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参考文献资料 . 24 第 1章 方案设计 1.1 设计任务 1.1.1设计 要求 (1)用带中断行列式键盘作为数据和暂停等功能的输入 (2)七段数码管显示当前步进电机的运行状态 (3)采用集成芯片作为步进电机的驱动电路 (4)使用 PROTEUS 软件对程序进行仿真和调试 1.1.2设计 任务 (1)根据设计要求划分功能模块 (2)编程 实现模块要求 (3)根据模块 画出总电路图 (4)画出 模块 程序流程图 (5)编写 整个 源程序 代码 (6)PROTEUS 仿真 与调试 1.2 方案设计与论证 1.2.1总体方案论证与比 较 方案一、采用 AT89C51 单片机作为整机的控制单元。 以 AT89C51 单片机为核心的控制电路,采用模块化的设计方案, 使用行列式键盘作为数据的输入 、 数码管做数据的输出显示 、 以 L298 作为驱动控制步进电机 ,实现 步进电机进行正转 、 反转、暂停、继续。修改延时子程序可控制步进电机的转速。 在本系统中,行列式键盘起着人机交互的作用,是输入电路的主要组成部分,行列式键盘是通过反转法编程实现的,相对于 行列 的查询法,更加简单实用,容易理解。在行列式键盘的程序设计中,利用了中断程序,更好的体现了控制的实时性,它既和硬件有关 ,又和软件有关,使得步进电机的控制更灵活,效率更高;利用四位一SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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方案一原理框图 方案二、采用电机专用驱动数字芯片 L297 以及 L298 组合使用控制步进电机。 采用数字电路对单片机对步进电机控制的信号进行处理,由于 L297 以及 L298的组合使用,能有效的减少单片机 I/O 口的使用,并大幅度的提高单片机的带负载能力。但由于该课程设计可用的 I/O 口充足,如果过多的使用数字芯片, 这样必然带来高成本、电路复杂等缺点 。因此,本方案灵活性不高,效率低,不利于步进电机的性能。同时,对各路信号处理也比较困难。 比较以上两种方案的优缺点,方案一简洁、灵活、可扩展性好,能达到设计要求,因此本设计采用方案一来实现。 AT89S51 单片机 键盘输入模块 步进电机 显示模块 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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显示电路采用四位一体的七段数码管既能够满足显示的要求,同时相对于使用 LCD 作为电路显示单元来说, 从显示效果上七段数码管显示 具有 字符大,亮度高等特点,从硬件电路上七段 数码管驱动也同样简单,并且七段数码管的成本更低,更符合设计效益方面的要求。 由于单片机最高输出电压为 +5V,而步进电机的额定工作电压是 +12V,所以必须采用外围的驱动电路。步进电机的驱动电路多种多样,从设计的要求分析,我们可以采用单电源供电方式电路作为步进电机的驱动电路。两相步进电机工作在双相四拍工作方式时需要四种不同状态的时序脉冲, 所以使用步进电机驱动芯片 L298 能够使电路的结构更简单,并且能够提高电路的稳定性和可靠性。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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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: 两 相步进电机的 双相四拍 工作方式,其各相通电顺序 时序如图所示: 通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A、 B两 相的通断。 图 2.2 步 进电机原理图 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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2.3.2步进电机驱动原理 步进电机可以有多种驱动方式,例如单电源供电方式,高低双电源供电等, 综合该设计各 方面的因素, 采用单电源供电方式作为步进电机驱动,电路结构 比较 简单,也具有一定的可靠性。 但在高频时会产生干扰,影响步进电机的正常运行。 单电源供电方式原理 图如图 2.4 所示: 图 2.4 单电源供电方式 原理 图 采用数字芯片 L298 作为步进电机驱动电路, L298 引脚分布及内部结构如图 2.5所示。 单片机对步进电机的控制信号从 L298 的 In1-In4 输入,步进电机的控制信号从 Out1-Out4 输出。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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0”,然后数码显示管会显示英文单词“ OVER”,由此提醒人步进电机已经转动完成,从而实现人们对步进电机的动态控制。 数码显示管是由二极管显示字段的显示器件,它由 8 个发光二极管构成,通过不同的组合可以显示 0 到 9, A 到 F 以及 小数点等字符。 数码管通常有共阴极和共阳极两种类型,共阴极数码管阴极必须接低电平(一般为地),当一个发光二极管的阳极连到高电平时,此二极管亮;共阳极数码管的发光二极管是阳极并接到高电平(一般为 +5V),需点亮的发光二极管阴极接到低电平即可。显然,要显示一个字型就应该使此字型的相应发光二极管点亮,实际上就是送一个不同电平的组合代表的数据到数码管。在此次课程设计中,我们采用的使共阳极数码显示管,因为,在数码显示管于单片机相连接时,若为共阴极,则必须接上上拉电阻,这样数码显示管对单片机的压力太大,而共阳极却不要, 所以为了减低单片机的压力,减少成本,增大元器件的寿命,我们采用的使共阳极的数码显示管。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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在完成其它工作的空余,调用键盘扫描子程序,来响应键输入要求。在执行键功能程序时, CPU 不再响应键输入要求。键盘扫描程序应具备以下 4 项功能: 1,判断键 盘上有无按下。 2,去除键的抖动操作。 3,扫描键盘,得到按下键的键号。 4,判别闭合的键是否释放。采用循环扫描键盘的工作方式,虽然也能响应键入的命令或数据,但这种工作方式不管键盘上有无按键按下, CPU 总要定时扫描键盘;而应用系统在工作时,并不需要按键输入,因此, CPU 常处于空扫描状态。 中断扫描工作方式可以提高 CPU的工作效率,即只在键盘有键按下时发中断请求,CPU 响应中断请求后,转入中断服务程序,进行键盘扫描,识别键码。中断扫描工作方式是一种简易键盘接口电路,其直接有 80C51P1 口的高,低字节构成 4*4 行列 式键盘。键盘的列线与 P1 口的低四位相接,键盘的行线接到 P1 口的高四位。在中断扫描方式中,有一个与门,其输入端分别与各列线相连,而输入端接单片机外部中断输入INT0。初始化时,键盘行输入口全部置 0。当有键按下时, INT0 端为低电平,向 CPU发中断请求,若 CPU 开放外部中断,则响应中断请求,进入中断服务程序。 综合以上所述,我们采用中断工作方式。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 第 3 章 程序设计 3.1 系统程序流程 3.1.1主程序流程图 由于程序实现的功能比较的多,为了 能够更清晰的体现设计思路,编写合理规范的程序;同时也是为了能够更好的协调各模块的功能,提高程序的执行效率和,所以一般首先画出主程序的流程图,然后在主程序流程图结构的指导下完成各个部分的功能 。这种设计的思路 充分的体现了模块化的设计思想, 因为模块化的设计思想能够使 编写的程序在以后的调试 和修改的 过程中也 显得 比较的 容易。主程序流程图如图3.1 所示。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacin

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