两相步进电机控制系统毕业设计.doc

毕业设计 论文 基于 AT89S52 单片机的两相步进电机控制系统 2013 年 6 月 13 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 页 基于 AT89S52 单片机的两相步进电机控制系统 摘 要 本文应用 AT89S52 单片机 步进电机驱动芯片 ULN2003A 字符型 LCD 液晶显 示屏和键盘阵列 构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统 系 统以单片机作为步进电机的控制核心 完成了步进电机的控制的硬件电路设计以及软 件的设计 实现了步进电机的启停 正反转 以及转速的实时显示 以三维工作台作 为被控对象 每个方向由一个步进电机驱动相应的滚珠丝竿机械装置进而实现完成了 各个坐标方向的精确运动 以此模拟实现切割机上下 前后的精确切割 由键盘模块 实时键入相应数值来控制三个坐标轴上各个步进电机的转速值 行进距离以及运行状 态 并通过 LCD 液晶显示屏显示各个电机对应的转速 行进距离 行进中的坐标值实 时变化状态和电机运行状态以及电机运行是否到位等信息 为满足实际运用需要 本 系统以 PC 机作为平台 基于 VB 语言设计完成了一个人机交互性强的界面的上位机的 实现 并通过由 RS232 构成的串口通信方式 实现单片机与上位机串口的双向通信运 用 在上位机系统界面上通过程序设计实现了对各个坐标方向的步进电机的远程控制 操作以完成对应的各个步进电机相应的启动 急停 前进 返回等一系列动作以及相 应转速值 行进坐标值的实时输入发送与接收显示 达到远程监控的效果 关键词 步进电机 上位机 液晶显示 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 I 页 Control system of two phase stepper motor based on AT89S52 singlechip Author Mai mingjie Tutor Song aijuan Abstract Based on AT89S52 singlechip stepper motor driver chip ULN2003A character type LCD and keyboard array the thesis builds a stepping motor control system integrating stepper motor controller and driver Making the singlechip as the cybernetic core of the stepper motor the system completes hardware circuit s design and software s design which are controlled by the stepper motor therefore it realizes the stepper motor s start and stop positive inversion and revolving speed s real time display Three dimensional workbench being as controlled objective corresponding ball spiral wire rod mechanical device is driven by a stepper motor in every direction to realize the accurate motion in each coordinate direction accordingly it imitates the cutting machine s precise cutting of up and down front and back Relevant numerical value typed by the keyboard in real time controls each stepper motor s revolving speed value travel distance and running state in three coordinate axises Corresponding revolving speed and travel distance of each motor coordinate figure s real time state of change on the move motor s running state on the move and other information are displayed by LCD In order to meet the practical application with the PC as the platform the system achieves a PC of strong man machine interactive interface Besides it realizes the two way communication application of the singlechip and the PC through the serial port On the interface of PC the remote control operati seron is realized by the program design for each stepper motor in its coordinate direction In this way the system achieves the start stop forward back and aies of corresponding actions like these of each stepper motor as well as the real time type and display of the relevant revolving speed value and coordinate value in the process so as to reach the effect of remote monitoring Keyword stepper motor PC LCD 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 II 页 目 录 1 绪 论 1 1 1 设计的背景及目的 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 论文构成及研究内容 2 2 系统总体方案设计 4 2 1 方案的选择与论证 4 2 1 系统各部分组成及其功能简介 6 3 系统的硬件设计 8 3 1 单片机最小系统 8 3 1 1 AT89S52 简介 8 3 1 2 单片机最小系统设计 13 3 1 3 单片机 I O 口分配及实现的功能 14 3 2 步进电机简介 14 3 2 1 步进电机的分类 14 3 2 2 两相步进电机的结构及其工作原理 15 3 3 步进电机驱动模块设计 19 3 3 1 ULN2003A 简介 19 3 3 2 电机驱动电路设计 21 3 4 串口通信模块与上位机的设计 22 3 5 LCD12864 字符型液晶屏显示模块设计 23 3 5 1 LCD12864 字符型液晶屏简介 24 3 5 2 LGM12641BS1R 中 KS0108 控制器的指令功能说明 25 3 5 3 LGM12641BS1R 中 KS0108 控制器的基本编程原理 27 3 6 键盘模块设计 30 4 系统软件设计 33 4 1 系统软件的整体设计 33 4 2 系统初始化模块设计 34 4 3 键盘输入与液晶显示程序模块 34 4 4 步进电机运行控制模块 35 4 5 上位机模块的软件设计 36 结 论 39 致 谢 40 参考文献 41 附 录 42 附录 A 42 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 III页 附录 B 51 附录 C 52 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 0 页 1 绪 论 1 1 设计的背景及目的 步进电动机在国外通常被称为 Steppingmotor Pulse motor 或 Stepper servo 其应 用及其发展已有约 80 年的历史 步进电机又称为脉冲电机 是数字控制系统中的一种 常用执行元件 其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移 即给一脉冲 电信号 电动机就转动一个角度或前进一步 步进电机的角位移量或线位移量与脉冲 数成正比 它的转速 或线速度与脉冲频率成正比 正是由于脉冲电信号与步进电机 转角存在着这种线性关系 并且在负载能力范围内这些关系不会因电源电压 负载大 小 环境条件的波动而变化 这使得步进电机不会出现误差的累积现象 因而步进电 机在速度控制 位置控制等方面得到了广泛的应用 此外 其还可以在很宽的频率范 围内通过改变脉冲输出频率来调速 能够快速启动 反转和制动 由于它不需要变换 就能直接将数字脉冲信号转换为角位移 很适合采用微型计算机控制 在实际应用 1 中 步进电机是数字控制系统和自动控制系统中应用最为广泛的执行元件之一 在数 控机床 机器人控制 绘图仪 物料计量 包装机械等精密机械中都有应用 传统的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路 或者集成电路 不仅调试安 装复杂 要消耗大量元器件 而且一旦定型之后 要改变控制方案就一定要重新设计 电路 不利于系统的改进升级 基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电 机 能够更好地发挥步进电机的潜力 因此 用微型单片机控制步进电机己经成为了 一种必然的趋势 也符合数字化的时代发展要求 1 2 国内外研究现状 步进电机最早是在 19 世纪 20 年代由英国人开发的 并成功地被英国海军用作定 位控制和远程遥控 我国在建国初期就已经能够生产和应用 较早是在江浙一带 北 京 四川等地都有对其进行生产 并且在各行业中已被广泛使用 目前在国外 在大 功率的工业设备驱动上从驱动电路的成本 加速度绝对速度 系统惯量与最大扭矩比 及噪音和效率上来看 现基本上不使用大扭矩步进电动机 而是用直流电动机 这相 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 1 页 对于步进电机来说比较经济合算 而在小功率的场合依旧广泛使用步进电机 比如一 些工业器材工业生产装备 包装机 银行自动柜员机 打印机及速印机等等 随着微 型计算机与控制技术的发展 目前在国外更倾向于用更多现代的手段逐步将步进电机 排挤出驱动应用 当然除了旋转编码器 打印机 复印机还使用光电编码带或感应编 码带配合直流电动机 实现闭环直线位移控制 在国内 过去用大力矩步进电动机 2 实现机床数控 有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床 而在驱动设备上 国内与国外还存在着很大的差距 主要差距是国外对交流电动机的控制理论与工程分 析和应用能力强 先进的控制理论作为软件 并写在控制器内部 在对步进电机的细 分控制技术上 国内在改革开放初期才基本掌握 这要远远晚于国外 到了 19 世纪 50 年代后期晶体管的发明也开始逐渐应用在步进电机上 使得对步 进电机进行数字化的控制变得更为容易实现 往后经过不断的改良 使得今日步进电 机已广泛运用在需要较高定位精度 高响应性 稳定性等灵活控制性高的机械控制系 统中 在生产过程中要求自动化 省人力 效率高的机器中 我们很容易发现步进电 机的应用踪迹 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 性场合方面 步进电机用得较多 在组成结构形式上 步进电机存在多种不同的结构 形式 经过近八十年的发展 逐渐形成以混合式与磁阻式为主的产品格局 混合式步 进电机最初是作为一种低速永磁同步电机设计的 是工业应用最为广泛的步进电机品 种 步进电机在工业自动化装备 办公自动化设备中有着广泛的应用 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 3 1 3 论文构成及研究内容 在一般的步进电机工作中 其电源均采用单极性直流电 通过对步进电机的各相 绕组按恰当的时序方式通电 就可使其执行步进转动 当某一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 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 转子的角位移 大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比 并在时间上与输入的脉冲同步 只 要能正确控制输入的电脉冲数 频率以及电机各相绕组通电的相序 即可得到所需要 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 2 页 的转角 转速及转动方向 通过单片机输出一定频率的脉冲给步进电机驱动芯片就能 够很容易地实现对步进电机的数字化控制 本设计采用 AT89S52 单片机以实现对两相步进电机的转速及步进量的控制 由单 片机产生的控制脉冲信号送于步进电机驱动器 驱动器接收到脉冲信号并驱动步进电 机完成启停 正反转等一系列动作以此驱动与电机相链接的由螺旋丝杆构成的机械装 置 以实现切割机上下 前后的精确运动 通过矩阵键盘模块实时键入相应数值来控 制电机的启停 前进后退和转速 并通过 LCD 字符型液晶显示屏显示各个步进电机对 应的运行状态及运行档速和步进距离 此外在 PC 机上设计一个基于 VB 语言的人机交 互界面 并通过 RS232 与单片机实现串口的双向实时通信 以此在人机界面下控制完 成电机相应的一系列动作 并能实时显示与电机相对应的运行状态等相关信息 以达 到远程监控的效果 本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单 经济 但功能较为齐全 适应性强 操作方便 交互性强 可靠性高但控制精度应用要求不是很高的步进电机 控制系统 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 3 页 2 系统总体方案设计 2 1 方案的选择与论证 1 基于电子电路的控制 由于步进电机是受电脉冲信号控制的 电脉冲信号的产生 分配 放大全靠电子 元器件的功能来实现 此外 由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱 因此必须有 功率放大驱动电路 步进电机与控制电路 功率放大驱动电路组成一体 构成步进电 机驱动系统 此种控制电路设计简单 功能强大 可实现完成一般步进电机的细分任 务 在该方案下的系统主要由三部分组成 即脉冲信号的产生电路 脉冲信号的分配 电路 功率放大驱动电路 系统组成如图 2 1 所示 脉冲控制器 功率放大驱动电路 环形分配器 步进电机 图 2 1 基于电子电路控制系统 此种方案即可作为开环控制 也可实现闭环控制 开环控制时 其平稳性好 成 本低 设计简单 然而却未能实现较高精度的细分 但如果采用闭环控制 就可以实 现高精度的细分 进而可以实现无级调速 闭环控制是不断地检测转子的位置和速度 然后通过反馈环节和适当的处理 由系统程序自动计算并给出脉冲链数 使步进电机 每一步都响应控制信号的命令 从而只要控制策略正确得当 那么步进电机就不大可 能出现轻易丢步的现象 该方案大多是通过一些大规模集成电路来控制实现实际需要 的脉冲输出频率和脉冲输出数 但功能相对较为单一 如需改变控制方案 那么设计 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 4 页 电路就得需要重新设计 并且还要消耗大量的元器件 使得设计成本过高 由此可见 这种方案的灵活性不高 且不利于对系统的升级改进 2 基于 PLC 的控制 PLC 也可称为可编程控制器 是一种专门在工业生产控制系统上广泛使用的计算 机 PLC 作为新一代的工业控制器 由于具有通用性好 实用性强 硬件配套齐全 编程简单易学 可靠性和稳定性高等优点而被广泛应用于各行业的自动控制系统中 基于 PLC 的步进电机控制系统有 PLC 控制器 环形分配器和功率驱动电路组成 该控 制系统采用 PLC 控制器来产生控制脉冲 主要是通过 PLC 软件编程输出一定数量的方 波脉冲 控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量 同时通过编程控制脉冲频 率来控制步进电机的转动速度 进而控制机械机构的进给速度 环形脉冲分配器将 PLC 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的电磁绕组 基于 PLC 控制的 步进电机可以采用软件编程方式实现的环形分配器 也可采用硬件方式实现的环形分 配器 采用软件环形分配器占用 PLC 的 CPU 资源较多 特别是步进电机绕组相数大于 4 时 对于大型生产线应该不予以考虑 采用硬件环形分配器 虽然硬件结构稍微复杂 些 但可以节省 PLC 资源 目前市场一般都有很多种专用芯片可以选用 步进电机功 率驱动电路将 PLC 输出的控制脉冲经过功率运放将其放大 以力求达到比较大的驱动 能力 使得能够驱动步进电机运行 采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号 并用 PLC 中的定时器来产生速度 脉冲信号 这样就可以省掉专用的步进电机驱动器 降低硬件成本 但由于 PLC 的扫 描周期一般为几毫秒到几十毫秒 相应的频率只能达到几百赫兹 因此 受到 PLC 工 作方式的限制及其扫描周期的影响 步进电机不能在高频下工作 无法实现高速控制 并且在速度较高时 由于受到扫描周期的影响 相应的控制精度也就随之降低了 3 基于单片机的控制 采用单片机来控制步进电机 实现了软件与硬件相结合的控制方法 用软件代替 环形分配器 达到了对步进电机的最佳控制 系统采用单片机 I O 口接口线直接接步 进电机驱动芯片的输入端 进而输出控制脉冲去控制步进电机各相绕组的通电 此外 由于单片机具有的强大功能 因此可以设计大量的外围电路 设计键盘作为一个外部 输入模块 设置了步进电机正转 反转 档速 以及步进量的输入 停止等功能 采 用键值处理子程序和设置定时中断子程序相结合的方法 调用并执行系统要求完成的 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 5 页 一系列动作的子程序 进而完成对步进电机的最佳控制 利用 LCD 显示器及时显示步 进电机正转 反转 档速和进给量等电机运行状态 环形分配器其功能由单片机系统 软件编程实现 通过采用软件编程的办法实现对控制脉冲的分配 本方案有以下优点 1 单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精 确控制 避免了失步 振荡等对控制精度的影响 2 用软件编程实现的方式代替环形 分配器 通过对单片机的设定 用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动 大 大提高了接口电路的灵活性和通用性 3 单片机的强大功能使显示电路 键盘电路 复位电路等外围电路有机的组合集成在一起 大大地提高了系统的交互性 基于以上优点 本论文的设计采用基于单片机的步进电机的控制方案 2 1 系统各部分组成及其功能简介 本设计的整个系统组成包括单片机最小系统 步进电机驱动模块 基于 VB 的上 位机监控显示模块 串口下载通信模块 LGM12641BS1R 液晶显示屏显示模块及键盘 输入控制模块等组成 系统各部分组成框图如图 2 2 所示 单片机最小系统的功能是作为整个控制系统的核心 它主要负责产生控制步进电 机控制脉冲信号以及经由串口接收和发送给上位机的相关控制指令 并通过单片机的 软件编写程序代替环形脉冲分配器输出脉冲信号以控制步进电机的转速 转向 步进 电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比 而步进电机转动的速度与输出的 脉冲频率成正比 而步进电机转动的的方向与电机各相绕组通电的顺序有关 也就是 说与输出的脉冲顺序间接有关 步进电机驱动模块负责将单片机输送给步进电机的信号功率放大 从而驱动步进 电机工作 而步进电机模块也就是被控对象 主要是驱动与之链接的由螺旋丝杆构成 的机械装置 以此完成系统的上下前后左右的直线位移运动 串口下载模块主要是负责实现计算机和单片机之间的双向通信 并将在计算机里 面编译好的程序下载到单片机芯片当中 LGM12641BS1R 液晶显示模块主要是显示输入和正在运行的各个电机的转速 电 机步进量及电机的运行状态等系统的实时信息 基于 VB 的上位机监控显示模块 它主要是通过上位机监控系统界面向单片机发 送和接收数据 实现单片机与电脑的双向即时通信 并且将控制指令发送给单片机 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 6 页 单片机接收到指令并调用处理电机运行的相应子程序 单片机将电机转速状态 步进 量等状态反馈输送给上位机 上位机接收到后就即刻在显示界面显示出来 实现了人 机交互性的目的 这样也就实现了远程监控的效果 键盘输入模块 为了节省 I O 口并得到满足系统要求的键值 采用矩阵键盘扫描 方式获取相应键值 通过设定的相应键值处理子程序 并通过子程序实现完成了各个 电机的正转 反转 电机速度及步进量的设定等功能 此外 该模块结合定时器的中 断服务程序 完成了对各个步进电机的一系列动作的系统要求 力求达到对系统最佳 的实时控制 图 2 2 系统总体框图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 7 页 3 系统的硬件设计 3 1 单片机最小系统 3 1 1 AT89S52 简介 AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的 AT89S 系列中的增强型产品 采用了该公司 的技术领先的 Flash 存储器 是低功耗 高性能 采用 CMOS 工艺制造的 8 位单片机 片内含 8KB 字节的可系统编程的 Flash 只读程序存储器 它的 Flash 程序存储器既可在 线编程 ISP 也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中 功能强大 其主要特性参数及功能特性如下 1 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 2 可在线 ISP 编程的 8KB 平片内 Flash 存储器 3 4 0 5 5V 的工作电压范围 4 振荡器和时钟电路的全静态工作频率为 0Hz 30MHz 5 双数据指针 DPTR0 和 DPTR1 6 256B 的片内数据存储器 7 可编程的 32 根 I O 接口线 8 3 个可编程定时 计数器 9 具有 8 个中断源 6 个中断矢量 2 级优先权的中断系统 10 1 个可编程的全双工的 UART 串行通信口 11 可在 空闲 和 掉电 两种低功耗模式运行 12 8 位字长的 CPU 13 1 个看门狗定时器 WDT 14 可编程的 3 级程序锁定位 15 具有断电标志位 POF AT89S52 单片机的封装形式有三种 分别为 PDIP TQEP 和 PLCC 本设计采 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 8 页 用 PDIP 封装形式的 AT89S52 单片机 其引脚排列如图 3 1 所示 图 3 1 PDIP 封装的 AT89S52 引脚排列图 该芯片各引脚的名称 序列号及简要功能说明如表 3 1 所示 表表 3 1 采用采用 PDIP 封装形式的封装形式的 AT89S52 单片机各引脚及功能说明单片机各引脚及功能说明 序号 引脚名称引脚序号功能说明 1P0 口32 39 8 位并行双向的 I O 口 访问外部存储器时 可作为低 8 位地 址线 数据总线复用 2P1 口1 8 用户使用的通用 I O 口 准双向 8 位 编程和校验时作为低 8 位地址线 P1 0 和 P1 1 引脚另有第二功能 3P2 口21 28 通用 8 位 准双向 I O 口 访问外部存储器时 可作为高 8 位 地址线 4P3 口10 17 8 位 准双向 I O 口 还提供了一些第二功能 5 VPP EA 31 访问芯片内部和芯片外部程序存储器的选择信号 6RST9 复位信号输入端 高电平有效 7 ALE PROG 30 低 8 位地址锁存信号 编程脉冲输入 8 PSEN 29 外部程序存储器读选通信号 低电平有效 9VCC40 电源电压的输入引脚 4 0 5 5V 10XTAL2 XTAL1 18 19 芯片内震荡器反相放大器的输出端和输入端 11GND20 电源接地引脚 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 9 页 P0 口 39 32 引脚 P0 口是 8 位并行 双向 漏极开路型输出的 I O 口 也即地址 I O 数据总线复用口 作为输出口用时 可以能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 该口内无 上拉电阻 由两个 MOS 管串接 既可以断开漏极输出又可以处于高阻态 因此称为双 向 漏极开路 I O 口 对外程序存储器和数据存储器进行访问时 该口作为低 8 位地 址线和数据总线复用 在对片内 F1ash 存储器编程时 该口作为接收指令的字节代码 而在程序校验时需 要求外接 10k 的上拉电阻 该口作为通用 I O 口使用时 需要外 接上拉电阻 作为输入口使用时 需对每个引脚写入 1 成为高阻抗输入口 这时该口 为准双向 I O 口 P1 口 1 8 引脚 Pl 是一个具有内部上拉电阻的 8 位 双向 I O 口 Pl 口的输出缓 冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 当编程和校验程序时定义为 该口定义为低 8 位的地址线 将每个引脚置成高电平 1 通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电平 此时可作为输入口 引脚 P1 0 同时还是定时 计数器 T2 的外部计数输入 引脚 P1 1 同时还是定时 计数器 T2 捕获 重装操作的控制信号 P2 口 21 28 引脚 P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位 准双向 I O 口 P2 的输出缓 冲级可驱动 4 个 TTL 逻辑门电路 将每个引脚置成高电平 1 通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 在访问外部程序存储器或 16 位 地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数 据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX Ri 指令 时 P2 口线上的内 容 也即特殊功能寄存器 SFR 区 P2 寄存器的内容 在整个访问期间不改变 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高字节地址和一些控制信号 P3 口 10 17 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位 双向 I O 口 P3 口输出缓冲 级可驱动 4 个 TTL 逻辑门电路 将该口的各引脚置成 1 时 它们被内部上拉电阻拉高 并可作为输入端口 作输入端时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它还具有的第二功能 其具体第二 功能如表 3 2 所示 此外 P3 口还能接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的 控制信号 RST 复位端口 9 引脚 该引脚为复位信号输入端 高电平有效 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机系统复位 当定时监视器 WDT 看 门狗 溢出 将使该引脚输出高电平并持续 98 个振荡周期 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 10页 表表 3 2 P3 口的引脚的第二功能口的引脚的第二功能 端口引脚第二功能说 明 P3 0RXD串行数据接收 P3 1TXD串行数据发送 P3 2 INT0 外部中断 0 请求 P3 3 1INT 外部中断 1 请求 P3 4T0定时器 0 外部事件计数输入 P3 5T1定时器 1 外部事件计数输入 P3 6 WR 外部 RAM 写选通 P3 7 RD 外部 RAM 读选通 ALE PROG 端口 30 引脚 低字节地址锁存允许信号 编程脉冲输入端 当访问外 部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节地址到外接地址锁存器中 以实现低字节地址和数据的分时复用 在非访问外 围器件期间 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的正脉冲信号 因此它可对外输 出时钟信号或用于定时目的 如若在对 F1ash 存储器编程期间 该引脚还用作编程脉 冲输入 如果有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的PROG D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只一条 M0VX 和 M0VC 指令 ALE 才会 被激活 此外 该引脚会被微弱信号拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 无效 程序储存允许 输出是外部程序存储器的读选通信号 当PSENPSEN AT89S52 的 CPU 读取外部程序存储器取指令代码 或数据 时 被读取的指令代码被 送到 P0 口 每个机器周期两次有效 即输出两个脉冲 当访问外部数据存储器 PSEN 没有两次有效的信号 PSEN VPP 端口 31 引脚 为访问芯片内部和芯片外部程序存储器的选择信号 EAEA 为低电平 接地 时 对程序存储器的操作限定在外部程序存储器进行 地址为EA 0000H FFFFH 端为高电平 接电源电压 VCC 时 CPU 首先从芯片内部程序存EA 储器 地址为 0000H FFFFH 的 0000H 单元开始读取存储的指令代码 如果芯片外部 有扩展的程序存储器 则 CPU 在执行完芯片内部程序存储器种的程序后 自动转向去 执行外部程序存储器中的程序 VPP 为片内 Flash 存储器的编程电压 对片内 Flash 存 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 11页 储器进行编程时 该引脚接编程电压 VPP 5V 或 12V 对编程程序进行校验时 该 引脚接电源电压 VCC XTAL1 端口 19 引脚 芯片内振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 端口 18 引脚 芯片内振荡器反相放大器的输出端 存储器结构 AT89S52 单片机的存储器结构分为程序存储器和数据存储器 各自 又有芯片内和扩展部分 因此 AT89S52 单片机的存储器结构共分为 4 部分 即片内程 序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器和片外数据存储器 程序存储器 如果引脚接地 GND 全部程序均执行外部存储器 在EA AT89S52 假如接至电源电压 VCC 程序首先执行地址从EA 0000H 0FFFH 4KB 内部程序存储器 再执行地址为 1000H FFFFH 60KB 的 外部程序存储器 数据存储器 AT89S51 的具 128 字节的内部 RAM 这 128 字节可利用直接或间接 寻址方式访问 堆栈操作可利用间接寻址方式进行 128 字节均可设置为堆栈区空间 晶体振荡器特性 AT89S52 一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈元件的 片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器 此外 外接石英晶体 或陶瓷谐振 器 及电容 Cl C2 接在放大器的反馈回路构成并联振荡电路 对外接电容 Cl C2 虽 然没十分严格的要求 但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低 振荡器工作的 稳定性 起振的难易程序及温度稳定性 如果使用石英晶体 我们推荐电容使用 30pF 10pF 而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pF 10pF 当然 用户也可以采用外部时 钟 这种情况下 外部时钟脉冲接到 XTAL1 端 即内部时钟发生器的输入端 XTAL2 则悬空 由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的 所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求 但最小高电平持续时间和最大的低电平 持续时间应符合产品技术条件的要求 Flash 闪速存储器的并行编程 AT89S52 单片机内部 8KB 字节的可快速编程的 Flash 存储阵列 编程方法可通过传统的 EPROM 编程器使用高电压 12V 和协调的 控制信号进行编程 编程方法 AT89S52 的代码是逐一字节进行编程的 编程前 须设置好地址 数 据及控制信号 AT89S52 编程方法如下 首先在地址线上加上要编程单元的地址信号 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 12页 其次在数据线上加上要写入的数据字节 进而激活相应的控制信号 再者将 EA Vpp 端加上 12V 编程电压 此外在每对 Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加 密位 加上 ALE PROG 编程脉冲 每个字节写入周期是自身定时的 大多数约为 50 s 改变编程单元的地址和写入的数据 重复以上步骤 直到全部文件编程结束 3 1 2 单片机最小系统设计 采用 AT89S52 单片机构成了控制系统的核心 其基本模块就主要包括复位电路和 晶体震荡电路 在本设计当中 单片机的 P0 口 P1 口 P2 口 P3 口全部参与系统工 作 单片机最小系统的接线如图 3 2 所示 图 3 2 单片机最小系统图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 13页 3 1 3 单片机 I O 口分配及实现的功能 P0 口的全部端口主要用于负责处理 LGM12641BS1R 液晶显示器的读写数据 命令 P1 口的全部端口主要用于外接矩阵键盘电路并由此通过程序的设定进行键盘的扫 描 P2 口的全部端口主要用于负责处理输出脉冲给控制电机驱动芯片 ULN2003A 从而 让其工作 P3 口的部分端口用于 LGM12641BS1R 液晶显示器的控制使能端以控制实现液晶显 示器的读写操作功能 既与 LGM12641BS1R 液晶显示器的的使能位端口相接 部分用 于串口通信模块的连接 以实现单片机与上位机的双向通信和程序的下载 3 2 步进电机简介 步进电机作为执行元件 是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 是机电一体 化的关键产品之一 广泛应用在各种自动化控制系统中 当步进电机驱动器接收到一 个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定方向转动一个固定的角度 因此可以通过控制 脉冲数来控制角位移 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 从而达到调速的目的 总体上说 步进电机有如下优点 可以用数 字信号直接进行开环控制 控制简单 在需要更高控制精度时可进行闭环控制 位移 与脉冲信号数对应 没有角累积误差 能精确定位 具有优秀的启停响应 可以瞬间 启动和急速停止 具有优秀的反转响应 改变脉冲的顺序 可以方便地改变转动的方 向 停止时也可以保持转矩 无刷 造价较低 可靠性高 但是 步进电机也存在如 下缺点 难以获得较大的转矩 不宜用作高速转动 在体积 重量方面没有优势 能 源利用率低 超过负载时会破坏同步 高速工作时会发出振动和噪声 3 2 1 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 按结构特点分 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 三相以及三相以上 目前使用最为 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 14页 广泛的是反应式和混合式步进电机 而工业上广泛使用的是三相步进电机 1 反应式步进电机 Variable Reluctance 简称 VR 反应式步进电机的转子是由 高导磁材料构成的齿状转子和定子 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 一般为 1 5 但动态性能相对较差 噪声和振动都很大 反应式步 进电机一般为三相 可实现大转矩输出 2 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 且用转子和定 子之间的吸引力和排斥力产生转动 由于它的出力大 所以步距角比较大 一般为 7 5 或 15 由于它输出转矩大 故动态性能好 消耗功率小 相比反应式 但启动运 行频率较低 而且还需要正负脉冲供电 3 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 由于永磁体的存在 该电机具有较强的反电势 其自身 阻尼作用比较好 使其在运转过程中比较平稳 噪声低 低频且振动小 这种电动机 最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的 后来发现如果各相绕组通以脉冲电 流 这种电动机也能做步进增量运动 由于能够开环运行以及控制系统比较简单 因 此这种电机在工业领域中得到广泛应用 由于本设计的设计目的更注重整个系统在自动机械应用中的整体配合 所以在本 设计中采用混合式步进电机 尽管步进电机的种类繁多 但他们的工作原理和工作方 式是基本一致且相通的 由于在本设计中采用的是混合型两相步进电机 因此在下面 对步进电机的工作原理阐述时 只介绍两相步进电机的工作原理 其余类型的电机就 不一一阐述了 3 2 2 两相步进电机的结构及其工作原理 两相步进电机在结构上也是由定子和转子组成 可以对旋转角度和转动速度进行 高精度控制 当电流流过定子绕组时 定子绕组产生一矢量磁场 该矢量场会带动转 子旋转一定的角度 使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向沿着该磁场旋转 一个角度 因此 控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律来控制定子绕组的电流 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 15页 以产生旋转的磁场 根据脉冲信号的分配方式 步进电机各相绕组的电流轮流切换 在供给连续脉冲时 就能一步一步地连续转动 从而使电机旋转起来 电机将电能转 换成机械能 步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动 每个脉冲所产生的运动是精 确的 并可重复 这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因 通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场 分为北 极和南极 如图 3 3 所示 定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直 通过改变定 子 线圈的通电顺序不仅可使电机转子产生连续的旋转运动 还可以改变转子的转动方向 如图 3 4 3 6 所示 是一个当改变线圈通电顺序时 两相步进电机的转子的典型转动顺 序 其中如图 3 4 所示 当两相定子的线圈 A 通电时 产生磁场 使得转子转动到图 3 4 中 step1 所示位置 当线圈 A 断电 线圈 b 通电时 转子顺时针旋转某一固定的步距 角 图 3 4 中 step2 所示的位置 当线圈 b 断电 线圈 a 通电 但极性与线圈 A 通电时 的相反 转子再次旋转某一固定的步距角 如图 3 4 中 step3 所示 当线圈 a 断电 线 圈 B 通电 极性与线圈 b 通电时的相反 又使转子转过一步距角如图 3 4 中 step4 所示 重复该顺序将使转子按某一固定的步距角顺时针连续旋转 图 3 3 激励线圈产生电磁场 图 3 4 中显示的线圈得电顺序通常被称为 单相激励 的步进方式 而图 3 5 所示的 是 双相激励 是一种电机运行的步进方式 该方式下 电机的两个线圈一直通电 但是 一次只能转换一相的极性 其工作过程如图 3 5 所示 一开始定子线圈 A 和 b 同时通电 因异性相吸 再加上力的相互作用关系 其磁场将转子固定在图示 step1 位 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 16页 置 在第 2 步中 定子线圈 A 断电 而线圈 b 和 a 此时的线圈 a 通电极性与第 1 步 线圈 A 相反 同时通电 因异性相吸 再加上力的相互作用关系 其磁场将转子固定 在图示 step2 位置 在第 3 步中 定子线圈 a 和 B 同时通电 因异性相吸 再加上力的 相互作用关系 其磁场将转子固定在图示 step3 位置 在第 4 步中 定子线圈 B 和 A 相同时通电 因异性相吸 再加上力的相互作用关系 其磁场将转子固定在图示 step4 位置 按照这样的通电方式电机就转过了一周 将两相步进电机的单相通电工作方式和两相电机的双相通电工作方式相互结合起 来 可得到较为常用的一种步进方式 即电机定子线圈在转换通电顺序之间插入一个 线圈断电状态而走 半步 此时步进电机的整个步距角将一分为二 这种方式也称之 为单 双八拍驱动方式 例如 一个 90 的步进电机将每半步移动 45 如图 3 6 所示 其具体工作过程和前面介绍过的两种方式是一样的 但线圈的通电顺序为 A Ab b ba a aB B BA 与 两相通电 相比 半步进通常导致 15 30 的力矩损失 取 决于步进速率 在每交换半步的过程中 由于其中一个绕组没有通电 所以作用在转 子上的电磁力要小 造成了力矩的净损失 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 17页 图 3 4 两相电机的单相通电步进顺序 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 18页 图 3 5 两相电机的双相通电步进顺序 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 19页 图 3 6 两相电机的单 双四拍驱动方式 3 3 步进电机驱动模块设计 该模块驱动电路 通常可以采用达林顿驱动芯片 ULN2003A 此芯片为极电极开 路驱动芯片 能驱动步进电机 伺服电机等 价格低廉 也可以用驱动芯片 L298 L298 为 H 桥驱动芯片 可以为负载提供双向的电流 简单方便且在实际应用中 较常使用 但是相应的成本增加了 综合本设计的需求 在满足本设计的要求下 选 用 ULN2003A 驱动芯片来搭建该驱动模块的设计 3 3 1 ULN2003A 简介 ULN2003A 是美国 Texas Instruments 公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列产 品 它是一种高耐压 大电流复合晶体管阵列 其内部由七个硅 NPN 复合晶体管组成 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 20页 此外 ULN2003A 的每一对达林顿都串联一个 2 7K 的基极电阻 在 5V 的工作电压下 它能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连 可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的 数据 此芯片的工作电压很高 工作电流大 其灌电流可达 500mA 并且能够在关态 时承受 50V 的最大驱动电压 还可以在高负载电流下并行运行 ULN2003A 内部的每个输出端都有一个续流二级管 若 ULN2003A 的达林顿管输 入端输入低电平使其截止 其驱动的元件是感性元件 则电流不能突变 此时会产生 一个高压如果没有二极管 达林顿管会被击穿 所以这个二极管主要起保护作用 由 于 ULN2003A 是集电极开路输出 为了让这个二极管起到续流作用 必须将 COM 引 脚 pin9 接在负载的供电电源上 只有这样才能够形成续流回路 ULN2003A 的引 脚图如图 3 7 所示 图 3 7 ULN2003A 引脚图 各个引脚的功能如下 1 引脚 脉冲信号输入端 2 引脚 脉冲信号输入端 3 引脚 脉冲信号输入端 4 引脚 脉冲信号输入端 5 引脚 脉冲信号输入端 6 引脚 脉冲信号输入端 7 引脚 脉冲信号输入端 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 21页 8 引脚 接地端 9 引脚 该脚是内部 7 个续流二极管负极的公共端 各二极管的正极分别接各达林 顿管的集电极 用于感性负载时 该脚接负载电源正极 实现续流作用 如果该脚接 地 实际上就是达林顿管的集电极对地接通 10 引脚 脉冲信号输出端 对应 7 引脚信号输入端 11 引脚 脉冲信号输出端 对应 6 引脚信号输入端 12 引脚 脉冲信号输出端 对应 5 引脚信号输入端 13 引脚 脉冲信号输出端 对应 4 引脚信号输入端 14 引脚 脉冲信号输出端 对应 3 引脚信号输入端 15 引脚 脉冲信号输出端 对应 2 引脚信号输入端 16 引脚 脉冲信号输出端 对应 1 引脚信号输入端 3