语音控制灭火机器人

1、NO:50 1 机器人概述 1.1 引言 自1954年美国G.C. Devol发表了“通用重复型机器人”专利论文和1958年美国Consolidated发表“数字控制机器人”论文，揭开了机器人研究的序幕以来，机器人科学取得了突飞猛进的发展。它现在己经发展成为一门涉及到力学、电子学、计算机科学、控制理论、传感器技术、机械工程、仿生学和人工智能等诸多学科领域的综合性学科。随着机器人技术的飞速发展，机器人被大量地应用于空间、海洋、军事、工业、农业、家庭以及医疗卫生等众多领域，用途越来越广泛。机器人的发展大致经过以下三代的演变： 第一代是顺序控制机器人。它们是以1962年AMF公司和Unimation

2、公司的“Versatran”与“Unimate”为起始产品，目前的应用已经普及化。这一代的机器人没有装配传感器，依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。因为它们没有传感器的反馈信息，因此不能在作业过程中从外界不断获取信息，故应用范围和精度受到限制。 第二代是具有简单的传感器反馈信息的机器人。它有若干传感器，能对自身的实际位置、方向、速度、力、触觉等进行测量，能通过“视觉”、“触觉”等传感能力对外部环境进行实际探测，从而根据这些反馈信息，在事先编好的算法和程序指导下对操作过程进行调整。 第三代是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为作出自主决策能力的智能机器人。它能识别景

3、物；有触觉、视觉、力觉、听觉，味觉等多种感觉；能实现搜索、追踪、辨色和识图等多种仿生动作；具有专家知识、语音功能和自学习能力等人工智能。遥操作机器人科学作为机器人科学的重要分支，一直得到了人们的广泛重视和关注。它的应用，在一定程度上将人类从一些危险、极限、不可达和不确定的环境中解放出来，人们希望能够在远距离遥操作机器人来完成一些人类不易或者不能完成的操作，例如:：航空航天探测和试验，有毒以及易爆危险品的处理，地下、海底作业等等。在操作者和控制对象之间存在远距离跨度约束的情况下，遥操作机器人技术可以实现人与机器人的同步交互操作，帮助人类实现感知能力和行为能力的延伸，将操作者、机器人和控制对象闭合

4、到一个环路中。使得人类可以不必亲临现场，而通过安装在机器人身上的各种传感器采集现场的有关数据、图像和语音，在经过适当的处理后有效可靠地将有关信息传递给操作者，在虚拟现实技术和网络视频技术的帮助下，进而作用到操作现场1.2 机器人在我国的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。 我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨

5、款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。随着机器人科学的发展，遥控机器人作为工具，越来越深入人们的日常生活，被广泛的应用于医疗、探测、消防、建筑、教育以及保安等诸多民用领域。在2002年引起了人们极大关

6、注的埃及金字塔探秘活动就是在一个遥控机器人的协助之下进行的。相信遥控机器人在民用领域的研究一定会有着十分广阔的应用前景。 互联网技术的飞速发展进一步促进了网络技术在机器人控制领域的应用。基于网络的机器人控制技术也从初期的简单的机器人遥控应用逐渐扩展到分布式机器人控制系统等研究领域。利用现有的Internet技术实现对于机器人的控制是一项具有挑战性的工作，这一技术的应用将进一步丰富机器人远程控制手段，具有良好的发展趋势和广阔的应用前景。1.3 机器人的发展方向机器人技术正在向微型化和超微型化方向发展,无数微型机器人将在广阔的领域中工作。微型机器人又称为“明天的机器人”，它同智能机器人一起成为科学

7、家们追求的目标 。发展微型和超微型机器人的指导思想非常简单：某些工作若用一台结构庞大、价格昂贵大型机器人去做，不如用成千上万个非常低廉的细小而极简单的机器人去完成。机器人技术正在向微型化和超微型化方向发展，无数机器人将在广阔的领域中工作。超微型机器人是1种极度缩小了的机器人，它只有人的头发丝那样粗细，可以在人体血管中穿行，消除癌变或修复损伤的组织。现在，微型机器人的作业能力已达到了分子、原子级水平。其已远远超过了艺术家在头发丝上作画的程度。微型机器人还可以用于精密制造业的加工，用它制造存储量更大的计算机存储芯片，以及精度更高的“超平面磨床”等。应用微型机器人技术，各种各样的航天测量可变得更为轻

8、巧，磁带录音机之类的家用电器也会变得更加小巧和多用。电视屏幕可以做得既大又薄，屏幕上各点的光亮度，可由微型机器人控制的光闸自动控制。2语音控制灭火机器人的设计方案2.1语音控制灭火机器人的设计任务本设计的任务是设计一个语音控制灭火机器人，要求人通过语音指示对移动机器人进行控制，机器人能够按照人的意图实现前进，左转，右转，加速，减速，停止，灭火，后退”等语言控制的功能，到达目的地（火源-本设计主要是针对室内的蜡烛火源的灭火）并具有检测现场温度的功能和自我保护的功能（温度过高自动后退几步再灭火的功能），灭火不成功时闪光报警。2.2 语音控制机器人的基本设计方案在语音控制机器人的设计过程中，采用的基

9、本设计方案是：利用麦克风作为CPU的输入信号部分使机器人执行程序，采用循迹的方法驱动电机行动起来。根据设计要求，语音控制灭火机器人的设计主要由三部分组成：语音控制，信号处理部分，灭火部分。语音控制机器人是循迹机器人的改进和完善，使之更好的为人类服务。 图2-1 语言控制灭火机器人的总体结构2.3 对语音控制灭火机器人方案的理想设计 在本文中，我们将语音控制机器人的设计过程主要分为两个大的部分来分析。声控部分和灭火部分。在声控部分的设计中主要解决麦克风接收信息和让单片机处理信息的过程，。而灭火部分则包括接收信息和让单片机处理信息让机器人开始具体动作的过程。2.3.1 语音控制部分的设计语音控制部

10、分是，机器人的基本设计过程。声控性能的好坏直接关系到机器人能否“动”起来。而这一部分又可以分为单片机从麦克风那里接收信息传给MCS-51单片机和MCS-51单片机处理信息后下达的指令和给步进电机下达开始工作指令的过程。2.3.2 灭火部分的设计灭火部分其实就是一个电风扇，电风扇的电源电路图是不与单片机联系的，但在本设计中就必须要单片机产生一个驱动信号，这里用三极管当电源驱动。RB4口接三极管基极，在适当时候令单片机的接口产生一个+5V的信号，驱动电风扇。2.3.3单片语音识别电路HL7003-02单片语音识别电路HL7003-02，电路结构简单、外围元器件少，设计、制作、调式及操作十分容易，适

11、合爱好者制作各种由语音控制的游戏机、家电控制、智能玩具、语音门锁、门钟等等方面。它是根据用户自己的声音输入而识别的语音晶片识音辩识的单片IC,它能识别12个不同的字句,可控制不同的输出开关,完成指定的功能。特点：（1）内置麦克风放大器（2）内置A/D转换器（3）12个1.5秒长的字句识别 （4）多功能I/O口2个普通输入脚,4个触发输入脚 2个输出端口,包含一个4输出口及一个输出口 2个LED输出驱动动（5）不同的编码方式,可做成专用的线路 2.4V3.3V工作电压 低功耗,自动断电功能（6）极限参数 工作电压(VDDGND)-5V 输入电压变化-(GND-0.3V)至(VDD+0.3V) 连

12、续工作温度-0-+60电气参数VDD=3V，GND=0V，Ta=+25，功能说明:此电路的操作分为两大部分，首先必须将字句录入，第二步操作才是识别模式，此外，操作中AP7003-01能够判断是否有信号输入，这一切均按内部程序或是特定编码选择所决定。在你需做识别操作时，目标的字句必须已存入内部存12个存贮区，存贮12个不同字句的特征。每个存贮区可以存放长达1.5秒的字句。你可以用键盘来选择存贮区或用适当的命令控制，将字句录入。可用外部的麦克风或其它媒体输入语音或字句内容，经过内部麦克风放大器准确放大之后，语音信号被内容的A/D转换器数字化。内部声效处理器将处理数字化后的语音及将字句里的特征进行抽

13、样。当被识别的目标字句，录入之后，你现在可以开识别操作，进入内部字句识别操作模式，输入的语音被声音处理器特征抽样，同存贮在内部的目标字句的抽样特征进行比较，必须是刚好同所选择的识别的目标字匹配。结果才输入信号至PA口或其它输出端。在一定时间内，无操作时，会将电源关闭以节省损耗，后可用按键唤醒。表2-1 脚位参数Pin nameDescriptionGNDD数字地LED1低电平存放LED驱动脚，能设计成语音输入指示，适合于标准应用LED2低电平存放LED驱动脚，在标准应用线路中，设计成语音输入验证结果的标志POB1POB4输出口，作为键盘扫描用，标准应用PIT1PIT4低电平有效输入口，内部有上

14、拉电阻，能设计成输入口或键盘的输入标准应用VDDD数字电源VDDCAPV去藕合电容，必须接电容在此引脚到地之间，用于内部的电压基准器OSCI频率振荡器，控制脚，接一个56K电阻到地PIM1PIM2普通输入脚，能设计成模式控制输入，用于标准电路TEST测试引脚，用于生产测试POSL输出模式选择，用于输出A口，若ProtA是高有效，则以POSL接高；若低电平有效则接地GNDA模拟地TREF语音输入门槛电压控制A2OUT输出第二放大器AIIN第一(前级)放大器反相输入A1OUT前级放大输出MICP麦克风的正电源供给脚VDDA模拟电路正电源POA1POA12输出口PORES高电平有效输入，清除输出口A

15、状态图2-2 单片语音识别电路HL7003-02操作方法：1、通电后，先按键，LED1和POA1(LED3)同时亮，此时立刻对着话筒发话(语音长度不超过1.5秒)，POA1灭，LED1亮，再对着话筒进行“学习”，LED2、POA1同时亮，表示“学习”成功。接着再按键，LED1、POA2同时亮，.。依此类推，直至112键全部学习完毕。也可以对某一键或某几个键进行无序输入。2、学习完毕，即可进行语音识别操作，12路输出可分别控制不同的电器(或动作)，12路语音识别可任意操作，即喊一句便控制一种电器的开或关。第11键为输出转换键，每转换控制一种电器都需按一下该键。3、若需清除“学习”内容，应按清除键

16、“C”，再次输入时，须重新按照第1步方法进行“学习”。4、PIM1接“1”(高电平)，为12键模式，应用电路见图2-2。PIM1接“0”(低电平)，为8键模式，应用电路见图2。POSL接“0”，POA1POA12输出为低电平，POSL接“1”，POA1POA12输出为高电平。注意事项：1、标准电源电压3V；2、驻极体话筒MIC的(+)、(-)极性一定要正确连接，否则无法输入，MIC连外壳一端为(-)，另一端(+)。 图2-3 语音识别电路3 语言控制灭火机器人的硬件构成3.1 单片机的应用领域及系统结构1单片机的概述现代的计算机都是向巨型化、微型化、网络化及智能化发展。其中微型化是计算机发展的

17、重要方向，把计算机的运算器、控制器、储存器、输入/输出接口四个组成部分集成在一个硅片内，于是就出现了一个大规模集成电路为主组成的微型计算机-单片机微型计算机，简称单片机，由于单片机的重要应用领域为智能化电子产品，一般需要嵌入仪器设备内，故又称嵌入式微控制器。微处理器（芯片）本身不是计算机，但它是小型计算机或微型计算机的控制和处理部分。微机则是具有完整的运算及控制功能的计算机，它除了包括微处理器外，还包括存储器、接口适配器（即输入/输出接口电路）以及输入/输出设备（I/O）等。其中，微处理器由控制器、运算器和若干个寄存器组成；I/O设备与微处理器的连接需要通过接口适配器（即I/O接口）；存储器是

18、指微机内部的存储器（RAM、ROM和EPROM等芯片）。在本文中选用的是常见的Inter公司推出的MCS-51系列的单片机8051。微处理器存储器接口适配 器I/O接口数据总线地址总线控制总线图3-1 微机的各个组成部分2单片机应用特点面向控制方面：单片机主要应用于控制领域，其结构及功能均按自动控制要求设计，又称微控器（MICROCONTROLLER UNIT，MCU）。利用微控制器进行控制的技术称微控制技术。微控制技术通过对单片机编程的方法代替模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，是对传统控制的一次革命。在线应用方面：在线应用就是一个单片机代替常规的模拟或数字控制电路，使其成为测控系统的一

19、部分，在被控对象工作过程中实行实时检测，并实时控制。在线应用为实时测控提供了可能和方便。嵌入式应用方面：单片机在应用时通常装入到各种智能化产品中，所以又称嵌入式控制器。嵌入式使用使得单片机的应用十分灵活。另外，单片机还具有体积小、成本底、速度快、使用灵活等特点。3单片机的应用领域目前单片机的应用已经深入到国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和更新换代起着重要的推动作用。由单片机的特点决定了单片机的主要应用领域智能机器人，智能仪器仪表、机电一体化、实时控制、民用电子产品及国防工业等方面。智能机器人是一门综合性的学科，它集工程力学，机械制造，电子技术，自动控制等为一体，而电子技术和自动控制技术

20、是他的智能核心，单片机在这里发挥它的巨大作用。单片机价格低廉，体积小，而又具有计算机的一般功能，能嵌入到任何应用对象系统中，实现以智能化为主要的控制目的。对机器人技术中，无论是过程控制技术、数据采集还是测控技术，都离不开单片机。随着电子计算机技术和信息技术的飞速发展，单片机在智能机器人领域将会越来越发挥它的巨大作用。 4单片机产品根据应用范围的不同，单片机分为通用型和专用型两种。通用型单片机是供广大用户选择使用的具有基本功能的芯片。它性能全面，适应性强，能满足多种控制的需要。但使用时用户必须进行二次开发：配备外围电路，芯片，同时编写程序。目前世界上通用单片机芯片的主要生产厂商有：INTEL公司

21、，MOTOROLA公司，PHILIPS公司，SIMENS公司，MICROCHIP等等。其中INTEL公司的单片机最具代表性，它的MCS-51系列应用最广。专用型单片机是专门针对某种特定产品而设计制造的特殊用途的单片机，不再需要二次设计，也不用进行功能开发。例如来电显示电话、全自动洗衣机、各种IC卡读写器上的单片机都是专用型单片机。3.2 MCS-51单片机在语言控制灭火机器人的整个设计过程中，起核心作用的就是单片机，它包括对信息的采集和处理，以及对各个部件的控制，单片机的工作时钟是依靠晶振和单片机内部的振荡放火器产生的。3.2.1 单片机的内部资源在本文中选用的是Inter公司推出的MCS-5

22、1系列的单片机8051，其内部资源主要有：8位CPU；4KB字节掩膜ROM程序存储器；128字节内部RAM数据存储器；2个16为的定时器/计数器；1个全双工的异步串行口；5个中断源两级中断优先级的中断控制器时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz12MHz的时钟频率。 3.2.2 单片机的引脚单片机的引脚如图3-2所示。它包括三大部分的引脚：电源及时钟引脚，控制引脚，输入/输出引脚，总共是40个引脚。其中P0、P1、P2、P3四个I/O口，通过这四个口使单片机与外部交换信息，达到采集、处理、控制等各项工作。图3-2 单片机的引脚图 1电源及时钟引脚Vcc(40脚)：接+5电源。Vss(20脚

23、)：接地。时钟引脚（18、19脚）：外接晶体与片内的反相放大器构成一个震荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可以外接晶体震荡器。2控制引脚RST/VPD（9脚）：当震荡器运行时，在此引脚加上两个机器时钟周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为0.5V的低电平，以保证单片机的正常工作。ALE/（30脚）：当单片机访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，起频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端

24、可以驱动8个TTL负载。对于片内具有EPROM型的单片机8751，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号。在从外部存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动8个TTL负载。/Vpp（31脚）：当EA保持高电平时，单片机访问的是内部程序寄存器（对8051、8751来说），但当PC（程序记数器）值超过某值（如8751内部含有4KB EPROM。值为0FFFH）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA为低电平时，则不管是

25、否有内部程序寄存器而只访问外部程序寄存器。对8031来说，因其无内部程序存储器，所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存储器。对于片内有EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电压Vpp。3输入/输出引脚P0口（P0.0P0.7）：为双向8位的三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。以便作为扩展时地址/数据总线口使用。P1口（P1.0P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。P2口（P2.0P2.7）

26、：为8位准双向I/O口，当作I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线高8位使用。P3口（P3.0P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。3.2.3 单片机的几个必要电路1时钟电路：时钟电路是单片机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。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，在这里我们采用的是内部时钟方式。MCS-51最常用的内部时钟电路是采用外接晶体（陶瓷震荡器的频率定性不高）和电容组成的并联谐振回路，MCS-51单片机允许的震荡晶体可在1.2MHz24MHz之间选择，一般取11

27、.0592MHZ。两个的电容的选择对震荡频率输出的稳定性、大小及震荡电路的起振速度有少许影响，其取值可在20pF100pF之间选择，一般当外接晶体时典型值为30pF，外接陶瓷谐振器时典型取值为47pF。2复位电路：计算机在启动运行时都需要复位，是中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位都是靠外部电路来实现的，MCS-51有一个复位引脚RST，高电平有效，要使单片机复位，只要让RST保持两个机器周期的高电平，MCS-51便保持复位，RST变成低电平后，退出复位状态。在单片机的实际应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展的I/O接口电路等

28、也需要复位。因此需要一个系统的同步复位信号，即单片机复位后，CPU开始工作时，外部电路一定要复位好，以保证CPU有效的对外部电路进行初始化编程。RST是高电平有效，而I/O接口电路的复位端一般为TTL电平输入，通常也是高电平有效，但这两种复位输入的复位有效的电平不完全相同，如果CPU和I/O的复位不同步，则系统不能正常工作。本设计中采用的是系统复位，如图，将复位电路产生的复位信号经斯密特电路整形后作为系统的复位信号，加到MCS-51单片机和外部I/O接口电路的复位端。 图 3-3 复位电路3晶振电路：其电路图如图3-4所示: 图3-4 晶振电路3.2.4 温度采集电路设计本设计采用专门的温度传

29、感器DALLAS公司的DS18B20，此芯片为TO92封装，体积小，而且是1WIRE通信，只需一个I/O口即能实现控制，在一定程度上可以节约I/O口资源。DALLAS公司的数字化温度传感器DS18B20支持单总线接口，具有单总线独特而经济的特点，使用户可以轻松的组建传感器网络，为测量系统的创建引入全新的概念。DS18B20体积小，使用灵活，可以充分发挥单总线的优势。其测温范围为-55+125，在-10+85范围内，精度为±0.5。支持3V3.5V的宽电压，使系统设计更灵活，更方便。DS18B20可通过程序设置912位的分辨率。采用TO92封装，体积只有普通三极管那么大，并可以支持用户

30、设定报警温度，设置值保存于芯片自带的EEPROM中，掉电后依然保存。并且外围元件只需要一个4.7K上拉电阻。图3-5 温度传感器和单片机的接口电路图在本设计中用的是数字化温度传感器DS18B20，用温度传感器来判断现场的温度情况，从而驱动报警电路。3.3麦克风我们通常所说的声音是指人的耳朵能感觉到的声波，但是从物理意义上来讲，声是指在任何弹性介质中传播的扰动，是一种机械波，而在本文中是用声音作为一种控制信号，也就是说人耳所能听到的声音。声音产生后，通过一种介质传播到耳朵接收，然后进入内耳，在内耳的皮层产生了一个响应，变成电信号到大脑进行处理。而接收的也不一定是耳朵，在我们的设计中通常用到的是话

31、筒，声学上称为传声器，也叫麦克风。麦克风在设计中的作用是将声音引起空气的波动后产生的动能转化为电能输送到“大脑”（CPU）做出相应的处理。3.3.1麦克风的工作原理麦克风主要可以分为动圈式，电容式和驻极体式。动圈式和电容式是目前最成熟的拾音技术，考虑到设计要求和性价比，在本次设计中要用到的是动圈式麦克风。动圈式麦克风的工作原理类似发电机，传声器的膜片与金属线缠成的弹簧一般的线圈被固定在一起放置在磁铁构成的磁场中，当外界的声波作用与膜片时便会带动膜片以及连接于其上的金属线圈一起震动，于是便会产生相应的变化电流，声音转化成电信号。3.4步进电机图3-6步进电机的结构图步进电机是将电脉冲信号转变为角

32、位移或线位移的开环控制元件。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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。3.4.1 步进电机的基本原理1反映式步进电机原理(1)结构:电机转子均匀分布着很多小齿

33、，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）下面是定转子的展开图3-7。(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

34、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前图3-7 定转子的展开图一齿）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。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

35、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3-8转子与定子的关系其磁通量=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=N·I/RN：I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）；R为磁阻。力矩

36、=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。2感应子式步进电机(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，而反应式电机则不能如此。例如：四

37、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，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。3步进电机的

38、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

39、矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）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。 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。

40、(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)运行距频特性：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。如图3-9所示：图3-9 距频特性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

41、力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流的平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如图3-10所示：图3-10电机的频率特性其中，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

42、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时为反转。5驱动控制系统组成及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，其方框图如图3-11：图3-11驱动控制系统(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，占空比越大。(2)信号分配器（又名脉冲分配器）。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

43、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（又名脉冲分配器）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（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。步进电机一经定型，其性能取决于电机的

44、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。电压对力矩影响如图3-12：图3-12 电压和力矩的关系(4)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，具体图形如图3-13：图3-13 细分驱动控制图3.4.2 步进电机的类型1.单极性步进电机这种步进电机之所以称为单极性是因为每个绕组中电流仅沿一个方向流动。它也被称为两线步进电机，因为它只含有两个线圈。两个线圈的极性相反，卷绕在同一铁芯上，具有同一个中间抽头。单极性步进电机还被称为

45、4相步进电机，因为它有4个激励绕组。单极性步进电机的引线有5或6根。如果步进电机的引线是5根，那么其中一根是公共线(连接到V+)，其他4根分别连到电机的4相。如果步进电机的引线是6根，那么它是多段式单极性步进电机有两个绕组，每个绕组分别有一个中间抽头引线。但是如何分辨这些引线呢?请继续读下述内容。(1)分辨5线单极性步进电机接头为了找出5线单极性步进电机各条引线的正确配置，事先需要做一番实际上很简单的考察。为了找出正确的引线顺序并使电机转动，需要一块电池和一段胶带(当然也需要一个5引线步进电机)。备好记号笔来标注引线以便分辨它们。按以下步骤操作：用数字万用表找到公共线。其他引线与公共线之间的电

46、阻测量值都相同。此线连接到电池的V+。5V或6V就足够测试用了。胶带粘贴到步进电机的输出铀上，并使它垂直于轴端并伸出成为一个标志。此标志的作用在于判断电机是否转动。任意挑出一条引线称之为相1。若将此线接地，则电机输出轴将做轻微的转动。现在步进电机被锁定在相1的位置上。取另一根引线并将其接地，仔细观察输出轴上的胶带。如果输出轴向右轻微地旋转，那么此根引线是相2。取另一根线并将其接地，仔细观察输出轴上的胶带。如果输出轴向左轻微地旋转，那么此根引线是相4。再取另一根线并将其接地，仔细观察输出轴上胶带的运动状态。如果输出轴不旋转，那么此根引线就是相3。(2)分辨6线单极性步进电机接头回收打印机、旧电机

47、时最常遇到这种类型的单极性步进电机。6线单极性步进电机通常看起来像是两个单段式电机叠放在一起，每个单段有3根线引出.这种步进电机的引线非常容易分辨。分辨6线步进电机引线顺序的工作相当简单。如果它的结构形式是多段式步进电机，那么引线的顺序实际上已经给出了，用数字万用表可以找出每对绕组的公共线。只要保持绕组对的两根引线对应一致，它们的顺序无关紧要，仅会影响电机的旋转方向而已。如果不是多段式的6线步进电机，可以按以下步骤确定绕组对的引线：使用数字万用表找出每对绕组的公共端。照上述方法能找出两个绕组对，分隔它们并加以标记。请将其中一个绕组对标记为A和C(也可以是1和3)，另一个标记为B和D(也可以是2

48、和4)。在每一对绕组中，哪条引线是何顺序并不重要，只要成对就足够了。2极性步进电机的步进方式单极性步进电机可以来用三种步进方式：单拍、双拍、半拍方式。单拍步进方式是指每次仅给一个绕组通电，结果导致转子旋转，并运动到转子永磁体与具有相反极性的绕组对齐的位置。双拍步进方式是同时给两个绕组通电，这样就导致转子旋转，并在永磁体到达两个通电绕组的中间位置点时平衡。双拍步进方式的优点是比单拍步进方式多获得41.4的输出力矩，不过代价是需要花费后者两倍的能量，因为它有两相绕组同时通电。最后，半拍方式工作时则让两个绕组通电与单个绕组通电方式交替地进行。半拍方式的输出力矩比双拍方式小，随设计不同，在1530之间

49、变化，不过它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率(每周两倍的步数)。要使步进电机反转，只需将通电过程反向即可。3双极性步进电机双极性步进电机之所以如此命名，是因为每个绕组都可以两个方向通电。因此每个绕组都既可以是N极又可以是S极。它又被称为单绕组步进电机，因为每极只有单一的绕组，它还被称为两相步进电机，因为具有两个分离的线圈。双极性步进电机有四根引线，每个绕组两条。与同样尺寸和重量的单极性步进电极相比，双极性步进电机具有更大的驱动能力，原因在于其磁极(不是中间抽头的单一线圈)中的场强是单极性步进电机的两倍。双极性步进电机的每个绕组需要一个可逆电源，通常由H桥驱动电路提供。由于双极性步进电机比单极性

50、步进电机的输出力矩大，因此总是应用于空间有限的设计中。这也是软盘驱动器的磁头步进机械系统的驱动之所以总是采用双极性步进电机的原因。可以相当简单地使用数字万用表来查找两个绕组。如果在某两根引线之间能够测量到阻值，那么这两根引线之间就属于一个绕组，其他两根线之间是另外一个绕组。双极性步进电机的步距通常是1.8°，也就是每周200步。4双极性步进电机的步进方式双极性步进电机具有和单极性步进电机相同的步进方式，仅仅由于绕组配置的不同，在实现上存在一些差别。5步进驱动方式的相似之处如果我们在实践时很细心，就会注意到单极性步进电机和双极性步进电机在步进驱动方式上是极其相似的。以前面介绍的单极性步

51、进电机的步进方式为例，交换列B和列C的位置，将所有的“通”替换为“+”，然后在与状态为“+”的引线同一绕组的另一列中补上“-”，就将看到和上面双极性步进电机同样的步进方式，只是电机的转向相反。这说明控制单极性步进电机的任何逻辑也可以用来驱动双极性步进电机。但只是逻辑，而非驱动电路。双极性步进电机的绕组需要H桥电路，而单极性步进电机仅仅需要一个简单的晶体管开关。做到在控制单极性步进电机和双极性步进电机之间切换，惟一需要的变化是交换B和C的逻辑输出。3.4.3步进电机的主要性能指标要步进电机平稳的转动，其步距角最大不能超过3.6°，否则从视觉效果上都可以观察到冲击。而原则上步角大可到30

52、°，小可到0.9°。步进电机的主要特性指标是启动转矩、保持转矩和加速转矩。启动转矩是指步进电机从一个齿位转到下一个齿位时所具有的转矩，保持转矩是指步进电机在静止状态或者处于某工作状况点时维持在该平衡位置的能力。加速转矩通常具有最大值，并取决于驱动脉冲的频率。此外，驱动电压和绕组电阻的大小也对其施加影响。如表3-1所示。表 3-1步进电机的性能指标参数参数定义电压额定电压（步进电机设计的正常工作电压）绕组阻抗单相绕组的直流阻抗电流绕组最大安全电流步数7.5°=48步，1.8°=200步动态力矩步进电机转动输出的最大力矩要确定步进电机在额定速度上的功率，唯一

53、的办法是通过制造商给出的转矩-转速曲线或者图表，如图3-14,知该图没有给出转速的值r/min，而是给出驱动脉冲的频率PPS（脉冲/秒），这就需要首先将其变换成为转速在进行计算，变换的公式如下：图3-14 步进电机的转矩与频率特性曲线r/min=脉冲/秒*1转数/步*60秒/1分 (3-1)rad/s=转数/分*2弧度/转数*1分/60秒 (3-2)然后再根据公式P=T，T的单位是N·m，而角速度的单位应该是rad/s。从而得出的功率P的单位应该是W。3.4.4 步进电机的特性步进电机有以下特性：1. 步进电机需加驱动电路，其驱动信号输入端为脉冲信号，若加入适当的脉冲信号，步进电机的

54、转子就以一定的角度（称为步角）转动；2. 步进电机的步进角一般为1.8°，即200步完成一圈；3. 步进电机具有瞬间启动与急速停止的特性；4. 改变励磁顺序，可以改变步进电机的旋转方向。3.4.5步进电机与单片机的接口这里用的电机是单极性步进电机，单极性步进电机可以采用三种步进方式：单拍，双拍和半拍方式。单拍是指每次仅给一个绕组通电，结果导致转子旋转，并运动到转子永磁体与具有相反极性的绕组对齐的位置。双拍方式同时给两个绕组通电，这样就导致转子旋转，并在永磁体到达两个通电绕组的中间位置点时平衡。双拍方式的优点是比单拍方式多获得41.4%的输出力矩，不过代价是要花费后者两倍的能量。半拍方式工作时则让两个绕组通电与单个绕组通电方式交替的进行。半拍方式的输出力矩比双拍方式小，随设计不同，它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率（每周两倍的步数），如表3-2所示：表 3-2 步进电机的通电方式单拍励磁双拍励磁半拍励磁StepAB/A/BAB/A/BAB/A/B11000110010002010001101100300100011010040001100101105100011000010601000110001170010001100018000110011001P2.0P2.3、P2.4P2.7 通过步进电机驱动芯片ULN2803分别接到步进电机一和步进电机二的四个线圈中去