毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机实现对四相四拍步进电机的转速进行开环控制.doc

陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 44 页 目录 1 1 引言引言 3 11 选题背景意义.3 12 研究内容 4 2 2 步进电机概述步进电机概述 5 2.1 步进电机的分类.5 2.2 步进电机的工作原理及控制技术6 2.3 步进电机的主要技术指标 8 2.3.1 步进电机的基本参数8 2.3.2 动态指标及术语8 2.4 步进电机的工作特点 9 2.5 步进电机的控制方法 9 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 11 3.1 系统设计方案 11 3.2 系统的组成和对应功能的简述 11 3.2.1 单片机简介11 3.2.2 单片机中断14 3.2.3 中断控制的专用寄存器14 3.2.4 中断响应过程.17 3.3 单片机最小系统设计 18 3.4 控制电路的设计.19 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 44 页 3.5 驱动电路设计19 3.6 数码管显示电路20 3.6.1 数码管显示方式20 3.6.2 led 数码管21 4 4 系统软件设计及调试系统软件设计及调试 .23 4.1 软件设计 .23 4.2 仿真软件proteus特点25 4.3 isis 智能原理图输入系统26 4.4 proteus 6 professional 界面简介.26 4.5 操作简介 .27 5 5 调试调试 28 5.1 keil软件简介28 5.2 调试 .28 6 结束语结束语 32 致谢致谢 33 参考文献参考文献 34 英文翻译资料英文翻译资料 35 中文翻译资料中文翻译资料 38 附录附录 a a 总体原理图总体原理图 41 附录附录 b b 系统软件程序系统软件程序 42 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 44 页 1 1 引言引言 1 11 1 选题背景意义选题背景意义 步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机 上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要 高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自 动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、 需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电 一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步 进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号 驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态， 当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电 动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲 的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入 时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控 制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光 学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传 统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。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。 步进电机已成为除直流电机和交流电机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装 置，在人类的生活和生产进入电气化过程中起这关机的作用。可是在人类社会进入电气化时代的今 天，传统电动机已不能满足工业自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。发展了一系列新 的具有控制功能的电动机系统，其中较有自己的特点，且应用十分广泛的就是步进电机。 步进电机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备上取代小型电动机以 后，使其设备的性能提高，很快的促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术 的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用到其他领域，比如电加工机床，小功率机 械加工机床，测量仪器，光学和医学仪器以及包装机械等。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开怀控制元件。在非超载的情况稀奇啊，点 击的转速，停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给一个脉冲 信号，电机则转过一个步距角。这一现行关系的存在加上步进电机只有周期性的误差而无积累误差 等特点，使得在速度，位置等控制领域用步进电机控制变得非常简单。步进电机的调速一般是改变 输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速。因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的 角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时 的长短来具体控制步距角从而改变电机的转速，实现步进电机的调速。在本设计方案中采用 at89c51 型单片机内部的定时器改变 cp 脉冲的频率从而实现对步进电机的转速控制，实现电机调 速与正反转的功能。本课题通过单片机对步进电机的转速进行精确控制，满足了现代化工业对步进 电机的高要求。 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 44 页 1 12 2 研究内容研究内容 在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各项绕组按恰当的 时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时响应的两个磁极就分别形成绕 组通电时的两个磁极就分别形成极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将 转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前走一步。转子的角位移大小及输入 的脉冲数与频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能真确的控制输入的电脉冲，频率以 及惦记各相绕组通电相序，即可得到所需要的转角，转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电 机的转速进行控制。 本设计采用 at89c51 单片机实现对四相四拍步进电机的转速进行开环控制，由单片机产生的脉 冲信号经过 uln2083 芯片进行驱动，在该步进电机的控制中，电机可以实现正反转，可以加速，减 速，其中电机的转速分为七个级别。在显示电路中用单片机的 p0 口和 p2 口分别显示电机的正反转 和电极的转速级别。 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 44 页 2 2 步进电机概述步进电机概述 2.12.1 步进电机的分类步进电机的分类 步进电机分为三大类： (1)反应式步进电机（variable reluctance，简称 vr）反应式步进电机的转子是由软磁材料 制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进 电机有单段式和多段式两种。 (2)永磁式步进电机（permanent magnet），简称 pm 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制 成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步进角比较大，它输出转 矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。 (3)混合式步进电机（hybrid，简称 hb） 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。 混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需 提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体 的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、 低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组 通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此 这种电机在工业领域中得到广泛应用。 2.22.2 步进电机的工作原理及控制技术步进电机的工作原理及控制技术 步进电机是一种将点脉冲信号转换为角位移或线位移的执行元件，步进电机的输入是脉冲序列， 输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续运动时， 其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电 机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。 步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械位移和转速分 别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角 度.脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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。 步进电机不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备步进电机控制驱动器，控制器 可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列， 环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大 加到步进电机的各相输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机 软件设计的方法实行环形分配器的功能，通常称为软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配 器，通常称为硬件环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱 动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。具体控制如下： (1) 换相顺序的控制 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺 序为 a-b-c-a，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 a,b,c 相的通段。三相双三拍通电顺 序为 ab-bc-ca-ab,三相六拍的通电顺序为 a-ab-b-c-ca-a. 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 44 页 (2)步进电机的换向控制 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机的励磁方式为三相六拍，即 aabbbcccaa。如果按照反相通电换相，即 a-ac-c-cb-b-ba-a。则电机就反转。其他 方式情况类似。总之步进电机的通电顺序决定了电机的方向控制。 (3)步进电机的速度控制 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它就再转一步，两个脉冲的间 隔越短，步进电机的转速就越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行的调速。 (4)步进电机的起停控制 步进电机由于其电气特性，运转是会有步进感。为了使电机转动平滑，可以减小步进电机的步 进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机的停转是，为了防止因惯性我而使电机轴产生顺滑，则 需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使得步进电机的转轴不能自由转 动。 (5)步进电机的加减速控制 在步进电机的控制系统中，通电实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信 号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机的启动时，必须有加速过程，在停止时波 形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速 过程频率变化规律的逆程。选定的曲线比较符合步进电机升降速的运行规律，能充分利用步进电机 的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制 系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高频率称为“ 启动频 率” ， 于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。 点击的启动频率，停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地 对电机进行加减速控制，加速过程有突然施加的脉冲频率 f0.步进电机的最高启动频率（突跳频率） 一般为 0.1khz 到 34khz，而最高运行频率则可以达到 n*102khz，以超过最高启动频率的频率直接 启动，会产生堵转和失步的现象。 一般的应用中，经过大量的实践和反复验证，频率如直接按直线上升或下降，控制效果就可以 满足常规的应用要求。用 plc 实现步进电机的加减速控制，实践上就是控制发脉冲的频率。加速时， 使脉冲频率增高，减速时相反。如果使用定时器来控制点击的速度，加减速控制就是不断改变定时 中断的设定值。速度从 v1v2 变化，如果是线性增加，则按给定的斜率加减速：如果是突变，则按 阶梯加速处理。在此过程中要处理好两个问题： 一个是速度转换时间应尽量短。为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。结 合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率，就可以建立一个连续的数据表，通过在不同的阶段调用相 应的定时初值，就可以控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的，并不占用中断时 间，保证电机的高速运行。 另一个是保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另一个速度，就要建立一个校验机制， 以防超过或者达到所需速度。 (6)步进电机的换向控制 步进电机换向时，一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲 击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束以及下一个方向的第一个脉冲前 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 44 页 出发。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度，脉冲序列的均匀及高低电平方式。在某一高 速下的正，反向切换实质包括了降速-换向-加速三个过程。 2.32.3 步进电机的主要技术指标步进电机的主要技术指标 2.3.1 步进电机的基本参数步进电机的基本参数 (1)空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启 动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲 频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到 高速）。 (2)电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的 值，如 86byg250a 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8），这个步距角可以称之为电机 固有步距角， 它不一定是电机实际工作时的真正步距 角，真正的步距角和驱动器有关。 (3)步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相，三相，四相，五相步进电机。电机相数不同， 其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的 要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可 以改变步距角。 (4)保持转矩（holding torque）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。 它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输 出力 矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量 步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2n.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保 持转矩为 2n.m 的步进电机。 2.3.2 动态指标及术语动态指标及术语 (1)步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分表示：误差/ 步距角*100%。不同运行拍数其值不同， 四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 (2)失步：电机运转是运转的步数，不等于理论上的步数，称为失步。 (3)失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误 差，采用细分驱动是不能解决的。 (4)最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能 够直接起动的最大频率。 (5)最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转 速频率。 (6)运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩 特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 44 页 (7)电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般 在 180-250pps 之间（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角为 0.9 度），电机驱动电压越高， 电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大， 不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定而动态力矩却不 然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流）平均电流越大，电机输出力矩越 大，即电机的频率特性越硬。 2.42.4 步进电机的工作特点步进电机的工作特点 (1)一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 (2)步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致 力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来 讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温 度在摄氏 80-90 度完全正常。 (3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成 一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相 电流减小，从而导致力矩下降。 (4)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有 一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率 高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果 要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希 望的高频（电机转速从低速升到高速）。 (5)步进电机的转速还可以用步距角来表示即 n=f/6 *步距角。 2.52.5 步进电机的控制方法步进电机的控制方法 步进电机控制虽然是一个比较精确的，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等 优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的 cp 脉冲的频率或者换向周期实际上就是 控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。 延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可 发出一定频率的 cp 脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是 cp 脉 冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运 行。但占用 cpu 时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是 利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出 cp 脉 冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出 时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。在某些应用中，需要更多的可靠性、安全性 或产品质量的保证，因此，闭环控制也是一种选择.以下是一些实现步进电机闭环控制的方法： (1) 步进确认，这是最简单的位移控制，使用一个低值的光学编码器计算步进移动的数量。一 个简单的回路与指令校验的步进电机比较，验证步进电机移动到预计的位置。 (2) 反电动势, 一种无传感器的检测方法，使用步进电机的反电动势 （electromotiveforce，emf）信号，测量和控制速度。当反电动势电压降至监测探测水平时，闭 环控制转为开环控制，完成最终的位移移动。 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 44 页 (3) 全伺服控制，指全时间的使用反馈设备，用于步进电机-编码器、解码器、或其它反馈传 感器上，从而更为精确地控制步进电机位移和转矩。 其它的方法包括各种不同的反电动势控制电机参数测量和软件技术，一些制造企业都会使用这 些方法。这里，步进驱动监控和测量电机线圈，使用电压额电流信息提高步进电机控制。正阻尼使 用这一信息阻挡振动的速度，产生更多的可用的转矩输出，降低转矩的机械振动损耗。无编码器安 装监测采用信息检测同步速度的损耗。 传统步进电机控制通常采用反馈设备和非传感方法，是有效的实现带有安全需求、危险状况或 高精确度要求的运动应用的方法。 大多数基于步进电机的系统，一般都运行在开环状态下，这样可提供一个低成本的方案。 事 实上，步进系统可提高位移控制的的性能，且不需要反馈。 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 44 页 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 系统设计方案系统设计方案 本设计采用单片机 at89c51 来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱 动芯片 uln2083 及外围电路构成了整个系统的驱动步部分。系统的具体功能和要求如下： 1) 单片机最小系统的设计： 2) 控制电路的设计； 3) 驱动电路的设计； 4) 显示电路的设计； 5) 能实现步进电机的转速调节，最低转速为 25 转每分，最高转速为 75 转每分； 6) 步进电机的正反转和转速等级由数码管显示； 3.23.2 系统的组成和对应功能的简述系统的组成和对应功能的简述 整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，数码管显示，复位模块，电源是时钟模 块等。具体系统框图如下； 复位电路 电源时钟电路 步进电机uln2083 驱动电路 显示电路 单片机 核心控 制单元 图 3.1 3.2.1 单片机简介单片机简介 本次设计以 cpu 选用 89c5l 作为步进电机的控制芯片89c51 的结构简单并可以在编程器实现 闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容 mcs5l 系列单片机的所有功能。 at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。 at89c51 主要特性： 1). 4k 字节可编程闪烁存储器 2).寿命：1000 写/擦循环 3).数据保留时间：10 年 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 44 页 4).全静态工作：0hz-24hz 5).三级程序存储器锁定 6). 128*8 位内部 ram 7). 32 可编程 i/o 线 8).两个 16 位定时器/计数器 9). 5 个中断源 10).可编程串行通道 11).低功耗的闲置和掉电模式 由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效微控制 器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案单片机的引脚功能: vcc:电源电压 gnd：地 p0 口：p0 口是一组 8 位漏极开路双向 i/o 口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一 个管脚都能够驱动 8 个 ttl 电路。当“1”被写入 p0 口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。p0 口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的 上拉电阻。p0 口在闪烁编程时，p0 口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。 p1 口：p1 口一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 的输出缓冲级可驱动 4 个 ttl 电路。 对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，某个引 脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，p1 口接收低 8 位地址。 p2 口：p2 口是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 的输出缓冲级可驱动 4 个 ttl 电 路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储 器时，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时，p2 口线上的内容在整个 运行期间不变。闪烁编程或校验时，p2 口接收高位地址和其它控制信号。 p3 口：p3 口是一组带有内部电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 口输出缓冲故可驱动 4 个 ttl 电路。 对 p3 口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的 p3 口将用电阻 输出电流。p3 口除了作为一般的 i/o 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 3.1 所示： 表 3.1 p3 口第二功能 端口引脚 第二功能 p3.0 rxd p3.1 txd p3.2 int0 p3.3 int1 p3.4 t0 p3.5 t1 p3.6 wr p3.7 rd 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 44 页 p3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。 rst：复位输入。当震荡器工作时，ret 引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位 ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale 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 以时钟震荡频率的 1/16 输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时 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 脉冲时，闪烁存储 器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的 8eh 单元的 d0 位置 禁止 ale 操作。这个位置后只有一条 movx 和 movc 指令 ale 才会被应用。此外，这个引脚会 微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ale 无效。 psen：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89c51 由外部程序存储器读 取指令时，每个机器周期两次 psen 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器 时，这两次有效的 psen 信号不出现。 ea/vpp：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，ea 端必须保持低电平。需 要注意的是：如果加密位 lbi 被编程，复位时内部会锁存 ea 端状态。如 ea 端为高电平，cpu 则 执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电压 vpp，当然 这必须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp。 xtal1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：震荡器反相放大器的输出端。 时钟震荡器 at89c51 中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1 和 xtal2 分别是 该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自 然震荡器。 外接石英晶体及电容 c1，c2 接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接电 容 c1，c2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作 的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用 30pf10pf，而 如果使用陶瓷振荡器建议选择 40pf10pf。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图示。 这种情况下，外部时钟脉冲接到 xtal1 端，即内部时钟发生器的输入端，xtal2 则悬空。由于外 部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特 殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 图 3.2 内部振荡电路 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 44 页 图 3.3 外部振荡电路 3.2.2 单片机中断单片机中断 mcs-51 单片机的中断源共有两类，它们分别是：外部中断和内部中断 外部中断源 外部中断 0（ ）：来自 p3.2 引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。 外部中断 1（ ）：来自 p3.3 引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。 内部中断源 定时器计数器 0（ t0 ）：定时功能时，计数脉冲来自片内；计数功能时，计 数脉冲来自片外 p3.4 引脚。发生溢出时，产生中断请求。 定时器计数器 1（ t1 ）：定时功能时，计数脉冲来自片内；计数功能时，计 数脉冲来自片外 p3.5 引脚。发生溢出时，产生中断请求。 串行口：为完成串行数据传送而设置。单片机完成接受或发送一组数据时，产生 中断请求。 3.2.33.2.3 中断控制的专用寄存器中断控制的专用寄存器 mcs-51 单片机为用户提供了四个专用寄存器，来控制单片机的中断系统。 (1) 定时器控制寄存器（tcon） 该寄存器用于保存外部中断请求以及定时器的计数溢出。进行字节操作时，寄存器地址为 88h。按位操作时，各位的地址为 88h8fh。寄存器的内容及位地址表 3.2 如下： 表 3.2 定时寄存器内容 位地址 8fh 8eh 8dh 8ch 8bh 8ah 89h 88h 位符号 tf1 tr1 tf0 tr0 ie1 it1 ie0 it0 it0 和 it1外部中断请求触发方式控制位 it0 （it1）1 脉冲触发方式，下降沿有效 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 44 页 it0 （it1）0 电平触发方式，低电平有效 ie0 和 ie1外中断请求标志位 当 cpu 采样到 （或 ）端出现有效中断请求时，ie0（ie1）位由硬件置“1” 。当中 断响应完成转向中断服务程序时，由硬件把 ie （或 ie ）清零。 tr0 和 tr1定时器运行控制位 tr0 （tr1 ）0 定时器/计数器不工作 tr0 （tr1 ）1 定时器/计数器开始工作 tf0和 tf1计数溢出标志位 当计数器产生计数溢出时，相应的溢出标志位由硬件置“1” 。当转向中断服务时，再由硬件自 动清“0” 。计数溢出标志位的使用有两种情况：采用中断方式时，作中断请求标志位来使用；采用 查询方式时，作查询状态位来使用。 (2) 串行口控制寄存器（scon） 进行字节操作时，寄存器地址为 98h。按位操作时，各位的地址为 98h9fh。寄存器的内容 及位地址表 3.3 如下： 表 3.3 串行口控制寄存器（scon） 位地址 9fh 9eh 9dh 9ch 9bh 9ah 99h 98h 位符号 sm0 sm1 sm2 ren tb8 rb8 ti ri 其中与中断有关的控制位共 2 位： ti串行口发送中断请求标志位 当发送完一帧串行数据后，由硬件置“1” ；在转向中断服务程序后，用软件清“0” 。 ri串行口接收中断请求标志位 当接收完一帧串行数据后，由硬件置“1” ；在转向中断服务程序后，用软件清“0” 。串行 中断请求由 ti 和 ri 的逻辑或得到。就是说，无论是发送标志还是接收标志，都会产生串行中断请 求。 (3) 中断允许控制寄存器（ie） 进行字节操作时，寄存器地址为 0a8h。按位操作时，各位的地址为 0a8h0afh。寄存器的 内容及位地址表 3.4 如下： 表 3.4 中断允许控制 位地址 oafh oaeh 0adh 0ach 0abh 0aah 0a9h 0a8h 位符号 ea / / es et1 ex1 et0 ex0 其中与中断有关的控制位共 6 位： ea中断允许总控制位 ea0 中断总禁止，禁止所有中断 ea1 中断总允许，总允许后中断的禁止或允许由 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 44 页 各中断源的中断允许控制位进行设置。 ex0和 ex1外部中断允许控制位 ex0（ex1）0 禁止外部中断 ex0（ex1）1 允许外部中断 et0和 et1定时器/计数器中断允许控制位 et0（et1）0 禁止定时器/计数器中断 et0（et1）0 允许定时器/计数器中断 es串行中断允许控制位 es=0 禁止串行中断 es=1 允许串行中断 可见，mcs-51 单片机通过中断允许控制寄存器对中断的允许（开放）实行两级控制。即以 ea 位作为总控制位，以各中断源的中断允许位作为分控制位。当总控制位为禁止时，关闭整个中 断系统，不管分控制为状态如何，整个中断系统为禁止状态；当总控制位为允许时，开放中断系统， 这时才能由各分控制位设置各自中断的允许与禁止。 mcs-51 单片机复位后（ie）00h，因此中断系统处于禁止状态。单片机在中断响应后不会 自动关闭中断。因此在转中断服务程序后，应根据需要使用有关指令禁止中断，即以软件方式关闭 中断。 (4) 中断优先级控制寄存器（ip） mcs-51 单片机的中断优先级控制比较简单，因为系统只定义了高、低 2 个优先级。高优先级 用“1”表示，低优先级用“0”表示。各中断源的优先级由中断优先级寄存器（ip）进行设定。ip 寄存器地址 0b8h，位地址为 0bfh0b8h。寄存器的内容及位地址表 3.5 如下： 表 3.5 中断优先级控制 位地址 obfh obeh 0bdh 0bch 0bbh 0bah 0b9h 0b8h 位符号 / / / ps pt1 px1 pt0 px0 其中： px0外部中断 0 优先级设定位； pt0定时中断 0 优先级设定位； px1外部中断 1 优先级设定位； pt1定时中断 1 优先级设定位； ps串行中断优先级设定位。 以上各位设置为“0”时，则相应的中断源为低优先级；设置为“1”时，则相应的中断源为高 优先级。 优先级的控制原则是： 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 44 页 低优先级中断请求不能打断高优先级的中断服务；但高优先级中断请求可以打断低优先 级的中断服务，从而实现中断嵌套。 如果一个中断请求已被响应，则同级的其它中断服务将被禁止。即同级不能嵌套。 如果同级的多个中断同时出现，则按 cpu 查询次序确定哪个中断请求被响应。其查询 次序为：外部中断 0定时中断外部中断定时中断串行中断。 3.2.43.2.4 中断响应过程中断响应过程 中断响应过程为，中断源发出中断请求对中断请求进行响应执行中断服务程序返回主程 序。这个过程可分为三个阶段来完成。 (1) 中断采样 对于外部中断请求，中断请求信号来自于单片机外部，计算机要想知道有没有中断请求发生， 必须对信号进行采样。 电平触发方式的外中断请求（it0/it10）采样到高电平时，表明没有中断请求，ie0或 ie1 继续为“0” 。采样到低电平时，ie0/ie1由硬件自动置“1” ，表明有外中断请求发生。 脉冲触发式的外中断请求（it0/it11）在相邻的机器周期采样到的电平由高电平变为低电 平时，则 ie0/ie1由硬件自动置“1” ，否则为“0” 。 (2) 中断查询 由 cpu 测试 tcon 和 scon 中的各个中断标志位的状态，确定有那个中断源发生请求，查询时按 优先级顺序进行查询，即先查询高优先级再查询低优先级。如果同级，按以下顺序查询： s 如果查询到有标志位为“1” ，表明有中断请求发生，接着就从相邻的下一机器周期开始进行中断响 应。 (3) 中断响应 当 cpu 查询到中断请求时，由硬件自动产生一条 lcall 指令，lcall 指令执行时，首先将 pc 内容压入堆栈进行断点保护，再把中断入口地址装入 pc，使程序转向相应的中断区入口地址。 lcall 指令的形式如下： lcall addr16 ；addr16：中断入口地址 入口地址已由系统设定，如下： 表 3.6 中断响应 中断源 入口地址 int0 0003h t0 000bh int1 0013h t1 001bh s 0023h 陕西理工学院毕业设计 第 17 页 共 44 页 从表中可以看出，每个中断区只有 8 个单元，很难安排下一个中断程序，一般是在中断入口地 址处加一条跳转指令，跳转到用户的服务程序入口。编写中断服务程序的格式一般如下： org 0000h sjmp main org 0003h ajmp 1njerrvp main： here： sjmp here 1njerrvp： ；中断响应程序 reti 并不是所有的请求都被响应，当遇到下列情况之一时不响应这些中断请求： （1）cpu 正在处理一个同级或者高级的中断服务 （2）当前指令还没有执行完毕 （3）当前指令是 ret、reti 或者是访问 ip、ie 的指令，执行完这些指令后，还必须再执行一 条指令，才响应中断请求。 注意：mcs-51 单片机对中断查询结果不作记忆，当有新的查询结果出现时，因为以上原因而 被拖延的查询结果将不复存在，其中断请求也就不能再被响应了。 3.33.3 单片机最小系统设计单片机最小系统设计 最小系统一般包括：单片机，复位电路，晶振电路。 复位电路：使用了独立式键盘，单片机的 p1 口键盘的接口。该设计要求只需 4 个键盘对步进 电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用 6 路独立式键盘。复位电路采用手动复位， 所谓手动复位是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用 30pf 的电容和 12m 晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。 晶振电路：8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部中断方式。 在引脚 xtal1 和 xtal2 外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。 由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉 冲。内部振荡方式的外部电路如图所示。其电容一般在 530pf，晶振频率的典型值为 12mhz，采 用 6mhz 的情况比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路使用较多。 陕西理工学院毕业设计 第 18 页 共 44 页 图 3.4 最小系统设计电路 3.43.4 控制电路的设计控制电路的设计 根据系统的要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别 sw1,sw2,s2,s3,控制电路如图所示。通过 sw1,sw2 状态来实现点击的启动和换向功能。当 sw1，sw2 状态变化时，内部程序检测 p1.0 和 p1.1 的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系 统的电机的启动和正反转控制 根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲信号 频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电 机的加减速主要是通过 s2，s3 的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储 区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变电 机的转速。具体控制电路如下图: 图 3.5 控制电路 陕西理工学院毕业设计 第 19 页 共 44 页 3.5 驱动电路设计驱动电路设计 通过 uln2083 构成比较多的驱动电路，电路图如下所示。通过单片机的 p1.0p1.3 输出脉冲到 uln2083 的 1b4b 口，经过信号放大后从 1c4c 分别输出到点击的 a，b，c，d 相。 图 3.6 驱动电路 3.6 数码管显示电路数码管显示电路 3.6.1 数码管显示方式数码管显示方式 （1）静态显示方式 静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持显示结果，直到下次发送新的显示 数据为止。这种显示占用机时少，显示可靠，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。这种显示方 式的不足在于使用元件多，且线路也比较复杂。但是，随着大规模集成电路的发展，目前已经研制 出具有多种功能的显示器件，例如锁存器、译码器、驱动器、显示器四位一体的显示器件，用起来 比较方便。 占用的硬件资源多，成本高，只适合显示位数较少的场合。数码管静态显示电路在实际应用中 很少采用。 （2）动态显示方式 动态显示，就是微型计算机定时地对显示器进行后期扫描。在这种方式中，显示器件分时工作 每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉没有反应过来，所以，仍感觉所有的器件都在显示，如 陕西理工学院毕业设计 第 20 页 共 44 页 许多单片机的开发系统及仿真器上的 4 位显示器即采用这类显示方式。此种显示的优点是使用硬件 少，因而价格低，线路简单。但它占用机时长，只要微型计算机不执行显示程序，就立马停止显示。 由此可见，这种显示将使计算机的开销增大，所以，在以工业控制为主的控制系统中应用较少。 3.6.2 led 数码管数码管 led(发光二极管)数码管是单片机应用系统中常用的输出设备，用于显示系统的工作状态和数 据信息 led 数码管内部有八个发光二极管，这些发光二极管组成一个带小数点的 8 型，数码管的 笔段名称依次为：a ,b,c,d,e,f,g,dp,有对应的引脚和他们相连。在内部有两种接法，一种是将所有二 极管的负极连在一起作为公共端，称为共阴型数码管；另外一种是将所有数码管的正极连在一起， 称为共阳型数码管。公共端引脚的名称为 com,又成为数码管的位。常见 led 数码管如图 5.7 所示。 图 3.7 常见 led 数码管 数码管的公共端一般接地或电源，或者是通过控制电路控制它接地或电源，比较简单。数码管 要显示不同的字符是通过控制加在段上的信息实现的，在单片机的应用电路里是用一个 8 位的 i/o 去控制，一般按下表 5.1 中的方式对应。 表 3.7 led 数码管编码方式 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 dp g f e d c b a 8 位的二进制的可以组成数码管显示的字符信息，其中用“