【文章內(nèi)容簡介】 配，例如選用晶振頻率較高時，存貯器的存取時間有限，應(yīng)選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。（4）可靠性及抗干擾性設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。（5）單片機(jī)外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。（6）系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來修改、擴(kuò)展的需要。 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)硬件電路主要由鍵盤顯示電路、工作狀態(tài)顯示電路、環(huán)形脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、51單片機(jī)、電源及復(fù)位六部分組成。 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機(jī)的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計(jì)算機(jī)有了飛速的發(fā)展。在MCS51系列單片機(jī)系列內(nèi)核8051/80C51的基礎(chǔ)上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL公司的AT89C51系列單片機(jī)是當(dāng)今具有較高性能的單片微型計(jì)算機(jī)系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實(shí)時處理、實(shí)時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)等。其主要特點(diǎn)有：（1） CPU內(nèi)核完全和MCS51系列兼容，具有MCS51系列單片機(jī)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(kuò)展的需求，編程方更快捷。（4） 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(shí)時處理控制系統(tǒng)中。（5） 內(nèi)部具有256個字節(jié)的RAM和3個16位定時器，可以存放系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)和滿足定時或計(jì)數(shù)功能擴(kuò)展的需要。（6） 具有6個中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計(jì)的中斷系統(tǒng)擴(kuò)展需要。因此，AT89C51系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴(kuò)展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了AT89C51單片機(jī)作為中央控制單元。 EPROM的選擇只讀存儲器(ROM)的特點(diǎn)是：其內(nèi)容是預(yù)先寫入的且一旦寫入，使用時就只能讀出不能改變，掉電時也不會丟失，ROM器件還具有結(jié)構(gòu)簡單、信息度高，價格低，非易失性和可靠性高等特點(diǎn)。EPROM是以浮柵型MOS管作存儲單元，它里面存儲的內(nèi)容可以通過紫外線光的照射而被擦除，而且又可再用電流脈沖對其重新編程寫入程序或數(shù)據(jù)，而且還可多次進(jìn)行擦除和重寫，故稱為可擦除可編程ROM，因而EPROM得到了廣泛的應(yīng)用。Intel 2716是2K8的EPROM存儲器。它有讀方式、未選中方式、編程方式、程序檢驗(yàn)方式、【13】。 2716 管腳排列2716管腳定義如下：A0—A10：地址線，11位(對應(yīng)2K存儲單元)地址信號輸入引腳；O7—O0：8位雙向數(shù)據(jù)線，編程時作數(shù)據(jù)輸入線，讀出時作數(shù)據(jù)輸出線；：片選允許輸入端，低電平有效；：數(shù)據(jù)輸出允許控制信號引腳，低電平有效；Vpp：+25V電源，用于專用裝置上進(jìn)行寫操作； 2716工作方式引腳方式/PGNVppO7 — O0讀出低低+5V程序讀出未選中高X+5V高阻編程正脈沖高+25V程序?qū)懭氤绦蛐ｒ?yàn)低低+25V程序讀出編程禁止低高+25V高阻 可逆計(jì)數(shù)器的選擇由于環(huán)形脈沖分配器不但需要接收脈沖信號CP，還需要接收方向電平，因此所選的計(jì)數(shù)器需要是一個可逆的計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器選用74LS191，這是一種單時鐘4位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，時鐘脈沖從CP端輸入，加/減脈沖由同一端輸入，加/減控制線的高低電平控制加減計(jì)數(shù)。74LS191是單時鐘方式的可逆計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的輸出QA～QD接EPROM的低四位地址線，這樣可以選通EPROM的十六個地址（00H～0FH），將步進(jìn)電機(jī)的勵磁狀態(tài)從EPROM中輸出，控制繞組的導(dǎo)通和截止。用74LS164的clk端作為環(huán)形脈沖分配器的CP脈沖信號輸入端，加減計(jì)數(shù)控制端作為正反轉(zhuǎn)控制信號輸入端。 74LS191功能表輸入工作模式置數(shù) 使能 加減 時鐘 H L L H L H L X X XH H X X加計(jì)數(shù)減計(jì)數(shù)預(yù)置保持 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì) 環(huán)形脈沖分配器設(shè)計(jì)環(huán)形脈沖分配器是用來接收單片機(jī)的CP脈沖，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序輸出各相繞組的導(dǎo)通或截止信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形脈沖分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高或低、加速或減速、啟動或停止都完全取決于CP脈沖的有無和頻率。同時，環(huán)形脈沖分配器還必須接收控制器發(fā)出的方向電平信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序轉(zhuǎn)換還是反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。接收來自控制器的CP脈沖和方向電平是環(huán)形脈沖分配器的最基本功能。環(huán)形脈沖分配器由EPROM和可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成，將步進(jìn)電機(jī)的勵磁狀態(tài)以二進(jìn)制的形式存入EPOROM，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址內(nèi)容，EPROM的輸出就是步進(jìn)電機(jī)的勵磁狀態(tài)。可逆計(jì)數(shù)器的輸出作為EPROM的地址輸入端，計(jì)數(shù)器的一個計(jì)數(shù)狀態(tài)就對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的一個勵磁狀態(tài)，控制計(jì)數(shù)脈沖CP就可以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，加減計(jì)數(shù)控制端可以控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。 環(huán)形脈沖分配器電路這種方法適用于控制任意類型的步進(jìn)電機(jī)。對于不同類型的步進(jìn)電機(jī)及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，軟件方法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點(diǎn)是占用CPU時間較多，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本文采用硬件設(shè)計(jì)環(huán)形脈沖分配器。 顯示電路設(shè)計(jì)單片機(jī)與顯示電路的接法一般有如下兩種方法：（1）串行接法：設(shè)計(jì)中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動，其中74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 （2）并行接法：使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用I/O口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，故使用串行接法，另外，74LS164的鎖存作用也起到節(jié)約資源的作用。 數(shù)碼管顯示電路是通過串行口方式0擴(kuò)展單片機(jī)的輸出口，在“串入并出”芯片74LS164的配合下，單片機(jī)RXD引腳接74LS164串行數(shù)據(jù)輸入端，TXD引腳接74LS164移位脈沖輸入端CLK，【14】。 數(shù)碼管顯示電路 外部復(fù)位電路設(shè)計(jì)MCS51系列單片機(jī)采用高電平復(fù)位方式，為保證CPU內(nèi)部各單元電路可靠復(fù)位，RST引腳的復(fù)位脈沖高電平維持時間必須大于2個機(jī)器周期（即24個振蕩周期）。，該電路具有手動復(fù)位和上電復(fù)位的功能。 外部復(fù)位電路上電復(fù)位：接通電源的瞬間，電容C上的電壓很小，RST引腳為高電平。在電容充電過程中，RST引腳的電位逐漸下降，當(dāng)RST引腳的電位小于某一特定值后，CPU就會脫離復(fù)位狀態(tài)，只要電容C的容量足夠大，就能保證RST引腳高電平時間大于24個振蕩周期，使CPU可靠復(fù)位。二極管VD的作用在于：掉電后給電容C提供放電回路，保證再次上電時RST引腳為高電平，使CPU可靠復(fù)位。當(dāng)VCC=0時，VCC端與地等電位，電容C通過VD迅速放電。放電回路為C正極、電源Vcc端（與地等電位）、二極管VD正極、二極管VD負(fù)極、C負(fù)極，保證再次上電時，RST引腳為高電平，CPU可靠復(fù)位。手動復(fù)位：當(dāng)按下手動復(fù)位按鈕時，電容C通過R2放電，當(dāng)電容C放電結(jié)束后，RST引腳電位由RR1分壓比決定，由于R2R1，因此RST引腳為高電平，CPU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。松開復(fù)位按鍵后，電容C充電，RST引腳電位下降，使CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)將各接口電路有機(jī)結(jié)合起來形成一個完整的電路，電路圖如附錄C所示。它是以單片機(jī)為核心的控制電路，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)設(shè)定的步數(shù)進(jìn)行自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以提高步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的步數(shù)，并通過LED指示步進(jìn)電機(jī)的工作運(yùn)行狀態(tài)。 本章小結(jié)本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，其次對主要元器件進(jìn)行了選擇和介紹。最后對控制系統(tǒng)各部分的電路進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，并把各模塊有機(jī)組合起來形成一個較完整的電路，如附錄C所示。第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的，應(yīng)可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，應(yīng)用軟件各不相同，但是一個優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點(diǎn)【15】：（1）軟件結(jié)構(gòu)清楚、簡潔、流程合理。（2）各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，子程序化。便于調(diào)試、連接、移植、修改。（3）程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)格合理，既能節(jié)約內(nèi)存容量，又操作方便。（4）運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。各個功能程序運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求都設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志以便查詢，程序的轉(zhuǎn)移、運(yùn)行、控制都可通過狀態(tài)標(biāo)志條件來控制。（5）經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，除去修改“痕跡”。規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為今后的軟件模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ)。（6）實(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計(jì)。軟件抗干擾是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提高可行性的有力措施。本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，在此本文主要介紹軟件的各個模塊功能與軟件流程。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序，定時器T0啟動程序，調(diào)速程序，鍵盤顯示程序，停止判斷程序。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)軟件主要功能是單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的步數(shù)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所設(shè)定的步數(shù)，并通過數(shù)碼管和LED顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。其具體功能如下：按正轉(zhuǎn)按鍵時，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行；通過鍵盤可輸入所需要運(yùn)行的步數(shù)，輸入的步數(shù)的范圍為0—9999步，當(dāng)輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動按鍵步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)行，同時數(shù)碼管顯示所需要運(yùn)行的步數(shù)并通過LED顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)根據(jù)所輸入的步數(shù)判斷是否需要進(jìn)行加速啟動，當(dāng)輸入的步數(shù)小于100時，步進(jìn)電機(jī)以最低速度25 r/min運(yùn)行。當(dāng)輸入的步數(shù)大于100時，步進(jìn)電機(jī)從最低速度25 r/min開始加速運(yùn)行，當(dāng)加速到99 r/min時步數(shù)仍大于100時，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最大速度99 r/min恒速運(yùn)行，當(dāng)步數(shù)小于100時，步進(jìn)電機(jī)開始減速，減速到25 r/min時，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速25 r/min走完所規(guī)定的步數(shù)。當(dāng)步數(shù)為0時，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行。 所示。 變速控制中轉(zhuǎn)速與步長之間的關(guān)系 主程序設(shè)計(jì) 主程序工作過程（1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化包括定時器T0初始化，步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)的初始化。步進(jìn)電機(jī)的初始化狀態(tài)為停止、正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示步數(shù)為0。（2）鍵盤掃描及按鍵處理。判斷是否有按鍵按下，若有則進(jìn)行按鍵處理。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動按鍵，停止按鍵，正轉(zhuǎn)按鍵，反轉(zhuǎn)按鍵、復(fù)位按鍵等功能按鍵。（3）系統(tǒng)啟動。單片機(jī)讀取開關(guān)狀態(tài)標(biāo)志，判斷是否啟動系統(tǒng)。（4）定時器T0啟動。T0的中斷服務(wù)程序主要用于根據(jù)步數(shù)，產(chǎn)生一個頻率可以改變的脈沖信號，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的加減速過程。（5）調(diào)速。根據(jù)輸入的步數(shù)判斷是否需要進(jìn)行調(diào)速，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)。（6）步數(shù)為0判斷。判斷是否已經(jīng)走完所設(shè)定的步數(shù)，若步數(shù)為0，則單片機(jī)停止產(chǎn)生脈沖信號，讓步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，即T0停止計(jì)數(shù)。 主程序工作流程圖。在圖中簡單的反映出了整個控制系統(tǒng)的主程序工作流程。 定時器T0中斷程序流程圖。T0中斷程序的主要功能是能根據(jù)設(shè)定的步數(shù)產(chǎn)生一個頻率可調(diào)的脈沖信號，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將調(diào)速范圍控制在25～99 r/min。 主程序流程圖 T0中斷服務(wù)程序流程圖 Proteus仿真由于Proteus軟件本身優(yōu)良的仿真特性，所設(shè)計(jì)的程序能用于Proteus中，完成仿真過程的同時，即基本驗(yàn)證所設(shè)計(jì)程序的準(zhǔn)確性，從而完成系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序的設(shè)計(jì)部分。【16】。 Proteus仿真界面為了防止步進(jìn)電機(jī)啟動時發(fā)生失步，需要先以一個比較低的頻率啟動。只要剩余的步數(shù)是大于100，單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號的頻率就會不斷的變大，直到脈沖頻率為設(shè)定的最大值，步進(jìn)電機(jī)就會以恒速運(yùn)行。通過Proteus軟件的仿真，所編寫的程序達(dá)到了預(yù)期的效果，仿真實(shí)現(xiàn)了程序的調(diào)試過程。 顯示程序設(shè)計(jì)單片機(jī)與顯示電路的接法一般有如下兩種方法：（1）串行接法：設(shè)計(jì)中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動，其中74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 （2）并行接法：使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用I/O口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，故使用串行接法。另外，74LS164自帶鎖存，起到節(jié)約I/O口資源的作用。 當(dāng)串行口工作在方式0時，串行移位脈沖CLOCK從TXD引腳輸出，頻率是系統(tǒng)時鐘頻率fosc的12分頻（在“6時鐘/機(jī)器周期”模式下，移位脈沖頻率是時鐘頻率fosc的6分頻）；而8位的串行數(shù)據(jù)從RXD引腳輸出。在發(fā)送中斷標(biāo)志TI為0（即無效）的情況下，執(zhí)行寫串行數(shù)據(jù)輸出緩沖器SBUF指令即可將SBUF寄存器中的內(nèi)容由低位到高位依次輸出到RXD引腳，同時TXD引腳輸出移位脈沖，使外接的“串入并出”芯片逐一接受來自RXD引腳上的串行數(shù)據(jù)。當(dāng)8位數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，發(fā)送中斷