【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第3章 單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的選擇在生產(chǎn)或使用中步進(jìn)電機(jī)主要由步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。所以選擇好步進(jìn)電機(jī)，主要選擇步進(jìn)電機(jī)的三大要素；一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。（五相電機(jī)）、（二、四相電機(jī)）、（三相電機(jī)）等。 、靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來（幾何尺寸） 、電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）總的來說，選擇步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該按照以下步驟進(jìn)行 單片機(jī)的選擇單片機(jī)現(xiàn)在分為4位、8位、16位的單片機(jī)，也分為不同公司的單片機(jī)類型，而與我們最熟悉的應(yīng)是 ATMEL公司的89C52單片機(jī),是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī),芯片上的Flash存儲(chǔ)器附在用戶的產(chǎn)品中,可隨時(shí)編程,再編程,使用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)容易,更新?lián)Q代方便。89C52單片機(jī)采用增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu),使其具有高速處理能力,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令,每MHz可實(shí)現(xiàn)1MIPS的處理能力。~,可以實(shí)現(xiàn)耗電最優(yōu)化。89C52的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備,工業(yè)實(shí)時(shí)控制,儀器儀表,通訊設(shè)備,家用電器,宇航設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域.由于單片機(jī)的種類很多，在選擇單片機(jī)時(shí)要依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求選擇合適的單片機(jī)。例如當(dāng)設(shè)計(jì)僅僅需要一個(gè)單片機(jī)定時(shí)器那么選擇89C1051或89C2051即可，而不選擇89C52,因?yàn)楹笳叩膬r(jià)格較高一些。當(dāng)然若程序和數(shù)據(jù)區(qū)的要求較高那么選擇的單片機(jī)還要滿足程序空間的要求。下面我們來比較89C51和89C52：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器定時(shí)器中斷51系列128B4KB2552系列256B8KB38表211 51和52的比較在本課題中，我們選用現(xiàn)在較為流行的52系列單片機(jī)，即選用ATMEL公司的STC89C52。 MCS52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：MCS51單片機(jī)是在一塊芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種功能的I/O線等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件。MCS51單片機(jī)內(nèi)包含下列幾個(gè)部件：◆ 一個(gè)8位CPU；◆ 一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；◆ 4K字節(jié)ROM程序存儲(chǔ)器；◆ 128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；◆ 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；◆ 可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K外部程序存儲(chǔ)器空間的控制電路；◆ 32條可編程的I/O線（四個(gè)8位并行I/O端口）；◆ 一個(gè)可編程全雙工串行口；振蕩器及定時(shí)電路8051CPU4K字節(jié)ROM128字節(jié)RAM2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器64K總線擴(kuò)展控制可編程I/O可編程串行口◆ 具有五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。 CPUCPU是單片機(jī)的核心部件。它由運(yùn)算器和控制器等部件組成。⑴ 運(yùn)算器運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？梢詫?duì)半字節(jié)（4位）、單字節(jié)等數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。例如能完成加、減、乘、除、加減BCD碼十進(jìn)制調(diào)整、比較等算術(shù)運(yùn)算和與、或、異或、求補(bǔ)、循環(huán)等邏輯操作，操作結(jié)果的狀態(tài)信息送至狀態(tài)寄存器。8051運(yùn)算器還包含有一個(gè)布爾處理器，用來處理位操作。它是以進(jìn)位標(biāo)志位C為累加器的，可執(zhí)行置位、復(fù)位、取反、等于1轉(zhuǎn)移、等于0轉(zhuǎn)移、等于1轉(zhuǎn)移且清0以及進(jìn)位標(biāo)志位與其他可尋址的位之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送等位操作。也能使進(jìn)位標(biāo)志位與其他可位尋址的位之間進(jìn)行邏輯與、或操作。程序計(jì)數(shù)器PC程序計(jì)數(shù)器PC用來存放即將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對(duì)64K程序存儲(chǔ)器直接尋址。執(zhí)行指令時(shí)，PC內(nèi)容的低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。令寄存器指令寄存器中存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時(shí)，由程序存儲(chǔ)器中讀取的指令代碼送入指令寄存器，經(jīng)譯碼后由定時(shí)與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，完成指令功能。定時(shí)與控制部件①時(shí)鐘電路8052片內(nèi)設(shè)有一個(gè)由反向放大器所構(gòu)成的振蕩電路，XTAL1和 XTAL2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式時(shí)鐘電路如圖22所示。在XTAL1和 XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。，電容值在530PF之間選擇，電容的大小可起頻率微調(diào)作用。XTAL1XTAL2 電容1 晶振 電容2 圖 22 內(nèi)部方式時(shí)鐘電路外部方式的時(shí)鐘很少用，若要用時(shí)，只要將XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器就行。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘信號(hào)P1和P2供單片機(jī)使用。P1在每一個(gè)狀態(tài)S的前半部分有效，P2在每個(gè)狀態(tài)的后半部分有效。② 時(shí)序MCS52典型的指令周期（執(zhí)行一條指令的時(shí)間稱為指令周期）為一個(gè)機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期由六個(gè)狀態(tài)（十二振蕩周期）組成。每個(gè)狀態(tài)又被分成兩個(gè)時(shí)相P1和P2。所以，一個(gè)機(jī)器周期可以依次表示為S1P1，S1P2……，S6P1，S6P2。通常算術(shù)邏輯操作在P1時(shí)相進(jìn)行，而內(nèi)部寄存器傳送在P2時(shí)相進(jìn)行。存儲(chǔ)器MCS52單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是互相獨(dú)立的，物理結(jié)構(gòu)也不同。程序存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器（ROM）。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）。單片機(jī)的存儲(chǔ)器編址方式采用與工作寄存器、I/O口鎖存器統(tǒng)一編址的方式。有關(guān)存儲(chǔ)器的內(nèi)容將在下一節(jié)中詳述。I/O端口I/O端口又稱為I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路，I/O端口是MCS51單片機(jī)對(duì)外部實(shí)現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能傳送一位二進(jìn)制信息，并行I/O端口一次能傳送一組二進(jìn)制信息。⑴、并行I/O端口MCS52單片機(jī)設(shè)有四個(gè)8位雙向I/O端口（P0、PPP3），每一條I/O線都能獨(dú)立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個(gè)LSTTL電路。PPP3口為準(zhǔn)雙向口（在用作輸入線時(shí)，口鎖存器必須先寫入“1”，故稱為準(zhǔn)雙向口），負(fù)載能力為4個(gè)LSTTL電路。總線MCS52單片機(jī)屬總線型結(jié)構(gòu)，通過地址/數(shù)據(jù)總線可以與存儲(chǔ)器（RAM、EPROM）、并行I/O接口芯片相連接。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出高8位地址，P0口輸出低8位地址，由ALE（地址鎖存允許）信號(hào)將P0口（地址/數(shù)據(jù)總線）上的低8位鎖存到外部地址鎖存器中，從而為P0口接受數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備。在訪問外部程序存儲(chǔ)器（即執(zhí)行MOVX）指令時(shí)，PSEN（外部程序存儲(chǔ)器選通）信號(hào)有效，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（即執(zhí)行MOVX）指令時(shí)，由P3口自動(dòng)產(chǎn)生讀/寫（/）信號(hào)，通過P0口對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元進(jìn)行讀/寫操作。 MCS52單片機(jī)外部結(jié)構(gòu)：MCS52的引腳說明：MCS52系列單片機(jī)中的8038052及8752均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以說明： 圖221 STC89C52的引腳圖Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)8052通電，時(shí)鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0R7）的狀態(tài)，8052的初始態(tài)。8052的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見下圖4。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。 圖222復(fù)位電路和晶振電路圖8位微處理器和控制器內(nèi)部含有4KB的程序ROM。2個(gè)16位的計(jì)數(shù)/定時(shí)器。內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器全雙工方式的串行接口（UART）種尋址方式。最高時(shí)鐘振蕩頻率可達(dá)12MHZ，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為1181。s，乘、除指令為4181。s。信號(hào)引腳介紹：，ALE用于控制把 口輸出的底8位地址送入鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外由于ALE是以十二分之一晶振頻率的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。 有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；而當(dāng) 信號(hào)為高電平時(shí)，則對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ) 復(fù)位信號(hào)當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位操作。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。+5V 電源 單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置 （b）圖231 單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器配置從用戶的角度存儲(chǔ)器分3個(gè)邏輯地址空間：1. 片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲(chǔ)器地址空間0000H~FFFFH即（a）圖；2. 256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間00H~FFH（包括低128B的內(nèi)部RAM地址00H~7FH和高128B的特殊功能寄存器地址空間）即（b）圖；64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口地址空間0000H~FFFFH如（c）圖。畫出RAM的組成RAM共有256個(gè)單元，按功能分為兩部分低12