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步进 电机 机电 控制系统 设计

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步进电机控制系统设计 姓名：生炜 学号： 201105010525 学院：机电工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 指导老师：王素暖 nts1 2 3 4 5 内容 大纲 Table of Contents 6 nts1 绪论 步进电机最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要 A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。目前在数控生产等应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的控制电机的。因此，如何改善步进电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。 nts2 步进电机简介 步进电机它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。 nts3单片机原理 单片机的引脚排列 nts4 步进电机驱动系统介绍 A.驱动芯片 ntsB.电机的控制信号 状态 P0.0（ A) P0.1(B) P0.2(C) 控制字 A 1 0 0 01H 00000001 AB 1 1 0 03H 00000011 B 0 1 0 02H 00000010 BC 0 1 1 06H 00000110 C 0 0 1 04H 00000100 CA 1 0 1 05H 00000101 nts 5 硬件电路设计 A.硬件电路总体设计 ntsB. 最 小 系 统 ntsC. 驱动部分 ntsD. 状 态 指 示 部 分 ntsE. 按键部分 单片机的 P3口来控制信号的输入，通过键开关和 P3口连接起来 ntsF. 时 钟 部 分 ntsG.复位部分 nts6 软件设计 A.主程序流程图 ntsB.正反转控制流程图 ntsC.转速显示子程序流程图 ntsD.转速子程序流程图 ntsE.键盘扫描子程序 nts谢 谢 观 赏 ntsntsnts 毕 业 设 计 题目： 步进电机控制系统设计 学 生： 生炜 学 号： 201105010525 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 王素暖 2015 年 6 月 5 日 nts 陕 西 科 技 大 学 毕业设计（论文）任务书 机电工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业 115 班级 学生： 生 炜 题目： 步进电机控制系统设计 毕业设计（论文）从 2015 年 3 月 6 日起到 2015 年 6 月 28 日 课题的意义及培养目标： 步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，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。因此非常适合单片机控制。步进电机控制系统设计是用于培养学生掌握步进电机的特性，应用数控系统的设计方法设计步进电机的控制系统。本课题要设计一款基于 AT89C51 单片机的步进电机控制系统，实现对步进电机转速、方向的控制。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料： 1、确定步进电机控制系统的总方案。 2、掌握步进电机的特性和功能。 3、掌握 AT89C51 单片机的特点和功能。 4、对系统硬件部分进行设计。 5、对系统软件部分进行设计和调试。 课题的主要任务（需附有技术指标分析）： 1、 1.5 张左右的 0#图纸工作量，包括： （ 1）总体方案设计（步进电机控制系统框图） nts （ 2）控制系统硬件部分图（包括电气控制原理图和电气接线图） （ 3）控制系统软件部分的程序设计（程序框图和程序清单） 2、完成 1.5 万 2 万字的毕业设计说明书。 设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）： 周 次 设计（论文）任务及要求 第 1周 熟悉、理解毕业设计题目，查找、借阅各种参考资料 第 2、 3周 毕业实习收资，继续搜集与设计课题有关的素材，整理书写实习报告 第 4-10周 控制系统硬件部分设计 第 11-15周 控制系统软件部分设计 第 16周 整理书写毕业设计说明书 学生签名： 指导教师： 教研室主任： nts 步进电机控制系统设计 I 步进电机控制系统设计 摘 要 步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常 可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用 汇编 语言编写出电机的正转、反转、调速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片 ULN2003A 以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用数码管显示出来。 关键词 ： 步进电机 ,控制 ,驱动机构 ,单片机 nts陕西科技大学毕业设计说明书 II Design Of The Control System Of Step-Motor ABSTRACT The open-loop system which is composed by step-motor is simple, cheap and very practical, so there are very wide range of applications in printers and other office automation equipment and various control devices, and many other fields. This article describes one design of step-motor system based on micro-controller. The program of the preparation of a motor, reverse, adjust speed, stop is written by compile language. The above functions are realized through the micro-controller, motor driver chip ULN2003A and correspond key, and the work state of stepper motor is displayed through the nixie light. Key Words: stepping motor, control, driving mechanism, single chip microcomputer nts 步进电机控制系统设计 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1 绪 论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 目的和意义 . 1 1.3 国内外技术状况及发展趋势 . 2 2 方案的设计 . 3 2.1 设计任务 . 3 2.2 方案的确定 . 3 3 步进电机简介 . 4 3.1 步进电机概述 . 4 3.2 步进电机的基本参数 . 4 3.2.1 步进电机的静态指标术语 . 4 3.2.2 步进电机动态指标及术语 . 5 3.3 步进电机的原理 . 5 3.4 本设计步进电机具体型号的选择 . 6 4 步进电机驱动系统介绍 . 7 4.1 驱动系统的总体结构 . 7 4.2 电机的驱动系统简介 . 7 4.3 电机驱动系统的驱动原理 . 8 4.3.1 电机的控制信号 . 8 4.3.2 控制信号的功率放大 . 8 4.4 步进电机绕组的电气特性 . 9 5 单片机原理 . 12 5.1 单片机原理概述 . 12 5.2 单片机的应用系统 . 12 5.3 AT89C51 简介 . 13 5.3.1 AT89C51 单片机主要特性 . 14 5.3.2 管脚说明 . 15 5.3.3 振荡器特性 . 16 5.3.4 芯片擦除 . 17 6 硬件电路设计 . 18 nts陕西科技大学毕业设计说明书 IV 6.1 硬件电路总体设计 . 18 6.2 系统部分硬件电路设计 . 18 6.2.1 电源部分 . 18 6.2.2 最小系统 . 19 6.2.3 驱动部分 . 20 6.2.4 数码管显示部分 . 20 6.2.5 按键部分 . 21 6.2.6 时钟部分 . 21 6.2.7 复位部分 . 21 7 软件设计 . 23 7.1 主程序 . 23 7.2 步进电机正反转控制程序 . 23 7.3 步进电机转速显示子程序 . 24 7.4 步进电机转速子程序 . 26 7.5 键盘扫描子程序 . 28 8 调试与步骤 . 30 8.1 Keil-uVision4 简介 . 30 8.2 调试步骤 . 30 致 谢 . 31 参 考 文 献 . 32 附录 ： 程序清单 . 33 nts步进电 机控制系统设计 1 1 绪 论 1.1 概述 随着信息化产业的高速发展，步进电机功能日趋完善，电动机已经成为机械自动化的基础，步进电机已经应用于数字控制系统中，另外在工业自动化生产线中印刷设备等中亦有应用。 步进电机最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要 A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。目前在数控生产等应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的控制电机的。因此，如何改善步进电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。 我国数控机 械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统，为了适应一些领域中高精度定位的运行平稳性的要求，我国改革开放初期研究步进电机细分驱动技术，细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分包括振荡器、环形分配器控制的细分驱动。另外还有基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或 C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实 现 PC机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由 PC机直接控制步进电机的方法。 国内外对步进电机的研究一直很活跃，目前，国外对步进电机的控制驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机的性能，比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减过程，同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可以使其达到较高的运行频率而不失步或过冲 。 随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发 展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，并且其控制系统也将随之发展，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。 1.2 目的和意义 步进 电机是数字控制系统中的一种执行元件， 由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制 ，因此非常适合单片机控制 ， 并且用其组成的开环系统既简单、廉价又非常可行，因此在nts陕西科技大学毕业设计说明书 2 打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的 发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义 。 1.3 国内外技术状况及发展趋势 步 进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲 信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技 术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。 步进电机的原始模型起源于 1830 年至 1860 年， 1870 年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到 20 世纪 60 年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、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，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。近年来，控制技术、计算机技术及微电子技术的迅速发展有力地推动了步进电机控制技术的进步，提高了步进电机的高性能伺服控制的设计方法与具体实现技术，反映了步进电机伺服控制技术的最新发展。 nts步进电 机控制系统设计 3 2 方案的设计 2.1 设计任务 通过 AT89C51 单片机实现步进电机的正反转，加速减速等功能。 2.2 方案的确定 本次毕业设计所选的步进电机是三相步进电机，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，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，从而达到准确的定位的目的；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。 也就是通过定时器改变脉冲频率来调节步进电 机的速度，并且通过数码管显示其速度。另外通过单片机实现它的正反转，用按键输入信号。 nts陕西科技大学毕业设计说明书 4 3 步进电机简介 3.1 步进电机概述 其中步进电机它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。通俗一点讲就是：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就 使 驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（或步进角）。我们可以通过控制输入脉冲的个数来控制步进电机的角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们也可以通过控制输入脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。一般步进电机的精度为步进 角的 3-5%，而且不累积。 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。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的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。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 3.2 步进电机的基本参数 3.2.1 步进电机的静态指标术语 (1) 相数：产生不同对 N、 S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。 (2) 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， 三 相 六 拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CA. (3) 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用 表示。 三相六 拍运行时步距角为： =360/（ 80*6） =0.75 (4) 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）。 (5) 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。 nts步进电 机控制系统设计 5 3.2.2 步进电机动态指标及术语 (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。用百分比表示：误差 /步距角 *100%。不同运行拍数其值不同， 三 拍运行时应在 5%之内， 六 拍运行时应在 15%以内。 (2) 失步 ： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 (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频特性，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。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（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压， 应 采用小电感大电流的电机。 (7)电机正反转控制： 三相六拍正反转控制 ，当电机绕组通电时序为 A-AB-B-BC-C-CA时为正转， 通电时序为 AC-C-CB-B-BA-A时为反转。 3.3 步进电机的原理 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： (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 六拍 工作方式，其各相通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CA，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 nts陕西科技大学毕业设计说明书 6 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。 3.4 本设计步进电 机具体型号的选择 考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。最终选择型号为 110BF003 步进电机。该步进电机的主要参数为以下几点： 1额定电压： 5VDC 2相电阻： 300 欧姆 10 3减速比： 1/64 4步距角： 0.75 5相数： 三 相 6.起动转矩 100P.P.S ： 300 7.起动频率 P.P.S： 500 8.定位转矩 :300 9.噪声 dB： 35 nts步进电 机控制系统设计 7 4 步进电机驱动系统介绍 4.1 驱动系统的总体结构 本系统通过计算机设定步 进电机的运行方向和速度，以及变速变向的控制，并且将这些参数和控制程序通过数据串口烧录到单片机中。按钮和单片机的控制信号通过驱动电路，输入至步进电机，控制步进电机的速度和方向。电源和变压整流电路为单片机和驱动芯片的正常工作提供安全稳定的直流高电平，本设计的驱动系统硬件结构如图 5-1所示。 图 5-1 驱动系统硬件结构 4.2 电机的驱动系统简介 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，单片机 计算机 电源 按钮 驱动电路及有关芯片 M 实时 控制 驱动 供电 供电 供电 录入 程序 速度设定 方向设定 nts陕西科技大学毕业设计说明书 8 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。 功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。 4.3 电机驱动系统的驱动原理 按照步进电机输入信号要求，控制信号功率的放大，单片机控制信号的输出和编程的顺序分析其工作过程。 4.3.1 电机的控制信号 110BF003 三相六拍步进电机通电方式为 A-AB-B-BC-C-CA,将通电方式改为A-CA-C-BC-B-BA.利用 AT89C51 单片机的 P0.0P0.2 这三条 I/O 控制线，通过步进电机驱动器向三相步进电机传送控制信号，则步进电机顺时针运行情况下单片机 I/O端口的状态如表 4-1所示。 表 4-1 步进电机输入信号分布表 状态 P0.0（ A) P0.1(B) P0.2(C) 控制字 A 1 0 0 01H 00000001 AB 1 1 0 03H 00000011 B 0 1 0 02H 00000010 BC 0 1 1 06H 00000110 C 0 0 1 04H 00000100 CA 1 0 1 05H 00000101 4.3.2 控制信号的功率放大 单片机不能直接驱动步进电机，这是由于单片机 I/O接口输出功率很小，输出信号不稳定。因此就必须在单片机 I/O接口下方接功率驱动单元。按照前文所述，本文选择具有信号放大，信号反相功能的 ULN2003A驱动芯片，其电路图如图 4-2所示。 nts步进电 机控制系统设计 9 图 4-2 ULN2003A 电路图 （含负载） ULN2003A本质为达林顿管，其中 Q1， Q2， R2， R3本质为以放大倍数被加大的三极管。因此，当输入信号为高电平时，三极管导通，这时负载左端，即芯片的信号输出端为低电平，因此 ULN2003A 为反相输出。 此时负载中有电流产生。在 本设计 中，负载即为步进电机的某一相线圈，所以当输入信号为高电平时，与之相连的步进电机线圈中有电流产生；当输入信号为低平时，负载左端即信号输出端为高电平，负载中无电流产生，即与之相连的步进电机线圈不工作。 又因为达林顿管放大倍数为两个三极管放大倍数之积，达到比较可观的功率 放大作用。综上，将单片机 三 个 I/O 接口连接至 ULN2003A 输入接口，就将控制步进电机的信号放大反相。使得步进电机正常工作。 4.4 步进电机绕组的电气特性 步进电机各相绕组都是在铁心上的铜线圈，电阻和电感是电机相绕组的两个固有属性，电机的性能和这两个因素密切相关。绕组通电时，电感使绕组电流上升速度受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。绕组线圈的电阻是电机温升和电能损耗的主要因素。 步进电机的相绕组可以等效为一个电感一电阻串联电路。如图 4-3所示表明了一个电感一电阻电路的电气特性。 nts陕西科技大学毕业设计说明书 10 图 4-3 电感 -电阻串联电路及其电流波形 在 t=0时刻，电压 V施加到该电路上时，电路中的电流变化规律为 : I(t)=V(1-e-Rt/L)/R (4-1) 通电瞬 间绕组电流上升速率为 : di(0)/dt=V/t (4-2) 经过一段时间，电流达到最大值 : Imax=V/R (4-3) L/R定义为该电路的时间常数，是电路中的电流达到最大电流 Imax 的 63%所需要的时间。在 t=t:时刻，电路断开与直流电压源 V 的连接，并且短路，电路中的电流以初始速率一 V/L开始下降，电流变化规律为 : nts步进电 机控制系统设计 11 I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R (4-4) 不同频率的矩形波电压施加到该电路上，电流波形如图 5-4所示。低频时电流能够达到最大值 (a);当矩形波频率上升达到某一临界频率，电流刚达到最大值就开始下降 (b)；矩形波频率超过此临界值后，绕组中的电流不能达到最大值 (c)。因为步进电机转矩的大小与绕组的电流成正比，所以电机低速运行时，电机能够达到其额定转矩，而在某一特定频率以上运行时，绕组电流随着频率的提高逐渐下降，电机转矩也相应逐渐减小，从而降低了高速运转时带负 载能力。 图 4-4 不同频率脉冲作用下电感 -电阻电路的电流波形 要改善电机高速运行时的性能，有两种办法 :提高电流上升速度 VA 和减小时间常数 L/R;可以通过加大绕组的电压从而增加电流上升的速率得时间常数。或者在电路中串联电阻，使 L/R减少。 nts陕西科技大学毕业设计说明书 12 5 单片机原理 5.1 单片机原理概述 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 5-1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 5-1 典型单片机结构图 5.2 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 5-2所示 。 图 5-2 单片机的应用系统 nts步进电 机控制系统设计 13 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。 5.3 AT89C51 简介 AT89C51 的主要参数如表 5-1所示 。 表 5-1 单片机 AT89C51的主要参数 型号 储存器 定时器 I/O 口 串行口 中断 速度(MH) 其他特点 EPROM ROM RAM 89C51 4K 128 2 32 1 5 24 低电压 AT89C51 含 EEPROM 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EEPROM 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 EEPROM 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（ FPEROM Falsh 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 5-3所示。 nts陕西科技大学毕业设计说明书 14 图 5-3 单片机的引脚排列 AT89C51 单片机的工作系统图如图 5-4 所示。 图 5-4 单片机工作系统图 5.3.1 AT89C51 单片 机 主要特性 （ 1） 与 MCS-51 兼容 （ 2） 4K字节可编程闪烁存储器 振荡器和时序 程序储存器 8KB ROM 数据储存器 256B RAM/SFR 2*16 位定时器 /计数器 TMP87P809N 64KB 总线 扩展控制线 可编程 I/O 可编程全双工串行口 外时钟源 串行通信 中断 外时事件计数 控制 并行口 nts步进电 机控制系统设计 15 （ 3） 寿命： 1000 写 /擦循环 （ 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 （ 12） 片内振荡器和时钟电路 5.3.2 管脚说明 （ 1） VCC：供电电压。 （ 2） GND：接地。 （ 3） 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P0 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。 （ 4） 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。 （ 5） 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。 （ 6） 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。 （ 7） 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） nts陕西科技大学毕业设计说明书 16 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。 （ 8） 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。 （ 9） 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。 （ 10） /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。 （ 11） /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）。 （ 12） XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 （ 13） XTAL2：来自反向振荡器的输出。 (14)30 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。 5.3.3 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均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。由nts步进电 机控制系统设计 17 于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 。 5.3.4 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。 nts陕西科技大学毕业设计说明书 18 6 硬件电路设计 6.1 硬件电路总体设计 系统整图如图 6-1所示，本系统采用外部中断方式， p0口作为电机的驱动部分 ， p1口作为低 4位位选， p2口为发光数码管显示部分， p3口作为信号的输入部分。 图 6-1 系统总图 6.2 系统部分硬件电路设计 6.2.1 电源部分 利用 LM7812和 LM7805 芯片得到 12V和 5V 的电压，它们的应用要注意以下几点： （ 1）输入输出压差不能太大 ,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； （ 2）输出电流不能太大， 1.5A 是其极限值。 大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； （ 3）输入输出压差也不能太小 ,大小效率很差。 其中 12V 电压给步进电机供电，5V电压则给单片机供电。分别如图 6-2、图 6-3所示。 nts步进电 机控制系统设计 19 图 6-2 12V电路部分 图 6-3 5V电路部