基于单片机的自动装箱系统.docx

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于单片机的自动装箱系统学生姓名：周武学 号：0606116218专 业：自动化班 级：自2006-1班指导教师：梁丽 37内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于单片机的自动装箱系统摘 要在工业生产中，常常需要对产品进行计数、装箱。人工计数不但麻烦，而且效率低、劳动强度大。随着微机控制的普及，特别是单片机的应用，自动装箱系统得到普遍应用。包装生产线的自动化，使得包装企业以高速度、较少的停机时间和包装故障，大幅度地提高经济效益。本论文设计了一种以Intel 8052单片机为核心的流水线产品计数及装箱控制系统，可以对工业自动化生产流水线上的产品进行精确的计数和装箱。关键词：自动装箱；单片机；步进电机内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）An Automatic Packing System Based on Single-chip MicrocomputerAbstractDuring the modern industrial production process, the product needs to count and pack. If this work replaces by the man-power, the efficiency is low and the labor intensity is big. Along with the popularization using of microcomputer, specially the using of microcomputer single chip, it has brought enormous convenient for this system design. Automatic packaging technology enable enterprises to improve economic efficiency through higher speed, less break time and less mistake. In this paper, it introduces the central of 8031 microcomputer single chip, Which count accurately and pack in the automatic production stream-lines. Key words: Automatic Packing System; Single Chip Microcomputer ; Step Motor内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景11.2 课题的内容和意义1第二章 自动装箱控制系统的总体设计1 2.1自动装箱系统总体构思22.2单片机型号的选择及I/O口的扩展22.3电机的选择及其控制方式22.3.1步进电机的工作原理22.3.2步进电机的单片机控制2第三章 硬件设计33.1给定值电路设计3 3.2显示电路设计3.3步进电动机控制电路的设计33.4控制系统硬件电路原理图3第四章 软件设计34.1程序流程图34.2程序清单3 参考文献3 致谢 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1 课题背景工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术。主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率的问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。工业生产过程中广泛应用了工业控制自动化技术，来实现对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，以达到提高产品的品质和产量、降低生产消耗、确保安全等目的。控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术的应用，极大地推进了工业控制自动化技术的发展。工业自动化体系主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，工业控制自动化技术主要解决生产效率的问题。自动化系统与计算机信息科学的紧密结合，给工业生产过程带来了新的技术革新。在工业自动化体系中，一个重要的角色就是工业控制计算机，即IPC。或者叫产业PC。工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。但今天的工业控制计算机的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。在工业生产过程中，引进了集散系统，习惯上称之为集散系统或DCS。这种系统将计算机技术引入到过程控制系统中,利用单元组合仪表及计算机系统的优点,用软件组成各种功能模件,并用CRT显示温度、压力、液位、流量、成分等等过程参数,通讯网络把二者连成一个系统。因此DCS的一个显著特点是各工艺现场由现场控制站进行分散控制,各个分散控制得到的信息由管理站集中管理,同时根据生产工艺要求管理站对现场控制站进行集中控制,即信息和操作管理集中化而控制分散化。分散是指功能分散、负荷分散和危险分散,危险分散是DCS系统的主要特征之一。DCS在工业生产过程中的使用较为广泛，发展势头很大，具有较为广阔的应用前景。逻辑顺序控制从继电器发展为采用数字化逻辑顺序控制系统,从而产生了可编程控制器(Programmable Logic Controller ),俗称PLC。可编程控制器采用梯形图或布尔代数实现控制程序的编制。与继电器相比,不仅体积小,而且无火花运行,安全可靠,在现场的安装调试都比较简单,很少由于地线出现故障而烧坏控制器。从80年代后期开始,PLC的制造厂家为适应市场需求加进一些模拟量的采集和控制,并和传动控制相配合,在绝大多数情况下都是以单机设备销售,系统集成由最终用户或工程公司完成。现场总线是开放式工业自动化控制系统,是连接设置在工业过程现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、双向、多站通信网络系统。现场总线技术是一项高科技、高水平、高难度的自动控制系统工程,对化工、石化、冶金、电力、制药等各领域的发展将起到十分重大的作用。自当今工业控制多以集散控制、PLC、现场总线为主体，实现了生产过程控制和生产管理集于一体化。进入二十一世纪，国际上一种“新型自动化控制系统”的兴起，进一步使工业控制向着智能化方向发展。动化水平在制造工业中不断提高，应用范围正在拓展。装箱行业中自动化操作正在改变着装箱过程的动作方式和包装容器及材料的加工方法。实现自动控制的集装箱系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。自动装箱的关键在于依据装箱过程，设计出一个能够得以实现自动控制的结构方案。显然，自动装置(机械手或机器人)的选择取决于这一过程的需求及特性。依据定义，一个自动装置即能通过自动控制或遥控方法完成任务的一台机器或一个机构。它可以是简单的，例如，从一个位置移向另一位置的一种单轴结构的气动压力联动装置，也可以是复杂的。例如，具有六轴结构的能动外科手术的机器人。包装过程的各个项目选择以及各类工业自动化机构，可以在一个具体工作场所的空间范围内，使每一个设计方案完成一项任务。自动化水平在制造工业中不断提高，应用范围正在拓展。装箱行业中自动化操作正在改变着装箱过程的动作方式和包装容器及材料的加工方法。实现自动控制的集装箱系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。近年来，随着我国企业现代化水平的提高，自动装箱流水生产线逐渐摆脱手工和半手工装箱操作状态，开始普遍采用高效、可靠的自动装箱方式，显著提高了生产效率。可靠性、安全性、高效性、无人作业性等自动化技术将是工业企业中自动生产线的发展趋势。1.2 课题的内容以单片机为核心，设计一个基于单片机控制的自动装箱系统。按照要求通过键盘设置给定值，然后控制两个电机分别启动两个传送带，运送产品和箱子。要求该系统可分别手动设定装箱数和产品数，在装箱过程中显示已装入包装箱的产品个数，且有自动故障检测和声光报警等功能。该系统能实现对工业企业中流水生产线上的产品的计数、装箱。第二章 自动装箱控制系统的总体设计2.1自动装箱系统设计总体构思 产品自动装箱系统的原理图如图1.1所示。该自动装箱系统有两个传送带，即包装箱传送带1和产品传送带2。包装传送带1用来传送产品包装箱，其功能是把已装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。为使空箱恰好对准产品传送带末端，使产品刚好落入箱中，用一光电检测器1来检测空箱是否到位。为了实现装箱产品的计数，用一光电检测器2将装入包装箱的产品个数转换成计数脉冲。产品计数由硬件完成（单片机的定时器/计数器）。图1.1 产品自动装箱系统的原理图系统工作步骤如下：（1） 用键盘设置每个包装箱的产品数。（2） 按下启动键后，传送带的驱动电机1运转，带动包装箱前行。通过光电传感器1检测空箱是否到位。（3） 若空箱到位，立即停止电机1。（4） 启动传送带2的驱动电机2，将产品装入包装箱内。（5） 光电传感器2将装入箱中的产品转换成输出脉冲，由单片机的定时器/计数器计数。（6） 装箱过程中，不断地显示装入包装箱内的产品数。（7） 当装入包装箱的产品达到给定值，立即停止电机2。（8） 启动电机1，将满箱运走，空箱运到指定位置。如此循环，实现自动包装生产线不间断装箱。（9） 必要时，可通过停止键停止装箱，并通过键盘重新设定装箱产品数，再启动。2.2单片机型号的选择及I/O口的扩展本系统采用INTEL公司MCS-51系列单片机中的80C52。它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。 80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 此外，80C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。80C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。因80C52片内程序存储器（ROM）只有8K。系统扩展了一片27128 EPROM芯片作为程序存储器。由于系统中含有外部ROM，P0口将作为地址/数据总线使用，P2口作为高八位地址总线使用。P0、P2口不能再作为一般I/O口使用。因此，系统还用8255可编程I/O芯片扩展了80C52的并行I/O口。8255A是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片,它具有3个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,可通过程序改变其功能,因而使用灵活,通用性强,可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255有三种基本工作方式：方式0：基本输入输出；方式1：选通输入输出；方式2：双向传送。 三种工作方式由工作方式控制字决定,方式控制字由CPU通过输入/输出指令来提供。三个端口中C口被分为两个部分,上半部分随A口称为A组，下半部分随B口称为B组。其中A口可工作与方式0、1和2，而B口只能工作在方式0和1。8255内部包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位总线缓冲器。各部分功能概括如下：端口A、B、C。A口：是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。 B口：是一个8位数据输入/输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。 C口：是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器（输入不锁存）。 通常A口、B口作为数据输入/输出端口。C口作为控制/状态信息端口，它在“方式控制字”的控制下可分为两个4位端口，每个端口有一个4位锁存器，分别与A口、B口配合使用，作为控制信号输出或状态信息输入端口。工作方式控制电路。工作方式控制电路有两个，一个是A组控制电路，另一个是B组控制电路。这两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接受中央处理器发来的控制字，以决定两组端口的工作方式，也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或者按位置“1”。 A组控制电路用来控制A口和C口的上半部分（PC7-PC4）。B组控制电路用来控制B口和C口的下半部分（PC3-PC0）。读/写控制逻辑电路。读/写控制逻辑电路接受CPU发来的控制信号RD、WR、RESET、地址信号A1-A0等，然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，发往CPU，或者将CPU送来的数据写入端口。 工作方式0是一种基本的输入/输出工作方式，在这种方式下，三个端口都可以由程序设置为输入或输出，没有固定的用于应答的联络信号。其基本的功能可概括如下：（1）可具有两个8位端口（A、B）和两个4位端口（C口的上半部分和下半部分）。（2）任何一个端口都可以设定为输入或者输出，各端口的输入、输出可构成16种组合。（3）数据输出时可以锁存，输出时不锁存。 按照方式0工作时，CPU可以通过简单的传送指令对人以一个端口进行读/写，这样各端口就可以作为查询式输入/输出接口。按照查询方式工作时， A口、B口可作为两个数据输入/输出端口，C口的某些位可作为这两个端口的控制/状态信号端。 工作方式1是一种选通式输入/输出工作方式。在这种工作方式下，选通信好于输入/输出数据一起传送，由选通信号对数据进行选通。其基本功能可概括如下：（1）三个端口分为两组，即A组和B组。（2）每一组包括一个8位数据端口和一个4位的控制/状态端口。（3）每一个8位数据端口均可设置为输入或者输出，输入端均可锁存。2.3电机的选择及其控制方式 由于系统对驱动传送带的电机的速度的控制精度要求不高，所以采用开环控制即可。但系统所用电机应有良好的动态响应性能，具有快速启停能力。针对以上分析，本系统采用步进电机。步进电机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上和输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特征，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的功能。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特征，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相摘要：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。步进电机有如下特点：（1） 步进电机的角位移与输入脉冲严格成正比，具有良好的跟随性。（2） 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠。（3） 步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。（4） 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得最大转矩。（5） 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。（6） 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。2.3.1步进电机的工作原理图2.1 三相反应式步进电动机的结构示意图1定子 2转子 3定子绕组图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3。依次类推，当三相绕组按ABCA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角b为30。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算： b=360/NEr 式中 Er转子齿数；N运行拍数步进电动机静态指标及术语（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，有四相四拍运行方式即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表示。=360度（转子齿数J*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=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（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。 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。步进电动机动态指标及术语（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。矩频特性如图2.2所示：图2.2矩频特性 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2.3所示：图2.3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。（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）电机正反转控制。当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。2.3.2步进电机的单片机控制 步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下：（1）控制换相顺序。步进电机的通电顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机的单三拍工作方式，其各相通电循序为A-B-C，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相得通电和断电。（2）控制步进电机的转向。步进电机如果正序通电换相，步进电机就正转；如果按反序通电换相，则步进电机就反转。例如，三相步进电机工作在单三拍，通电换相的正序是A-B-C，电机就正转；如果按A-C-B通电换相，步进电机就反转。（3）控制步进电机的转速。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，它会在转一步。两个脉冲间隔时间越短，步进电动机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。步进电动机的驱动控制系统系统框图如图2.4所示。步进脉冲信号由单片机产生，信号分配由硬件（脉冲分配器PWM8713）完成。来一个步进脉冲，步进电动机转动一个步距角，改变步进脉冲的频率就可以改变步进电机的速度，改变换相顺序即改变步进电机转速。图2.4步进电动机驱动系统框图步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的步进脉冲的频率或换向周期实际上是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制:一种是延时（软件法），一种是定时（硬件法）。 延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序,待延时结束后再次执行换向,这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和就是CP脉冲的周期。该方法简单,占用资源少,全部由软件实现,调用不同的子程序可以实现不同速度的运行;但占用CPU时间长,不能在运行时处理其他工作,因此只适合较简单的控制过程。 定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号,从而可方便地控制系统输出CP脉冲的周期。当定时器起动后,定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数;当定时器溢出时,定时器产生中断,系统转去执行定时中断子程序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中,定时中断一次,电机换向一次,从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新起动开始至定时器申请中断止,有一定的时间间隔,造成定时时间增加。为了减少这种定时误差,实现精确定时,要对重装的计数初值作适当调整。调整的重装初值主要考虑两个因素:一是中断响应所需的时间;二是重装初值指令所占用的时间,包括在重装初值前中断服务程序中的其他指令因素。综合这两个因素后,重装计数初值的修正量取8个机器周期,即要使定时时间缩短8个机器周期。用定时中断方式控制电动机变速时,实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控制过程中,采用离散办法逼近理想升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间,系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中,系统在运行中用查表法查出所需的装载值,这样可大幅减少占用CPU的时间,提高系统的响应速度。步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特征是结构简单，因它的工作效率低，尤其是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降，不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换，固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片PWM8713来驱动。 PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用DIP 16封装，适用于二相或四相步进电机。PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式(1相励磁，2相励磁，3相励磁三种励磁方式之一)，每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强。PMM8713 是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片,它适用于三相和四相步进电机。表1所列是PMM8713的引脚功能。Cu 为加脉冲输入端,它使步进电机正转,Cp 为减脉冲输入端,它使步进电机反转,Ck为脉冲输入端,当脉冲加入此引脚时,Cu 和Cp 应接地,正反转由U/ D 的电平控制,EA 和EB 用来选择励磁方式的,可以选择的方式有一相励磁、二相励磁和一二相励磁,C 用来选择三、四相步进电机,Vss 为芯片工作地,R 为芯片复位端,41 为四相步进脉冲输出端,31 为三相步进脉冲输出端,Em 为励磁监视端,Co 为输入脉冲监视端,VDD为芯片的工作电源（+ 4 + 18V)。表2.1 PMM8713 的引脚概要1 CU 输入脉冲 UP 计时脉冲 9 R复位2 CD 输入脉冲 DOWN 计时脉冲 10 4 输出 4相3 CK 输入脉冲 计时脉冲 11 3 输出 3相4 U/D 旋转方向转换 0:DOWN 1:UP 12 2 输出 5 EA 激磁模态转换 13 1 输出 6 EB 14 EM 激磁监控器 7 C 3相及4相转换 15 CO 输入脉冲监控器 8 Vss GND 16 VDD 4V18V 步进电机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。通过单片机定时器中断的方法可实现步进脉冲输出，改变定时器的定时常数就可改变脉冲的频率，从而实现调速。例如，当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中改变P1.0引脚的电平状态，这样在引脚P1.0上就可以得到一个给定频率的方波输出。改变定时常数，就可改变方波频率，从而实现调速。若定时器T0，工作方式1，定时器的定时常数存放在内存RAM 30H（低八位）和31H（高八位）中，则定时器中断服务子程序为：COUNTT0:CPL P1.0 ；改变P1.0的电平状态 PUSH ACC PUSH PSW CLR C CLR TR0 ；停止定时器T0 MOV A,TL0 ；取TL0当前值ADD A,#08H ；加8个机器周期 ADD A,30H ；加定时常数（低8位） MOV TL0,A ；重装定时常数（低8位） MOV A,TH0 ；取TH0当前值 ADDC A,31H ；加定是常数（高8位） MOV TH0,A ；重装定时常数（高8位） SETB TR0 ；开定时器 POP PSW POP ACC RETI因为中断过程和中断服务程序的执行过程都要花一定的时间，这些时间会造成延时，会影响步进脉冲的频率精度。定时器溢出后，如果没有接到停止指令定时器会从0开始计数。因此，定时器T0在重装初值时应取T0的当前值与定时常数相加。另外，在本程序中，定时器从停止到重新开启，CPU执行了8条单周期指令，这8个机器周期也要计算在内。采用定时器法进行步进电机的速度控制时，CPU只在改变步进脉冲状态时参与，所以CPU的负担大大减轻，完全可以同时从事其他工作。第三章 硬件设计3.1给定值电路设计本系统键盘设计了“0”“9”数字键及“确认” 、“重输”键，共12个键。本系统设计了一个有二极管矩阵组成的编码键盘，如图3.1所示。当没有键按下时，键盘输出端均为高电平。当“0”“9”数字键中有一位键按下时，键盘输出为该数字的BCD码。由于8255的PA口的高四位接地（为低电平），所以从PA口读入的八位二进制数的值与按下的键值相等。例如，按下“7”键时，与键“7”相连的二极管导通，键盘输出编码为0111，8255PA口的值为00000111，即十进制数“7”的二进制转换。当按下“确认”键时，键盘输出编码为1010，当按下“重输”键时，键盘输出编码为1011。图3.1 键盘电路3.2显示电路设计LED数码管是单片机控制系统中最常用的显示器件之一。LED的驱动显示方式有静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码显示管。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有锁存功能的I/O口，该接口用于锁存笔画段字型代码。这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。动态扫描方法是用其接口电路把所有LED的8个引脚（ag和dp）同名端连在一起，而每一个LED的公共极COM各自独立受I/O线控制。CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接受相同的字型码，但究竟使哪一位点亮则由I/O线决定。动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的COM端，使每个显示器轮流电亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。本系统设计的显示电路（2位数的动态显示）如图3.2所示。显示数的段码由8255的PB口送出，位扫描码由PC.0、PC.1引脚送出。图3.2 显示电路3.3步进电动机控制电路的设计单片机工作电压为5V，而步进电动机是工作在几十伏，甚至是一百多伏的电压，一旦步进电动机的电压窜到单片机部分，则会引起单片机的损坏；或者步进电动机的有关信号干扰单片机，也会引起系统故障。因此，单片机与步进电机的连接都需要用专门的接口电路和驱动电路。电压隔离接口就是把低压部分的单片机和高压部分的步进电动机驱动电路隔离开来，以保证它们的正常工作。因光电耦合器具有体积小、耐高压、可靠性高的一系列优点，本系统采用光电耦合器作为电压隔离接口。利用光电耦合器电路将控制器与外部的驱动电路隔离开来,使得外部电路的变化不至于影响或者损坏控制系统,从而提高系统的可靠性,增强抗干扰能力。光电耦合器件是由发光二极管（发光源）与受光源（如光敏三极管、光敏晶闸管或光敏集成电路）封装而成的电光电转换器件。由于输入回路与输出回路之间通过光实现耦合，因此光电耦合器件也称为光电隔离器件。光电耦合器具有如下特点：（1）输入回路与输出回路之间通过光实现耦合，彼此之间的绝缘电阻很高，并能承受2000V以上的高压，因此输入回路与输出回路之间在电器上完全隔离。由于输入、输出自成系统，无需共地，绝缘和隔离想能都很好，因此，有效地避免了输入/输出回路之间的相互影响。（2）由于光耦中的发光二极管以电流方式驱动，动态电阻小，输入回路中的干扰，如电源电压波动、温度变化引起的热噪声等均不会耦合到输出电路。（3）作为开关使用时，光电耦合器件具有寿命长，反应速度快（开关时间在微妙级）的特点，高速度光耦开关时间只有10ns。本系统设计的PWM8713脉冲分配器与步进电动机的接口电路如图3.2所示。当PWM8713的Q1引脚输出为1（高电平）时，发光二极管不发光，因此光敏三极管截止，从而使达林顿管导通，A相绕组通电。反之，当输出为0（低电平）时，发光二极管发光，使光敏三极管导通，从而使达林顿管截止，A相绕组断电。总之，只要PWM8713的CK引脚以一定频率输入步进脉冲，PWM8713自动完成步进电动机的通电换相控制，使步进电动机按照一定速度朝着一定方向步进。改变步进脉冲的频率就可改变步进电动机的速度。PWM8713的U/D引脚的电平状态决定步进电动机的转向。图3.2 步进电动机驱动电路3.3系统硬件电路原理图图3.3是自动装箱系统的硬件电路原理图。系统以80C52为核心，扩展了一片27128 EPROM 芯片作为程序存储器，用一片8255可编程并行接口芯片扩展了单片机的I/O口。8255的PA口从键盘电路读入装箱产品的给定值，PB口与PC口实现给定值（最大值为99）及装箱过程中装入包装箱内的产品数的显示。该显示电路采用2个LED数码管的动态显示实现，其中显示数的笔段码由8255的PB口送出，位扫描码由PC.0、PC.1引脚输出，轮流点亮2位LED数码管，实现按位动态显示。光电传感器1检测空箱是否到位。无包装箱时，光电传感器导通，80C52的P1.4引脚为1（高电平）；空箱到位时，光电传感器截止，P1.4引脚为0（低电平）。单片机可通过查询P1.4引脚的电平状态来判断空箱是否到位。光电传感器2用来实现装箱产品计数。每装入一件产品，将在80C52的P3.4引脚上产生一个脉冲，每输入一个计数脉冲，计数器T0加1，从而实现计数。在步进电机1的控制电路中，80C52的P1.0、P1.1引脚分别与PWM8713的CK、U/D引脚相连。P1.0引脚输出步进脉冲，P1.1控制步进电机1的转向。80C52的P1.2、P1.3引脚分别与另一片PWM8713的CK、U/D引脚相连。P1.2引脚输出步进脉冲，P1.3控制步进电动机2的转向。图3.3 系统电路原理图第四章 软件设计自动装箱系统是顺序控制系统。系统只有在给定了装箱产品个数后才开始装箱工作。故在设计软件程序时，可用查询方式查询是否有给定值输入及给定值是否输入完成。程序只有在已经得到给定值后才开始启动运送空箱的步进电动机。同样，只有在空箱到位后才能启动运输产品的步进电动机，开始产品的装箱工作。所以，仍用查询的方式查询空箱是否到位，只有在查询的空箱已经到位时，程序才开始启动步进电动机进行产品装箱工作。在产品装箱过程中，程序要能显示已装入箱中的产品个数。产品的计数由计数器T0完成。包装箱装满后，计数器T0产生溢出中断，计数器工作在方式2（自动重装初值的8位计数器），在中断服务子程序中停止步进电动机2，停止产品的装箱。中断返回后，主程序启动步进电动机1，将装满的包装箱运走，并将另一个空箱然运来。然后程序跳转的查询空箱是否到位的程序地址处，若查询到空箱是否到位，则开始另一个包装箱的装箱工作，如此循环，实现不间断装箱。2个步进电机的启动与停止通过定时器T1和T2的TR1和TR2的置位与复位来控制。步进电动机的步进脉冲由定时器T1和T2中断实现。定时常数决定步进脉冲的频率。自动装箱系统为流水线生产线，不需要对驱动传送带的步进电动机进行调速，只需步进电动机以合适的速度恒速运行，即保证传送带匀速地传送产品。在中断服务子程序中，将80C52的P1.0和P1.2引脚电平取反，这样在这两引脚上产生一定频率的方波。需要注意是定时器T1工作在方式1（16定时器）时，TH1溢出后，定时器将从0000H开始计数。因此，在定时器T1的中断服务子程序中还应重装计数初值。定时器T2工作在自动重装初值的16位定时器，故无需在中断子程序中重装初值。4.1程序流程图软件程序流程图如下。4.2程序清单AK EQU 0004H ；8255的A口地址BK EQU 0005H ；8255的B口地址CK EQU 0006H ；8255的C口地址DK EQU 0007H ；8255的控制端口地址ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP COUNTER0ORG 001BHLJMP TIMER1ORG 002BHLJMP TIMER2ORG 0030HMAIN: MOV SP,#80HSETB P1.1 ；设置步进电机1正转SETB P1.3 ；设置步进电机2正转SETB P1.4 ；P1.4引脚输入CLR P1.5MOV DPTR,#DKMOV A,#10010000B ；写8255控制字MOVX DPTR,A SETB ET0SETB ET1SETB ET2SETB EACLR TR0CLR TR1CLR TR2MOV TMOD,#00010110B ；T0工作为方式2，T1工作为方式1MOV T2CON,#0 ；T2为自动重装初值16位定时器MOV T2MOD,#0 MOV 30H,#0B ；步进脉冲频率为10Hz MOV 31H,# 3CMOV TL1,30H MOV TH1,31HMOV TL2,30H MOV RCAP2L30HMOV TH,31HMOV RCAP2H,31H LOOP1:MOV R1,#40 /读入给定值，十位、个位分别存入内部RAM的40H、MOV R2,#2 41H单元MOV R3,#00000001BLOOP2:MOV DPTR,#AKMOVX A,DPTRCJNE A,#0FH,LOOP3 ；是否有键按下LJMP LOOP2 MOV R6,#20 ; 10ms延时，消除键抖LOOP3:MOV R5,#248 DJNZ R5,$ DJNZ R6,LOOP3 M