确定透镜焦面的系统设计 第8页

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图3.3 接口电路

用8253接口芯片，由微处理机通过8253接口来控制步进电机工作的接口电路，运行过程中不占用CPU。

步进电机具有精度高、控制灵活、定位准确、启停迅速、能直接接收数字信号的特点，因而成为工业过程控制及仪器仪表的重要执行部件。在微机控制系统里，步进电机需要在CPU的控制下，按工作程序的要求，实现一定角度的旋转。其控制方式主要有：

    1、CPU直接控制。由CPU在P₁端口直接输出三相脉冲源，控制电机的运行，这样，在步进电机工作期间，CPU被独占，不能处理其它工作。降低了它的实时处理功能，这在许多场合是非常不利的，甚至是不允许的；

2、采用双CPU的主从控制系统，由从机控制步进电机的运行，主机实现整个系统的控制，其电路结构和工作程序是很复杂的，适应于复杂的电路系统；

 3、用数字电路芯片构成的步进电机控制器，由于数字电路阻容元件的离散性和不稳定性，步进电机的控制精度不高。为了解决这个问题，我们采用可编程计数器8253为核心构成步进电机接口电路，具有精度高，不受阻容元件参数的限制，工作稳定，控制灵活等特点，在步进电机工作期间，不用CPU的直接干预，大大提高了CPU实时处理能力，在实验项目中应用，获得了良好效果。

    如图3.3所示，它由三部分构成。第一部分，以8253和或门U₁构成实时脉冲产生电路，该电路的触发受CPU的控制，它能产生一定数量和一定频率的脉冲，其频率和数量的大小由8253计数器的计数值设定，所以精度是极高的。第二部分，由移位寄存器和或门U₂构成分相电路，它能产生符合步进电机需要的多项脉冲源。第三部分，换相和驱动电路，由模拟开关4066控制步进电机的运行方向，然后经光电耦合，达林顿管驱动使步进电机工作。

1、实时脉冲发生电路

可编程定时计数器8253内部具有4个独立的计数器，它们的功能、结构完全相同。每个计数器都具有时钟输入CLK、门控GATE和输出OUT三个引脚与外部发生联系，它们共有6种工作模式，具有硬同步和软同步功能。它是一个功能强大、使用灵活、性能优良的定时计数接口芯片，它的3个计数器在不同模式、不同形式的组合下，可以实现不同功能的实时脉冲电路，本系统就是其中的一例。

通道T₀、T₁均工作在分频方式，计数初值分别为l与n。T₀输入信号的时钟频率为f，它输出频率为f/l信号一面送或门的输入，同时再经通道一T₁分频，形成频率为f/ln的方波，该方波为通道二T₂的时钟输入.T₂工作在单稳态可重复触发方式，计数值为m，它输出的单稳态负电平送入或门74LS02的另一端，作为整个电路的门控，用来决定输出脉冲的数量和时间。另外，通道T₁、T₂的门控通过非门和通道T₂相连，由CPU的P_1.0控制，用来实现三个计数器时钟同步和触发。当CPU从P_1.0发出一个负脉冲，即可触发电路工作，在这个脉冲的作用下，非门产生的上升沿使T₂被触发，T₀、T₁被同步。T₂输出的暂稳态低电平，通过或门解除对T₀输出的封锁，使T₀经或门74LS02输出频率为f/l、数量为mn个、工作时间为mln/f的实时脉冲信号。

为了确保上电复位时不被误触发，P_1.0应接上拉电阻，T₁、T₀的门控应接下拉电阻。通道0和通道1接成级联，是为了增大输出脉冲的数量

2、分相和方向控制

由8253构成的实时脉冲需要经过分相才能满足步进电机的时序要求，分相电路种类很多，有计数器和译码器构成的，也有移位寄存器和反馈函数构成的，我们采用了后者实现A，B，C三相时钟源。

在移位寄存器CC4015时钟的作用下，D值在Q₀，Q₁，Q₂及Q₃之间移位，R₁与C₁的作用：上电复位后，通过CR端使输出全部清零，所以步进电机不工作，处于待命状态。此时的D值为1。只有在时钟输入端有脉冲输入时，D才能在Q₀，Q₁，Q₂及Q₃之间移动。当Q₂等于1时，Q₀与Q₁同时为0，所以D值又变为1。在下一个时钟的作用下，Q₀又为1，周而复始，实现A,B,C三相时钟源（见图2）。如果使用的是四相、五相或优相的步进电机，完全可以采用这种方法，实现N相分相。当然，也可以采用其它分相电路实现。当8253通道2的时间到达后，输出脉冲停止，与此同时通道2输出的高电平经二极管D₁使CC4015复位，三相输出全部清零，使电机停止运行.且D值为1，并为下一次启动做好了准备。

图3.4电路信号时序图

如果要实现步进电机双三拍时序,只要在输出的Q_0，Q₁,Q₂分别加反向器即可。为了实现用CPU进行方向控制，选用模拟开关4066构成B，C换向电路，当P₁由0变为1时，步进电机反转。

表3.1时序翻转表

软件部分

与步进电机接口有关的程序主要有8253控制字、计数器初值的输入、电机方向控制和触发启动。

8253的控制字如下：

其中，SC₁，SC₀选择计数器通道；RW₁，RW₀为读写指示位；M2、M₁、M₀决定工作模式；BCD计数值格式。

当RW₁，RW₀为01时，计数值为八位；当RW₁，RW₀为11时，计数值是16位的，在电路采用如图1所示的级联情况下，在8位计数方式时所能产生的最大脉冲个数位10⁴，而在16位计数方式时，最大脉冲个数达10⁸(BCD码)，用户可根据步进电机的最大运转角度，进行选择。

下面为8253的控制字和计数初值的子程序,其中adr0--adr3为8253的口地址，R₀计数初值存放单元的首址，计数值均为双字节数的BCD码，低位在前，高位在后，l，n及m依次存放。（附录2）

在实际应用中，T₀的计数初值l和输入脉冲的频率f决定电机的运行速度，时序脉冲频率越高，速度越快，速度过高步进电机容易失步，影响定位的精度。一般步进电机最大同步速度为100--250步/s。T₁和T₂的计数值n、m和步进电机的步角距θ决定着步进电机运转的角度α,α=mnθ。^[19]

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