【文章內(nèi)容簡介】 計(jì)所必須的，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路、電源電路。其中晶振電路為單片機(jī)工作提供時(shí)鐘信號；復(fù)位電路是單片機(jī)復(fù)位程序重新開始執(zhí)行；電源電路為單片機(jī)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(chǔ)器的指令。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 設(shè)計(jì)中采用L298N作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，其為步進(jìn)電機(jī)專用的驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部采用雙極性驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。其中用12V電源來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，L297作為硬件環(huán)形分配器，設(shè)計(jì)中采用的是57BYG007型四相步進(jìn)電機(jī)，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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個(gè)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(gè)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(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)。 L298N芯片引腳其中VS為步進(jìn)電機(jī)供電設(shè)計(jì)中接12V，VSS為芯片工作電源接5V，OUT1OUT4為輸出接步進(jìn)電機(jī)四相繞組。IN1IN4輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),ENA，ENB為使能控制端則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)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(gè)重要組成部分。變換器由一個(gè)三倍計(jì)算器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個(gè)基本的八格雷碼。由變換器產(chǎn)生4個(gè)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(dòng)機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過2個(gè)PWM斬波器控制電動(dòng)波器包含有一個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)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(gè)斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載電流提高時(shí)檢測電阻上的電壓相對提高，當(dāng)電壓達(dá)到Uref時(shí)(Uref是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的)，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個(gè)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(shí)，對A、B、C、D有抑制作用；為低電平時(shí)，則對抑制線INH1和INH2有抑制作用，從而可對電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。對L297多使用到的各個(gè)引腳功能進(jìn)行說明：（1）4 、9引腳為四相驅(qū)動(dòng)輸出信號。（2）8引腳控制A相和B相的驅(qū)動(dòng)極。當(dāng)此引腳為低電平時(shí)，A相、B相驅(qū)動(dòng)控制被禁止；當(dāng)線圈級斷電時(shí)，雙極性橋用這個(gè)信號使負(fù)載電源快速衰減。若CONTROL端輸入是低電平時(shí)，用斬波器調(diào)節(jié)負(fù)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(fù)位輸入端。此引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)，變換器恢復(fù)初始狀態(tài) (ABCD=0101)。（4）20引腳為復(fù)位輸入端。此引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)，變換器恢復(fù)初始狀態(tài) (ABCD=0101)。（5）15引腳為斬波器基準(zhǔn)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(dāng)它為低電平時(shí)，INHINHA、B、C、D都為低電平。當(dāng)系統(tǒng)被復(fù)位時(shí)用來阻止電機(jī)驅(qū)動(dòng)。（7）17引腳為方向控制端。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向由繞組的連接方法決定。當(dāng)改變此引腳的電平狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。（8）18引腳(CLOCK)步進(jìn)時(shí)鐘輸入端。該引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)步進(jìn)電機(jī)向前步進(jìn)一個(gè)增量，該步進(jìn)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(shí)為半步方式(四相八拍)，低電平時(shí)為全步方式。如選擇全步方式時(shí)變換器在奇數(shù)狀態(tài)，會(huì)得到單相工作方式(單四拍)。在本次設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)型號為57BYG007，其為混合式步進(jìn)電機(jī)。設(shè)計(jì)中把步進(jìn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(gè)脈沖,轉(zhuǎn) )八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=（俗稱半步），其中50為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。，轉(zhuǎn)動(dòng)一周即360度需要400個(gè)脈沖，通過計(jì)算則位移1mm則需要20個(gè)脈沖值。 步進(jìn)電機(jī)外型設(shè)計(jì)當(dāng)中所使用的為57BYG007型四相步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)電壓電流電阻電感靜轉(zhuǎn)矩機(jī)身長出軸長重量單位VAΩmHmmmmKg57BYG41232304121由以上分析知設(shè)計(jì)中使用了L297與L298N共同組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，由于步進(jìn)電機(jī)在工作中需要正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等工作方式，設(shè)計(jì)中還應(yīng)該加上保護(hù)電路以免電機(jī)正反轉(zhuǎn)交替時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流對電路產(chǎn)生危害。L297加L298N驅(qū)動(dòng)器組成的步進(jìn)電機(jī)控制器電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(jī)硬件費(fèi)用大大減少。L297的特性是只需要時(shí)鐘。方向和模式輸入信號。因此可以減輕單片機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)輸入端，并把信號輸出給步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)需要在正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢因此會(huì)產(chǎn)較大的感應(yīng)電流。故需要在驅(qū)動(dòng)電路中加上二極管保護(hù)電路，用來避免因步進(jìn)電機(jī)突然的正反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的感應(yīng)電流流入L298N芯片燒壞L298N，用于保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路的正常工作。L297和L298N組合控制驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可用于如打印機(jī)的托架后置、記錄儀的進(jìn)給結(jié)構(gòu)以及打字機(jī)、數(shù)控機(jī)床、軟盤驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)、電動(dòng)閥門等設(shè)備和裝置。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖可知L298N芯片VS引腳接的為12V電壓。這是給步進(jìn)電機(jī)供電的，步進(jìn)電機(jī)工作電壓為12V，在設(shè)計(jì)硬件電路中應(yīng)該再設(shè)計(jì)一個(gè)電源電路向步進(jìn)電機(jī)供電。 步進(jìn)電機(jī)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(shí)顯示16*02即32個(gè)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(diǎn)陣型液晶模塊。 LCD1602芯片引腳液晶LCD1602由若干個(gè)5*7或者5*11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)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?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，對比度可調(diào)，內(nèi)部有復(fù)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(biāo)歸位指令、模式設(shè)置指令、顯示開關(guān)控制指令、光標(biāo)移動(dòng)方向指令、功能設(shè)置指令等。在本設(shè)計(jì)中LCD1602的作用是顯示步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過按鍵電路按下不同的按鍵，步進(jìn)電機(jī)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(jì)方案中所提出的把步進(jìn)電機(jī)所走的角位移轉(zhuǎn)換成直線位移進(jìn)行顯示。設(shè)計(jì)中通過按鍵設(shè)置步進(jìn)電機(jī)要走的行程值，通過LCD1602實(shí)時(shí)的顯示出來，顯示單位為mm級。按下啟動(dòng)按鍵步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，LCD1602則顯示步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，并實(shí)時(shí)的顯示出當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)所走的行程值。當(dāng)按下不同的按鍵時(shí)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(shí)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(fù)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(gè)1K的滑動(dòng)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(jì)的鍵盤電路實(shí)現(xiàn)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)所要走的行程值，控制步進(jìn)電機(jī)正向啟動(dòng)、停止、繼續(xù)啟動(dòng)、停止、以及加減速啟動(dòng)復(fù)位等功能。 獨(dú)立按鍵電路設(shè)計(jì)中一共設(shè)計(jì)了7個(gè)獨(dú)立按鍵，其中一個(gè)為單片機(jī)復(fù)位電路按鍵。,四個(gè)按鍵的功能分別為：啟動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)key1用來設(shè)置步進(jìn)電機(jī)所要走的行程值，key2用來啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，key3控制步進(jìn)電機(jī)的停止，key4是復(fù)位按鍵按下此鍵后步進(jìn)電機(jī)復(fù)位到零點(diǎn)，行程值也變?yōu)榱?。，key5為正向減速轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)前進(jìn)時(shí)考慮到不需要太高的速度故設(shè)置此鍵，key6為加速復(fù)位按鍵，考慮到復(fù)位時(shí)可以有較高的速度故可以加速復(fù)位。獨(dú)立按鍵電路的工作原理是按下按鍵之后就相當(dāng)于是把對應(yīng)的端口的電勢拉低。在處理按鍵程序前就先去抖動(dòng)，防止因按鍵時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械抖動(dòng)而錯(cuò)誤的重復(fù)執(zhí)行相應(yīng)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(jì)部分都會(huì)有說明。本章就是通過對整個(gè)系統(tǒng)按照各個(gè)模塊分別講解來加深對整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分的理解。各個(gè)模塊中對所使用到的芯片進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后結(jié)合芯片資料完成了對應(yīng)模塊的硬件設(shè)計(jì)。對以上的單片機(jī)最小系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，液晶LCD1602顯示電路，按鍵電路模塊，各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)論證后然后銜接起來完成了整個(gè)硬件部分的設(shè)計(jì)。第四章 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序、系統(tǒng)初始化子程序、按鍵響應(yīng)子程序、LCD1602顯示子程序四個(gè)部分。事實(shí)上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對于整體設(shè)計(jì)都是非常重要，單片機(jī)AT89S51通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來，軟件設(shè)計(jì)的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，在流程圖中把設(shè)計(jì)者的控制過程梳理清楚。 系統(tǒng)主程序流程圖主程序?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)程序的開始，當(dāng)給系統(tǒng)供電以后，通過單片機(jī)復(fù)位電路對系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)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(yīng)的操作，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應(yīng)的子程序執(zhí)行。本次設(shè)計(jì)中用C語言進(jìn)行軟件編程。下面對系統(tǒng)主程序進(jìn)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(dòng)界面 { write_data(table1[num1])。 delay(100)。 // } write_(0x80 + 0x40)。 //顯示啟動(dòng)界面 for(num2 = 0。 num2 16。 num2++) { write_data(table2[num2])。 delay(100)。 // } init_time0()。 //定時(shí)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(shí)器也進(jìn)行初始化，啟動(dòng)顯示界面等待設(shè)置按鍵按下，進(jìn)行行程值的設(shè)定。然后等待正向啟動(dòng)鍵按下，當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后則執(zhí)行正向啟動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)則正向轉(zhuǎn)動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)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(yīng)的按鍵按下則轉(zhuǎn)到相應(yīng)按鍵子程序去執(zhí)行。系統(tǒng)啟動(dòng)初始化程序后LCD1602顯示啟動(dòng)界面。 系統(tǒng)啟動(dòng)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(yīng)按鍵子程序后顯示當(dāng)前已經(jīng)走的行程值，zt為當(dāng)前的狀態(tài)，有設(shè)置（sz）、正向啟動(dòng)（zx）、停止（tz）、復(fù)位（fw）、正向減速（ja）、加速復(fù)位（js）等六個(gè)表示狀態(tài)。相應(yīng)按鍵按下后zt會(huì)顯示當(dāng)前的狀態(tài)。系統(tǒng)初始化對相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)上電默認(rèn)運(yùn)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(shí)器設(shè)定、載入定時(shí)器初值和默認(rèn)的工作參數(shù)等。其中比較主要的是對定時(shí)器的設(shè)定，在設(shè)計(jì)中需要實(shí)時(shí)的顯示出當(dāng)前的行程值，這就需要設(shè)定定時(shí)器的中斷時(shí)間，每次中斷時(shí)間溢出后將當(dāng)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(jì)中采用了定時(shí)器T0，工作方式為方式1即16為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，裝入定時(shí)器的初始值為55536也即計(jì)數(shù)10000次溢出。單片機(jī)外部晶振使用的是12MZH，單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期為12個(gè)晶振周期，時(shí)鐘周期T=1/12us，所以定時(shí)器溢出一次的時(shí)間為10us本次設(shè)計(jì)中采用每隔1s（即使定時(shí)器溢出100次）取當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)行程值進(jìn)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(jìn)電機(jī)電機(jī)不轉(zhuǎn)，不顯示當(dāng)前狀態(tài)和