基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

1、1.1 引言 11.2 步進(jìn)電機(jī)常見的控制方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介 21.2.1 常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案 21.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 41.3 本文研究的內(nèi)容 6第2章步進(jìn)電機(jī)概述2.1 步進(jìn)電機(jī)的分類 62.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 72.2.1 結(jié)構(gòu)及基本原理 72.2.2 兩相電機(jī)的步進(jìn)順序 82.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn) 11第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 123.1.1 系統(tǒng)的方案簡(jiǎn)述與設(shè)計(jì)要求 123.1.2 系統(tǒng)的組成及其對(duì)應(yīng)功能簡(jiǎn)述 133.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 153.2.1 AT89C5僦介 153.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 203.2.3 單片機(jī)端口分配及功能 213

2、.3 串口通信模塊 223.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 223.4.1 共陽數(shù)碼管簡(jiǎn)介 233.4.2 共陽數(shù)碼管電路圖 243.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 243.5.1 L298 簡(jiǎn)介 253.5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 263.6 驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 273.6.1 OP0砒片簡(jiǎn)介 283.6.2 ADC080給片簡(jiǎn)介 293.6.3 電流檢測(cè)模塊電路圖 323.7 獨(dú)立按鍵電路設(shè)計(jì) 33第4章 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)4.1 顯示子程序的設(shè)計(jì) 354.2 鍵盤子程序的設(shè)計(jì) 364.3 驅(qū)動(dòng)程序流程的設(shè)計(jì) 374.4 正反轉(zhuǎn)程序流程圖 384.4.1 正反轉(zhuǎn)程序流程圖 384.4.2 轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖 3

3、94.4.3 定時(shí)中斷流程圖 40第5章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.1 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算與分析 415.2 理論與實(shí)際的分析 42總結(jié)參考文獻(xiàn)11.1引言動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱為 Steppingmotor、Pulse moto域Stepper servq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(hào)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(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子 繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(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

4、磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。在有些應(yīng)用場(chǎng)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(jiǎn)單，成本低；功能較為 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(gè)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(duì)較單一，并且設(shè)計(jì)要求有所改變，就得改變整個(gè)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(duì)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

5、控制，如果需改變控制要求，一股只需改變軟件 就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計(jì)中利用動(dòng)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。1.2步進(jìn)電機(jī)常見的控制方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介1.2.1 常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案1 、基于電子電路的控制步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子 元器件的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須 有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體， 構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(gè)系統(tǒng)由

6、三部分組成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào) 分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)組成如圖1.1所示。脈沖控制器環(huán)形分配器功率放大驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)圖1.1基于電子電路控制系統(tǒng)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(jiǎn)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(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度， 然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制 信號(hào)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脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一,如需改變控制方案，必須需重新設(shè)

7、計(jì)，因此靈活性不高。2、基于PLC的控制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1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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)電路組成。 控制系統(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(dòng)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

8、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(duì)于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。 采用硬件環(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(chǎng)有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將PLC輸出的控制 脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)， 并用PLC中的定時(shí)器來 產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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)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

9、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。3、基于單片機(jī)的控制采用單片機(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(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接 口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)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

10、法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。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(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響；（2）用軟件代替環(huán)形分配器，通過對(duì)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(dòng)，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 0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。1.2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)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(dòng)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

11、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(dòng) 機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器的驅(qū)動(dòng)級(jí)來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電，同時(shí)也是對(duì)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(dòng)技術(shù)通常分為單 電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓用電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng) 和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。單電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng) 方式早在六十年代初期國(guó)外就已大量使用，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低； 缺點(diǎn)是用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(dòng)。單電

12、 壓用電阻驅(qū)動(dòng)是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路用入電阻，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(dòng)機(jī)的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點(diǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式目前 主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合。高低壓驅(qū)動(dòng)是指不論電動(dòng)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)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動(dòng)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

13、種驅(qū)動(dòng)方式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比較常見。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(dòng)，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(gè)系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，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(dòng)控制。為改善恒流驅(qū)動(dòng)方式的低頻特性，設(shè)計(jì)一個(gè)低速時(shí)低電壓驅(qū)動(dòng)，高速時(shí) 高電壓驅(qū)動(dòng)的電路，使其成為一個(gè)由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn) 壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)不會(huì)像在恒流斬波驅(qū)動(dòng)

14、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(duì)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。細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的 一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階 式的投入或切除。比如：電流分成 n個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個(gè)步 距角，即n細(xì)分細(xì)分驅(qū)動(dòng)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

15、動(dòng)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(dòng)，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(dòng)技術(shù) 是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍6。1.3 本文研究的內(nèi)容在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對(duì)步進(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(dòng)。當(dāng)某一相繞 組通電時(shí)相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成 N-S極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。 在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)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

16、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(duì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制。本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)經(jīng)過脈沖分配器后分解出對(duì)應(yīng)的四相脈沖，分解出的四相脈 沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jiǎn)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)。第2章步進(jìn)電機(jī)概述2.1 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電動(dòng)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

17、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。(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance,簡(jiǎn)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(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型；（2）永磁式步進(jìn)電機(jī)（Permanent Magnet簡(jiǎn)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(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?。ㄏ啾确磻?yīng)式），但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈

18、沖供電；（3）混合式步進(jìn)電機(jī)（Hybrid,簡(jiǎn)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)?；旌鲜脚c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)。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡(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

19、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。2.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理2.2.1 結(jié)構(gòu)及基本原理步進(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)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢 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產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋 轉(zhuǎn)一個(gè)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(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換

20、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)，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。通過電磁感應(yīng)定律我們很容易知道 激勵(lì)一個(gè)線圈繞組將產(chǎn)生一個(gè)電磁 場(chǎng)，分為北極和南極，見圖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(dòng)。圖2.1 激勵(lì)線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)2.2.2 兩相電機(jī)的步進(jìn)順序1、兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序在圖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

21、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° c 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)網(wǎng)9。27用I，I §匚由Ph孤出PkaseB12r訓(xùn)5川萬鵬福NStep 1Step 2圖2.2兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序PhaseAPJwseA2、兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序圖2.2中顯示的步進(jìn)順序稱為“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， 見圖2.3所示。在第1步中，兩相定子的A相和B相

22、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stepl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)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)過了一周網(wǎng)9。兩相步進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對(duì)直。由于兩相一直通電，本方法比

23、“單相通電”步進(jìn)多提供了 41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍圖2.3兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序3、步進(jìn)電機(jī)的半步工作方式電機(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° , 見圖2.4。但是，與“兩相通電”相比，半步進(jìn)通常導(dǎo)致15%-30%勺力矩?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(gè)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。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。兩相

24、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網(wǎng)9。Phase 處Ph矗"PI P hase B Phase BPhase A|叫；/|phm BflPhase A .？Pha守 aPlhdM? EFnaseaPhp Aspmc eCD»» A St«p 4|NR工| Jp 加MR Phmf) fl.Ph awPhAV R人工人Step 5PhM A StepPhase AsF haM A臼Phase APME Aoiidsti B / S圖2.4

25、兩相電機(jī)的半步步進(jìn)順序Ph aw IBStep S2.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)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)的應(yīng)用情況來說，步進(jìn)電機(jī)的自身特點(diǎn)具體歸納起來有10:(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

26、會(huì)以一定的角 度(稱為步角)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。(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。(3)改變驅(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。(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。(5)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候具有自鎖功能。(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。在小步 距情況下，通常可以在越低速下以高轉(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。(7)步進(jìn)電機(jī)不能使用普通的交流電源驅(qū)動(dòng)。(8) 一般步進(jìn)電機(jī)的精度是步進(jìn)角的3%5%,且步

27、距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。(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。(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)該有加速過程，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)速從低

28、速升到高速)第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3.1.1 系統(tǒng)的方案簡(jiǎn)述與設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89S51來作為整個(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)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：1 .單片機(jī)最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)；2 .設(shè)計(jì)兼有兩相兩拍和兩相四拍的脈沖分配器；3 .實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；4 .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)；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；6 .步進(jìn)電

29、機(jī)的轉(zhuǎn)速由數(shù)碼管顯示；7 .鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì)3.1.2 系統(tǒng)的組成及其對(duì)應(yīng)功能簡(jiǎn)述整個(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：圖3.1系統(tǒng)總體框圖單片機(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)處理來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊檢 測(cè)到的電流值。

30、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)的電流通過數(shù)碼管顯示出來。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。用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。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。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電流，然后通過 運(yùn)放將檢測(cè)到的信號(hào)放大，最后將放大后的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0804 處理后送給單片機(jī)。獨(dú)立按鍵作為一個(gè)外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，通過它設(shè)置了電機(jī) 的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，

31、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(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳的及時(shí)的控制。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)的各個(gè)部分的組成以及其 對(duì)應(yīng)的基本功能。通過這一章的內(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)。3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2.1 AT89C51 簡(jiǎn)介AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS粒單片機(jī)，片 內(nèi)含4kbyte

32、s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。1、主要性能參數(shù) 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP） Flash閃速存儲(chǔ)器 1000次擦寫周期 4.0 -5.5V的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0Hz 33MHz 三級(jí)程序加密鎖 128X8字節(jié)內(nèi)部RAM 32個(gè)可編程I /O 口線 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 6個(gè)中斷源 全雙工串行UART!道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從

33、空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（WDT及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）2、功能特性概述AT89C51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，看門狗（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 器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51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勺內(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

34、個(gè)硬件復(fù)位。3、引腳功能說明PDIP01 0匚4 0p voc1 id口 FJQ.U (AlJO)PL之匚如口 KiJ (AD 1Ml 3 Sn MO.如(ALJS?)PI T匚n RO一3 (AOS)l.!UK84) Ml33：_1(巴 LJJmu宅n pi gcXn 戶d5 gDS)33n n上 IALM5RST匚32n F*O.7 (AOZ)IO31m FZzn(TXDJ P3.4 匚3。二 A L曰戶ROC(I M iO) 3 N 匚12口 1步”IM<IMT1 J F>3 aC13之日O R2.7 (A 1 &門6 P3 «iq2Tn P2.e(Tt&g

35、t; 0 5匚1526=P2.S (Al 司NH=1in i =：><RO> A3 7C17N4=P2.3 IA1 1)XT At 3 L1RK二尸至? IA1OJXTAU1 匚NN二戶J fAO>City OCT圖3.2-AT89S51(aaj該設(shè)計(jì)使用到的單片機(jī)芯片對(duì)應(yīng)管腳名稱位置等如圖3.2的引腳功能圖詳細(xì)說明 VCC電源電壓 GND 地 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(dòng) 8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫 “1 ”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F

36、lash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(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這 組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）。 P1 口： P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1的輸出 緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)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(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL ）。 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邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通

37、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(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL ）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVXDPW）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(chǔ)器（如執(zhí)行MOVXRf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(gè)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(hào)。 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邏輯門電路

38、。對(duì)P3 口寫入 “1”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(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。具體功能如表3.1所示表3.1 P3 口的引腳及功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD （用行輸出口）P3.2INTO （外部中斷0）P3.3INT1 （外部中斷1）P3.4T0 （定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入）P3.5T1 （定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7R

39、D （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 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可打開或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺為RESET俞出高 電平打開狀態(tài)。 ALE /PROG當(dāng)訪問外部程序存儲(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)。即使不訪問外部存儲(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)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用

40、于輸入編程脈沖（PRO6如必要，可通過對(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。止匕 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無效。 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)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒有兩次有效的PSEN1號(hào)。 EA /VPP外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000Hk FFFFH, EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如

41、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)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU®執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。 XTALl:振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：MCS-51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 分開的結(jié)構(gòu)，均具64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 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 0000Hk 0FFFH （4KB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，再執(zhí)行地址為

42、 1000H- FFFFH （60KB）的外部程序 存儲(chǔ)器。 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。4、晶體振蕩器特性AT89C51 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 外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。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 十分嚴(yán)格的要求，但電容容量 會(huì)大小會(huì)輕微影響振蕩

43、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 ±10pFo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。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過一個(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。5、Flash閃速存儲(chǔ)器的并行編程AT89C51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 法可通過傳統(tǒng)的EPRO

44、褊程器使用高電壓（+12V）和協(xié)調(diào)的控制信號(hào)進(jìn)行編 程。AT89C51的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。編程方法：編程前，須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)，AT89C51編程方法如下：1 .在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)。2 .在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。3 .激活相應(yīng)的控制信號(hào)。4 .將EA /Vpp端加上+12V編程電壓。5,每對(duì)Flash存儲(chǔ)陣列寫入一個(gè)字節(jié)或每寫入一個(gè)程序加密位，加上 一個(gè)ALE /PROG®程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫入周期是自身定時(shí)的，大多數(shù)約為 50uso改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù) 15步驟，直到全部文件 編程結(jié)束。3.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AT8

45、9C51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：ccTAT99S51口EsE ：7包XT.4J.1RSTD?尸尸LEDF多P22' T 71P30?LT32P3SETT pryc-oi,2J.45-6O派P1EX2 J3耳.5.6J rl rl II .1 al 1* 1r 1- nnp F F p p p035321沌F： 口 FT;F：2中PT5- FT?PT PF訐:xT?'.lT f xtaLi否 20但e r ：

46、.RND;P5.0 i.TXDjFJ.i (INTCjPj.2 (TXTDPS.3CTDP3.3 gR必f (RD)P3.7 XTAL2 XTAL1 GNDP0.7EAVPP .UE PR.OO PSEN P2.7 P? fi F工3 F2.4 P2.3 P?.? P? 1 F2 02&P2JPSEN P27 TTT P2?P:0圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.2.3 單片機(jī)端口分配及功能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。2、P 1 口主要用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298的工作，以及ADC0804芯片 的編程的讀寫控制。3、P 2 口主要用于控制數(shù)碼管的公共端

47、，既是數(shù)碼管的位選。與此同時(shí) 還處理鍵盤掃描電路的。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。3.3 串口通信模塊本設(shè)計(jì)采用出口通信，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。3.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)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

48、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。3.4.1 共陽數(shù)碼管簡(jiǎn)介四位共陽數(shù)碼管的管腳分配如下圖3.5所示:圖3.5四位共陽數(shù)碼管管腳定義數(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(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。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(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)

49、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。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,Gd,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曾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(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，該位元 就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的CO閶，就使各個(gè)數(shù)碼

50、管輪流受控 顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1 2m6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(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3.4.2 共陽數(shù)碼管電路圖本設(shè)計(jì)選用了數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)，其段選的控制A B G DX E、F、GDP按照數(shù)碼管的簡(jiǎn)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

51、接如圖3.6所示。Header 4H圖3.6數(shù)碼管顯示電路MX)Pg;：PO4FAR3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)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 型，考慮要硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的方法會(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。3.5.1 L298 簡(jiǎn)介L(zhǎng)298N為SGS-THOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專 用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的 專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)

52、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(hào)。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 來控制負(fù)載的電路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)步進(jìn)電機(jī)；input1input4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)。CURRENT ERM零傅自O(shè)U T產(chǎn)54OUTPUT 3IhPUT 4EN-E-E mIWPUT 3LOG仁 SUP

53、PLY VOLTAGE 與錦QNDIWPUT 2enable AINPUT 1SUPPLY VOLTAGE V-outrijt 2OUTPUT 1CLIRRFMT GPM，蚓5 d引腳功能介紹：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 反饋腳，不用時(shí)可以直接接地；2、2; 3 腳（Output1; Output2）: 1Y1、1Y2 輸出端；3、4腳（VS）:功率電源電壓，此引腳與地必須連接100nF電容器;4、5; 7 腳(Input 1; Input): 1A1、1A2 輸入端，TTL 電平兼容；5、6; 11 腳(Enable A; Enabl

54、e B): TTL 電平兼容輸入 1EN、2EN 使 能端，低電平禁止輸出；6、8 腳(GND): GND 接地端；7、9腳(VSS):邏輯電源電壓。此引腳必須與地連接 100nF電容器；8、10; 12 腳(Input3; Input4): 2A1 , 2A2 輸入端，TTL 電平兼容；9、13; 14腳(Out3; Out4): 2Y1、2Y2 輸出端，監(jiān)測(cè)引腳 15;3.5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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)的四根線相連。而5、6

55、、7、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。圖中很重要的部分是由四個(gè)二極管連成的保護(hù)電路，具作用是防止由于 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。PITu 丁盧Tj 丁 i ou rpurTSUPPLY INFVT1 Enable a圖3.8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.6 驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)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)流過電機(jī)的 電

56、流值并及時(shí)顯示，對(duì)于防止電機(jī)過流而損壞電機(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)電流的方法是通過 檢測(cè)電壓值，然后通過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)，具額定電流值 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，這樣換算來檢測(cè)到的電壓 值一般是在mV級(jí)，這樣以來，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OP07作放大處理后再將信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換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)過單片機(jī)處理