利用AT89C51单片机设计小型控制系统毕业设计.docVIP

摘要本文主要讨论了利用AT89C51单片机设计小型控制系统，同时使用步进电机，它作为控制系统的执行部件，通过硬件电路的设计以及相关软件的设计，达到控制步进电机的各种转动形式。首先，论文介绍了一般控制系统的共性；其次，对控制系统中涉及的重要部件AT89C51单片机和步进电机，作了较为详细的说明，而且对步进电机的软件控制方式也作了简要的说明；最后，介绍了整个控制系统的三部分主要电路的设计：复位电路、驱动电路、直流稳压电源电路。关键词：单片机 步进电机 驱动电路ABSTRACT This paper reports an approach to designing Mini-type Control System by using AT89C51 single chip, and Stepping Motor, which is execution components of control system. Hardware circuit and Software can control stepping motor wheeling. First, the paper illustrate control system commonness; second, critical component of control system, AT89C51 single chip and stepping motor, is presented particularly, at the same time, the paper introduces software control mode; in the end, the whole control system consist of three segments: resetting circuit、driving circuit、direct current stabilization electrical source circuit. KEY WORDS: single chip, stepping motor, driving circuit前言 随着集成电路技术的快速发展和广泛应用，一些脉冲分配专用集成电路以及步进电机的驱动电路集成块也应运而生，这些集成电路的特点是体积小，驱动效率高，系统控制较为稳定，可广泛用于要求高效率，高精度，高稳定性的设备中，如打印机，绘图仪，磁盘驱动器以及数控机床等，但是这类驱动模块也存在不足之处：用户对驱动模块的控制机理较难掌握。品种少，价格昂贵。该类驱动模块的柔性控制性能较差，只能实现某种专用功能的控制。所以在对步进电机的控制要求不高的情况下可以用其它电路替代这些集成模块。本文将为你介绍一种利用AT89C51单片机作为控制器的小型多功能控制系统，它不仅能驱动步进电机等执行机构，而且还能用于驱动其它的控制部件，如彩灯的循环显示，汽车清洁机的动作等。而且也达到一定的控制精度。第一章 控制系统的介绍1.1 控制系统的介绍一般控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两种形式，图1.1为开环系统示意图。由图可知，由于开环控制系统没有反馈，被控对象参数的异常变化（由于不可测干扰，器件参数或被控对象特性变化所引起）不能反回到控制器，因而不能自动纠正这种偏差。但是开环系统结构简单，调试方便，在系统内外干扰很小的条件下，通过采取一定的措施可以获得较高的控制精度。图1.1 开环控制系统框图图1.2为闭环控制系统示意图，它是反馈控制系统。被控对象参数被反馈回控制器，并和输入信号比较，当有偏差时，控制器产生控制信号，自动减小这种偏差。因此，闭环系统克服了开环系统的缺点。在系统内外有不可测干扰的条件下，仍有可能达到精确控制，但闭环系统较开环系统复杂，成本高，调试也比较麻烦，因此实际工作中应视情况而定。常常是将两者结合使用。图1.2 闭环控制系统框图在整个控制系统中，控制器起着关键作用，系统中的大部分最原始的控制参数都是从控制器发出，而且受其控制。所以一个系统的好坏，关键取决于控制器是否稳定。1.2 控制系统的介绍在这里控制器可分为两种类型。1）由硬件电路实现的控制器 这种控制器可以达到很高的响应速度，但是它随控制规律的改变其硬件也需要随之改变，所以在应用中有一定的限制。2）硬件和软件相结合的控制器 这种控制器一般都由计算机或者可编程的单片机构成，这样就能把系统的控制规律以程序的形式出现，所以只需向计算机或单片机中写入控制程序即可。在应用当中比较灵活。在这次设计中，我们以步进电机为控制对象设计了一个小型控制系统，所以选择了第二种控制器。第二章 单片机系统的介绍AT89C51是一种低功耗，高性能的片内有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的8位微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且与8051能完全兼容。片内的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储器对程序存储器重复编程。所以我们选用了AT89C51单片机。2.1 硬件结构下图2.1为AT89C51的芯片图，从外观上和8051是相同的，唯一的区别在于其内部的可编程/擦写只读存储器（FPEROM）。图2.1 外部结构图2.2为其内部硬件结构。图2.2 AT89C51内部结构2.2 引脚定义1）：VCC（40脚） 电源端 GND（20脚） 接地端 以上这两个引脚通常应接高频和低频滤波电容。2）：时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚） 接外部石英晶体和微调电容一端，在片内它是振荡器的倒相放大器的输入，若使用外部时钟时，该引脚必须接地。XTAL2（18脚） 接外部石英晶体和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部时钟时，该引脚作为外部时钟的输入端。3）：控制信号引脚ALE、Error! No bookmark name given.、和RST ALE/（30脚） 地址锁存允许信号输出端，在存取片外存储器时，用于锁存低8位地址，当单片机上电正常工作后，ALE端就周期性地以时钟振荡频率的1/16的固定频率向外输出正脉冲信号，ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL器件。（此引脚的第二个功能为编程输入端。（29脚） 程序存储允许输出端，是片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。CPU从外部程序存储器取指令时，在每个机器周期中两次有效，但在访问片外数据存储器时，要少产生两次负脉冲信号。/VPP（31脚） 程序存储器地址允许输入端，当为高电平时，CPU执行片内程序存储器的指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令，当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令，当片内FPEROM编程是，该端接21V编程电压。RST（9脚） 复位信号输入端，高电平有效。4）：输入/输出引脚P0、P1、P2、P3AT89C51单片机的P0、P1、P2、P3四个I/O口都是双向端口每个端口都包含一个锁存器、一个驱动器和一个输入缓冲器。除了作为普通的I/O使用外，P0、P2端口还可以作为地址/数据总线使用。这时P0端口输出地址总线的低8位字节，P2端口输出地址总线的高8位字节。作为I/O口使用时，P1、P2和P3端口内部已经接上拉电阻。P0则不同于其它端口，输出为漏极开路输出，与外部设备接口时要接上拉电阻。当P0、P2作为地址/数据总线使用时，不可作为普通I/O口使用，另外，P0口做I/O口时，一定要外接10K的上拉电阻，这一点很重要。还有当P1、P2、P3端口作为输入端使用，应首先将端口置1。此外P3口除了作为一般准双向口使用外，每个引脚还有其它的功能，如下： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外部中断0输入口） P3.3 INT1（外部中断1输入口） P3.4 T0 （定时器0外部输入口） P3.5 T1 （定时器1外部输入口） P3.6 （写选通输出口） P3.7 （读选通输出口）2.3 AT89C51在系统中的运用 AT89C51在整个系统中作为控制器，在硬件电路上，AT89C51外接了一个MAX691芯片，起看门狗的作用，详细功能分析将在后续章节中作讨论；在软件编程接口上，用以定义P1口来确定步进电机运行的步距角，定义P3.0和P3.1口来控制步进电机是正转还是反转，而P3.3，P3.4和P3.5则用以定义控制电机转动的脉冲输入。所以全面的理解单片机系统对这次设计至关重要，尤其对它各个引脚的功用的理解对硬件电路的设计很重要。图2.3 编程校验波形图第三章 步进电机的工作原理及工作方式3.1 步进电机概述步进电动机本质上属于断续运转的同步电机。它可作为数字控制系统中的执行组件，其功用是将输入的脉冲电信号变换为阶跃性的角位移或直线位移。亦即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步。因为它输入的既不是正弦交流，又不是恒定直流，而是脉冲电流，所以又称它为脉冲电动机。其具有精度高、惯性小的特点，特别适合于数字控制系统。它既可用作驱动电动机，又可用作伺服电动机，并主要用于开环系统，也可用作闭环系统的控制组件。如图3.1为步进电机功用图。图3.1 步进电机功用图由于步进电机本身就具有相当高的精度，且惯性也比较小，主要用于开环控制系统，所以用它作为这次设计的被控对象。并且用单片机控制步进电机有以下好处。1）提高了步进电机的控制精度，且直观、有效。2）提高了运行的可靠性、稳定性。3）易于维修。3.2 步进电机的工作原理和方式在实际运用当中，如果控制系统需要变换控制功能，假如都从硬件着手，就必须要重新设计硬件电路，这样一来，灵活性就显的比较差，而且成本又高。所以大多数的控制系统都采用软硬结合的方法，使系统的控制功能加强，电路简化，从而达到提高可靠性和灵活性。本次设计通过软件来控制步进电机的转向、转速、步距角等。3.2.1 控制步进电机的转向步进电机的转向是通过送入电机绕组的脉冲顺序来控制的。当采用三相六拍的方式时，如果通电顺序为AABBBCCCAA时，电机正转，那么当通电顺序为AACCCBBBAA时，电机将反转，其环行分配表如下表2.1根据步进电机的转向与工作是绕组通电顺序变化规律，在内存ROM中存入励磁代号，设表头地址为TAB0，表尾地址为TAB7。显然驱动信号按从TAB0开始，逐步加1的顺序变换，电机正转；如按TAB7开始，逐步减1的顺序变换，电机反转。表3.1 控制模式表步序工作状态16进制导电相ORG TAB0正转反转C B ATAB0：DB 0 0 H0 0 10 1 10 1 0 1 1 01 0 02 0 101H03H02H06H04H05H A A、B B B、C C C、ADB 0 0 HDB 0 0 HDB 0 0 HDB 0 0 HDB 0 0 HDB 0 0 HTAB7：DB 0 0 H3.2.2 控制步进电机的转速步进电机的转速由脉冲信号的周期T决定。而脉冲信号的周期由CPU通过延时子程序等方法确定。延时子程序中可以设置控制信号的延时时间来控制电机的转速。转速表达式为： n=（转/分）式中，N为电机转动一周应设定的控制字节数。采用三相六拍工作时，步距角为1.5，则有 N=360/1.5=2403.2.3 旋转角度的控制旋转角度与输出控制字节数M的关系为M=/1.5，只要把M保存在字节计数器里，每输出一个字节，步进电机转动一步，同时将字节计数器减1。当字节计数器为0时，步进电机转动了M步。对应的角度为。 3.2.4控制转向、转速、角度程序的流程图控制电机转速及正、反转的程序流程图如图4.1。首先由用户在单片机上定义的接口，预置引脚的工作方式，包括步进电机的转向、预置电机行进的距离和延时时间。然后开中断，当进入中断服务程序后，首先确定电机的转向，如果在工作单元DIRECT中，存放方向字节（0或FF）。若存放0，则反转；若DIRECT中存放FF则为正转。相应地调反向前进子程序，步进电机反向前进一步。或反之。在正向或反向前进一步以后，校验送出的脉冲数与要求的距离是否相等（距离=0？），如果距离等于零，则转主程序入口，准备下一段的距离，否则由中断返回准备下一步。3.2.5 自动加/减速控制流程图在上面所讨论的控制程序流程图中，步进电机一直是以恒定的转速工作，为了是步进电机在运行当中不会出现丢步现象运行是的速率要小于电图3.2 控制电机正、反转及转速的流程图机的运行频率，在这个频率下能保证电机不出现停止或丢步现象。但是由于这个频率过低，在这种情况下，假如电机需要走的距离较长，则花费的时间则也较长，所以经常采取变速控制的方法。图4.2为变速控制的程序流程图。图3.3 加速/减速流程图第四章 控制系统的设计4.1 系统总体设计方案计算机参与控制的生产机械和生产过程多种多样，控制要求各不相同，设计方法也不一样，在计算机控制系统中，软件起着相当大的作用，但没有硬件部分，软件也无法实现其作用，一般要根据具体对象设计其软件。针对系统设计要求，我采用AT89C51单片机控制步进电机的旋转，单片机是核心部件。一切控制信号都必须由单片机来产生和控制，其它的外扩电路是辅助性的。由程序定义单片机的外部中断1、定时器0、1得到步进电机所需的脉冲输入信号，然后用所得的控制信号去控制驱动电路中的三极管的导通与关断，从而控制步进电机的旋转步数、方向和速度。下图5.1为这次设计的控制电路系统的框图。4.2复位电路的设计由单片机组成的控制系统在一般使用的环境很复杂，强电磁干扰和静电干扰常常会引起逻辑电路的误动作和单片机的死机，而像精度一样，系统的可靠性是产品的生命。所以假如能在系统工作的时候有这样一个电路器件能时时监控系统的可靠性，并且能及时返回给单片机，以便使单片机能作出相应的动作。这里就经常用到MAX系列的芯片，因为在其芯片内部有“看门狗”（Watchdog），经常用到的这类芯片有MAX691/1691、AMD691等，它们能实时监控系统出错，所以在这里有必要讨论一下它们的有关功能及所解决的问题，有关上述器件的引脚功能及电气指标，请参看资料。以下总结了几条上述器件的有关功能。电源故障报警、后备电池低电压检测报警等功能。加电复位及电压复位功能。电源不足（加电复位前，掉电复位后）时的误操作封锁功能。为CMOS器件如时钟器件、CMOS RAM及其它低耗器件提供后备电池切换功能。看门狗作用。功能1）可通过LED给用户和工程师或相关程序提供相关信，使其作出反应措施，也可用于掉电前预警，如图5.2。当系统掉电时，电源波形如图5.3, t1时刻，由于V18V，V34.65V时才触发单稳产生复位信号，以可靠复位系统。它既可以提供Reset，也可以提供/Reset，且在电源电压下降的时候也提供复位信号，以防止电压过低时系统产生误动作。功能3）很重要，在上电期间和掉电期间，是误动作高发期。对于控制系统和存储器等设备，这时常常产生一些致命的误动作和误改数据，通过MAX691的Cein和Ceout可将敏感器件的片选保护起来，即在上电前、掉电后的事故高发区将敏感器件的片选置为无效，可以非常有效地避免“事故”发生。对于功能4），电子工程师常用图 5.6所示电路。显然D1上有压降，对于硅管压降达0.5V以上，锗管也在0.2V以上。对于MAX691而言，其内部采用的是MOS管，导通电阻约为25欧姆，对于小电流场合，压降很小，其有一定的优越性。图4.6 后备电池供电电路功能5）最重要，其在单片机死机时，能自动复位系统，可对系统的软硬件缺陷起到一种弥补作用，以大大提高应用系统的可靠性。本次毕业设计为了使系统的稳定更高，在AT89C51的复位键上外接了一个MAX691芯片，只要单片机出现死机或电压不够等现象是，MAX691中的看门狗就会做出反应，使系统复位。图5.7就是MAX691在系统中的连接方法。图4.7 系统复位电路图4.3驱动电路设计4.3.1 光电耦合器的几点说明1、光电耦合器性能总结图5.9为这次设计中用到的4N25光电耦合器。光电耦合器可以将单片机与驱动电路部分有效的隔离起来，能有效防止干扰从过程通道进入单片机。光电耦合器能很好的抑制脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道信噪比提高，具有很强的抗干扰性，因为：1）光电耦合器的输入电阻很小，一般为1001000，而干扰源内则很大，通常为105108因此能进入光电耦合器输入端的噪声很小。2）光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，即使有很高的电压幅值的干扰，但由于不能提供足够的而被抑制。3）光电耦合器是在密封下实现输入回路与输出回路的光电耦合器，不会受到外界的干扰。图4.8 光电耦合器2、光电耦合器的测试光电耦合器作为电路间信号隔离传输的光电耦合器正得到广泛应用，主要是它能抑制系统的噪声消除外界对电路的干扰，使电路简化。一般可以用万用表测试它的好坏，只要分别测其输入和输出端的好坏。输入端的测试和普通二极管的相同，输出端则与受光器件有关。对有基集引出端的光电三极管和光电二极管的测试方法与普通的测试法一样；对无基集引出端的光电三极管，测试时，好的器件C-E间正反向电阻均应无穷大。4.3.2 驱动电路的设计一般步进电机都是三相输入，如图4.8中的COM1COM3是三相接口。除了R2、R4、R6应采用比较小的电阻外，图中的电阻都是限流的保护电阻，由单片机输出的脉冲信号经放大器放大到可用的信号，假如电机能正常驱动则发光二极管就会导通发光，同时发光二极管还起到了保护工作，它能防止过高的反向电压击穿三极管，从而导致单片机的损坏。另一方面由稳压电源输出的电压作为步进电机的控制电压，继电器就相当于一个电压选择器，它能屏蔽过高和过低的电压，保证电机正常驱动。图4.9 驱动电路图上面说的只是一种方法，但是不常用，在这次设计当中，我用到了光电耦合器，以下就介绍一下具有光电耦合器的驱动电路。运用光电耦合器能有效的消除外界环境的干扰，如图5.9所示光电耦合器的2、4管脚应该接地，6引脚悬空。电阻R2、R3、R4和前述的一样，其它的电阻为限流电阻（都在1K以上）。假如驱动电压脉冲不够，可以在光隔与单片机之间接反向器来提高驱动能力。在整个驱动电路部分，放置元器件时应做到“步步为营”，即在功放之前可接上发光二极管，以监测电路有没有正常工作，还有在功放的集电极和步进电机之间也可接上发光二极管来检测电路。4.3.3 应该注意的问题在具体电路中应注意的问题将在下面4个方面来说明。1）驱动电路的接地端和单片机的接地端应接同一个地。这个问题很容易在实际操作中被忽视，假如在整个系统中没有同一个参考点，将不保证每个端口上接的是起原始电压，从而影响系统的工作。2）单片机与步进电机之间应连接光电耦合器。在这个驱动电路里光电耦合器是至关重要的，它隔离了单片机与步进电机，保证了电路的安全性。例如，假如功放的某个管脚接错的话，将导致步进电机27V的驱动电压倒置，形成很大的反向电流流入单片机，摧毁系统。3）P1口输出与功放之间应接限流电阻（1K10K）。4.4 直流稳压电源电路的设计从简单的晶体管和集成运放再到复杂的数字、模拟系统中，几乎所有的电子电路都需要一个或多个稳定的直流电压源。在本次设计中也需要一个27V的直流电源来驱动步进电机，以下就是直流稳压电源的具体设计过程。4.4.1 总体框图的构思一般稳压电源的源电源都是源自于居民用电的220V、50HZ的电压，所以首先我们需要一个适当的电源变压器和整流电路，把经过变压器的小电压变成单向脉冲的电压然后再经过滤波电路（如电容滤波、电感滤波、阻容滤波等），滤除掉脉冲电压的交流部分，保留直流部分，即把电压处理成比较平滑、脉动小的直流电压。最后经过稳压电路部分，把前面的电压变成基本上不随电网电压波动和负载变化而变化的直流电压。总体框图如图3.10。图4.10 直流稳压电源框图由于整流电路是由4个整流二极管组成，比较简单；还有滤波电路可参看文献1。在这里主要讨论稳压电路的设计。在这次设计中我采用了串联型晶体管稳压电路，它的一般形式如图5.11它由基准电压、比较放大、采样电路和调整元件等基本环节组成图中的比较放大是核心部分，可以采用单管放大电路形式，如图5.11，基准电压是衡量电源输出电压是否稳定的标准，要求严格恒定，不受输入电压、负载电流、温度等因素的影响。采样电路应该取出稳压电路输出电压的一部分，把它送回和基准电压比较。当电源的输出电压偏离所需的稳定值时，就有一个偏差信号经放大后送到调整元件的输入端，然后再输出调整后的电压，同时向负载提供电流。在图3.11中，由反馈理论知，要使输出电压稳定，反馈深度应尽可能的大，反馈系数Fu越大越好，在满足深度反馈的条件下，由上式可知，稳压电路的输出电压基本上取决于基准元件VDz的Uz和采样电阻的值，当Rw的滑动点在最下端，即Rw2=0，当Rw的滑动点在最上端，即Rw2=Rw,图4.11 比较放大电路由于以上电路在稳压性能上还存在一些不足，比如在零点漂移，温度稳定性方面，还有在提高电路增益方面，所一再在以上电路的基础上在稍加改动，就能得到稳定度比较高的稳压电路，先把完整的稳压电源电路附上，如图3.12。这就是完整的稳压电源。图4.12 稳压电源电路结 论经过将近一学期的学校和努力，终于将本次毕业设计完成了。利用AT89C51单片机作为控制器的小型多功能控制系统，它不仅能驱动步进电机等执行机构，而且还能用于驱动其它的控制部件，如彩灯的循环显示，汽车清洁机的动作等。由于时间紧迫没有焊接实物，只有原理图。单片机有很强大的功能，作为本次毕业设计的核心。一切控制信号都必须由单片机来产生和控制，其它的外扩电路是辅助性的。所以在本次设计中，单片机在整个控制系统中主要起着给定计算、数据处理和直接控制等作用。一般说来，单片机控制系统由硬件和软件共同组成。对于既可用硬件实现，又可用软件实现的功能，在进