【文章內容簡介】 度和步進電機轉子的角加速度成正比。步進電機轉子的角加速度是由步進電機的輸出力矩決定的，步進電機的輸出力矩隨著驅動脈沖頻率的上升而下降，也就要求步進電機轉子的角加速度隨著脈沖頻率的上升而下降，而采用直線規(guī)律的升降速卻使步進電機轉子的角加速度保持不變。所以，只有在步進電機的轉矩隨脈沖頻率的上升保持恒定時，直線規(guī)律的升降速才是理想的升降速曲線，而當步進電機的轉矩隨脈沖頻率的上升而下降時 ，它就不是理想的升降速曲線，它不能保證在升降速的過程中步進電機轉子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應，未能很好的發(fā)揮電機的加速性能。如果要求電機盡可能快的加速，則所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉矩，以這個轉矩克服負載并加速系統(tǒng)慣量。4 控制系統(tǒng)硬件設計分析 系統(tǒng)的硬件結構計算機的硬件和軟件是相互結合而工作的，有些任務必須由硬件來實現(xiàn)，另外有些任務必須由軟件來實現(xiàn)。但是也有一些任務可以由軟件來完成，也可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設計程序，且實時性好。反之，加重軟件任務，會增加編程調試工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排軟、硬件的結構。本系統(tǒng)步進電機速度的控制是由改變發(fā)出脈沖的時間間隔來實現(xiàn)的，用定時器來控制發(fā)出脈沖的時間間隔，這樣更能發(fā)揮硬件實時性的優(yōu)勢，同時能夠減輕軟件的任務。系統(tǒng)的硬件框圖如圖 41 所示。系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，通過擴展外圍設備及接口電路完成對步進電機的并行控制。如下圖41所示為簡單的系統(tǒng)控制結構。圖 41 系統(tǒng)控制結構由于本微機控制系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，利用單片機構成系統(tǒng)應從元件級進行系統(tǒng)設計，根據(jù)任務需要，選擇合理的單片機并配置必須的存儲器、接口和外圍設備來構成系統(tǒng)。在進行系統(tǒng)的擴展和配置設計時考慮了以下原則：1 盡可能的選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎。2 系統(tǒng)的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統(tǒng)功能的要求，并留有適當?shù)挠嗟兀员氵M行二次開發(fā)。3 硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產(chǎn)生相互影響?？紤]的原則是，軟件能實現(xiàn)的功能盡可能的由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件電路。但是由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應的時間要比直接用硬件實現(xiàn)的時間長，而且占用 CPU 時間。4 整個系統(tǒng)中的相關的器件要盡可能的做到性能匹配。5 單片機外接電路較多時，必須考慮其驅動能力，增設線驅動器或者減少芯片功耗，降低總線負載。根據(jù)以上設計原則及結構框圖，逐一設計出每個單元電路，最后組合起來，成為完整的硬件系統(tǒng)。 AT89S52 單片機的選用微處理器的主要性能指標是位數(shù)、主頻、尋址能力、指令系統(tǒng)、內部寄存器情況等。位數(shù)是重要的指標，除了影響運算精度外，還關系到指令系統(tǒng)的功能、尋址能力以及操作速度等。主頻影響操作速度。尋址能力決定可能的最大存儲容量。指令系統(tǒng)性能影響數(shù)據(jù)處理、輸入輸出等操作功能以及編程的方便性。內部寄存器的數(shù)量和功能也和操作方便性有關。此外，單片機都帶有一定數(shù)量的內部RAM，還有內部 ROM 或其它器件。本系統(tǒng)選擇 AT89S52 單片機，它具有以下優(yōu)點：（1）內部含F(xiàn)lash存儲器 在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進行程序的修改，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。（2）和 80S52 插座兼容 該機型通用性好，能夠利用現(xiàn)成的 51 系列的開發(fā)系統(tǒng)，不需另外重新建立新的開發(fā)系統(tǒng)，這樣可節(jié)約開發(fā)成本。（3）靜態(tài)時鐘方式 AT89S52 單片機采用靜態(tài)時鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對于降低成品的功耗十分有用。（4）錯誤編程亦無廢品產(chǎn)生 一般的 OTP 產(chǎn)品一旦錯誤編程就成了廢品，而AT89S52 單片機內部采用了 Flash 存儲器，所以錯誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。（5）可進行反復系統(tǒng)試驗，用 AT89S52 單片機設計的系統(tǒng)可以反復進行系統(tǒng)試驗，每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設計達到最優(yōu)，而且隨用戶的需要和發(fā)展還可以進行修改，使系統(tǒng)能不斷追隨用戶的最新要求。 89S52單片機基本結構中央處理器（CPU）與通用微處理器基本相同，只是增加了面向控制的處理功能。例如:位處理、查表、乘除法運算、狀態(tài)檢測等，增加了實時性。存儲器采用哈佛結構，即程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址。89S52的并行I/0口POP3共四組，其功能強大、使用靈活。串行I/0口為全雙工串行口，提高了與外圍設備的通信能力。單片機內部設有定時電路，只需外接震蕩元件，一般選用晶體振蕩器，也可用外部時鐘源。89S52內部結構主要包括算術邏輯單元ALU、累加器ACC、只讀存儲器ROM,隨機存儲RAM、指令寄存器工R、程序地址寄存器、程序計數(shù)器PC、地址指針DPTR,定時器/計數(shù)器、并行I/0口POP串行口、程序狀態(tài)標志計數(shù)器PSW以及定時控制邏輯電路等。如下圖42所示為單片機內部結構。 圖42 所示為89S52單片機的基本內部組成89S52單片機采用40腳雙列直插封裝(DIP)形式，因為受到引腳數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。如圖43所示為89S52單片機引腳圖。 圖43 89S52單片機引腳圖P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位準雙向I/O口。當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的準雙向I/O口。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流這是由于上拉的緣故。 AT89S52單片機存儲器的結構存儲器配置的任務是確定片外存儲器的類型和容量，選定存儲器型號，設計擴展電路。在硬件設計階段，可根據(jù)對控制系統(tǒng)的分析，憑借經(jīng)驗大致估算所需存儲器的容量，估算時應留有余量。對于 ROM 和 RAM，需分別確定容量。選擇存儲器芯片的型號時，應選擇常用型號，盡量減小芯片的數(shù)量。AT89S52單片機的存儲器結構分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，各自又有芯片和擴展部分，因此AT89S52單片機的存儲器結構分為四部分，即：片內程序存儲器、片外程序存儲器、片內數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器。1 程序存儲器的結構AT89S52單片機的程序存儲器采用的是Flash存儲器，閃存存儲器Flash是一種新型的存儲器，是EPROM技術與EEPROM技術相結合的產(chǎn)物。Flash存儲器可在幾秒中的時間完成全片的擦寫，編程速度超過EPROM與EEPROM，其典型值為10ɑs/Byte，比EPROM快1個數(shù)量級之多，比EEPROM快了三個數(shù)量級之多。價格上Flash存儲器具有相當?shù)膬?yōu)勢，相同容量的Flash存儲器其價格不到EEPROM的一半。Flash存儲器另外一個優(yōu)點是支持在線編程，允許芯片在不離開電路板或不離開設備的情況下，實現(xiàn)固化和擦除操作，同時具有較強的抗干擾能力，允許電源有10%的燥聲波動。AT89S52單片機芯片內配置了了8KB的可編程Flash存儲器，地址為0000H—1FFFH，可外部擴展到64KB。 ：程序存儲器結構框圖程序計數(shù)器PC是一個16位的獨立計數(shù)器，其中存放著下一條將被讀取的指令代碼存放在程序存儲器中的地址，程序計數(shù)器PC中地址數(shù)據(jù)的變化軌跡決定了控制程序的執(zhí)行流程。當開機或復位后，PC中地址數(shù)據(jù)為0000H，因此開機或復位后總是從程序存儲器的0000H存儲單元開始讀取指令代碼。2 數(shù)據(jù)存儲器的結構AT89S52單片機的數(shù)據(jù)存儲器地址空間分為芯片內部和外部兩個部分，這是與程序存儲器相同的地方。與程序存儲器不同的是使用了不同的指令訪問內部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器，使用MOV類指令訪問內部數(shù)據(jù)存儲器，使用MOVX類指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器。外部數(shù)據(jù)存儲器最大地址空間為64KB，地址范圍為0000H—FFFFH。AT89S52單片機內部數(shù)據(jù)存儲的容量為256B，地址范圍為00H—FFH，其內部數(shù)據(jù)存儲器地址空間分布情況如圖45所示：圖45 AT89S52單片機內部數(shù)據(jù)存儲器存儲空間分布圖從圖中知道整個256B的地址空間分為3個區(qū)域：工作寄存區(qū)、可按位尋址的RAM區(qū)和按字節(jié)尋址的RAM區(qū)。工作寄存區(qū)內共有四組工作寄存器，四組工作寄存器的地址分別為00H07H，08H0FH，10H17H，總共占據(jù)了32B的存儲單元。每組工作寄存器有八個工作寄存器，其名稱為R0，R1，R2...，R7。4．3 系統(tǒng)的硬件分析與擴展在控制系統(tǒng)的功能比較復雜，單片機內部資源滿足不了控制功能的需求時，需要對單片機的資源進行擴展。如圖46為單片機擴展應用系統(tǒng)的結構圖。圖46 單片機擴展應用系統(tǒng) 鍵盤電路的設計1．鍵盤操作實現(xiàn)的功能分析（1）參數(shù)設定 本系統(tǒng)在開始運行之前要求輸入步進電機勻速的運行速度和運行的總步數(shù)，所以要進行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。（2）系統(tǒng)啟動、停止要設置相應的按鍵和開關進行功能鍵的處理。2．矩陣式鍵盤掃描方式工作原理如硬件電路圖所示，在行線上有上掛電阻連接電源，因此無鍵按下時，各行線均為高電平。當采用列線輸出低電平時，有鍵按下相應行線上出現(xiàn)低電平。根據(jù)此原理，CPU 對整個鍵盤進行掃描，即 CPU 不斷對列線逐列置低電平，然后檢查行線輸入狀態(tài)，確定按鍵情況。若無鍵按下時，行線與列線斷開，行線上全是高電平，當有鍵按下時，總有鍵把某行某列短接，使行線端口不全為高電平，即不全為“1”。此時讀到的鍵值就是按下的鍵。掃描全部鍵盤時間很短，僅十幾微秒，而按鍵時間一次至少幾十毫秒，所以只要有鍵按下，都能被掃描到。鍵是機械開關結構，由于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動，所以要進行鍵的去抖動處理。用軟件延時可以躲過抖動，大約延時 10ms 即可。3．鍵盤各鍵功能規(guī)劃各數(shù)值鍵及功能鍵具體設計如下：09 為數(shù)字鍵：用來輸入運行參數(shù)的值；輸入時間鍵：若要輸入電機運行時間，先按下此鍵，然后在進行時間的輸入；按速度鍵再進行初始速度值的輸入；確定鍵：當輸入完畢，按確定鍵，當按下確定鍵時，電機即按照初始速度進行旋轉，當時間減少，速度值隨之減少，時間停止時速度為零。停止鍵：當按下停止鍵時，電機停止旋轉，顯示的時間值停止減少，當再次按下啟動鍵即（確認鍵），時間值和速度恢復正常變化。圖448為鍵盤分布示意圖及電路圖。圖 47 鍵盤按鍵分布示意圖 圖48 鍵盤電路圖 顯示電路設計程序中 LED 顯示器選用靜態(tài)顯示方式。在靜態(tài)的顯示方式下，每位數(shù)碼管的ah端與一個八位的I/O口相連。當要在某一個數(shù)碼管上顯示字符時，只要從對應的I/O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。如圖49為顯示電路原理圖。