【正文】 ...................................................................................................... 66 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 1 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中扮演著越來越重要的角色，但是對于一般的消費(fèi)者來說，怎樣測試步進(jìn)電機(jī)是個(gè)很難實(shí)現(xiàn)的問題，而且市場上現(xiàn)在也沒有專門測試步進(jìn)電機(jī)的儀器，其次數(shù)控機(jī)床教學(xué)也缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教具，對純理論的教學(xué)學(xué)生留下的印象可能不是很深刻，脈沖信號(hào)發(fā)生 器的設(shè)計(jì)和研究可以解決以上兩個(gè)問題。硬件平臺(tái)是利用鍵盤和 AT89S51 單片機(jī)的連接技術(shù)，向單片機(jī)輸出信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)控制單元，即硬件控制電路，來實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的字符顯示、步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速以及步進(jìn)電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制。 山東科技大學(xué) 可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文 不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。山東科技大學(xué) 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和 借閱。這兩部分不是獨(dú)立的，而是互相聯(lián)系構(gòu)成整 個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。 關(guān)鍵詞 ：步進(jìn)電機(jī)； AT89S51 單片機(jī) ；液晶顯示器； 鍵盤 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) III Abstract This issue39。 步進(jìn)電機(jī)的最大特點(diǎn)是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。 脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的要求 簡易步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)發(fā)生器可以作為培養(yǎng)與提升學(xué)生綜合能力的試驗(yàn)平山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 臺(tái)，也可作簡易的試驗(yàn)教具，但簡易步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)發(fā)生器對一般的學(xué)生來說存在硬件焊接復(fù)雜軟件編程難的問題，使其在應(yīng)用過程中受到了一定的限制。 主要研究內(nèi)容 (1)總體設(shè)計(jì) 總體設(shè) 計(jì)包括軟硬件的設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容進(jìn)行分析，確定各平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。 (5)綜合調(diào)試 軟硬件聯(lián)合調(diào)試，最終完成 脈沖信號(hào)發(fā)生器 的設(shè)計(jì)。 21 總體框架結(jié)構(gòu)圖 其中 AT89S51 單片機(jī)作為本系統(tǒng)的中控模塊。 各功能模塊方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)各功能模塊主要 包括按鍵模塊，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊和液晶顯示 模塊等，下面將分別討論各個(gè)模塊擬采用的方案和最終方案的確定。根據(jù)顯示容量又可以分為單行 16 字， 2行 16 字，兩行 20字等等。 電源模塊 方案一：采用干電池作為本系統(tǒng)的電源，由于點(diǎn)陣系統(tǒng)耗電量較大，使用干電池需經(jīng)常換電池，不符合節(jié)約型社會(huì)的要求。 方案二：用 FPGA（可編程門陣列）實(shí)現(xiàn)：對信息進(jìn)行分析處理，然后作相應(yīng)的控制。 方案的比較 與確定 : 單片機(jī)控制適合于功能比較簡單的控制系統(tǒng) ,而且其具有成本低 ,功耗低 ,體積小算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng) ,技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。 本章 小結(jié) 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 本章對該設(shè)計(jì)的總體框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，并對該設(shè)計(jì)的 各功能模塊擬采用和最終采用的方案進(jìn)行了的介紹，并確定了 BL210 步進(jìn)電機(jī) 為 本論文的驅(qū)動(dòng)模塊，通過 比較 確定了單片機(jī) AT89S51 為本設(shè)計(jì)的控制芯片，通過比較數(shù)碼管顯示、 OCM12232 系列點(diǎn)陣型液晶顯示模塊 和 1602 液晶顯示模塊 確定了本設(shè)計(jì)的顯示模塊是 1602 液晶顯示模塊 ,該模塊將 在第三章中詳細(xì)介紹。發(fā)光管和 LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，在此不作介紹，本章重點(diǎn)介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 體積小、重量輕 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 (2)液晶顯示器的分類 液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 區(qū)的 000H—— 00FH 的16 字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（ 000H） =FFH 時(shí)，則屏幕的左上角顯示 一條短亮線，長度為 8個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（ 3FFH） =FFH 時(shí)，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（ 000H）=FFH，（ 001H） =00H，（ 002H） =00H， ?? （ 00EH） =00H，（ 00FH） =00H 時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由 8段亮線和 8 條暗線組成的虛線。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在 LCD 上開始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示 RAM 對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。一般 1602 字符型液晶顯示器實(shí)物如圖 31： 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 圖 31 1602字符型液晶顯示器實(shí)物圖 1602LCD 的基本參數(shù)及引腳功 能 1602LCD 分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為 HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖 32所示： 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 圖 32 1602LCD尺寸圖 1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量 :16 2個(gè)字符 芯片工作電壓 :— 工作電流 :() 模塊最佳工作電壓 : 字符尺寸 : (W H)mm 引腳功能說明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如 表 31 所示 : 表 31：引腳接口說明表 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號(hào) 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 15 腳：背光源正極。 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令 8： DDRAM 地址設(shè)置。 與 HD44780 相兼容的芯片時(shí)序如 表 33所示 ： 表 33：基本操作時(shí)序表 讀狀態(tài) 輸 入 RS=L， R/W=H， E=H 輸出 D0— D7=狀態(tài)字 寫指令 輸入 RS=L， R/W=L， D0— D7=指令碼， E=高脈沖 輸出 無 讀數(shù)據(jù) 輸入 RS=H， R/W=H， E=H 輸出 D0— D7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù) 輸入 RS=H， R/W=L， D0— D7=數(shù)據(jù)， E=高脈沖 輸出 無 讀寫操作時(shí)序如圖 33 和 34所示： 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 圖 33 讀操作時(shí)序 圖 34 寫操作時(shí)序 1602LCD 的 RAM 地址映射及標(biāo)準(zhǔn)字庫表 液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。 液晶部分引腳說 明： 第 1 腳： VSS 為地電源 第 2 腳： VDD 接 5V 正電源 第 3 腳： V0 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對比度 第 15 腳：背光源正極 第 16 腳：背光源負(fù)極 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 圖 37 本章小結(jié) 本章介紹了作為本設(shè)計(jì)液晶顯示模塊的 1602 的 基本參數(shù)及引腳功能 、 指令說明及時(shí)序 、 RAM 地址映射及標(biāo)準(zhǔn)字庫表一般初始化（復(fù)位）過程 ，并根據(jù)其特性設(shè)計(jì)出液晶顯示模塊。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 BL210 驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn) ○ 1 每相最大驅(qū)動(dòng)器電流為 安培。 ○ 5 細(xì)分?jǐn)?shù)可選（ 1/2， 1/4， 1/8），對應(yīng)的微步距角分別為（ 176。 ○ 6 所有輸入信號(hào)都經(jīng)過光電隔離。 C ○ 1 供電電源：直流 12V40V（輸入電壓） ○ 2 驅(qū)動(dòng)器適配電機(jī)： 42BYG 或更小系列步進(jìn)電機(jī)。 表 43 輸入信號(hào)電壓 外部電阻（ R）阻值 直流 5V 不加外部電阻 直流 12V 680 歐姆 直流 24V ○ 7 輸入信號(hào)參數(shù) 脈沖信號(hào)幅值： “H”?? ～ ， “L”??0 ～ 。 注：控制信號(hào)輸入電流為 5mA～ 20mA，一般使用輸入電流為 15mA。控制過程為：單片機(jī)接受鍵盤傳來的信號(hào)，通過 P1 的四個(gè)口輸出控制信號(hào)，通過硬件接線，發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，通過驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角。 編碼鍵盤：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識(shí)別工作與可靠性措施。有：獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣 式按鍵結(jié)構(gòu)。非編碼鍵盤系統(tǒng)中，鍵閉合和鍵釋放的信息的獲取，鍵抖動(dòng)的消除，鍵值查找及一些保護(hù)措施的實(shí)施等任務(wù)，均由軟件來完成。 ○ 2 從電路或軟件的角度應(yīng)解決的問題 。 為了確保 CPU 對一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。通常采用軟件延時(shí)的方法：在第一次檢測到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí) 10ms 的子程序后，再確認(rèn)電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)真正有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)處理工 作，消除了抖動(dòng)的影響。 通常采取的策略：單鍵按下有效，多鍵同時(shí)按下無效。否則的話，鍵功能程序的執(zhí)行次數(shù)將是不可預(yù)知，由按鍵時(shí)間決定。 CPU 忙于各項(xiàng)任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。 (4)鍵盤電路結(jié)構(gòu) ○ 1 獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì) 獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線，每根I/O 口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他 I/O 口線上的工作狀態(tài)。 因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合。如輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，則外電路的上拉電阻可省去。無按鍵，行線處于高電平狀態(tài)，有鍵按下，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定?？赏ㄟ^軟件的方法讓一鍵具有多功能。所謂復(fù)合鍵，就是兩個(gè)或兩個(gè)以上的鍵的聯(lián)合，當(dāng)這些鍵同時(shí)按下時(shí)，才能執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。 多功能鍵的利用，應(yīng)具體情況具體分析。但某些重要功能或數(shù)據(jù)由鍵盤輸入，誤操作將產(chǎn)生一些不良后果。 第一，功能開關(guān)：主要是根據(jù)開關(guān)的狀態(tài)執(zhí)行一些重要的功能。 機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵是利用彈性使鍵復(fù) 位，手感明顯，連線清晰，工藝簡單，適合單件制造。 柔性按鍵是近年來迅速發(fā)展的一種新型按鍵，可以分為凸球型和平面型兩種。 鍵盤模塊的設(shè)計(jì) 鍵盤模塊是有四個(gè)按鍵組成，每個(gè)按鍵的一端都通過 5K電阻和 5V電源連接，另一端接地，它的接線如圖 49 所示， 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 四個(gè)按鍵分別和單片機(jī)的 P2 P2 P2 P24 口連接，每當(dāng)有 一個(gè)鍵按下時(shí)單片機(jī)的一個(gè)接口 就會(huì)從高電平變?yōu)榈碗娖?，再? 過軟件的編程來控制步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)和液晶模塊的顯示。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中， ATMEL 公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位 AT89S51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。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(gè)硬件復(fù)位。 在 F1ash 編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， Pl 接收低 8 位地址 ，端口引腳第二功能如表51 所示： 表 51 端口引腳第二功能 端口引腳 第二功能 MOSI（用于 ISP 犏程） MISO（用于 ISP 犏程 ） SCK（用于 ISP 犏程） ?P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電