精品毕业论文基于单片机的饲料自动供给系统设计

摘 要现代工业生产正处于一个劳动密集型，设备密集型，信息密集型向知识密集型转变的过程。在这一过程中，智能控制无疑起着重要的作用，单片机为核心的智能控制系统具有成本低，可靠性好的特点，同时具有实现下载和灵活设置参数的功能，具备扩展功能，可以增加控制方式，有很好的扩展性和兼容性.本设计主要通过单片机对步进电机的控制完成带传动，实现饲料的自动供给.根据现有条件和项目的要求，本文综合分析和对比了几种改造方案，最后使用单片机与步进电机组成系统。单片机系统是整个控制系统的核心，数据的读取和处理、电机的调速控制、数据的显示和报警都由它完成。本论文详细的分析了单片机控制板及其接口的组成和开发过程，介绍如何使用单片机、步进电机控制系统，以及使用单片机、键盘与显示、报警控制系统。对于实际应用系统实用方便与实用性是重要的，因此在论文中，从硬件和软件两方面分析和研究了整个系统的实用性与方便性，使得整个系统能够安全、稳定地工作。 关键字：单片机; 步进电机；自动调速ABSTRACTModern times industry production is in a change process of labor denseness, facility denseness and information denseness to knowledge denseness. Aptitude control plays a important role in this process. As a result of the aptitude control system based on SCM has the characteristic of low cost and good reliability and it has the function of download and agile parameter setup, agile spread at the same time, the system will be expansibility and compatibility.The design mostly gets across the SCM control about stepping motor to fulfill belt drive, and achieve feed automatic-provide. According to the current condition and the request, this paper analyses and contrasts some reform project, then using single chip computer and stepping motor to constitutes the system .two stage control system. The SCM that is the center of the whole control system is used to collect and process the data, adjust the speed of the electromotor and display the data, give the alarm. This thesis not only fully discusses the constitution and designed process but also introduces how to use single chip computer, stepping motor control system and single chip computer, keyboard and vision, alarm control system. For the practical and applied system, the reliability and facility is very important. So the reliability and facility of the whole system is analyzed from hardware to software o make the whole system operate safely and steadily.Key Words： SCM; stepping motor; speed regulation目 录1绪论11.1课题的研究背景11.2 课题的研究意义11.3 课题的研究内容12 饲料自动供给系统设计分析32.1供给控制系统方案分析32.1.1方案理论实现的理论设计基础32.1.2单片机的选择42.1.3步进电机的选择52.2 供给系统控制设计62.3 系统总电路设计73供给系统带传动的调速93.1步进电动机的工作原理与动态特征93.1.1步进控制与驱动系统的构成93.1.2 步进电机的选用103.1.3 步进电机的工作原理113.1.4步进电机的动态特性113.2 步进电动机的控制与调速133.2.1 步进电机控制系统的构成133.2.3 步进电机的速度控制134 控制系统硬件设计分析154.1 系统的硬件结构154.2 AT89S52 单片机的选用164.2.1 89S52单片机基本结构164.2.2 AT89S52单片机存储器的结构184.3 系统的硬件分析与扩展204.3.1 键盘电路的设计204.3.2 显示电路设计214.3.3 报警电路的设计224.3.4步进电机及其驱动电路的设计224.4 硬件系统的合成234.5 系统的抗干扰设计245系统的软件设计分析255.1 编写单片机应用程序的基本方法255.2 饲料供给系统程序流程26结 论29参考文献30附录一 系统软件程序31附录二 系统总电路图37附录三 总电路PCB板图38致 谢3940 1绪论1.1课题的研究背景随着科学技术的发展，人民生活水平的日益提高，畜牧业得到了很大程度的发展，动物饲养逐渐走进市场，成为了广大农民及民营企业家的致富手段甚至成为大型国有企业的经营方式。随着动物饲养业的快速发展，饲养动物呈现出品种多样化，数量大规模增加的趋势，这样势必造成喂养饲料量加大，喂养频率提高，夜间喂养等诸多问题，给饲养者带来巨大的不便。面对动物饲养方面现实的不便与困难，传统喂养方法以及设备的落后，为了使饲养者更加省时省力的创造更大的效益，特设计此设备。目前我国受诸多因素的影响，我国的智能控制技术方面整体发展水平还比较低，利用率也不高。在我国的现阶段，动物饲养有着突飞猛进的市场发展，且中小型饲养企业占据了大量分额。根据现有市场的情况，饲料供给系统有两个方面的弊病影响了饲养业的继续扩大：首先，传统的喂养方式不方便，不可靠，造成人力的大量的浪费，饲养动物的数量自然受到很大的限制；其次，国外以及国内高智能的供给设备成本巨大，只针对了大型企业的饲养，这样就严重影响了中小型动物饲养企业的发展。设备以单板机或单片机为智能核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需数千元左右就可以装备一台经济型饲料供给设备，很适合我国中小型动物饲养企业的使用。1.2 课题的研究意义传统的动物饲养绝大多数是人类直接进行的，饲养设备大部分是人工控制的，造成了人力的大量浪费，同时可靠性也有待于进一步的提高。现代工业生产正处于一个劳动密集型，设备密集型，信息密集型向知识密集型转变的过程。在这一过程中，智能控制无疑起着重要的作用，由于单片机为核心的智能控制系统具有成本低，可靠性好的特点，同时具有实现下载和灵活设置参数的功能，具备扩展功能，可以增加控制方式，有很好的扩展性和兼容性，由此，单片机控制的饲料供给系统是一个符合企业需要，个人需要，适应时代需要的装置。1.3 课题的研究内容本设计采用了单片机控制的步进电机，可以控制电机工作时间，电机在工作时间内的旋转速度。操作者首先在键盘上按下设定时间键，键入电机旋转的时间，时间数值会在数码管上显示，如果时间设定完毕，再按下速度设定键，根据饲养者自己的意愿，可以在电机的允许范围内任意设定旋转速度，在数码管上显示出规定时间内电机所转的圈数，时间每过一秒，电机减慢一定速度，直到时间为零、电机停止。时间与速度的减少保持同步，当一方为零，电机停止转动，以使食物停放在计算好的动物喂养位置。当在电机停止工作时，报警系统工作，发出已设定声音以提醒工作人员。现介绍此设计整体结构：如图1-1所示。报警 电路显示电路键盘输入单片机控制电路电机 运转 图1-1 系统整体结构框图2 饲料自动供给系统设计分析2.1供给控制系统方案分析2.1.1方案理论实现的理论设计基础在动物饲养的过程当中，我们要改变以往古老式的喂养方式。随着科学技术的发展，人民生活水平的日益提高，畜牧业得到了很大程度的的发展，动物饲养的市场在飞速扩大，成为了广大农民及民营企业家的致富手段甚至成为大型国有企业的经营方式。随着动物饲养业的快速发展，饲养动物呈现出品种多样化，数量大规模增加的趋势，这样势必造成喂养饲料量加大，喂养频率提高，夜间喂养，喂养地点多等诸多问题，给饲养者带来巨大的不便，当面临诸多问题的出现，饲养厂家，个人便会对以往的饲料供给方式提出更高的要求。传统的饲料供给绝大多数是人类直接进行的，饲料供给的设备大部分是人工控制的，造成了人力的大量浪费，同时可靠性也有待于进一步的提高。设备密集型，信息密集型向知识密集型转变的过程对饲料供给设备的转型提供了更高的平台。这是一个智能化的平台，智能控制在设备制造方面起到了核心的作用。动物的喂养，饲料的供给无疑离不开机械传动，在饲料的运送方面，带传动是必要的，这就要求在饲料供给中存在新的智能化带传动设备。在此设备的设计过程中，计算机，电机，传送带的组合构成了现代化的饲料供给运动控制系统。饲料供给系统的设计基于运动控制系统，运动控制系统又在计算机控制系统与电机控制系统的基础之上完成。在运动控制系统中，电机是与电能的生产、传输和使用有着密切关系的电磁机构。在日常生活中，电机的使用随处可见，比如:在很多场合大量使用各种电动机作为原动机，用以拖动各种机械设备;在军事、信息和各种自动控制系统中，使用大量的控制电机，作为检测、执行和计算等元件;在当今社会中，自动化概念已日渐深入人心，其中也随处可见电机的身影。 电机运动控制技术以电力半导体变流器件的应用为基础、以电动机为控制对象、以自动控制理论为指导、以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计(CAD)为手段，并且与检测技术和数据通信技术相结合，构成一门具有相对独立性的科学技术。在生产设备和过程自动化中发挥着日益重要的作用。随着新型电力电子器件、自动控制理论以及微处理器技术的发展机运动控制系统发生了巨大的变革。到了21世纪的今天，电机运动控制系统的技术水平更是提高到了一个新的高度，无论是应用的广泛程度，还是研究的深入程度都是过去人们想象不到的。在运动控制系统之中引入计算机，可以利用其强大的数据计算、数据处理以及信息存储等功能。根据不同的功能及性能的要求，运用计算机提供的各种指令编写出相应的控制程序，进而计算机通过执行这些控制程序，就能实现对被控参数的控制。计算机控制系统属数字控制系统，与传统模拟控制系统相比，数字控制系统具有明显的优越性: (1)数字控制器的参数设定灵活，可以较容易修改，有些控制器的参数还可以自动调整;而由运算放大器构成的PID调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工种的变化和对象的变化自适应能力差; (2)模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法，难以实现对交流电机这样复杂对象的控制;而数字控制器突出的数据处理能力为高级控制策略的实现提供了条件; (3)受成本的限制，模拟控制器的检测精度不高，因而控制精度也不易提高;而数字控制器的成本较低，且容易实现较高的控制精度; (4)用模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件复杂可靠性低，可重复性差;而数字控制器摒弃了复杂的硬件电路，硬件复杂度明显降低，系统可靠性得到提高。 总的来说，以计算机为控制器、基于现代控制理论的运动控制系统，品质指标无论稳态精度还是动态响应都达到了前所未有水平，比模拟式控制器高的多。2.1.2单片机的选择单片微型计算机(Single-chip Microcomputer)简称单片机。它是在一块芯片内集成了计算机的组成单元，包括中央处理CUP (Central Processing Unit),随机存储器RAM (Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read Only Memory)、定时器/计数器以及I/0接口(Input/Output)等主要的计算机部件。虽然单片机只是一个芯片，但它具有微机系统的组成和功能特征。单片机经历了4位单片机、8位低档单片机、8位高档单片机、16位单片机等各个阶段，现在正向高性能、高速度、高集成度、大容量、多功能、低功耗、加强I/0能力及结构兼容的32位和双CPU方向发展。尽管单片机的种类很多，但从国内情况来看，使用最广泛的仍是MCS-51系列。AT89S系列单片机是在MCS一51的HMOS基础上发展起来的，它们具有CHMOS结构。它保留了MCS-51单片机的所有特性，内部组成基本相同，而且AT89S系列单片机运算速度有了很大的提高，在功能上新增了双数据针、定时监视器（看门狗）等，能够更好的 满足各种不同的应用需要。同时89S52系列单片机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式:空闲方式和掉电方式89S52系列单片机产品中增加了一些外部接口功能单元，如A / D, PWM,PCA可编程计数器阵列)、WDT(监视定时器)、高速1/0接口、计数器的捕获/比较逻辑等。此外，由于89S52系列采用了 CMOS技术制造而成，较之MCS-51系列集成度高、速度快、功耗低。因此89S52单片机得到了广泛的应用 单片机的种类是很多的，有 PIC 系列、Motorola 系列、Intel 系列 8051 类单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O 能力、功耗、功能齐全、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择提供了很大的余地。Intel 公司生产的 51 系列单片机具有功能强大、价格低廉、体积小、开发工具易操作等特点，在市场中占有很大的份额，是一种比较通用且经济实惠的产品。AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型产品，采用了ATMEL公司的技术领先的Flash存储器，是低功耗、高性能、采用CMOS工艺制造的8位单片机。因而本系统中选用40 管脚的89S系列单片机 ATMEL89S52 作为主控芯片,它的基本特征如下： 与 MCS-51 产品兼容，8 位字长 CPU； 片内时钟振荡器，最高时钟频率为 12MHz-24MHz； 8KB 程序存储器 EEPROM，可进行 1000 次写/擦除操作； 片内有 256个字节的数据存储器 RAM； 可寻址外部程序存储器和数据存储器空间均为 64KB； 21 个特殊功能寄存器 SFR； 4 个 8 位并行 I/O 口，共 32 根 I/O 线，1 个双工串行口； 3 个 16 位定时器/计时器，8个中断源，有 2 个优先级； 具有位寻址功能，适用于布尔运算。2.1.3步进电机的选择步进电机是一种用电脉冲信进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。每输入一个脉冲，步进电机就转动一个角度或进一步。所以，控制输入的脉冲就可以控制步进电动机的位移量，控制脉冲频率就可以控制步进电动机的转速或线速度，在负载能力的范围内，这些关系不受温度，压力，冲击，震动及电压波动等因素的限制。如图2-1为步进电机系统构成。步进电动机特别适用于开环的控制系统，随着单片机、计算机和电力电子技术的发展，步进电动机的应用范围日益增大。目前，步进电动机广泛应用于数控机床，图2-1 步进电动机系统构成绘图机，计算机外设，医疗设备，饶线机，包装机械，机器人等驱动控制系统中。步进电动机需要配上专用的驱动电源才能工作，步进电动机和驱动电源构成了步进电机系统.从控制器输入速度信号和方向信号，环型分配器实现电机通电逻辑的控制。每来一个CP脉冲,环型分配器输出通电状态转换一次.因此,步进电动机转速的高低,升降速,启动或者停止都完全取决于CP脉冲的频率.方向信号决定了环型分配器输出正向通电逻辑还是反向通电逻辑.由于环型分配器输出弱电信号,不能直接用于驱动步进电机,故需要通过驱动电路来提高驱动能力。步进电机的特点:(1) 可以用数字信号直接进行控制,无须反馈,整个系统简单价廉;(2) 步距误差不会长期积累;(3) 无刷,可靠性高;(4) 易于启动、停止、正反转及调速控制，快速响应性好；(5) 停止时有自锁能力；(6) 可在相当宽范围内平滑调速，同时易于实现多台步进电机的同步运行控制；(7) 步距角选择范围大，可以根据不同的的需要选择步进电动机；(8) 步进电动机带惯性负载能力差；(9) 存在失步和共振现象;步进电动机的种类繁多，按激磁方式可以分为反应式（磁阻式）步进电动机、永磁式步进电动机和混合式（感应子式）步进电动机。2.2 供给系统控制设计本设计采用了单片机控制的步进电机，可以控制电机工作时间，电机在工作时间内的旋转速度。操作者首先在键盘上按下设定时间键，键入电机旋转的时间，时间数值会在数码管上显示，如果时间设定完毕，再按下速度设定键，根据饲养者自己的意愿，可以在电机的允许范围内任意设定旋转速度，在数码管上显示出规定时间内电机所转的初始速度，时间每过一秒，电机减慢一定速度，直到电机停止。时间与速度的减少保持同步，当一方为零，电机停止转动，以使食物停放在固定位置。当在电机停止工作时，报警系统工作，发出已设定音乐以提醒工作人员断电或者进行下一项操作。2.3 系统总电路设计在各个电路的设计完成之后，就可以进行硬件合成，就是将各单元的电路按照总体设计的硬件结构框图组合在一起，形成一个完整的硬件系统原理图。在进硬件合成时，重点的考虑以下几点：（1）根据输入输出的信号需要，全面安排微处理器的 I/O 口，查看是否够用，如果不够用，应扩展 I/O 口。（2）检查信号逻辑电平是否兼容。电路中可能兼有 TTL 和 MOS 器件，也可能有非标准的信号电平，若电平不兼容，就要增加电平转换电路。（3）从提高可靠性出发，全面检查电路设计。（4）考虑电源系统。相互隔离的电路必须采用各自独立的电源和地线，切不可混用。同一部分电路的电源，其电压种类应尽量减少。本系统的电源选择现成的产品来提供。（5）合理安排地线系统。硬件设计除了上述的内容外，还要进行做印制电路板、操作面板的设计等工作。在原理图的结构基础上，把系统分为两个模块，一为电源模块，此模块给系统提供电源；二为单片机控制模块，该模块有单片机控制驱动电路，键盘输入及显示电路，报警电路三个小的部分。如图2-2，图2-3分别为电源电路与单片机控制模块。图2-2 系统电源电路图2-3 单片机控制电路3供给系统带传动的调速饲料供给系统当中，饲料的传送是动物喂养的关键，本设计的目的是方便与实用相结合，实现智能化、自动化的饲料供给。根据设计思想，我们设备的饲料传送有提供远距离，提供量大，定时，定地点的全自动供给。这样的设计要求就对设备的运动系统提出更高的要求，在设备中，步进电机是设备运动核心，步进电机的变速过程是饲料传送的关键，如下详细介绍一下系统的调速过程。3.1步进电动机的工作原理与动态特征3.1.1步进控制与驱动系统的构成不管是那一种类型的步进电机，其开环运动控制系统都是相似的。典型的步进电机开环控制系统结构框图，主要由 PC 机、步进运动控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分组成。如图3-1为步进电机控制系统原理图。图3-1 步进电机控制系统原理结构图PC 机按照要求发出相应指令，控制器接收指令，并根据指令向各进给电机发出控制信号，各个电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机的电信号，实现正、反转控制和定位控制。同时上位机检测下位机的各种状态信号，进行诊断和处理。对于步进电机，必须使用专用的驱动器才能够正常工作。步进电机驱动器一般由环形分配器、功率放大器等部分组成。其中环形分配器根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行，给步进电机各相绕组提供足够的电流；此外，步进电机驱动器在相数、通电状态、电压、电流上要符合所控制的步进电机的技术参数要求。3.1.2 步进电机的选用步进电机在控制系统中是执行元件，在计算机接口和编程时是检测元件和解算元件。了解步进电机的主要技术参数，特别是其矩频特性，合理选择步进电机，是整个控制系统可靠工作的前提和保证。步进电动机的选用主要考虑以下几个指标：(1) 步距角：每给定一个电脉冲信号，电动机转子所应该转过角度的理论值，其计算公式如下： 式中：Z转子的齿数；N转子转过一个齿距的运行拍数。步进电机的转速 n 由下式表示：(f/min)式中：f输入脉冲的频率（Hz）；Z转子的齿数；N转子转过一个齿距的运行拍数。可见步进电机转速的高低，取决于输入到步进电机的脉冲频率的高低。电脉冲频率 f 高，则电机转速快，反之，转速慢。因此，步进电机的运动控制问题从根本上说就是要控制输入到步进电机的脉冲。(2) 最大静转矩；(3) 响应频率和起动频率 要求步进电动机输出很大的转矩，还是要求较高的定位精度和较快的反应速度，这是设计控制系统需要首先考虑的问题。步距角越小，分辨率越高；电动机的响应速度越快，系统的速度越快，整个系统的效率就越高。在选用步进电动机时，必须着重考虑步距角、响应频率和起动频率。步进电动机的选用将在很大程度上影响整个控制系统的分辨率和速度。3.1.3 步进电机的工作原理三相反应式步进电机的工作原理图如下图3.2，其定子上有六个极，每个极上装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子上有四个均匀分布的齿，其上没有绕组，当 A 相控制绕组通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，即转子齿 1、3 和定子齿 A、A对齐，如图 3-2（a）所示。若切断 A相，同时接通 B 相，在磁场力作用下转子转过30度，转子齿 2、4 和定子齿 B、B对齐，如图 3-2（b）所示，转子转过一个步距角。如再使 B 相断电，同时 C 相控制绕组通电，转子又转过 30度，使转子齿 1、3 和定子齿 C、C对齐，如图 3-2（c）所示。如此循环往复，并按 ABCA 顺序通电，步进电机按一定方向转动。电机的图3-2 三相反应式步进电机的工作原理转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率。实际的步进电机的转子铁心和定子磁极上均有小齿，齿距相等。定子和转子的齿数要有一定比例的配合，即要求在某一相的一对极下，定子和转子的齿一一对齐，而此时在其它两相的磁极下，定子和转子的齿要分别错开一定的角度。这样，如果步进电机的三相绕组按一定的方式通电，那么它就以一定的步矩角进行走步。3.1.4步进电机的动态特性机械负载位置的变化往往需要步进电机的连续运行，电机转子必须产生足够大的力矩，以克服摩擦和加速总惯量，电机无能力产生足够大的力矩时可能引起电机的失速，造成转子步进与相励磁之间失去同步，从而产生不正确的负载定位。因此步进电机加速、减速、恒速运行时产生的转矩以及电机能够驱动负载的最高速度等特性至关重要。矩-频特性一般用启动矩-频特性和运行矩-频特性来表示。它们之间关系的典型曲线如图3-3 所示。启动矩-频特性是牵入转矩与频率之间的关系曲线，运行矩-频特性曲线是失步转矩与频率之间的关系曲线。下图3-3是启动矩频特性及运行矩频图象，当工作在区范围内，步进电机可以停止和再启动，或者反向转动，而不会失步。步进电机在区的工作速度上所产生的最大力矩坐标位于启动矩-频特性曲线上，启动矩-频特性曲线与纵坐标的交点为最大运行力矩，与横坐标的交点为最大启动频率。区为单向工作区，在此区电机不能直接启动，若电机不停止、启动和换向，在此区域内工作，电机不会失步。为了在区内工作，电机必须首先在区内工作，然后利用控制加速度斜坡，转变到区。若达到不失步停止时，也要在限制加速度的条件下，由区转移到区，在减速时惯性反作用力矩为负，对电机有利。区为失步区域，在任何情况下都是不允许的。图3-3 启动矩频特性及运行矩频3.2 步进电动机的控制与调速3.2.1 步进电机控制系统的构成步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图3-4 所示。图3-4 步进电机控制系统的组成步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等。其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正反向控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本高，限制了它的应用。随着微型计算机的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电顺序即可获得所需的转角、转速及转向。这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。图 3-5控制步进电机的系统结构图。图 3-5 微机控制步进电机的系统结构图3.2.3 步进电机的速度控制步进电机可以方便的进行速度的控制。控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。确定时钟脉冲的周期有两种方法：一种是软件延时，通过编程加适当的语句来控制时间的长短，调用延时的子程序实现对速度的控制；另一种方法是用定时器，可利用单片机的某个定时器，加载适当的初值，经过一段时间，定时器溢出，产生中断信号，暂停主程序的运行，转而执行定时器中断服务程序，于是产生硬件延时效果。若将步进电机换相的子程序放在定时器中断服务程序中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制。由于步进电机失步的原因，需要对步进电机进行升降速的定位控制，运行速度都需要一个加速恒速减速低恒速停止的过程，如图 3-6 所示。图 3-6 步进电机直线规律升降速曲线各种系统在工作的过程中，都要求升降速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。以前一般的升降速规律设计，常常选择按直线规律升降速，它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度。在步进电机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的加速度和步进电机转子的角加速度成正比。步进电机转子的角加速度是由步进电机的输出力矩决定的，步进电机的输出力矩随着驱动脉冲频率的上升而下降，也就要求步进电机转子的角加速度随着脉冲频率的上升而下降，而采用直线规律的升降速却使步进电机转子的角加速度保持不变。所以，只有在步进电机的转矩随脉冲频率的上升保持恒定时，直线规律的升降速才是理想的升降速曲线，而当步进电机的转矩随脉冲频率的上升而下降时 ，它就不是理想的升降速曲线，它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，未能很好的发挥电机的加速性能。如果要求电机尽可能快的加速，则所有频率下都必须产生最大转矩，以这个转矩克服负载并加速系统惯量。4 控制系统硬件设计分析4.1 系统的硬件结构计算机的硬件和软件是相互结合而工作的，有些任务必须由硬件来实现，另外有些任务必须由软件来实现。但是也有一些任务可以由软件来完成，也可由硬件来完成。一般来说，增加硬件会提高成本，但能简化设计程序，且实时性好。反之，加重软件任务，会增加编程调试工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排软、硬件的结构。本系统步进电机速度的控制是由改变发出脉冲的时间间隔来实现的，用定时器来控制发出脉冲的时间间隔，这样更能发挥硬件实时性的优势，同时能够减轻软件的任务。系统的硬件框图如图 4-1 所示。系统采用单片机作为核心部件，通过扩展外围设备及接口电路完成对步进电机的并行控制。如下图4-1所示为简单的系统控制结构。图 4-1 系统控制结构由于本微机控制系统采用单片机作为核心部件，利用单片机构成系统应从元件级进行系统设计，根据任务需要，选择合理的单片机并配置必须的存储器、接口和外围设备来构成系统。在进行系统的扩展和配置设计时考虑了以下原则：1 尽可能的选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统功能的要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。3 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响。考虑的原则是，软件能实现的功能尽可能的由软件来实现，以简化硬件电路。但是由软件实现的硬件功能，其响应的时间要比直接用硬件实现的时间长，而且占用 CPU 时间。4 整个系统中的相关的器件要尽可能的做到性能匹配。5 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。根据以上设计原则及结构框图，逐一设计出每个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。4.2 AT89S52 单片机的选用微处理器的主要性能指标是位数、主频、寻址能力、指令系统、内部寄存器情况等。位数是重要的指标，除了影响运算精度外，还关系到指令系统的功能、寻址能力以及操作速度等。主频影响操作速度。寻址能力决定可能的最大存储容量。指令系统性能影响数据处理、输入输出等操作功能以及编程的方便性。内部寄存器的数量和功能也和操作方便性有关。此外，单片机都带有一定数量的内部RAM，还有内部 ROM 或其它器件。本系统选择 AT89S52 单片机，它具有以下优点：（1）内部含Flash存储器 在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，大大缩短了系统的开发周期。（2）和 80S52 插座兼容 该机型通用性好，能够利用现成的 51 系列的开发系统，不需另外重新建立新的开发系统，这样可节约开发成本。（3）静态时钟方式 AT89S52 单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低成品的功耗十分有用。（4）错误编程亦无废品产生 一般的 OTP 产品一旦错误编程就成了废品，而AT89S52 单片机内部采用了 Flash 存储器，所以错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。（5）可进行反复系统试验，用 AT89S52 单片机设计的系统可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优，而且随用户的需要和发展还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。4.2.1 89S52单片机基本结构中央处理器（CPU）与通用微处理器基本相同，只是增加了面向控制的处理功能。例如:位处理、查表、乘除法运算、状态检测等，增加了实时性。存储器采用哈佛结构，即程序存储器与数据存储器截然分开，分别寻址。89S52的并行I/0口PO-P3共四组，其功能强大、使用灵活;串行I/0口为全双工串行口，提高了与外围设备的通信能力。单片机内部设有定时电路，只需外接震荡元件，一般选用晶体振荡器，也可用外部时钟源。89S52内部结构主要包括算术逻辑单元ALU、累加器ACC、只读存储器ROM,随机存储RAM、指令寄存器工R、程序地址寄存器、程序计数器PC、地址指针DPTR,定时器/计数器、并行I/0口PO-P3、串行口、程序状态标志计数器PSW以及定时控制逻辑电路等。如下图4-2所示为单片机内部结构。 图4-2 所示为89S52单片机的基本内部组成89S52单片机采用40脚双列直插封装(DIP)形式，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。如图4-3所示为89S52单片机引脚图。 图4-3 89S52单片机引脚图P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位准双向I/O口。当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的准双向I/O口。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。4.2.2 AT89S52单片机存储器的结构存储器配置的任务是确定片外存储器的类型和容量，选定存储器型号，设计扩展电路。在硬件设计阶段，可根据对控制系统的分析，凭借经验大致估算所需存储器的容量，估算时应留有余量。对于 ROM 和 RAM，需分别确定容量。选择存储器芯片的型号时，应选择常用型号，尽量减小芯片的数量。AT89S52单片机的存储器结构分为程序存储器和数据存储器，各自又有芯片和扩展部分，因此AT89S52单片机的存储器结构分为四部分，即：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。1 程序存储器的结构AT89S52单片机的程序存储器采用的是Flash存储器，闪存存储器Flash是一种新型的存储器，是EPROM技术与EEPROM技术相结合的产物。Flash存储器可在几秒中的时间完成全片的擦写，编程速度超过EPROM与EEPROM，其典型值为10s/Byte，比EPROM快1个数量级之多，比EEPROM快了三个数量级之多。价格上Flash存储器具有相当的优势，相同容量的Flash存储器其价格不到EEPROM的一半。Flash存储器另外一个优点是支持在线编程，允许芯片在不离开电路板或不离开设备的情况下，实现固化和擦除操作，同时具有较强的抗干扰能力，允许电源有10%的燥声波动。AT89S52单片机芯片内配置了了8KB的可编程Flash存储器，地址为0000H1FFFH，可外部扩展到64KB，程序存储器结构如图4.2所示。 图4.4：程序存储器结构框图程序计数器PC是一个16位的独立计数器，其中存放着下一条将被读取的指令代码存放在程序存储器中的地址，程序计数器PC中地址数据的变化轨迹决定了控制程序的执行流程。当开机或复位后，PC中地址数据为0000H，因此开机或复位后总是从程序存储器的0000H存储单元开始读取指令代码。2 数据存储器的结构AT89S52单片机的数据存储器地址空间分为芯片内部和外部两个部分，这是与程序存储器相同的地方。与程序存储器不同的是使用了不同的指令访问内部数据存储器和外部数据存储器，使用MOV类指令访问内部数据存储器，使用MOVX类指令访问外部数据存储器。外部数据存储器最大地址空间为64KB，地址范围为0000HFFFFH。AT89S52单片机内部数据存储的容量为256B，地址范围为00HFFH，其内部数据存储器地址空间分布情况如图4-5所示：图4-5 AT89S52单片机内部数据存储器存储空间分布图