畢業(yè)設計（論文）基于AT89C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計與實現

1、摘要步進電機是一種將輸入的電脈沖信號變換為階躍性角位移或直線位移的電機,既給一個脈沖信號,電機就轉動一個角度或前進一步,故而又稱為脈沖電機。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比,轉速與脈沖頻率成正比。步近電機必須與驅動器、控制器配套使用才能完成工作要求。本設計既有硬件電路設計，也包括軟件電路設計。其中硬件電路設計主要有鍵盤電路，串行顯示電路，驅動電路等。軟件設計主要有主程序，鍵盤掃描子程序，串行顯示子程序和延時子程序等。硬件設計采用57byg350a型號的步進電機，與其配套的驅動器型號為ms-3h057m系列驅動器。采用at89s51單片機對步進電機進行控制，通過44矩陣鍵盤對步進電機的狀態(tài)進行

2、控制，采用led數碼管來顯示步進電機的運行步數和運行速度。關鍵字：步進電機，at89c51，硬件接口電路，軟件模塊abstracttread into the electrical engineering(the stepping motors) is a kind of electricity pulse signal transformation that will input to jumps sex cape move or the straight line to move for the rank of electrical engineering, since give a pu

3、lse signal, the electrical engineering turns to move an angle or fronts further, hence be called the pulse electrical engineering again.its outputs cape move with the importation of pulse the number becomes the direct proportion, turning to become the direct proportion with the pulse frequency soon.

4、tread the near electrical engineering must then can complete the work request with actuator, the controller kit usage.the design of both hardware circuit design, including software design. one major hardware circuit design circuit has a keyboard, serial show circuit, the driver circuit. software des

5、ign main main program, keyboard scanning routines, serial display routines and routines, and so delayed. 57 byg350a hardware design using models of stepping motor, instead of supporting the drive models for ms-3h057m series drives. at89s51 microcontroller used to stepping motor control, through the

6、4 4 matrix keyboard on the status of stepping motor control, the use of led digital display of the stepping motor running steps and speed.keyword: stepping motor，at89s51, hardware circuit, software module1 緒論1.1 課題背景步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的機電執(zhí)行元件，每外加一個控制脈沖,電機就運行一步故稱為步進電機或脈沖馬達。通俗一點講:當步進電機接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機

7、按設定的方向轉動一個固定的角度(步進角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。 步進電機具有轉子慣量底，定位精度高，無累積誤差，控制簡單等特點。實際操作時不受電源電壓，負載，環(huán)境，溫度的影響能夠實現快速啟動、制動和反轉。步進電機可以對旋轉角度和轉動速度進行高精度控制步進電機作為控制執(zhí)行元件,是機電一體化的關鍵產品之一,廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領域。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展,步進電機的需求量與日俱增,在各個國民經濟領域都有應用。隨著數字技術和計算機的發(fā)展，研究步進電機驅動電路，使

8、步進電機的控制更加簡便，靈活和智能化，使其應用更加廣泛 步進電動機的發(fā)展方向主要有如下三點:(1)進一步完善和擴展驅動和控制功能。如采用svpwm技術，采用電子齒輪比技術，擴展通訊網絡功能等。(2)高功率密度的步進電動機系統(tǒng)。(3)閉環(huán)控制步進電動機系統(tǒng)。為了徹底克服步進電動機系統(tǒng)一些根本性的弱點，如振蕩的傾向及失步等，可改為閉環(huán)系統(tǒng)，但這種改變的步進電動機系統(tǒng)已起了質的變化，不再是本來意義上的步進電動機，而成為無刷直流電動機(bldcm)，或交流伺服電機(ac servo）。1.2 主要研究工作硬件設計方面：通過單片機實驗加深對步進電機的驅動電源和電機工作情況了解，測定并研究其在單步運行狀態(tài)

9、，角位移和脈沖數關系，平均轉速和脈沖頻率關系。觀察轉子振蕩狀態(tài)，并且掌握步進電機的基本特性和指標。根據功能需要選擇電路元器件和型號，設計電路并能解決現實抗干擾問題。畫出電路原理圖，進行電子自動化設計，做出pcb圖。軟件設計方面：通過高效率的匯編語言編寫核心模塊對步進電機進行控制。最終設計出一個單片機控制步進電機電路，能夠調節(jié)步進電機的轉向和速度。由于轉速是通過調節(jié)脈沖頻率實現的，該設計脈沖分配采用完全軟件方式，既按照給定的通電換向順序，通過單片機i/o口向驅動電路發(fā)出控制脈沖，避免采用復雜脈沖分配器芯片，實現單片機直接控制步進電機。在現實操作中解決堵轉和啟動失步等問題。設計采用tkscm1-型

10、實驗模板及偉福仿真器進行仿真。2 單片機基礎知識2.1單片機選擇2.1.1單片機選擇依據第一，價格因素?？紤]到該控制器設計的適用性，因此價格問題尤為重要，要選擇一個性價比較高的單片機，包括單片機的單片價格和開發(fā)系統(tǒng)的造價。 第二，性能因素。at89s51單片機機內部資源豐富、具有在線編程（串行下載目標程序）等功能，軟硬件調試方便，通過對該系統(tǒng)分析，8位單片機可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求。第三，安全因素。電子產品的安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機的安全性必須達到系統(tǒng)要求。2.1.2 at89s51單片機的優(yōu)點（1）內部含flash存儲器： 在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進行程

11、序的修改，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。（2）和 80s51 插座兼容： 該機型通用性好，能夠利用現成的 51 系列的開發(fā)系統(tǒng)，不需另外重新建立新的開發(fā)系統(tǒng)，這樣可節(jié)約開發(fā)成本。（3）靜態(tài)時鐘方式： at89s51 單片機采用靜態(tài)時鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對于降低成品的功耗十分有用。（4）錯誤編程亦無廢品產生： 一般的 otp 產品一旦錯誤編程就成了廢品，而at89s51 單片機內部采用了 flash 存儲器，所以錯誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。（5）可進行反復系統(tǒng)試驗： 用 at89s51 單片機設計的系統(tǒng)可以反復進行系統(tǒng)試驗，每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證

12、用戶的系統(tǒng)設計達到最優(yōu)，而且隨用戶的需要和發(fā)展還可以進行修改，使系統(tǒng)能不斷追隨用戶的最新要求。由于該機型具有上述優(yōu)點，并且有現成的開發(fā)系統(tǒng)，不需購置新的開發(fā)系統(tǒng)，可節(jié)約開發(fā)成本，所以選擇 at89s51 單片機。2.2 單片機應用發(fā)展簡介單片微型計算機（single chip microcomputer)簡稱單片機，是在一塊芯片體上集成了中央處理器cpu、隨機存儲器ram或eprom、定時器/計數器、中斷控制器以及串行和并行i/o接口等部件，構成的一個完整的微型計算機。 自1971年intel公司制造出第一塊4位微處理器以來，發(fā)展十分迅猛，經歷了4位機、低檔8位機、高檔8位機、16位機及最新一

13、代的單片機。最新一代單片機在結構上采用雙cpu或內部流水線，cpu有8位、16位、32位，時鐘頻率高達20hz，片內有pwm輸出、監(jiān)視定時器wdt、可編程計數器陣列pca、dma傳輸、調制解調器等。芯片向高集成化，低功耗方向發(fā)展，使得單片機在大量數據的及時處理、高級通信系統(tǒng)、數字信號處理、復雜工業(yè)過程控制、高級機器人以及局域網等方面得到大量應用。 單片機具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強及運算速度快等特點，故在國民經濟建設、軍事及家用電器等領域有廣泛的應用。按照單片機特點，單片機可分為單機應用和多機應用。單機應用主要領域有（1）測控系統(tǒng)。用單片機構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應系統(tǒng)、

14、數據采集系統(tǒng)等。如溫室人工氣候控制、水閥自動控制、電鍍生產線自動控制、汽輪機電液調節(jié)系統(tǒng)等。（2）智能儀表。用單片機改造原有的測量、控制儀表，能促進儀表向數字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。如溫度、壓力、流量、濃度的測量、顯示及儀表控制。通過單片機軟件編程，是測量儀表中長期存在的誤差修正、線形化處理等難題迎刃而解。（3）機電一體化產品。如簡易數控機床、醫(yī)療器械等。（4）智能接口。在大型工控系統(tǒng)中，普遍采用單片機進行接口的控制與管理，這個因為單片機與主機是并行工作的，可大大提高系統(tǒng)運行速度。如大型數據采集系統(tǒng)中，用單片機對adc接口進行控制不僅可提高采集速度還可對數據進行預處理。如數字

15、濾波、線形化、誤差修正等。多機應用主要在功能集散系統(tǒng)、并行多控制系統(tǒng)、局部網絡系統(tǒng)。（1）功能集散系統(tǒng)。多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設置的多機系統(tǒng)。如一個加工中心的計算機系統(tǒng)除完成機床加工運行控制外，還要控制對刀系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅動等機構。（2）并行多控制系統(tǒng)。并行多控制系統(tǒng)主要解決工程應用系統(tǒng)的加速問題，以便構成大型實時工程應用系統(tǒng)。典型的有快速并行數據采集、處理系統(tǒng)、實時圖象處理系統(tǒng)等。（3）局部網絡系統(tǒng)。單片機網絡系統(tǒng)的出現，使單片機的應用進入了一個新的水平。目前該網絡系統(tǒng)主要是分布式測控系統(tǒng)，單片機主要用語系統(tǒng)中的通信控制，以及構成各種測

16、控子級系統(tǒng)。2.3 at89s51單片機外部引腳說明 mcs-51單片機芯片均有40個引腳。在40條引腳中有兩條專用于主電源的引腳，兩條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復用的引腳,32條i/o引腳。單片機管腳圖如圖2.1。圖2.1 msc-51單片機的管腳圖下面分別敘述這40條引腳的功能(1) 主電源引腳vcc和vssgnd（20腳）接地；vcc（40腳）接5v電源(2) 外接晶體引腳xtal1和xtal2xtal1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器，當采用外部振蕩器時，此引腳應接地。xtal2（18腳）接外部晶體的另一端，

17、在單片機內部接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內部時鐘發(fā)生器的輸入端。(3) 控制信號或與其它電源復用引腳rst（9腳）：當振蕩器運行時，在此引腳上出現兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦此引腳與vss引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與vcc引腳之間連接一個約10mf的電容，以保證可靠的復位。vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內部ram的數據，當vcc下降到低于規(guī)定的值，而rst在其規(guī)定的電壓范圍（50.5v）內時，rst就向內部ram提供備用電源。ale/prog（30腳）：當訪問外部存儲器時，ale（允許地址

18、鎖存）的輸出用于所存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale端仍以不變的頻率周期地出現正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6，因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時。然而要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時，將跳過一個ale脈沖。ale端可以驅動（吸收或輸出電流）8個ttl輸出。對于eprpm型單片機（如8751），在eprom編程期間，此引腳用來輸入編程脈沖（prog）。psen（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在由外部程序存儲器取指令（或常數）期間，每個機器周期psen兩次有效。但在次期間，每當訪問外部數據存儲器時（即從程序存儲器取來的指令是movx類指令），過兩次

19、有效的psen信號將不出現。psen可以驅動（吸收或輸出電流）8個lsttl。ea/vpp（31腳）：當ea端保持高電平時，訪問程序存儲器，但在pc（程序計數器）值超過0ffffh時（對于8051、8751來說），將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。當ea端保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內部程序存儲器。對于8031來說，無內部程序存儲器所以該腳必須接地，這樣只能選擇外部程序存儲器。對于eprom型單片機，在eprom編程期間，此引腳用于施加21伏的編程電源（vpp）。(4) 輸入/輸出（i/o）引腳p0口，p1口，p2口，p3口p0口：雙向8位三態(tài)i/o口，與地址總線（低8

20、位）及數據總線復用。p1口：8位準雙向i/o口。p2口：8位準雙向i/o口，與地址總線（高8位）復用。p3口：8位準雙向i/o口，復用雙功能口。作為第一功能使用時，即作為普通i/o口用，功能和操作方法與p1口相同。值得強調的是，p3口的每一位均可獨立地定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。3步進電機基礎知識3.1 步進電機的選擇步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。(1)步距角的選擇:電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。

21、目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。(2) 靜力矩的選擇: 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。（3）電流的選擇：靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特

22、性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）。綜上所述本系統(tǒng)設計采用57byg350a型號的步進電機。因一般的步進電機都配有固定型號的驅動器，57byg350a型號的步進電機與其配套的驅動器型號為ms-3h057m系列驅動器，所以本系統(tǒng)驅動器的選擇不再另作選擇。3.2 步進電機工作原理步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制?，F在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。其中反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組,利用磁導的變化產生轉矩?，F階段,感應子式步進電機獲得較多的應用。

23、感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，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，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 各種步進電機工作原理都大同小異，因為反應式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應式步進電機原理。 (1)結構： 電機轉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子齒軸線錯開。 0、1/3、2/3,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以表示），即a與齒1相對齊，b與齒2向右錯開1/3

24、，c與齒3向右錯開2/3，a與齒5相對齊，（a就是a，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：圖3.1 定轉子展開圖 (1)旋轉： 如a相通電，b，c相不通電時，由于磁場作用，齒1與a對齊，（轉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，此時轉子向右移過1/3，此時齒3與c偏移為1/3，齒4與a偏移（-1/3）=2/3。 如c相通電，a，b相不通電，齒3應與c對齊，此時轉子又向右移過1/3，此時齒4與a偏移為1/3對齊。 如a相通電，b，c相不通電，齒4與a對齊，轉子又向右移過1/3 這樣經過a、b、c、a分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到a相，電機轉子向右轉過一個

25、齒距，如果不斷地按a，b，c，a通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉。如按a，c，b，a通電，電機就反轉。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用a-ab-b-bcc-ca-a這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細分驅動的基本理論依據。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制這是步進電機旋轉的物理

26、條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 (3)力矩： 電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量）當轉子與定子錯開一定角度產生力f與（d/d）成正比。其磁通量=brs。br為磁密，s為導磁面積，f與ldbr成正比， l為鐵芯有效長度，d為轉子直徑。br=ni/r，ni為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）r為磁阻。力矩=力半徑。力矩與電機有效體積安匝數磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。圖 3.2 磁通量與受力圖3.3步進電機各指標和參數步進電機的指標和

27、參數通常分為靜態(tài)指標術語和動態(tài)指標術語。 （1）步進電機的靜態(tài)指標術語。 相數：產生不同對極 n s 磁場的激磁線圈對數。常用m表示。 拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍運行方式即a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a. 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表示。=360 度（轉子齒數 j 運行拍數），以常規(guī)二、四相，轉子齒為 50 齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（504）=1.8 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（508

28、） =0.9 度（俗稱半步）。 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 （2）步進電機動態(tài)指標及術語： 步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在

29、 15%以內。 失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數，稱之為失步。在步進電機的運行過程中，將可能出現失步，其失步原因有兩種 ： (1)轉子的加速度慢于步進電機的旋轉磁場，也就是低于換相速度而產生的。這是因為輸入電機的電能不足，在步進電機中產生的同步力矩無法使轉子速度跟隨定子磁場的旋轉，從而引起失步。 (2)轉子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉速度，這時定子通電勵磁的時間較長，大于轉子步進一步所需要的時間，則轉子在步進過程中獲得過多的能量，從而產生前沖和后沖的擺動振蕩，當振蕩足夠嚴重時就會導致失步。 失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用

30、細分驅動是不能解決的。 最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如圖3.3所示：圖 3.3 步進電機運行矩

31、頻特性圖電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。電機正反轉控制：當電機繞組通電時序為ab-bc-cd-da時為正轉，通電時序為da-ca-bc-ab時為反轉。4系統(tǒng)硬件設計4.1 系統(tǒng)硬件結構框圖計算機的硬件和軟件是相互結合而工作的，有些任務必須由硬件來實現，另外有些任務必須由軟件來實現。但是也有一些任務可以由軟

32、件來完成，也可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設計程序，且實時性好。反之，加重軟件任務，會增加編程調試工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排軟、硬件的結構。系統(tǒng)的硬件框圖如圖4.1所示。由于本微機控制系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，利用單片機構成系統(tǒng)應從元件級進行系統(tǒng)設計，根據任務需要，選擇合理的單片機并配置必須的接口和外圍設備來構成系統(tǒng)。本設計主要有控制器、鍵盤、數碼管顯示、步進電機及其驅動器構成。其中控制器采用at89s51單片機，步進電機及其驅動器配套使用，本文采用57byg350a型號的步進電機，與其配套的驅動器型號為ms-3h057m系列驅動器。框圖中人機對話部分

33、包括鍵盤和數碼管顯示。其中鍵盤用來設置初始值和控制步進電機的正反轉運行，加速運行，減速運行等一些基本功能。因本設計采用二維步進電機，每8個按鍵控制一維步進電機，共用到16個按鍵，考慮到i/o口個數問題，本設計采用44矩陣鍵盤。數碼管用來顯示步進電機的運行步數和運行速度，以方便步進電機在工作中我們能直接觀察到步進電機的運行狀態(tài)。運行參數 鍵盤設定運行結果 數碼管顯示單片機電機驅動器步進電機圖4.1 系統(tǒng)硬件框圖4.2 單片機最小系統(tǒng) 一般情況下，單片機結合簡單的接口電路就可以構成單片機的最小系統(tǒng)。一般包括單片機復位電路、時鐘電路、鍵盤電路、顯示電路等。鍵盤電路和顯示電路在下文單獨介紹，在單片機最

34、小系統(tǒng)里就不再另做介紹。下面介紹一下單片機的復位電路和時鐘電路。4.2.1 單片機復位電路單片機的復位操作有上電自動復位、按鍵電平復位和外部脈沖復位三種，本設計采用按鍵電平復位電路,如圖4.2所示。按鍵電平復位是通過按壓鍵使復位端經電阻與vcc接通而實現的。圖4.2 單片機復位電路4.2.2 單片機時鐘電路時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號，控制著單片機的有序運行節(jié)奏，在at89s51芯片內部，有一個振蕩器電路和時鐘發(fā)生器，在引腳xtal1和xtal2之間接入晶體振蕩器和電容后構成內部的時鐘方式。設計電路如圖4.3所示。圖4.3 單片機時鐘電路4.3鍵盤電路4.3.1 矩陣式鍵盤按鍵的

35、識別當非編碼鍵盤的按鍵較多時，若采用獨立式鍵盤占用i/o口線太多，此時可采用矩陣式鍵盤，鍵盤上的鍵按行列構成矩陣，在行列的交點上都對應有一個鍵。行列方式是用m條i/o線組成行輸入口，用n條i/o線組成列輸出口，在行列線的每一個交點處，設置一個按鍵，組成一個mxn的矩陣，如圖4.4所示，矩陣鍵盤所需的連線數為行數+列數，如44的16鍵矩陣鍵盤需要8條線與單片機相連，般鍵盤的按鍵越多，這種鍵盤占i/o口線少的優(yōu)點就越明顯，因此，在單片機應用系統(tǒng)較為常見。列行圖4.4 矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤識別按鍵的方法有兩種: 一是行掃描法, 二是線反轉法。這里只說明一下第一種情況， 行掃描法：先令列線y0為低電平

36、（0），其余3根列線y1、y2、y3都為高電平，讀行線狀態(tài)。如果x0、x1、x2、x3都為高電平，則y0這一列上沒有鍵閉合，如果讀出的行線狀態(tài)不全為高電平，則為低電平的行線和y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)；如果y0這一列上沒有鍵閉合，接著使列線y1為低電平，其余列線為高電平。用同樣的方法檢查y1這一列上有無鍵閉合，依次類推，最后使列線y3為低電平，其余列線為高電平，檢查y3這一列有無鍵閉合。 為了防止雙鍵或多鍵同時按下, 往往從第 0 行一直掃描到最后 1 行, 若只發(fā)現 1 個閉合鍵, 則為有效鍵, 否則全部作廢。 找到閉合鍵后, 讀入相應的鍵值, 再轉至相應的鍵處理程序。l 關于鍵盤的抖動問題的

37、分析和解決：當用手按下一個鍵時，如圖4.5所示，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個鍵時，也回會出現類似的情況。這就是抖動。抖動的持續(xù)時間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通?？偸遣淮笥?0ms。很容易想到，抖動問題不解決就會引起對閉合鍵的識別。用軟件方法可以很容易地解決抖動問題，這就是通過延遲10ms來等待抖動消失，這之后，在讀入鍵盤碼。因此本系統(tǒng)采用軟件消抖的方法。鍵按下前沿抖動后沿抖動閉合穩(wěn)定圖4.5 鍵抖動信號波形l 鍵編碼及鍵值(1) 用鍵盤連接的i/o線的二進制組合表示鍵碼。例如用4行、4列線構成的16個鍵的鍵盤，可使用一個8位i/o口線的高、低4位口

38、線的二進制數的組合表示16個鍵的編碼，如圖所示。各鍵相應的鍵值為88h、84h、82h、81h、48h、44h、42h、41h、28h、24h、22h、21h、18h、14h、12h、11h。這種鍵值編碼軟件較為簡單直觀，但離散性大，不便安排散轉程序的入口地址。(2) 順序排列鍵編碼。如圖所示。這種方法，鍵值的形成要根據i/o線的狀態(tài)作相應處理。鍵碼可按下式形成：鍵碼=行首鍵碼+列號。4.3.2 鍵盤電路設計有關鍵盤操作的部分，可分為參數設定和執(zhí)行控制等功能操作。所謂參數設定，本系統(tǒng)在開始運行前要求設置步進電機運行的速度，轉向、運行步數等，所以要進行按鍵輸入數值以傳入參數。所謂執(zhí)行控制指步進電

39、機的啟動、停止。本系統(tǒng)采用二維電機，共十六個按鍵，如圖4.6。每八個按鍵控制一個步進電機。兩個步進電機的控制鍵功能相同，因此只介紹其中的八個按鍵。 各功能鍵具體設計如下： 設置鍵：設置步進電機的速度（包括加速和減速）。 啟動鍵：執(zhí)行該按鍵，步進電機就開始工作。 停止鍵：執(zhí)行該按鍵，步進電機就停止工作。 轉向鍵：電機正、反轉選擇。 數位鍵：預置步數的數據位設置。 數據鍵：預置步數位的數據設置。圖4.6 44矩陣鍵盤4.4 led顯示電路設計多位led顯示時，常將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位io口控制，也可采用并行擴展口構成顯示電路，通常，需要擴展器件管腳的較多，價格較高。在本測量儀中,為

40、了節(jié)約i/o口資源，采用了由max7219芯片構成的串行顯示方式。max7219是串行輸入，輸出共陰極顯示驅動電路，可直接與單片機的3條i/o線接口，特別適用于i/o口線少的系統(tǒng)，并且可以程序控制數碼管的亮度。本設計采用串行l(wèi)ed顯示驅動器max7219來進行驅動led顯示。4.4.1 串行l(wèi)ed顯示驅動器max7219max7219是美國maxim公司生產的串行接口8位led數碼管驅動器，采用cmos工藝，內部集成了數據保持、bcd譯碼、多路掃描器、段驅動器和位驅動器。每片max7219最多可同時驅動8個led數碼管、條形圖顯示器或64只發(fā)光管。max7219的主要特點如下：采用三線串行傳送

41、數據，僅用3個引腳與微處理器相應端相連即可，串行數據傳送速率高達10mhz，還可以級聯(lián)使用。內部具有8字節(jié)顯示靜態(tài)ram（稱為數字寄存器）和6個控制寄存器，可單獨尋址和更新內容。有譯碼和不譯碼兩種顯示模式。上電時所有l(wèi)ed熄滅，正常工作時通過外接電阻或編程方式調節(jié)led亮度。最大功耗為0.87w，具有150ua電流的低功耗關閉模式。max7219和led數碼管直接連接時不用外加驅動器和限流電阻，不用譯碼器、鎖存器和其他硬件電路。max7219還可以級聯(lián)使用，驅動更多的led數碼管，且不必另外占用單片機口線。下面介紹max7219的功能和使用方法。max7219是24腳雙列直插式芯片，引腳排列如

42、圖4.7。圖4.7 max7219引腳圖1) din：串行數據輸入端。在clk的上升沿，數據被裝入到內部的16位移位寄存器中。 2) dig7dig0：8位數值驅動線。輸出位選信號，從每位led顯示器公共陰極吸入電流。3) gnd：接地端。4) load：裝載數據控制端。在load的上升沿，最后送入的16位串行數據被鎖存到數據或控制寄存器中。5)dout：串行數據輸出端。進入din的數據在16.5個時鐘后送到dout端，以便在級聯(lián)時傳送到下一片max7219。6)segasegg：led七段顯示器段驅動端。7)segh：小數點驅動端。 8)vcc：+5v電源端。9)iset：led段峰值電流提

43、供端。它通過一只電阻與電源相連，以便給led段提供峰值電流。10)clk：串行時鐘輸入端。最高輸入頻率為10mhz，在clk的上升沿，數據被移入內部移位寄存器；在clk的下降沿，數據被移至dout端。 4.4.2 led顯示硬件電路max7219是串行輸入，輸出共陰極顯示驅動電路，可直接與單片機的3條i/o線接口，特別適用于i/o口線少的系統(tǒng)，并且可以程序控制數碼管的亮度。在本設計中，采用單片機串行口（p3.0和p3.1）及p0.0三條線與max7219相連接，p3.0、p3.1分別作為max7219串行數據輸入信號din和時鐘信號 clk，p0.0輸出口作為load信號。因本系統(tǒng)中共用到16

44、個led數碼管，因此用兩個max7219級聯(lián)來驅動led數碼管的顯示。本系統(tǒng)中共用到16個led數碼管，每八個數碼管顯示一個電機的一些參數。其中四位數碼管用來顯示步進電機的運行步數，另四位用來顯示步進電機的運行速度。具體硬件線路圖見圖4.8。圖4.8 max7219顯示電路圖4.5 步進電機驅動電路步進電機常用的驅動方式是全電壓驅動,即在電機移步與鎖步時都加載額定電壓，為了防止電機過流及改善驅動特性,需加限流電阻。步進電機的另一種驅動方式是高低壓驅動,即在電機移步時,加額定或超過額定值的電壓,以便在較大的電流驅動下,使電機快速移步。在現代社會，一般步進電機都有其配套的驅動器與其配套使用，本設計

45、就采用了57byg350a型號的步進電機，與其配套的驅動器型號為ms-3h057m系列驅動器。4.5.1 ms-3h057m型號步進電機驅動器介紹圖4.9 步進電機驅動器面板圖cp+ 步進脈沖信號正端cp- 步進脈沖信號負端dir+ 方向電平信號正端dir- 方向電平信號負端en+ 使能電平信號正端en- 使能電平信號負端cw+ 正向步進脈沖信號正端cw- 正向步進脈沖信號負端ccw+ 反向步進脈沖信號正端ccw- 反向步進脈沖信號負端power 電源指示燈（綠色）no ready 未準備好指示燈（紅色）1-4位設定電機每轉步數（細分數）5位 設定步進脈沖方式0- 單脈沖，1-雙脈沖6位 設定

46、是否允許半電流 0- 不允許，1-允許7-10位 設定輸出電流值（有效值）4.5.2 ms系列驅動器主要功能電機每轉步數設定（細分數設定）：每一種型號驅動器都有16種步數（細分數）可選，由驅動器上的撥位開關的第1、2、3、4位設定，此16種步數基本涵蓋了用戶對電機步距的要求，步數設定必須在驅動器未加電或已加電但電機未運行時才有效。驅動器輸出電流設定：每一種型號驅動器都有16檔輸出電流可選，由驅動器上的撥位開關的第7、8、9、10位設定，驅動器輸出三相正弦電流給電機，電流大小以有效值標稱?？刂菩盘柗绞皆O定：每一種型號驅動器都有2種控制信號方式可選，由驅動器上的撥位開關的第5位設定： cp/dir

47、方式： 電機的旋轉方向由dir換向電平控制，而步進信號取決于cp。比如說，dir為高電平時電機為順時針旋轉，dir為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉。此種換向方式，我們稱之為單脈沖方式。撥位開關的第5位設定在“0”位置；cw/ccw方式： 驅動器接受兩路脈沖信號（一般標注為cw和ccw），當其中一路（如cw）有脈沖信號時，電機正向運行，當另一路（如ccw）有脈沖信號時，電機反向運行,我們稱之為雙脈沖方式。撥位開關的第5位設定在“1”位置。自動半電流：是指驅動器在脈沖信號停止施加1秒左右，會自動進入半電流狀態(tài)，這時電機相電流為運行時的一半，以減小功耗和保護電機，此功能由驅動器上的撥位開關的第6位

48、設定：0無此功能、1有此功能。相位記憶功能(無時間限制)：驅動器斷電時處于某一相位，下次加電時如果和此相位不同，電機就會“抖動”一下，為了消除電機抖動就必須把斷電時的相位記憶住。此功能在某些行業(yè)非常重要，記憶時間為無限。保護功能：過溫保護、過流保護、欠壓保護、保護信號輸出。4.5.3 ms系列驅動器控制信號接口驅動器是把計算機控制系統(tǒng)提供的弱電信號放大為步進電機能夠接受的強電流信號，控制系統(tǒng)提供給驅動器的信號主要有以下三路：1步進脈沖信號cp：這是最重要的一路信號，因為步進電機驅動器的原理就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說：驅動器每接受一個脈沖信號cp，就驅動步進電機

49、旋轉一步距角， cp的頻率和步進電機的轉速成正比， cp的脈沖個數決定了步進電機旋轉的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號cp就可以達到電機調速和定位的目的。2方向電平信號dir：此信號決定電機的旋轉方向。比如說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉，此信號為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉。此種換向方式，我們稱之為單脈沖方式。另外，還有一種雙脈沖換向方式：驅動器接受兩路脈沖信號（標注為cw和ccw），當其中一路（如cw）有脈沖信號時，電機正向運行，當另一路（如ccw）有脈沖信號時，電機反向運行。由撥位開關的第5位決定使用何種方式。3使能信號en：此信號在不連接時默認為有效狀態(tài)，這時驅動器正常工作。當

50、此信號回路導通時，驅動器停止工作，這時電機處于無力矩狀態(tài)（等同于本公司sh系列驅動器的free信號），此信號為選用信號。4.5.4 控制電路設計為了使控制系統(tǒng)與驅動器正?？刂撇竭M電機，本系統(tǒng)電機驅動器采用共陰方式，把cp-、dir-和en-接在一起作為共陰端接外部系統(tǒng)的gnd。其中一個步進電機驅動器與單片機的具體接線為脈沖信號cp+端接入單片機p0.1，方向信號dir+端接入p0.2, 使能信號en+端接入p0.3。電路圖如圖4.10. 圖4.10 驅動及其控制電機電路4.6 電源電路由于系統(tǒng)放大模塊和交流/直流轉換模塊要用到5v、12v、24v直流電源，因此需要自行設計并制作合適的直流穩(wěn)壓電

51、源。本產品外接交流220v電源輸入，通過4個二極管進行交流變直流的整流，利用三端穩(wěn)壓器mc78l24和mc7812及mc7805產所需的電壓，c1和c2為三端集成穩(wěn)壓器mc7824的旁路電容，c3為低頻濾波電容，c4為高頻濾波電容。三端集成穩(wěn)壓器mc7824供給某些部件24v直流工作電源。同樣mc7812和mc7805分別為系統(tǒng)的某些部件提供12v和5v的直流工作電源。具體的電路設計如圖4.11所示：圖4.11 電源電路5 系統(tǒng)軟件設計應用系統(tǒng)中控制任務的實現最終是靠程序的執(zhí)行完成的。應用軟件設計的如何，將決定系統(tǒng)的效率和優(yōu)劣。軟件設計應注意以下幾個方面： （1）采用模塊程序設計。 （2）采用

52、自頂而下的程序設計。 （3）外部設備和外部事件盡量采用中斷方式與cpu聯(lián)絡，這樣利于系統(tǒng)模塊化和提高程序效率。 （4）可使用高級語言，大大提高開發(fā)和調試效率。 （5）程序設計時可采用一些實用的子程序。其中包括運行子程序和控制算法程序等。 （6）系統(tǒng)的軟件設計應充分空靈廠到軟件抗干擾措施。如數字濾波、程序跑飛的陷阱、軟件狗、軟件的容錯設計等。5.1 匯編語言的簡介指令是單片機執(zhí)行操作的命令，所有指令的集合稱為指令系統(tǒng)。指令有兩種描述形式，用機器語言描述的指令和用匯編語言描述的指令。機器語言指令用二進制編碼表示，是cpu唯一能直接識別和執(zhí)行的指令。匯編語言指令是一種符號指令，由助記符、符號和數字等

53、來表示指令，與機器語言指令一一對應。機器語言編寫的程序不便于記憶、查錯和修改，匯編語言比機器語言容易理解和記憶。近年來，適用于單片機的高級語言已日漸成熟，應用于51系列單片機編程的高級語言主要為plm、basic、c語言等。高級語言用自然語言描述，使用高級語言編寫的程序具有效率高、可讀性好和可移植性強的特點。實際編寫程序時通常使用匯編語言和高級語言。匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是最接近機器碼的一種語言。主要特點是占用資源少、程序執(zhí)行率高等。80c51單片機指令共有111條指令，其中單字節(jié)指令49條，雙字節(jié)指令45條，三字節(jié)指令17條。單字節(jié)指令對應的機器碼占一個字節(jié)（b

54、yte），雙字節(jié)指令對應的機器碼占兩個字節(jié)，三字節(jié)指令對應的機器碼占三個字節(jié)。按指令的執(zhí)行時間分，分為單周期指令、雙周期指令、四周期指令。在編寫程序時，盡量使用周期數少的指令，以加快程序的執(zhí)行速度，節(jié)省執(zhí)行時間。5.2 偉福仿真器偉福仿真器采用大規(guī)?？删幊绦酒皩Ｓ梅抡嫘酒圃? 集仿真器、邏輯分析儀、跟蹤器、邏輯筆、 波形發(fā)生器、影子存儲器、代碼覆蓋、記時器、程序時效分析、數據時效分析、硬件測試儀、事件觸發(fā)器于一體的通用仿真器。偉福仿真器有如下系列仿真器：（1）e6000系列仿真器：基于hooks技術的pod-h8x5x，偉福6000全新版軟件。（2）h51系列專用仿真器：偉福新版仿真頭po

55、d8x5xp，偉福6000支持的ht-tech picc me。（3）p51 philips專用型仿真器 （4）microchip pic系列專用仿真器 pic6000 （5）philips lpc76x專用仿真器、編程器 （6）philips lpc932專用仿真器、編程器 （7）mplab-icd在線調試器 本系統(tǒng)采用e2000/s仿真器，該仿真器能實現51、196、pic系列微型控制器的仿真。仿真環(huán)境如圖5.1所示。圖 5.1 偉福仿真器開發(fā)環(huán)境仿真器的使用大致步驟如下：（1）硬件電路正確連接；（2）仿真頭設置（3）按照控制功能輸入匯編程序；（4）編譯程序；（5）執(zhí)行。 本仿真器軟件設計使用的是匯編語言。它的功能性強，執(zhí)行效率比較高?？芍苯釉L問系統(tǒng)硬件，對內存容量要求低，適合應用于工控和實時控制系統(tǒng)。設計到的仿真器軟件的具體按鈕及功能在此不再過多闡述。5.3 軟件結構 系統(tǒng)應用程序由主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序和其它子程序組成。在設計中采用模塊化程序設計技術，根據系統(tǒng)的功能，將軟件分成若干個功能相對獨立的模塊，包括系統(tǒng)主程序模塊、鍵盤掃描子程序模塊、顯示子程序模塊等。系統(tǒng)軟件設計采用模塊化程序設計。采用了串行顯示程序模塊、鍵盤掃描程序模塊。子程序的調用通過acall和lacl