真空室真空度保持稳定的控制系统设计论.doc

目 录中文摘要1英文摘要.21 绪论31.1 课题研究的目的和意义31.2 国内外研究概况31.3 论文的主要研究内容42 系统设计方案42.1 系统设计原理框图42.2 单片机原理52.2.1 单片机原理概述52.2.3 AT89C51简介63 系统硬件设计83.1 系统整图83.2 电离真空计93.2.1 电离真空计概述93.2.2 热阴极电离真空计的工作原理93.3 电离规信号采集放大电路113.4 A/D转换133.4.1 ADC0809内部逻辑结构133.4.2 ADC0809外部引脚143.4.3 ADC0809转换原理163.4.4 A/D转换电路设计163.5 单片机最小系统173.5.1 时钟电路183.5.2 复位电路193.5.3 状态指示电路193.6 驱动电路203.6.1 步进电机介绍203.6.2 步进电机驱动系统简介213.6.3 步进电机功率驱动电路224 系统软件设计244.1 系统开发软硬件环境244.2 Keil软件介绍244.3 程序设计254.3.1 主程序框图254.3.2 子程序框图274.4 程序代码285 仿真与调试285.1 Proteus软件介绍285.2 Proteus和Keil调试仿真29结论33谢辞33参考文献34附录1 系统电路图35附录2 程序代码37真空室真空度保持稳定的控制系统设计摘要：真空镀膜技术是利用物理、化学手段将固体表面涂覆一层特殊性能的镀膜，达到提高产品质量、延长产品寿命、节约能源和获得显著技术经济效益的作用。但是真空镀膜的时间一般都很长，有的长达几十个小时，真空室真空度的稳定性对膜的生长，成膜质量的好坏有很大的影响。因此，如何保持真空度的稳定，也成为了一个关键性的技术问题。本文简要的介绍了利用单片机实现真空度稳定控制的工作原理，阐述了软、硬件的具体实现方法。该设计主要通过真空计信号采集放大电路，获得与真空室内真空度相对应的模拟电压值,并经过A/D转换器转换为数字量送入单片机，单片机处理后给出相应步进电机正反转信号，带动调节阀转动，改变真空泵抽气量的大小，从而达到稳定真空度的目的。关键词：真空镀膜技术；真空度稳定；单片机；A/D转换器；步进电机Abstract：Physical and chemical methods are applied in vacuum coating technology coating solid surface with a layer of special properties of the coating to improve product quality, extend product life, save energy and achieve significant technical and economic benefits. However, the time of vacuum coating is generally very long and some up to tens of hours. The stability of vacuum of the vacuum chamber has a great effect on film growth and film quality. Therefore, how to maintain the stability of vacuum has also become a key technical problem. This paper briefly introduces the operation principle to control vacuum stability with the single chip microcomputer and the detail method of the hardware and software. This design is primarily to obtain the analog voltage value corresponding to the vacuum in vacuum chamber through signal amplification circuit, and transmit digital quantity, which is concerted by A/D converter, into the single chip microcomputer. The corresponding reversing signal of stepper motor given after the processing of the single chip microcomputer drives the valve to twirl, changes the size of the gas output and achieves the goal of remaining stable vacuum.Keywords：vacuum coating technology; vacuum stability; single chip microcomputer; A/D converter; stepper motor 1 绪论1.1 课题研究的目的和意义随着真空应用领域的不断扩展和深入，对真空技术的要求也越来越高，针对不同的应用领域要采取与之相适应的方法和措施。一般的真空设备都是由真空系统、电气控制系统和工作部分三者组成。所谓工作部分即真空室，是真空工艺及真空实验实施的场所。真空系统则是由泵及阀门、管道等部件构成的排气装置。而电气控制装置则是完成真空工艺要求动作的控制，即通过电气控制装置是真空设备按操作指令进行工作。由于真空设备种类繁多，因此其电气控制电路也各不相同，这就要求我们针对不同的课题目的来设计不同功能的电气控制电路。而我研究的课题是保持真空室真空度稳定的控制，之所以需要研究如何保持真空度的稳定，是因为它与真空镀膜技术关系密切。真空镀膜技术是一种新型的材料合成和加工的新技术，是表面工程技术领域的重要组成部分。真空镀膜技术是使用物理和化学方法将特殊性能的镀膜涂覆在固体表面，使固体表面具有耐磨，耐腐蚀，耐高温，防辐射，抗氧化，导电性，导磁性等许多固体材料本身不具备的优点，提高产品质量，延长产品的使用寿命，节约能源，实现显著的技术经济效益。这种新兴的真空镀膜技术已在国民经济各个领域得到应用，如航空、航天、电子、信息、机械、石油、化工、环保、军事等领域1。但是真空镀膜的时间一般都很长，有的长达几十个小时，而真空室真空度的稳定性对膜的生长，成膜质量的好坏都有很大的影响。因此，如何保持真空度的稳定，也成为了一个关键性的技术问题。本课题将对如何保持真空室内真空度稳定进行详细说明。1.2 国内外研究概况在真空技术发展初期，真空室真空度保持是通过手动调整针阀2实现的。随着电子技术的发展，真空设备开始使用电子真空计和其他工业仪表。然而，这些装置只能向操作人员提供相关数据，仍然需要操作人员通过观察真空计的显示数据进行分析和比较，以确定并实施。因此，这种真空度稳定控制仍然是手动控制。手动控制不仅劳动强度大，而且对于某些对真空度要求苛刻的操作是根本无法适应的。随着微电子技术、计算机技术的发展，微型计算机，PLC等控制装置开始应用于真空装置，实现了保持真空度稳定的自动控制3。在对真空度稳定控制的研究中，从控制的角度，一般有两种方法。第一种方法是采用流量控制器进行反馈控制，通过对进气量的调节达到保持稳定真空度的目的。第二种方法是在抽气口串入一只调节阀，通过对调节阀的控制来保持真空度的稳定，它的适用性更广泛，可与输入气体的流量各自控制4。本系统就是采用第二种真空度稳定控制的方法。1.3 论文的主要研究内容由于系统对于真空室真空度稳定性保持的苛刻要求，以及防止真空室真空度的大幅波动对系统的影响，因此我们需要真空度的稳定性进行控制以避免系统故障。本课题设计一种基于单片机技术的真空度保持的控制系统，克服了传统方法易受主观因素的影响等缺点，实现了真空度保持的自动化。本课题将单片机控制应用到真空度保持中。在保持进气量恒定的情况下，通过控制抽气口调节阀开启量的大小，来保持真空度的稳定，提高了真空度保持过程中的自动化水平。当达到需要保持的真空度时，按下采集开关采集当前的真空度数据，之后A/D转换器不断对真空计输出的电压信号进行模数转换，经过单片机对转换后的数据与之前采集的真空度数据进行比较，给出相应的输出脉冲数和电机正反转控制信号, 脉冲信号经驱动电路放大来驱动四相八拍步进电机，带动调节阀转动, 这样就可以改变抽气量的大小, 从而影响真空度的变化4。2 系统设计方案2.1 系统设计原理框图本装置的任务是对真空室内真空度进行实时的监测和控制。采用单片机进行控制，不断将A/D转换后的数字信号传输到单片机中与目标真空度进行比较，经过比较后，单片机给出相应的输出脉冲，通过驱动电路驱动四相八拍步进电机正反转，从而操纵调节阀的开大和关小。与此同时，单片机根据不同的状态，点亮不同的LED灯，进行状态指示和报警。系统原理框图如图2.1所示。单片机A/D转换器电离真空计驱动电路四相八拍步进电机调节阀状态指示电路时钟电路复位电路图2.1 真空度保持稳定系统原理框图2.2 单片机原理由于本系统采用基于单片机的真空度保持稳定的设计方案，因此接下来我将对单片机原理及本设计所采用的AT89C51进行简要的介绍。2.2.1 单片机原理概述单片机（single-chip microcomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机5。图2.2中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。图2.2典型单片机结构图2.2.3 AT89C51简介AT89C51的主要参数如表2.1所示：表2.1 AT89C51的主要参数型号存储器定时器I/0串行口中断速度（MH）其它特点EPROMROMRAM89C514K1282321624低电压AT89C51含EPROM电可编闪速存储器，有两级或三级程序存储器保密系统，防止EPROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器EPROM容量可达20K字节。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案6。其引脚如图2.3所示。图2.3 AT89C51的引脚排列引脚说明：接地。：电源引脚。正常操作、空闲、掉电以及对EPROM编程或校验工作电压。一般接+5V电压。P00P07: 统称P0口，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TTL负载。P10P17：统称P1口，是8位准双向I/O口，能驱动4个TTL负载。P20P27：统称P2口，是8位准双向I/O口。P3口是是8位准双向I/O口，能驱动4个TTL负载。P3口除了作为一般的准双向通用I/O口使用外，每个引脚有特殊功能：RXD(P3.0)串行口输入端TXD(P3.1)串行口输出端(P3.2)外部中断0请求输入端，低电平有效(P3.3)外部中断1请求输入端，低电平有效T0(P3.4)定时器0的计数脉冲输入端T1(P3.5)定时器1的计数脉冲输入端(P3.6)片外数据存储器写选通信号输出端，低电平有效(P3.7)片外数据存储器读选通信号输出端，低电平有效RST：复位信号输入端，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE：当访问外部存储器时，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。它可用作对外输出的时钟，或用于定时。需要注意的是，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8个TTL门电路。：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次有效。但此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。同样可以驱动8个TTL门电路。：当端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC值超过片内程序存储器容量时，将自动转向外部程序存储器。当保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。单片机只在复位期间采样脚的电平，复位结束以后脚的电平对程序存储器的访问没有影响。XTAL1：接外部晶体和微调电容的一端；在片内它是振荡反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接外部晶体和微调电容的另一端；在80C51片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部始终脉冲。3 系统硬件设计3.1 系统整图真空度稳定控制系统整图见附录1，系统整图是用绘图软件Protel 99SE7绘制而成。本系统是基于单片机的真空度稳定控制系统，采用AT89C51单片机，单片机的P0口作为信号的输入部分，P1口输出脉冲信号和四相八拍步进电机的正反转信号，驱动步进电机的转速和转向，P2口输出信号控制发光二极管的亮灭。从真空度稳定控制系统整图中，可以看出本系统包括信号采集模块，数据转换模块，单片机最小系统，驱动模块和执行模块。信号采集模块包括电离真空计和电离规信号采集放大电路，数据转换模块包括ADC0809转换器，单片机最小系统包括时钟电路，复位电路和状态显示电路，驱动模块包括ULN2003功率放大器及其电路，执行模块包括四相八拍步进电机。3.2 电离真空计3.2.1 电离真空计概述普通型电离真空计用于低于10-1Pa的高真空测量，在结构上它包括作为传感元件的规管和由控制及指示电路所组成的测量仪表两部分。其工作原理是：利用某种手段是进入规管中的部分气体分子发生电离，收集这些离子形成的离子流；由于被测气体分子所产生的离子流在一定的压力范围内与气体的压力呈现正比的关系，则通过测量离子流的大小就可以反应出被测气体的压力值，电离真空计就是以此得名的3。电离真空计可按电离方式的不同分为三类：第一类是应用最广的依靠高温阴极热电子发射原理工作的热阴极电离真空计；第二类是没有热阴极而依靠冷发射（场致发射）原理工作的冷阴极电离真空计；第三类是采用放射性同位素作为电离源的放射性电离真空计。本设计采用最常用的热阴极电离真空计作为信号采集电路的输入端。3.2.2 热阴极电离真空计的工作原理电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体以一定的几率发生电离，产生正离子和次级电子，其电离几率与电子能量有关，电子在飞行途中产生的正离子数，正比于气体的密度n，在一定的温度下正比于气体的压力P。因此，可根据离子电流的大小指示真空度，这就是电离真空计的工作原理。由于电离现象的过程极其迅速，微小的离子流的测量技术亦不难解决，故而电离真空计在高真空领域中得到广泛应用，在极高真空领域中甚至是唯一实际可行的真空计。由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计，其型式繁多，各具不同特点和使用不同的压力测量范围。按线性压力范围的不同，热阴极电离真空计主要分为三类：（1）普通型电离真空计（110-1- 10-5Pa）（2）超高真空电离真空计（110-1 -10-8Pa，有的下限为10-10Pa）（3）高压力电离真空计（102 -10-3Pa）图3.1 电离规结构图本系统采用普通型热阴极电离真空计来测量真空室内真空度，其电离规规管结构如图3.1所示，由筒状板极(离子收集极)C，栅极网G和位于栅极网中心的阴极灯丝F构成，筒状板极在阳极栅网外面。由于采用了普通型热阴极电离真空计，因此本系统所能保持的真空度范围即为110-1- 10-5Pa。真空计采集的微小电压信号需要通过信号采集放大电路放大后，才能传输到A/D转换器中进行模数转换。下面我要分别介绍电离规信号采集放大电路和A/D转换器。3.3 电离规信号采集放大电路由于真空规管输出的是微小的信号，因此需要对采集信号进行放大处理。信号放大电路中关键的元件是运算放大器，本设计选用ICL7650。斩波稳零高精度运算放大器ICL7650具有超低失调和超低温漂，高输入阻抗，高增益的特点,其性能良好，价格便宜，和其他运放相比，这种运放由单一时钟控制，分节拍进行工作，前一节拍将输入失调采集并存储于一电容中，后一节拍进行采样和放大信号，并可将此刻的失调相抵消，因此此时的电路总的失调和温漂极小，性能十分优越、稳定。由于具有其他高阻运算放大器没有的自动稳零优点，及适合作缓变微电流放大器。ICL7650的内部时钟为200Hz，如果要得到较好的频率响应，必须使其输出负载电阻大于10k，而且由于滤波器影响频率的特性，其性能的优越性在直流和超低频时使用中会体现出来。由于本设计所采集的传感器输入信号是缓变信号，ICL7650是合适的选择8。高输入阻抗运算放大器CA3140，是由美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器，在一片集成芯片上，CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFEF的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入抗阻，极低的输入电流和高速的性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源），它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点，是一种互补对称金属氧化物半导体良好性能的运放。CA3140封装图如图3.2。图3.2 CA3140封装图CA3140的输出信号量在经过稳压二极管的稳压后传递到选择器的通道Y。高输入阻抗运放CA3140，其输入级和输出级均为MOSFET(绝缘栅场效应管)，其输入阻抗可达101，反应速度比较快，输入的偏流很小。CA3140的8脚是选通端，为高电平有效，但当8脚为低电平时，放大器的输出也立即变为低电平。若8脚接高电平或悬空，则放大器可正常工作，CA3140输入回路的电流不能超过1mA，所以一般在其反馈回路和输入回路中要加入限流电阻，一般不小于5k，在设计原理图中定为10k。图3.3 电离规输入放大电路原理图a图3.4 电离规输入放大电路原理图b在图3.3和图3.4中为电离规的信号采集放大控制电路，其中与ICL7650连接的两个记忆电容C4、C5要求是高品质的低漏电电容。在选用内部时钟时，采用ICL7650的内部时钟200Hz，因此C4、C5电容量可取0.1uF。输入端输入的是电离规的离子流信号。离子流通过R1转换为电压量，输入到ICL7650的同相端，ICL7650对其进行放大，放大倍数约为10倍。7650的输出信号还需要经过一级放大才能转换成要求的0-5V信号。该输出信号输入到CA3140的同相端。根据CA3140的接法可以计算出其放大倍数约为4到5倍之间，可通过手动调节100k的可变电阻R12，达到手动调节放大倍数的目的。3.4 A/D转换ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件9。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。3.4.1 ADC0809内部逻辑结构由图3.5可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 图3.5 ADC0809内部逻辑图3.4.2 ADC0809外部引脚ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，见图3.6 ADC0809封装图。图3.6 ADC0809封装图下面说明各引脚功能（图3.7）： IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 A、B、C：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路，见表3.1。 ALE：地址锁存允许信号输入端。在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。START：A/D启动信号输入端。START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。 EOC： 转换结束信号输出引脚。开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 ：+5V工作电源。 GND：地。图3.7 ADC0809引脚图表3.1 通道地址选择地址码选择的通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7由于本系统只有IN0一路模拟量输入，即A、B、C全为低电平，因此将A、B、C全部接地。3.4.3 ADC0809转换原理首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。本系统采用查询方式来确认转换是否完成。3.4.4 A/D转换电路设计在设计A/D转换电路时，还应注意ADC0809对输入模拟量的要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大，由于信号从电离规真空计输出后已经过信号采集放大电路进行放大处理，使其输入到ADC0809中的电压信号处于05V之间，因而满足0809的输入要求。A/D转换部分具体的电路如图3.8所示。RDWR转换时钟：接单片机ALE输出经四分频后得到。通道选择: IN0转换结束: EOC=1通道地址信号输出使能信号启动和地址锁存信号输出数据:P0口参考电压: 5V图3.8 A/D转换电路设计3.5 单片机最小系统单片机的最小系统就是要让单片机里面的程序运行，需要的最小配置，一般包括时钟电路，复位电路，片选EA接法，LED电路等。本系统的单片机最小系统如图3.9所示，接下来我会对单片机最小系统的种类和作用做详细的介绍。图3.9 单片机最小系统电路图3.5.1 时钟电路AT89C51单片机的时钟产生方法有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。我们最常采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计也采用这种内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHz到12MHz之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，在本设计中，振荡晶体选择12Hz，电容选择30pF，如图3.10所示。可知振荡周期（时钟周期）为1/12us，机器周期为12个时钟周期，因此其机器周期为1us。在制作电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。图3.10 时钟电路3.5.2 复位电路AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过lms，就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。时钟频率选用12MHz时，C取22uF，R0取100，Rl取1k，如图3.11所示。图3.11 复位电路3.5.3 状态指示电路状态指示电路所指示的状态有真空度保持状态（LED-GREEN）、真空度过高状态（LED-RED）和真空度过低状态（LED-BLUE）3个，用单片机的P2口控制3只发光二极管的显示，如果相应端口是低电平，相应的发光二极管就会亮，用它来表示真空室内真空度所处的状态。因而，报警部分是非常简单的：只需3只发光二极管就可以了。如图3.12所示。 图3.12 状态指示电路 3.6 驱动电路3.6.1 步进电机介绍步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单10。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制11。本次毕业设计采用的是步距角为0.9度的四相八拍步进电机，四相步进电机步进示意图，如图3.13所示。图3.13 四相步进电机步进示意图步进电机的基本参数：1、相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即A-B-C-D-A，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA.3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度/(转子齿数运行拍数)，以常规四相电机为例，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/(504)=1.8度(俗称整步)，八拍运行时步距角为=360度/（508）=0.9度（俗称半步）。4、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5、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。3.6.2 步进电机驱动系统简介步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转12。本系统仅使用了四相八拍步机电机的正转和反转功能，并未涉及加减速。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，因此控制电路信号要通过功率驱动电路放大后才能正常驱动步进电机转动。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。3.6.3 步进电机功率驱动电路功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分13。单片机AT89C51对四相步进电机进行控制时，需要通过I/O口输出具有一定时序的方波作为步进电机的控制信号，但是仅靠该TTL电平却无法直接驱动电机，如果采用74KS373锁存器进行驱动电机，必须增加许多寄存器才能驱动。因此提出电机驱动芯片ULN2003来驱动步进电机。ULN2003功能框图，如图3.14所示。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，具有同时驱动7组负载的能力。多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中，可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003的每对达林顿管都串联一个2.7k的基极电阻（如图3.15所示），可以直接和TTL或5V CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。由此可知，ULN2003 具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 图3.14 ULN2003功能框图图3.15 ULN2003内部电路图ULN2003的17脚为信号输入脚，依次对应的输出端为1610脚，8脚为接地端。引出端功能符号如表3.2所示，本系统功率放大电路如图3.16所示。 表3.2 引出端功能符号引出端序号符号功能引出端序号符号功能11B输入9COM公共端22B输入107C输出33B输入116C输出44B输入125C输出55B输入134C输出66B输入143C输出77B输入152C输出8E发射极161C输出图3.16 ULN2003电路图4 系统软件设计4.1 系统开发软硬件环境与其它的微处理器一样，开发步进电机驱动系统控制程序也需要一套完整的软件和硬件开发工具。近年来，随着以51单片机为内核的单片机的不断发展和普及，国外的一些公司纷纷推出了以51单片机为基础的集成开发环境。本次毕业设计选用的单片机是AT89C51。4.2 Keil软件介绍Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。Keil可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存储器中。Keil uVision 4是Keil software公司的产品，它集项目管理、编译工具、代码编写工具、代码调试以及完全仿真于一体，适合个人开发或人数少、对开发过程的管理还不成熟的开发团体。uVision 4本身自带项目管理器，其开发流程步骤如下：开启uVision 4，建立工程文件并且从器件数据库里挑选出项目实际使用的器件。建立一个新的源文件，并且把这个源文件添加到工程中去。为单片机添加并且设置启动代码。设置硬件相关的选项。编译整个工程并且生成下载到存储器用的HEX文件。4.3 程序设计4.3.1 主程序框图主程序框图如图4.1所示。当真空室内真空度达到需要保持的真空度时，采集此时的压强，并求出与该压强误差为5%的最大值PH和最小值PL，即为压强范围。计算出压强范围后，信号采集模块不断将当前压强P送入单片机，当PPH时，即表示此时真空室内压强大于需要保持的压强范围，真空度降低，红灯报警，电机反转，开大调节阀，加大抽气量；当PPHPXPL红灯报警蓝灯报警绿灯亮调用电机子程序YYNN图4.1 系统主程序框图4.3.2 子程序框图子程序分为A/D转换子程序和电机正反转控制子程序，如图4.2和图4.3所示。其中，电机正反转控制子程序中，d由单片机比较待测真空度和目标真空度后给出，当PXPH时，d=0，电机反转。初始化ADC单片机读转换数据ST下跳沿转换启动读入EOC状态OE=1允许输出转换数据判断是否转换完毕（EOC=1）NY4.2 A/D转换子程序单片机输出标志位dd=1d=0电机反转电机正转电机停止YYNN图4.3 电机正反转子程序框图4.4 程序代码根据系统程序框图，用C语言编写系统程序代码，程序代码见附录2。5 仿真与调试5.1 Proteus软件介绍Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象14。Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。 对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug菜单下的execute菜单项或F12快捷键启动执行，用debug菜单下的pause animation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug菜单下的stop animation菜单项或shift-break组合键停止系统的运行。其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。对于软件的分步调试，应先执行debug菜单下的start/restart debugging菜单项命令，此时可以选择stepover、step into和step out命令执行程序(可以用快捷键F10、F11和ctrl+F11)，执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。在执行了start / restart debuging命令后，在debug菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看。运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Definecode generation tools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的Add/removesource files命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。5.2 Proteus和Keil调试仿真在搭建硬件电路之前，首先要在仿真软件中对整个系统做仿真。本设计使用的仿真软件是proteus 7.0，这个仿真软件包含了系统所需的单片机及A/D转换芯片和ULN2003等主要元器件，大大缩短了系统设计及调试时间。如果是硬件部分电路图的错误，则要对其修改，反复测试，直到硬件的连接完全无错，并且设计合理。整个软件仿真需在Proteus软件和Keil编译软件中进行联合调试完成。程序仿真如图5.1，结果正确，0处错误，0处警告。图5.1 Keil软件编译程序仿真电路整图见附录1。电路上电仿真：电路上电，系统初始化，仿真开始，Proteus仿真总电路图如图所示。按下采集开关（P26），此时绿灯亮，电机保持静止（启动时仿真电路如图5.2所示）；然后滑动变阻器上移，输入信号增强，当超过5%的上限时，红灯亮，电机反转（反转仿真如图5.3所示）；滑动变阻器下移，输入信号减小，当再次处于真空度范围内时，绿灯亮，电机停转，电机保持在停转前的角度（停转仿真如图5.4所示）；继续使滑动变阻器下移，输入信号继续减弱，当小于5%的下限时，蓝灯亮，电机正转（正转仿真如图5.5所示）。经过测试电路基本正确。图5.2 系统启动时仿真图5.3 电机反转仿真图5.4 电机停转仿真图5.5 电机正转仿真结论本文介绍了基于单片机的真空度保持系统的设计，对整个硬件电路和软件程序设计做了分析，介绍了真空度保持系统的设计方案及原理，以此加深51单片机的结构、特点等知识的了解，并给出主程序设计流程图，更直观的把软件设计呈现出来，最后基于仿真软件Proteus及Keil进行仿真，验证了设计的正确性。本系统设计的真空度保持系统在单片机控制下，具有使用方便、精度高和灵活性、稳定性好、功能易于扩展等优点，而且可以为其他学科提供稳定的真空环境。谢辞 随着毕业日子的临近，毕业设计也接近了尾声。在没有接受任务之前觉得毕业设计只是对这大学四年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计，发现毕业设计不仅仅是对前面所学知识的一种检验，更是对自己综合能力的一种提高。在这近两个月的毕业设计中，我们有艰辛的付出，当然更多的是丰收的喜悦。知识固然得到了巩固和提高，但我相信在实践中的切身体会将会使我在以后的工作和学习中终身受用。这次毕业设计，不但让我懂得了在以后的学习生活中要具备严谨，大胆，勇于创新的精神，才能做的更好，而且还让我从中获益匪浅，学到了小心谨慎，实事求是的态度。在毕业设计过程中遇到了不少困难和麻烦，但也得到了指导老师褚向前老师和同学们的大力帮助和支持，尤其是褚老师的积极督促和正确指导，让我更有信心和毅力完成本次设计，在此对大家表示由衷的感谢。最后我要感谢我的母校对我这四年的培养！参考文献1张以忱等. 真空镀膜技术M. 北京: 冶金工业出版社, 2009.1-44.2徐成海, 达道安等. 真空工程技术M. 北京: 化学工业出版社,2006.178-218.3朱武, 干蜀毅. 真空测量与控制M. 合肥: 合肥工业大学出版社,2008.4-44.4程健, 邬钦崇. 一种保持真空室真空度稳定的控制系统J. 真空, 1999,5:19-21.5Sco