步进电机的远程实时控制系统(编辑修改稿)

步进电机的远程实时控制系统(编辑修改稿)内容摘要：

DE端分别为接收和发送的使能端，当 /RE为逻辑 0时，器件处于接收状态；当 DE为逻辑 1时，器件处于发送状态，因为 MAX485工作在半双工状 态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可； A端和 B端分别为接收和发送的差分信号端 ,当 A引脚的电平高于 B时，代表发送的数据为 1；当 A的电平低于 B端时，代表发送的数据为 0。 在与单片机连接时接线非常简单。 只需要一个信号控制 MAX485的接收和发送即可。 同时将 A和 B端之间加匹配电阻，一般可选 100Ω的电阻。 南京林业 大学本科毕业设计（论文） 7 RS485 标准的优点 (1) 通信速度和通信距离 RS485最大的通信距离约为 1219m，最大传输速率为 10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在 100Kb/S的传输速率下，才可以 达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加 485中继器。 RS485总线一般最大支持 32个节点，如果使用特制的 485芯片，可以达到 128个或者 256个节点，最大的可以支持到 400个节点。 （ 2） RS485的电气特性 逻辑 “1” 以两线间的电压差为 +(~6)V表示；逻辑 “0” 以两线间的电压差为 (~6)V表示。 接口信号电平比 RS232C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与 TTL电平 兼容，可方便与 TTL 电路连接。 (3) 抗干扰能力 通常选择的标准接口 ,在保证不超 过其使用范围时都有一定的抗干扰能力 ,以保证可靠的信号传输 ,但在一些工业测控系统 ,通信环境往往十分恶劣 ,因此在通信接口标准选择时要充分注意其抗干扰能力 ,并采取必要的抗干扰措施。 例如在长距离传输时使用 RS422标准能有效的抑制共模信号干扰 ,使用 20mA电流环技术 ,能大大降低对噪声的敏感程度。 在高噪声污染环境中 ,通过使用光纤介质减少噪声干扰 ,通过光电隔离提高通信系统的安全性等都是一些行之有效的方法。 (4) RS232C与 RS422 ,RS485性能参数比较 RS232使用 12V,0,12V电压 来表示逻辑，（ 12V表示逻辑 1， 12V表示逻辑 0），全双工，最少 3条通信线（ RX,TX,GND），因为使用绝对电压表示逻辑，由于干扰，导线电阻等原因，通讯距离不远，低速时几十米也是可以的。 RS422，在 RS232后推出，使用 TTL差动电平表示逻辑，就是两根的电压差表示逻辑， RS422定义为全双工的，所以最少要 4根通信线（一般额外地多一根地线），一个驱动器可以驱动最多 10个接收器（即接收器为 1/10单位负载），通讯距离与通讯速率有关系，一般距离短时可以使用高速率进行通信，速率低时可以进行较远距离通信，一般 可达数百上千米。 RS485，在 RS422后推出，绝大部分继承了 422，主要的差别是 RS485可以是半双工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动 32个接收器（即接收器为 1/32南京林业 大学本科毕业设计（论文） 8 单位负载），当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。 所以现在大多数全双工 485驱动 /接收器对都是标： RS422/485的，因为全双工 RS485的驱动 /接收器对一定可以用在 RS422网络。 在 RS232连接的串行通信系统中实际上只用到 RXD TXD 和地 ,在本设计中用到 RS 232C ,RS485标准 ,RS485标准是一 种多发送器的电路标准 ,它扩展了 RS 422A 的性能 ,允许双导线上一个发送驱动 32个负载设备 ,负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器。 RS485标准没有规定在何时控制发送器发送或接收机接收数据的规则 ,电缆选择比 RS422更严格。 对驱动器和接收器规定了双端电气接口形式 ,把电位差转变成逻辑电平 ,实现终端的信息接收。 单片机与 PC 机串行通信系统构成 单片机与 PC 机串行通信的总体原理图如图 ,采用 RS485 最大的优点在于它的多点总线互连功能 ,它可以连接一台主机和多台终端同 时通信 ,由于它是半双工的 ,同时只能有一方发送 ,一方接收 ,而且它采用差动电平接收的方法来提高抗干扰能力 ,适合在比较恶劣的环境下工作 ,因为在同一对电缆中所受到的干扰是很类似的 ,采用差动方法可以用作差的方法将干扰抵销一大部分。 图 单片机与 PC 机串行通信原理图 由于 RS 485 通信是一种半双工通信 ,发送和接收共用同一物理信道。 在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。 因此要求应答的单机必须在监听到总线上呼叫信号已经发送完毕 ,并且没有其它单机发 出应答信号的情况下 ,才能应答。 半双工通信对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。 如果在时序上配合不好 ,就会发生总线冲突 ,使整个系统的通信瘫痪 ,无法正常工作。 要做到总线上的设 备在时序上的严格配合 ,必须要遵从以下几项原则。 (1) 复位时 ,主从机都应该处于接收状态 /RE和 DE端相连为低时 ,从机处于接收状态 ,在上电复位时 ,由于硬件电路稳定需要一定的时间 ,并且单片机各端口复位后处于高电平状态 ,这样就会使总线PC机 RS485 接口卡 MAX485 AT89C51 南京林业 大学本科毕业设计（论文） 9 上各个分机处于发送状态 ,加上上电时各电路的不稳定 ,可能向总线发送信息。 因此 ,如果用一根口线作发送和 接收控制信号 ,应该将口线反向后接入 MAX485 的控制端 ,使上电时 MAX485 处于接收状态。 (2) 控制端 /RE ,DE 的信号要求 在 RS 232 ,RS 422 等全双工通讯过程中 ,发送和接收信号分别在不同的物理链路上传输 ,发送端始终为发送端 ,接收端始终为接收端 ,不存在发送、接收控制信号切换问题。 在 RS 485 半双工通信中 ,由于 MAX485 的发送和接收都由同一器件完成 ,并且发送和接收使用同一物理链路 ,必须对控制信号进行切换。 控制信号何时为高电平 ,何时为低电平 ,一般以单片机的 TI ,RI信号作参考。 发送时 ,检测 TI是否建立起来 ,当 TI为高电平后关闭发送功能转为接收功能。 接收时 ,检测RI是否建立起来 ,当 RI为高电平后 ,接收完毕 ,又可以转为送。 (3) 发送控制信号在时序上的要求 总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开。 为了保证发送和接收信号的完整和正确 ,避免总线上信号的碰撞 ,对总线的使用权必须进行分配才能避免竞争 ,连接到总线上的单机 ,其发送控制信号在时间上要完全隔离。 总之 ,发送和接收控制信号应该足够宽 ,以保证完整地接收一帧数据 ,任意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开 ,避免总线争端。 步进电机的介绍 步进电机（图 ）是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。 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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 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。 南京林业 大学本科毕业设计（论文） 10 图 步进电机 步进电机的基本特点 (1)位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单且具有一定精度的开环控制系统，也可以在需要更高精度时组成闭环控制系统。 (2)易于起动、停止、正反转及变速，快速响应性好。 (3)速度可以在相当宽的范围内平滑调节。 可以用一台控制器控制几台步进电机同时同步运行。 (4)具有自锁能力。 当控制脉冲停止输入且让最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个控制脉冲所控制的角位移的终点位置上，所以步进电机具有带电自锁能力。 (5)步距角 选择范围大，可以在几十角分至 180 o 范围内选择。 在小步距角情况下，电机通常可以在超低速下高转矩稳定运行，而且可以不经减速器直接驱动负载。 (6)步进电动机按其应用可分为伺服式和功率式。 功率步进电动机可以不通过力矩放大装置直接带动机床等负载运动，简化了传动系统的结构，并具有一定的精度。 (7)电机本体没有电刷，转子上没有绕组，也不需要位置传感器，可靠性高。 (8)步进电机需要与控制器配合使用，不能直接使用普通的交直流电源。 (9)步进电动机带惯性负载的能力差。 (10)存在失步、共振等现象，在使用中要根据 负载和运行条件合理选用步进电动机及其控制器。 南京林业 大学本科毕业设计（论文） 11 步进电机的工作原理 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。 该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。 当定子的矢量磁场旋转一个角度。 转子也随着该磁场转一个角度。 每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。 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。 改变绕组通电的顺序，电机就会反转。 所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 步进电机的工作就是步 进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。 步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率 (f)成正比，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。 如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。 只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。 图 是该四相步进电机是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图 四相步进电机步进示意图 开始时，开关 SB接通电源， SA、 SC、 SD断开， B相磁极和转子 0、 3号齿对齐，同时，转子的 4 号齿就和 C、 D相绕组磁极产生错齿， 5号齿就和 D、南京林业 大学本科毕业设计（论文） 12 A相绕组磁极产生错齿。 当开 关 SC 接通电源， SB、 SA、 SD 断开时，由于 C相绕组的磁力线和 4号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 4号齿和 C相绕组的磁极对齐。 而 0、3号齿和 A、 B 相绕组产生错齿， 5 号齿就和 A、 D 相绕组磁极产生错齿。 依次类推， A、 B、 C、 D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、 B、 C、 D 方向转动。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 所示： 图 步进电机工作时序波形图 步进电机的单片机控制原理 步进电机是数字控制电机 ,它将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。 步进电机最大特点是它是通过输入脉冲信号来进行控制的 ,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定 ,而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电动机控制系统组成如图 所示 图 步进电机控制系统的组成 步进控制器的作 用是把输入的脉冲转换成环型脉冲 ,以便控制步进电机 ,并能进行正反向控制。 功率放大器的作用就是把控制器输出的环型脉冲加以放大 ,用来驱动步进电机转动。 在这种控制方式中 ,由于步进控制器线路复杂 ,成本高 ,因而限制了它的应用。 若我们采用单片机代替步进控制器 ,问题将被简化 ,不仅降低了成本 ,而且提高了可靠性。 单片机控制步进电机的原理图如图 脉冲 步进控制器 功率放大器 步进电机 负载 南京林业 大学本科毕业设计（论文） 13 图 步进电机的单片机控制原理图 单片机的主要作用就是把并行二进制码转换成 串行脉冲序列 ,并实现方向控制。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作 ,控制信号由单片机产生。 (1) 脉冲序列的生成 图 脉冲序列 在常见的接口电路中多为 0～ 5V ,接通和断电的时间可用延时的方法来控制。 延时时间的长短由步进电机的工作频率决定 ,如图 所示。 (2) 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。 例如 :四相步进电机的八拍工作方式 ,其各相通电顺序为 A AB B BC C CD D DA A ,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A ,B ,C ,D 相的通断。 (3) 控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转 ,如果按反序通电换相 ,则电机就反转。 若各相通电顺序为 A AB B BC C CD D DA A 时正转 ,则各相通电顺序为 A DA D CD C BC B AB A 时反转。 . (4) 控制步进电机的速度 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 ,它会再转一通电时间 断电时间 Y X 单片机 接。