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

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　第一章、引 言2</p><p>　　第2章　步進(jìn)電機(jī)概述3</p><p>　　2.1　步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)3</p><p>　　2.2　步進(jìn)電機(jī)的工作原理

2、4</p><p>　　2.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)7</p><p>　　第3章　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案9</p><p>　　3.2　單片機(jī)最小系統(tǒng)10</p><p>　　3.3　串口通信模塊17</p><p>　　3.4　數(shù)碼管顯示電路設(shè)

3、計(jì)18</p><p>　　3.5　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.6　驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)22</p><p>　　第4章　系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)29</p><p>　　4.1　系統(tǒng)軟件主流程圖29</p><p>　　4.2　系統(tǒng)初始化流程圖30</p><p>　　4.

4、3　按鍵子程序30</p><p><b>　　結(jié) 論37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn) 38</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　介紹了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展史,及國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)未來(lái)的應(yīng)用前景。并且闡述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

5、轉(zhuǎn)速、角度、轉(zhuǎn)矩的控制原理。本文闡述了一種步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案，并繪制了原理圖和PCB板圖，撰寫(xiě)了程序源代碼。實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、角度的控制，并完成了實(shí)物的制作。這期間主要使用protel99se軟件繪制原理圖和制板，使用proteus7.1軟件進(jìn)行程序代碼的仿真和功能的理論驗(yàn)證。最后通過(guò)硬件的調(diào)試驗(yàn)證程序代碼的實(shí)際功能，完成對(duì)控制器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；控制器。</p&

6、gt;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Introduction step enter electric motor of development history, and local present condition and step enter electric motor future of application foreground.

7、And elaborated a step to enter electric motor to turn soon, angle, turn Ju of control principle.This text elaborated a kind of step enter electrical engineering controller of design project, and drew principle diagram an

8、d PCB plank diagram, composed a procedure source a code.Realization to step enter the electric motor turn soon, angle of contr</p><p><b>　　Key words</b></p><p>　　Stepper Motor; Contr

9、oller. </p><p><b>　　第一章、引 言</b></p><p>　　1.1步進(jìn)電機(jī)發(fā)展史</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱(chēng)為 Step motor或Stepping motor 等。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，其原始模型起源于1830年至1860年間。1870年前后開(kāi)始以控制為目

10、的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電動(dòng)。此后，在電話(huà)自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。</p><p>　　20世紀(jì)60年代后期，隨著永磁性材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30年間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速地發(fā)展并成熟起來(lái)。從發(fā)展趨向來(lái)講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)

11、機(jī)，以及同步電動(dòng)機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類(lèi)型。</p><p>　　1.2我國(guó)步進(jìn)電機(jī)發(fā)展</p><p>　　我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究及制造起始于本世紀(jì)50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開(kāi)發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主。70年代初期，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步外，對(duì)反

12、應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高水平。70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動(dòng)機(jī)不斷被開(kāi)發(fā)。自80年代中期以來(lái)，由于對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。</p><p>　　1．3步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用前景</p><p>　　目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機(jī)分類(lèi)間的界面越來(lái)越模糊。步進(jìn)電機(jī)

13、必然會(huì)成為機(jī)電一體化元件組件的必然趨勢(shì)。由于步進(jìn)電機(jī)具有控制方便、體積小等特點(diǎn)，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。市場(chǎng)上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，但價(jià)格都偏高。應(yīng)用SGS公司推出的L297和L298兩芯

14、片可方便的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并結(jié)合Atmega16L單片機(jī)可以構(gòu)成很好的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 </p><p>　　第2章　步進(jìn)電機(jī)概述</p><p>　　2.1　步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類(lèi)型。按結(jié)

15、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(lèi)；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>　　(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱(chēng)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(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)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(lèi)型

16、；</p><p>　　(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(Permanent Magnet，簡(jiǎn)稱(chēng)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(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永

17、 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(chǎng)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)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。由于能夠開(kāi)環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較

18、簡(jiǎn)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(gè)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 </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(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該

19、矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱(chēng)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(dòng)，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(dòng)。每個(gè)脈沖所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是精確的，并可重復(fù)，

20、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(guò)電磁感應(yīng)定律我們很容易知道激勵(lì)一個(gè)線(xiàn)圈繞組將產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，分為北極和南極，見(jiàn)圖2.1所示。定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到與定子磁場(chǎng)對(duì)直。通過(guò)改變定子線(xiàn)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(dòng)。</p><p>　　圖2.1　 激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)</p><p>　　2.2.2　兩相電機(jī)的步進(jìn)順

21、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(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)的典型的步進(jìn)順序。在第1步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場(chǎng)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

22、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><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(chēng)為“單相激勵(lì)”步進(jìn)。更常用的步進(jìn)方法是“雙相激勵(lì)”，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(jiàn)圖2.

23、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(chǎng)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(niǎo)和a相（此時(shí)的a相通電極性與第1步A相反）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(chǎng)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(chǎng)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

24、電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場(chǎng)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(guò)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軸線(xiàn)處對(duì)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

25、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(gè)關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)步距角一分為二。例如，一個(gè)90°的步進(jìn)電機(jī)將每半步移動(dòng)45°，見(jiàn)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(guò)程中，由于其中一個(gè)繞組沒(méi)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>&l

26、t;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(lái)。</p><p>　　兩相步進(jìn)電機(jī)的工作模式有兩相四拍和兩相八拍等兩種，其中我們?cè)趫D2.2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>

27、;<p>　　2.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用了型號(hào)為42BYG型的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)，它與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(chǎng)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)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。就目前步進(jìn)電機(jī)

28、的應(yīng)用情況來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)的自身特點(diǎn)具體歸納起來(lái)有[１０]：</p><p>　　(1) 電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)以一定的角度（稱(chēng)為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。</p><p>　　(2) 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。</p><p>　　(3) 改變

29、驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖的順序，可以方便的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。</p><p>　　(4) 位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時(shí)組成 閉環(huán)控制系。</p><p>　　(5) 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候具有自鎖功能。</p><p>　　(6) 步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在

30、小步距情況下，通?？梢栽谠降退傧乱愿咿D(zhuǎn)矩運(yùn)行，因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。</p><p>　　(7) 步進(jìn)電機(jī)不能使用普通的交流電源驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　(8) 一般步進(jìn)電機(jī)的精度是步進(jìn)角的3%~5%，且步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。</p><p>　　(9) 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻

31、率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　(10) 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定頻率就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲.步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有

32、加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?lt;/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(jiǎn)述與設(shè)計(jì)要求</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89S51來(lái)作為整個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制核心部件，采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)

33、芯片L298及其外圍電路構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)來(lái)構(gòu)成了一個(gè)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;</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.

34、驅(qū)動(dòng)電路可提供電壓為12V，電流為0.3A的驅(qū)動(dòng)信號(hào);</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(pán)掃描電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.2　 系統(tǒng)的組成及其對(duì)應(yīng)功能簡(jiǎn)述</p><

35、p>　　整個(gè)系統(tǒng)的組成包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)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(gè)系統(tǒng)的控制核心，它主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖，通過(guò)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(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與單

36、片機(jī)輸出的脈沖數(shù)成正比步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)自電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電流值。與此同時(shí)，單片機(jī)將會(huì)把電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以及電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。</p><p>　　

37、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(xiě)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(guò)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(dòng)電流檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電流，然后通過(guò)運(yùn)放將檢測(cè)到的信號(hào)放大，最后將放大后的信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804處理后送給單片機(jī)。</p&g

38、t;<p>　　獨(dú)立按鍵作為一個(gè)外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，通過(guò)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(xún)相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成了對(duì)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(jiǎn)單的但有條理的描述了系統(tǒng)

39、的各個(gè)部分的組成以及其對(duì)應(yīng)的基本功能。通過(guò)這一章的內(nèi)容，我們能對(duì)本設(shè)計(jì)有一個(gè)簡(jiǎn)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>　　3.2　單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　3.2.1　AT89S51簡(jiǎn)介</p><p>　　AT89S51是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbyt

40、es 的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)器既可在線(xiàn)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>　　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

41、</p><p>　　·4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲(chǔ)器 </p><p>　　·1000 次擦寫(xiě)周期 </p><p>　　·5.0－5.5V 的工作電壓范圍 </p><p>　　·全靜態(tài)工作模式：0Hz－50MHz </p><p><b>　

42、　·三級(jí)程序加密鎖 </b></p><p>　　·128×8 字節(jié)內(nèi)部RAM </p><p>　　·32 個(gè)可編程I／O口線(xiàn) </p><p>　　·2 個(gè)16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 </p><p><b>　　·6 個(gè)中斷源 </b></p&

43、gt;<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(mén)狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 </p><p>　　·掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性 </p><p&g

44、t;　　·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP 字節(jié)或頁(yè)寫(xiě)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(chǔ)器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I ／O 口線(xiàn)，看門(mén)狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè)5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩

45、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(gè)硬件復(fù)位。</p><p><b>　　3、引腳功能說(shuō)明</b></p><p>　　圖3.2　 AT89S5

46、1</p><p>　　該設(shè)計(jì)使用到的單片機(jī)芯片對(duì)應(yīng)管腳名稱(chēng)位置等如圖3.2的引腳功能圖詳細(xì)說(shuō)明。</p><p><b>　　·VCC：電源電壓</b></p><p><b>　　·GND：地</b></p><p>　　·P0 口：P 0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向

47、I／0口，也即地址／數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8 個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，在訪(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）。</p><p>　　·P1 口：Pl 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向

48、I ／O 口，Pl 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“l(fā)”，通過(guò)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(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 （IIL ）。</p><p>　　·P2 口：P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I ／O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1

49、”，通過(guò)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(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 （IIL ）。在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fǎng)問(wèn)8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX@Ri 指令）時(shí)，P2 口線(xiàn)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(gè)訪(fǎng)問(wèn)期間不改變。Flas

50、h 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2 亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。</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(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)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(xiàn)外，更重要的用途是它的第二功能，如下

51、表所示： P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。具體功能如表3.1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(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(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(kāi)或關(guān)閉該功能。DIS

52、RT0 位缺 為RESET 輸出高電平打開(kāi)狀態(tài)。</p><p>　　·ALE ／PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1 ／6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE 脈沖。對(duì)F1ash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編

53、程脈沖 （PROG）。如 必要，可通過(guò)對(duì)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(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)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(wú)效。</p><p>　　·PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期

54、兩次PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒(méi)有兩次有效的PSEN信號(hào)。</p><p>　　·EA ／VPP：外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使CPU 僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)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LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA 端狀態(tài)。</p><p>　　如EA 端為高電平（接Vcc 端），CP

55、U則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。</p><p>　　F1ash 存儲(chǔ)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>　　·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　·存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) ：MCS-51

56、單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開(kāi)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(chǔ)器 ：如果EA引腳接地（GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。在AT89S51，假如EA 接至Vcc（電源+），程序首先執(zhí)行地址從0000H－0FFFH （4KB）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，再執(zhí)行地址為1000H－FFFFH （60KB）的外部程序存儲(chǔ)器。</p><p&g

57、t;　　·數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fǎng)問(wèn)，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(gè)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(gè)放大器與作為反饋元件的片外

58、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(duì)外接電容Cl、C2 雖然沒(méi) 十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)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。</

59、p><p>　　用戶(hù)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(hào)是通過(guò)一個(gè)2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒(méi)有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)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(chǔ)器的并行編

60、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(chǔ)陣列。編程方法可通過(guò)傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓（+12V）和協(xié)調(diào)的控制信號(hào)進(jìn)行編程。</p><p>　　AT89S51的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。 </p><p><b>　　編程方法：</b></p><p>　　編程前，須設(shè)

61、置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)，AT89S51 編程方法如下： </p><p>　　1．在地址線(xiàn)上加上要編程單元的地址信號(hào)。</p><p>　　2．在數(shù)據(jù)線(xiàn)上加上要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)。</p><p>　　3．激活相應(yīng)的控制信號(hào)。</p><p>　　4．將EA ／Vpp 端加上+12V 編程電壓。</p><p>　　5．

62、每對(duì)Flash 存儲(chǔ)陣列寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)或每寫(xiě)入一個(gè)程序加密位，加上一個(gè)ALE ／PROG編程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫(xiě)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(xiě)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><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)

63、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(xiàn)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 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)

64、動(dòng)芯片L298的工作，以及ADC0804芯片的編程的讀寫(xiě)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(pán)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。</p><p>　　3.3　串口通信模塊</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用串口通信，來(lái)

65、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)碼管顯示的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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

66、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(yáng)數(shù)碼管簡(jiǎn)介</p><p>　　四位共陽(yáng)數(shù)碼管的管腳分配如下圖3.5所示：</p><p>

67、;　　圖3.5　四位共陽(yáng)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(gè)腳為1腳，從1腳開(kāi)始，按照逆時(shí)針?lè)较蚺帕幸来问?腳到12腳，其中12、9、8、6為公共角，為位選信號(hào)輸入端。剩余的八個(gè)腳是段選信號(hào)輸入端，其對(duì)應(yīng)方式是A-11、B-7、C-4、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

68、選位選情況，我們才能通過(guò)編程對(duì)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(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，下面我們對(duì)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示作一詳細(xì)介紹。</p><p>　　數(shù)碼管動(dòng)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(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個(gè)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

69、/O線(xiàn)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(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)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(kāi)，該位元就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。</p><p>　　通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)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(jué)暫留現(xiàn)象

70、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(huì)有閃爍感，動(dòng)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>　　3.4.2　共陽(yáng)數(shù)碼管電路圖</p><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(jiǎn)介資料選用了P 0口作為其控制端

71、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(dòng)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(dòng)技術(shù)的基本類(lèi)型，考慮要硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的方法

72、會(huì)電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，而且采用多個(gè)元器件搭接，成本高。而直接采用集成的驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的核心部件。</p><p>　　3.5.1　L298簡(jiǎn)介</p><p>　　L298N為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種

73、二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)：TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)。</p><p>　　L298N 之接腳如圖 3.7所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測(cè)用電阻連接來(lái)控制負(fù)載的電路； OUTl、OUT

74、2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)；input1~input4 輸入控制電位來(lái)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：</b></p><p>　　1、1；15腳（Sense A；Sense B）：電流檢測(cè)端，分別為兩個(gè)H橋的電流反

75、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><p>　　4、5；7腳（Input 1； Input）：1A1、1A2輸入端，TTL 電平兼容；</p><p>　　5、

76、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。此引腳必須與地連接100nF電容器；</p><p>　　8、10；12腳（Input3；Input4）：2A1，2A2輸入端，TTL電平兼容；

77、</p><p>　　9、13；14腳（Out3；Out4）：2Y1、2Y2 輸出端，監(jiān)測(cè)引腳15；</p><p>　　3.5.2　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖3.8所示，本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是由驅(qū)動(dòng)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(gè)插座，分別與步進(jìn)電機(jī)的四根線(xiàn)相連。而5、6、7、

78、10、11、12腳就依次與單片機(jī)的P1口的六個(gè)管腳相連。通過(guò)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(gè)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(dòng)勢(shì)損壞芯片。由于本設(shè)計(jì)使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片的電壓改變，那么這個(gè)參考電壓也隨之一起改變。</p>

79、;<p>　　圖3.8　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>　　3.6　驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片電流檢測(cè)模塊的實(shí)際應(yīng)用意義在于，檢測(cè)流過(guò)電機(jī)的電流值并及時(shí)顯示，對(duì)于防止電機(jī)過(guò)流而損壞電機(jī)有一定的意義。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(cè)電阻連接來(lái)偵測(cè)電機(jī)正常工作的情況下的工作電流。一般檢測(cè)電流的方法

80、是通過(guò)檢測(cè)電壓值，然后通過(guò)歐姆定律換算電流值的方法測(cè)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(cè)電阻都是1歐姆或0.1歐姆，這樣換算來(lái)檢測(cè)到的電壓值一般是在mV級(jí)，這樣以來(lái)，要是直接將檢測(cè)到的電壓值送給ADC0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換那么由于精度的原因勢(shì)必會(huì)對(duì)檢測(cè)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(cè)到的電流值經(jīng)過(guò)OP07作放大處理后再將信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換

81、芯片處理這樣保證了檢測(cè)值的可靠性。ADC0804輸出的數(shù)字信號(hào)再送給單片機(jī)的P 3口，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后最后將檢測(cè)到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。而在顯示這一部分有這樣一個(gè)問(wèn)題，就是步進(jìn)電機(jī)的工作電流不是一個(gè)恒定值，它是隨著時(shí)間的變化，會(huì)在一個(gè)小范圍內(nèi)不停的波動(dòng)為了使顯示出來(lái)的電流數(shù)據(jù)更可靠，</p><p>　　圖3.9 電流檢測(cè)框圖</p><p>　　3.6.1　OP07芯片簡(jiǎn)介<

82、;/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(duì)于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得O

83、P07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)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：1.8nA</p><p>　　低失調(diào)電壓漂移：0.5μV/℃</p><p>　　超穩(wěn)定時(shí)間：2μV/m

84、onth最大</p><p>　　高電源電壓范圍： ±16V至±30V</p><p>　　3、芯片引腳功能說(shuō)明</p><p>　　1腳和8腳：是偏置平衡（調(diào)零端）</p><p><b>　　2腳：為反相輸入端</b></p><p><b>　　3腳：為同向輸入

85、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></p><p>　　其引腳圖如圖3.10</p><p>　　圖3.10　OP07芯片及管腳圖

86、</p><p>　　3.6.2　ADC0804芯片簡(jiǎn)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：135 ms</p><p>　　(3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間：100 ms</p><p>　　(4) 總誤差

87、：-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) 參考電壓：2.5V</p><p>　　(8) 工作電壓：5V</p><p>　　1、芯片引腳功能及說(shuō)

88、明</p><p>　　接腳說(shuō)明見(jiàn)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3.11　ADC0804芯片及管腳圖</p><p>　　(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(huì)

89、active。</p><p>　　(2). PIN2 ( RD )：Read。當(dāng)CS 、RD皆為低位準(zhǔn)(low)時(shí)，ADC0804會(huì)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字訊號(hào)經(jīng)由DB7 ~ DB0 輸出至其它處理單元。</p><p>　　(3). PIN3 (WR )：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換的控制訊號(hào)。當(dāng)CS 、WR 皆為低位準(zhǔn)(low) 時(shí)ADC0804 做清除的動(dòng)作，系統(tǒng)重置。當(dāng)WR由0→1且CS ＝0 時(shí)，ADC08

90、04會(huì)開(kāi)始轉(zhuǎn)換信號(hào)，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(hào)頻率范圍為100 kHz 至800 kHz。而頻率輸出頻率最大值無(wú)法大于640KHz，一般可選用外部或內(nèi)部來(lái)提供頻率。若在CLKR及CLK IN加上電阻R及電容C，則可產(chǎn)生ADC工作所需的時(shí)序，其頻率約為(1.1RC)</p

91、><p>　　(5). PIN5 ( INTR )：中斷請(qǐng)求。轉(zhuǎn)換期間為高位準(zhǔn)(high)，等到轉(zhuǎn)換完畢時(shí)INTR 會(huì)變?yōu)榈臀粶?zhǔn)(low)告知其它的處理單元已轉(zhuǎn)換完成，可讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。</p><p>　　(6). PIN6、PIN7 (VIN(+)、VIN(-))：差動(dòng)模擬訊號(hào)的輸入端。輸入電壓VIN＝VIN(+) －VIN(-)，通常使用單端輸入，而將VIN(-)接地。</p>

92、<p>　　(7). PIN8 (A GND):模擬電壓的接地端。</p><p>　　(8). PIN9 (VREF/2):輔助參考電壓輸入端</p><p>　　2、ADC0804工作原理</p><p>　　ADC0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式（Successive Approximation Method）的A/D轉(zhuǎn)換器，這類(lèi)型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換

93、速度快（幾十至幾百u(mài)s）、分辨率高外，還有價(jià)錢(qián)便宜的優(yōu)點(diǎn)，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計(jì)上。</p><p>　　以輸出8位的ADC0804動(dòng)作來(lái)說(shuō)明“連續(xù)漸進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器”的轉(zhuǎn)換原理，動(dòng)作步驟如下表示（原則上先從左側(cè)最高位尋找起）。</p><p>　　第一次尋找結(jié)果：10000000 （假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）</p><p>　　第二次尋找結(jié)果：

94、11000000 （假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）</p><p>　　第三次尋找結(jié)果：11000000 （假設(shè)值>輸入值，則尋找位＝該假設(shè)位＝0）</p><p>　　第四次尋找結(jié)果：11010000 （假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）</p><p>　　第五次尋找結(jié)果：11010000 （假設(shè)值>輸入值，則尋找位＝該假設(shè)位＝0）<

95、;/p><p>　　第六次尋找結(jié)果：11010100 （假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）</p><p>　　第七次尋找結(jié)果：11010110 （假設(shè)值≤輸入值，則尋找位＝假設(shè)位＝1）</p><p>　　第八次尋找結(jié)果：11010110 （假設(shè)值>輸入值，則尋找位＝該假設(shè)位＝0）</p><p>　　這樣使用二分法的尋找方式，8位的

96、A/D轉(zhuǎn)換器只要8次尋找，12位的A/D轉(zhuǎn)換器只要12次尋找，就能完成轉(zhuǎn)換的動(dòng)作，其中的輸入值代表圖4..10的模擬輸入電壓Vin。</p><p>　　對(duì)8位ADC0804而言，它的輸出準(zhǔn)位共有28＝256種，即它的分辨率是1/256，假設(shè)輸入信號(hào)Vin為0～5V電壓范圍，則它最小輸出電壓是5V/256＝0.01953V，這代表ADC0804所能轉(zhuǎn)換的最小電壓值。</p><p>　　4

97、、分辨率與內(nèi)部轉(zhuǎn)換頻率的計(jì)算</p><p>　　對(duì)8位ADC0804而言，它的輸出準(zhǔn)位共有28＝256種，即它的分辨率是1/256，假設(shè)輸入信號(hào)Vin為0～5V電壓范圍，則它最小輸出電壓是5V/256＝0.01953V，這代表ADC0804所能轉(zhuǎn)換的最小電壓值。表3.2列出的是8～12位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和最小電壓轉(zhuǎn)換值。</p><p>　　表3.2　A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和最小電壓值

98、</p><p>　　圖3.12是ADC0804與CPLD&FPGA、8051單片機(jī)等典型連接圖至于內(nèi)部的轉(zhuǎn)換頻率fCK，是由圖3.12的CLKR（19腳）、CLK IN（4腳）所連接的R（）、C()值來(lái)決定。</p><p>　　圖3.12　ADC0804與CPLD&FPGA、8051單片機(jī)等典型連接圖</p><p>　　頻率計(jì)算方式是：fCK

99、＝1/(1.1×R×C)</p><p>　　若以上圖的R＝10KΩ、C＝150PF為例，則內(nèi)部的轉(zhuǎn)換頻率是fCK＝1/（1.1×10 KΩ×150PF）＝606KHz</p><p>　　更換不同的R、C值，會(huì)有不同的轉(zhuǎn)換頻率，而且頻率愈高代表速度愈快。但是需要注意R、C的組合，務(wù)必使頻率范圍是在100KHz～1460KHz之間。</p>

100、;<p>　　3.6.3　電流檢測(cè)模塊電路圖</p><p>　　如圖3.13所示，OP07的3腳是反向輸入端，4腳是同向輸入端，6腳輸出端。按照如圖所示的接法及對(duì)應(yīng)電阻值的大小，我們很容易知道，此連接后的電壓放大倍數(shù)是80倍，且為同向放大。</p><p>　　OP07放大的信號(hào)來(lái)源是L298的1腳測(cè)電流的小電阻分出來(lái)的電壓，然后經(jīng)OP07放大之后的信號(hào)送給0804處理。&

101、lt;/p><p>　　圖3.13　電流檢測(cè)模塊電路圖</p><p>　　第4章　系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化、延時(shí)子程序、按鍵響應(yīng)程序，數(shù)碼管顯示程序，讀ADC0804子程序及控制脈沖輸出幾部分，事實(shí)上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對(duì)于整體設(shè)計(jì)都是非常重要，單片機(jī)AT89S51通過(guò)軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來(lái)，軟件

102、設(shè)計(jì)的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。</p><p>　　程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，即從主體遂逐步細(xì)分到每一個(gè)模塊的流程。在流程圖中把設(shè)計(jì)者的控制過(guò)程梳理清楚。具體程序的講解將在本章各節(jié)做詳細(xì)講解。</p><p>　　4.1　系統(tǒng)軟件主流程圖</p><p>　　當(dāng)給系統(tǒng)供電以后，通過(guò)單片機(jī)復(fù)位電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化以后，便開(kāi)始執(zhí)行按鍵查

103、詢(xún)等待相應(yīng)的操作，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應(yīng)的子程序，其具體的主流程圖4.1如下所示：</p><p><b>　　圖4.1　主程序圖</b></p><p>　　4.2　系統(tǒng)初始化流程圖</p><p>　　對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)上電默認(rèn)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，包括兩相四拍的工作方式，初始速度檔位是30轉(zhuǎn)/分，系統(tǒng)中斷設(shè)定，定

104、時(shí)器設(shè)定，載入定時(shí)器初值和默認(rèn)的工作參數(shù)等，具體流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2　系統(tǒng)初始化流程圖</p><p><b>　　4.3　按鍵子程序</b></p><p>　　1、延時(shí)子程序：在本延時(shí)子程序當(dāng)中每調(diào)用一次延時(shí)子程序延時(shí)1毫秒。</p><p>　　2、按鍵響應(yīng)子函數(shù)：在本設(shè)計(jì)當(dāng)中按鍵的

105、一端接地，另一端接單片機(jī)的對(duì)應(yīng)端口，所以當(dāng)按鍵按下，既是將單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口電平拉低。所以在編程的時(shí)候判斷按鍵按下是低電平有效。圖4.3畫(huà)出的是電機(jī)增速和減速的子程序框圖。</p><p>　　圖4.3　增速減速子程序</p><p>　　3、讀ADC0804和模式切換程序框圖如下圖4.4所示，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中我的模式切換按鍵只有一個(gè)，負(fù)責(zé)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，電流控制和電機(jī)啟動(dòng)和停止控制。由于編程的

106、時(shí)候設(shè)置的系統(tǒng)工作的默認(rèn)狀態(tài)是正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/分。所以通過(guò)連續(xù)按模式切換鍵依次實(shí)現(xiàn)的功能是電機(jī)反轉(zhuǎn)并顯示轉(zhuǎn)速，顯示電機(jī)電流，系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)正轉(zhuǎn)并顯示轉(zhuǎn)速依次切換。編程控制ADC0804工作就主要是負(fù)責(zé)讀和寫(xiě)端口的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　圖4.4　讀ADC0804子程序及模式切換子程序</p><p><b>　　4、4 源程序代碼</b></p

107、><p>　　#include <AT89X51.h></p><p>　　static unsigned int count; //計(jì)數(shù)static int step_index; //步進(jìn)索引數(shù)，值為0－7</p><p>　　static bit turn; //步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向static bit stop_flag; //步進(jìn)電機(jī)停止標(biāo)

108、志static int speedlevel; //步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，數(shù)值越大速度越慢，最小值為1，速度最快static int spcount; //步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)計(jì)數(shù)void delay(unsigned int endcount); //延時(shí)函數(shù)，延時(shí)為endcount*0.5毫秒void gorun(); //步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)函數(shù)</p><p>　　void main

109、(void) { count = 0; step_index = 0; spcount = 0; stop_flag = 0;</p><p>　　P1_0 = 0; P1_1 = 0; P1_2 = 0; P1_3 = 0;</p><p>　　EA = 1; //允許CPU中斷 TMOD = 0x11; //設(shè)定時(shí)器0和1為1

110、6位模式1 ET0 = 1; //定時(shí)器0中斷允許</p><p>　　TH0 = 0xFE; TL0 = 0x0C; //設(shè)定時(shí)每隔0.5ms中斷一次 TR0 = 1; //開(kāi)始計(jì)數(shù)</p><p><b>　　turn = 0;</b></p><p>　　speedlevel = 2;

111、 delay(10000); speedlevel = 1; do{ speedlevel = 2; delay(10000); speedlevel = 1; delay(10000); stop_flag=1; delay(10000); stop_flag=0;</p><p>　　Turn=!turn; }while(1);</