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电气电子毕业设计论文
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毕业设计52步进电机的控制,电气电子毕业设计论文
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1 步进电机的控制 摘 要 步进电机（ Stepping Motors）是一种将输入的电脉冲信号变换为阶跃性角位移或直线位移的电机 ,既给一个脉冲信号 ,电机就转动一个角度或前进一步 ,故而又称为脉冲电机。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比 ,转速与脉冲频率成正比。步近电机必须与驱动器、控制器配套使用才能完成工作要求。 本设计采用 89C52 16 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UIN2003 和 74LS14 芯片构成驱动电路 驱动步进电机；同时，用 4X4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，采用74LS164 作为 4 位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用ISD2560 语音芯片 的语音功能播报电机的转速。 关键词： 步进电机 单片机 数码管 nts 2 Abstract Tread into the electrical engineering(The Stepping Motors) is a kind of electricity pulse signal transformation that will input to jumps sex Cape move or the straight line to move for the rank of electrical engineering, since give a pulse signal, the electrical engineering turns to move an angle or fronts further, hence be called the pulse electrical engineering again.Its outputs Cape move with the importation of pulse the number becomes the direct proportion, turning to become the direct proportion with the pulse frequency soon.Tread the near electrical engineering must then can complete the work request with actuator, the controller kit usage. The This design adopts 16 machine the SPCE061As of the the the sun to the carry on the the control the towards treading the into the the electrical engineering, the pass an the outputs has the the cycle the time of the a conduct the and actions the tread into the the control the signal of the the electrical engineering, the the signal the drive to the tread into the the electrical the engineering through the the chip L298N; At the same time, use the keyboard of the 4 X4s to the electrical engineering of appearance carry on the control, counteract the figures tube manifestation electrical engineering to turn soon, adopt the 74 LS164s to be 4 single pieces code tube of manifestation drive, from a machine importation signal; The speech function that makes use of a machine of sun of reports the electrical engineering to turn soon. Key words: stepping motor electrical engineering figures tube nts 1 目 录 前言 第一章 单片机和步进电机的概述 1.1 单片机的昨天、今天和明天 1.2 单片机和应用 第二章 感应子式步进电机系统开发 2.1 特点 2.2 分类 2.3 步进电机的静态指标术语相数 2.4 步进电机动态指标及术语 2.5 步进电机的选择 2.6 应用中的注意点 2.7 感应子式 步进电机 工作原理 第三章 步进电机的硬件设计 3.1 步进电机的 智能控制 3.2 整体结构设计 3.3 具体硬件的设计 第四章 步进电机控制系统原理 4.1 方案论证与比较 4.2 步进电机控制原理 4.3 理论设计 4.4 程序设计 结 束 语 致 谢 参考文献 nts 1 前 言 单片机 (全称单片微型计算机 )也有人称之微控制器，是微型计算机家族中的一点。自从 1976 年美国 Intel 公司首次推出 MCS 40 单片机芯片以来，单片机以其独特的结构和超群的优点，近年来发展极其迅速，应用十分广泛。单片机是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片。是将 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口以及中断系统等集成于一块硅片的器件。 单片机进入我国市场已有十几年 的时间，有几代新系列，新产品陆续被推向市场。由于它体积小、功能强、可靠行好、价格低廉、功耗小、指令简单、易于开发、同时由于嵌入式 C 语言的推广普及，因而备受用户的欢迎，在新产品研发，工厂自动化以及各种控制领域中被广泛采用。 步近电机的特点是精度高、惯性小，通常不需反馈就能对位置和速度进行控制，在许多智能仪器仪表中得到广泛应用。步近电机必须与驱动器、控制器配套使用才能完成工作要求。步近电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上还取决于驱动器和控制器的优劣。因此对步近电机驱动器的研究几乎是与对步近电 机的研究同步进行的。 在本文中，将以步近电机为例介绍单片机控制在步近电机中的应用。 nts 2 第一章 单片机和 步进电机的概述 1.1单片机的昨天、今天和明天 1.1.1 单片机的辉煌历史 单片机既微控制器 (MCU)自 1976 年 Intel 公司推出 MCS 48，迄今已有 20 多年了。由于 MCU具有集成度高、体积小、功能强、可靠行好、价格低廉、功耗小、指令简单等一系列优点，目前已渗透到人们工作和生活的各个角落，几乎是无处不在，无所不为。 MCU 的应用领域已从面向工业控制、交通、通信、智能仪表等迅速发展 到家用消费产品、办公自动化 汽车电子、 PC 机外围以及网络通信广大领域。 就 MCU 本身而言，除了 4 位机和 8 位机仍然保有巨大的应用领域之外，各种新型的、高性能的机型也得到迅速发展。 1970 年微处理器研制成功之后，随之就出现了单片机 (既单片的微型计算机 )。自1976 年美国 Intel 公司生产的 4 位单片机 4004 和 1972 年生产的 8 位单片机雏型 8008，特别是 1976 年 9 月 Intel 公司的 MCS 48 单片机问世以来，在短短的十几年间，经历了 4 次更新换代，其发展速度大约每二三年更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番，其 发展速度之快、应用范围之广已达到了惊人的程度。 1.1.2 单片机面临的挑战 在数字化道路上，我国电子设计技术的发展经历了并将继续经历许多重大的变革与飞跃。从应用 SSI 通信数字电路芯片构成电路系统 ,到广泛应用 MCU(微控制器或单片机 )，在电子系统设计上发生了一个具有里程碑意义的飞跃。这一飞跃不但克服了应用纯 SSI 数字电路系统许多不可逾越的困难，同时也为电子设计技术的应用开阔更广的前景，使得电子系统的智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃。但是电子设计技术发展到今天，又将面临一次更大意义上的突破。从某种意义上说 ，这种突破的实现是历史抉择性的，而非技术性的，既 CPLD/FPGA 在 EDA 中的广泛应用。从本质上说，新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构上，但却是一种更高层次的循环。它在更高层次上保留了过去数字技术的优秀部分，对 MCU 系统将是一种扬弃，但在电子技术的设计操作和系统构成的整体上却发生了质的飞。如果说 MCU 在逻辑的实现上是无限的话，那么 CPLD/FPGA 不但包括了 MCU 这一特点 ,nts 3 而且还可触及硅片电路限度的物理极限，并兼有串行工作方式、高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点，不但如此，随 着 EDA 技术的发展和 CPLD/FPGA向深亚微米领域的进军，它们与 MCU， MPU， DSP， A/D， D/A， RAM 和 ROM 等独立器件间的物理与功能界限将日益模糊。特别是软 /硬 IP 芯核产业的迅速发展 ,嵌入式通用与标准 FPGA 器件呼之欲出，片上系统 (SOC)既将问世。正越来越受到业内人士的密切关注。 由 MCU 为主构成的电子应用系统通常出现的问题可分为 2 类：一类是纯技术问题，如软件设计、接口器件的选择及抗干扰措施的应用问题，这些问题通常属于可解决之列；另一类则直接与 MCU 本身相关，既与 MCU 与生俱来的一些不可克服的 弱点相关。它们包括以下几个方面： 1）低速 . 2）复位工作方式 . 3） PC 的跑飞 . 4） MCU 使用误区 . 5）编程方式简单、先进 . 6）高速 . 7）功能强大，应用广泛 . 8）高可靠性 . 9）易学易用，开发便捷 . 10）开发周期短 . 单片机面临着 CPLD/FPGA 的严峻挑战。 . 1.1.3 单片机的光明未来 单片机在性能和功能上的不段提升，使人们有理由相信 ,单片机的未来是光明的。例如 RISC 结构是近年来单片机体系结构发展的一个重要方向。 RISC 单片机除了精简指令集之外，通常还具有单字长指令系统和 CPU 的流水线操 作方式，其流水线操作方式大大提高了指令的运行速度。 Scenix 公司新近推出的 SX 系列单片机可以证明这点。 那么到底是什么能让单片机长盛不衰呢？ 1）虚拟技术正式走上单片机舞台 2）免开发装置技术 nts 4 3）单片机技术的新发展 1.2 单片机和应用 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 可以说，二十世 纪跨越了三个 “电 ”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图 1 所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器，如图 2 所示）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的 “肚子 ”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时 工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词 “智能型 ”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各 种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。 1.2.1 步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。您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；同时您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。 1.2.2 步进电机 分 类 nts 5 步进电机分三种：永磁式（ PM） ，反应式（ VR）和混合式（ HB） 永磁式步进一般为两相，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。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰； 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 步进电机类 分 ： 2相步进电机 5相步进电机 3 相步进电机 一体化步进电机 分布式步进电机 直线步进电机 微型步进电机 中空轴步进电机 超高温步进电机 超低温步进电机 防爆步进电机 防水步进电机 真空步进电机 1.2.3 步进电机精度 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 1.2.4 步进电机的外表温度允许达到 值 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90度完全正常。 1.2.5 步进电机的 力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 nts 6 第二章 感应子式步进电机系统开发 2.1特点 感应子式步进电机与传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 .不难发现其条件为 C= ,D= . 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，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。 2.2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。 2.3步进电机的静态指标术语相数 产生不同对极 N、 S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。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.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）。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）静转矩：电机在nts 7 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。 2.4步进电机动态指标及术语 （ 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 2.1所示 图 2.1 运行矩频特性图 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。如下图 2.2所示： nts 8 图 2.2 惯频特性 图 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或 ( )时为正转，通电时序为 DA-CA-BC-AB 或 ( )时为反转。三、驱动控制系统组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图 2.3 如下： 图 2.3步进电机控制系统方框图 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、信号分配器（又名脉冲分配器） nts 9 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。我厂生产的 SH 系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图 2.4 如下： 图 2.4 恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图 说明： CP 接 CPU脉冲信号（负信号，低电平有效） OPTO 接 CPU+5V FREE 脱机，与 CPU 地线相接，驱动电源不工作 DIR 方向控制，与 CPU地线相接，电机反转 VCC 直流电源正端 GND 直流电源负端 A 接电机引出线红线 接电机引出线绿线 B 接电机引出线黄线 接电机引出线蓝线 nts 10 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 图 2.5如下： 图 2.5 电压对力矩影响 图 3、细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，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 如图 2.6。 图 2.6 磁场的夹角控制步进电机细分 图 2.5 步进电机的选择 步进电机有步四、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。 2.5.1 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。nts 11 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。 2.5.2 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） 2.5.3 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） 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤 图 2.7： 图 2.7 选择电机步骤 图 2.5.4 力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其 P为功率单位为瓦，nts 12 为每秒角速度，单位为弧度， n为每分钟转速， M为力矩单位为牛顿 米 P=2fM/400( 半步工作） 其中 f为每秒脉冲数（简称 PPS) 2.6 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。 9、应遵循先选电机后选驱动的原则。五、其他说明 有关低频振动、升降速、机械共振、工作往复运动的误差、平面圆弧 X、 Y 插补误差以及其他问题。具体解决办法恕不便在此叙述，我厂用户可来电咨询，可根据具体情况解决。 不同厂家的电机在设计、使用材料及加工工艺方面差别很大，选用步进电机应注重可靠性而轻 性能、重品质而轻价格。 最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。这样便于最终客户的维护。 2.7 感应子式 步进电机 工作原理 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。 nts 13 2.7.1 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） 2.7.2、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，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。 nts 14 第三章 语音芯片 在智能仪器仪表或自动控制设备中，增加语音功能能极大地提高人机界面的友好性，方便用户操作。在许多场合，设计者需要将语音系统和单片机结合在一起，解决上诉问题。目前语音服务行业越来越广，如电脑语音钟、语音 型数字万用表、手机话费查询系统、排队机以及公共汽车报站器等。 语音芯片可以很方便的在单片机系统中使用，并且和单片机的接口非常容易设计，其体积和重量也能符合单片机系统的要求。 所谓语音芯片就是在人工或者是控制器的控制下可以录音和放音的芯片。 在单片机系统中使用 ISD 系列的语音芯片时，需要考虑个 3 个方面的内容，一个方面是如何使用 ISD 语音芯片，二是如何根据选择 ISD 芯片设计外围电路和单片机的接口电路，三是如何编写定时控制语音芯片的单片机程序。 器件和原理 3 1什么是语音芯片？ 语音芯片就是在人工或者是控制器的 控制下可以录音和放音的芯片。比nts 15 较典型的器件有美国的 ISD公司产生的 ISD 系列语音芯片。 ISD 系列语音芯片采用模拟数据在半导体存储器直接存储的专利技术，即将模拟语音数据直接写入单个存储单元，不需要经过 A/D 或 D/A 转换，因此能够较好地真实再现语音的自然效果，避免了一般固体语音电路因为量化和压缩造成的量化噪声和失真现象。另外芯片功能强大；即录即放、语音可掉电保存、 10 万次的檫写寿命、手动操作和 CPU 控制兼容、可多片级联、无须开发系统等，确实给欲实现语音功能的单片机应用设计人员提供了单片的解决方案。现在市场上已 有公司将以 AT89C2051 单片机与 ISD 语音芯片组成的语音组合板，用串行口通信，芯片里固化有一些常用的语音词汇，用户不需了解语音功能的工作原理，只需通过串口按一定的协议发送代码即可送出语音。 3.2 如何选择合适的语音芯片？ 目前在市场上比较常见的和使用较为普遍的语音芯片如图 型号 特征 语音长度； 10sec TE6310 采样频率（ kHz） ;6.4 放音触发：放音触发 工作电压（ V）： 4.5-5.5 nts 16 工作电流：（ mA）： 30 静态电流（ uA） :2 型号 特征 语音长度； 32sec TE6332 采样频率（ kHz） ;4-6.4 放音触发： YES 工作电压（ V）： 2.7-3.3 工作电流：（ mA）： 45 型号 特征 语音长度； 20sec ISD1420 采样频率（ kHz） ;6.4 放音触发：边 缘 /电平 工作电压（ V）： 4.5-5.5 工作电流：（ mA）： 30 静态电流（ uA） :10 型号 特征 语音长度； 60sec ISD2560 采样频率（ kHz）： 8 nts 17 放音触发：电平 工作电压（ V）： 4.5-5.5 工作电流：（ mA）： 30 静态电流 |（ uA） :10 以典型的 ISD 语音芯片为例，介绍现在比较流行的语音芯片，以及选择语音芯片的标准。目前，市场上的语音芯片和语音扳很多，从性能上看，美国 ISD公司 ISD系列录放芯片可谓是一支独秀。 ISD 器件的特点如下： 使用直接电平存储技术，省去了 A/D、 D/A 转换。 内部集成了大容量 的 EERPOM，不再需要扩展存储器。 控制简单，控制管脚与 TTL电平兼容。 具有集成度高、音质好、使用方便等优点。 3.3 ISD2560 的基本功能是什么？ 美国 ISD公司的 2590 语音芯片。该芯片的引脚如图所示，其基本特点和引脚的功能说明如下。 1） ISD2500系列具有抗断电、音质好、使用方便、无需专用的语音开发系统的特点。 2） 片内 EEROM 容量 480KB，说仪录放时间长，录放时间为 90S。 3） 有 10个地址输入端，寻址能力可达 1024 位。 nts 18 4） 语音最多能分 600段，设有 OVF 溢出端，便于多个器件级联。 地 址线： A0-A9。共有 1024 种组合状态。最前面的 600个状态作内部存储器的寻址用，最后 256 个状态作为操作模式。 电源： VCCA、 VCCD。芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线。模拟和数字电源端最好分别走线。 地址： VSSA、 VSSD。芯片内部的模拟和数字也可使用不同的地线。 节电 |控制： PD。本端拉高使芯片停止工作，进入不耗电的节电状态，芯片发生溢出，即 /OVF 端输出低电平后，要将本端短暂变高复位芯片，才能使之再次工作。 片选 |： CE。本端变低后， PD 为低，允许进行录放操作。芯片在本端的下 降沿锁存地直线 P/-R 端的状态。 录放模式：本端状态 /CE 的下降沿锁存。高电平选择放音，低电平选择录音。 信息结尾标志： EOM。 EOM 标志在录音时由芯片自动插入到该信息的结尾。放音遇到 EOM 时，本端输出低电平脉冲。芯片内部会检测电源电压以维护信息的完整性，当电压低于 3.5V 时，本端变低，芯片只能放音。 溢出标志： OVF。芯片处于存储空间末端时本端输出低电平脉冲表示溢出，之后本端状态跟随 CE 端的状态，直到 PD 端变高。 nts 19 麦克输入： MIC。本端连至内前置放大器。片内自动增溢控制电路（ AGC）将置增益控制在 -15至 24dB。 麦克参考： MICREF。本端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减少噪声，提高共模抑制比。 自动增益控制： AGC。 AGC 动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到渲嚣声）时失真都能保持到最小。 模拟输出： ANAOUT。前置放大器的输出，前置电压增益取决于 AGC 端电平。 模拟输入： ANAIN。本端为芯片录音信号输出。对话筒输入来 说ANAOUT 端应通过外接电容连至本端。 喇叭输出： SP+、 SP-。过对输出端级驱动 16 欧以上的喇叭。 单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容，而双端输出既不用电容又不能将功率提高至 4 倍。录音和节电模式下，它们保持为低电平。 辅助输入： AUXIN。当 /CE 和 P/-R 为高，放音不进行，或处于放音溢出状态时，本端的输入信号过内部功放驱动喇叭输出端。当多个 2500芯片级联时，后级的喇叭输出通过本端连接到本级的输出放大器。 外部时钟： XCLK。本端内部有下拉元件，不用时应接地。芯片内部的采nts 20 样时钟在出厂前已调节器校，误差地 +1%内。 地址 /模式输入： AX/MX。地址端有个作用，取决于最高两位（ MSB，即2532/2548 的 A7 和 A8，或 2560/2590/25120 的 A8 和 A9）的状态。当最高两为 2 中有一个为 0 时，所有输入均解释为地址位，作为当前录入操作的起始地址。地址端只作输入，不输出操作过程中的内部地址信息。 ISD2560 是 ISD 系列单片语音录放集成电路的一种，是一种永久记忆型录放语音电路，录音时间为 60s，能重复录放达 10 万次。它采用直接电平存储技术，省去了 A/D、 D/A 转换器。 ISD2560 集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器 和 480kB 的 EEPROM 等。内部 EEPROM 存储单元，均匀分胃 600 行，具有 600 个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为 100ms。 ISD2560控制电平与 TTL电平兼容，接口简单，使用方便。 ISD2560 内置了若干操作模式，可用最少的外围器件实现最多的功能，操作模式也由地址端控制；当最高两位都为 1 时，其他地址端置高就选择某个模式。因此操作模式和直接寻址相互排斥。操作模式可由微控制器也可由硬件实现。基本电路原理如图所示： nts 21 录音时按下录音键接地，使 PD 端、 P/R 端为 低电平，此时启动录音；结束时松开按键，单片机又让 P/R 端回到高电平，即完成一段语音的录制。同样方法可录取第二段、第三段等。值得注意的是，录音时间不能超过预先设定的每段语音的时间。放音的操作更为简单，按下录音键接高电平，是 PD 端、 P/R 端为低电平启动放音功能；结束时，松开按键，即完成一段语音的播放。 在控制上，除去手动外， ISD器件也可以通过地址寻址里精确定位，但它的地址不是字节地址单元，而是信息段的基本组成单位。以 ISD2560为例，它内部的 480kB 的 EEPROM 均匀地规划为 600 行，每个地址单元指nts 22 向 其中一行，有 600 个地址单元。 ISD2560 的录放时间室 605，因此地址分辨率是 100ms。 ISD 器件可进行多段地址操作，每一段称为一个信息段，它可以占用一行和多行存储空间。一个地址单元最多只能作为一个独立的段。因此， ISD2560 最多可以分为 600个信息段。这就为在单片机系统中使用 ISD2560语音芯片提供了基本条件。 3.4 采用单片机控制语音芯片的好处 是什么？ 从以下的两个方面考虑实际使用中的要求。 （ 1） 单片机系统的需要。在一些应用场合，如手机话费查询系统、排队机以及公共汽车报站器等，这些应用中需要 实现自动播音，而ISD2560实现自动播音的方法，最为简单的就是和单片机系统相连。 （ 2） 简化人工操作。通常情况下，只能使用 ISD 器件提供的无需知道地址的操作模式，即手动模式，这只适合于开发一些简单的语音功能，而无法满足复杂操作或实时系统中应用的要求。为实现以上应用，最好使用对地址直接操作的办法。但在使用中，一些电路开发设计只是在基于语音信号已经写入芯片，并且段地址已经知道的基础上才能进行。然而，不可避免地要遇到必须将语音写入的时候。如果手动处理，采用按录音按键录音，按停止按键停止，假如录音段数特别多，就要频繁地 按上述按键，实在让人疲惫不堪。此外，手动nts 23 按下录音及停止按键的时间也很能掌握，这就容易产生段间空白，造成芯片空间浪费，对语音段特别多，而语句有特别短的提示，如一些单字、单词更是浪费严重。不仅这样，由于短句中空白时间过长，合成放音时出现语音不连贯。 正是由于上述的原因，需要将单片机系统和语音芯片联系起来，形成一个智能化的语音播放系统。 3.6 电路 3.6.1 电路原理和器件的选择 1） 89C52：主要通过对 ISD2560 的设置，完成对语音播放工程控制。 2） ISD2560：语音芯片，在单片机的控制下实 现语音的转速播放，并且可以通过按键实现录音功能。 nts 24 3） SPEAKR： ISD2560 语音芯片外接的扬声器。 4） MIC： ISD2560 语音芯片外接的麦克风。 3.6.2 地址的分配和连接 1） D0-D9：单片机和 ISD2560 语音芯片的地址连接，通过对 D8、 D9 的设置，单片机可以控制语音芯片的工作方式。 2） PD：节电控制，和单片机的 P2.4 口相连，单片机可以控制芯片的开关。 3） CE：片选，和单片机的 P2.5口相连，单片机可以选中芯片。 4） P/R：录放模式，和单片机的 P2.2口相连，单片机可以控制芯片处 于录音或者是播放的工作状态。 5） EOM：信息结尾标志，和单片机的 P2.3 口相连， EOM 标志在录音时由芯片自动插入到该信息的结尾。 nts 25 第三章 步进电机的硬件设计 3.1 步进电机的 智能控制 步进电机是一种将脉冲信号转换为直线或角位移的伺服执行元件，由于其具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好，并且具有步距值不受诸如电压和温度变化的影响、误差不长期积累等优点，所以在仪器仪表、机器人、数控机床、工业控制、楼宇自动化等领域得到了越来越广泛的应用。其基本原理是每施加一个脉冲信号，其转轴 就转过一定的角度，称为一步。随着输入到步进电机的脉冲数增加，直线或角位移也随之增加。如果将脉冲信号的频率变大，则步进电机的旋转速度就随之而变快，反之则变慢。 为了实现步进电机的运动控制，较多采用的一种方案是以传统的单片机作为控制系统的微处理器，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，实现步进电机的速度和位置控制。但是，这种方案中微处理器本身不具备网络通讯能力，要想和上位机器连接需要加上其他的通讯接口且可靠性较差，实现起来麻烦，并且在使用一些智能控制算法时，传统单片机不容易实现并且程序处理速度 也成为制约提高系统实时控制性的一个瓶颈。 由于 LonWorks 技术将底层控制和网络通讯结合起来，并且通过其主要部件神经元芯片来进行控制，可以在局域或远程计算机上 (简称上位控制机 )随时将控制信号传递给 LonWorks 智能控制器，实现对步进电机旋转角度和速度控制。同时由于采用 NeuronC进行编程，可以很方便地实现智能控制算法，并将程序下载到所设计的智能控制器中，所以采用 LonWorks 技术进行步进电机的控制nts 26 系统的设计将具有更高的精度、灵活性、适应性并且可以通过网络对步进电机进行实时监视和控制。 3.2 整体结 构设计 要采用 LonWorks 技术进行步进电机智能控制器的设计，首先必须进行整体结构的规划，这里采用的控制方法分为两种： 让步进电机按照外部测量和控制设备的信号进行运动。 设计的智能控制器的整体结构框图如图 3.1所示。执行停止按钮接在神经元芯片的 IO4脚，用来控制电机按照控制器内部的程序进行运行。正向点动按钮接神经元芯片的 IO5脚，用来手动控制步进电机进行正向点动，每步的点动时间由程序来决定，按一下点动一下，如按住按钮不放，则进行连续点动。反向点动按钮接神经元芯片的IO6 脚，用来手动控制步电机进行反向点动 ，控制方式同正向点动按钮。所有按钮一端接 470 的电阻后接 +5V电源，另一端接神经元芯片的相应的 IO口引脚并同时接地。 A D转换电路和神经元芯片的 IO7， IO8， IO9， IO10脚相联，用来将测量装置的模拟量信号转为数字信号再送人神经元芯片进行处理。 IO0 IO3用于提供步进电机驱动电路所需要波形信号。 具体的操作过程是这样的，首先将设计好的程序进行编译，然后下载到控制器中，按
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