【文章內(nèi)容簡介】 本系統(tǒng)的設(shè)計方案，接下來才可以選出合適的器件以及對系統(tǒng)進行具體的設(shè)計。4 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計4 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計說明首先，在系統(tǒng)核心控制芯片的選擇上，我們釆用AT89C51單片機。ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機是一種低功耗/電壓、高性能的8位單片機，它采用CMOS和高密度非易失性存儲器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都可以和MCS51系統(tǒng)兼容，片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或者用其他編程器件進行編程。內(nèi)部包含256字節(jié)RAM，4個8位并行I/O口，多個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個定時計數(shù)器，因此，89C51單片機是一種功能強大，速度快速，靈活性高而且價格便宜的控制芯片[27]。其次，由于單片機輸出的脈沖信號非常微弱，不能直接用于驅(qū)動步進電機運行，因此需要采用功率驅(qū)動芯片。根據(jù)上文所述的硬件典型電路模塊的設(shè)計方案，我們在本系統(tǒng)的設(shè)計中采用集成達林頓管ICULN2003A作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動芯片，該芯片是目前步進電機控制系統(tǒng)中驅(qū)動電機運行最常見的芯片，符合我們典型電路模塊設(shè)計的要求。再次，考慮到要對系統(tǒng)進行精確控制，因此需要采用人機對話的方式進行，具體來來說，需要采用按鍵控制實現(xiàn)。在設(shè)計中采用5個獨立按鍵完成對系統(tǒng)步進電機運行的控制。獨立按鍵的設(shè)計可以很好的節(jié)約系統(tǒng)I/O端子，同時在軟件編程中也更易操作，達到了設(shè)計的要求。在實際編程時，我們采用按鍵掃描的方式進行按鍵程序的編寫。最后，通過液晶顯示模塊顯示參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計需要解決實時監(jiān)控的問題，同時需要建立可操作的人機通訊液晶顯示界面，本系統(tǒng)的液晶顯示模塊采用了能夠顯示中文字庫的液晶顯示器件AMPIRE128*64。 系統(tǒng)主要器件選擇 單片機的選擇本設(shè)計采用AT89C51單片機，AT89C51單片機由美國ATMEL公司生產(chǎn)，具有低電壓和高性能等特點，并且屬于CM0S8位單片機系列。其內(nèi)部含有容量為4K的PEROM和存儲空間為128比特的RAM，并且還有通用的8位中央處理器(CPU)以及Flash存儲單元。該器件的生產(chǎn)技術(shù)具有集成度高、程序不容流失且保持時間長等存儲有點，對MCS51指令系統(tǒng)也完全兼容[26]。由此可見，AT89C51單片機的功能比其他同類別的單片機強，可應用場合多，性價比高，可靈活應用于生活生產(chǎn)等各種控制領(lǐng)域[28]。：西安工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文） AT89C51引腳結(jié)構(gòu)圖：兼容MCS51系列單片機；4k重復利用閃存；指令擦寫周期數(shù)可達到一千次；全靜態(tài)操作；0赫茲～24兆赫茲；3級的ROM加密級別，良好的程序保密性；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器達128*8K；I/0數(shù)據(jù)口達32個，且都可獨立編程；兩個定時/計數(shù)器，位數(shù)為16位；六個中斷源；可編程串行UART通道。[29]：4k大小的Flash高速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，32個I/O數(shù)據(jù)口，2個16位定時/計數(shù)器，一個中斷構(gòu)造，一個全雙工串行通信口，內(nèi)部集成振蕩器和時鐘電路。在使用時，該款單片機邏輯操作頻率可達O赫茲，且省電模式達到兩種。在停止CPU工作的狀態(tài)下可選擇空閑模式，然而RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口和中斷系統(tǒng)的工作不受空閑模式的影響、RAM中的數(shù)據(jù)不會因掉電方式而丟失，直到下一個硬件復位時振蕩器才繼續(xù)開始工作。[30]：VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻[22]。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，： P3口的特殊功能管腳特殊功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）（外部中斷0）（外部中斷1）T0（計時器0外部輸入）T1（計時器1外部輸入）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。/VPP：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，將內(nèi)部鎖定為RESET；當端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。：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。石英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。：①AT89C51單片機是一種功能強大，速度快速，靈活性高而且價格便宜的控制芯片；②內(nèi)部包含256字節(jié)RAM，4個8位并行I/O口，多個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個定時計數(shù)器；③具有低電壓和高性能特點，并且屬于CMOS8位單片機系列，它采用CMOS和高密度非易失性存儲技術(shù)，與MCS51系統(tǒng)兼容，片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或者用其他編程器件進行編程。：該單片機內(nèi)部沒有存儲器來存儲用戶程序，因此需要增加外擴器，本設(shè)計采用27512EPROM。 步進電機的選擇本設(shè)計采用四相六線式步進電機，具體型號選用蘇州長泰電機有限責任公司出產(chǎn)的57BYG601四相六線式步進電機[18]。以下是該步進電機的主要性能和參數(shù)特性：步距角精度：177。5%溫度限制:最高：80℃穩(wěn)定運行溫度：20～+50℃ 步進電機外形結(jié)構(gòu) 步進電機端子連線圖 功率驅(qū)動芯片的選擇本設(shè)計采用ULN2003A功率驅(qū)動芯片，該芯片是由美國Texas Instruments公司和Sprague公司聯(lián)合幵發(fā)的大電流高壓達林頓管陣列功率驅(qū)動電路，擁有高電流增益、搞工作電壓、寬泛的溫度范圍同時負載帶動能力很強等特性。適應于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。其主要特征有：溫度范圍寬（40～85℃）；工作電壓高（大于50V）電流增益高(大于1000)；采用DIP16或者SOP16塑料封裝；灌電流可達500mA，并且能在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出能在高負載電流并行運行；，在5V的電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連；可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器進行處理的數(shù)據(jù)。 外擴程序存儲芯片本設(shè)計采用EPROM27512芯片，EPROM芯片可重復擦除和寫入，解決了PROM芯片只能寫入一次的弊端。EPROM芯片有一個很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃窗口，透過該窗口，可以看到其內(nèi)部的集成電路，紫外線透過該孔照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM內(nèi)資料的寫入要用專用的編程器，并且往芯片中寫內(nèi)容時必須要加一定的編程電壓（VPP=1224V，隨不同的芯片型號而定）。該芯片內(nèi)部容量為512K。 74LS373芯片373為三態(tài)輸出的八口透明鎖存器，共有54S373和74LS373兩種線路結(jié)構(gòu)型式。373 的輸出端Q0～Q7可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當OE為高電平時，Q0～Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當LE為低電平時，D被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。本設(shè)計選用74LS373芯片 7404芯片7404芯片是非門芯片，內(nèi)部含有六個非門，其中1A6A為輸入端，1Y6Y為輸出端。本設(shè)計中選用它來作為單片機脈沖信號輸出和ULN2003A功率驅(qū)動芯片之間的連接芯片。其主要參數(shù)為：極限電源電壓：7V；一般輸入電壓：；工作環(huán)境溫度：0～70℃；存儲溫度：65～150℃。 CD4068芯片CD4068為與非/與門芯片，其主要性能和參數(shù)為：有2個輸出端口，1腳為與門信號輸出端，13腳為與非信號輸出端。本設(shè)計采用CD4068芯片中的與門電路功能作為控制按鍵與單片機中斷口之間的橋梁，根據(jù)本設(shè)計要求，當按鍵按下產(chǎn)生低電平信號時，系統(tǒng)低電平中斷信號產(chǎn)生促使單片機改變步進電機運行方式脈沖，從而實現(xiàn)對步進電機的控制，且選用1腳作為輸出端。主要參數(shù)有：電壓參數(shù)：電源電壓范圍為3V～5V；電流參數(shù)：輸入電流為177。10mA；存儲溫度：65～150℃。 液晶顯示器的選擇液晶顯示器件（LCD）獨具的低壓、微功耗特性使他在單片機系統(tǒng)中特得到了廣泛的應用，常用的液晶顯示模塊分為數(shù)顯液晶模塊、點陣字符液晶模塊和點陣圖形液晶模塊，其中圖形液晶模塊在我國應用較為廣泛，因為漢字不能像西文字符那樣用字符模塊即可顯示，因此采用液晶顯示器來顯示，本設(shè)計選擇的LCD是AMPIRE12864的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形。： AMPIRE12864的漢字圖形型液晶顯示模塊 系統(tǒng)模塊電路 晶振電路模塊XTAL1和XTAL2為片內(nèi)振蕩電路的輸入和輸出端，晶振電路產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過內(nèi)部觸發(fā)器進行二分頻后，成為單片機的時鐘脈沖信號，： 晶振電路模塊 復位電路模塊當單片機在運行過程中出現(xiàn)程序錯誤或者操作失誤使系統(tǒng)不能正常運行是，需要進行復位操作，復位操作后，系統(tǒng)重新回到0000H處執(zhí)行。復位信號從單片機的RST引腳輸入，本設(shè)計采用的是按鍵電平復位，： 復位電路模塊 步進電機驅(qū)動模塊由于單片機的輸出脈沖非常微弱，不能直接用于驅(qū)動步進電機的運行，因此需要采用功率驅(qū)動芯片。本系統(tǒng)采用集成達林頓管ICULN2003A作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動芯片，使用功率芯片與單片機相連時還需要增加限流電阻，圖中的R9R12即為限流電阻。，，： 步進電機驅(qū)動電路模塊 串口通訊電路模塊為了實現(xiàn)用計算機也能控制該系統(tǒng)以及與計算機的實時通訊，本系統(tǒng)采用MAX232與一些外圍器件組成本系統(tǒng)的串口通訊模塊，： 按鍵電路模塊本系統(tǒng)需要對步進電機的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速給予控制，因此需要五個獨立按鍵，，，并結(jié)合外圍器件電阻及CD4068八輸入與非/與門芯片實現(xiàn)多步進電機的控制，： 按鍵控制電路模塊 液晶顯示電路模塊本系統(tǒng)采用AMPIRE128*64液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示模塊，該液晶顯示器共有18個引腳，GND端接地，VCC和RST引腳連接+5V電源信號，，R/，，V0連接滑動變阻器。在實際調(diào)試中可通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值來對液晶顯示器的背光進行調(diào)整，： 液晶顯示電路模塊 外擴程序存儲模塊由于AT89C51內(nèi)部存儲器沒有足夠的空間來存儲程序，因此需要增加外擴存儲器，該模塊由74LS373芯片與27512EPROM芯片組成，74LS373是三態(tài)8D鎖存器，具有鎖存功能；27512EPROM是一種斷電后仍能保留數(shù)據(jù)的計算機儲存芯片—即非易失性的外部擴存芯片，具有512K的存儲空間，： 外擴程序存儲電路模塊 本章小結(jié)本章為該系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，本章中，我們主要闡述了在設(shè)計方案中主要器件的選擇，以及對系統(tǒng)的主要電路模塊進行設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計方案對這些電路模塊的功能進行闡述。5 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計5 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計說明本部分介紹步進電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程。該系統(tǒng)軟件部分包含以下幾個程序模塊：(1)單片機主程序流程和初始化模塊；(2)按鍵掃描及定時中斷控制模塊；(3)LCD初始化和顯示判斷模塊；(4)LCD字符提取模塊模塊；(5)單片機給予步進電機的脈沖產(chǎn)生模塊。 單片機主程序流程和初始化模塊在本部分程序中，我們主要的工