毕业设计-基于单片机的带lcd的步进电机控制

图书分类号密级毕业设计论文基于单片机的带LCD的步进电机控制LCDBASEDSCMWITHTHESTEPPERMOTORCONTROL学生姓名贾俊杰学院名称山东科技大学专业名称自动化指导教师2008年06月03日山东科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名日期年月日山东科技大学学位论文版权协议书本人完全了解山东科技大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归山东科技大学所拥有。山东科技大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。山东科技大学可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名导师签名日期年月日日期年月日摘要本课题的主要任务是设计一个脉冲信号发生器。该设计包括两方面的内容硬件平台和软件平台。这两部分不是独立的，而是互相联系构成整个系统的运作。硬件平台是利用键盘和AT89S51单片机的连接技术，向单片机输出信号，通过驱动控制单元，即硬件控制电路，来实现液晶显示器的字符显示、步进电机的正反转、加减速以及步进电机的点动控制。软件平台主要是根据设计的需要，编写正确的C语言程序来实现液晶显示器上要显示的字符，以及步进电机所需要的各种转速。综合调试每个平台，从而实现本课题的设计要求。关键词步进电机；AT89S51单片机；液晶显示器；键盘ABSTRACTTHISISSUESMAINTASKISTODESIGNAPULSEGENERATORTHEDESIGNINCLUDESTWOASPECTSTHEHARDWAREPLATFORMSANDSOFTWAREPLATFORMSTHESETWOPARTSARENOTINDEPENDENTBUTINTERRELATEDCONSTITUTETHEENTIRESYSTEMHARDWAREPLATFORMISTOUSETHEKEYBOARDANDAT89S51SCMCONNECTIONTECHNOLOGY,THEOUTPUTSIGNALTOTHEMICROCONTROLLERTHROUGHTHEDRIVERCONTROLUNIT,THATIS,HARDWARECONTROLCIRCUITS,LIQUIDCRYSTALDISPLAYTOACHIEVETHECHARACTER,POSITIVEANDTHESTEPPERMOTOR,ACCELERATIONANDDECELERATIONANDTHESTEPPERMOTORTOMOVETHECONTROLSOFTWAREPLATFORMSAREBASEDMAINLYONTHENEEDSOFTHEDESIGN,PREPARATIONOFTHECORRECTPROCEDURESTOACHIEVECLANGUAGEONTHELCDTODISPLAYTHECHARACTERS,ANDTHESTEPPERMOTORREQUIREDBYTHEVARIOUSSPEEDCOMPREHENSIVEDEBUGGINGEACHPLATFORM,THUSREALIZINGTHESUBJECTOFDESIGNREQUIREMENTSKEYWORDSSTEPPERMOTORAT89S51MCULCDMONITORSKEYBOARDS目录1绪论111脉冲信号发生器的研究背景112脉冲信号发生器的研究意义113脉冲信号发生器设计的要求114设计的指导思想和主要研究内容2141指导思想2142主要研究内容22总体设计方案321框架结构体系设计322各功能模块方案设计3221液晶显示模块3222步进电机及其驱动模块4223电源模块4224核心控制模块423本章小结53液晶显示模块的设计631液晶显示器的优点632液晶显示简介6331602字符型LCD简介73311602LCD的基本参数及引脚功能83321602LCD的指令说明及时序93331602LCD的RAM地址映射及标准字库表113341602LCD的一般初始化（复位）过程1334液晶显示模块的设计1335本章小结144其它模块的设计1541步进电机及驱动模块的设计15411步进电机的工作原理15412BL210的性能介绍15413步进电机及其模块的设计1942键盘模块的设计20421键盘的介绍20422键盘模块的设计2343本章小结235硬件电路设计和软件的设计2451AT89S51单片机的介绍24511AT89S51单片机简介24512主要性能参数24513引脚功能说明2552硬件电路设计方案27521硬件控制的设计方案27522硬件电路的设计27523本设计总接线原理图2853软件设计29531软件设计模块29532设计软件流程图及程序3053本章小结306总体调试3161液晶显示的调试3162步进电机正反转调试3363步进电机加减速调试337总结3471设计过程总结34711硬件设计过程总结34712软件设计过程总结3472展望35721对硬件设计的展望35722对软件设计的展望35结论36致谢37参考文献38附录39附录一（主程序）39附录二（英文原文）50附录三（中文翻译）571绪论随着科学技术的发展，步进电机在现代工业发展中扮演着越来越重要的角色，但是对于一般的消费者来说，怎样测试步进电机是个很难实现的问题，而且市场上现在也没有专门测试步进电机的仪器，其次数控机床教学也缺少相应的实验教具，对纯理论的教学学生留下的印象可能不是很深刻，脉冲信号发生器的设计和研究可以解决以上两个问题。其次随着工业自动化水平的提高，很多工业设备的要求也逐渐提高，特别是对其驱动部件步进电机的位移和速度控制的要求越来越高，用单片机机对二维步进电机实施精确位移和速度控制有极大的优越性，二维步进电机数控运行系统是由PC工业控制计算机发出控制指令，通过与单片机之间的通信，使单片机产生控制步进电机运转的脉冲波形、使二维步进电机分别作正传、反转、快转、慢转和停止等。11脉冲信号发生器的研究背景步进电机是一种将数字信息直接转换成相应角位移或线性位移的控制驱动装置,具有快速启动和停止的特点,其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度,并能实现正反转和平滑速度调节,它的运行速度和步距也不受电源电压波动及负载的影响,因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统,使系统结构简单、性能稳定、工作可靠和成本低廉。步进电机的最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。12脉冲信号发生器的研究意义本设计课题的意义在于制作一套简易步进电机脉冲信号发生器，采用LCD作为人机交互界面，对步进电机进行升降速手动控制，亦可实现点动控制。该发生器具有操作方便，显示直观的特点，可用于专门测试步进电机的仪器，也可作为简易型数控机床实验教具。13脉冲信号发生器设计的要求简易步进电机脉冲信号发生器可以作为培养与提升学生综合能力的试验平台，也可作简易的试验教具，但简易步进电机脉冲信号发生器对一般的学生来说存在硬件焊接复杂软件编程难的问题，使其在应用过程中受到了一定的限制。为了克服以上缺点有必要对脉冲信号发生器的设计提出如下要求1设计并分析单片机的带LCD的步进电机控制的架构；2设计相应的电路控制板；3设计计算机软件，实现零件判别功能；4能实现全功能模型的展示；14设计的指导思想和主要研究内容141指导思想本设计的指导思想是通过键盘界面去控制两部分内容单片机控制步进电机，单片机控制液晶的显示。故脉冲信号发生器有两大方面的内容软件平台和硬件平台。软件平台包括键盘扫描程序的设计、液晶显示程序设计、步进电机控制程序设计；硬件平台包括键盘的连接电路、步进电机的驱动电路、液晶模块的连接电路。142主要研究内容1总体设计总体设计包括软硬件的设计，对设计的具体内容进行分析，确定各平台的设计方案。2硬件选型和各元件调试根据确定的硬件方案选择适当的芯片元件和电子元件，并做相关的调试，最终确定可行的硬件方案。3电路设计、焊接和调试完成电路板原理图和电路图的设计，并完成最终的布板、焊接以及硬件调试。4软件设计完成液晶显示和步进电机控制的设计和调试。5综合调试软硬件联合调试，最终完成脉冲信号发生器的设计。6撰写毕业论文总结毕业设计的过程，完成毕业论文。2总体设计方案脉冲信号发生器的总体方案设计是根据其功能和设计要求，从全局的角度，以系统的观点而进行整体方面的设计，主要包括液晶显示模块设计，步进电机模块设计和键盘模块设计等内容。21框架结构体系设计本设计主要依据图21的框架结构进行设计。AT89S51单片机步进电机驱动器外置步进电机按键模块1602液晶显示模块21总体框架结构图其中AT89S51单片机作为本系统的中控模块。单片机可把由键盘传来的信号利用软件来进行处理，从而把数据传输到显示模块，实现有关字符的显示。液晶显示屏为主要的显示模块，把单片机传来的数据显示出来,并且可以实现滚动显示,提示操作者对步进电机进行控制。在显示模块上，主要靠按键来实现各种显示要求的选择与切换。22各功能模块方案设计本设计各功能模块主要包括按键模块，步进电机及驱动模块和液晶显示模块等，下面将分别讨论各个模块拟采用的方案和最终方案的确定。221液晶显示模块方案一采用四位一体的LED数码管交替显示，数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。方案二采用1602液晶显示模块液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。根据显示容量又可以分为单行16字，2行16字，两行20字等等。方案三采用OCM12232系列点阵型液晶显示模块此显示模块具有低功耗、供应电压范围宽、16COMMON和61SEGMENT输出，并可外接驱动IC扩展驱动、2560位显示RAM（DDRAM），即8084位、与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集可完成文本显示或图形显示的功能设置比较上面三种方案1602液晶显示比数码管模块有如下优点1位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了2显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母3程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而1602自动完成此功能本设计需要显示合适的字符，且不需要显示图形，因此1602显示模块最为合适，所以我选择方案二。222步进电机及其驱动模块由于本设计的需要和受到条件的限制,本设计选用常州宝来电器有限公司生产的BL210步进电机及驱动器,下面对此产品做简单介绍BL210驱动器驱动二相混合式步进电机，该驱动器采用原装进口模块，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小，带动10A以下所有的步进电机。特别是在舞台灯光、自动化、仪表、POS机、雕刻机、票据打印机、工业标记打印机、半导体扩散炉等领域得到广泛应用。223电源模块方案一采用干电池作为本系统的电源，由于点阵系统耗电量较大，使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。点阵系统要悬挂在墙上，电池总量大，使用会有较大安全隐患。方案二采用200W/5V直流稳压电源作为系统电源，不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠基于以上分析，我们决定采用方案二。224核心控制模块方案一以AT89S51单片机作为系统核心,作出对步进电机相应的控制，并输出显示。方案二用FPGA（可编程门阵列）实现对信息进行分析处理，然后作相应的控制。方案三采用西门子公司生产的S7200系列PLC（可编程控制器）控制。PLC是以计算机技术为核心，通过简单的编程可以实现强大的功能。在现代化大规模控制系统中，PLC集散控制系统正被广泛采用。方案的比较与确定单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。方案二使用FPGA控制，稳定性好，抗干扰能力强，编程及调试也相对简单，但就目前来说其成本过高，会造成资源的浪费,能满足设计要求，方案三功能强大，编程简单，但是广泛应用的中小型PLC显示功能较差，往往只能通过面板信号灯的状态来确定输出状态，对于设备的状态过程无法显示，从而给调试程序员带来不便，而且成本也很高。综上所述本设计的核心部分采用方案一。23本章小结本章对该设计的总体框架结构体系设计进行了论述，并对该设计的各功能模块拟采用和最终采用的方案进行了的介绍，并确定了BL210步进电机为本论文的驱动模块，通过比较确定了单片机AT89S51为本设计的控制芯片，通过比较数码管显示、OCM12232系列点阵型液晶显示模块和1602液晶显示模块确定了本设计的显示模块是1602液晶显示模块,该模块将在第三章中详细介绍。3液晶显示模块的设计在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。31液晶显示器的优点在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。32液晶显示简介1液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。2液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（STATIC）、单纯矩阵驱动（SIMPLEMATRIX）和主动矩阵驱动（ACTIVEMATRIX）三种。3液晶显示器各种图形的显示原理线段的显示点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）FFH，（001H）00H，（002H）00H，（00EH）00H，（00FH）00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。331602字符型LCD简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的模块。本次设计选用的是长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器，下面介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图31图311602字符型液晶显示器实物图3311602LCD的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图32所示图321602LCD尺寸图1602LCD主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表31所示表31引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。第15脚背光源正极。第16脚背光源负极。3321602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表32所示表32控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回0000000013置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L6置功能00001DLNF7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明1为高电平、0为低电平）指令1清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2光标复位，光标返回到地址00H。指令3光标和显示模式设置I/D光标移动方向，高电平右移，低电平左移S屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4显示开关控制。D控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5光标或显示移位S/C高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6功能设置命令DL高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N低电平时为单行显示，高电平时双行显示F低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的点阵字符。指令7字符发生器RAM地址设置。指令8DDRAM地址设置。指令9读忙信号和光标地址BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10写数据。指令11读数据。与HD44780相兼容的芯片时序如表33所示表33基本操作时序表读状态输入RSL，R/WH，EH输出D0D7状态字写指令输入RSL，R/WL，D0D7指令码，E高脉冲输出无读数据输入RSH，R/WH，EH输出D0D7数据写数据输入RSH，R/WL，D0D7数据，E高脉冲输出无读写操作时序如图33和34所示图33读操作时序图34写操作时序3331602LCD的RAM地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图35是1602的内部显示地址。图351602LCD内部显示地址例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）10000000B80H11000000BC0H。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。其中字符代码与字符图形对应关系如图36所示图36字符代码与图形对应图3341602LCD的一般初始化（复位）过程延时15MS写指令38H（不检测忙信号）延时5MS写指令38H（不检测忙信号）延时5MS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H显示模式设置写指令08H显示关闭写指令01H显示清屏写指令06H显示光标移动设置写指令0CH显示开及光标设置34液晶显示模块的设计本设计液晶显示模块的设计如下图37所示,该电路实现的功能是通过AT89S51的P00P07八个口输出控制信号，控制液晶的8位双向数据线，通过单片机的P24、P25、P26向液晶模块发送命令，控制液晶执行各种命令，其中P24控制液晶的使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令，P25控制液晶模块的读写，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当P25和P26共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当P26为低电平P25为高电平时可以读忙信号，当P26为高电平P25为低电平时可以写入数据,P26控制寄存器的选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。液晶部分引脚说明第1脚VSS为地电源第2脚VDD接5V正电源第3脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第15脚背光源正极第16脚背光源负极图3735本章小结本章介绍了作为本设计液晶显示模块的1602的基本参数及引脚功能、指令说明及时序、RAM地址映射及标准字库表一般初始化（复位）过程，并根据其特性设计出液晶显示模块。4其它模块的设计本章将介绍步进电机及驱动还有键盘模块的设计41步进电机及驱动模块的设计411步进电机的工作原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为100的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。412BL210的性能介绍BL210实物如图41所示图41BL210实物图1特点BL210驱动器驱动二相步进电机，该驱动器采用原装进口模块，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小，带动10A以下所有的步进电机。特别是在舞台灯光、自动化、仪表、POS机、雕刻机、票据打印机、工业标记打印机、半导体扩散炉等领域得到广泛的应用。BL210驱动器特点每相最大驱动器电流为10安培。1采用无过流专利技术。2采用国外进口电力电子元器件。3可选择电流半流。4细分数可选（1/2，1/4，1/8），对应的微步距角分别为（095/STEP、045/STEP、0225/STEP）。所有输入信号都经过光电隔离。6斩波频率F40KHZ7电机的相电流为正弦波。8驱动器接线示意如图42所示图42驱动器接线示意图2技术规格如表41所示表41技术规格表符号说明最小一般（典型）最大单位VSS输入电压1240VISS输入电源电流15AIOUT相输出电流041AIIN逻辑输入电流51015MATP步脉冲持续时间5STS方向稳定时间0MSTH方向保持时间10STD开/关时间20SFMAX最大运行频率50KHZFAMB环境温度050CTSTG存储温度40125C供电电源直流12V40V（输入电压）1驱动器适配电机42BYG或更小系列步进电机。2驱动电流每相最大驱动器电流为10安培。3驱动方法细分斩波。4拨盘设置如表425表42拨盘设置表开关设定ON0，OFF1位1，2（细分）位3（半流选择）位4（电流选择）位1，2细分ONOFFONOFF021410811试机半流不半流05A1A输入信号如图436图43输入信号图注输入回路上输入电流为5MA20MA，一般使用输入电流15MA，图中脉冲信号（CP），方向信号（CW）输入回路上外部电阻（R）阻值由输入电压确定，如果输入电压超过5V，请参照表43，加装外接电阻R限流。表43输入信号电压外部电阻（R）阻值直流5V不加外部电阻直流12V680欧姆直流24V18K输入信号参数7脉冲信号幅值“H”4055V，“L”005V。脉冲信号工作状态即占空比50或50以下有的用户提出我们的控制系统驱动不了驱动器，这主要是驱动电流不够或极性不对，常用的正确驱动电路见下图44图44正确驱动电路图重量02KG8外形尺寸请参照下图459图45外形尺寸图3接线端子说明电源接线VDD直流电源正端（不大于40VDC）1GND直流电源地线（与输入信号CW，CP不共地）电机接线A、A接电机线A相，B、B接电机线B相。2控制信号3CP，CW为输入控制信号的公共阳端；CW方向控制信号输入端（此端子加低电平，电机立即按反方向旋转）。CP脉冲信号输入端（在CP停止施加时，即电机锁定时，要保证CP为高电平，是内部光藕戴止）。注控制信号输入电流为5MA20MA，一般使用输入电流为15MA。指示灯加电后电源指示灯亮，表示有电。44驱动回路的构成见下图46图46驱动回路的构成图413步进电机及其模块的设计本设计步进电机及驱动器模块设计的电路如图47所示，VCC接12V电源，GND接地，A、A，B、B分别连接步进电机的四根接线，CP、CP、CW、CW分别连接单片机P10P13口。该电路实现的功能是通过AT89S51的P10、P11、P12、P13四个口输出四个信号，其中P10、P12口输出控制水平方向和垂直方向脉冲的个数，即两个方向上的位移量；P11、P13口控制步进电机的转动方向，即正反转。控制过程为单片机接受键盘传来的信号，通过P1的四个口输出控制信号，通过硬件接线，发送到步进电机的驱动器，通过驱动器控制步进电机的转向和转角。当然，其中还包括单片机的内部振荡电路，驱动器匹配的电路等的设计。图47步进电机及驱动器模块设计电路图引脚功能说明P10、P12（1、3脚）接步进驱动器，传递脉冲个数；P11、P13（2、4脚）控制电机的转动方向；EA/（31）脚5V电源；XTAL1、XTAL2（18、19脚）晶振电路；RESET（9脚）复位电路；42键盘模块的设计键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。421键盘的介绍1概述键盘分两大类编码键盘和非编码键盘。编码键盘由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。有独立式按键结构、矩阵式按键结构。2键盘系统设计首先，确定键盘编码方案采用编码键盘或非编码键盘。随后，确定键盘工作方式采用中断或查询方式输入键操作信息。然后，设计硬件电路。非编码键盘系统中，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成。非编码键盘的键输入程序应完成的基本任务1A监测有无键按下；键的闭合与否，反映在电压上就是呈现出高电平或低电平，所以通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。B判断是哪个键按下。C完成键处理任务。从电路或软件的角度应解决的问题2A消除抖动影响。键盘按键所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。由于机械触点的的弹性作用，一个按键开关在闭合和断开的瞬间均有一连串的抖动，波形如下抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为510MS，这是一个很重要的参数。抖动过程引起电平信号的波动，有可能令CPU误解为多次按键操作，从而引起误处理。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。按键的消抖，通常有软件，硬件两种消除方法。这种方法只适用于键的数目较少的情况。软件消抖如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，常采用软件消抖。通常采用软件延时的方法在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10MS的子程序后，再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。（这种消除抖动影响的软件措施是切实可行的）。B采取串键保护措施。串键是指同时有一个以上的键按下，串键会引起CPU错误响应。通常采取的策略单键按下有效，多键同时按下无效。C处理连击。连击是一次按键产生多次击键的效果。要有对按键释放的处理，为了消除连击，使得一次按键只产生一次键功能的执行（不管一次按键持续的时间多长，仅采样一个数据）。否则的话，键功能程序的执行次数将是不可预知，由按键时间决定。连击是可以利用的。连击对于用计数法设计的多功能键特别有效。3键盘工作方式单片及应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU忙于各项任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中CPU任务的份量，来确定键盘的工作方式。键盘的工作方式选取的原则是既要保证能及时响应按键的操作，又不过多的占用CPU的工作时间。键盘的工作方式有查询方式（编程扫描，定时扫描方式）、中断扫描方式。4键盘电路结构独立式按键接口设计1独立式按键就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。优点电路配置灵活，软件结构简单。缺点每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。也可以用扩展I/O口搭接独立式按键接口电路，可采用8255扩展I/O口，用三态缓冲器扩展。这两种配接方式，都是把按键当作外部RAM某一工作单元的位来对待，通过读片外RAM的方法，识别按键的工作状态。上电路中独立式按键电路，各按键开关均采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。如输入口线内部已有上拉电阻，则外电路的上拉电阻可省去。矩阵式键盘接口设计2矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。节省I/O口。矩阵键盘工作原理行线通过上拉电阻接到5V上。无按键，行线处于高电平状态，有键按下，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。5双功能及多功能键设计在单片机应用系统中，为简化硬件线路，缩小整个系统的规模，总希望设置最少的按键，获得最多的控制功能。矩阵键盘与独立式按键键盘相比，硬件电路大大节省。可通过软件的方法让一键具有多功能。方法选择一个RAM工作单元，对某一个按键进行按键计数，根据不同计数值，转到子程序。这种计数多功能键最好与显示器结合用，以便知道当前计数值，同时配合一个启动键。复合键是使用软件实现一键多功能的另一个途径。所谓复合键，就是两个或两个以上的键的联合，当这些键同时按下时，才能执行相应的功能程序。实际情况做不到“同时按下”，他们的时间差别可以长到50MS，解决策略是定义一个或两个引导键，这些引导键按下时没什么意义，执行空操作。引导键的例子微机键盘上的CTRL、SHIFT、ALT。缺点一是操作变得复杂，二是操作时间变长。多功能键的利用，应具体情况具体分析。要求速度的场合最好做一键一功能。如果系统功能很多，一键一功能不现实，可采取一键多功能。6功能开关及拨码盘接口设计设计原因键盘输入灵活性大，操纵方便。但某些重要功能或数据由键盘输入，误操作将产生一些不良后果。因此常设定静态开关的方法来执行这些功能或输入数据。静态开关一经设定，将不再改变，一直维持设定的开关状态。通常这些开关状态是在单片机系统加电时由CPU读入内存RAM的，以后CPU将不再关注这些开关的状态，因此，即使加电后，这些开关的状态发生变化，也不会影响CPU的正常工作，只有在下一次加电时，这些新状态才能生效。第一，功能开关主要是根据开关的状态执行一些重要的功能。第二，拨码盘单片机应用系统中，有时要输入一些控制参数，这些参数一经设定，将维持不变，除非给系统断电后重新设定。这时使用数字拨码盘既简单直观，又方便可靠。7按键介绍常用的按键有三种机械触点式按键、导电橡胶式和柔性按键（又称触摸式键盘）。机械触点式按键是利用弹性使键复位，手感明显，连线清晰，工艺简单，适合单件制造。但是触点处易侵入灰尘而导致接触不良，体积相对较大。导电橡胶按键是利用橡胶的弹性来复位，通过压制的方法把面板上所有的按键制成一块，体积小，装配方便，适合批量生产。但是时间长了，橡胶老化而使弹力下降，同时易侵入灰尘。柔性按键是近年来迅速发展的一种新型按键，可以分为凸球型和平面型两种。凸球型动作幅度触感明显，富有立体感，但制造工艺相对复杂；平面型幅度微小，触感较弱，但工艺简单，寿命长。柔性按键最大特点是防尘、防潮、耐蚀，外形美观，装嵌方便。而且外形和面板的布局、色彩、键距可按照整机的要求来设计。422键盘模块的设计键盘模块是有四个按键组成，每个按键的一端都通过5K电阻和5V电源连接，另一端接地，它的接线如图49所示，四个按键分别和单片机的P21、P22、P23、P24口连接，每当有一个键按下时单片机的一个接口就会从高电平变为低电平，再通过软件的编程来控制步进电机的转动和液晶模块的显示。图49键盘模块接线图43本章小结本章对步进电机及其驱动模块的原理、特性、接口电路进行了详细的分析和介绍，此外还对单片机键盘模块进行了介绍，对本设计采用的键盘模块的电路进行了详细的说明。5硬件电路设计和软件的设计软硬件设计是本设计的核心部分，下面将对软硬件进行详细的介绍51AT89S51单片机的介绍本设计才用AT89S51单片机作为本设计的控制核心，下面将介绍AT89C51单片机的相关特性及参数。511AT89S51单片机简介AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的可系统编程的FLASH只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集FLASH程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89S51引脚如图51所示512主要性能参数与MCS51产品指令系统完全兼容4K字节在系统编程（ISP）FLASH闪速存储器1000次擦写周期4055V的工作电压范围全静态工作模式0HZ33MHZ三级程序加密锁1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统图51AT89S51引脚图看门狗（WDT）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式功能特性概述AT89S51提供以下标准功能4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。513引脚功能说明VCC电源电压GND地P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个逻辑门电路，对端口写“L”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口PL是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，PL的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“L”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。FLASH编程和程序校验期间，PL接收低8位地址，端口引脚第二功能如表51所示表51端口引脚第二功能端口引脚第二功能P15MOSI（用于ISP犏程）P16MISO（用于ISP犏程）P17SCK（用于ISP犏程）P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I0口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“L”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表52所示P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表52P3口第二功能端口引脚第二功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32INT0（外中断0）P33INT1（外中断1）P34T0（定时计数器0外部输入）P35T1（定时计数器1外部输入）P36WR（外部数据存储器写选通）P37RD（外部数据存储器读选通）RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALEPROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的16输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。EAVPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ASH存储器编程时，该引脚加上12V的编程电压VPP。XTALL振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端52硬件电路设计方案主要介绍了硬件电路的接线原理图，及每部分接线的调试和具体说明521硬件控制的设计方案硬件控制部分主要包括以下元器件AT89S51单片机，5V电源，电机驱动器BL210，步进电机，1602液晶显示模块，键盘模块，驱动电路的电路板和其它配件。硬件电路的控制原理如图52所示。键盘51单片机驱动器步进电机液晶显示模块控制模块执行元