毕业设计（论文）-基于单片机的步进电机控制系统设计

目 录摘 要 2 绪 论3第一章 单片机的基本原理及其应用41.1单片机的基本概念 41.2单片机的介绍 41.3单片机的特点 51.4单片机的应用 5第二章 步进电机的基本知识 62.1步进电机的基本原理 62.2步进电机的静态指标术语 62.3步进电机的特点 72.4常用步进电机的类型及特点 72.5 步进电机驱动器的直流供电电源的确定 82.6 步进电机的驱动方式 82.7 步进电机在应用中的注意点 8第三章 单片机控制步进电机系统实现原理 103.1步进电机控制原理 103.2步进电机速度控制以及正转后转程序 113.3步进电机单片机控制系统的要求 143.4 步进电机控制的输出字表15第四章 系统硬件电路设计和实现164.1硬件电路的实现 164.2 单片机硬件系统设计原则174.3 主要原器件的功能说明 174.4 硬件系统的实现 204.5 系统控制流程图 22第五章 结束语 24附录 25参考文献 30英文原文 32译文39摘 要本文着重介绍了用单片机控制步进电机系统的一种设计方法，此系统是通过键盘实现对步进电机的正转、反转以及速度快慢的控制。并采用两只数码管直观的显示步进电机的正反转以及步进电机的转数。并且在文中给出了步进电机驱动电路的电子线路以及单片机控制步进电机的原理图，在附录中给出了实现本控制的控制程序。通过以上几个部分的研究使我们对步进电机的驱动控制问题有了较为深入的了解，为今后系统的改进和开发打下了良好的基础，同时，经过这段时间的研究试验表明该控制系统是绝对可行的。关键词：单片机 步进电机 软件设计ABSTRACTThis text introduced a kind of using an a design for entering electrical engineering system method, passing the keyboard realizes to enter the electrical engineering to the step positive, anti, quick and slow control counteract the figures tube keeps the view of of the manifestation step enters the electrical engineering turn, inside out, turn the number, and gave to include a the step enters the electrical engineering drives homologous electronics in etc. in electric circuit circuit with software processPassing above a few and part of researches make us beating the bottom the good foundation to an improvement for entering electrical engineering driving controling problem contain thorough understanding, for from now on system developments, at the same time, study the result expressed and should control the possibility of the system.Keywords:The single a machine; step enters the electrical engineering; software design.绪 论步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。在自动化控制的程度越来越高，传统设备与计算机普遍联系的当今社会中，将步进电机与计算机联系起来是一种必然的发展趋势。本设计主要就是将步进电机与单片机紧密联系起来，通过单片机的驱动程序来控制步进电机的各种运行动作，以实现传统的步进电机的高度自动化。第一章 单片机的基本原理及其应用11单片机基本概念自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。纵观20年来单片机发展里程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。电子计算机的机构框图见图2-1它有运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五大部分组成。运算器是计算机处理信息的主要部件。控制器产生一系列控制命令，控制计算机各部件自动的、协调一致的工作。存储器是存放数据和程序的部件。输入设备用来输入数据和程序，常用的输入设备有键盘、光电输入机等。输出设备将计算机的处理结果用数字、图形等形式表现出来。常用的输出设备有显示终端、数码管、打印机、绘图仪等。 数据 数据存储器运算器输入设备 操作指令 输入命令 存取命令控制器输出设备 输出命令图1-1计算机结构图示12 单片机的介绍单片微型计算机简称单片微机或单片机，这种微型控制器目前已经广泛应用于众多自动控制领域，因其无论在处理能力,稳定性方面都具有极其卓越的性能。本文即以目前常用的Intel公司-系列单片机为主控部件对步进电机进行转角控制。虽然此系统是采用开环控制，但在单片机机的控制下仍能达到较高的精度。此控制系统的硬件主要组成：系列单片机，外围驱动电路，键盘，数码显示等。单片微型计算机（single chip microcomputer）简称单片微机或单片机它是把组成微型计算机的各功能部件:中央处理器（CPU），随机存取存储器，只读存储器,可编程存储器,并行及串行输入/输出（口）接口电路及其它功能部件如定时器/计数器、中断系统等集成在一块半导体芯片上,构成一个完整的微型计算机.随着大规模集成电路技术的发展,单片机内还可包含/,/转换器,高速输入/输出部件,通道,浮点运算等新的特殊功能部件.由于它的结构和指令都是按工业控制要求设计的,特别适合于工业控制及与控制有关的数据处理场合,因而目前应确切称其为微控制器(Microcontroller). 技术的进步深化了单片机在工业控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等领域的突出地位，并使他不断扩宽应用范围，增添了新的活力。MTP是可多次编程的意思。一些单片机厂商以MTP的性能、OTP的价位推出他们的单片机，如ATMEL AVR单片机，片内采用FLASH，可多次编程。华帮公司生产的8051兼容的单片机也采用了MTP性能，OTP的价位。这些单片机都使用了ISP技术，等安装到印刷板线路板上以后再下载程序。1.3单片机的特点单片机芯片的集成度很高，它将微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，它具有以下特点：1体积小、重量轻、价格便宜、耗电少。2根据工控环境要求设计，且许多功能部件集成在芯片内部，其信号通道受外界影响少，故可靠性高，抗干扰性优于一般的CPU。3控制功能强，运算速度快。其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。有极丰富的条件分枝转移指令，有很强的位处理功能和I/O口逻辑操作功能。4片内存储器的容量不可能很大；引脚也嫌少，I/O引脚不够用，且兼第二功能以至第三功能。但存储器和I/O接口都易于扩展。1.4单片机的应用由于单片机的以上特点，可推知其应用于最多的领域为1因为它具有小、轻、廉、省、的特点尤其耗电少，又可使供电电源的体积小、重量轻，所以适合用于电脑型产品，在家电电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品上的已应用。2适用于仪器、仪表，不仅能完成测量，还具有（运算、误差修正、线性化、零漂处理）、监控等功能，易于实现数字化和智能化。3有利于机电一体化技术的发展，多用于数控机械、缝纫机械、医疗设备、汽车等。4广泛应用于打印机、绘图仪等许多计算机外围设备，特别是用于智能终端，可大大减轻主机负担。5用于各种工业控制，如温度控制、液面控制、生产线顺序控制等。6宜于多机应用。例如机床加工中心，其各种功能可分集有各个单片机子系统分别完成，上级主机则负责统管、协调。又例如要求较高的数据监测采集系统，每一采集通道如是一单片机子系统，可实现多点同时快速采集和预处理，然后再有主机进行集中处理和控制，以构成大型的实时监测系统。 以上的归纳还不够完善，但已可知单片机的应用已渗透到国民经济的各个领域，极大的推动了计算机技术的普及，而且可以预期，随着单片机性能的进一步提高，它的应用将更趋广泛。他对我国许多产品的升级换代、工厂企业的设备更新都将起着十分巨大的作用。第二章 步进电机的基本知识2.1 步进电机的工作原理步进电机是数字控制电机，它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。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，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。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：控制换相顺序。通电换相这一过程称为脉冲分配。四相步进电机的工作方式如下：单相四拍工作方式。其电机控制绕组A、B、C、D的正向通电顺序为 A-B-C-D-A; 反相通电顺序为：D-C-B-A-D四相八拍工作方式。正转的通电顺序为： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。反转的通电顺序为： -DC-C-CB-B-BA-A-AD-D控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度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，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。22 步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音.23 步进电机的特点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最高温度。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）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。24 常用步进电机的类型及其各自的特点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。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛.。25 步进电机驱动器的直流供电电源的确定2.5.1 电压的确定混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为1248VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。2.5.2 电流的确定供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.11.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.52.0倍。2.6 步进电机的驱动方式步进电机常用的驱动方式是全电压驱动,即在电机移步与锁步时都加载额定电压.为防止电机过流及改善驱动特性需加限流电阻。由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗掉大量的功率。因此，限流电阻要有较大功率容量，并且开关管也要有较高的负载能力。步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动，即在电机移步时加额定或超过额定值的电压，以便在较大电流驱动下，使电机快速移步。而在锁步时则加低于额定值的电压，只让电机绕组渡过锁步所需的电流值。这样既可以减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机运行速度。但这种驱动方式的电路相对要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即使用脉冲分配器实现。现在脉冲分配器已经标准化，芯片化，市场上可以买到。但硬件方法不但结构复杂，而且成本也较高。步进电机控制也可以使用软件方法，即使用单片机实现，这样不但简化了电路，而且也降低了成本。使用单片机以软件方法，驱动步进电机，不但可以通过编程方法在一定范围内自由地设定步进电机的转速，住返转动的角度以及转动次数等；而且还方便灵活也控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求。因为常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。2.7 步进电机在应用中的注意点1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5、电机在较高.0速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选电机后选驱动的原则。10、其他说明 有关低频振动、升降速、机械共振、工作往复运动的误差、平面圆弧X、Y插补误差以及其他问题。具体解决办法恕不便在此叙述，我厂用户可来电咨询，可根据具体情况解决。 不同厂家的电机在设计、使用材料及加工工艺方面差别很大，选用步进电机应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。 最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。这样便于最终客户的维护。第三章 单片机控制步进电机系统实现原理3.1 步进电机控制原理步进电机是数字控制电机，它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。步进电机可分为反应式步进电机、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： (1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。 (2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 (3)控制步进电机的速度 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，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。步进电机两个相邻磁极之间的夹角为60度，线圈绕地相对的二个磁极构成一相。此外各梯极上还有5个均匀分布的矩形小齿。电机转子上没有绕组，它上面有40个矩形小齿均匀分布在园周上，相邻两个齿之间的夹为9度。当某相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，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。（1） 步进电机控制（2） 如果通过单片机按顺序的脉冲电流，就可以控制电机转动，从而进行了数字 角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数据成正比，转动的速度与脉冲频率成下比，而转动方向则与脉冲的顺序有关，以三相步进电机为例，电流脉冲的施加共有三种方式。 单相三拍方式按单相绕组施加电流脉冲 A B C 正转 A C B 反转 双相三拍方式按双相绕组施加电流脉冲 AB BC CA 正转 AC CB BA 反转 三相六拍方式单相绕组和双向绕组交替施加电流脉冲 A AB B BC C CA A AC C CB B BA单相三拍方式的每一拍步进角为3度，三相六拍看法进角则为1.5度。因此在三相六拍下，步进电机的运行平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动脉冲的频率需提高一倍，对驱动开关管的开关特性要求较高.步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法,即使用单片机实现,这样不但简化了电路,而且也降低了成本.使用单片机以软件方式驱动步电机,不但可以通过编程方法在一定范围之内自由地设定步进电机的转速,往返转动的角度以及转动次数等;而且还可以方便灵活地控制步进电机 的运行关门,以满足不同的用户的要求.因此常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器. 32 步进电机速度控制以及正转后转程序 延 时Y是表首？X是表尾？X是表首？ADY=ADY+1AD=表尾ADX=表首ADX=ADX+1ADX=表尾ADX=ADX-1ADY=表首ADY=ADY-1X是表尾？ZF=1？ZF=3？取ADX单元的输出字，并送PA口取ADY单元的输出字，并送PB口ZF=1，2ADX,ADY分别指向输出字表地址 按正序或反序取输出字可控制步进电机正转或反转，输出字更换得越快，步进电机的转速越高。因此，控制图中的延时时间常数，即可达到调速的目的。步进电机的工作过程是“走一步停一步”的循环过程，也就是说步进电机的步进时间是离散的，步进电机的速度控制记忆是控制步进电机产生步进动作时间，使步进电机按照给定的速度规律进行工作。若Ti为相邻两次走步之间的时间间隔Vi为进给一步后的末速度（步/s），a为进给一步的加速度，则有 Vi=1/TiVi+1=1/Ti+1 Vi+1-Vi=1/(Ti+1)-1/(Ti+1)=aTi+1根据上式即可计算出相邻两步之间的时间间隔。由于此式的打算比较繁琐，因此一般不采用在线计算求得各个Ti，通过一张延时时间表把它编入程序中，然后按照表地址依次取出下一步进给的值，通过延时程序或定时器产生给定的时间间隔，发出相应的走步命令。若采用延时程序来获得进给时间，刚CPU在控制步进电机期间不能作其它的工作，CPU读取Ti后，就进入循环延时程序，当延时时间到，便发出走步控制命令，并重复此过程，直到全部进给完毕为止；若采用定时器产生给定的时间间隔，速度控制程序应在进给一步后，把下一步的值送入定时器的时间常数寄存器，然后CPU就进入等待中断状态或处理其它事务。当定时时间一到，就向CPU发出中断请求，CPU接受中断后立即响应，便发出走步控制命令，并重复此过程直到全部进给完结为止。步进电机的走步控制程序流程如上图所示。以下是用汇编语言编写的控制步进电机正转和反转的程序。org 00hx1:mov r3,#250start:mov r0,#00hstart1:mov p1,#0ffhmov a,r0mov dptr,#tablemovc a,a+dptrjz startcpl amov p1,acall delayinc r0djnz r3,start1mov r3,#250start2:mov p1,#0ffhmov r0,#05start3:mov a,r0mov dptr,#tablemovc a,a+dptrjz start2cpl amov p1,acall delayinc r0djnz r3,start3jmp x1delay: mov r5,#40;延时。d1: mov r6,#10d2: mov r7,#18djnz r7,$djnz r6,d2djnz r5,d1rettable:db 03h,09h,0ch,06hdb 00db 06h,0ch,09h,03hdb 00end3.3 步进电机单片机控制系统的要求步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要返馈信号。因为步进电机的运动不产生旋转量的误差积累。 本次设计的主要是要通过89C51芯片来控制步进电机的各种动作。步进电机单片机控制系统原理图如下所示：显示部分采用的是数码管，其主要原因已经在前几章做了相应的介绍。显示 单片机负载步进电动机驱动电路键盘 图3-1步进电机单片机控制系统原理图3.4步进电机控制的输出字表 如图所示的步进电机控制接口电路中，选定由PA0,PA1,PA2通过驱动电路来控制x轴步进电机，由PB0，PB1，PB2通过驱动电路来控制y轴步进电机，并假定数据输出为“1”时，相应的绕组通电；为“0”时，相应的绕组通电。下面以三相六拍控制方式为例确定步进电机控制的输出字。 当步进电机的相数和控制方式确定之后，PA0PA1和PB0PB1输出数据变化的规律就确定了，这种输出数据变化规律可用输出字来描述。为了便于寻找，输出字以表的形式存放在计算机指定的存储区域。下表给出了三相六拍控制方式的输出字表。X轴步进电机输出字表Y轴步进电机输出字表存储地址标号PB口输出字存储地址标号PB口输出字ADX1ADX2ADX3ADX4ADX5ADX600000001=01H00000011=03H00000010=02H00000110=06H00000100=04H00000101=05HADY1ADY2ADY3ADY4ADY5ADY600000001=01H00000011=03H00000010=02H00000110=06H00000100=04H00000101=05H第四章 系统硬件电路设计和实现4.1硬件电路的实现 系统的电路图如图所示，其主要元件有AT89C51单片机，74LS47译码器以及步进电机的驱动电路构成。之所以选用AT89C51是因为其有很多8031等芯片无法比拟的优点，下文将详细介绍其主要功能和优点。42 单片机硬件系统设计原则一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。本次设计着用简单的电路来实现一个系统的工作原则，设计了以上电路图。虽然驱动电路内部结构比较复杂，但由于其系统的相似性，实现起来并不困难， 而且便于程序的控制。4.3 主要元器件的功能说明4.3.1 AT89C51简介 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。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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。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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机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。其主要特性与引脚功能简介如下：(1)主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 (2)管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。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口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，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。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。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（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如上表所示。P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。(3)振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡。432 共阳极数码管数码管在仪器仪表中主要显示单片机的输出数据，状态等，因而作为外围典型器件，数码管显示是反映系统输出和操纵输入的有效器件。用单片机驱动LED数码管有很多方法，可分为静态显示和动态显示。静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用和电路硬件较多。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板的空间。44 硬件系统的实现单片机用AT89C51，是因为它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，可擦除只读存储器可以反复擦除100次，便于程序的写入。其内部有程序存储器，而8031没有，用8031就需要扩展，给系统的实现带来一定的困难。89C51和8031可以达到相同的效果，只不过EA脚接高电平。AT89C51为系统的实现提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT98C51的在本系统中的作用是为步进电机提供相应的时序脉冲。主要过程为：每当步进电机从脉冲输入线上得到一个脉冲，便沿时序所确定的方向前进一步，通过这种方式，从而控制步进电机的各种运行动作。系统实现的驱动电路原理图如上图所示，驱动控制电路包括光电耦合和功率驱动两个部分，步进电动机串联有限流电阻。当P1.0输出高电平时，光耦合器导通，功放管导通，A相绕组通电。P1.0输出低电平时，光耦合器截止，A相绕组断电。这样就实现了P1.0的输出脉冲对A相绕组的控制。同样通过控制P1.1,P1.2,P1.3可以实现对B,C,D相的控制.74LS47译码器是一种常用的七段显示译码器，该译码器的输出为低电平有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时对应字段熄灭。该译码器能够驱动七段显示器显示015共16个数字的字形。输入A3、A2、A1和A0接收4位二进制码，输出a、b、c、d、e、f和g分别驱动七段显示器的a、b、c、d、e、f和g段。在本系统中AT89C51单片机通过总线与74LS47译码器相联，从而对数码管的显示进行驱。在本系统中是用了两个共阳极数码管，通过74LS47译码器与AT89C51相连，从而显示步进电机的各种相关的动作。数码管显示电路的设计主要有两种方法：1. 串行接法 设计中要显示2位数字，要用74LS47作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，发送数据时容易控制。 2. 并行接法 使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。 由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，因此选用了串行接法，可以起到节约资源的效果。按键S1、S2分别为模式键和运行键，模式键盘使数码管进入步电机的转动方向或步数。运行键刚主要使步进电机进入相应的运行状态，两个按键分别接在AT98C51单片机P2.0、P2.1口。单片机在工作之前都要复位，复位对于单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作。一般的复位只需要5ms。要进行复位，只要在单片机的RST引脚上加高电平就行了，为了达到时间不少于5ms，需要在外部设计电路。复位电路的实现有好多种方法，但从功能上一般分为两种：一种是电源复位，即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制；另一种方法是在复位电路中设计按键开关，通过按键开关的触发复位电平，控制单片机的复位。在本文中使用的是电源复位的方法，用的是上电复位电路。本次设计所用步进电机为42BYG028型步进电机，其主要技术指标如下：相数：4 电压：12v 电流：0.4A 电阻：30欧 电感：23mH 最大静转矩：2000g.cm。其接线图如下所示：红 A 白 0 绿BC 0 D 黄 黑 蓝 通过实验证明以上系统是完全可以实现的，并且可以达到预期的设计效果。4.5 系统控制流程图程序控制总流程 延 时 返 回 存 值已闭合键开?查 值有键闭合? 延 时有键闭合? 开 始 N N Y N 按键控制程序流程图 结 束电机减速电机加速电机反转电机正转 入 口