【文章內容簡介】 時，它的價格低廉，有利于提高性價比。缺點是數(shù)據(jù)處理較弱?，F(xiàn)實生活中，為了使電路更穩(wěn)定的工作，有時單片機芯片需要具有一定的抗干擾能力以及一定范圍的工作環(huán)境溫度等等特殊的要求。按適用的工作溫度分，單片機芯片可分為商用級、工業(yè)級、軍用級三個等級，這里選擇一般的商用機即可。按抗干擾能力方面的要求，由于本次設計的功能有限，一般的單片機均能滿足該要求，因此，抗干擾方面不需要特別考慮。若從易學掌握的角度出發(fā)，要求所選單片機要支持簡單易學的編程語言，并且擁有易于學習的編程軟件。此外，本設計選用的單片機最好具有豐富的相關學習資料，便于查找學習，使其具有更高的通用性。若從該角度出發(fā)，51系列的單片機具有一定的優(yōu)勢。綜上所述，通過從各方面的綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案二51單片機作為主控芯片。在常用的51單片機中，STC89C51系列的單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速低功耗的單片機，它的功能已完全能夠實現(xiàn)本設計的要求，且價格便宜，下載程序方便。 驅動電機芯片的選擇方案一： 使用驅動芯片ULN2003。 ULN2003芯片可以直接處理數(shù)字信號，例如經過數(shù)字邏輯電子電路產生的脈沖信號。該芯片的內部結構由組成的，并且。通常被廣泛應用于單片機、PLC、儀表電器等控制驅動電路中。特點是高、高、強、好、小、低廉等等。 方案二： 使用驅動芯片L298。L298N芯片屬于H橋集成電路。驅動芯片L298可以直接和單片機進行連接，接收單片機的數(shù)字脈沖信號。由于其輸出電流大、功率大的特點，可以直接驅動電機進行工作。而當驅動芯片L298直接驅動步進電機工作時，只需要改變脈沖信號的邏輯電平值，就可以實現(xiàn)對步進電機工作狀態(tài)的控制。該芯片具有體積小，控制方便等優(yōu)點，缺點是使用該芯片時需要添加光電耦合器件，進行光電隔離，消除電機對單片機產生的干擾，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。綜上所述，通過從各方面的綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案一ULN2003作為本設計的驅動芯片。 顯示電路的選擇方案一:采用LCD液晶顯示器。LCD液晶顯示器不僅可以顯示、和漢字，還可，并且可以實現(xiàn)、屏幕內容的等功能，具有小、輕、小、小、清晰等優(yōu)點。缺點是對單片機的接口要求高，一般多采用并行接口，占用資源多，同時也需要專門的驅動電路，且器件價格昂貴。 方案二:采用LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管的顯示模塊的數(shù)碼管。STC89C51單片機輸出的脈沖序列經過上拉電阻驅動數(shù)碼管顯示。采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，具有亮度高、響應速度快、防潮防濕性能好、使用壽命長、硬件電路簡單、編程簡便、顯示信息清晰、價格低廉等優(yōu)點，但占用單片機I/O端口較多。綜上所述，通過從使用的實用性和價格等各方面的綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案二LED數(shù)碼管作為本設計的顯示模塊。 步進電機的選擇由于本次設計的供電電源是5V的直流電源，STC89C51單片機的VCC電壓也為5V，該設計的最高電壓也是5V。因此，選擇的類型也應該是驅動電壓為直流5V的，經過綜合考量， 28BYJ48步進電機比較符合本設計的要求，性價比各方面也很符合。28BYJ48步進電機屬于四相八拍電機，輸入電壓范圍為直流5V12V。當步進電機輸入一系列連續(xù)的脈沖信號時，步進電機按照相應的運行狀態(tài)，轉動相應的角度。例如，當輸入步進電機的通電狀態(tài)改變一次時，相應的轉子也就轉過對應的一個步距角，與之相對。3 控制系統(tǒng)的硬件電路設計本設計采用的是STC89C51作為步進電機的控制芯片。帶4K，是典型的嵌入。，同時，由于，因此，它也與工業(yè)標準。單片機如圖31所示：圖31 單片機 鍵盤控制電路根據(jù)控制系統(tǒng)功能的要求，需要設置四個控制按鍵，即：KKKK5，分別來控制步進電機的啟停、轉向、加速和減速功能。鍵盤控制電路的原理圖如圖32所示。通過KK3狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的啟停、轉向控制功能。當控制按鍵K2或K3有輸入信號時，內部程序調用相應的啟停程序或轉向程序，進而控制步進電機的啟停和轉向工作狀態(tài)。由步進電機的工作原理可知：步進電機轉速的控制主要是受輸入步進電機的頻率大小所決定的。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷。本設計采用是定時中斷的方法。通過控制K4或K5按鍵開關的閉合、斷開，來控制步進電機的加速或減速。根據(jù)K4或K5按鍵開關的輸入次數(shù)，將其輸入到單片機中，更改程序定時器中的中斷次數(shù)，改變輸出的脈沖頻率，繼而，實現(xiàn)對步進電機加速或減速的控制。圖32 鍵盤控制電路原理圖 單片機最小系統(tǒng)電路是由。（1）復位及復位電路的設計：在單片機系統(tǒng)中，復位電路是不可缺少的。單片機在正常工作（即執(zhí)行指令）前，必須要進行復位操作，這樣做的目的是將CPU以及系統(tǒng)中其他部件都處于一個明確的初始狀態(tài)，便于系統(tǒng)啟動。要實現(xiàn)復位操作，必須使單片機RESET管腳至少保持2個機器周期以上的高電平即可。在實際系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)電源電壓的上升時間和晶體振蕩器的起振時間，為了保證系統(tǒng)能可靠地復位，復位信號應該至少維持20ms以上高電平。單片機的復位電路有很多種，主要分為上電復位和手動按鍵復位兩種。 本電路的復位電路部分采用的是手動按鍵復位方式，復位電路部分如圖33所示。手動按鍵復位方式的工作原理：當按下復位開關K1時，電源VCC與單片機的復位口RST直接相連，將復位端口置于高電平，極性電容C2也放電；當松開復位開關K1時，由于電容兩端的電壓值不能突變，故復位端口RST仍為高電平，此時電源VCC對電容C2充電，直至充電完成，電容相當于開路，復位端口RST被置為低電平，電路復位工作完成。（2）時鐘電路的設計:在設計單片機系統(tǒng)電路時，時鐘電路也是不可缺少的。在計算機系統(tǒng)中，所有的工作都是在一個節(jié)拍（時鐘）下同步工作，這樣才不會出現(xiàn)沖突。而為這個系統(tǒng)提供統(tǒng)一的節(jié)拍的，便是時鐘電路的工作，就如同心臟一樣，給計算機提供動力。在單片機系統(tǒng)中，單片機系統(tǒng)的工作快慢主要取決于時鐘電路中晶振頻率的大小。 特別注意的是，在單片機中，時鐘電路的設計一定要和單片機靠近，路線盡可能短。時鐘電路的地一定要和同一時鐘的芯片的地共地。在晶振頻率的選擇上，在滿足系統(tǒng)需要的前提下盡可能地選用低頻率的晶振，這樣可以降低系統(tǒng)的功耗，不是選用的頻率越高越好。在單片機系統(tǒng)中，時鐘信號的產生通常有兩種方法：內部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用的是內部時鐘方式，如圖33所示。晶振電路是由兩個30PF的電容和一個12M的晶體振蕩器組成的，兩端分別跨接在單片機的XTAL1和XTAL2的兩個端口上。這里的兩個電容是起到穩(wěn)定頻率的作用，對晶振產生的頻率微調，使振蕩頻率與晶振頻率保持一致。 圖33 單片機的最小系統(tǒng) 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管顯示器，也稱為LED顯示器，通常是由多個發(fā)光二極管組成的，可以顯示字段的顯示器件。當LED顯示器中的段二極管導通時，字段中的一段或一點相應的點亮，若能快速的同時控制發(fā)光二極管的導通，便可以控制數(shù)碼管顯示器顯示出不同的字符。各段LED顯示器需要由驅動電路驅動。生活中，由于其成本較低、顯示性能優(yōu)異等優(yōu)點，被廣泛使用于各種場合，常用的數(shù)碼管顯示器有很多種，例如四位的數(shù)碼管顯示器、米字形數(shù)碼管顯示器等等。按發(fā)光二極管單元連接方式的不同，數(shù)碼管可分為以下兩類： （1）共陽極接法。，并與電源電壓+5V相連。當輸入端為低電平時，發(fā)光二極管導通點亮，可以顯示相應的字符信息。如圖34所示。 （2）共陰極接法。，并接地連接。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當輸入端為高電平時，發(fā)光二極管導通點亮，可以顯示相應的字符信息。如圖35所示。 圖34 共陽極接法 圖35 共陰極接法在本設計中所采用的是共陽極數(shù)碼管作為顯示電路，利用三極管的導通與關斷作用驅動數(shù)碼管。數(shù)碼管選用7段共陽4位LED,第一位顯示步進電機的正反轉狀態(tài)，第一位顯示“0”或“1”，第三、四位顯示電機的速度等級。其中第一位為“0”是，表示該電機的轉向是正向旋轉；“1”則是反向旋轉。而第三四位顯示的速度等級有10個，即“00”到“10”。顯示如圖36所示：圖36 數(shù)碼管驅動顯示電路 步進電機的驅動電路本設計采用的是生活中廣泛使用的電機驅動芯片ULN2003為步進電機提供脈沖信號。ULN2003芯片是高壓、大電流達林頓晶體管陣列系列產品。其內部結構是由7個硅NPN復合晶體管組成。具有電流增益高、工作電壓高、驅動能力強、體積小、價格低廉等特點，通常被廣泛應用于單片機、PLC、儀表電器等控制驅動電路中。同時，ULN2003芯片可以直接驅動大功率繼電器等負載電路。因此，它被廣泛用于計算機，工業(yè)和消費類產品中。ULN2003的設計與標準TTL系列兼容。它的管腳連接圖如圖37所示:圖37 ULN2003管腳連接圖其主要特性如表38，所示：表38 ULN2003主要特性參數(shù)輸入電流/(mA)輸入電壓/（V)功耗/(W)工作溫度/(℃)數(shù)值2530120~+85ULN2003芯片的特點：（1） ULN2003，在5V的工作電壓下，它能來處理的數(shù)據(jù)。（2） ULN2003內流入的外部，高負載電流下。步進電機驅動電路的工作過程是： 首先，單片機從P1口輸出00000001B，同時，所以這四個管腳中每時每刻只有一個管腳處于導通狀態(tài)，剩余的三個管腳則處于斷開狀態(tài)（單片機采用的是單拍方式對步進電機控制）。這樣就使得ULN2003的輸出端口中的一個與步進電機進行導通連接。電機驅動電路原理圖如圖39所示：圖39 步進電機驅動原理圖 步進電機的其他電路 步進電機的其他部分電路，包括5V電源電路和下載接口電路，如圖310和311所示： 圖310 5V電源電路 圖311 下載接口電路 將各部分接口外圍電路，通過單片機使各部分結合起來形成一個完整的電路，如附錄：系統(tǒng)總體電路圖所示。它是以單片機作為核心的控制電路，可以實現(xiàn)步進電機根據(jù)按鍵電路的不同輸入，使其進行不同的運行狀態(tài)，并通過數(shù)碼管顯示電路和發(fā)光二極管顯示步進電機的運行狀態(tài)。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進電機的正反轉狀態(tài)和轉動的速度，并通過發(fā)光二極管指示步進電機的運行狀態(tài)的快慢，即四個發(fā)光二極管來回閃爍的速度越快則表明步進電機的旋轉速度越快；反之，則越慢。4 控制系統(tǒng)的軟件設計本次畢業(yè)設計軟件部分要實現(xiàn)的功能如下:按動啟動/停止按鍵時，步進電機停止當前的運行狀態(tài)，再次按動時，步進電機繼續(xù)運行當前的運行狀態(tài)；按動正轉/反轉按鍵時，步進電機可以實現(xiàn)正、反轉的轉向切換，但轉速不會發(fā)生改變；按動加速或減速按鍵時，步進電機可以實現(xiàn)從“01”至“10”十個速度等級的速度加減控制。同時，數(shù)碼管顯示模塊中的第一位可以實時顯示電機的轉向，“0”表示正轉，“1”表示反轉；第三、四位則實時的顯示電機的速度等級，變化范圍為“01”至“10”；而第二位數(shù)碼管不顯示，以區(qū)分開電機的轉向和轉速的顯示信息。為了實現(xiàn)本設計的功能，本設計采用的是控制定時器的中斷技術，因此，設計了讀取按鍵子程序、按鍵處理子程序、電機控制中斷程序等部分。本設計中，主程序采用的是查詢尋址方式掃描鍵盤端口，檢查按鍵是否發(fā)生動作，此時，調用的