱动电路，用软件编程等精确控制技术，使整个系统工

2、作稳定可靠并能应用于机械手的实际抓取工作。针对机械手的抓取动作控制的步进电机驱动控制系统的硬件、软件进行了设计与实现。硬件部分主要包括基于proteus的系统原理图的设计、仿真和PCB电路板的制作。软件设计主要包括C语言在程序设计中的应用，用键盘输入控制步进电机的运转方式以及将运行状态显示于液晶屏，在生产实际应用中效果良好。关键词：STC89C52单片机;步进电机;机械手AbstractEmbedded system is a kind of fully controlled device, designed for specific applications of special compu

3、ter system it is a control program stored in ROM embedded processor in the control panel.The core of the embedded system is made up of one or a few programming to perform a few several tasks in advance of the microprocessor or microcontroller.the paper is based on STC89C52 single-chip microcomputer

4、control of servo control system design of the manipulator, with stepping motor as driving element, the encoder as a half closed loop servo system of feedback,the microcontroller itself with the timer interrupt,I/O output and peripheral devices combine to achieve a continuous speed control with butto

5、ns on the stepper motor,stepper motor real-time control and display of ways of working.In addition,the optimization of stepper motor drive circuit,software programming and precise control of the whole system is stable and reliable and can be applied to actual grab work of the manipulator.For the man

6、ipulator grasping motion control of stepper motor drive control system hardware,software design and implementation.The hardware part includes the system schematic diagram based on the proteus,simulation and PCB circuit board production.The software includes C language programming,with the keyboard i

7、nput to control the stepper motor works,and will run the state displayed on the LCD screen to good effect in the actual production application.Key words: STC89C52 single-chip microcomputer;Stepping Motor;manipulatorI 目 录摘要Abstract第一章 绪论1 1.1 前言11.1.1步进电机的控制系统11.1.2步进电机驱动技术基本类型2 1.2课题景景3第二章 控制系统概述4 2

8、.1步进电机概述42.1.1步进电机定义42.1.2感应子式步进电机工作原理4 2.1.3驱动控制系统框图6 2.2课题国内外研究现状分析72.2.1 步进电机驱动控制系统发展史 72.2.2 现阶段国内外步进电机驱动的常用方式8第三章 机械手控制方案规划8 3.1 设计内容概述8 3.2 系统功能概述9 3.3 系统原理介绍9第四章 机械手驱动控制系统硬件概述10 4.1 STC89C52单片机11 4.1.1单片机引脚说明14IV 4.2晶体振荡器15 4.3 TB6560驱动芯片16 4.4液晶显示器件17 4.5 步进电机的选择18 4.6 电源芯片21第5章 机械手驱动控制系统模块电

9、路22 5.1稳压电源电路模块22 5.2复位电路模块23 5.3晶振电路模块23 5.4液晶显示接口电路模块24 5.5电机驱动电路模块245.5.1 电机控制芯片说明255.5.2 电机驱动电路设计28 5.6 按键电路模块30 5.7 电路模块可行性分析31第六章 步进电机驱动控制系统软件设计31 6.1 单片机主程序流程和初始化程序32 6.2 按键扫描及定时中断控制程序346.2.1 电机调速控制分析346.2.2 步进电机调速程序流程图及C程序35 6.3 反馈信号分析与控制程序396.3.1 数字PID控制器396.3.2 反馈控制程序40 6.4 数码管显示模块42 6.5 单

10、片机脉冲产生函数45 6.6 创建程序编译文档46第7章 印刷电路板绘制50第8章 硬件调试程序51第9章 总结54致谢55参考文献56 IX 第一章 绪论1.1 前言伺服系统一般可分为开环、闭环和半闭环三种类型。对于精度要求较高的控制，开环系统一般难以满足要求，而闭环系统由于安装、调试等多方面的原因,往往实现比较困难,因此,在大量的实际系统中常常是半闭环的系统。所谓半闭环系统,是指测量信号取自电机轴上或进给丝杠头上,它主要侧重于电气系统的补偿,其系统精度低于全闭环系统,但却比全闭环系统简单,调试容易得多。为了提高机械精度,可以通过对机械的反向间隙和丝杠的螺距误差进行补偿来弥补半闭环的不足。由

11、于本设计中的精度要求不是很高，采用半闭环控制步进电机比较简单、经济和稳定，也能较好的满足精度要求。 1.1.1步进电机的控制系统目前市场上步进电机的控制系统多种多样，但究其控制手段而言，主要可以分为以下几种：1.基于电子电路控制步进电机受电脉冲信号控制,电脉冲信号的产生!分配!放大全靠电子元器件的动作来实现由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱,因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体,构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单,功能强大,可实现一般步进电机的细分任务这个系统由三部分组成:脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图l一1所示

12、：1-1 基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制,也可闭环控制。开环时,其平稳性好,成本低,设计简单,但未能实现高精度细分。采用闭环控制,即能实现高精度细分,实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度,然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数,功能相对较单一,如需改变控制方案,必须需重新设计,因此灵活性不高。2.基于单片机控制采用单片机来控制步进电机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器,达到了对步进电机的最佳控制系

13、统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路由于单片机的强大功能,还可设计大量的外围电路,键盘作为一个外部中断源,设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能,采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,完成对步进电机的最佳控制,显示器及时显示正转!反转速度等状态环形分配器其功能由单片机系统实现,采用软件编程的办法实现脉冲的分配。本方案有以下优点(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制,避免了失步!振荡等对控制精度的影响;(2) 用软件代替环形分配器,通过对单片机的设定,用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动,大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强

14、大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合,大大提高系统的交互性。基于以上优点,本次设计采用基于单片机的控制方案。3.基于PLC的控制PLC也叫可编程控制器,是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器,由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲,控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量,同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度,进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PL

15、C输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器,也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多,特别是步进电机绕组相数大于4时,对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器,虽然硬件结构稍微复杂些,但可以节省PLC资源,目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大,达到比较大的驱动能力,来驱动步进电机。采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电机驱动器,降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到

16、几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响,步进电机不能在高频下工作,无法实现高速控制并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响,相应的控制精度就降低了。1.1.2步进电机驱动技术基本类型步进电动机上个世纪就出现了,它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别,也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后,由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现,步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电,同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止,步

17、进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用,它的优点是结构简单、成本低;缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗,尤其是在高频工作时更加严重,因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻,用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振,也带来了损耗大!效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不

18、高的场合。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少,在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率,而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流,即采用加大绕组电流的注入量以提高出力,而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机,其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形,致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。为了弥补高低压电路中电流波形的下凹,提高输出转矩,七十年代中期研制出斩波电路,该电路由于采用斩波技术,使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动,流过绕组的有效电流相应增加,故电机的输出转矩增大,而且不需外接电阻,整个系统

19、的功耗下降,效率较高,因而恒流斩波电路得到了广泛应用，为改善恒流驱动方式的低频特性,设计一个低速时低电压驱动,高速时高电压驱动的电路,使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时,电子控制器调节功率开关管的导通角,使线路输出的平均电压较低,电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象,从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时,平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路,但实际运行中需要针对不同参数的电机,相应调整其输出电压与输入频率的特性。细分驱动是指在每次脉冲切换时,不是将绕组的全部电流通入或切除,而是只改变

20、相应绕组中电流的一部分,电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时,绕组电流不是一个方波而是阶梯波,额定电流是台阶式的投入或切除。比如:电流分成n个台阶,转子则需要n次才转过一个步距角,即细分驱动最主要的优点是步距角变小,分辨率提高,且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩;其次,减弱或消除了步进电机的低频振动,降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃5。本课题的研究思路即为：采用单片机作为控制核心，实现对步进电机的精确控制。并将这种控制系统应用在机械手自动抓取产品中，增加了该控制系统的实效性和操作性。同时，由于单片机的高速性和精确

21、性使得系统的设计在大为简化的同时又能实现精确控制，且应用成本低廉，因此可广泛应用在各行各业中。1.2 课题背景本课题是基于六自由度机械手2的控制系统设计，作为现在企业生产线上的一大核心，机械手越来越能为企业提升生产效率，提高产品质量，随着人口红利的逐渐下降，企业用工成本不断上涨，现在大多企业都面临着转型，而工业机械手成为最好的替代方式，用工业机器人可以降低废品率和产品成本，提高了机床的利用率，降低了工人误操作带来的残次零件风险等，其带来的一系列效益也十分明显，例如减少人工用量、 减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等。机器人具有执行各种任务特别是高危任务的能力，平均故障间隔期达600

22、00小时以上，比传统的自动化工艺更加先进。智能化、仿生化是工业机器人的最高阶段，随着材料、控制等技术不断发展，实验室产品越来越多的产品化，逐步应用於各个场合。本课题的研究本着理论结合实践的工程目的，将现代工业自动化控制融入到企业生产实践中，通过资料的查询、设计方案的论证、电路原理的设计总结和软件程序的编制，最终实现对单片机控制步进电机从而控制机械手运动的研究目的。因此，本课题具有一定的工程应用价值。第二章 控制系统概述 2.1 步进电机概述2.1.1 步进电机的定义步进电机指的是以数字脉冲信号作为电机线或角位移的控制信号，并以数字脉冲频率对电机的转速进行控制的动力控制系统。在负载正常范围的情况

23、下，步进电机的运行状态只和数字脉冲发生器提供的信号的频率和脉冲占空比有关，在一般情况下，电机的状态不受负载的影响。电机的运行角度只和每次所给予的脉冲信号强度有关，而电机的运行速度也只和脉冲信号的频率有直接关系。这种采用弱电控制强电的控制方式使得步进电机在速度、位移等控制领域有着普通电机不能比拟的优势。2.1.2感应子式步进电机工作原理（一）反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、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。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相

24、对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：图 2-1步进电机转子展开图2、旋转：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1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。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1/3，此时齿4与A偏移为1/3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，

25、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）1/3,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-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进

26、电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比图2-2其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积，F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。（二）感应子式步进电机1、特点：感应子式步进电机与传

27、统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式，一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机

28、，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。2、分类感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。2.1.3 驱动控制系统框图步进电机控制系统有着精确控制、运行稳定的特性，这一其他电机不能比拟的优势使得步进电机得到了广泛的应用。而一般对步进电机控制系统的驱动必须要包含脉冲信号发生部分，功放部分

29、和驱动控制部分等几个模块电路，我们根据这些通过的模块电路，可将步进电机控制系统的通用框图绘制如下：图2-3 驱动控制系统方框图在图2-3的步进电机驱动控制系统方框图中，控制步进电机运行状态的脉冲信号一般由集成芯片产生，可以使单片机、PLC等智能芯片，也可以是一般的数字电路集成芯片。信号分配环节则要根据步进电机的型号来选择，如四相步进电机有四相四拍和四相八拍2种信号分配的方式；两相步进电机有两相四拍和八拍等脉冲加载形式。功放部分在驱动环节上显得尤为重要。动态平均电流时步进电机转矩大小的决定因素，前提条件是电机的速度。电机力矩与平均电流成正比，驱动系统对电机的反电势消弱越多，则平均电流就越大4。我

30、们一般可以用恒压和恒压串电阻的方法来驱动，或者在条件允许的情况下我们可以用高低压驱动、恒流和细分数等方法来驱动。实际的应用过程中，多采用数字集成驱动芯片作为步进电机的驱动手段。2.2 课题国内外研究现状分析2.2.1 步进电机驱动控制系统发展史20世纪50年代后期晶体管电子器件的发明和应用，人们将它逐渐应用在步进电机的驱动控制中，使得步进电机的数字化、自动化控制变得可行，人们也第一次尝到了机电设备结合运用的甜头，因此步进电机运用的推广页逐步发展起来，比如在冶金、纺织、工业生产等很多方面都出现了步进电机控制的影子。但由于晶体管电路主要由分立元件盒模拟电路构成，其电路结构复杂、电路尺寸大、价格昂贵

31、且电路零点漂移大，因此使得控制步进电机的输出波形很不稳定，想要做到精确控制或者实时监控都是不可能的事情。20世纪70年代以后，微处理器出现，可以利用微处理器结合计算机高级语言软件编程的方式让步进电机的控制手段更为智能和方便，当然也大大提高了其控制系统的精确性。在进入21世纪后，随着工业电子技术、电子集成技术和嵌入式及时的飞速发展，使得步进电机控制系统在硬件和软件控制手段上发生了巨大的变化。在硬件控制手段上，传统的以数字晶体管等大规模集成电路作为控制核心的步进电机系统渐渐淡出了人们的视线，取而代之的是PLC、变频器、单片机、FPGA、DSP等高端智能控制设备和芯片；同时，也出现了与硬件相匹配的软

32、件控制方式，比如可以采用C语言、汇编语言等高级计算机语言结合硬件电路的设计对步进电机控制系统进行编程，以软件和硬件相结合的手段对步进电机控制系统进行全新的控制，同时也出现了Mutisim、Proteus等系统仿真平台软件，可对于步进电机控制系统的开发进行硬件和软件的仿真，在实际系统投入制造之前，通过计算机仿真的手段对设计的系统进行预操作，大大提高了系统开放的成功率和效率。总之，随着科技不断的发展，极大的推动了步进电机驱动控制系统的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。2.2.2 现阶段国内外步进电机驱动的常用方式（1） 变频器控制方式使用变频器对步进电机进行驱动控制时，可以很好的解决步进电机在启动

33、和停止时容易失步的问题，提高了系统的控制精度。但是变频器的应用成本较高，结构和操作也比较复杂，无形中提高了步进电机的控制难度。（2） PLC控制方式使用ABB、西门子、欧姆龙等国际知名PLC生产制造商研发的系列PLC产品可以实现对步进电机的理想化控制，但是基于PLC核心的步进电机控制系统成本高昂，且难以实现精确控制，在本系统中不太适合。（3） 单片机控制方式随着嵌入式系统在工业控制领域中的广泛应用，以单片机特别是8051系列单片机作为控制核心的步进电机控制电路在生产生活领域得到了普及，单片机有着大规模数字集成电路和高成本控制芯片难以比拟的控制优势：体积小、价格便宜、通用性的接口以及编程简易。这

34、些优势使得单片机在各行各业的应用都达到了一个新的高度。本文所设计的步进电机驱动控制系统也是以8051单片机为核心的嵌入式开发控制系统。第三章 机械手控制方案规划3.1 设计内容概述根据前文所述，本系统在研究中采用硬件设计和软件编程相结合的手段对系统进行开发和设计。硬件设计上采用89C52单片机为控制核心，结合外围电路的扩展和通讯实现电路结构的搭建，在软件设计上采用C语言进行程序模块的编制，根据系统需实现的功能按照模块程序流程的编制思想，对系统进行软件编程，整个系统以软件结合硬件的设计思路组建，通过电路原理图的绘制、PCB电路板的搭建和系统仿真等一系列步骤，完成对系统的研究和应用设计，该系统的硬

35、件和软件仿真可在WINDOWS环境下进行，在实际调试的过程中，可以根据程序模块的实际需求进行扩展和修改，并实现即时的更新功能，可以说，该系统的设计具有很好的可移植性。可以运用到机械手的控制上。综上所述,本文需要对以下几个方面内容进行研究:(1)系统硬件的选择。考虑到该系统的设计是要以实践生产作为背景的,因此在设计上应该以流水线生产的要求为标准,加大系统实用性的设计内容。同时,在实现系统功能的前提下要尽量考虑设计成本的缩减,便于该公司对系统产品的大规模生产和推广。(2)系统原理图的设计和绘制。在系统硬件芯片选择完成后,需要根据系统功能进行电路原理图的设计和绘制。具体来说,应该尽量采用典型的电路模

36、块,以适应大规模生产研发的要求,同时,本系统需要在PROTEUS仿真平台下进行预测试,因此,在电路设计时要考虑到仿真元件的可移植性,以便于进行系统硬件仿真。(3)系统软件编程。软件程序的编制要根据硬件电路的功能来进行,尽量采用模块化程序编制的方式进行,层次结构需要清晰可调,同时需要具备与上位机的通讯功能,程序也要具备良好的可移植性,保持严谨的软件开发框架。(4)采用PR0TEL99SE软件完成系统PCB电路板的绘制和制作。考虑到系统在设计完成之后需要投入实际生产,因此需要完成对系统PCB电路板的绘制。(5)系统硬件和软件仿真。在系统设计完成之后,需要对其进行仿真,以验证系统的可行性和稳定性。本

37、系统在软件中采用KEIL软件仿真平台对系统进行仿真,同时根据KEIL生成的HEX文件,结合PROTEUS单片机系统仿真软件,完成对系统硬件的仿真运行,根据仿真运行的结果,对系统的可行性给予充分的评估,为系统最后投入生产提供可靠的保障。3.2系统功能概述基于单片机的步进电机驱动控制系统是一个实际应用与工业生产的系统。针对该公司对生产流水线传动设备所提出的整改要求,我们在综合考虑系统设计等各方面因素后,明确新的流水线传动系统应具备如下功能:硬件部分(1)单片机和步进电机运行所需的平稳电压;(2)液晶显示模块;(3)控制步进电机运行状态的键盘;(5)时钟电路与复位电路;(6)步进电机运行的驱动和功率

38、放大电路设计;(7)用PROTEUS对整个系统进行硬件设计、仿真和对系统输出进行测试。软件部分(1)系统复位初始化;(2)键盘扫描与处理;(3)液品显示器初始化扫描程序;(4)定时器中断服务程序;(5)步进电机正转控制程序;(6)步进电机反转控制程序;(7)步进电机加速控制程序;(8)步进电机减速控制程序;(9)步进电机停转控制程序;(10)步进电机运行节拍控制程序。3.3系统原理介绍本系统以STC89C52单片机作为核心,通过外部扩展其他硬件完成对步进电机运行状态的显示。(参见附录中电路原理图)STC89C52单片机有40个引脚,我们用P3口的P3.0-P3. 4引脚扩展步进电机运行状态控制

39、键盘,设计完成后,包括停止、正转、反转、加速、减速一共五个按键。P1.0,P1.1, P1.2,P1.3四个引脚分别与驱动控制芯片TB6560AHQ的驱动板相连。P0口所有引脚和P2口的部分引脚用于外接数码管液晶显示模块。P0口连接数码液晶显示模块的段选锁存器和位选锁存器,用于单片机和液晶显示模块的数据传输,P2.7,P2. 6分别与锁存器的段选和位选相连，具体来说:P2.7，P2.6为2个所春期的功能开启引脚，在实际工作时,当P2.6为低电平时,锁存DB0-DB7的数据;为高电平时P0口数据传输给锁存器，P2.7为位选锁存器功能与段选相同，当位选锁存器中哪位为低电平时打开对应的数码管。步进电

40、机驱动控制部分采用专用芯片TB6560AHQ进行控制,其输出管脚1C 一 4C连接两相线步进电机的相序控制端。COM端连接+12V电源用于对其工作进行供电。当然TB6560AHQ在接入单片机控制脉冲时必须连接限流电阻,这已经在原理图上反映出来了。由于单片机和步进电机的供电电压分别是+5V和+12V,因此本系统电源部分采用的是双电源供电电路,即釆用一套供电电路,分别输出+5V和+12V电压给系统供电。具体设计上采用从220V市电引入交流电,通过变压器降压得到约15V的交流信号,再通过二极管进行桥式整流得到直流信号,通过滤波电路先与LM7812芯片相连得到+12V电压,再经过滤波处理与LM7805

41、芯片相连得到+5V电压。在实际制作电源PCB电路板的时候,由于电源部分釆用双电源供电且含有较强的交流信号,干扰较大,考虑到步进电机控制系统的稳定性,因此对电源部分单独成板。 3-1系统整体设计方案框图同时,在单片机最小系统中还需要增加时钟电路和复位电路,在具体电路原理图的绘制过程中必须要考虑进去。第四章 机械手驱动控制系统硬件概述 首先,在系统核心控制芯片的选择上,我们釆用STC89C52单片机,STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片

42、机不具备的功能。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。 另外 STC89C52 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

43、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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。因此,STC89C52单片机是一种功能强大,速度快速,灵活性高而且价格便宜的控制芯片,完全可以满足本系统的设计需求。其次,由于单片机输出的脉冲信号非常微弱,不能直接用于驱动步进电机运行,因此需要采用功率驱动芯片。根据上文所述的硬件典型电路模块的设计思路,我们在本系统的设计中采用TB6560AHQ作为系统的功率驱动芯片，电机驱动系统有基于L297、TA8435等芯片的设计方案，这些驱动系统单相驱动电流一般为2A左右，无法驱动更大功率步进电机。TB6560芯片功耗低、内部集成双全桥MO

44、SFET驱动；最高耐压可达40V，单相输出最大电流为3.5A（峰值）；具有整步、1/2、1/8、1/16等细分设置；芯片内置温度保护，温度大于150时自动切断所有输出；具有过流保护功能。再次,考虑到要对系统进行精确控制,因此需要采用人机对话的方式进行,具体来来说,需要采用按键控制实现。在设计中采用5个独立按键完成对系统步进电机运行的控制。独立按键的设计可以很好的节约系统I/O端子,同时在软件编程中也更易操作,达到了设计的初衷。在实际编程时,我们采用按键扫描的方式进行按键程序的编写。最后,通过液晶显示模块显示参数。系统设计需要解决实时监控的问题,同时需要建立可操作的人机通讯液晶显示界面,具体来说

45、，采用了8个数码管进行显示。由于该系统需要+5V, +12V两个电源输入,于是我们采用LM7805, 7812进行稳压。以下,我们对系统所用到的元器件进行详细介绍。4.1 STC89C52 单片机STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥 有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字

46、节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。 另外 STC89C52 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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。特性：8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带2K字节EEPROM存储空间;

47、可直接使用串口下载；AT89S52单片机:8K字节程序存储空间；256字节数据存储空间；自带2KB的EEPROM存储空间;主要参数：1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051；2. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）；3.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz；4. 用户应用程序空间为8K字节；5. 片上集成512 字节RAM；6. 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开

48、路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻；7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8. 具有EEPROM 功能；9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；10.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒；11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；12. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）；13.

49、PDIP封装；图4-1 STC89C52单片机引脚结构图 图4-2 STC89C52内部结构图4.1.1 单片机引脚说明Vcc:电源端子GnD:接地端子P0口: P0 口是一组双向I/O 口且位数为8,它是地址/数据总线公用端口。当它以输出功能工作时,每个端口可驱动8个TTL逻辑门电路同时工作,端口输入高电平为高阻抗状态。在接受外部ROM或RAM时,这些端口可分时作为地址(低8位)和数据总线使用,内部上拉电阻在被访问的时候激活。在进行程序编译的时候,P0口接收指令字节,而输出指令字节则被用在程序校验的时候且必须外接上拉电阻。PI 口:带内部上拉电阻的8位双向数据口,其输出部分可同时驱动(输入或

50、输出电流)4个TTL逻辑门电路。当P1 口输入高电平时,在内部上拉电阻的作用下端口被置高电平,此时当输入口来使用。同时,因为上拉电阻的作用,某个引脚会输出电流信号以抵消外部被拉低的影响。Flash编程和程序校验期间,P1只工作于低8位地址段。P2口:同P1 口,其也是一个带有内部上拉电阻的双向I/O数据,有8位。P2的输出缓冲级可驱动(输入或输出电流)4个TTL逻辑门电路。将端口置高电平,端口被内部上拉电阻拉向高电平,这是作为输入端口应用,同时因为内部存在上拉电阻,某个引脚因受到外部信号的影响也会输出一个电流信号。P2 口输出高8位地址数据来作为在访问外部ROM或16位地址的外部RAM的标志。

51、在访问8位地址的外部RAM (如执行M0VXR2的时候,特殊功能寄存器(SFR) E中R2寄存器的数据,不会因为访问的进行而发生改变。Flash编译程序或进行数据校验的时候,P2也可进行其他控制功能的使用。P3口:同P2口,其也是一个带有内部上拉电阻的双向I/O数据,有8位。P3的输出缓冲级可驱动(输入或输出电流)TTL逻辑门电路数量也为4个。将端口置高电平,端口被内部上拉电阻拉向高电平,这是作为输入端口应用,同时因为内部存在上拉电阻,某个引脚因受到外部信号的影响也会输出一个电流信号。P3口除了作为一般的I/ 0口线外,它的第二功能更显得重要,下表描述了这个功能:图4-3 P3口第二功能图Flash高速存储器编程和程序校验的控制信号也能够被P3 口接收。RST:系统复位端口。要对系统进行复位操作时,必须满足在RST引脚上加载的高电平信号为2个机器周期时间以上。ALE / PROG:当访问外部ROM或RAM时,ALE (地址锁存允许)输出的信号起到锁存地址的低8位字节的作用。就算不访问外部存储器,ALE依旧输出正脉冲信号,其频率为时钟振荡频率的1/6。所以它的作用体现在可对