【正文】 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案第1章 緒論隨著材料科學(xué)、工藝技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，電路系統(tǒng)向著集成度極高的方向發(fā)展。CPU的生產(chǎn)制造技術(shù)，也朝著綜合性、技術(shù)性、實(shí)用性發(fā)展。如CPU的運(yùn)算位數(shù)從4位、8位 ……到32位機(jī)的發(fā)展，運(yùn)算速度從8 MHz、32 MHz…… GHz?？梢哉f是日新月異的發(fā)展著。其中單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是越來越普遍了。單片機(jī)控制系統(tǒng)是以單片機(jī)（CPU）為核心部件，擴(kuò)展一些外部接口和設(shè)備，組成單片機(jī)工業(yè)控制機(jī)，主要用于工業(yè)過程控制。要進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先必須具有一定的硬件基礎(chǔ)知識(shí)；其次，需要具有一定的軟件設(shè)計(jì)能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求，靈活地設(shè)計(jì)出所需要的程序；第三，具有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。最后，還必須掌握生產(chǎn)過程的工藝性能及被測(cè)參數(shù)的測(cè)量方法，以及被控對(duì)象的動(dòng)、靜態(tài)特性，有時(shí)甚至要求給出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。由此可以認(rèn)識(shí)到，單片機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用中，對(duì)工業(yè)發(fā)展、提高工業(yè)生產(chǎn)力等有重大意義。因此，掌握好單片機(jī)的應(yīng)用，對(duì)以后的生產(chǎn)生活有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義?？萍嫉倪M(jìn)步需要技術(shù)不斷的提升。一塊大而復(fù)雜的模擬電路花費(fèi)了巨大的精力，繁多的元器件增加了成本。而現(xiàn)在，只需要一塊幾厘米見方的單片機(jī)，寫入簡(jiǎn)單的程序，就可以使以前的電路簡(jiǎn)單很多。由此可見掌握了單片機(jī)技術(shù)后,不管今后開發(fā)或是工作上，一定會(huì)帶來意想不到的驚喜。如果將8位單片機(jī)的推出作為起點(diǎn)，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可分為以下幾個(gè)階段：（1）第一階段（19761978）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的控索階段。以Intel公司的MCS–48為代表。MCS–48的推出是在工控領(lǐng)域的控索，參與這一控索的公司還有Motorola、Zilog等，都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單機(jī)片”一詞即由此而來。（2）第二階段（19781982）單片機(jī)的完善階段。Intel公司在MCS–48基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列MCS–51。它在以下幾個(gè)方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。①完善的外部總線。MCS51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有很多機(jī)通信功能的串行通信接口。②CPU外圍功能單元的集中管理模式。③體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。④指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。（3）第三階段（19821990）：8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS–96系列單片機(jī)，將一些用于測(cè)控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。隨著MCS–51系列的廣應(yīng)用，許多電氣廠商競(jìng)相使用80C51為內(nèi)核，將許多測(cè)控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道A/D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等應(yīng)用到單片機(jī)中，增強(qiáng)了外圍電路路功能，強(qiáng)化了智能控制的特征。（4）第四階段（1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位/16位/32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專用型單片機(jī)。單片機(jī)的應(yīng)用在后PC時(shí)代得到了前所未有的發(fā)展，但對(duì)處理器的綜合性能要求也越來越高。綜觀單片機(jī)的發(fā)展，以應(yīng)用需求為目標(biāo)，市場(chǎng)越來越細(xì)化，充分突出以“單片”解決問題，而不像多年前以MCS51/96等處理器為中心，外擴(kuò)各種接口構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，主要集中在中、低端應(yīng)用領(lǐng)域（嵌入式高端應(yīng)用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能處理器構(gòu)成），在這些應(yīng)用中，目前也出現(xiàn)了一些新的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）以電池供電的應(yīng)用越來越多，而且由于產(chǎn)品體積的限制，很多是用鈕扣電池供電，要求系統(tǒng)功耗盡可能低，如手持式儀表、水表、玩具等。 （2）隨著應(yīng)用的復(fù)雜，對(duì)處理器的功能和性能要求不斷提高。既要外設(shè)豐富、功能靈活，又要有一定的運(yùn)算能力，能做一些實(shí)時(shí)算法，而不僅僅做一些簡(jiǎn)單的控制。 （3）產(chǎn)品更新速度快，開發(fā)時(shí)間短，希望開發(fā)工具簡(jiǎn)單、廉價(jià)、功能完善。特別是仿真工具要有延續(xù)性，能適應(yīng)多種MCU，以免重復(fù)投資，增加開發(fā)費(fèi)用。 （4）產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，既能加密保護(hù)，又能方便升級(jí)。單片機(jī)出現(xiàn)至今，單片機(jī)技術(shù)已走過了近20年的發(fā)展路程?？v觀20年來單片機(jī)發(fā)展歷程可以看出，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以微處理器(MPU)技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動(dòng)，表現(xiàn)出較微處理器更具個(gè)性的發(fā)展趨勢(shì)。單片機(jī)長(zhǎng)壽命 這里所說的長(zhǎng)壽命，一方面指用單片機(jī)開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作 十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長(zhǎng)壽命。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，MPU更新?lián)Q代的速度越來越快，以3848586為代表的MPU，很短的時(shí)間內(nèi)就被淘汰出局，而傳統(tǒng)的單片機(jī)如68HC08051等年齡已有15歲，產(chǎn)量仍是上升的。這一方面是由于其對(duì)相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的適應(yīng)性，另一方面是由于以該類CPU為核心，集成以更多I/O功能 模塊的新單片機(jī)系列層出不窮?？梢灶A(yù)見，一些成功上市的相對(duì)年輕的CPU核心，也會(huì)隨 著I/O功能模塊的不斷豐富，有著相當(dāng)長(zhǎng)的生存周期。新的CPU類型的加盟,使單片機(jī)隊(duì)伍 不斷壯大,給用戶帶來了更多的選擇余地。 8位、16位、32位單片機(jī)共同發(fā)展 這是當(dāng)前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的另一動(dòng)向。長(zhǎng)期以來，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以8位機(jī)為主的。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。以Motorola 68K為CPU的32位單片機(jī)97年的銷售量達(dá)8千萬枚。過去認(rèn)為由于8位單片機(jī)功能越來越強(qiáng)，32位機(jī)越來越便宜，使16位單片機(jī)生存空間有限，而16位單片機(jī)的發(fā)展無論從品種和產(chǎn)量方面，近年來都有較大幅度的增長(zhǎng)。單片機(jī)速度越來越快 MPU發(fā)展中表現(xiàn)出來的速度越來越快是以時(shí)鐘頻率越來越高為標(biāo)志的。而單片機(jī)則有所不同，為提高單片機(jī)抗干擾能力，降低噪聲，降低時(shí)鐘頻率而不犧牲運(yùn)算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。一些8051單片機(jī)兼容廠商改善了單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)序，在不提高時(shí)鐘頻率的條件下，使運(yùn)算速度提高了很多，Motorola單片機(jī)則使用了瑣相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率。，而M68K系列32位單片機(jī)使用32K的外部振蕩器頻率內(nèi)部時(shí)鐘可達(dá)16MHz以上。低電壓與低功耗 自80年代中期以來，NMOS工藝單片機(jī)逐漸被CMOS工藝代替，功耗得以大幅度下降，、全靜態(tài)設(shè)計(jì)使時(shí)鐘頻率從直流到數(shù)十兆任選，都使功耗不斷下降。8051類單片機(jī)最早由Intel公司推出的8051/31類單片機(jī)也是世界上用量最大的幾種單片機(jī)之一。由于Intel公司在嵌入式應(yīng)用方面將重點(diǎn)放在1838奔騰等與PC類兼容的檔芯片的開發(fā)上，8051類單片機(jī)主要由Philips、三星、華邦等公司接產(chǎn)。這些公司都在保持與8051單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了8051許多特性(如時(shí)序特性)。提高了速度、降低了時(shí)鐘頻率，放寬了電源電壓的動(dòng)態(tài)范圍，降低了產(chǎn)品價(jià)格。 單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究成果由于單片機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）在智能儀表中的應(yīng)用單片機(jī)廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測(cè)量的自動(dòng)化程度和精度，簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比。（2）在機(jī)電一體化中的應(yīng)用機(jī)電一體化是械工業(yè)發(fā)展的方向。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集成機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品，