【文章內(nèi)容簡介】 10 動核心與單片機相結(jié)合，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)應(yīng)用了一片 ATMEL公司的 AT89C51 單片機作為步進電機控制器的核心運算器件，利用單片機強大的運算能力和可編程的特點，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的步進電機控制功能。且適應(yīng)能力強，能夠在不改變硬件電路的情況下，只需對軟件進行必要的修改就可以適應(yīng)不同驅(qū)動芯片和控制要求。而且可以做到人機交換，通過鍵盤來改 變步進電機的運行狀態(tài)，各種運行狀態(tài)也都有相應(yīng)的指示，使操作者隨時都能對電機的運行狀況進行方便的了解，利用單片機來構(gòu)成的步迸電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是十分明顯的。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機接口線控制 ULN2021 驅(qū)動芯片。通過軟件的控制，單片機按順序給 ULN2021 不同頻率的脈沖，就可以控制電機的正、反，以及加、減速，并且通過測速模塊對步進電機的運行轉(zhuǎn)速進行測量，把所測值反饋到單片機，單片機通過軟件編程進行 PID 數(shù)據(jù)運算處理從而使測量值無限接近設(shè)定值，并通過 LED/LCD 顯示設(shè)定值和測量值。綜合考慮各種設(shè)想之后， 本設(shè)計各部分的功能如下： 單片機（ CPU）最小系統(tǒng)：產(chǎn)生脈沖，進行數(shù)據(jù)處理、 PID 運算。 電機驅(qū)動模塊：負責(zé)將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大，從而驅(qū)動電機工作。 串口下載模塊：主要是負責(zé)實行計算機和單片機之間的通信，將在計算機里面編寫好的程序下載到單片機芯片當(dāng)中。 顯示模：我們采用 LED/LCD顯示，主要是顯示電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)向，和系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。 測速模塊：我們主要采用 歐姆龍編碼器 E6A2CW5C 200P/R ， 主要是檢測步進電機實際轉(zhuǎn)速，最后將所測信號進行轉(zhuǎn)換處理后送給單片機。 按鍵模塊：采用 獨立式按鍵，適用于一鍵占用一條接口線，每個按鍵電路是獨立的。 作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，通過它設(shè)置了電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速等功能。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計報告 11 第 3 章 硬件設(shè)計與仿真 硬件是整個系統(tǒng)的平臺，各種功能的實現(xiàn)和軟件的運行都是以硬件為基礎(chǔ)的，所以硬件設(shè)計的合理與否從根本上決定了整個系統(tǒng)的質(zhì)量。為了充分發(fā)揮單片機的長處，實現(xiàn)盡可能多的功能，使系統(tǒng)的成本盡量的低，工作得更可靠，操作更具備人機交互性。硬件選擇設(shè)計如下。 單片機最小系統(tǒng) —— 核心 單片機最小系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心 ，其主要進行產(chǎn)生步進電機運行時的脈沖和進行必要數(shù)據(jù)運算和程序處理，主要由單片機和外接 復(fù)位電路和晶體震蕩電路組成。在本設(shè)計中單片機選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機作為中央處理器，并與外接的電路構(gòu)成最小系統(tǒng)模塊。 單片機 AT89C51 簡介 單片機從誕生至今已經(jīng)產(chǎn)生了許多種，新品種的也是層出不窮，從最初INTEL的 MCS． 51和 PIC系列，以及最近推出的 AVR， ARM等，品種繁多，功能各異。但是就目前來說， 51系列的單片機仍是許多設(shè)計的首先，特別是 ATMEL公司的 89系列 FLASH單片機 ，運用更是廣泛。而且各種技術(shù)參考資料相對也較多。通過對本設(shè)計所需資源的分析，選用 ATMEL公司的 8位單片機 AT89C51作為主控芯片。 AT89C51是美國 ATML公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8位單片機，片內(nèi)含 4kbytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash存儲器 ,該器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容 MCS51標(biāo)準指令系統(tǒng)及引腳。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000次。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，功能強大、靈 活性高、價格低廉。 單片機功能及特性 AT89C51 提供以下標(biāo)準功能： 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 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計報告 12 全雙工串行通信口，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節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(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。 主要特性： （ 1） CPU 內(nèi)核完全和 MCS51 系列兼容，具有 MCS51 系列單片機的一切功能。 （ 2） 內(nèi)部集成了 4K 字節(jié)的在線可編程 FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。 （ 3）耐久性： 1000 寫、擦除。 （ 4） 2． 7— 6V 的工作電壓操作范圍。 （ 5） 可在 0～ 24MHz 的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實時處理控制系統(tǒng)中。 （ 6） 內(nèi)部具有 128 個字節(jié)的 RAM 和 2 個 16 位定時器，可以存放系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)。 （ 7） 具有 6 個中斷源，完全可 以滿足一般設(shè)計的中斷系統(tǒng)擴展需要。 （ 8）可編程串行 UART通道；直接 LED驅(qū)動輸出；低功耗空載和掉電方式。 圖 AT89C51引腳圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計報告 13 單片機最小系統(tǒng) 原理圖 采用 AT89S51 單片機構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。單片機最小系統(tǒng)的原理圖如圖所示。 圖 單片機最小系統(tǒng)原理圖 AT89C51 單片機引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器的輸入端和輸出端。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 Cl、 C2 接在放大器的反饋回路構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 Cl、 C2 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、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。復(fù)位電路由按鍵、電阻、電容 C3 構(gòu)成， 當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個 機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 電機驅(qū)動模塊 由于本設(shè)計所用的小型步進電機，對電流和電壓的要求并不是高，考慮要硬件設(shè)計驅(qū)動電路的方法會電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，而且采用多個元器件搭接，成本高，制作也不方便。而直接采用集成的驅(qū)動芯片可以使電路穩(wěn)定，成本低，易于控制，所以最終本設(shè)計是直接采用芯片 ULN2021作為電機驅(qū)動部分的驅(qū)動芯片。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計報告 14 驅(qū)動芯片 ULN2021A電路是美國 Texas Instruments公司和 Sprague公司開發(fā)的高壓大電流達林頓晶體管陣列電路，由七個硅 NPN 達林頓管組成，具有電流增益高（灌電流可達 500mA）、工作電壓高（可承受 50V的電壓）、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適用用于各大要求高速大功率驅(qū)動系統(tǒng)。 ULN2021由 7組達林頓晶體管陣列、相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每一對達林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻 ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)，同時具有驅(qū)動 7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳電路如圖。 圖 驅(qū)動模塊電路圖 由于 ULN2021 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài) 時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行等優(yōu)點。完全可以驅(qū)動四相 八拍電機。信號通過單片機 I/O 口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片 ULN2021 驅(qū)動步進電機。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計報告 15 圖 本設(shè)計的電機驅(qū)動部分是由驅(qū)動芯片 ULN 及其外圍電路構(gòu)成，其中ULN2021 的輸出端 1C、 2C、 3C、 4C 依次按順序連成一個插座，分別與步進電機的四根線相連。單片機的 P1 口的 4 個管腳通過非門與芯片的 1B、 2B、 3B、4B 引腳依次與相連。通過這一連接實現(xiàn)了單片機與 ULN2021 以及步進電機的串聯(lián)控制。 由于 ULN2021 驅(qū)動芯片內(nèi)部有 7 個非門需外接輸入端接非門，這樣才會使單片機輸出的脈沖信號不會改變。在這里 ULN2021 芯片相當(dāng)于繼電器，當(dāng)單片機的脈沖來時，通過改 變步進電機各相依次導(dǎo)通來控制步進電機的運行。 獨立按鍵模塊 鍵盤電路根據(jù)不同情況，選擇不同模式。在這里所采用的是獨立按鍵，其中包括五個功能：正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止分別連接單片機的 、 、 、 管腳進行信號輸入，由于是獨立按鍵所以按鍵的另一端公共接地，鍵盤出發(fā)脈沖是以低電平“ 0”時期觸發(fā)，除了考慮其是否有觸發(fā)電平外，還要考慮是否是由于抖動引起誤觸發(fā)，因此在軟件設(shè)計是均要有 10ms 左右的延時來去抖動。按鍵電路如圖。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計報告 16 圖 顯示模塊 由于設(shè)計要求使用 LCD/LED顯示，所以在顯示模塊這部分用液晶顯示和數(shù)碼管顯示。 （ 1） LCD（液晶）顯示模式 采用點陣式 LCD顯示，單片機的 P0作為數(shù)據(jù)口與 LCD的數(shù)據(jù)端口相連， LCD顯示器的 VSS接地， VCD接高電平，命令數(shù)據(jù)線 RS接 ，讀 /寫控制線 R/W接 ，使能線 E接 ，當(dāng)命令數(shù)據(jù)線 RS為 1時， D0～ D7顯示 RAM數(shù)據(jù)； RS為 0時， D0～ D7寫入數(shù)據(jù)，當(dāng) R/W為 1時是讀模式，此時使能線 E應(yīng)為 1， R/W為 0時是寫模式，當(dāng) E從 1變?yōu)?0時， D0～ D7上的數(shù)據(jù)寫入 LCD。 圖 （ 2） LED（數(shù)碼管）顯示模式 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計報告 17 LED顯示模式的驅(qū)動方式有共陰極和共陽極倆類型。本設(shè)計采用共陰極結(jié)構(gòu)形式，在共陰極接法中，公共陰極接低電平（通常接地），當(dāng)陽極上為高電平時，對應(yīng)的段被點亮，另外顯示器需要外接限流電阻，如果不限流將造成 LED燒毀。同時顯示方式采用靜態(tài)顯示，在每次顯示輸入后能夠保持顯示不變，僅在待顯數(shù)碼需要改變時，才更新其數(shù)字顯示其中鎖存的內(nèi)容。由于是 4段數(shù)碼管，所以用四個 74LS164串入并出的移位寄存器。其接線原理如圖。 圖 測速模塊 由于光碼盤和編碼器的測速原理都一樣，都是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號傳輸給單片機，因而本設(shè)計采用的是編碼器，提高了測量精度，其輸出端與單片機的 管腳相連。如圖是本設(shè)計編碼器實物圖。 圖 A0A1A2A3A4A5A6A7B0B1B2B3B4B5B6B7C0C1C2C3C4C5C6C7D0 E0 F0 G0G7D1D2D3D4D5D6D7E1E2E3E4E5E6E7F1F2F3F4F5F6F7G1G2G3G4G5G6G7D0D1D2D3D4D5D6E0E1E2E3E4E5E6F0F1F2F3F4F5F6G0G1G2G3G4G5G601234567DA TD7E7F7CL KDA TCL KM1M2M4M1M2M4M3