【文章內(nèi)容簡介】 計所必須的，也是整個控制系統(tǒng)的核心。單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路、復位電路、電源電路。其中晶振電路為單片機工作提供時鐘信號；復位電路是單片機復位程序重新開始執(zhí)行；電源電路為單片機提供電源。在最小系統(tǒng)中EA/VPP引腳接高電平，CPU訪問內(nèi)部存儲器的指令。 單片機最小系統(tǒng) 設(shè)計中采用L298N作為步進電機的驅(qū)動芯片，其為步進電機專用的驅(qū)動芯片內(nèi)部采用雙極性驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機工作。其中用12V電源來驅(qū)動步進電機，L297作為硬件環(huán)形分配器，設(shè)計中采用的是57BYG007型四相步進電機，工作方式為四相八拍。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機。 L298N芯片引腳其中VS為步進電機供電設(shè)計中接12V，VSS為芯片工作電源接5V，OUT1OUT4為輸出接步進電機四相繞組。IN1IN4輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn),ENA，ENB為使能控制端則控制電機停轉(zhuǎn)。L297是意大利SGS半導體公司生產(chǎn)的步進電機專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，內(nèi)部集成電路采用模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓。 L297芯片引腳L297的內(nèi)部變換器是一個重要組成部分。變換器由一個三倍計算器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個基本的八格雷碼。由變換器產(chǎn)生4個輸出信號送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電動機良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過2個PWM斬波器控制電動波器包含有一個比較器、一個觸發(fā)器和一個外部檢測電阻，晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。每個斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié)，當負載電流提高時檢測電阻上的電壓相對提高，當電壓達到Uref時(Uref是根據(jù)峰值負載電流而定的)，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個振蕩脈沖到來、此線路的輸出(即觸發(fā)器Q輸出)是一恒定速率的PWM信號，L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對相位線A、B、C、D或抑制線INH1和INH2起作用。CONTROL為高電平時，對A、B、C、D有抑制作用；為低電平時，則對抑制線INH1和INH2有抑制作用，從而可對電動機和轉(zhuǎn)矩進行控制。對L297多使用到的各個引腳功能進行說明：（1）4 、9引腳為四相驅(qū)動輸出信號。（2）8引腳控制A相和B相的驅(qū)動極。當此引腳為低電平時，A相、B相驅(qū)動控制被禁止；當線圈級斷電時，雙極性橋用這個信號使負載電源快速衰減。若CONTROL端輸入是低電平時，用斬波器調(diào)節(jié)負載電流。C相、D相繞組電流檢測電壓反饋輸入端。（3）113引腳為A、B、C、D相繞組電流檢測電壓反饋輸入端。復位輸入端。此引腳輸入負脈沖時，變換器恢復初始狀態(tài) (ABCD=0101)。（4）20引腳為復位輸入端。此引腳輸入負脈沖時，變換器恢復初始狀態(tài) (ABCD=0101)。（5）15引腳為斬波器基準電壓輸入端。加到此引腳的電壓決定繞組電流的峰值。（6）10引腳為L297的使能輸入端。當它為低電平時，INHINHA、B、C、D都為低電平。當系統(tǒng)被復位時用來阻止電機驅(qū)動。（7）17引腳為方向控制端。步進電機實際旋轉(zhuǎn)方向由繞組的連接方法決定。當改變此引腳的電平狀態(tài)時，步進電機反向旋轉(zhuǎn)。（8）18引腳(CLOCK)步進時鐘輸入端。該引腳輸入負脈沖時步進電機向前步進一個增量，該步進是在信號的上升沿產(chǎn)生。（9）19引腳為半步、全步方式 選擇端。此引腳輸入高電平時為半步方式(四相八拍)，低電平時為全步方式。如選擇全步方式時變換器在奇數(shù)狀態(tài)，會得到單相工作方式(單四拍)。在本次設(shè)計中選用的步進電機型號為57BYG007，其為混合式步進電機。設(shè)計中把步進電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線位移。，軸周長約為20mm。采用單雙八拍工作方式：AABBBCCCDDDA (即一個脈沖,轉(zhuǎn) )八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=（俗稱半步），其中50為步進電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。，轉(zhuǎn)動一周即360度需要400個脈沖，通過計算則位移1mm則需要20個脈沖值。 步進電機外型設(shè)計當中所使用的為57BYG007型四相步進電機。 步進電機技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)電壓電流電阻電感靜轉(zhuǎn)矩機身長出軸長重量單位VAΩmHmmmmKg57BYG41232304121由以上分析知設(shè)計中使用了L297與L298N共同組成的步進電機驅(qū)動電路，由于步進電機在工作中需要正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等工作方式，設(shè)計中還應該加上保護電路以免電機正反轉(zhuǎn)交替時產(chǎn)生的感應電流對電路產(chǎn)生危害。L297加L298N驅(qū)動器組成的步進電機控制器電路具有以下優(yōu)點：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高，體積小，軟件開發(fā)簡單，并且單片機硬件費用大大減少。L297的特性是只需要時鐘。方向和模式輸入信號。因此可以減輕單片機和程序設(shè)計的負擔。步進電機驅(qū)動電路中L297芯片的EN、CW/CCW、CLK、HALF/。L297的A、B、C、D四相輸出連接到L298N的IN1IN4四個輸入端，并把信號輸出給步進電機。由于步進電機需要在正反轉(zhuǎn)運動狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，會產(chǎn)生感應電動勢，產(chǎn)生的感應電動勢因此會產(chǎn)較大的感應電流。故需要在驅(qū)動電路中加上二極管保護電路，用來避免因步進電機突然的正反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的感應電流流入L298N芯片燒壞L298N，用于保護驅(qū)動電路的正常工作。L297和L298N組合控制驅(qū)動的步進電動機可用于如打印機的托架后置、記錄儀的進給結(jié)構(gòu)以及打字機、數(shù)控機床、軟盤驅(qū)動器、機器人、繪圖機、復印機、電動閥門等設(shè)備和裝置。 步進電機驅(qū)動電路由步進電機驅(qū)動電路圖可知L298N芯片VS引腳接的為12V電壓。這是給步進電機供電的，步進電機工作電壓為12V，在設(shè)計硬件電路中應該再設(shè)計一個電源電路向步進電機供電。 步進電機12V電源電路顯示電路為LCD1602組成的相關(guān)電路。1602為工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16*02即32個字符（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。 LCD1602芯片引腳液晶LCD1602由若干個5*7或者5*11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。1602采用標準的16腳接口，對比度可調(diào)，內(nèi)部有復位電路。LCD1602原理是基于HD44780液晶芯片的，HD44780內(nèi)置了DDRAM、CGROM 和CGRAM。DDRAM就是顯示數(shù)據(jù)RAM，用來寄存待顯示的字符代碼。LCD1602共有11條指令包括：清屏指令、光標歸位指令、模式設(shè)置指令、顯示開關(guān)控制指令、光標移動方向指令、功能設(shè)置指令等。在本設(shè)計中LCD1602的作用是顯示步進電機當前的工作狀態(tài)，通過按鍵電路按下不同的按鍵，步進電機有不同的工作狀態(tài)，此狀態(tài)則通過顯示電路顯示出來。依據(jù)設(shè)計方案中所提出的把步進電機所走的角位移轉(zhuǎn)換成直線位移進行顯示。設(shè)計中通過按鍵設(shè)置步進電機要走的行程值，通過LCD1602實時的顯示出來，顯示單位為mm級。按下啟動按鍵步進電機正向轉(zhuǎn)動，LCD1602則顯示步進電機正向轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，并實時的顯示出當前步進電機所走的行程值。當按下不同的按鍵時顯示內(nèi)容有所不同。 LCD1602顯示芯片各引腳引腳號引腳名電平輸入/輸出作用1GND電源地2VCC電源（+5V）3VO對比調(diào)整電壓4RS0/1輸入0=輸入指令1=輸入數(shù)據(jù)5R/W0/1輸入0=向LCD寫入指令或數(shù)據(jù)1=從LCD讀取信息6E1,10輸入使能信號，1時讀取信息，10（下降沿）執(zhí)行指令7—14DB0DB70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line8BG VCC+VCCLCD背光電源正極9BG GND接地LCD背光電源負極顯示電路中1602的RS、RW、，用來輸入/輸出數(shù)據(jù)。VO端口接了一個1K的滑動變阻器用來調(diào)節(jié)LCD1602的對比度，BG VCC端口接VCC用來把LCD1602的背光打開，以便有更好的顯示效果。 LCD1602顯示電路 通過設(shè)計的鍵盤電路實現(xiàn)設(shè)置步進電機所要走的行程值，控制步進電機正向啟動、停止、繼續(xù)啟動、停止、以及加減速啟動復位等功能。 獨立按鍵電路設(shè)計中一共設(shè)計了7個獨立按鍵，其中一個為單片機復位電路按鍵。,四個按鍵的功能分別為：啟動系統(tǒng)工作時key1用來設(shè)置步進電機所要走的行程值，key2用來啟動步進電機正向轉(zhuǎn)動，key3控制步進電機的停止，key4是復位按鍵按下此鍵后步進電機復位到零點，行程值也變?yōu)榱?。，key5為正向減速轉(zhuǎn)動，因為步進電機前進時考慮到不需要太高的速度故設(shè)置此鍵，key6為加速復位按鍵，考慮到復位時可以有較高的速度故可以加速復位。獨立按鍵電路的工作原理是按下按鍵之后就相當于是把對應的端口的電勢拉低。在處理按鍵程序前就先去抖動，防止因按鍵時產(chǎn)生的機械抖動而錯誤的重復執(zhí)行相應程序。所有按鍵處理程序都是在等按下后執(zhí)行的。這些在軟件編設(shè)計部分都會有說明。本章就是通過對整個系統(tǒng)按照各個模塊分別講解來加深對整個系統(tǒng)的硬件部分的理解。各個模塊中對所使用到的芯片進行了詳細的介紹，然后結(jié)合芯片資料完成了對應模塊的硬件設(shè)計。對以上的單片機最小系統(tǒng)，步進電機驅(qū)動電路模塊，液晶LCD1602顯示電路，按鍵電路模塊，各個部分進行設(shè)計論證后然后銜接起來完成了整個硬件部分的設(shè)計。第四章 軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為主程序、系統(tǒng)初始化子程序、按鍵響應子程序、LCD1602顯示子程序四個部分。事實上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個功能模塊對于整體設(shè)計都是非常重要，單片機AT89S51通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運行起來，軟件設(shè)計的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運行質(zhì)量。程序流程圖的設(shè)計遵循自頂向下的原則，在流程圖中把設(shè)計者的控制過程梳理清楚。 系統(tǒng)主程序流程圖主程序為整個系統(tǒng)程序的開始，當給系統(tǒng)供電以后，通過單片機復位電路對系統(tǒng)進行上電復位系統(tǒng)經(jīng)過初始化以后，便開始執(zhí)行按鍵查詢等待相應的操作，當有按鍵按下的時候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應的子程序執(zhí)行。本次設(shè)計中用C語言進行軟件編程。下面對系統(tǒng)主程序進行簡單介紹。void main(){ uchar num1, num2。 init_lcd()。 //LCD1602顯示初始化 for(num1 = 0。 num1 16。 num1++) //顯示啟動界面 { write_data(table1[num1])。 delay(100)。 // } write_(0x80 + 0x40)。 //顯示啟動界面 for(num2 = 0。 num2 16。 num2++) { write_data(table2[num2])。 delay(100)。 // } init_time0()。 //定時器初始化 while(1) { keyscan()。 //按鍵掃描程序 delay(5)。 }}系統(tǒng)上電完成后，對LCD1602初始化，定時器也進行初始化，啟動顯示界面等待設(shè)置按鍵按下，進行行程值的設(shè)定。然后等待正向啟動鍵按下，當啟動鍵按下后則執(zhí)行正向啟動，步進電機則正向轉(zhuǎn)動。在步進電機正向轉(zhuǎn)動過程中，系統(tǒng)程序則繼續(xù)執(zhí)行按鍵掃描程序，如果有相應的按鍵按下則轉(zhuǎn)到相應按鍵子程序去執(zhí)行。系統(tǒng)啟動初始化程序后LCD1602顯示啟動界面。 系統(tǒng)啟動顯示界面其中在LCD1602顯示界面第一行set為所需要設(shè)置的行程值，now為執(zhí)行完相應按鍵子程序后顯示當前已經(jīng)走的行程值，zt為當前的狀態(tài)，有設(shè)置（sz）、正向啟動（zx）、停止（tz）、復位（fw）、正向減速（ja）、加速復位（js）等六個表示狀態(tài)。相應按鍵按下后zt會顯示當前的狀態(tài)。系統(tǒng)初始化對相應的系統(tǒng)參數(shù)進行初始化，包括系統(tǒng)上電默認運行參數(shù)設(shè)定，包括四相八拍的工作方式，LCD1602顯示界面、系統(tǒng)定時器設(shè)定、載入定時器初值和默認的工作參數(shù)等。其中比較主要的是對定時器的設(shè)定，在設(shè)計中需要實時的顯示出當前的行程值，這就需要設(shè)定定時器的中斷時間，每次中斷時間溢出后將當前已經(jīng)走的行程值通過調(diào)用顯示子程序顯示出來。設(shè)計中采用了定時器T0，工作方式為方式1即16為定時器/計數(shù)器，裝入定時器的初始值為55536也即計數(shù)10000次溢出。單片機外部晶振使用的是12MZH，單片機一個機器周期為12個晶振周期，時鐘周期T=1/12us，所以定時器溢出一次的時間為10us本次設(shè)計中采用每隔1s（即使定時器溢出100次）取當前步進電機行程值進行顯示。系統(tǒng)初始化上電后，沒有按鍵按下，沒有設(shè)置行程值則步進電機電機不轉(zhuǎn)，不顯示當前狀態(tài)和