毕业论文——GSM基站电调天线控制器.doc

毕毕 业业 论论 文文 课课 题题: : GSMGSM 基站电调天线控制器基站电调天线控制器 班班 级级: : 姓姓 名名: : 指导教师：指导教师： 完成日期：完成日期： 20132013 年年 1212 月月 毕业设计任务书毕业设计任务书 一、课题名称一、课题名称 GSM 基站电调天线控制器 二、适用专业二、适用专业 通信专业 三、毕业设计任务三、毕业设计任务 1、根据当前国内外 GSM 电调天线控制器运用的详细需求，确定电调天线功能和 性能技术指标，探讨实现电调天线控制器的机械机构原理和方法，比对各种机械原 理对产品性能的影响，提出产品设计方案和产品性能研究的发展方向。 2、分析电调天线控制器的工作原理及工作过程 3、分析电调天线的的硬件组成 四、毕业设计要求四、毕业设计要求 1、需求分析时要针对具体的系统进行分析，详细说明工作原理及组成部分。 2、控制技术 （1）介绍电调天线控制器的详细信息 （2）阐述电调天线控制器的技术原理 五、毕业设计论文格式要求五、毕业设计论文格式要求 毕业设计论文或报告主要包括以下部分： 1.封面 2.毕业设计任务书 3.摘要 4.目录 5.引言 （叙述题目背景，项目开发特色，技术应用情况等） 6.正文 （图、表位置：图标题位于图的下方；表标题位于表上方；图号和 表号分别按章节的第几个图标示，如第二章的第二个图则图号为图 2-2 接着写明 图的标题；一般情况下一张表不延续两页，实在需要的话则采用续表的方式） 7.毕业设计总结或心得体会：网络安全规划的心得体会和扩展性分析，实现 中遇到和解决的主要问题，今后的维护和改进等等 8.致谢 参考文件 摘要摘要 步进电机是将电脉冲信号转为角位移或线位移的开环控制元件。由步进电动机 组成的开环系统既简单廉价，又可靠稳定。它有瞬间启动，急速停止，精度高等特 点。目前打印机，绘图仪，机器人，数控机床等等设备都以步进电机为核心动力。 在各种办公自动化设备以及控制装置等领域中有着极其广泛的应用。 本文介绍的是基于单片机控制步进电机的控制系统设计，通过单片机、ULN2003 驱动芯片以及相应的按键实现各种功能，并且步进电机的工作状态要用相应的数码 管显示出来。本系统采用模块化设计，结构简单，可靠，清晰明了。通过人机交互 换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。介绍了步进电机以及单片机原理、 该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，介绍了制作 PCB 板步 骤。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现以下几个主 要功能： (1)控制步进电机实现正转和反转； (2)控制步进电机转速； (3)设计步进电机的脉冲放大电路，能驱动相电压为 5V、相电流位为 0.4A 的步进电机工作； (4)实现对步进电机圈数的预置； (5)同步显示步进电机所转圈数。 关键词 步进电机 PM25L-024-STB6；SST89E516RD；C 语言 AbstractAbstract The stepper motor is a open-loop control components that could be to transform the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.Stepper motor open-loop system is both simple and cheap, reliable and stable. It has instant start, rapid stop, and high accuracy.At present, printer, plotter, robot, CNC machine tools and other equipment with stepping motor as the core driving power.In various kinds of office automation equipment and control devices, and other fields have extremely extensive application. This article describe the stepper motor controled system design which is based on the microcontroller, Through the single-chip microcomputer, ULN2003 drive chip and corresponding key achieve those functions, and the working state of the stepping motor with corresponding digital tube display.The system USES the modular design, simple structure, reliable, and clarity.Through the man-machine interface can realize A variety of function setting, simple operation, easy to master.This paper introduces the content of the stepping motor and the principle of single-chip microcomputer, the system hardware circuit, program composition, at the same time for the software and hardware debugging, introduces making PCB steps. This design has clear thinking, high reliability, and strong stability and other characteristics, through the debugging realize the following main functions: (1) Controlling the corotation and inversion of the stepper motor; (2) Controlling the speed of stepper motor; (3) designing the pulse amplifier circuit of stepper motor to drive the stepper motor with 5V voltage，0.4A phase current; (4) achieving the presetting of laps of the stepper motor; (5) synchronously displaying the circle number and speed of the stepper motor. Key words stepping motor PM25L-024-STB6; SST89E516RD; C language 目录目录 毕业设计任务书 .2 摘要.3 ABSTRACT.4 第一章 绪论.7 1.1 引 言 .7 1.2 国内外研究概况及趋势 .7 1.3 论文的主要内容.8 第二章 系统硬件电路设计 .9 2.1 步进电机的概念.9 2.1.1 步进电机的特点 .10 2.1.2 步进电机的分类 .10 2.2 步进电机参数的选择.10 2.2.1 步角距的选择 .11 2.2.2 静力矩的选择 .11 2.2.3 电流的选择 .11 2.3 步进电机的工作原理.12 2.3.1 步进电机结构 .12 2.3.2 对齿和错齿 .14 2.3.3 工作原理 .14 2.3.4 工作方式 .15 2.3.5 步进电机的常用术语 .15 2.4 步进电机的驱动系统.16 2.4.1 单电压功率驱动接口 .17 2.4.2 双电压功率驱动接口 .17 2.4.3 高低压功率驱动接口 .18 2.4.4 控制模块 .19 2.4.5 单片机原理 .20 2.4.6 单片机的应用系统 .20 2.4.7 AT89C51 简介.21 2.4.8 显示模块 .24 2.4.9 按键模块 .24 2.4.10 步进电机部分 .25 第三章 步进电机的运行控制 .27 3.1 步进电机的速度控制.27 3.2 步进电机的位置控制 .27 3.3 步进电机的加减速控制.28 3.3.1 短距离 .29 3.3.2 中短距离 .29 3.3.3 中长距离 .29 第四章 软件设计 .30 4.1 程序流程图.30 4.2 系统主程序.31 4.3 定时中断设置.32 4.4 外部中断设置.33 第五章 系统的测试与调试 .35 5.1 软件调试记录.35 5.2 硬件调试记录.35 第六章 毕业设计总结 .36 致谢 .37 参考文献 .38 附录 .39 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，其应用发展己有约 80 年的历史。 可以说步进电机是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过控制脉冲，控制步 进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电动机可以在宽 广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步 进电动机最突出的优点。正是由于步进电机具有突出的优点，广泛应用在各种自动 化控制系统中。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停 止过，许多重大的技术得以实现。上世纪 80 年代以后，由于微型计算机以多功能的 姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。但是在有些应用场合，并不 需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到： 系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一 目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。而采用单片机的软件和 硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源， 能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如 果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动 态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而 且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。 1.21.2 国内外研究概况及趋势国内外研究概况及趋势 在日本，60 年代初期，开发了用于数控装置及计算机外部设备的磁阻式步进电 动机。60 年代中期至今，开发了混合式步进电动机。 在我国，步进电动机的研制始于 1958 年。当时只有清华大学，华中理工大学等 少数高等院校在从事这项工作。到了 60 年代末，70 年代初，由于电子工业和数字 控制技术的发展，特别是数字控制线切割机床发展的需要，才使步进电动机的研究 工作蓬勃开展起来。经过四十几年的发展，随着步进电动机理论的日臻完善，特别 是磁阻式步进电动机，产品品种、规格，门类的系列化以及出现了象无刷直流电动 机系统那种更优越的伺服系统，才使得步进电动机的发展势头有所缓和，总体看来， 目前其发展正趋于平缓。步进电动机的种类很多，按其工作原理可分为磁阻式、永 磁式、混合式三大类型。由于上述三种类型步进电动机的结构及作用原理各不相同， 因此其市场的应用以及发展的情况也各不相同。但不管如何发展，总离不开“轻、 薄短小、高效率、低振动、低噪声、低价格”微特电机发展的永恒主题。 1.31.3 论文的主要内容论文的主要内容 本论文所选的步进电机是四相步进电机，实现步进电机加速、减速，正转、反 转，预置圈数，圈数同步，以及转速级别显示。采用的方法是利用单片机控制步进 电机的驱动。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。本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调 节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它 的正反转，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。 第二章第二章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 2.12.1 步进电机的概念步进电机的概念 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及 步进角）。我们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； 同时我们也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。 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。 从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。 2.1.2.1.1 1 步进电机的特点步进电机的特点 1. 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比， 没有累计误差，具有良好的跟随性。 2. 步进电机外表不允许较高的温度。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；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. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的 可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。 7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一 般可以不用减速器而直接驱动负载。 8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流 电源。 9. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 10.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。 11.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。如 打印机，绘图仪、数控机床切割。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。 2.1.22.1.2 步进电机的分类步进电机的分类 步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和 组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混 合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的 为反应式和混合式步进电机。 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，成本低，步距角可以做得很小， 但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型； 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 距角比较大。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； 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。 2.22.2 步进电机参数的选择步进电机参数的选择 2.2.12.2.1 步距角的选择步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电 机 轴上，计算出每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于 此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 O.36O.72(五相电机)、 0.91.8(二、四相电机)、1.53(三相电机)等。 2.2.22.2.2 静力矩的选择静力矩的选择 步进电机的动态力矩很难一下子确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力 矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的 惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时(一般由低速)，两种负载都要 考虑；加速启动时，主要考虑惯性负载；恒速运动时，只考虑摩擦负载。一般情况 下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍内为好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度(几 何尺寸)便能确定下来。 2.2.32.2.3 电流的选择电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特 性曲线图，判断电机的电流(参考驱动电源及驱动电压) 综上所述电机一般应遵循以下步骤： 图 2-1 步进电机的选型步骤 2.32.3 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 2.3.12.3.1 步进电机结构步进电机结构( (三相三相) ) 负载 电机型号 静转距 步角距 电流 修正 矩频特性曲线 如图 2-2 所示，步进电机分为转子和定子两部分： 1. 定子：由硅钢片叠成的，定子上有 6 大磁极，每 2 个相对的磁极（N，S）组 成一对，共有 3 对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错 开。 0、1/3、2/3，（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示），即 A 与 齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3，C 与齿 3 向右错开 2/3，A与齿 5 相对齐， （A就是 A，齿 5 就是齿 1）。 2. 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿，与定子上的小齿并 且小齿的大小相同，间距相同。 图 2-3 步进电机转子展开图 图 2-2 步进电机结构图 2.3.22.3.2 对齿和错齿对齿和错齿 反应式步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。在电 磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置， 并处于平衡状态，如图 2-3 中的 A 相位置，这种现象被称为对齿。而对于三相步进 电机来说，当某一相得磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位 置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。 2.3.32.3.3 工作原理工作原理 图 2-4 步进电机三相接线图 开始时，开关 SB 接通电源，SA、SC、SD 断开，B 相磁极和转子 0、3 号齿对齐， 同时，转子的 1、4 号齿就和 C、D 相绕组磁极产生错齿，2、5 号齿就和 D、A 相绕 组磁极产生错齿。 当开关 SC 接通电源，SB、SA、SD 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 1、4 号齿 之间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 0、3 号齿 和 A、B 相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。依次类推， A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。 在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一脉冲后，如给 另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态，则电机转轴将移动半个步距角，停在相 邻两个整步位置的中间。如此循环地对两项线圈进行单项，然后双相激磁步进电机 将以每个脉冲半步方式转动。 2.3.42.3.4 工作方式（四相）工作方式（四相） 1. 单四拍：通电顺序为： ABCD； 2. 双四拍：通电顺序为： ABBCCDDA； 3. 四相八拍：通电顺序为： AABBBCCCDDDA； 这三种工作方式的区别，如下表所示： 表 2-1 步进电机三种工作方式的性能比较 工作方式单四拍双四拍八拍 步进周期TTT 每相通电时间T2T3T 走齿周期4T4T8T 相电流小较大最大 高频性能差较好较好 转矩小中大 电磁阻尼小较大较大 振荡容易较容易不容易 功耗小大中 由表 2-1 可以看出这三种工作方式中，八拍的性能最好，单四拍的性能最差， 因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主要研究的 是四相八拍工作方式。 2.3.52.3.5 步进电机的常用术语步进电机的常用术语 1. 齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。 z=2/Z (Z 是转子的齿数) 2. 步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。 b=z/N = 2/NZ (N 是工作拍数，Z 是转子的齿数) 3. 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 比表示：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。 4. 失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机 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。 5. 零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下 的平衡位置。 6. 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。 7. 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。 8. 响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这 一最大频率称为响应频率。 9. 运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极 限频率。 10. 单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由 起动到停止的运动轨迹。 2.42.4 步进电机驱动系统步进电机驱动系统 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机 驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取 决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动 器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一 个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电 机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。 控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由 逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到 来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步 进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步 进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部 分。 2.4.12.4.1 单电压功率驱动接口单电压功率驱动接口 单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的 特点是电路最简单。 步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管 T 是按 照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组 L 供电，这一过 程我们称为步进电机的驱动。 实用电路如下图所示。在电机绕组回路中串有电阻 Rs，使电机回路时间常数减 小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起 附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs 是不可缺少的。Rs 对步进电 动机单步响应的改善如图 2-5 所示： 图2-5 单电压功率驱动接口电路图 在图 3-1 中，电路中只有一个电源 V，电路中的限流电阻 R1 决定了时间常数， 但 R1 太大会使绕组供电电流减小。这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下 降，可在 R1 两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这 样做又使低频性能变差。 R1 在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低，一般只用于小 功率步进电机的驱动。 2.4.22.4.2 双电压功率驱动接口双电压功率驱动接口 用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱 动双电压驱动有。两种工作方式：双电压法和高低压法。 双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压 UL 驱动，而在高速 （高频段）时用较高的电压 UH 驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh 为高压 有效控制信号，U 为脉冲调宽驱动控制信号。图 3.2 中，功率管 TH 和二极管 DL 构 成电源转换电路。当 Uh 低电平，TH 关断，DL 正偏置，低电压 UL 对绕组供电。反之 Uh 高电平，TH 导通，DL 反偏，高电压 UH 对绕组供电。这种电路可使电机在高频段 也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。其电路图如 2-6 所示： 图2-6 双电压功率驱动接口电路 虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高 频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻 R 上仍然会产生损耗和发热。 2.4.32.4.3 高低压功率驱动接口高低压功率驱动接口 高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压 UH 供电来提 高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压 UL 来维持绕组的电流。这一作 用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻 Rs，消除了附加损耗。高低 压驱动功率接口也有两个输入控制信号 Uh 和 Ul，它们应保持同步，且前沿在同一 时刻跳变，高压管 VTH 的导通时间 tl 不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过 载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取 13ms。（当这个数值与电机的电气 时间常数相当时比较合适）。高低压驱动电路如图 2-7 所示： 图 2-7 高低压驱动接口电路图 高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低频时电流有较大 的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。 2.4.42.4.4 控制模块控制模块 本设计采用 SST89E516RD 单片机作为控制系统的核心。SST89E516RD 单片机组 成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4 个 I/O 口、串行口、定时器/计数器、 中断系统、振荡器等功能部件。 采用 HMOS 制造工艺的 MCS-51 单片机都采用 40 管脚双列直插式封装，除采用 40 脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。40 管脚双列直插式封装管脚图 如 2-8 图所示。 图 2-8 AT89C51 单片机引脚图 脉冲信号由单片机产生，一般脉冲信号的占空比为 0.3-0.4 左右，电机转速越 高，占空比则越大。信号分配实际上就是按照某一种控制方式（根据需要进行选定） 所规定的顺序发送脉冲序列，达到控制步进电机方向的目的 根据要求，所设计的步进电机八拍通电顺序为 AABBBCCCDDDA。 步进电机的方向控制方法是： 用单片机输出接口的每一位控制一根相绕组。本设计中，用 P0.0，P0.1，P0.2，P0.3 分别接至步进电机的 A，B，C，D 四相绕组。 2.4.52.4.5 单片机原理单片机原理 单片机（single-chip microcomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块 芯片上的单芯片微型计算机。图 2-9 中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高 度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的 可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在 工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。 图 2-9 典型单片机结构 2.4.62.4.6 单片机的应用系统单片机的应用系统 单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通 过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它 CPU 比较，功能 虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内 ROM、RAM、I/O 口等不能 很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。单片机应 用系统的构成基本上如图 2-10 所示。 图 2-10 单片机应用系统结构 单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最 小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指 能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构 成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有 ROM/EPROM 的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个 芯片；对与片内没有 ROM/EPROM 芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、 复位电路和电源外，还应配备 EPROM 或 EEPROM 作为程序存储器使用。 2.4.72.4.7 AT89C51AT89C51 简介简介 AT89C51 的主要参数如表 2-2 所示： 表 2-2AT89C51 的主要参数 型号存储器 EPROMROMRAM 定时 器 I/0串行 口 中断速度 （MH） 其它特 点 89C514K1282321624低电压 AT89C51 含 EPROM 电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统， 防止 EPROM 中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器 EPROM 容量可达 20K 字节。 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。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。其引脚如图 2-8 所示。 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 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 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。 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，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。 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，如下所示： 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、I/O 口引脚： a：P0 口，双向 8 位三态 I/O 口，此口为地址总线（低 8 位）及数据总线分时 复用； b：P1 口，8 位准双向 I/O 口； c：P2 口，8 位准双向 I/O 口，与地址总线（高 8 位）复用； d：P3 口，8 位准双向 I/O 口，双功能复用口。 4、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均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应 不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的 脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 5、芯片擦除： 整个 EPROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任 何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两 种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器， 串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止 所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.52.5 显示模块显示模块 显示模块采用六位 LED 六段共阴数码管进行动态显示，由 SST89E516RD 单片 机产生的段选信号从 P0 输出，经过 1K 左右的上拉排阻驱动数码管显示，位选信号 从 P2 口输出通过 74HC245 直接送数码管显示。采用数码管动态显示方