畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器

1、<p>　　課題名稱 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) </p><p>　　基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章　緒論 3</b></p><p><b>　　1.1　引言 3</b>

2、</p><p>　　1.2　步進(jìn)電機(jī)常見的控制方案與驅(qū)動技術(shù)簡介 5</p><p>　　1.2.1　常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案 5</p><p>　　1.2.2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù) 7</p><p>　　第2章　步進(jìn)電機(jī)概述 10</p><p>　　2.1　步進(jìn)電機(jī)的分類 10</p><p&g

3、t;　　2.2　步進(jìn)電機(jī)的工作原理 11</p><p>　　2.2.1　結(jié)構(gòu)及基本原理 11</p><p>　　2.2.2　兩相電機(jī)的步進(jìn)順序 11</p><p>　　2.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn) 14</p><p>　　第3章　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 16</p><p>　　3.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 16</p&

4、gt;<p>　　3.1.1　系統(tǒng)的方案簡述與設(shè)計(jì)要求 16</p><p>　　3.1.2　 系統(tǒng)的組成及其對應(yīng)功能簡述 16</p><p>　　3.2　單片機(jī)最小系統(tǒng) 18</p><p>　　3.2.1　AT89S51簡介 18</p><p>　　3.2.2　單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23</p><p&

5、gt;　　3.2.3　單片機(jī)端口分配及功能 24</p><p>　　3.3　串口通信模塊 24</p><p>　　3.4　數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 25</p><p>　　3.4.1　共陽數(shù)碼管簡介 25</p><p>　　3.4.2　共陽數(shù)碼管電路圖 26</p><p>　　3.5　電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì) 27<

6、/p><p>　　3.5.1　L298簡介 27</p><p>　　3.5.2　電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 28</p><p>　　3.6　驅(qū)動電流檢測模塊設(shè)計(jì) 30</p><p>　　3.6.1　OP07芯片簡介 30</p><p>　　3.6.2　ADC0804芯片簡介 32</p><p>　　

7、3.6.3　電流檢測模塊電路圖 35</p><p>　　3.7獨(dú)立按鍵電路設(shè)計(jì) 36</p><p>　　第4章　系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn) 37</p><p>　　4.1　系統(tǒng)軟件主流程圖 37</p><p>　　4.2　系統(tǒng)初始化流程圖 38</p><p>　　4.3　按鍵子程序 39</p><p

8、>　　第五章 總結(jié) 43</p><p><b>　　致謝 44</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn) 45</b></p><p>　　摘要：本文應(yīng)用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片、字符型LCD和鍵盤陣列，構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。二維工作臺作為被控對象通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿在X

9、/Y軸方向聯(lián)動。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補(bǔ)方法和步進(jìn)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。最后給出了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。 </p><p>　　In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LCD and keypad arr

10、ay, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Two-dimensional table as a charged object by stepper motor drive ball screw in X / Y axis linkage. This paper discusses

11、a minimum of parameters to determine the trajectory of a circular interpolation method and the method of frequency control stepper motor. Stepper motor control system has been developed using </p><p>　　關(guān)鍵詞:

12、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，插補(bǔ)算法，變頻調(diào)速，軟硬件協(xié)同仿真</p><p><b>　　第1章　緒論</b></p><p><b>　　1.1　引言</b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或階躍電動機(jī)，國外一般稱為Steppingmotor、 </p><p>　　Pulse motor或

13、Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞

14、組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)

15、通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)[1]。</p><p>　　正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用[2]。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研

16、制開發(fā)適合我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。雖然與發(fā)達(dá)國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)和存儲器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影

17、系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用[3]。因而，對于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。</p><p>　　為了得到良好的控制性能，對步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)80年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機(jī)控制

18、系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級。基于微型單片機(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動、

19、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方案之外，目前報(bào)道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實(shí)現(xiàn)ｐｃ機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實(shí)現(xiàn)由PC機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法。</p><p>　　但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為

20、齊全；適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等要求。本論文就是采用這個思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價(jià)格較貴，功能相對較單一，并且設(shè)計(jì)要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控

21、制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計(jì)中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　1.2　步進(jìn)電機(jī)常見的控制方案與驅(qū)動技術(shù)簡介</p><p>　　1.2.1　常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案</p><p>　　1、基于電子電路的控制</p>

22、<p>　　步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如圖1.1所示。</p><p&g

23、t;　　圖1.1　基于電子電路控制系統(tǒng)</p><p>　　此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計(jì)簡單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚恚詣咏o出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步[4]。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其

24、脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。</p><p>　　2、基于PLC的控制</p><p>　　PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組

25、成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)大于4時(shí)，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采

26、用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 </p><p>　　采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時(shí)器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)

27、的頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí)，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。</p><p>　　3、基于單片機(jī)的控制</p><p>　　采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步

28、進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。</p><p>　　本方案有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動控制和精確控制，避

29、免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性[5]。</p><p>　　基于以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案。</p><p>　　1.2.2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)<

30、/p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)上個世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀(jì)80年代以后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)指的是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的驅(qū)動級來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電，同時(shí)也是對繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。到目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動

31、、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等。</p><p>　　單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。該驅(qū)動方式早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點(diǎn)是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，

32、用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、減少了電動機(jī)的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點(diǎn)。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運(yùn)行頻率要求不高的場合。</p><p>　　高低壓驅(qū)動是指不論電動機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時(shí)間常數(shù)來使矩頻性能

33、得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比較常見。</p><p>　　為了彌補(bǔ)高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效

34、率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動控制。</p><p>　　為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設(shè)計(jì)一個低速時(shí)低電壓驅(qū)動，高速時(shí)高電壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運(yùn)行時(shí)，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導(dǎo)通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機(jī)不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當(dāng)運(yùn)行速度逐漸

35、變快時(shí)，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實(shí)際運(yùn)行中需要針對不同參數(shù)的電機(jī)，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。</p><p>　　細(xì)分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時(shí)，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動機(jī)的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動時(shí)，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。比如：電流分成n個臺階，

36、轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個步距角，即n細(xì)分細(xì)分驅(qū)動最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機(jī)的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動，降低了步迸電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動與控制技術(shù)的一個飛躍[6]。</p><p>　　1.3　本文研究的內(nèi)容</p><p>　　在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對步

37、進(jìn)電機(jī)的各相繞組按恰當(dāng)?shù)臅r(shí)序方式通電，就可使其執(zhí)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)相應(yīng)的兩個磁極就分別形成N-S極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對其，從而使步進(jìn)電機(jī)向前“走”一步。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入的脈沖同步。只要能正確控制輸入的電脈沖數(shù)、頻率以及電機(jī)各相繞組通電的相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，通過單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的

38、數(shù)字控制。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對兩相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。由單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過脈沖分配器后分解出對應(yīng)的四相脈沖，分解出的四相脈沖經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。</p><p>　　本課題的研究目的之一就是設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，交互性強(qiáng)，可靠性高的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。</p><p

39、>　　第2章　步進(jìn)電機(jī)概述</p><p>　　2.1　步進(jìn)電機(jī)的分類</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)[7]。</p><p&g

40、t;　　(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance，簡稱VR)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型；</p><p>　　(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(Permanent Magnet，簡稱PM)永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所

41、以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電；</p><p>　　(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid，簡稱HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。混合式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，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(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具

42、有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的更注重整個系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)[7]。</p><p>　　2.2　步進(jìn)電機(jī)的工作原理 </

43、p><p>　　2.2.1　結(jié)構(gòu)及基本原理</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個

44、步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。每個脈沖所產(chǎn)生的運(yùn)動是精確的，并可重復(fù)，這就是步進(jìn)電機(jī)為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。</p><p>　　通過電磁感應(yīng)定律我們很容易知道激勵一個線圈繞組將產(chǎn)生一個電磁場，分為北極和南極，見圖2.1所示。定子產(chǎn)生的磁場使

45、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。</p><p>　　圖2.1　 激勵線圈產(chǎn)生電磁場</p><p>　　2.2.2　兩相電機(jī)的步進(jìn)順序</p><p>　　1、兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序</p><p>　　在圖2.2中我們很清晰的展示了在單相通電時(shí)一個兩相步進(jìn)電機(jī)的典型的步進(jìn)順序。在第1

46、步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。當(dāng)A相關(guān)閉、B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。在第3步中，B相關(guān)閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90°。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按90°的步距角順時(shí)針旋轉(zhuǎn)[8] [9]。</p><p>　　圖2.2　兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序</p>&l

47、t;p>　　2、兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序</p><p>　　圖2.2中顯示的步進(jìn)順序稱為“單相激勵”步進(jìn)。更常用的步進(jìn)方法是“雙相激勵”，其中電機(jī)的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖2.3所示。在第1步中，兩相定子的A相和B相同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第2步中，兩相定子的A相關(guān)閉，而B和a相（此時(shí)的a相通電極性與第1步A相反）同時(shí)

48、通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step2位置。在第3步中，兩相定子的a相和b相同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。在第4步中，兩相定子的b相和A相同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step4位置。按照這樣的通電方式電機(jī)就轉(zhuǎn)過了一周[8] [9]。</p><p>　　兩相步進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的

49、軸線處對直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進(jìn)多提供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。</p><p>　　圖2.3　兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序</p><p>　　3、步進(jìn)電機(jī)的半步工作方式</p><p>　　電機(jī)也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進(jìn)電機(jī)的整個步距角一分為二。例如，一個90°的步進(jìn)電機(jī)將每半步移動45&

50、#176;，見圖2.4。但是，與“兩相通電”相比，半步進(jìn)通常導(dǎo)致15%～30%的力矩?fù)p失（取決于步進(jìn)速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。</p><p>　　從原理圖我們很容易看到半步工作方式其實(shí)就是將兩相電機(jī)的單相通電工作方式和兩相電機(jī)的雙相通電工作方式相互結(jié)合起來。</p><p>　　兩相步進(jìn)電機(jī)的工作模式有兩相四

51、拍和兩相八拍等兩種，其中我們在圖2.2和圖2.3中展示的都叫做兩相四拍工作模式，而下面的2.4圖展示的就是兩相八拍工作模式[8] [9]。</p><p>　　圖2.4　兩相電機(jī)的半步步進(jìn)順序</p><p>　　第3章　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 </p><p>　　3.1.1　系統(tǒng)的方案簡述與設(shè)計(jì)要求<

52、;/p><p>　　本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89S51來作為整個步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動控制核心部件，采用了電機(jī)驅(qū)動芯片L298及其外圍電路構(gòu)成了整個系統(tǒng)的驅(qū)動部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)來構(gòu)成了一個基本的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體功能和要求如下：</p><p>　　1.單片機(jī)最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)；</p><p>　　2.設(shè)計(jì)兼有兩相兩拍和兩相四拍的脈沖分配器;<

53、;/p><p>　　3.實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；</p><p>　　4.驅(qū)動電路可提供電壓為12V，電流為0.3A的驅(qū)動信號;</p><p>　　5.能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，最高轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分；</p><p>　　6.步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由數(shù)碼管顯示；</p><p>　　7.鍵盤掃

54、描電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.2　 系統(tǒng)的組成及其對應(yīng)功能簡述</p><p>　　整個系統(tǒng)的組成包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動電流檢測模塊，獨(dú)立按鍵等模塊組成。具體框圖如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1　系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，

55、它主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的脈沖，通過單片機(jī)的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度大小與單片機(jī)輸出的脈沖數(shù)成正比步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的的方向與輸出的脈沖順序有關(guān)。同時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)處理來自電機(jī)驅(qū)動電流檢測模塊檢測到的電流值。與此同時(shí)，單片機(jī)將會把電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，以及電流檢測模塊檢測到的電機(jī)驅(qū)動的電流通過數(shù)碼管顯示出來。</p><

56、p>　　電機(jī)驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的信號功率放大，從而驅(qū)動電機(jī)工作。</p><p>　　串口下載模塊主要是負(fù)責(zé)實(shí)行計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信，將在計(jì)算機(jī)里面編寫好的程序下載到單片機(jī)芯片當(dāng)中。</p><p>　　數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)向，和通過電機(jī)的電流等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動電流檢測模塊主要是檢測通過電機(jī)

57、驅(qū)動芯片的電流，然后通過運(yùn)放將檢測到的信號放大，最后將放大后的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804處理后送給單片機(jī)。</p><p>　　獨(dú)立按鍵作為一個外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，通過它設(shè)置了電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，顯示電機(jī)電流等功能。采用了中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成了對步進(jìn)電機(jī)的最佳的及時(shí)的控制。</p><p>　　本節(jié)主要是在第一章和第二章的基礎(chǔ)上引出了本

58、論文將要采用的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)的清楚的一條條列出了設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本設(shè)計(jì)要求。然后是基于我的設(shè)計(jì)方案，比較簡單的但有條理的描述了系統(tǒng)的各個部分的組成以及其對應(yīng)的基本功能。通過這一章的內(nèi)容，我們能對本設(shè)計(jì)有一個簡單的總體的把握，既是能清楚的知道本題目的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)方法，以及最終的預(yù)期目標(biāo)。</p><p>　　33.2　單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　3.2.1　AT89S51簡介<

59、;/p><p>　　AT89S51是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes 的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，功能強(qiáng)大。</p><p><b>　　

60、1、主要性能參數(shù)</b></p><p>　　·與MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 </p><p>　　·4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲器 </p><p>　　·1000 次擦寫周期 </p><p>　　·4.0－5.5V 的工作電壓范圍 </p>

61、<p>　　·全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz </p><p><b>　　·三級程序加密鎖 </b></p><p>　　·128×8 字節(jié)內(nèi)部RAM </p><p>　　·32 個可編程I／O口線 </p><p>　　·2 個16 位定時(shí)／

62、計(jì)數(shù)器 </p><p><b>　　·6 個中斷源 </b></p><p>　　·全雙工串行UART 通道 </p><p>　　·低功耗空閑和掉電模式 </p><p>　　·中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) </p><p>　　·看門狗（WDT）及

63、雙數(shù)據(jù)指針 </p><p>　　·掉電標(biāo)識和快速編程特性 </p><p>　　·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP 字節(jié)或頁寫模式）</p><p><b>　　2、功能特性概述</b></p><p>　　AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個

64、I ／O 口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51 可降至0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時(shí)／計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。</p><p&g

65、t;<b>　　3、引腳功能說明</b></p><p>　　3.2　 AT89S51</p><p>　　該設(shè)計(jì)使用到的單片機(jī)芯片對應(yīng)管腳名稱位置等如圖3.2的引腳功能圖詳細(xì)說明。</p><p><b>　　·VCC：電源電壓</b></p><p><b>　　·

66、GND：地</b></p><p>　　·P0 口：P 0口是一組8位漏極開路型雙向I／0口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash 編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí)，這組口線分

67、時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）。</p><p>　　·P1 口：Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I ／O 口，Pl 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個電流 （IIL ）。</p><p>　　·P2 口

68、：P2 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I ／O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個電流 （IIL ）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR 指令）時(shí)，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行M

69、OVX@Ri 指令）時(shí)，P2 口線上的內(nèi)容 （也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū) P2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2 亦接收高位地址和其它控制信號。</p><p>　　· P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I ／O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l(fā)”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸

70、入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流 （IIL ）。P3口除了作為一般的I ／O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。具體功能如表2.1所示</p><p>　　表3.1　P3口的引腳及功能</p><p>　　·RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將

71、使單片機(jī)復(fù)位。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR 的DISRT0 位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRT0 位缺 為RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。</p><p>　　·ALE ／PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1 ／6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸

72、出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個ALE 脈沖。對F1ash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （PROG）。如 必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只一條M0VX 和M0VC 指令A(yù)LE 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 無效。</p><p>　　·P

73、SEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個機(jī)器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。</p><p>　　·EA ／VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H－FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位L

74、B1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存EA 端狀態(tài)。</p><p>　　如EA 端為高電平（接Vcc 端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。</p><p>　　F1ash 存儲器編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程電壓Vpp 。 </p><p>　　·XTALl：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　

75、83;XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　·存儲器結(jié)構(gòu) ：MCS-51 單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 </p><p>　　·程序存儲器 ：如果EA引腳接地（GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲器。在AT89S51，假如EA 接至Vcc（電源+），程序首先執(zhí)行地址從0000H－0FFFH

76、（4KB）內(nèi)部程序存儲器，再執(zhí)行地址為1000H－FFFFH （60KB）的外部程序存儲器。</p><p>　　·數(shù)據(jù)存儲器：AT89S51的具128字節(jié)的內(nèi)部RAM，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行，128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。</p><p>　　4、晶體振蕩器特性 </p><p>　　AT89S51一個

77、用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。</p><p>　　外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容Cl、C2 接在放大器的反饋回路 構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容Cl、C2 雖然沒 十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如

78、果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF ±10pF。</p><p>　　用戶也可以采用外部時(shí)鐘。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。</p><p>　　由于外部時(shí)鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號的，所以對外部時(shí)鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)

79、間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。</p><p>　　5、Flash 閃速存儲器的并行編程</p><p>　　AT89s51單片機(jī)內(nèi)部4k字節(jié)的可快速編程的Flash存儲陣列。編程方法可通過傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓（+12V）和協(xié)調(diào)的控制信號進(jìn)行編程。</p><p>　　AT89S51的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。 </p>

80、<p><b>　　編程方法：</b></p><p>　　編程前，須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號，AT89S51 編程方法如下： </p><p>　　1．在地址線上加上要編程單元的地址信號。</p><p>　　2．在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。</p><p>　　3．激活相應(yīng)的控制信號。</p&

81、gt;<p>　　4．將EA ／Vpp 端加上+12V 編程電壓。</p><p>　　5．每對Flash 存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位，加上一個ALE ／PROG編程脈沖。每個字節(jié)寫入周期是自身定時(shí)的，大多數(shù)約為50us。改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù)1－5 步驟，直到全部文件編程結(jié)束。</p><p>　　3.2.2　單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p&g

82、t;<p>　　采用AT89S51單片機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，單片機(jī)的P 0口、P 1口、P 2口、P 3口全部參與系統(tǒng)工作，單片機(jī)最小系統(tǒng)的接線如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3　單片機(jī)最小系統(tǒng)圖</p><p>　　3.2.3　單片機(jī)端口分配及功能</p><p>　　1、其中P

83、 0口用于控制數(shù)碼管的具體顯示功能，既是數(shù)碼管的段選。</p><p>　　2、P 1口主要用于控制電機(jī)驅(qū)動芯片L298的工作，以及ADC0804芯片的編程的讀寫控制。</p><p>　　3、P 2口主要用于控制數(shù)碼管的公共端，既是數(shù)碼管的位選。與此同時(shí)還處理鍵盤掃描電路的。</p><p>　　4、P 3口主要用于負(fù)責(zé)處理ADC0804的模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片的工作。&l

84、t;/p><p>　　3.3　串口通信模塊</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用串口通信，來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信。其具體的電路圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4　串口通信模塊</p><p>　　3.4　數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的顯示部分可以用液晶顯示的方案可供選擇，液晶顯示和數(shù)碼管顯示的

85、區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個方面：數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，而液晶顯示器顯示內(nèi)容豐富，因?yàn)橐壕б话愣际瞧叨伟俗值闹荒茱@示單一的內(nèi)容，而液晶顯示的內(nèi)容就很豐富；數(shù)碼管還比液晶顯示耗電，而且使用液晶也比使用數(shù)碼管顯得美觀。但是控制液晶顯示器的時(shí)候占用的系統(tǒng)資源多，編程更復(fù)雜，最關(guān)鍵的是液晶顯示的成本是數(shù)碼管的幾十倍，所以考慮到應(yīng)用價(jià)值，最終還是確定選用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的顯示部分功能。</p><p>　　3.4.1　共陽數(shù)碼管簡

86、介</p><p>　　四位共陽數(shù)碼管的管腳分配如下圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5　四位共陽數(shù)碼管管腳定義</p><p>　　數(shù)碼管的管腳排列：從數(shù)碼管的正面觀看，左下角的那個腳為1腳，從1腳開始，按照逆時(shí)針方向排列依次是1腳到12腳，其中12、9、8、6為公共角，為位選信號輸入端。剩余的八個腳是段選信號輸入端，其對應(yīng)方式是A-11、B-7、C-4、

87、D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3。</p><p>　　只有詳細(xì)的了解了數(shù)碼管的管腳定義，以及段選位選情況，我們才能通過編程對其正常的顯示進(jìn)行很好的控制。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了數(shù)碼管動態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，下面我們對數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示作一詳細(xì)介紹。</p><p>　　數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,

88、c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。</p><p>　　通過分時(shí)輪流控制各個LED數(shù)碼管

89、的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低。</p><p><b>　　3..4.2</b></p

90、><p>　　本設(shè)計(jì)選用了數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)，其段選的控制A、B、C、D、E、F、G、DP按照數(shù)碼管的簡介資料選用了P 0口作為其控制端口，其位選部分由于單片機(jī)的控制端口輸出的電壓不足以直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，所以在單片機(jī)控制端口和數(shù)碼管的位選控制端口加入了三極管，其具體的電路連接如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6　 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　3.5　電機(jī)驅(qū)動

91、模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　在第一章的1.2.2中已經(jīng)詳細(xì)的介紹了目前的電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)的基本類型，考慮要硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動電路的方法會電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，而且采用多個元器件搭接，成本高。而直接采用集成的驅(qū)動芯片時(shí)電路穩(wěn)定，成本低，易于控制，所以最終本設(shè)計(jì)是直接采用電機(jī)驅(qū)動芯片L298作為電機(jī)驅(qū)動部分的核心部件。</p><p>　　3.5.1　L298簡介</p><p&

92、gt;　　L298N為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片，內(nèi)部包含4 信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時(shí)驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)：TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時(shí)序信號。</p

93、><p>　　L298N 之接腳如圖 3.7所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測用電阻連接來控制負(fù)載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個步進(jìn)電機(jī)；input1~input4 輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖3.7　L298管腳圖</p><p><b>　　引腳功能介紹

94、：</b></p><p>　　1、1；15腳（Sense A；Sense B）：電流檢測端，分別為兩個H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地；</p><p>　　2、2；3腳（Output1；Output2）：1Y1、1Y2輸出端；</p><p>　　3、4腳（VS）：功率電源電壓,此引腳與地必須連接 100nF電容器；</p><

95、;p>　　4、5；7腳（Input 1； Input）：1A1、1A2輸入端，TTL 電平兼容；</p><p>　　5、6；11腳（Enable A；Enable B）：TTL 電平兼容輸入 1EN、2EN 使能端，低電平禁止輸出；</p><p>　　6、8腳（GND）：GND接地端；</p><p>　　7、9腳（VSS）：邏輯電源電壓。此引腳必須與地連

96、接100nF電容器；</p><p>　　8、10；12腳（Input3；Input4）：2A1，2A2輸入端，TTL電平兼容；</p><p>　　9、13；14腳（Out3；Out4）：2Y1、2Y2 輸出端，監(jiān)測引腳15；</p><p>　　3.5.2　電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖2.8所示，本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動部分是由驅(qū)動

97、芯片L298及其外圍電路構(gòu)成，其中從L298的2、3腳和13、14腳（即芯片的輸出端）依次按順序連成一個插座，分別與步進(jìn)電機(jī)的四根線相連。而5、6、7、10、11、12腳就依次與單片機(jī)的P1口的六個管腳相連。通過這一連接實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與L298以及步進(jìn)電機(jī)的串聯(lián)控制。</p><p>　　圖中很重要的部分是由四個二極管連成的保護(hù)電路，其作用是防止由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高而產(chǎn)生的自感電動勢損壞芯片。由于本設(shè)計(jì)使用的電機(jī)

98、驅(qū)動電壓是使用了9V (也可以使用12V)，所以二極管的負(fù)端接9V的參考電壓。如果驅(qū)動芯片的電壓改變，那么這個參考電壓也隨之一起改變。</p><p>　　圖2.8　電機(jī)驅(qū)動電路圖</p><p>　　3.6　驅(qū)動電流檢測模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的驅(qū)動芯片電流檢測模塊的實(shí)際應(yīng)用意義在于，檢測流過電機(jī)的電流值并及時(shí)顯示，對于防止電機(jī)過流而損壞電機(jī)有一定的意

99、義。從上面的L298的芯片資料當(dāng)中我們可以知道L298的Pin1和Pin15可與電流偵測電阻連接來偵測電機(jī)正常工作的情況下的工作電流。一般檢測電流的方法是通過檢測電壓值，然后通過歐姆定律換算電流值的方法測試電流，本設(shè)計(jì)也不例外。設(shè)計(jì)采用的42BYG101反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其額定電流值0.2安，在加上一般常用的電流偵測電阻都是1歐姆或0.1歐姆，這樣換算來檢測到的電壓值一般是在mV級，這樣以來，要是直接將檢測到的電壓值送給ADC0804進(jìn)行

100、模數(shù)轉(zhuǎn)換那么由于精度的原因勢必會對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性造成很大的影響。所以考慮到這一原因我們是先將檢測到的電流值經(jīng)過OP07作放大處理后再將信號送給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片處理這樣保證了檢測值的可靠性。ADC0804輸出的數(shù)字信號再送給單片機(jī)的P 3口，經(jīng)過單片機(jī)處理后最后將檢測到的數(shù)字信號通過數(shù)碼管顯示出來。而在顯示這一部分有這樣一個問題，就是步進(jìn)電機(jī)的工作電流不是一個恒定值，它是隨著時(shí)間的變化，會在一個小范圍內(nèi)不停的波動為了使顯示出來的電流數(shù)據(jù)更可

101、靠，</p><p>　　圖2.9 電流檢測框圖</p><p>　　3.6.1　OP07芯片簡介</p><p>　　1、OP07功能介紹</p><p>　　Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。

102、OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。</p><p><b>　　2、特點(diǎn)</b></p><p>　　超低偏移：150μV最大</p><p>　　低輸入偏置電流：1

103、.8nA</p><p>　　低失調(diào)電壓漂移：0.5μV/℃</p><p>　　超穩(wěn)定時(shí)間：2μV/month最大</p><p>　　高電源電壓范圍： ±3V至±22V</p><p>　　3、芯片引腳功能說明</p><p>　　1腳和8腳：是偏置平衡（調(diào)零端）</p><

104、p><b>　　2腳：為反相輸入端</b></p><p><b>　　3腳：為同向輸入端</b></p><p>　　4腳和7腳：分別為ｖｃｃ－和ｖｃｃ＋</p><p><b>　　5腳：懸空</b></p><p><b>　　6腳：為輸出端</b&

105、gt;</p><p>　　其引腳圖如圖3.10</p><p>　　圖2.10　OP07芯片及管腳圖</p><p>　　3.6.2　ADC0804芯片簡介</p><p>　　1、芯片主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　(1) 分辨率：8 位(0~255)</p><p>　　(2) 存取時(shí)間

106、：135 ms</p><p>　　(3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間：100 ms</p><p>　　(4) 總誤差：-1~+1LSB</p><p>　　(5) 工作溫度：ADC0804C為0度~70度；ADC0804L為-40 度~85 度</p><p>　　(6) 模擬輸入電壓范圍：0V~5V</p><p>　　(7) 參

107、考電壓：2.5V</p><p>　　(8) 工作電壓：5V</p><p>　　1、芯片引腳功能及說明</p><p>　　接腳說明見下圖：ADC0804 為一只具有20引腳8位CMOS連續(xù)近似的A/D 轉(zhuǎn)換器。芯片具體引腳圖如圖3.11所示。</p><p>　　圖2.11　ADC0804芯片及管腳圖</p><p&g

108、t;　　(1). PIN1 (CS )：Chip Select，與RD、WR 接腳的輸入電壓高低一起判斷讀取或?qū)懭肱c否，當(dāng)其為低位準(zhǔn)(low) 時(shí)會active。</p><p>　　(2). PIN2 ( RD )：Read。當(dāng)CS 、RD皆為低位準(zhǔn)(low)時(shí)，ADC0804會將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字訊號經(jīng)由DB7 ~ DB0 輸出至其它處理單元。</p><p>　　(3). PIN3 (W

109、R )：啟動轉(zhuǎn)換的控制訊號。當(dāng)CS 、WR 皆為低位準(zhǔn)(low) 時(shí)ADC0804 做清除的動作，系統(tǒng)重置。當(dāng)WR由0→1且CS ＝0 時(shí)，ADC0804會開始轉(zhuǎn)換信號，此時(shí)INTR 設(shè)定為高位準(zhǔn)(high)。</p><p>　　(4). PIN4、PIN19 (CLK IN、CLKR)：頻率輸入/輸出。頻率輸入可連接處理單元的訊號頻率范圍為100 kHz 至800 kHz。而頻率輸出頻率最大值無法大于640K