基于单片机的电机控制系统设计

1、榆林学院本科毕业设计（论文）摘要步进电动机是一种数字控制电动机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，所以步进电动机具有很好的线性特性。控制步进电动机的方法多种多样，但实践证明，基于单片机控制的步进电动机比传统的步进电动机控制具有更好的性能，更加简单、方便、快捷。本设计选择用AT89S52单片机控制三相步进电动机，完成三相步进电动机的三种运行方式的控制，即单相三拍、双相三拍和三相六拍。实现步进电动机在这三种运行方式下的正反转控制和加减速控制。该设计充分利用了集成电路相对于传统电路的优势，具有可视化和即时性特点，可实现对步进电动机的精确控

2、制，并将运行方式显示在七段数码管上。实践证明，本设计结构简单，功能稳定，能够很好的实现对步进电动机的精确控制。关键词：步进电动机，单片机，加减速，正反转3AbstractStepping motors is a kind of digital control motors, a open loop control components which change the electrical impulses signal into the angular displacement or line displacement. When motor is added a pulse signal,

3、 motor will turn a step angle, so stepper motor has very good linear characteristics. Control method of stepping motor varied, but practice has proved, control based on MCU than traditional is more simple more convenient and faster.This design choose to use AT89S52 MCU to control stepper motor, to r

4、ealize stepping motor s three operation mode control, namely single-phase three clap, dual phase three clap and three-phase six pat. Realize stepper motor s positive &negative control and deceleration control in these three operational modes. The design of integrated circuit made full use of the

5、 advantage of compared to traditional circuit, with real-time visualization and can realize the precise control of stepping motor, and will run in seven segment digital display tube.Practice has proved that this design has simple structure, stable performance, and can achieve precise control of step

6、ping motor well.Key words: stepping motor, MCU, deceleration, positive and negative摘要 IAbstract II1 绪论 11.1 引言 11.1.1 基于电子电路控制 11.1.2 基于 PLC 的控制 21.1.3 基于单片机控制 31.2 步进电动机的发展 31.3 本设计的主要目的和内容 41.3.1 本设计的主要目的 41.3.2 本设计的主要内容 42 步进电动机概述 52.1 步进电动机的特点 52.2 步进电动机的分类 62.2.1 反应式步进电动机 62.2.2 永磁式步进电动机 62.2.3

7、 混合式步进电动机 62.3 步进电动机的工作原理 62.3.1 步进电动机的工作方式 82.3.2 步进电动机的振荡和失步 82.4 步进电动机控制系统概述 92.4.1 步进电动机的速度控制 102.4.2 光电隔离器 112.4.3 步进电动机的正反转控制 112.4.4 三种工作方式的切换 123 系统硬件设计 153.1 核心芯片AT89S52 153.2 外围电路设计 183.2.1 时钟电路 183.2.2 复位电路 183.2.3 显示电路设计 193.2.4 键盘电路设计 213.3 驱动电路设计 223.3.1 驱动电路仿真 234 系统软件设计 254.1 系统的主程序

8、254.2 系统的主流程图 265 总结与展望 31参考文献 32致谢 33附录 错误！未定义书签。榆林学院本科毕业设计（论文）1 绪论步进电动机的控制系统越来越多样化、专业化，本设计从自己的角度出发，借鉴前人的优点，设计出一种简单实用的控制系统。1.1 引言步进电动机又称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。在不超载的情况下，步进电动机的转速、停止的位置，只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载的限制1。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决

9、定于电机与驱动电源间的良好配合。随着步进电动机的发展，步进电动机拥有了更加广泛的应用范围，而对步进电动机的控制要求也越来越严格。因此，人们对步进电动机的控制系统也随着进行了多次改善。在步进电动机的发展过程中，人们使用过很多种控制方案。1.1.1 基于电子电路控制步进电动机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。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。步进电动机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电动机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电动机的细分任务。这个系统由三部分组成:脉冲信号产生电路、脉冲信号分配

10、电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1-1 所示图 1-1 基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电动机每一步相应控制信号的命令，从而只要控制策略正确，电机不可能轻易失步2 。该方案通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对单一，如需改变控制方案，必须要重新设计，因此灵活性比较低。1.1.2 基于PLC的控制PLC 也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。

11、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、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各个行业的自动化控制系统中。步进电动机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC 来产生控制脉冲，通过PLC 编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电动机的转角，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动机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC 输出的控制脉冲按步进电动机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC 控制的步进电动机可以采用软件环形分配器，也可以采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC 资源较多，特别

12、是步进电动机绕组相数大于4 时，对于大型生产线应该予以考虑。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，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电动机功率驱动电路将PLC 输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电动机。采用软件来产生控制步进电动机的环型脉冲信号，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动机驱动器，降低硬件成本。但由于 PLC 的扫描周期一般为但由于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，步进电动机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且

13、在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了 3 。1.1.3 基于单片机控制采用单片机来控制步进电动机，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，达到了对步进电动机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电动机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可以设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电动机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电动机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转、速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配4 。由此可以看出，采用单片机来控制步进

14、电动机具有很多的优点，单片机控制的步进电动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。所以，本设计采用基于单片机的控制方案。1.2 步进电动机的发展步进电动机最早是在1920 年由英国人开发的，50 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电动机上，步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，今年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用优越的混合式步进电动机，并逐步向大功率应用领域渗透。步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和 MINEBEA 及

15、 NPM 公司等，特别是东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的。我国对步进电动机的研究从1958 年开始，70年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主，70 年代受国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受日本数控机床系统的影响，开始发展磁阻式步进电动机的系列产品。80 年代开始发展混合式步进电动机，经过多年的发展，我国步进电动机形成一种品种规格繁多的局面5 。1.3 本设计的主要目的和内容经过了认真的准备研究，本设计有了具体的研究范围。1.3.1 本设计的主要目的本设计的主要目的是基于AT89S52 单片机，设计出一整套能够简单、有效的控制步进电动机的

16、控制系统，以实现步进电动机在单相三拍、双相三拍、三相六拍三种工作方式下的启动、停止、正转、反转、加速和减速。并将工作方式显示在七段数码管上。1.3.2 本设计的主要内容1 .设计一整套步进电动机驱动电路，并通过理论及仿真的方法对所设计的驱动电路进行验证。2 .设计一整套包括键盘、显示器、计时器在内的外围电路。3 .完成整套系统的软件设计。本章小结：本章首先对步进电动机进行简单的介绍，然后简单介绍步进电动机的发展，最后给出了本设计的主要目的和内容。332 步进电动机概述步进电动机相对于传统电动机具有很多的优势，因此在当今时代得到了很广泛的应用。2.1 步进电动机的特点步进电动机又称脉冲电机或阶跃

17、电机，国外一般称step motor或 steppingmotor、 pulse motor、 stepper motor等。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电动机来说，步进电动机可以简单地定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电动机6。步进电动机具有其自身的特色，归纳起来有：1 .可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价；2 .直接

18、接收数字信号，不必进行数模转换，使用方便；3 .位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期累积，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以要求更高精度时组成闭环控制系统；4 .无刷，电动机本体部件少，可靠性高；5 .易于起动、停止、正反转及变速，相应性也好；6 .停止时，可有自锁功能；7 .步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下， 通常可以在低速下以高速矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作；8 .速度可以相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行；9 .不能直接使用普通的交流电源驱动。2.2 步进电动机的分类

19、步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电动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动机可分为反应式（ VR） 、永磁式（PM）和混合式（HB）三大类；按相数分则可分为单相、双相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电动机7。2.2.1 反应式步进电动机（ Variable Reluctance，简称VR）反应式步进电动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。反应式步进电动机有单段式和多段式两种类型；2.2.2 永磁式步进电动机（ Permanent Magnet，简称PM）永磁式步进电动机的转子

20、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），但起动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；2.2.3 混合式步进电动机（ Hybrid，简称HB）混合式步进电动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，而定子激励只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电动机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电动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、低频振动小8。经过比较，发现反应式步进电动机更

21、适合本设计，更能与AT89S52 配合，所以本设计采用反应式步进电动机。2.3 步进电动机的工作原理2-1 反应式步进电动机如图 2-1 所示，A、B、C 接电源，分别有三个开关控制，A 、 B 、 C分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机是一种感应电动机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电动机供电，步进电动机才能正常工作，驱动器就是为步进电动机分时供电的，多相时序控制器。如 A 相通电， B 、 C 相不通电时，由于磁场作用，齿1 与 A

22、对齐， （转子不受任何力以下均同）。如 B 相通电， A、 C 相不通电时，齿2 应与 B 对齐，此时转子向右移过1/3 ，此时齿3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（ -1/3 ） =2/3 。如 C 相通电， A、 B 相不通电，齿3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过1/3 ， 此时齿 4 与 A 偏移为1/3 对齐。 如 A 相通电，B、C 相不通电，齿4 与 A 对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、 B、 C、 A分别通电状态，齿4（即齿1 前一齿）移到A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A， B， C， A, 通电，电机就每步（每脉冲）1/3 ，向右旋转

23、。如按 A， C， B， A, 通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步1/3 改变为 1/6 。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3 变为1/12 ， 1/24 ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m， 2/m,（m-1）/m， 1。 并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。 只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相

24、的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。2.3.1 步进电动机的工作方式1 .单相三拍：通电顺序为A B C；2 .双相三拍：通电顺序为ABBCCA；3 .三相六拍：通电顺序为AABBBCCCA；三种工作方式的区别如下：表 2-1 反应式步进电动机三种工作方式比较工作方式单相三拍双相三拍三相六拍步进周期TTT每相通电时间T2T3T走齿周期3T3T6T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，三相六拍的性能最好，单相三拍的性能最差，因此，在步进电动机的控制应用中，选择合适的工作方

25、式非常 重要。4 .3.2 步进电动机的振荡和失步步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。1 .振荡步进电机的振荡现象主要发生于：步进电机工作在低频区，步进电机工作在共振区，步进电机突然停车时。当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运行，当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动，到达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点，这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。如此下去，形成转子围绕平衡

26、点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰弱振荡，最终稳定在平衡点。当步进电机工作在共振区时，步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率 fo 或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。振荡失步的过程可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第 2 个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆，接着第3 个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点，这样，转子经过3 个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。当步进电机工作在高频率区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时，绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能

27、量，所以在这个工作区中不会产生振荡。减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。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。步进电机失步的原因有2 种:： a转子的转速慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。例如，步进电机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。b 转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的

28、能量，产生严重的过冲，引起失步9。2.4 步进电动机控制系统概述运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。典型的运动控制系统应由三部份构成:控制部分、驱动部分、执行部分。如图 2-2所示：运动控制部件驱动部件运动执行部件图 2-2 运动控制系统组成在步进电动机控制系统中运动执行部件为步进电动机。步进电动机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电动机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电动机。而运动控制部件就是步进电动机控制系统。因此，典型的步进电动机驱动系统主要由三部分组成：步进控制器、驱动器和步进电动机。不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型

29、，本设计第一章已经介绍过，本设计以单片机为控制器来控制步进电动机。单片机控制系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电动机各相驱动电路。通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电动机的转动，从而实现数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关10。2.4.1 步进电动机的速度控制步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于软脉冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，对于硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。控制步进电机的速度的方法可有两种：1 .软

30、件延时法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率。2 .定时器中断法：在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0的电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出，改变定时常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。整个系统以单片机为核心，设计出硬件系统。以其中的几个接口控制驱动电路，由于步进电动机工作时，电动机绕组内的电流值一般都能达到数安培， 而控制电动机绕组

31、内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开，所以将光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。2.4.2 光电隔离器光电隔离器是一种新型光电子器件，主要用于电信号的隔离与传输。光电隔离器通常把发光器件与受光器件至于同一壳体内，在发光器件端口内加入控制电信号，使发光器件发光，受光器件受光，产生光电效应，输出电信号。从而实现电光电传输和控制。光电隔离器是以光作为中间转换环节，使得输入信号和输出信号之间完全隔离，可以消除输入回路中的噪音信号、共地杂波等

32、对输出回路的信号干扰，可以实现直流信号到交流信号或脉冲信号之间的传送，与电磁继电器相比，具有开关速度快，电器隔离性能好，抗冲击与震动能力高，寿命长，工作可靠的特点。图 2-3 光电隔离器如图所示，隔离器输入电压受TTL 反向器的控制，当反向器的输入信号为低电平时，信号反向使输出为高电平，红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，隔离器输出为高电平，反之，隔离器输出为低电平，从而实现TTL 电路控制信号的隔离传输驱动作用。电阻 R1 为输入回路的限流电阻。由于红外发光二极管是电流驱动器件，不宜采用电压源直接驱动，否则容易使器件烧坏。R1 的主要作用是限定红外发光二极管的正向电流作用。R4 为输出负载

33、电阻，可根据实际情况选择使用。本设计选用TIL111 一般光耦器件。2.4.3 步进电动机的正反转控制本设计中步进电动机的正反转控制由键盘控制，即按下正转则电动机正转，按下反转则电动机反转。其原理如图2-4 所示：图 2-4 正反转控制原理当按下正转按键S1 时，单片机扫描到S1 按下，开始执行正转程序，电动机正转；当反转按键S2按下时，单片机执行反转程序，电动机反转。2.4.4 三种工作方式的切换前面介绍过系统共有三种工作方式，分别为单相三拍、双相三拍和三相六拍，如表 2-2 所示。表 2-2 三种工作方式方式步序Q2Q1Q0通电绕组1 步001A相单相三拍2 步010B相3 步100C相1

34、 步011AB 相双相三拍2 步110BC 相3 步101CA 相1步001A相2步011AB 相三相六拍3步010B相4步110BC 相5步100C相6步101CA 相也就是说，在单相三拍的工作方式下，步进电动机的正转的二进制代码为：001， 010， 100；而反转的二进制代码为001， 100， 010。而若要实现步进电动机的单相三拍工作方式，只需将单相三拍的正反转的十六进制代码分别代换到主程序的 TABLE1 和 TABLE2 中即可， 同理可实现步进电动机的双相三拍和三相六拍工作方式。本章小结：本章详细的介绍了下步进电动机，包括步进电动机的特点、分类和工作原理，并对步进电动机的控制提

35、出了可行性方案。3 系统硬件设计本设计是基于AT89S52单片机的步进电动机的控制，所以控制系统的核心即为 AT89S52 单片机。下面将具体介绍本设计的核心AT89S52 单片机及步进电机的硬件设计。3.1 核心芯片AT89S52单片机从诞生至今己经产生了许多种，新品种的也是层出不穷，从最初INTEL 的 MCS-51 和 PLC 系列，以及最近推出的AVR ， ARM 等，品种繁多，功能各异。 但是就目前来说，51 系列的单片机仍是许多设计的首先，特别是 ATMEL公司的 89 系列 FLASH 单片机，运用更是广泛。而且各种技术参考资料相对也较多。AT89S52是一种低功耗、高性能CMO

36、S 8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash存储器。 使用 ATMEL 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位 CPU 和在系统可编程Flash， 使得 AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节Flash， 256 字节 RAM ，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至

37、 0Hz静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下CPU 停止工作，允许RAM 、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其 DIP 封装如图3 1 所示：其主要性能如下：1 .与 MCS-51 单片机产品兼容；2.8K 字节在系统可编程Flash存储器；3.1000次擦写周期；4.全静态操作：0Hz-33MHz；5.三级加密程序存储器；6.32个可编程I/O 口线；7 .三个16 位定时器/计数器；8 .六个中断源；9 .全双工UART 串行通道；10 .低功耗空闲和掉电模式；11 .

38、掉电后中断可唤醒；12 .看门狗定时器；13 .双数据指针；14 .掉电标识符。3-1 AT89S52 管脚分布图引脚功能：P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8 个 TTL 逻辑电平。对P0端口写“ 1时，引脚用作高阻抗输入。当访问”外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低8 位地址 /数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash 编程时， P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口， P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电

39、平。对P1 端口写 “ 1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可”以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写 “ 1时，内部上拉电阻把端口拉高，此”时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL ） 。 在访问外部程序存储器或用16 位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR ） 时， P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。

40、在使用8 位地址（如MOVX RI ）访问外部数据存储器时，P2口输出 P2锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，P2口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口， P3输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写 “ 1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时”可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL ） 。 P3口亦作为AT89S52特殊功能 （第二功能）使用， 如下所示。在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0 RX

41、D（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INTO（外中断0）P3.3 INT1（外中断1）P3.4 TO（定时/计数器0）P3.5 T1（定时/计数器1）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）此外， P3 口还接收一些用于FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG：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。 一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出

42、时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对FLASH 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位， 可禁止 ALE 操作。 该位置位后，只有一条MOVX和 MOVC 指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时， 每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳

43、过两次PSEN 信号。EA/VPP ：外部访问允许，欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH） ， EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA 端状态。如EA 端为高电平（接VCC 端） ， CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。XTAL1 ：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2 ：振荡器反相放大器的输出端。3.2 外围电路设计系统的外围电路包括时钟电路、复位电路、显示电路和键盘电路。3.2.1 时

44、钟电路时钟电路被设计用来产生单片机工作时所需要的时钟信号。而产生时钟信号需要外接一个晶体振荡器，在 AT89S52单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入输出的引脚分别是XTAL1 和 XTAL2 ，单片机就是通过这两个引脚来跨接晶体振荡器和微调电容的。如图3-2 所示。晶体的震荡频率选为12MHz。图 3-2 时钟电路3.2.2 复位电路复位是单片机的初始化操作，通过复位能够将PC 初始化为0000H，从而使单片机从0000H 单元开始执行程序。通过按键复位可以使单片机在需要的时候随时复位，方便，快捷。如图3-3 所示，系统通电后，电容C 开始充电，电路中有电流，构成回路，在电阻R2 上产生

45、压降，RESET引脚为高电平，系统复位，当电容C 充满后，电路中没有电流，RESET 引脚为低电平，复位结束。当按下复位键时，通过R1、 R2形成回路，使RESET产生高电平，系统完成手动复位，且复位时间取决于按键的时间。3-3 复位电路3.2.3 显示电路设计在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED（ LightEmitting Diode） ；液晶显示器，简称LCD（ Liquid Crystal Display ） ；荧光显示器。三种显示器中，以荧光显示器亮度最高，发光二极管次之，而液晶显示器最弱，为被动显示器，必须有外光源。根据本设计需要，选用LED 显示器作为系统

46、显示器。通常所说的LED 显示器由7 个发光二极管组成，因此也称之为七段LED 显示器。显示器中还有一个圈点型发光二极管，用于显示小数点。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母、以及其他符号。LED 显示器中的发光二极管共有两种连接方法：（ 1）共阳极接法把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5V。阴极端输入低电平的段，发光二极管导通点亮，输入高电平的则不点亮。（ 2）共阴极接法把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时共阴极接地，阳极端输入 +5V 的段，发光二极管导通点亮，不输入则不点亮。3-4 符号和引脚七段 LED 显示块用LED 显示器显示十

47、六进制数的字型代码如表3-1 所示。本设计选用共阴极接法，如图3-4 所示。表 3-1 字型代码字型共阳极代码共阴极代码0C0H3FH1F9H06H2A4H5BH3B0H4FH499H66H592H6DH682H7DH7F8H07H880H7FH990H6FHa88H77Hb83H7CHcC6H39HdA1H5EHe86H79Hf8EH71HgFFH00H点亮显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，比如七段显示器a、 b、 c、 d、 e、 f 导通，g 截止，显示0。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每

48、一位而言，每隔一段时间点亮一次。在同一时刻只有一位显示器在工作 （点亮） ， 利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。由于 AT89S52的强大功能，所以本设计选用静态显示方法点亮显示器。显示电路设计如图3-5 所示。3-5 显示电路3.2.4 键盘电路设计键盘是由若干按键组成的开关矩阵，是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现人机对话，键盘电路如图3-6 所示。图 3-6 键盘电路按键扫描原理：假设扫描线为P0.4、 P0.5、 P0.6返回线为P3.2、 P3.3，扫描P0.4到 P0.6，当P0.4置零时，单片机读取返回线P3.2

49、和 P3.3的状态，如1 则没有按键按下，如果P3.2为零，则表明FOR/REW 按键按下，进入相P3.3为零，则表面ON/OFF 键按下，进入相应的处理程序。如果同事按下ON/OFF 和 FOR/REW 键，则先处理FOR/REW，再去处理ON/OFF，就是说P3.2返回线上的按键优先权高于P3.3。P0.4扫描完后，把P0.4置 1 后在扫描下一行键盘，读取返回线状态，判断是在处理按键程序前先去抖动，防止因按键时产生的机械抖动而错误的重复执3.3 驱动电路设计功率放大是驱动系统的最为重要的部分。步进电动机在一定转速下的转矩取本设计的驱动电路采用恒流斩波电路，恒流斩波电路相对于其他电路的电流

50、3-7 所示。OPT1 为光耦，其阴极与单片机的步进电动机控制脉冲输出口相连。Q1 和Q4 组成开关电路，控制步进电动机线圈电源的通断，Q1 为驱动三极管，可以加速 MOS 管 Q4的开关速度。Q4为大功率MOS 管，担任开关作用。U2 和 D4、 RP1 等组成电压比较电路，通过RP1 调整参考电压，送入电压比较器的同相输入端，电动机工作电流通过限流电阻R17 采样，送入电压比较器的反向输入端。当电流过大，在R17上的压降超过参考电压时，电压比较器输出低电平，关闭U1，使 Q1 导通，关断Q4，电流下降，直到R17的压降降低到参考电压以下，重新开启Q4。电流始终稳定在一定的值。JP1 接步进

51、电动机的一相绕组，D1 为续流二极管，目的是当Q4 关断时，给步进电动机的绕组产生的反向自感高压提供一个放电回路，保护Q4。3-7 驱动电路3.3.1 驱动电路仿真在设计完成之后，使用 MULTISIM2001 对电路进行了仿真。以下波形为参考电压V REF=3V，步进电动机控制脉冲频率为3KHZ 时的仿真结果，如图3-8、 3-9所示。3-8 步进脉冲波形图3-9 上波形为比较器输出波形，下波形为限流电阻电压波形本章小结：本章介绍的是本设计的硬件设计，主要介绍了由AT89S52单片机、4 系统软件设计通过对单片机编程并下载到单片机中，使键盘电路、显示电路、复位电路等能够正常的行使其功能，从而使整个系统运行起来，软件设计的质量也影响着整个系统的运行。4.1 系统的主程序系统的主程序如下：ORG 0000HTABLE1: DB 00H ，