步进电机运动系统设计方案及对策

1、-. z.步进电机运动系统方案设计学院：职业技术学院专业：09机电一体化：乐治后*：3指导老师：余德艳步进电机运动系统方案设计一、概述随着工业水平的提高，市场竞争的激烈，人民需求的巨大变化，各行各业对其自己产品质量的要求也更加严格，提高生产效率，扩大产品原材料的来源，降低生产成本也是生产厂家非常重视的方面。而生产效率的提高，就必须在改进生产设备上来实现。对于制造行业来说更是如此，于是基于P89C668单片机的步进电动机运动控制系统的研发就成了本次毕业设计的课题。二、硬件的选型 本设计硬件选型包括步进电动机选型和P89C668单片机的选型，现对它们的特点和功能分别描述如下。（一）、步进电动机1、

2、步进电动机简介 步进电机作为执行元件，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。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与同俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机又称电脉冲马达，它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是：转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，因此可以通过改变输入电脉冲的频率来实现调速：由于其转轴的输出的角位移量与输入的脉冲数成正比，于是可以通过控制脉冲个数来控制步进电动机的角位移量。步进电动机有利于装置或设备的小型化和低成本，而且很容易用微机实现数字控制。因此，广泛应用于众多的领域中并得以

3、不断的发展，并实现机电一体化和自动化。 随着混合式步进电机的产生和应用，其输出功率和力矩不断增加，成本与价格却不断降低，为步进电机的推广应用打下了良好的基础。步进电动机的应用领域十分广泛，在机械、冶金、电力、电子、仪表、轻工，以至医疗、印刷等行业都有使用。例如：计算机的外设、办公自动化中的打印机、传真机的送纸机构、数控机床，记数指示装置，阀门控制，纺织机，等均有应用。一般都用在工作难度较高，工作条件较差，或要求速度快、精度高的场合。随着大功率器件品质的提高，步进系统正在稳步进入普通功率甚至大功率的工业领域。 2、步进电动机的特点 步进电动机具有转矩大，惯性小，响应频率高的优点。另外还有以下特点

4、： 1步进电机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小不波形的变化、温度动)的影响，只要在他们的大小未引起步进电机产生丢步”现象之前，就不影响其正常工作； 2步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转以后，其累计误差为零”，不会长期积累，因此输出的转角或位移精度高； 3控制性能好。在起动、停止、反转时不易丢步”。步进电动机通常不用反馈就能对位移或速度进行精确控制，因此被广泛应用于开环结构(有时也在闭环机电控制系统中应用)的机电一体化系统中，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。 4采用直接数字控制性能好。步进电机是根据脉冲个数决定旋转角度的

5、，单片机只需记住脉冲个数就能计算出电机的旋转角度，从而计算出被控对象的行进距离。省去了路程检测模块，从而简化了设计。出于可以用数字信号直接控制，因此很容易与微型机算计相连接实现机电一体化控制。步进电机的特征：优 点缺 点不需要反馈控制，电路简单效率低容易与微型机算计连接容易引起失步停止时有保持转矩有时发生震荡现象维护方便，价格便宜5步进电动机具有白锁能力(变磁阻式)和保持转距(永磁式)。6步进电动机的动念H向应快，易于起停、证反转及变速。 速度可在相当宽的围平滑调节，低速情况下仍能保证获得很大转矩，因此一般利用不用减速器而直接驱动负载。步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流

6、电源和直流电源。步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取响应的措施。3、步进电机的工作原理分析 步进电机主要是有定子和转子构成。定子的主要结构是绕组，三相、四相、五相步进电机分别有3个、4个、5个绕组，其他依此类推。绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为相序”。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电、断电工作时，转子周围就会有一个按此规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，使得转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。 步进电动机的工作状态由控制信号实现，在步进电动机的单片机控制

7、中，控制信号由单片机产生，其基本控制方式如下： 1相序控制方式 步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行，通常我们是把通电换相这一过程称为脉冲分配。现以四相步进电动机为例分析四相步进电动机的工作方式： 四相步进电动机的工作方式有三种：四相单四拍，四相双四拍，四相单双八拍。单”、双”、拍”的意思是：单”指每次切换前后只有一相绕组通电，双”指的是每次有两相绕组通电：而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫作一拍”。(1) 四相单四拍步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理。又环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电，设先对A相绕组通电，B、C、D三相都不通电。由于磁通具有

8、力图沿磁阻最小路径通过的特点，因此在A极附近的转子就只受到径向力的作用而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。此时B、C、D三相的定子齿则和转子齿在不同的方向各错丌360。(k*m*z)的角度，其中k表示通电方式，当为单拍时取k=1，双拍时取k=2；m为定子绕组的相数；z为转子的齿数。随后A相断电，B相控制绕组通电，则转子就和B相定予齿对齐，转子顺时针方向旋转360。(k*m*z)的角度。然后使B相断电，C相通电，同理转子又沿顺时针方向旋转360。(k*m*z)的角度。转子就按照ABCDA的旋转顺序运动下去。(2) 四相双四拍工作方式原理 当步进电动机按照ABBCCDDAAB的顺序通电

9、，则就成了四相双四拍工作方式。其工作原理与四相单四拍相同，此处不进行详细说明。 (3) 四相单双八拍工作方式原理 当步进电动机按照ABBCCDDAAB的顺序通电时，则就成了四相单双八拍工作方式。其工作原理为：当A和B通电时转子稳定位置将会停留在A、B两定子磁极对称的中心位置上。因为每一拍，转子转过一个步距角。依次顺序通电，则步进电动机沿一定的方向旋转。 2转向控制方式 如果按给定的工作方式正向顺序通电换相，步进电动机就F转；如果按相反的顺序通电换相，则电动机就反转。例如，步进电动机先前的工作方式为ABCDA此时，步进电动机按顺时针旋转。若改为ADCBA时，则步进电动机的转向与原来相反，即，逆时

10、针旋转。 步进电动机工作时的通电控制脉冲，必须严格按照步进电动机所要求完成的工作方式进行顺序控制。4、步进电动机的驱动 要使步进电动机输出足够的转矩，就必须采用功率驱动器对控制信号进行放大以驱动负载工作。步进电动机的功率驱动电路有多种，可以用晶体管驱动电源，高频晶闸管驱动电源等；驱动电源可以是单电压驱动、高低电压驱动、高频调压驱动、以及细分驱动等。 下面介绍几种典型驱动电路： 1单电压驱动电路，它是驱动电路的一种，其工作原理是：当输入的信号为低电平时，一级放大三极管的发射级的电压为负，此时功率管截止。当输入的为高电平时，一级放大三极管的发射级的电压为正，此时功率管饱和导通，步进电动机的响应相的

11、绕组中有电流。只要*相为逻辑高电平，相应的相便导通。在这种驱动电路中为了防止电机过流及改善驱动特性，需要串接限流电阻。由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗掉大量的功率，因此限流电阻要有较大的功率容量，并且开关管也要有较高的带载能力。此种驱动电路中的电阻较多，功率消耗大，电源的效率低。 2高低电压驱动电路，为了改善步进电动机的频率响应，改善激磁电流的波形，一种方法是提高电流上升时间段的激磁电压，当电流上升到一定值后，再将激磁电压减为额定值。即在步进电动机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移步；而在锁步时，则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样

12、，既可以减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度，但这种驱动方式的电路要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。现在，脉冲分配器已经标准化、芯片化。步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也降低了成本。使用单片机以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定围自由设定步进电动机的转速、往返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求。因此，常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。采用高低电压驱动电源，步进电动机绕组不需要串电阻，电源功率损耗较

13、小。 3斩波型驱动电路，这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终在规定值上下，来使步进电动机工作。（二）、 单片机选型 如今单片机种类的繁多为选用带来很大不方便，根据本毕业设计的实际需求，有两种类型(8031和增强型8051)比较适合。因此，有必要对他们作简要介绍，以选择其一。现对8031作简要介绍。1、803l单片机介绍 8031单片机是MCS-5l系列单片机的一种基本产品，现对其进行简单描述，如下：8031单片机有一个8位的CPU，一个128字节RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行I0端口，1个全双工异

14、步串行端口，2个16位定时器计数器，5个具有优先级别的中断源。在803l外接一片程序存储器后，就构成了一个具有完整功能的微机应用电路。在软件方面，当8031的晶振频率为12MHZ时，指令周期为1s，绝大多数指令执行时间为12s，最长4s。大部分指令为1字节或2字节，最长3字节。此外，8031所具有的乘除法指令，多种形式的位操作类指令和逻辑运算指令也是独具特色的。8031单片机有4个存储器空间，分别安排4种不同功用的存储器： (1)部数据存储器，集成于片，统一编址。 (2)特殊功能存储器，集成于片，统一编址。 (3)程序存储器，安排在片外，单独编址。 (4)外部数据存储器，安排在片外，单独编址。

15、 2、P89C668单片机 （1）描述 P89C660662664668单片机带6KB32KB64KB64KB Flash存储器，该存储器既可并行编程，也可以串行在系统编程(ISP)。 在实际的成型产品中，可通过ISP升级用户程序。 在Boot ROM程序中，可通过一个默认的串行下载器(UART)对Flash存储器作ISP编程，而在Flash代码区中并不需要有调用下载器的代码，用户程序可通过调用在BootROM中的标准子程对Flash存储器擦写和再编程即(IAP)。 该器件在6个时钟周期执行一条指令，是传统的80C51的两倍。一个0TP结构位让用户选择传统的12个时钟周期。其指令集和80C51

16、相同。它有四个8位I0口，三个16位定时器事件计数器，多中断源，四个优选级，可嵌套中断结构，一个增强型UART和片振荡器以及时序电路。 P89C660662664668新增特性使其成为一个功能强大的单片机，为*些应用提供 FWM，高速的I0和加减计数，如汽车控制。 （2）特点 使用80C51中央处理单元，具有片可ISP和IAP编程的Flash存储器，BootROM包括底层的Flash编程子程序用于经过UART下载，可IAP编程，可用兼容87C51硬件接口的并行编程器编程。 每个机器周期6个时钟周期操作标准，每个机器周期12个时钟周期操作可选,在每个机器周期6个时钟周期下速度高达20MHz相当于

17、40MHz性能在每个机器周期12个时钟周期下速度高达33MHz。 完全静态操作，RAM可外部扩展到64K字节，4个中断优先级，8个中断源，4个8位IO口。 全双工增强型UAIH包括桢错误检测和自动地址识别。 功耗模式控制，包括时钟可被中止和继续，空闲模式，掉电模式。 可编程的时钟输出，两个DPTR寄存器，端口异步复位1，低EMI禁止AIE，PC串行接口。 可编程的计数器阵列PCA，包括PWM和捕捉比较两部分，非常适合IPMI应用。 综合以上可知，选择增强型8051(P89C668)单片机较适合。现对P89C668单片机的重点功能描述如下。 （3）P89C668重点功能描述 定时器计数器O和1：

18、 2个16位定时器计数器：定时器0和定时器1。两者可配置成定时器或事件计数器。用作定时器功能时，每经过一个机器周期，寄存器加l。因此，可以将一个机器周期看作计数周期。由于一个机器周期由6个振荡周期组成，所以，定时器的计数率为16振荡频率。 用作计数器功能时，每当外部计数管脚，T0或T1，发生一次1到O的跳变，寄存器加1。此功能中，外部输入脚每个机器周期被采样一次。 当在一个周期采样为高而下一个周期采样为低时，计数值增加1。新的计数值在检测到跳变的周期的下一周期出现在寄存器中。由于识别1到0的跳变，要占用2个机器周期(12个振荡周期)，因此最大计数速率为112振荡频率。外部输入信号的占空比不受限

19、制，但为了保证给定电平能在改变之前被检测到，外部输入信号的状态至少要保持一个完整的机器周期。除了定时器或计数器的选择外，定时器0和定时器1还有4种工作模式可供选择。定时器和计数器功能通过特殊功能寄存器TMOD的C/T位米选择。两个定时器计数器都有4种工作模式，由TMOD的两位(M1，M0)进行选择。（三）、ISP功能介绍 系统编程(ISPIn System Programming)功能是P89C668增强型8051单片机的特色之一。ISP是指电路板上的具有该功能的单片机（例如：P89C668）可以编程写入最终用户程序代码，而不需要从电路板上取下该器件。同时，已经编程的单片机也可以用：ISP方式

20、进行擦除并可以实现再次编程。 在ISP模式下得电时，可以进行ISP操作，在ISP模式下单片机通过串行端口与外部主机如PC机或终端通信。单片机从主机接收命令和数据用于擦除和再编程代码存储区等等。当ISP操作结束时，应重新配置单片机这样才能正常进行下一次操作。 ISP的工作，是通过两个特殊的寄存器：Boot Vector引导向量和Status Byte状态字节的配置来实现的。系统复位失败时MCLJ检测Status Byte的容。如果Status Byte为0时，系统上电复位后执行从地址0000h处开始，用户应用程序当Status Byte的容大于0时，Boot Vector的值作为执行程序的地址高

21、位字节，低位字节为00H。工厂的缺省设置是Boot Vector等于0FCH，也就是说，Boot Vector容工厂掩模ROM的ISP Boot ROM的地址为0FC00H，用户可以修改Boot ROM的Boot Vector容。注意：当擦除Status Byte或Boot Vector，两个同时也被擦除。在擦除和修改Status Byte后必须对Boot Vector再编程。 在复位失败时，boot loader在下列情况下也会被执行： 保持PSEN为低电平 EA管脚电压大于VIH P2.6和P2.7是高电平或是悬浮 上电复位时ALE为高电或悬浮，非零的情况相同，这样可以使系统正常执行最终用

22、户程序，也可手工迫使系统进入ISP操作。ISP的特性是可以使闪速EPROM通过串行端口进行编程。 ISP允许使用较宽围的波特率，而与振荡频率无关，因此可以通过检测接收一个字符的时问来实现。ISP操作时，需要传送一个初始字符(大写字母U)到P89C668，以确定波特率。ISP固件能在接收到字符后自动回应。 表示数据记录，0l”表示文件结束标志。在ISP应用中，还用到其它的记录类型表明命令或数据。 当P89C668接收到一个记录，记录中的信息则在部贮存起来，并且完成校验和的计算。接收到整个记录之后，才执行表示记录类型的操作。 对于数据类型的记录(记录类型为00)则要进行一个额外检测。当记录中的校验

23、和与计算中的校验和相符，而且记录中所有字节都被成功编程的情况下，单片机才发送字符。三、 开发工具（一）、Vision2简介 Keil C51Vision2集成开发环境是Keil SoftwareIncKeil Elektronik GmbH开发的基于80C51核的微处理器软件开发平台，嵌多种符合工业标准的开发工具，可以完成从工程建立到管理、编译、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。尤其是C编译工具在生产代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。Vision2支持所有的Keil 80C51的主要工具软件，包括C51编译器、宏汇编

24、器定位器和目标文件至He*格式转换器， Vision2可以自动完成编译、汇编、程序等操作。（二）、vision2的功能 1.vision2 for Windows：是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中： 2.C51国际标准化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块： 3.A51宏汇编器：从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块： 4.BL51器定位器：组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块： 5.vision2的软件调试器：vision2软件调试器能十分理想地进行快速、可靠的程序调试。调试器包括一个高速模拟器，可以

25、使用它模拟整个80C51系统，包括片上外围器件和外部硬件。当从器件数据库选择器件时，这个器件的属性会被自动配置： 6.vision2的硬件调试器：vision2硬件调试器提供了几种在实际目标硬件上测试程序的方法。安装MON51目标鉴控器到目标系统，并通过Monit0r-51接口下载程序，使用高级GDI接口，将visjon2调试器同类似于DP-51PR0单片机综合仿真实验仪或者TKS系列仿真器的硬件系统相连接，通过vision2的人机交互环境指挥连接的硬件完成仿真操作： 7.LIB51库管理器：从目标模块生成器可以使用的文件： 8.OH51目标文件至HE*格式的转换器：从绝对目标模块生成Inte

26、l He*文件： 9.RT*-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。（三）、 Protel D*P2004我们在做设计的过程中，需要绘制大量的图纸，以电路设计为例；完成一个电子产品的设计，就必须先把自己的思想用特有的语言 图形表达出来，就需要绘制出电原理图、印刷板图、元件排列图、阻焊剂图、工艺说明、明细表、元件表等图纸资料。而手工绘制这些图纸需要花费大量的时间，并且要修改这些图纸也十分的繁琐，还很容易出现不必要的错误，工作效率极其的低。现在，我们可以将以上图纸用计算机来进行设计管理，工作效率和质量有了大幅度的提高。下面来分别谈论Protel D*P 2004的优点和功能和一般使

27、用方法。 Protel D*P 2004的优点和功能： 1.非常容易修改，尤其式印刷版图。 2.设计好印刷版图后，可以自动生产元件排列图，焊接剂图。 3.设计好的印刷板图可以与电原理图进行自动校对，它会在检查报告中注明那些元件之间连接有错误，线条之间的问距是否小于你所要求的距离。然后你就可以根据检查报告来修改印刷板图，使用这项功能比人工校对可提高效率一百多倍。 4.随时可以通过打印机得到理想的图纸。5.设计完电路后就需要制作其他的设计文档。如：工艺说明、明细表、元件表等。我们虽然也可以用WPS等工具将其打印出来，但不能满足规化的文档要求。因为在舰化的文档当中，有拟制、审核、工艺、描图、校对等小

28、栏目。它们的位置、字体、大小各有异同。而且还有许许多多的表格线，线条有粗有细。用WPS等软件要想一模一样地打印出来是小可能的。凶为它们的表格线是用汉字制表线，一条表线需要占据一个汉字的高度和宽度，而且不允许插入图形和连接数据库，排版功能也十分有限。四、系统硬件设计实现（一）、概述本次毕业设计的系统硬件总体上分为三大块：通信接口和ISP功能电路设计；键盘与显示电路设计；驱动电路设计；其中驱动电路设计是本次设计的核心，而其他的两个部分是为驱动电路部分服务的。它们的结构框图如下所示：图41硬件系统结构框图（二）、通信接口和ISP功能电路设计 由于单片机中的程序有可能需要改写和控制单片机，为了方便改写

29、和控制，本设计选用通信接口和ISP功能电路来实现。 ISP模式下，不需要特定的振荡频率产生波特率或编程脉冲时序，用户需要提供给P89C668产生恰当时序的信息。 P89C668的在系统编程是通过标准RS-232C串口来完成的，它是一种嵌的在线可编程，只需要增加少量的电路板面积和元件。因此只要微机配备了RS-232C串口，就可以直接通过下载电缆来完成程序的下载，使用非常方便。因此具备ISP功能的单片机系统和普通单片机系统的设计在别的方面没什么区别，只是在RS-232C串口的设计上做一下小的变动即可，ISP，用到了5个管脚：T*D，R*D，Vss，Vcc和Vpp，对于P89C668来说，Vpp=5

30、V，其硬件原理电路图见附录二中的图4.1所示。1、电路原理和器件选择 在这里列出图中的主要器件名称及其在电路中的主要功能： P89C668：单片机，控制发光二极管的输入，产生一定时间的延时。 MA*232：单片机串口的电平转换芯片，它的部结构也是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，其含有反电动势的二极管。2.接口信号 MA*232是异步串行通讯中应用最广泛的标准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适用于数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之问的接口，其中DTE主要包括计算机和各种端机，而DCE的典型代表是调制解调器(MODEM)。 3.电气特性 MA*232标准对电器特

31、性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定：对于数据，逻辑0”的电平高于-3V，逻辑1”的电平低于+3V；对于控制信号，接通状态(0N)即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3v因此，实际工作时，应保证电平在+3V到15V之间。 ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)。 外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。 OSC晶振，本次设计中选择的是12MHz的立式晶振。 LEDlLED4：发光二极管，用来显示步进电

32、动机的状态。 RIR3：限流电阻，防止发光二极管过流烧毁。阻值330 欧。4、地址分配和连接 在此仅列出设计中单片机与各个模块管脚的连接。 T*D：MA*232的11引脚，MA*232的TTL电平输入引脚，连接单片机的T*D，TTL串口输入信号。 R*D:MA*232的12引脚，MA*232的TTL电平输出引脚，连接单片机的R*D，T TL串口输入信号。SEGIN:MA*232的14引脚，MA*232的RS-232电平输出引脚，连接RS-232的R*D，RS-232的串口输入信号。（三）、键盘和显示电路设计 键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，

33、实现简单的人机通讯，按键是一种常开型开关，平时(常态)按键的两个触点处于断开状态，当键按下时才闭合(短路)。 按键的闭合稳定时间的长短由操作人员的按键动作决定，一般为零点几秒至数秒，常常出现键抖动的情况，在此不予讨论。 在键盘扫描的控制方式，在单片机系统中，为了节省硬件，通常采用行列矩阵式非编码键盘，单片机对它的控制通常有以下几种方式： 1.程序控制扫描方式，即利用程序连续地对键盘进行扫描。 2.定时器扫描方式，即单片机定时地对键盘进行扫描。 3.中断扫描方式，即键按下引起中断后，单片机对键盘进行扫描。 发光二极管常用作单片机最常用、最简单的输出设备，可以用来显示单片机或执行元件的运行结果和运

34、行状态等，设计中采用二极管来显示各种不同情况下相应的运行和控制状态，例如：电动机的正反转状态，ISP使能状态等等，这样可为使用者提供醒目的感官提示。请参见附录二中的图32键盘和显示电路原理图。 键盘和显示硬件电路的设计主要功能是：通过按键(S1S4)来控制显示器件发光二极管的状态。 1电路原理和器件选择 在这里列出和本设计相关的关键部分的器件名称及其在电路中的主要功能。 P89C668：单片机，控制键盘的电平输出。 LED0LED3：发光二极管，用于显示键盘的输入状态。ULN2003A：该芯片包含多个高电压的实用型达林顿管，还封装了一系列的电阻器，部电路图如图33所示。图3.3 ULN2003

35、A部结构s1s4：S1、S2是两个带有自锁功能的按钮，SlS3、S4是两个点动开关。 2.地址分配和连接 只列出和本设计电路相关的、关键部分的单片机。各个功能管脚的连接和相关的地址分配。 P1.4P1.7：与独立的键盘的输出管脚相连，控制和检测键盘的输入。 P1.0P1.3：接上拉电排阻，控制独立键盘的扫描线处于高电平。 S1S4：S1是与P1.4相连控制步进电动机的启动停止按钮，当P1.4为高电平时，步进电动机启动，并且发光二极管点亮；S2是与P1.5相连用来控制步进电动机的正反转，当P1.5为高电平时，发光二极管循环闪烁和步进电动机反转；S3与P1.6用来控制步进电动机的加速，同时二极管指

36、示，当P1.6为低电平时，步进电动机加速转动；S4是与P1.7相连用来控制步进电动机的减速转动，当P1.7为低电平时，步进电动机减速转动。（四）、步进电机驱动电路设计 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机速度进行控制；控制步进脉冲的个数，也可以对电机定位。 典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成： 1.步进控制器，由单片机实现。 2.驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。 3.步进电动机。是执行元件，用于带动其他的工作元件

37、来完成所需要的功能。 上述的三部分在我们设计的过程中都集成到了芯片之中，是由芯片来进行控制的，ISP可以直接下载。 步进电动机驱动电路图见附录3.4图。设计的过程中用到了TLP5214芯片。 电路原理和器件选择 在这早列出和本电路有关的、关键部分的器件名称及其在电路中的主要功能： P89C668：单片机，通过ULN2003对光电耦合器进行控制。ULN2003A：使单片机串口的电平转换芯片。TLP5214：光电耦合器。它将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，很大一部分干扰将被阻挡。光电隔离电路利用光隔离组成的光电隔离电路将控制器与外部的驱动电路隔离开来，使得外部电路的变化不至于

38、影响或者损坏控制系统，从而提高系统的可靠性，增强抗干扰能力。光电隔离器最重要的参数是电流传输比CTR，应注意通常其值为0.20.9。输入数字信号提供一定的电流(510mA)时，光电隔离器才会把放大的数字电平输出。光电隔离器联结时应注意信号F负逻辑。光电隔离器的输入、输出端两个电源必须单独供电，否则，如果使用同一电源外部干扰信号可通过电源串到系统中来。 光电隔离器的工作原理是：当它的发光二极管工作时，光电管受光的影响有电流通过，这些电流基本上受光的照度控制，它可以作为开关使用，这时发光二极管和光电管平常都处与关断状态，在发光二极管通过电流脉冲时，发光晶体管在电流脉冲持续的时问通过。光电耦合器件也

39、可作为线性耦合器使用，在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，引起其亮度的变化，这样，光电晶体管接受到的时再偏置电流上增、减变化的光信号。部结构如图3.5所示。图35 TLP521-4部机构P89C668单片机的P0.0P0.3连接驱动芯片ULN2003的输入口INlIN4。当P0.0口出现高电平时，通过ULN2003转换芯片控制U4，发光二极管发光，光电晶体管导通，进而控制步进电动机的状态。其他端口均如此。（五）、系统硬件电路设计总图此系统硬件电路图是我们设计的总图，包括上述各部分的硬件电路：ISP硬件电路图，键盘和显示硬件电路图，步进电动机驱动电路图三部分，

40、系统硬件电路设计原理图如附录二中图增强型8051单片机步进电机控制系统硬件总图”所示。五、系统软件设计实现（一）、系统的软件构成 本设计应用的是汇编语言进行编程，系统程序的总体设计思路是：利用单片机对键盘进行扫描，根据按键的状态来设置相应的状态位，然后根据各状态位的值输出相应的控制信号，进而实现对步进电动机的启动、停止、正反转、加速以及减速的控制，并把系统的运行状态在显示电路中显示出来。本设计的软件部分由键盘和显示电路的软件设计，步进电动机控制的软件设计两大部分构成。系统结构框图可表示为：P89C668单片机键盘扫描步进电动机驱动程序键盘显示图41系统结构框图现对框图中各部分的功能作简要分析：

41、 1.P89C668单片机：是本设计的核心器件，用于控制整个系统的各种工作。信号的接受，发出，处理等。 2.步进电动机驱动模块程序：步进电机的运动是靠脉冲驱动，单片机每一个脉冲，步进电机就往前走一步，在这个过程中，脉冲要按一定的顺序送出，当脉冲的时问间隔是相等的时候，步进电机就按一定的速度转动，如果改变驱动脉冲的发送频率，则电机转动速度就会发生变化。 3.键盘扫描功能，是通过存储在单片机里面的键盘扫描程序根据键盘的输入状态来设置和控制整个系统运行的状态位，从而最终控制步进电动机的运动状态。 4键盘显示功能：是指通过显示器(本设计中应用发光二极管)的亮与灭来提示，步进电动机的起、停、正、反转，加

42、、减速等的运动状态。（二）、系统软件流程图及其说明 软件的设计主要是控制步进电机的运动状态，即控制单片机发送的驱动脉冲的发送频率。可采用下面两种方法实现：采用软件定时，采用硬件定时，本设计所采用的就是后一种方法。主程序流程图如下图所示： 开始调用键盘扫描电机停转QD=1 否电机运转 是JK=1加大定时初值 是JM=1 否 减小定时初值 是 否图41主程序流程图主程序流程图的说明： 程序开始，按K1，K2，K3，K4顺序逐步进行扫描，判断是否有按键按下。 置状态位，通过对P89C668端口的控制，若P1口有按键按下，即使其保持低电平，则相应的P0口控制的步进电机的线圈通电，使步进电机开始转动。若

43、P1口没键按下，则P0口线圈无电流通过，此时步进电机停止转动。步进电机正反转控制程序在中断中进行，此时不与考虑，下文有专门的介绍。 判断是否进入步进电机的加减速状态，程序通过改变每次进入中断时，改变定时初值的办法来实现，加大定时初值，则每次步入中断的时间减小，电机在每一相的通电时间减小，达到加速目的。减速也与此理论相同。入口键盘扫描程序流程图：P1.4=1=1 N YQD=1QD=0P1.5=1 N YZ*=1Z*=0P1.6=0延时消 Y NJK=1返回P1.7=0 N Y延时JM=1返回主程图4.2键盘扫描程序流程图键盘扫描程序流程图说明：步进电动机运动状态控制 读取P1口的状态，在P1口的高四位中若状态为高电平，则无键按下，此时P1.O点亮，其余的灯为熄灭状态。若为低电平则有键按下，相应的灯的亮灭与电机的状态紧密对应，执行过程为： K1按下，步进电机开始转动，否则程序继续扫描下一键。 K2按下，步进电机正转，K2弹起步进电机反转(在中