二维步进单片机控制工作台控制系统设计

摘要
如今，由于工作台操作简单，精度高，能够满足一般生产需求。

正因为如此，所以它广泛应。

本文主要研究的是两维步进单片机控制工作台的控制部分。

主要的任务就是用单片机实现两个步进电机的正反转和速度的控制。

本控制系统可以由键盘输入运行的步数，由LED 管显示，信号经单片机转换，采用软件对信号进行环形分配，利用光电隔离器进行光电隔离，经功率放大器进行信号的放大，用放大的信号来驱动步进电机的运行。

由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。

工作台的两头都有行程开关，如果超出了极限位置，行程开关闭合，步进电机停止转动，并且蜂鸣器报警。

关键词：工作台；步进电机；单片机
Abstract
Nowadays, The workbench is easy to operate, the precision is high, and it can meet the generally production demand . Just because of this,so it is widely used.
Main research of this paper is that the part of control of the two-dimension stepping single-chip microcomputer control workbench. The main task is to realize two stepping motor’s rotating positive and negatively and control of pace with single-chip microcomputer. The running steps are input by keyboard in this control system, displayed by the LED tube. The signal is transformed by single-chip microcomputer . The signal Loop allotter is achieved by software. The photoelectricity seclusion is achieved by Electro-optical disconnector. The signal is enlarged by power Amplifier. Then the signal can run the stepping motor. The system’s run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given steps if the “start”key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop”key is pressed. There are limit switches on the two heads of the workbench, if the workbench go beyond the terminal position, the limit switch is off, the stepping motor will be stop at once, and the buzzer scream.
Keywords workbench stepping motor single-chip microcomputer
1 绪论 (1)
课题研究的背景 (1)
工作台的发展现状与方向 (1)
本课题研究的范围和意义 (3)
步进电机的发展现状 (3)
单片机的发展现状 (4)
2 控制系统的总体设计 (6)
系统总体方案 (6)
机械系统 (6)
控制系统设计 (6)
2.3.1接口设计 (6)
2.3.2控制方案的选择 (7)
2.3.3伺服系统设计 (7)
3 控制系统的设计方案 (8)
硬件系统设计 (8)
3.1.1系统的硬件结构 (8)
3.1.2步进电机 (8)
3.1.3微处理器的选择 (15)
3.1.4键盘操作的接口电路设计 (17)
3.1.5显示部分操作的接口和电路设计 (21)
3.1.6 报警电路的设计 (24)
3.1.7 单片机与PC机的通信 (25)
3.1.8系统的抗干扰设计 (26)
软件系统设计 (28)
3.2.1 软件结构设计 (28)
3.2.2系统的程序流程 (29)
结论 (40)
致谢 (41)
参考文献 (42)
课题研究的背景
当今社会，随着科技的发展，工作台的应用越来越广泛。

现在的工作台广泛用于焊接，点胶，打孔，包装，取料等各类精密位置控制设备的应用等。

人们对工作台的研究从来没有停止过。

为了满足不同的要求，出现了各式各样的工作台。

例如，用于普通画线用的二维工作台，具有防静电功能的防静电工作台，还有回转工作台可用于分度，用于高精度的加工的纳米微动工作台等。

随着人类的进步，越来越多并且越来越好的工作台将会被制造出来，来满足生产发展的需求。

工作台的发展现状与方向
（1）纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势
纳米级微动工作台为从事纳米科学技术研究提供一维、二维或三维的纳米级微运动，是纳米科学技术研究应必备的关键仪器设备。

现代纳米科学技术的快速发展对微动工作台提出了迫切的更高要求，即在提供大范围运动的前提下，还应具有纳米级的运动精度。

在为纳米科学技术研究提供小范围纳米级精度的微运动时，最常见的是以压电陶瓷PZT作为驱动部件的柔性铰链机构微动工作台，要为纳米科学技术研究提供大范围纳米级精度的微运动时，柔性铰链机构、压电堆、丝杆滑动机构和气浮微动工作台等却都不能满足要求，它们不能同时实现纳米级运动精度和大运动范围。

磁悬浮微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触的磁悬浮驱动技术，因此，易于实现大范围纳米级微运动，并且消除了摩擦、磨损对运动精度造成的影响。

①纳米级微动工作台的研究现状：
I. 柔性铰链式微动工作台
柔性铰链微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。

它的特点是结构紧凑、体积很小，可以做到无机械摩擦、无间隙，具有较高的位移分辨率，可达1 nm。

使用压电或电致伸缩器件驱动，可以实现亚微米甚至是纳米级的精度，同时不产生噪音和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。

已在航空、宇航、微电子工业部门、精密测量和生物工程领域获得重要的应用。

由于它的出现,开创了精度进入纳米的新时代。

II.滚动导轨式微动工作台
滚动导轨也是微动工作台中一种常见的导轨形式，它具有行程大,运动灵活、结构简单、工艺性好、容易实现较高的定位精度的优点，采用滚珠导轨作为微动工作台的支承和导向元件，直流伺服电机传动、实现了对自动分步重复光刻机的微定位控制。

III. 磁悬浮式微动工作台
磁悬浮式微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触式的磁悬浮驱动技术，因此没有摩擦力和机械部件的磨损，易于实现高精度、大范围的要求。

②纳米级微动工作台发展趋势及需要解决的问题
大范围、高精度是纳米科技对微动工作台提出的新要求，然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。

因此微动工作台的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。

I.多种微运动相结合技术:结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要办法，比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上，妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性，解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差，采用粗动和微动相结合的方法，粗动台用以完成快速大范围，微动工作台实现高精度，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以此实现大范围、高精度的要求。

II.新型纳米级微动工作台的研究：运动方向间的交叉耦合严重影响纳米微动工作台的定位精度，因此需进一步研究运动导向结构，从运动原理上有效地消除运动方向间的交叉耦合产生的定位误差，提高纳米级微动工作台的定位精度。

III.改进控制策略，如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引起的不稳定问题,采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因数对系统精度的影响，提高系统的鲁棒性。

采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性。

IV.磁悬浮微动工作台性能的进一步提高：在现有磁悬浮微动工作台基础上，充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的影响，解决运动控制和定位技术，从而实现纳米级精度的大范围运动。

随着微米、纳米科学技术的不断发展，纳米级微动工作台的研究正日益受到国内外的重视。

但因受到机械加工精度、控制精度和机构复杂性等技术水平的制约，其精度和运动范围还受到一定影响，随着对微动工作台的深入研究,结构合理、高精度和高分辨率的微动工作台必将不断问世。

（2）旋转升降式工作台的发展趋势
多种多样的升降工作台有着广泛的应用领域。

许多工业企业除了在生产线上或生产线外使用升降工作台以外，往往还利用升降工作台来运送较大的工件。

例如在物资入库的时候，人们可以利用升降工作台首先将成批的钢材运送到指定的货架处，然后再存放到货架的不同规格格层中或者在室外，将工作台升降到合适的工作高度或者将单臂吊之类的起重设备运送到室外让它在室外工作等等。

在2002年的汉诺威博览会上，Bolzoni Auramo有限责任公司推出他们开发生产的移动式升降工作台。

该公司的设计师们设计的升降工作台带有运动装置使升降的物体重通过运动设备的轮子传递到地面，从而可以使升降工作台在任何器要它的地点发挥作用。

这种移动式的结构设计也可“移植”到超薄型升降工作台的设计中。

尤其是在汽车制造业中
使用更为频繁。

这种升降工作台不需要液压驱动系统，几乎不需要维护保养。

早在20年前, Flexlift公司就研制开发出了机械式升降工作台。

但是在今天机电一体化驱动技术取得了重大进步之后, 才使机械式升降工作台也有了较大的发展。

本课题研究的范围和意义
本课题研究的是X-Y工作台的控制部分，主要的任务就是通过单片机实现对两个步进电机的控制。

包括速度，转向等的控制。

采用并行控制方式。

通过键盘可以输入控制的运行步数，电机的正反转，运行出错时候可以急停键停止，还有其他的一些操作等都可以通过键盘实现。

本系统的显示功能是利用8位的数码管实现运行步数的显示，在工作台运行超过极限位置时候，安装在工作台两端的行程开关会被按下，产生电流信号，通过光电转换装置，向单片机发出信号，经单片机发出信号，蜂鸣器报警，报警的同时，电机停止转动。

通过本课题的学习与研究，使我了解工作台的工作原理，知道了单片机的发展与简单的应用，对步进电机的结构，工作原理有了更进一步的理解。

使我认识了很多的电子元件，懂得了许多的控制方面的知识。

步进电机的发展现状
步进电机最早是在20年代由英国人所开发。

20年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。

往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。

在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

（1）步进电机的分类
步进电机依其构造上的差异可分为三大类：
①可变磁阻式（VR型）：
转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。

其步进角通常为15°。

②永久磁铁式（PM型）：
转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。

依转子材质区分，其步进角有45°、90°及°、°、15°、18°等几种。

③混和式（HB型）：
转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，兼有可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。

（2）步进电机的历史
步进电机在我国已有几十余年的生产史，近几年，大规模集成电路及计算机技术的发展，进一步推动了步进电机的技术进步和广泛应用，据统计，全世界步进电机的年产量已达一亿多台，市场销售量占世界微电机销售总量的５～８%左右。

步进电机的发展依赖计算机外设和办公自动化机械的发展。

我国计算机工业虽然起步晚，但经过三十年的努力，已经初具规模。

我国早在六十年代中期开始致力于步进电机的研究和开发，直到20 世纪80 年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是8 0 年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。

尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0 . 9°/°）与典型的磁阻式电动机的步距角（°/°）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。

这种现状对步进电动机的发展是不利的。

（3）步进电机的发展趋势：
①小型化、高精度
计算机外部设备趋向小型，也就要求永磁式和混合式步进电机向小机座号发展，目前直径为39、42的步进电机使用就较多。

②电机与线路一体化
机电一体化的步进电机更受到用户的欢迎，虽然控制线路的成本比较高，但与电机组成一体化产品后更便于整机使用。

③多功能
新一代的磁盘与光盘需要具有两个自由度的圆柱式步进电机，直接完成横向运动和旋转运动两个功能，这种产品在日本电话电信公司已有产品。

另外，美国已推出带电传感器的步进电机，能自检位置和转速。

④直线小步距、高分辨率
据日本和欧美国家报道，此类步进电机已制成步距为微米，在40英寸/秒的线速度下产生50磅推力，分辨率达12500步/英寸，定位精度为0.001英寸。

⑤新结构、新材料、新技术
步进电机总的发展趋向是增大出力、提高精度、改善动态特性，为此已出现一种盘式、轴向气隙的新结构步进电机。

同时，还在研究采用如高磁能积的铁氧体、稀土、压电等新材料。

单片机的发展现状
随着目前微电子技术的发展，技术工艺的不断提高，单片机技术也有了长足的进步。

单片机在最近几年中得到了极大的发展，目前世界范围内单片机发展的主要领域有4个：一是欧美，最新开发产品及主要厂商有：National semicundutor 的cop8系列单片机，美国的Scenix 的八位单片机，荷兰PHILLIPS的51系列单片机，美国AMD公司186系列16
位嵌入式微机控制器，MOTOROLA的各个系列单片机；二是日本，TOSHIBA公司开发了从4位到64位多系列单片机，日立公司也有从4位到32位多系列单片机，NEC公司的75X、78X系列微机；三是台湾地区，主要有WINBOND的W741/W516,W78/W77等系列产品微控制器；四是韩国，主要有HYUNDAI microelectrionics的GMS800、GMS30系列微控制器。

另外还有LG公司也生产单片机，可见单片机发展到今天可以说种类繁多、性能各异。

但目前我国的许多单片机应用单位仍停留在采用片内无ROM等低档单片机状态。

当国内从80 年代起开始了单片机的热潮,二十多年过去了，单片机从研究所走出来,成为日常生活中的一个不可缺少的部件。

硬件方面日趋多样化，4 位、8 位、16 位、32 位等型号共同并存,在不同的领域存在,如家电、玩具、工业设备、仪器、通讯等。

软件方面发展主要为汇编语言、C 语言、嵌入式操作系统。

速度、稳定性特别要求的场合较多采用汇编语言和C 语言。

单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广，发展很快。

自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着C M O S 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

2 控制系统的总体设计
系统总体方案
图2-1 总体设计图
机械系统
①传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮减速。

②导向机构采用滚动直线导轨。

③执行机构采用步进电机。

控制系统设计
本系统选用的微型机是8051单片机，采用开环的控制方式，采用三相六拍步进电机。

图2-2 开环控制流程图
2.3.1接口设计
（1）人机接口
①采用键盘作为输入。

采用矩阵式键盘，用20个键来控制步进电机。

②采用蜂鸣器作为警报装置。

③采用数码管作为显示器。

采用八段数码管作为步数的显示。

（2）机电接口
采用光电偶合器作为微型机与步进电机驱动电路的接口，实现电气隔离，以保护单片机。

2.3.2控制方案的选择
控制的方案不外乎有三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。

上图为最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分，在经过比较放大的则为“半闭环控制”。

如若是在机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。

开环控制：特点是简单，控制精度低。

控制的精度完全取决于所用元件的精度和校准的精度，且抗干扰的能力差。

但由于其结构简单、成本低。

在精度要求不高的情况下，有一定的使用价值。

闭环控制：特点是控制精度高，抗干扰能力强。

缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。

半闭环：特点是控制的精度介于闭环和开环之间。

采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。

因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有正比的关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。

因此通常在精度要求不是很高时，负载不是很大的情况下采用步进电机是合理的。

下图为开环控制的框图
图2-3 开环控制框图
2.3.3伺服系统设计
由于本系统的精度要求不高，载荷不大，再考虑了其经济要求等因素后，决定采用开环控制。

3 控制系统的设计方案
硬件系统设计
3.1.1系统的硬件结构
计算机的硬件和软件是相互结合而工作的，有些任务必须由硬件来实现，另外有些任务必须由软件来实现。

但是也有一些任务可以由软件来完成，也可由硬件来完成。

一般来说，增加硬件会提高成本，但能简化设计程序，且实时性好。

反之，加重软件任务，会增加编程调试工作量，但能降低硬件成本。

所以要合理的安排软、硬件的结构。

本系统步进电机速度的控制是由改变发出脉冲的时间间隔来实现的，用定时器来控制发出脉冲的时间间隔，这样更能发挥硬件实时性的优势，同时能够减轻软件的任务。

由于本工作台控制系统采用单片机作为核心部件，利用单片机构成系统应从元件级进行系统设计，根据任务需要，选择合理的单片机并配置必须的存储器、接口和外围设备来构成系统。

在进行系统的扩展和配置设计时考虑了以下原则
（1）尽可能的选择典型电路，并符合单片机的常规用法。

为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

（2）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统功能的要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。

（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

硬件结构与软件方案会产生相互影响。

考虑的原则是，软件能实现的功能尽可能的由软件来实现，以简化硬件电路。

但是由软件实现的硬件功能，其响应的时间要比直接用硬件实现的时间长，而且占用CPU时间。

（4）整个系统中的相关的器件要尽可能的做到性能匹配。

（5）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。

根据以上设计原则及结构框图，逐一设计出每个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。

3.1.2步进电机
图3-1为三相反应式步进电机的工作原理图，其定子上有六个极，每个极上装有控制绕组，每相对的两极组成一相。

转子上有四个均匀分布的齿，其上没有绕组，当A相控制绕组通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，即转子齿1、3和定子齿A、A'对齐，如图3-1（a）所示。

若切断A相，同时接通B相，在磁场力作用下转子转过30°，转子齿2、4和定子齿B、B'对齐，如图3-1（b）所示，转子转过一个步距角。

如再使B相断电，同时C相控制绕组通电，转子又转过30°，使转子齿1、3和定子齿C、C'对齐，如图3-1（c）所示。

如此循环往复，并按A→B→C→A顺序通电，步进电机按一定方向转动。

电机的转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率。

（a ） （b ） （c ）
图3-1三相反应式步进电机单三拍工作时工作原理图
实际的步进电机的转子铁心和定子磁极上均有小齿，齿距相等。

定子和转子的齿数要有一定比例的配合，即要求在某一相的一对极下，定子和转子的齿一一对齐，而此时在其它两相的磁极下，定子和转子的齿要分别错开一定的角度。

这样，如果步进电机的三相绕组按一定的方式通电，那么它就以一定的步矩角进行走步。

步进电机的步距角的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定，它们之间存在以下关系：
θs = C
m Z r ︒360 式（） 式中，θs
为步距角；C 为通电状态系数，当采用单相或双相通电方式时，C=1；而采用单、双相轮流通电方式时，C=2；m 为步进电机的相数；Zr 为步进电机转子齿数。

控制绕组通电状态的改变，是由外加输入脉冲驱动电路来实现的。

每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态即改变一次，与此对应步进电机将转动一个步距角。

因此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数，则步进电机的转速为：
n = C
m f Z r 60 式（） 式中f 为步进电机通电的脉冲频率，单位为Hz ；n 为步进电机的转速，单位为r/min 。

步进电机的转速用步矩角表示为：
n = 36036060⨯⨯C m f Z r = 36060f × C m Z r
360 = 6f θs 式（） 由式（）和（）可知，电机的相数和转子的齿数越多，则步距角就越小，电机在脉冲频率一定时的转速也越低。

当电机的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入的脉冲频率成正比。

因此，改变输入的脉冲频率就可以改变转速，改变通电状态顺序就可以实现正反转。

由于这些特性，步进电机控制系统中，能够按照控制命令实现启动、停止、升速、降速、正反转等操作。

3.1.2.1步进电机控制系统的构成
旧式的步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图3-2所示。

步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正反向控制。

功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。

在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本高，限制了它的应用。

图3-2步进电机控制系统的组成
随着微型计算机的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。

这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。

图3-3为微机控制步进电机的系统结构图。

图3-3微机控制步进电机的系统结构图
3.1.2.2 步进电机的串行和并行控制
使用微机对步进电机进行控制，有串行和并行两种方式。

（1）串行控制
具有串行控制功能的单片机与步进电机驱动电源之间有较少的连线。

将信号送入步进电机驱动电源的为环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源必须含有环形分配器。

这种控制方式的示意图见图3-4所示。

图3-4串行控制示意图
（2）并行控制
用微型计算机系统的数条端口线直接去控制步进电机各相驱动电路的方法称为并行。