【文章內(nèi)容簡介】 當?shù)拿}沖信號，步進電機就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。（2)步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。（3)改變驅(qū)動器輸入脈沖的順序，可以方便的改變電機的轉(zhuǎn)動方向。（4)位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時組成 閉環(huán)控制系。（5)電機停止轉(zhuǎn)動的時候具有自鎖功能。（6)步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通?？梢栽谠降退傧乱愿咿D(zhuǎn)矩運行，因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負載工作。（7)步進電機不能使用普通的交流電源驅(qū)動。（8)一般步進電機的精度是步進角的3%~5%，且步距誤差不會長期積累。（9)步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。（10)步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定頻率就無法啟動,：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。四、系統(tǒng)的硬件設計（一）系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)的方案簡述與設計要求本設計采用單片機AT89S51來作為整個步進電機控制系統(tǒng)的運動控制核心部件，采用了電機驅(qū)動芯片L298及其外圍電路構(gòu)成了整個系統(tǒng)的驅(qū)動部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進電機來構(gòu)成了一個基本的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體功能和要求如下：（1)單片機最小系統(tǒng)板的設計；（2)設計兼有兩相兩拍和兩相四拍的脈沖分配器。（3)實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；（4)驅(qū)動電路可提供電壓為12V。（5)能實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，最高轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分；（6)步進電機的轉(zhuǎn)速由數(shù)碼管顯示；（7)鍵盤掃描電路的設計系統(tǒng)的組成及其對應功能簡述整個系統(tǒng)的組成包括單片機最小系統(tǒng)，電機驅(qū)動模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機驅(qū)動電流檢測模塊，獨立按鍵等模塊組成。具體框圖如圖31所示：單片機最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，它主要負責產(chǎn)生控制步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比步進電機轉(zhuǎn)動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉(zhuǎn)動的的方向與輸出的脈沖順序有關。同時單片機系統(tǒng)還負責處理來自電機驅(qū)動電流檢測模塊檢測到的電流值。與此同時，單片機將會把電機轉(zhuǎn)速，電機的轉(zhuǎn)動方向，以及電流檢測模塊檢測到的電機驅(qū)動的電流通過數(shù)碼管顯示出來。圖31 系統(tǒng)框圖電機驅(qū)動模塊負責將單片機發(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中。數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)向，和通過電機的電流等系統(tǒng)的實時信息。電機驅(qū)動電流檢測模塊主要是檢測通過電機驅(qū)動芯片的電流，然后通過運放將檢測到的信號放大，最后將放大后的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804處理后送給單片機。獨立按鍵作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，通過它設置了電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，顯示電機電流等功能。采用了中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務程序，完成了對步進電機的最佳的及時的控制。本節(jié)主要是在第一章和第二章的基礎上引出了本論文將要采用的設計方案，并詳細的清楚的一條條列出了設計要實現(xiàn)的基本設計要求。然后是基于我的設計方案，比較簡單的但有條理的描述了系統(tǒng)的各個部分的組成以及其對應的基本功能。通過這一章的內(nèi)容，我們能對本設計有一個簡單的總體的把握，既是能清楚的知道本題目的設計內(nèi)容，設計方法，以及最終的預期目標。單片機最小系統(tǒng)（1)AT89S51簡介AT89S51是美國ATMEL 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只讀程序存儲器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，功能強大。主要性能參數(shù)與MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 － 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz 三級程序加密鎖 1288 字節(jié)內(nèi)部RAM 32 個可編程I／O口線 2 個16 位定時／計數(shù)器 6 個中斷源 全雙工串行UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ISP 字節(jié)或頁寫模式）（2)功能特性概述AT89S51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I ／O 口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16 位定時／計數(shù)器，一個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51 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位。（3)引腳功能說明該設計使用到的單片機芯片對應管腳名稱位置等如圖32的引腳功能圖詳細說明。VCC：電源電壓GND：地P0 口：P 0口是一組8位漏極開路型雙向I／0口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash 編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）。圖32 AT89S51圖P1口：Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I／O口，Pl 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 （IIL ）。P2口：P2 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I／O口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX@Ri 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容 （也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū) P2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程或校驗時，P2 亦接收高位地址和其它控制信號。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I／O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l(fā)”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流 （IIL ）。P3口除了作為一般的I／O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。具體功能如表31所示RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設置SFRAUXR 的DISRT0位（地址8EH）可打開或關閉該功能。DISRT0位缺為RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。ALE／PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1／6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定表31　表31 P3口的引腳及功能端口引腳第二功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）INT0（外部中斷0）INT1（外部中斷1）T0（定時/計數(shù)器0外部輸入）T1（定時/計數(shù)器1外部輸入）WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對F1ash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （PROG）。如必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只一條M0VX和M0VC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。E／VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H－FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA 端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc 端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。F1ash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程電壓Vpp 。 XALl：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。存儲器結(jié)構(gòu) ：MCS51 單片機內(nèi)核采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 程序存儲器 ：如果EA引腳接地（GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲器。在AT89S51，假如EA接至Vcc（電源+），程序首先執(zhí)行地址從0000H－0FFFH （4KB）內(nèi)部程序存儲器，再執(zhí)行地址為1000H－FFFFH （60KB）的外部程序存儲器。數(shù)據(jù)存儲器：AT89S51的具128字節(jié)的內(nèi)部RAM，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進行，128字節(jié)均可設置為堆棧區(qū)空間。（4)晶體振蕩器特性 AT89S51一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器