【正文】 其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價值。 第一章 系統(tǒng)方案論證 系統(tǒng)基本功能 設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制器。要求內(nèi)能 從鍵盤上輸入步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及啟停，并顯示轉(zhuǎn)數(shù)。具體要求如下： (1) 鍵盤設(shè)計 0～ 9: 數(shù)字鍵。 *：正逆轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定完成后，按“ *”啟動步進(jìn)電動機(jī)。 ：清除設(shè)定為正轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)數(shù)為 00。 A：設(shè)定正逆轉(zhuǎn)。按“ A”鍵則 LED 指示燈亮，表示逆轉(zhuǎn)，再按則 LED 只是等滅，表示正轉(zhuǎn)。 (2) 控制過程 ① 送電時，設(shè)定為正轉(zhuǎn)，顯示器顯示為“ 00”。 ② 輸入轉(zhuǎn)數(shù)，顯示器顯示輸入的轉(zhuǎn)數(shù)，按“ A”設(shè)定正逆轉(zhuǎn)， LED 指示燈亮表示逆轉(zhuǎn)， LED 指示燈滅表示正轉(zhuǎn)，然后按“ *” 步進(jìn)電動機(jī)開始運(yùn)行。 ③ 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，顯示器減 1，直至為 00，步進(jìn)電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 根據(jù)功能設(shè)計的要求本設(shè)計采用 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)控制運(yùn)用矩陣式鍵盤作為輸入控制端驅(qū)動系統(tǒng)采用 74LS04 和達(dá)林頓管，使步進(jìn)電機(jī)可在智能化程序控制下完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定等各種操作。文中在單片機(jī)與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離?？墒共竭M(jìn)電機(jī)具有更高的性能 ,同時把數(shù)字電路與驅(qū)動電路隔離開 ,避免了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時所產(chǎn)生的沖擊電壓和電流干擾單片機(jī)。 系統(tǒng)設(shè)計 要想實(shí)現(xiàn)以上論述的功能 只要 通過 P1 口的鍵盤輸入并 按一定的順序改變 P0 口輸出的 脈沖 信號，從而改變步進(jìn)電動機(jī) 四端 通電的狀況，即可控制步進(jìn)電機(jī)依選定的方向步進(jìn)。 同時通過顯示器同步的顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。 依據(jù)以上描述可畫出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 步進(jìn)電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)框圖 控制系統(tǒng)包括：鍵盤輸入模塊、顯示、指示模塊以及步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動模塊。鍵盤輸入模塊主要完成數(shù)據(jù)輸入及控制輸入，顯示模塊完成轉(zhuǎn)數(shù)的顯示。步進(jìn)電機(jī)模塊主要是由單片機(jī)輸出控制碼到驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 第二章 硬件設(shè)計 2． 1 單片機(jī)系統(tǒng) AT89C51 功能概述 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 PEROM 和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 FLASH 存儲單元，功能強(qiáng)大。此單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合。 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) FLASH 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通訊口，內(nèi)置一個精密比較器， 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，同時AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的工作模式，空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時計數(shù)器，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 （ 1） 引腳功能說明 MCS51 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請參見圖 ： 圖 AT89C51 的引腳圖 VCC：電源電壓； GND：地； P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫 1 可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 FLASH 編程時， P0 口接受指令字節(jié)，而在程序效驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)，效驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因 為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。 FLASH 編程和程序效驗(yàn)期間， P1 接收低 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯們電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR 指令）時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù) 據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@RI）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。 FLASH 編程或效驗(yàn)時， P2 亦接收高位地址和其它控制信號。 P3 口： P3 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P3 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯們電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是他的第二個 功能，如下表所示： 表 1 P3 口 AT89C51 特殊功能 端口引腳 功能特性 RXD（串行口輸入） TXD（并行口輸入） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時計數(shù)外部輸入 0） T1（定時計數(shù)外部輸入 0） WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) P3 口還接收一些用于 FLASH 閃速存儲器 編程和程序效驗(yàn)的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。其引腳一旦變成兩個機(jī)器周期以上的高電平，所有的 I/O口都將復(fù)位到 1 狀態(tài)，當(dāng)振蕩器正在工作時，持續(xù)兩個機(jī)器周期以上高電平便可完成復(fù)位，每個機(jī)器周期為 12 個振蕩時鐘周期。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使 CPU僅訪問外部程序存儲器（ 0000H—FFFFH）， EA 端必須保持低電平接地，需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位是內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V的編程允 許電源 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器輸出端 （ 2） 時鐘振蕩器 AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋器件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖 。 外接石英晶體或陶瓷振蕩器及電容 C1， C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 C1， C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要 求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振得難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用 30PF177。 10PF，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇 40PF177。 10PF。 圖 時鐘振蕩電路 （ 3）復(fù)位電路 計算機(jī)在啟動運(yùn)行是都需要復(fù)位，使中央處理器 CPU 和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 MCS51 的復(fù)位輸入引腳 RST為 MCS51提供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執(zhí)行，在 MCS51的時鐘電路工作后，只要 RST 引腳上出現(xiàn)超過兩個 機(jī)器周期以上的高電平時，即可產(chǎn)生復(fù)位的操作。只要 RST 保持高電平，則 MCS51 循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng) RST由高電平變低電平以后， MCS51 才從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位方式的復(fù)位電路。 MCS51 單片機(jī)有一個復(fù)位引腳 RST，它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn) 2個機(jī)器周期（即 24個時鐘周期）以上的高電平。使器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平， MCS51保持復(fù)位狀態(tài)。此時 ALE、 /PSEN、 P0、 PP P3 口都輸出高電平。 RST 變?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?fù)位， CPU 從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位以后內(nèi)部寄存器的初始狀態(tài)為（ SP=07， P0、 P P P3為 0FFH 外，其它寄存器都為 0。在 RST 復(fù)位端接一個電容至 VccHE 一個電阻至 Vss，就能實(shí)現(xiàn)上電自動復(fù)位，對于 CMOS 單片機(jī)只要接一個電容至 Vcc 即可。如圖，在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在 RST 端出現(xiàn)一定時間的高電平，只要高電平時間足夠長，就可以使 MCS51有效地復(fù)位。 RST 端在加電時應(yīng)保持的高電平時間包括 Vcc 的上升時間和振蕩器起振時間， Vcc 上升時間若為 10ms，振蕩器起振時間和頻率有關(guān)。 10MHz 時間約為 1ms， 1MHz 時約為 10ms，所以一般為了可靠地復(fù)位， RST 在上電時應(yīng)保持 20ms 以上的高電平。圖 中， RC時間常數(shù)越大，上電時 RST 端保持高電平的時間越長。當(dāng)振蕩頻率為 12MHZ 時，典型值為C=10uF,R= . 圖 23上電復(fù)位電路 （ 4）人工復(fù)位 除上電自動復(fù)位以外，常常需要人工復(fù)位，將一個按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電自動復(fù)位電路，按一下開關(guān)就 RST 端出現(xiàn)一段時間的高電平，即使器件復(fù)位。如圖所示 圖 24 上電和開關(guān)復(fù)位 而我們在這次的畢業(yè)設(shè)計中運(yùn)用的人工復(fù)位電路 . 其中電平復(fù)位是通過 RST端經(jīng)電阻 和電源 Vcc 接通而實(shí)現(xiàn)的，按鍵手動電平復(fù)位電路如圖。當(dāng)時鐘頻率選用 12MHz 時， C 選取 10uF， R 選擇 1000 歐。 （ 5） 上拉電阻的作用 P0 口沒有上拉電阻，故作為普通 IO 口用的時候，須加上拉電阻。 P2 口內(nèi)部存在上拉電阻，但因?yàn)槠溆米骶仃囨I盤，為了得到較高的可靠性，故將其也再加上外部上拉。一般上拉電阻取值為 1KΩ 10KΩ。阻值越小，能提供的上拉 能力也越強(qiáng)，但功耗也會隨之上升。 晶體震蕩器電路如圖 25所示， 圖 25晶體震蕩器電路圖 （ 6）振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸 出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 （ 7）芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C52 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯 ，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 因此在本次設(shè)計中用 AT89C52 來作為該系統(tǒng)的核心處理芯片。 如圖 26： 圖 26AT89C52 外圍電路圖 （ 8）電源部分 因?yàn)殡娐分械?AT89C52 單片機(jī)的工作電壓是 +5V，而步進(jìn)電機(jī)的工作電壓是+12V ，根據(jù)穩(wěn)壓電源的設(shè)計要求及其技術(shù)指標(biāo)，結(jié) 合本系統(tǒng)的功率要求及安裝方便實(shí)用，本實(shí)驗(yàn)用電容整流濾波再經(jīng)集成穩(wěn)壓管 7805/7812 后得到直流 +5V和 +12V 電壓。提供給 AT89C52 芯片 、 步進(jìn)電機(jī)及其他外圍電路 。 其硬件電路如下示： 圖 27 輸出 +5V電壓 圖 28 輸出 +12V 電壓 AT89C52 接電機(jī)驅(qū)動電路 接數(shù)碼管段選端 EA接 +5v Reset 接復(fù)位電路 X1,X2 接晶振電路 接鍵盤控制電路 , 接數(shù)碼管位選端 2． 2 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的 存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 ： (1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (Variable Reluctance，簡稱 VR)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它 的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型； (2)永磁式步進(jìn)電機(jī) (Permanent Mag，簡稱 PM)永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應(yīng)式 )，但啟動運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電； (3)混合式步進(jìn)電機(jī) (Hybrid，簡稱 HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體， 以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小 ,發(fā)熱低。 圖 29 目前市場上所使用的工