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自动贴标机自动贴标机自动贴标机自动贴标机的单片机控制的单片机控制的单片机控制的单片机控制 摘要摘要摘要摘要 本文主要介绍单片机控制的贴标机系统， 即通过 89C51 单片机对步进电机进 行控制，主要介绍了步进电机控制器、驱动电路和 LED 显示电路的设计，对单 片机控制步进电机系统的控制方式、硬件接口和软件设计进行了研究。由于步进 电动机无积累定位误差，所以整个系统采用了开环控制。 步进电动机是纯数字控制的电动机，它将脉冲信号转变成角位移，其转速与 输入脉冲的频率成正比，运行的距离与输入脉冲数目相对应。本设计采用高低压 驱动方式来提高步进电机的启动转速，通过检测药瓶实时速度实现自动跟踪贴 标。 本系统设计是以单片机 89C51 为核心。单片机具有体积小、重量轻、价格 便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点 ，因此被广泛地应用于各个领 域。89C51 单片机是一个低功耗、高性能的含有 4KB 快擦写可编程/擦除只读存 储器的 8 位 CMOS 单片机，与 8031 的指令系统和引脚完全兼容。由于芯片内的 程序存储器可在线或用编程器重复编程，受到了应用设计者的欢迎，并得到了较 为广泛的应用。 本文首先介绍了课题的研究背景， 第二章介绍了步进电动机的工作原理及应 用，第三章介绍了步进电动机驱动与控制系统，然后介绍了单片机原理及接口技 术，最后对整个控制系统进行了软硬件设计。 关键词关键词关键词关键词自动贴标机；步进电动机；单片机 哈尔滨理工大学学士学位论文 AbstractAbstractAbstractAbstract , 89C51 , , . , . , , . , , . 89C51 . , , , , , . 89C51 , 4KB Flash / EEPROM 8- CMOS 8031 -. , . , , MCU , . , ; 哈尔滨理工大学学士学位论文 目录目录目录目录 摘要.I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景介绍.1 1.2 贴标机的技术指标及功能要求.1 1.3 自动贴标机应用.3 1.4 控制系统概述.4 第 2 章 步进电动机原理及应用5 2.1 步进电机的概述.5 2.2 步进电机工作原理.6 2.3 步进电机的应用.7 2.3.1 步进电机的选择7 2.3.2 步进电动机的应用中的注意点 8 2.4 步进电动机的特性.8 2.4.1 步进电动机的振荡、失步及解决方法8 2.4.2 步进电动机的运行特性9 本章小结10 第 3 章 步进电机驱动与控制系统11 3.1 步进电动机驱动电路的组成.11 3.2 步进电动机的驱动方式.11 3.3 步进电动机驱动/控制集成电路.12 本章小结15 第 4 章 单片机原理及接口技术16 4.1 单片机概述.16 4.2 单片机结构及原理.17 4.2.1 单片机的基本结构17 4.2.2 复位电路及 I/O 端口.20 4.3 单片机中断系统.21 4.3.1 单片机中断控制寄存器21 4.3.2 单片机中断处理过程22 4.4 定时器/计数器23 4.4.1 定时器/计数器的结构.23 4.4.2 定时器/计数器的工作方式.23 4.5 键盘输入接口.24 4.5.1 8279 的组成和基本工作原理24 哈尔滨理工大学学士学位论文 4.5.2 8279 的引脚功能25 4.5.3 89C51 单片机与 8279 键盘/显示器接口 27 本章小结29 第 5 章 贴标机控制系统30 5.1 步进电动机微机控制系统.30 5.1.1 步进电动机的控制特点30 5.1.2 步进电机的控制30 5.2 速度检测电路.32 本章小结33 第 6 章 贴标机控制程序的设计34 6.1 输入接口程序设计.34 6.2 步进电动机驱动信号的产生.36 6.3 中断程序.39 本章小结40 结论41 致谢42 参考文献43 附录 A44 附录 B 49 哈尔滨理工大学学士学位论文 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题背景介绍课题背景介绍课题背景介绍课题背景介绍 近半个多世纪以来，随着生产与流通的日益社会化、现代化，产品包装正以 崭新的面貌崛起，受到人们的普遍重视。电子计算机、智能机器人、各种高级自 动化机械以及智能型检测、控制、调节装置等技术已被引入产品包装中，形成了 自动包装机械。包装生产的机械化和自动化可以大大提高劳动生产率，提高包装 产品质量，改善劳动条件，降低工人劳动强度，减少占地面积，降低包装产品成 本。 贴标机就是在包装件或产品上加上标签的机器。标签上的商标、主要参数、 使用说明和产品介绍，是现代包装不可缺少的，而且设计精美的标签还有助于提 升公司形象，促进产品的销售。 小小的标签看起来似乎不起眼，但它在商品包装中所起的作用却不可小看。 随着包装产业的迅速发展，标签市场也紧跟而上。据统计，目前全球标签的用量 每年以 3%-6%的速度增长,到 2008 年，全球标签用量达到 360 亿平方米。其中， 中国的标签市场每年增长超过 15%，远高于美国、西欧和日本等国家或地区。 目前，自动贴标机已广泛应用于现代包装行业，并在向着更高精度更高速度 的方向发展，有的甚至向着智能化模块化的方向发展。据报道,有的贴标机设计 和建造的平均故障时间高于 12，000 小时，可见非常可靠耐用。贴标机还有其它 好处包括简易操作，对操作员工的培训只需非常少的时间，内部数据存储，排除 要在工厂车间安装电脑的需要，简洁设计，容易和现有的生产线、传输带、安全 电路和剔除装置组合在一起。 毫不夸张地说，包装行业在整个国民经济中极其重要，而贴标机及贴标技术 又可以提升包装行业的竞争力，从而提升国民经济的综合实力。 1.21.21.21.2 贴标机的技术指标及功能要求贴标机的技术指标及功能要求贴标机的技术指标及功能要求贴标机的技术指标及功能要求 贴标机的技术指标及功能要求包括： 1.用于圆柱形塑料瓶或玻璃瓶的瓶装商品的贴标； 2.贴标速度，要求每分钟贴标 100 瓶以上； 3.显示方式，由 5 位 LED 数码管计数显示贴标机过瓶个数； 计数功能，可对已贴标瓶进行十进制数在线连续计数显示，最大技术范围： 0-99999； 4.参数存储功能，可存储贴标机驱动电机运行参数。掉电或关机时，可存储 当前贴标机过瓶个数值，当贴标机重新开机后，系统可从被打断计数点处继续计 数； 5.参数修改功能，可在一定范围内和运行过程中任意修改贴标机运行参数 哈尔滨理工大学学士学位论文 自动贴标机的种类很多，功能各异，但基本原理都是相似的。自动贴标 机是以粘合剂把纸或金属箔标签粘贴在规定的包装容器上的设备。 可完成平面粘贴，包装物的单面或多面粘贴，柱面粘贴，局部覆盖或全 覆盖圆筒粘贴，凹陷及边角部位粘贴等各种作业。 自动贴标机有以下特点，适用范围广：既能实现方瓶/扁瓶(满瓶状态) 的侧面(平面)单张贴标/拐角抚标， 还能实现圆瓶周向定位单张/双张贴覆功 能。独特的分料机构，确保与生产线联机使用时的可靠、有效分料。独特的 拐角扶标机构确保方瓶三侧面拐角贴标平整、不起皱。既能单机使用，又能 与生产线配合使用。 为当传感器发出贴标物准备贴标的信号后，贴标机上的驱动轮转动。 由 于卷筒标签在装置上为张紧状态，当底纸紧贴剥离板改变方向运行时，标签 由于自身材料具有一定的坚挺度，前端被强迫脱离、准备贴标。此时贴标物 体恰好位于标签下部，在贴标轮的作用下，实现同步贴标。贴标后，卷筒标 签下面的传感器发出停止运行的信号，驱动轮静止，一个贴标循环结束。 无论是哪种类型的贴标机，贴标过程大致相似，所不同的是：贴标装置 的安装位置不同，贴标物体的办理送方式、定位方式不同以及贴标辊的形式 不同。 一般自动贴标机对标签有要求： 表面材料。 标签的坚挺度是出标的关键，因此要求表面材料的一定的 强度和硬度，标签的坚挺度又和材料的厚度和标签的面积有关，所以使用柔 软的薄膜材料时，要适当增加其厚度，一般控制在 100m 以上。薄的纸张 类材料，如 6070g/m2 的贴标纸，一般不适合做大标签，而适合加工成小标 签，如标价枪上使用的价格标签。标签的坚挺度差会导致贴标时不出标， 或 标签同底纸一同复卷，使自动贴标失效。 离型力。 也称剥离力， 是标签脱离底纸时的力。 离型力与粘合剂的种类、 厚度及底纸表面的涂硅情况有关， 还和贴标时的环境温度有关。 离型力太小， 标签在输送过程中容易掉标（脱离底纸）；离型力太大，标签脱离底纸困难， 无法出标。应综合控制各项技术指标，使离型力在一合理的范围内。 底纸。 也是控制自动贴标的重要指标。要求底纸表面涂硅均匀，离型 力一致；厚度均匀，有好的抗拉强度，确保贴标时不断裂；厚度均匀，有好 的透光性，确保传感器正确识别标签的位置。 加工质量。 要求分切后底纸两侧平整、无破口，避免张力变化时底纸 断裂。模切时要避免切穿底纸或破坏涂硅层，底纸和涂硅层被破坏容易出现 底纸拉断或标签内的粘合剂渗入底纸，出现不出标和撕裂底纸现象。此外， 在贴标前要消除卷筒纸标签内的静电， 因为静电会造成贴标时不出标或出现 贴标不准的现象。 步进电机构造 放卷轮。为被动轮，用于安放卷筒标签。通常装有可调节摩擦力的摩擦 制动装置，目的是控制卷筒速度及张紧力，保持平稳输纸。 哈尔滨理工大学学士学位论文 缓冲轮。工同弹簧相连。可往复摆动。目的是当装置启动时能吸收卷筒 材料的张紧力，保持材料同各辊接触，防止材料断裂。 导向辊。由上下两个组成，起卷筒材料的导向和定位作用。 驱动辊。由一组主动的摩擦轮组成。通常一个为橡胶辊，一个为金属 辊，底纸在其间通过。作用是驱动卷筒材料，实现正常贴标。 收卷轮。为带摩擦传动装置的主动轮，作用是复卷贴标后的底纸。收纸 轮的转动收纸同驱动轮的办理纸互不干扰，同步传动由摩擦装置调节。 剥离板。离板一端有一角度，目的是使底纸在经过剥离板改变方向时， 标签便于出标、脱离底纸，实现同贴标物体接触。 贴标辊。将脱离底纸的标签均匀、平整地贴敷在待贴物品上 1.31.31.31.3 自动贴标机应用自动贴标机应用自动贴标机应用自动贴标机应用 适用标签：不干胶标签，不干胶膜，电子监管码，条形码等； 适用产品：要求在圆周面、圆锥面、四方面上贴附标签或膜的产品； 应用行业：广泛应用于食品、玩具、日化、电子、医药、五金、塑胶等 行业； 应用实例：PET 圆瓶贴标，塑料瓶贴标，矿泉水贴标等。 贴标中要达到完美视觉效果。其中之一就是避免贴标中的翘标现象。 在 管子未灌装之前贴标，贴好以后再进行灌装封尾，而在封尾过程中的加热对 标签的考验尤其严峻，标签距离底端越近，翘标的可能性就越大。实际应用 中几乎每个厂家都有类似问题，解决的办法也多种多样： 增加标签的粘度，尽量使标签粘贴牢固。要达到这个效果，需从以下几 个方面加以考虑： 提高被贴软管的表面质量。大部分的产品表面过有光油，会增加贴标的 困难，内容物的渗出，管壁的微孔等等都会造成标签的翘起，如何避免此类 问题的发生, 应该是大家要考虑的一个比较重要的问题。 在贴标过程中控制标签的贴标压力。 控制贴标过程中的温度。增加贴标温度，会改善贴标效果，因为随温度 的升高，物体内部物质的活性会增加，标签才更容易与管身融合。 尽量采用柔软的标签材料，良好的标签延展性对翘标也会有很大改善。 贴标过程容易产生静电, 这对贴标效果会产生影响, 适当提高贴标现 场的湿度, 会有一定改善, 采用离子风机也是有效的解决办法。贴标机内 部设有湿度自动控制, 更可以单独控制设备内部的洁净度, 让贴标远离灰 尘，提高产品的贴标质量。这样做到了贴标过程中不再有翘标现象，达到视 觉效果。 平面类贴标机实现在工件的上平面、上弧面的贴标签和贴膜，如盒子、 书本、塑胶壳等，有滚贴和吸贴两种方法，主要根据效率、精度和气泡要求 进行选型。 圆瓶类贴标机实现在圆柱形、圆锥形产品的圆周面上贴标签或 哈尔滨理工大学学士学位论文 贴膜，如玻璃瓶、塑料瓶等，可实现圆周、半圆周、圆周双面、圆周定位贴 标等功能，主要有立式贴标和卧式贴标两种方式。 侧面类贴标机实现在工件的侧平面、侧弧面贴标或贴膜，如化妆品扁瓶、 方 盒等，可配套圆瓶覆标设备，同时实现圆瓶贴标。今日，杭州永创机械有限公司 在中国可根据您的需要提供简单经济的解决方案。 1.41.41.41.4 控制系统概述控制系统概述控制系统概述控制系统概述 本次设计采用单片机控制贴标机,现对整个控制系统概述如下: 整个控制系统由单片机系统部分、贴标纸带驱动部分、计数显示部分、标签 滚压部分、传送带控制部分等组成。 整个贴标机系统结构如图 1.1 所示。 压轮纸带 停车传感器 步进电机驱动轮 出标板压标机构 传送带 启动传感器压标板 计数传感器药瓶 V 图 1-1 贴标机系统结构示意图 根据上图所示,简介整个系统的工作过程: 当传送带上的药瓶经过计数传感器时,单片机内的计数器 To 开始计数，当药 瓶到达启动传感器时,To 停止计数，同时启动步进电动机,步进电动机运行速度由 To 数值决定,路程则由标签的长度决定。由于不干胶标签在纸带上连续分布，且 当纸带经过出标板刀片时,标签能自动脱出,这样标签就贴到药瓶上。当药瓶经过 压标机构时，压标板就把标签压紧，这样整个贴标过程就完成了1。 如何提高贴标的质量和速度成为本次设计的难点和重点， 即如何控制步进电 动机的启动，制动和运行速度。在以后的几章中，将重点叙述如何实现单片机对 步进电机的精确控制。 哈尔滨理工大学学士学位论文 第第第第 2 2 2 2 章章章章 步进电动机原理及应用步进电动机原理及应用步进电动机原理及应用步进电动机原理及应用 2.12.12.12.1步进电机的概述步进电机的概述步进电机的概述步进电机的概述 步进电动机是将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的一种特殊电动 机。其工作方式是每输入一个电脉冲信号，电动机就转动一个角度，由于运动形 式是步进式的，因此称为步进电动机。又由于输入的是脉冲信号，所以又叫脉冲 电动机。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的； 同时可以通过控制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。 步进电动机从结构上来说，主要包括反应式、永磁式和复合式三种。反应式 步进电动机依靠变化的磁阻产生磁阻转矩，又称为磁阻式步进电动机；永磁式步 进电动机依靠永磁体和定子绕组之间所产生的电磁转矩工作； 复合式步进电动机 则是反应式和永磁式的结合。目前应用最多的是反应式步进电动机。 步进电动机主要用在开环位置控制系统中。采用步进电动机的开环系统， 结 构简单，调试方便，工作可靠，成本低。当然采取一定的相应措施以后步进电动 机也可以用到闭环控制系统和转速控制系统中。 步进电动机的主要优点是： 1.可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 2.位移与输入脉冲信号数相对应，步矩误差不长期积累，可以组成结构较为 简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高时组成闭环控制系统。 3.启动、停止、正反转的响应优势。在自启动区可瞬时启动、停止，启动时 间短，可任意进行瞬时正反转。 4.可将负载直接连接在电动机轴上进行超低速运行，不需中间减速机构。 5.步进电动机具有较大的自保持转矩，所以可自由地设定其位置，而不靠电 磁或者机械制动。 6.由于电动机的转速与输入脉冲频率成正比，所以转速可在相当宽范围内平 滑调节，同时一台控制器控制机台步进电动机同步运行。 7.由于没有检测传感器和反馈电路，步进电动机控制系统简单，可靠性高。 8.步进电动机的主要用途有： （1） 信息机器。软磁盘驱动器FDD、硬磁盘驱动器HDD、绘图机、电传机等。 （2） 办公自动化设备。复印机、电动打字机、账票印刷机等。 （3） 汽车。阀类的控制、计量仪表等。 （4） 计时仪表。钟表、计时器、计数等。 （5） 医疗机械。输液泵、分析机等。 哈尔滨理工大学学士学位论文 2.22.22.22.2 步进电机工作原理步进电机工作原理步进电机工作原理步进电机工作原理 反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机，它的定、转子磁路均由软磁材 料制成，只有定子上有绕组并称为控制绕组，它基于磁阻变化而产生转矩。 以图 2-1 所示的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。 图 2-1 磁阻式步进电动机结构图 一般来说，若相数为 m，则定子极数为 2m，所以定子有 6 个齿极，相对的 两个齿极组成一个组，每个齿极上都装有集中控制绕组。同一相的控制绕组可以 串联也可以并联，只要他们产生的磁场极性相反。下面讨论转子有四个齿极的情 况。 当 A 相绕组通入直流电流 i A时，由于磁力线力图通过磁阻最小的路径，转 子将受到磁阻转矩的作用而转动。 当转子转到其轴线与 A 相绕组轴线相重合的位 置时，磁阻转矩为零，转子停留在该位置。如果 A 相绕组不断电，转子将一直停 留在这个平衡位置，称为“自锁” 。要使转子继续转动，可以将 A 相绕组断电， 而使 B 相绕组通电。这样转子就会顺时针旋转 30，到其轴线与 B 相绕组轴线 相重合的位置。继续改变通电状态，即使 B 相绕组断电，C 组绕组通电，转子继 续顺时针旋转 30。如果三相定子绕组按照 ABC 顺序通电，则转子按逆时 针方向旋转。上述定子的通电状态每切换一次称为“一拍” ，其特点是每次只有 一组绕组通电。 没通入一个脉冲信号， 转子转过一个角度， 这个角度称为步矩角。 没经过三拍完成一次通电循环，所以称为“三相单三拍”通电方式。 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 如果三相定子绕组按照 ABC 顺序通电，则转子按逆时针方向旋转。上 述定子的通电状态每切换一次称为“一拍” ，其特点是每次只有一组绕组通电。 没通入一个脉冲信号，转子转过一个角度，这个角度称为步矩角。没经过三拍完 成一次通电循环，所以称为“三相单三拍”通电方式2。 三相步进电动机采用单三拍运行方式时，在绕组断，通电的间隙，转子有可 C C C C A A A A B B B B B B B B C C C C A A A A 3 3 3 3 4 4 4 4 1 1 1 1 2 2 2 2 哈尔滨理工大学学士学位论文 能失去自锁能力，出现失步现象。另外，在转子频繁启动，加速的步进过程中， 由于受惯性的影响，转子在平衡位置的附近有可能出现震荡现象。所以，三项步 进电动机三相单三拍运行方式容易出现失步和震荡，常采用三相双三拍运行方 式。 三相双三拍运行方式的通电顺序是 ABBCCAAB。由于每拍都有两相 绕组同时通电，如 A，B 两相通电时，转子齿极 1，3 受到定子磁极 A，A 的吸 引，而 2，4 受到 B，B 的吸引，转子在两者吸力平衡的位置停止转动。再下一 拍 C，A 相通电时，转子将再顺时针旋转 30，达到新的平衡位置。可见这种运 行方式的步矩角也是 30。 采用三相双三拍通电方式时，在切换过程中总有一组绕组处在通电的状态，转子 齿极受到定子磁场控制，不易产生失步和震荡。 上述两种通电方式下的步进电动机的转子齿数都为 4，且步距角都太大，不 能满足控制精度的要求。为了减小步距角，可以将定、转子加工成多齿结构。 步进电机每次转过的步距角为 NZr 0 360 =（2-1） 式中 r Z为转子齿数；N 为转子转过一个齿数需要的脉冲数。 步进电动机转子旋转一周所需要的脉冲数为 r ZN,所以电动机的转速为 NZ f n r 60 =（2-2） 式中 f 为脉冲电源的频率。 2.32.32.32.3 步进电机的应用步进电机的应用步进电机的应用步进电机的应用 2.3.12.3.12.3.12.3.1 步进步进步进步进电机的选择电机的选择电机的选择电机的选择 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 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） 2.3.22.3.22.3.22.3.2 步进电动机的步进电动机的步进电动机的步进电动机的应用中的注意点应用中的注意点应用中的注意点应用中的注意点 1.步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过 1000 转，（0.9 度时 6666PPS)，最好在 1000-3000PPS(0.9 度）间使用，可通过减速装置使其在 此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。 2.步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 3.由于历史原因，只有标称为 12V 电压的电机使用 12V 外，其他电机 的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG 采用直流 24V-36V，86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V）， 当然 12 伏的电压除 12V 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考 虑温升。 4.转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 5.电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐 升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。 6.高精度时， 应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器 来解决，也可以采用 5 相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少， 其被淘汰的说法是外行话。 7.电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些 阻尼的解决。 8.电机在 600PPS（0.9 度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电 压来驱动 2.42.42.42.4 步进电动机的特性步进电动机的特性步进电动机的特性步进电动机的特性 2.4.12.4.12.4.12.4.1 步进电动机的振荡、失步及解决方法步进电动机的振荡、失步及解决方法步进电动机的振荡、失步及解决方法步进电动机的振荡、失步及解决方法 步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象， 它影响应用系统的正常运 行，因此要尽力去避免。下面对振荡和失步的原因进行分析，并给出解决方法。 步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机工作在低频区；步进电动机 工作在共振区；步进电动机突然停车时。 当步进电动机工作在低频区时，由于励磁脉冲时间较长，步进电动机表现为 单步运行。当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡点时， 电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点。这时电磁 力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转 子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。如此下去， 形 成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为 哈尔滨理工大学学士学位论文 衰减振荡，最终稳定在平衡点。 当步进电动机工作在共振区时， 步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的振 荡频率 f0 或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。 振荡失步的过程可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。 当转子回摆到最大幅值时，恰好第二个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值， 使转子继续回摆。接着第三个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点。 这样，转子经过 3 个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了 3 步。 当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同时， 绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区 中不会产生振荡。 减小步距角可以减小振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。 步进电动机的失步原因有 2 种。 第 1 种是转子的转速慢于旋转磁场的速度，或者说慢于换相速度。例如， 步 进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量， 使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个 启动频率，超过启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固 定值，提高电动机的转矩、减小负载转动惯量、减小步距角都可以提高步进到动 机的启动频率。 第 2 种是转子的平均速度大于旋转磁场的速度。 这主要发生在制动和突然换 向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步 3。 2.4.22.4.22.4.22.4.2 步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性 步进电动机运行的基本特点， 就是脉冲电压按照一定的分配方式加到各控制 绕组上，产生电磁过程的跃变，形成磁极轴线的步进式旋转，以磁阻式电磁转矩 带动转子作步进式转动。由于电动机内轴线在空间的旋转是不均匀的，是阶跃式 的，所以步进电动机的运转总是在电气的和机械的过渡过程中进行。 步进电动机的输入脉冲信号频率称为控制频率。控制频率提高时，相应的每 个绕组通电的持续时间就减少。当绕组通电的持续时间小于机电过渡过程时间 时，步进电动机就处于连续运行状态。 步进电动机的工作频率是指电动机按照指令的要求进行正常工作时的最高 控制频率。工作频率通常分为启动频率、制动频率及运行频率，其中运行频率又 称为连续工作频率。 步进电动机在负载条件下能无失步运行的最高控制频率称为运行频率。 实测 运行频率时，先使步进电动机启动，然后逐渐升高控制频率。影响运行频率的主 要因素是负载转矩。步进电动机的运行频率比启动频率高得多。 步进电动机转动时所产生的转矩称为动态转矩， 动态转矩也就是步进电动机 连续运行时的输出转矩。 步进电动机在负载转动惯量及其他条件不变的情况下最 大输出转矩 Tdm与运行频率 f 的关系称为步进电动机的运行矩频特性。它是一条 下降的曲线如图 2-3 所示。由图可知，步进电动机的最大动态转矩从启动转矩开 哈尔滨理工大学学士学位论文 始，并且随控制频率的升高而减小4。 f 0 Tdm Tst 图 2-2 运行矩频特性 本章小结本章小结本章小结本章小结 本文主要应用单片机对步进电动机进行控制，步进电动机是整个系统的核 心，本章主要介绍了步进电动机的工作原理以及它的应用，为整个系统的设计打 下了牢固的基础。 哈尔滨理工大学学士学位论文 第第第第 3 3 3 3 章章章章 步进电机驱动与控制系统步进电机驱动与控制系统步进电机驱动与控制系统步进电机驱动与控制系统 3.13.13.13.1 步进电动机驱动电路的组成步进电动机驱动电路的组成步进电动机驱动电路的组成步进电动机驱动电路的组成 步进电动机不能直接接到直流电源上工作， 而必须使用专用设备步进电 动机驱动器。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，也在 很大程度上取决于驱动器的优劣。 步进电动机驱动电源的主要构成如图 3-1 所示。一般由脉冲分配器、脉冲放 大器、变频信号源等各部分组成。 变频信号源 脉冲分配器脉冲放大器 步 进 电 机 图 3-1 步进电动机驱动图 变频信号源是一个脉冲信号发生器，脉冲的频率可以由几赫兹到几十千赫兹 连续变化。实现这一功能最常见的电子线路有多谐振荡器和张弛振荡器。 脉冲分配器是一个数字逻辑单元，它接收一个单相脉冲信号，根据运行指令 把脉冲信号按一定的逻辑关系分配到每一相脉冲放大器上， 使步进电动机按选定 的运行方式工作。它可以由双稳态触发器和门电路组成，也可用可编程逻辑器件 组成。目前已有专用的集成电路，如三、四相步进电动机脉冲分配器 PMM8712 就是其中一种。 脉冲放大器的作用是进行脉冲功率的放大。因为从脉冲分配器输出的电流很 小(毫安级)，而步进电动机工作时需要的电流较大(几安到几十安)。因此需要进 行功率放大。功率放大电路的种类很多，对电动机性能的影响也各不相同。脉冲 放大器是每相绕组一套。 3.23.23.23.2 步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式 高低压驱动方式又称为双电压驱动方式，其原理如图 3-2 所示。当输入控制 脉冲信号时，功率管 VT1、VT2 导通，低压电源由于二极管 VD1 承受反向电压 处处于截止状态不起作用，高压电源加在控制绕组上，控制绕组中的电流迅速上 升，使电流波形的前沿很陡。当电流上升到额定值或额定值稍高时，利用定时电 路或电流检测电路，使功率管 VT1 关断，VT2 仍然导通，二极管 VD1 也由截止 变为导通， 控制绕组由低压电源供电， 维持其额定稳态电流。 当输入信号为零时， 功率管 VT2 截止，控制绕组中的电流通过二极管 VD2 的续流作用向高压电源放 电，绕组中的电流迅速减小。这种驱动方式的特点是电源功耗比较小，效率比较 高。由于电流的波形得到了很大改善，所以电动机的矩频性能好，启动和运行频 哈尔滨理工大学学士学位论文 率得到很大提高。主要缺点是低频运行时电动机震荡较重。这种驱动方式常适用 于大功率步进电动机的驱动。 高 压 控 制 回 路 低 压 控 制 回 路 控 制 信 号 高 压 电 源 低 压 电 源 一 相 控 制 绕 组 图 3-2双电压驱动电路 3.33.33.33.3 步进电动机驱动步进电动机驱动步进电动机驱动步进电动机驱动/ / / /控制集成电路控制集成电路控制集成电路控制集成电路 本设计采用的是五相步进电动机驱动/控制通用控制器 PMM8714 是五相步进电动机通用控制器，采用单片机集成技术制成。 1.电路特点 具有多种励磁方式。通用励磁模式切换端子的变化拥有 6 种模式可供选用。 电源电压范围 4V18V。 高噪声容限。在所有输入端子上内嵌施密特整形电路。 具有两种输入脉冲方式。2 端子方式和 1 输入、1 切换端子方式。 励磁状态判别检测。将控制器的工作状态作为检测信号输出。 励磁关断功能。将全部相输出置于低电平。 输入脉冲检测。将输入脉冲作为检测信号向外输出。 相检测。将相原点作为检测信号向外输出。 复位功能。将励磁状态移至相原点。 输出电流大。拉出电流为 20mA。 2.芯片管脚排列与功能 8714 脉冲的分配器是单片 CMOS 集成电路采用 DIP24 封装，其电路内有时钟选 通，励磁方式控制，励磁方式判断，可逆环形计数器等部分组成，所有输入端都 有施密特电路，提高抗干扰能力。8714 适用于控制五相步进电机。 3.管脚功能 芯片的管脚排列、各管脚功能如表 3-1 所列。 哈尔滨理工大学学士学位论文 表 3-1PMM8714 管脚功能表 管脚号符号功能 1 CU 正转时钟脉冲输入 2 C D 反转时钟脉冲输入 3 C K 时钟脉冲输入 4U/D正反转控制，0 为反转，1 为正转 5 E A 励磁模式切换 6 EB 励磁模式切换 7 EC 励磁模式切换 8 OFF 励磁关断 9 Z0 相原点检测 10 C0 输入脉冲检测 11 EM 励磁检测 12GND地 13 R 复位 14 E 输出 15 D 输出 16 C 输出 17 B 输出 18 A 输出 19 E 输出 20 D 输出 21 C 输出 22 B 输出 23 A 输出 24 UCC 4V18V 采用 PMM8714 与 S17200M 单片驱动器组成的五相步进电动机驱动系统如 图 3-3 所示。每一线圈上设置一桥电路，可分别切换电流方向。使用 S17200M 由 于振荡电路集中在一个电路上，各相的斩波频率采用同步，相间的磁场相互干涉 少，从而稳定振荡5。 哈尔滨理工大学学士学位论文 图 3-3采用 PMM8714 与 S17200M 的五相步进电动机驱动系统 哈尔滨理工大学学士学位论文 输入脉冲检测端（10 脚）C0如图 3-4 所示。 CU CD CK C0 输 入 输 出 图 3-4输入脉冲检测端 C0波形 五相步进电动机控制/驱动通用控制器的额定值见表 3-2。 表 3-2PMM8714 额定值 项目符号额定值单位 电源电压 UCC -0.5+18V 输入电压 U IN -0.5(UCC-1) V 工作温度 T A -20+85C 储存温度 Tstg -65+150C 容许功率 P0 600mW 输出电流 I0 -30mA 输入电流 I IN 1mA 本章小结本章小结本章小结本章小结 本设计采用高低压驱动方式来驱动步进电动机， 采用 PMM8714 与 S17200M 单片驱动器组成的五相步进电动机驱动系统，其中 555 定时器组成的多谐振荡 器，ULN2003 具有电流放大的作用，这几个芯片组成了一个五相步进电动机的 完整的驱动系统。本章主要介绍了步进电动机的驱动与控制系统，为如何驱动与 控制步进电动机提供了方法跟电路连接。 为下面的微机控制步进电动机奠定了基 础。 哈尔滨理工大学学士学位论文 第第第第 4 4 4 4 章章章章 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 4.14.14.14.1 单片机概述单片机概述单片机概述单片机概述 单片微型计算机(简称单片机)作为微型计算机的一个重要分支，自 20 世纪 7 0 年代问世以来，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段，以其极高的性能价格 比，备受人们的重视和关注，应用广泛，发展也很快。单片机是一种集成在电路 芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随 机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功 能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等 电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 单片机按照其用途可分为 通用型和专用型两大类。通用型单片机是把开发 资源全部提供给使用者。 专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特点用途而 设计的。单片机根据其基本操作处理的位数可分为：1 位单片机，4 位单片机， 8 位单片机，16 位单片机，32 位单片机。 单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方向发展。 微型计算机具有运算速度快、精度高、方便灵活、适应范围广和可靠性高等 特点。作为其分支的单片机，由于特殊的硬件结构和指令系统，还具有以下突出 特点： 体积小，价格低，应用广 通用性、灵活性强 可靠性高、抗干扰能力强 实时控制能力强 应用开发周期短 单片机体积小、功能强等特点，决定了它在工业控制、智能化仪器、通信系 统、信息处理和家用电器等领域得到广泛应用。 Intel 公司单片机是目前应用最广、品种最多的单片机。Intel 公司于 1976 年 推出 MCS-48 系列单片机，在此基础上，于 20 世纪 80 年代初又推出了 MCS-51 系列的高性能的 8 位单片机。MCS-51 系列单片机特别适用于实时控制、智能仪 表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测、控制领域中理想的 8 位单片机。 从应用的角度看，MCS-51 单片机具有如下的一些特点： 集成度高 系统结构简单 系统扩展方便 可靠性高 处理功能强、速度高 容易产品化 哈尔滨理工大学学士学位论文 MCS-51 系列单片机的 3 个基本产品为 8031、8751、8051。它们的引脚与指 令系统完全兼容，但在内部结构及应用特性方面存在一些差异。在这 3 种基本型 产品的基础上，又推出各类增强型系列产品，即所谓的高档单片机，其主要的增 强 型 产 品 有 ： 8032/8052/8752 、 低 消 耗 的CHMOS 工 艺 芯 片 80C31BH/87C51/80C51BH、具有高级语言编程的 芯片 8052H-BASIC、高性能 的 8XCX52 系列、低消耗高性能的 89C51。 4.24.24.24.2单片机结构及原理单片机结构及原理单片机结构及原理单片机结构及原理 4.2.14.2.14.2.14.2.1 单片机的基本结构单片机的基本结构单片机的基本结构单片机的基本结构 图 4-1 所示为 MCS-51 系列单片机的基本结构框图。 振荡器和时序O S C 程 序 存 储 器数 据 存 储 器定 时 器/计 数 器 C P U 6 4K B总 线 扩 展 控 制 器 可 编 程I/O口 可编程全双工串行 口 内 中 断 外 中 断 外 部 时 钟 源 外部事件计数 控 制并 行 口串 行 通 信 图 4-1 单片机结构框图 1、运算器运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件 ALU 为核心， 再加上暂存器 TMP、累加器 ACC、寄存器 B、程序状态标志寄存器 PSW 及 布尔处理器。累加器 ACC 是一个八位寄存器，它是 CPU 中工作最频繁的寄存 器。 在进行算术、 逻辑运算时， 累加器 ACC 往往在运算前暂存一个操作数 （如 被加数），而运算后又保存其结果。寄存器 B 主要用于乘法和除法操作。 标 志寄存器 PSW 也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有 无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示： （1）进位标志 CY。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结 果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为 1，否则为 0。 哈尔滨理工大学学士学位论文 （2）辅助进位标志 AC。又称半进位标志，它指两个八位数运算低四位 是否有半进位，即低四位相加（或减）是否进位（或借位），如有 AC 为 1， 否则为 0。 （3）溢出标志位 OV。MCS51 反映带符号数的运算结果是否有溢出， 有溢出时，此位为 1，否则为 0。 （4）奇偶标志 P。反映累加器 ACC 内容的奇偶性，如果 ACC 中的运算 结果有偶数个 1，则 P 为 0，否则，P=1。 由于 PSW 存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字。 运算器中还有 一个按位进行逻辑运算的逻辑处理机。 2、控制器控制器是 CPU 的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、 指 令寄存器、译码器、地址指针 DPTR 及程序计数器 PC、堆栈指针 SP。这里 程序计数器 PC 是由 16 位寄存器构成的计数器。要使单片机执行一个程序， 就必须把该程序按顺序预先装入存储器 ROM 的某个区域。单片机动作时应 按顺序一条条取出指令来加以执行。因此，必须有一个电路能找出指令所在 的单元地址，该电路就是程序计数器 PC。当单片机开始执行程序时，给 PC 装入第一条指令所在地址， 它每取出一条指令，PC 的内容就自动加 1， 以指向下一条指令的