9、
2.2.2 步進電機及驅(qū)動器
1. 步進電機的分類
步進電機分通常兩種：反應式步進電機，感應子式步進電機。
反應式步進電機
由于反應式步進電機工作原理比較簡單。下面是三相反應式步進電機的工作原理。
電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A與齒5相對齊，（A就是A，齒5就是齒1）定轉(zhuǎn)子的展開圖如圖8－5所示。
圖5定轉(zhuǎn)子的展開圖
如A相通電
10、，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。
如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。
如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て。
這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電
11、，電機就反轉(zhuǎn)。
由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關(guān)系。而方向由導電順序決定。
感應子式步進電機
感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。
感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A
12、-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式。不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接連接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作為二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。
本系統(tǒng)選用的是三相反應式步進電機。
步進電機驅(qū)動器
步進電機驅(qū)動器是能夠?qū)崿F(xiàn)使用、控制步進電機必須的環(huán)形脈沖，功率放大等功能組成的控制器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖8－6所示。
其中各個接線端子的具體功能如下：
CP 接CPU脈沖信號（負信號，低電平有效）；
13、
OPTO接CPU+5V；
FREE脫機，與CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作；
DIR方向控制，與CPU地線相接，電機反轉(zhuǎn)；
VCC 直流電源正端；
GND直流電源負端；
A接電機引出線紅線；
接電機引出線綠線；
B接電機引出線黃線；
接電機引出線藍線；
2.2.3 功能鍵盤
本系統(tǒng)的功能鍵盤采用了獨立式動態(tài)掃描鍵盤，該鍵盤的結(jié)構(gòu)及功能在12章中有詳細的介紹，這里不再過多介紹了。
2.2.4 位置傳感器
本系統(tǒng)的位置傳感器采用由發(fā)光二極管和光敏二極管組成的電路來實現(xiàn)，在下一節(jié)中將結(jié)合電路原理圖進行說明。
2.2.5 固體繼電器
固體繼電器（亦稱固態(tài)繼
14、電器）英文名稱為Solid State Relay，簡稱SSR。它是用半導體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。
固體繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關(guān)速度快，抗干擾能力強，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達到直接驅(qū)動大電流負載。主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應散熱措施），有斷態(tài)漏電流，交直流不能通用，觸點組數(shù)少，另外過電
15、流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標差。
固體繼電器目前已廣泛應用于計算機外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置；信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復印機、自動洗衣機；自動消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場合中都有大量使用。
本系統(tǒng)驅(qū)動電磁擊打錘和抓紙機械手是通過AVR單片機的輸出控制直流固體繼電器來實現(xiàn)的。直流固體繼電器的輸出量程既能夠滿足驅(qū)動電磁擊打錘所需要的較大的電流，又可以起到隔離作用，防止電磁擊打錘的線圈的在通斷電時產(chǎn)生的脈沖尖峰對系統(tǒng)的干擾，提高控制系
16、統(tǒng)的抗干擾能力。
3 硬件設(shè)計
地稅局自動蓋章系統(tǒng)的控制電路原理如圖7所示，下面對各單元電路進行說明。
圖8 自動蓋章系統(tǒng)的控制電路原理圖
3.1電源設(shè)計
本系統(tǒng)的電源共有＋36V、 ＋12V、＋5V三種。其中＋36V電源由開關(guān)電源輸出，用來作為電機及系統(tǒng)其它電源的輸入。系統(tǒng)的＋12V電源用于擊打電磁和抓紙機械手的供電，它由可調(diào)三端穩(wěn)壓電源器件LM350將＋36V降壓得到，LM350和LM317為同一系列的可調(diào)三端穩(wěn)壓器件，工作原理完全相同，只在具體的參數(shù)上有所差別。控制系統(tǒng)的＋5V電源由固定值三端穩(wěn)壓電源器件78M05對＋12V電壓進行降壓得到，它為單片機
17、及其接口系統(tǒng)提供電源。其中電阻R2和發(fā)光二極管D7組成電源工作指示燈。系統(tǒng)電源設(shè)計的電路原理圖如圖9所示。
圖9系統(tǒng)電源的電路原理圖
8.3.2步進電機接口電路設(shè)計
本系統(tǒng)共有三個獨立工作的步進電機，分別是控制進/出倉的步進電機，控制翻票據(jù)的步進電機和控制頁碼字輪旋轉(zhuǎn)的步進電機，各個步進電機的功率不同，因此選用了三個步進電機控制器。但是三個步進電機不同時工作，因此可以共用一個方向控制線。其具體電路圖如圖10所示。
圖10步進電機控制電路圖
3.3功能鍵盤接口電路設(shè)計
本系統(tǒng)的功能鍵盤設(shè)計采用的是獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了蓋章和打印頁碼的工作指示燈，具體電路如圖11所示
18、。
圖11系統(tǒng)功能鍵盤電路圖
其中S1為進/出倉功能鍵，S2為蓋章功能鍵，S3為打印頁碼功能鍵，S4為取消功能鍵，S5為復位功能鍵。綠色發(fā)光二極管D5為蓋章工作指示燈，紅色發(fā)光二極管D6為蓋章結(jié)束指示，綠色燈發(fā)光二極管D7為打印頁碼工作指示燈，紅色發(fā)光二極管D8為打印頁碼結(jié)束指示燈。
3.4位置傳感器接口電路設(shè)計
本設(shè)計的位置傳感器采用了由發(fā)光二極管和光敏二極管組成的電路來實現(xiàn)，它們分別位于被探測的物體的兩側(cè)。其工作原理框圖如圖8－12所示。
圖12 傳感器工作原理框圖
光敏二極管是利用硅Ｐ
19、Ｎ結(jié)受光照后產(chǎn)生光電流的一種光電器件，光敏二極管使用時要反向接入電路中，即正極接電源負極，負極接電源正極。
系統(tǒng)工作時，發(fā)光二極管通電發(fā)出可見光，當沒有物體遮擋時，高靈敏度光敏二極管接收可見光，使得自身阻值變小，電路輸出邏輯低電平到AVR單片機；當有物體遮擋時，高靈敏度光敏二極管無法接收可見光，使得自身阻值增大，電路輸出邏輯高電平到AVR單片機。單片機通過高低電平來判斷有無遮擋物，進而判斷物體的位置。其具體的電路圖如圖13所示。
圖 13 傳感器的電路原理圖
其中發(fā)光二極管D2和電阻R1組成發(fā)光電路，為傳感器提供光源；電阻R5和光敏二極管
20、D3組成光電接收和邏輯轉(zhuǎn)換電路，為AVR單片機提供邏輯電平的輸入。其它的6個 傳感器的構(gòu)成和工作原理與該電路完全相同，在圖8和圖10中進行了省略，實際系統(tǒng)中共有7個這種傳感器。
3.5固態(tài)繼電器接口電路設(shè)計
本系統(tǒng)的三個固體繼電器接口電路有兩種用途，其中的兩個分別用來驅(qū)動蓋章和打印頁碼的電磁擊打錘，另外一個用來驅(qū)動抓票據(jù)所用的機械手。其接口電路如圖8－14所示。
不同型號的固體繼電器的輸入驅(qū)動電流不同，為了保護單片機，減少其功耗，在單片機輸出引腳增加了功率放大的74LS04，用它的輸出來驅(qū)動固體繼電器。
4 系統(tǒng)程序
系統(tǒng)程序給出了地稅局自動蓋章系統(tǒng)的軟件，包含頭文件及各種變
21、量的定義，鍵盤掃描函數(shù)，蓋章函數(shù)，打印頁碼函數(shù)，以及中斷復位函數(shù)，初始化函數(shù)和主程序。
4.1 頭文件及全局變量定義
#include
#include
#define unsigned int uint
#define unsigned char uchar
//管腳功能
#define SIGN_ON PD0 //PD0 蓋章工作指示燈輸出管腳
#define SIGN_OFF PD1 //PC7 蓋章結(jié)束指示燈輸出管腳
#define PRINT_ON PD3 //PD3 打印頁
22、碼工作指示燈輸出管腳
#define PD4 PRINT_OFF //PD4 打印頁碼結(jié)束指示燈輸出管腳
#define PC7 M1_pulse //PC7 裝票電機脈沖輸出管腳
#define PC6 M2_pulse //PC6 行走電機脈沖輸出管腳
#define PC5 M3_pulse //PC5 字輪電機脈沖輸出管腳
#define PC4 M_DIR //PC4 電機方向輸出管腳
#define PC3 SIGN_ACT //PC3 蓋章?lián)舸螂姶盆F輸出管腳
#define PC2 PRINT_AC
23、T //PC2 字輪擊打電磁鐵輸出管腳
#define PC1 GRASP_ACT //PC1 抓紙機械手輸出管腳
#define PB6 SONSOR_6 //PB6 行走右傳感器
#define PB5 SONSOR_5 //PB5 行走左傳感器
#define PB4 SONSOR_4 //PB4 字輪傳感器
#define PB3 SONSOR_3 //PB3 紙傳感器
#define PB2 SONSOR_2 //PB2 后傳感器
#define PB1 SONSOR_1 //PB1 中傳感器
24、
#define PB0 SONSOR_0 //PB0 前傳感器
#define PA2 KEY_2 //PA2 打印頁碼鍵
#define PA1 KEY_1 //PA1 蓋章鍵
#define PA0 KEY_0 //PA0 裝票鍵
bit keydown, cancelflag;
unsigned int u；;
unsigned char i,j, x,y,k,m,n,funkeynum,r_step,b,c,
void cancel() interrupt 0
{
cancelflag=1;
}
//功能
25、鍵掃描
void funkeyscan()
{
keydown=0;
funkeynum=3;
if(KEY_0==0)
{
Delayl(10);
if(KEY_0==0)
{
funkeynum=0;
keydown=1;
}
} //PA0 裝票
if(KEY_1==0)
{
Delayl(10);
if(KEY_1==0)
{
funkeynum=1;
keydown=1;
}
} //PA1 蓋章
if(KEY_2==0)
{
26、Delayl(10);
if(KEY_2==0)
{
funkeynum=2;
keydown=1;
}
} //PA2 打碼
}
void delays(uint j)
{
uint i;
for(i=0;i
27、;l<1000;l++);
}
}
void pulsezhuangpiao() //裝票頻率
{
delays(45); //裝票周期45
M1_pulse=1; //Pc7=1
delays(45); //裝票周期45
M1_pulse=0; //Pc7=0
}
void pulsexingzou()
{
delays(35); //行走周期35
M2_pulse=1;
28、 //Pc6=1
delays(35); //行走周期35
M2_pulse=0; //Pc6=0
}
void pulsezilun() //字輪電機脈沖
{
delays(55); //字輪電機周期35
M3_pulse=0; //Pc5=0
delays(55); //字輪電機周期35
M3_pulse=1; //Pc5=1
}
void print_act()
29、
{
PRINT_ACT=1;
delay1(5); //打字電磁鐵打下時間延時20(*1000)
PRINT_ACT=0;
delay1(20); //打字電磁鐵上升時間延時20(*1000)
}
void sign_act()
{
SIGN_ACT=1;
delay1(20); //蓋章電磁鐵打下時間延時20(*1000)
SIG
30、N_ACT=0;
delay1(20); //蓋章電磁鐵上升時間延時20(*1000)
}
void num_step()
{
M_DIR=0; //反轉(zhuǎn)
for(u=0;u<40;u++) //行走電機距離即字間距40
{
pulsexingzou();
}
}
void reverse_step()
{
unsigned int i;
for(i=0;i<350;i++)
31、 //居中以后再走100吸紙
{
M_DIR=0; //反轉(zhuǎn)
pulsexingzou();
}
GRASP_ACT=1; //吸紙
while(SONSOR_5==0) //等待開關(guān)
{
M_DIR=0; //反轉(zhuǎn)
pulsexingzou();
}
}
void forward_step()
{
GRASP_ACT=0;
32、 //不吸紙
while(SONSOR_6==0) //等待開關(guān)
{
M_DIR=1; //正轉(zhuǎn)
pulsexingzou();
}
M_DIR=0; //反轉(zhuǎn)
for(u=0;u<400;u++) //行走電機居中
{
pulsexingzou();
}
GRASP_ACT=0; //放紙
}
void
33、judge1() //判斷字輪正反轉(zhuǎn)
{
if(b>10){r_step=(20-b)*12; M_DIR=1;}
else {r_step=b*12; M_DIR=0; }
}
void judge2() //判斷字輪正反轉(zhuǎn)
{
if(b>10){r_step=(20-b)*12; M_DIR=0;}
else {r_step=b*12; M_DIR=1; }
}
void motorxizhi()
{
reverse_step();
34、 u=0;
delay1(5); //吸紙延時10*（1000）
while(SONSOR_6==0) //等待開關(guān)
{
M_DIR=1; //往右轉(zhuǎn)
u++;
pulsexingzou();
if(u==380){ GRASP_ACT=0;} //抓紙機械手往右走380步放紙
}
}
void motor3qianzou()
{
M_DIR=1;
35、 //方向
while(SONSOR_0==0) //前傳感器
pulsezhuangpiao(); //承票板往前走
}
void motor3houzhong()
{
uchar e;
while(SONSOR_1==0) //中傳感器
{
M_DIR=0; //方向
pulsezhuangpiao(); //承票板往hou走
}
for(e=0;
36、e<55;e++) //修正位置誤差55
{
M_DIR=0; //方向
pulsezhuangpiao(); //承票板往hou走
}
}
void motor3houzou()
{
M_DIR=0; //方向
while(SONSOR_2==0) //后傳感器
pulsezhuangpiao(); //承票板往hou走
37、
}
void motor30()
{
motor3qianzou();
motor3houzhong();
}
void motor3qianzhong()
{
M_DIR=1; //方向
while(SONSOR_1==0) //中傳感器
{
pulsezhuangpiao(); //承票板往前走
}
for(i=0;i<20;i++)
pulsezhuangpiao();
}
void motor1_fu
38、wei()
{
reverse_step();
COM8255=0x03; //正空蹦不動作
delay1(5);
while(SONSOR_6==0) //等待開關(guān)
{
M_DIR=1; //正轉(zhuǎn)
pulsexingzou();
}
M_DIR=0; //反轉(zhuǎn)
//以上程序初始定位
}
void motor2_fuwei()
{
M_DI
39、R=0;
while(SONSOR_4==0) //字輪光電傳感器
{
pulsezilun();
}
}
void motor12_dama()
{
unsigned char k=0,p;//n,
while(SONSOR_3==0) //紙張結(jié)束標志位為0時循環(huán)執(zhí)行
{
for(u=0;u<150;u++)
{
M_DIR=0;
pulsexingzou();
}
40、 //電機進入打印位置
motor2_fuwei(); //字輪復位
p=0;
if(k<10)
{
b=k+k;
judge1();
for(u=0;u
41、
b=k/10+k/10; //取整的yushu
judge1();
for(u=0;ub)
{
b=p-b;
judge1();
42、 }
else
{
b=b-p;
judge2();
}
for(u=0;u
43、{
M_DIR=0;
pulsexingzou();
}
}
void motor30()
{
uint i;
for(i=0;i<350;i++) //居中以后再往左走100吸紙
{
M_DIR=0; //反轉(zhuǎn)
pulsexingzou();
}
GRASP_ACT=1; //吸紙
while(SONSOR_5==0) //等待開關(guān)
44、 {
M_DIR=0; //反轉(zhuǎn)
pulsexingzou();
}
M_DIR=1; //往右轉(zhuǎn)
for(u=0;u<500;u++) //往右走的脈沖個數(shù)500
{
pulsexingzou();
GRASP_ACT=1;
} //行走電機居中
motor3qianzo
45、u();
}
void motorjuzhong()
{
for(u=0;u<450;u++)
{
M_DIR=0;
pulsexingzou();
}
}
void motorgaizhang()
{
while(SONSOR_3==0) //紙張結(jié)束標志位為1時循環(huán)執(zhí)行
{
motor3houzou();
sign_act();
motor3qianzhong();
motorxizhi();
motorjuzhong();
if(can
46、celflag==1)
goto OUT3;
}
OUT3： cancelflag=0;
}
void main(void)
{
begin:
cancelflag=0;
SIGN_ACT＝0; //蓋章?lián)舸螂姶盆F1吸起
PRINT_ACT＝0; //打印頁碼擊打電磁鐵2吸起
GRASP_ACT＝0; //抓紙機械手不動作
forward_step(); //翻頁步進電機復位
motor3houzou(); //承票板往后走
moto
47、r3qianzhong(); //承票板往中間走進行復位
IT1 = 0; //設(shè)外部中斷1為低電平觸發(fā)
EA = 1; //開中斷
EX1 = 1; //開中斷1
do{
do
{funkeyscan(); }
while(keydown==0);
switch(funkeynum)
{
case 1 : //裝票操作
motor3();
break;
48、
case 3 : //蓋章
motor30(); //裝票
wait1: while(KEY_1!=0);
while(KEY_1==0)
{
DelayMs(50);
if(KEY_1==0)
{
49、 motor3houzhong();
}
else goto wait1;
}
SIGN_ON＝0;
SIGN_OFF＝1; //蓋章進行中指示燈亮
motor3houzou();
motorgaizhang(); // 蓋章
motor3qianzhong();
SIGN_ON＝1;
SIGN_O
50、FF＝0; //蓋章結(jié)束指示燈亮
break;
case 3 : //打印頁碼
motor30(); //裝票
wait2: while(KEY_2!=0);
while(KEY_2==0)
{
DelayMs(50);
if(KEY_2==0)
51、
{
motor3houzhong();
}
else goto wait2;
}
PRINT_ON＝0;
PRINT_OFF＝1; //打印頁碼進行指示燈亮
motor1_fuwei();
motor12_dama(); //打印頁碼
PRINT_ON＝1;
52、
PRINT_OFF＝0;//打印頁結(jié)束指示燈亮
break;
}while(1);
}
5系統(tǒng)集成與調(diào)試
地稅局自動蓋章系統(tǒng)的測試主要有以下幾部分：電源的測試、傳感器電路的測試、電機驅(qū)動電路的測試、電磁擊打錘電路的測試和鍵盤電路的測試。對電機驅(qū)動電路的測試應編寫相應的測試程序，其它電路單元的測試應該以硬件電路調(diào)試為主。
5.1.電機驅(qū)動電路的測試
根據(jù)圖7－10所設(shè)計的步進電機驅(qū)動電路，在硬件電路焊接完成之后，可以編制如下的測試程序，對步進電機單元進行測試。測試的目的是為了調(diào)試電機的轉(zhuǎn)速以符合實際工作狀況的需要。
#include
53、.h>
void delay( int j )
{
int i；
for(i=0;i
地稅局自動蓋章系統(tǒng)設(shè)計
