【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度成正比。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度是由步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩決定的，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的上升而下降，也就要求步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度保持不變。所以，只有在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升保持恒定時(shí)，直線規(guī)律的升降速才是理想的升降速曲線，而當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升而下降時(shí) ，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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應(yīng)，未能很好的發(fā)揮電機(jī)的加速性能。如果要求電機(jī)盡可能快的加速，則所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，以這個(gè)轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載并加速系統(tǒng)慣量。4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件和軟件是相互結(jié)合而工作的，有些任務(wù)必須由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，另外有些任務(wù)必須由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)可以由軟件來(lái)完成，也可由硬件來(lái)完成。一般來(lái)說，增加硬件會(huì)提高成本，但能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序，且實(shí)時(shí)性好。反之，加重軟件任務(wù)，會(huì)增加編程調(diào)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(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)速度的控制是由改變發(fā)出脈沖的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用定時(shí)器來(lái)控制發(fā)出脈沖的時(shí)間間隔，這樣更能發(fā)揮硬件實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠減輕軟件的任務(wù)。系統(tǒng)的硬件框圖如圖 41 所示。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心部件，通過擴(kuò)展外圍設(shè)備及接口電路完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的并行控制。如下圖41所示為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。圖 41 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)由于本微機(jī)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心部件，利用單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)從元件級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)需要，選擇合理的單片機(jī)并配置必須的存儲(chǔ)器、接口和外圍設(shè)備來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)。在進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下原則：1 盡可能的選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。2 系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能的要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟兀员氵M(jìn)行二次開發(fā)。3 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響。考慮的原則是，軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能的由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件電路。但是由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)的時(shí)間要比直接用硬件實(shí)現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)，而且占用 CPU 時(shí)間。4 整個(gè)系統(tǒng)中的相關(guān)的器件要盡可能的做到性能匹配。5 單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或者減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)框圖，逐一設(shè)計(jì)出每個(gè)單元電路，最后組合起來(lái)，成為完整的硬件系統(tǒng)。 AT89S52 單片機(jī)的選用微處理器的主要性能指標(biāo)是位數(shù)、主頻、尋址能力、指令系統(tǒng)、內(nèi)部寄存器情況等。位數(shù)是重要的指標(biāo)，除了影響運(yùn)算精度外，還關(guān)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(chǔ)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(nèi)部寄存器的數(shù)量和功能也和操作方便性有關(guān)。此外，單片機(jī)都帶有一定數(shù)量的內(nèi)部RAM，還有內(nèi)部 ROM 或其它器件。本系統(tǒng)選擇 AT89S52 單片機(jī)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器 在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進(jìn)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(jī)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(shí)鐘方式 AT89S52 單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對(duì)于降低成品的功耗十分有用。（4）錯(cuò)誤編程亦無(wú)廢品產(chǎn)生 一般的 OTP 產(chǎn)品一旦錯(cuò)誤編程就成了廢品，而AT89S52 單片機(jī)內(nèi)部采用了 Flash 存儲(chǔ)器，所以錯(cuò)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(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)試驗(yàn)，用 AT89S52 單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且隨用戶的需要和發(fā)展還可以進(jìn)行修改，使系統(tǒng)能不斷追隨用戶的最新要求。 89S52單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)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(yùn)算、狀態(tài)檢測(cè)等，增加了實(shí)時(shí)性。存儲(chǔ)器采用哈佛結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開，分別尋址。89S52的并行I/0口POP3共四組，其功能強(qiáng)大、使用靈活。串行I/0口為全雙工串行口，提高了與外圍設(shè)備的通信能力。單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有定時(shí)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(shí)鐘源。89S52內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括算術(shù)邏輯單元ALU、累加器ACC、只讀存儲(chǔ)器ROM,隨機(jī)存儲(chǔ)RAM、指令寄存器工R、程序地址寄存器、程序計(jì)數(shù)器PC、地址指針DPTR,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行I/0口POP串行口、程序狀態(tài)標(biāo)志計(jì)數(shù)器PSW以及定時(shí)控制邏輯電路等。如下圖42所示為單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 圖42 所示為89S52單片機(jī)的基本內(nèi)部組成89S52單片機(jī)采用40腳雙列直插封裝(DIP)形式，因?yàn)槭艿揭_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(jī)引腳圖。 圖43 89S52單片機(jī)引腳圖P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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(jī)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器配置的任務(wù)是確定片外存儲(chǔ)器的類型和容量，選定存儲(chǔ)器型號(hào)，設(shè)計(jì)擴(kuò)展電路。在硬件設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)的分析，憑借經(jīng)驗(yàn)大致估算所需存儲(chǔ)器的容量，估算時(shí)應(yīng)留有余量。對(duì)于 ROM 和 RAM，需分別確定容量。選擇存儲(chǔ)器芯片的型號(hào)時(shí)，應(yīng)選擇常用型號(hào)，盡量減小芯片的數(shù)量。AT89S52單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，各自又有芯片和擴(kuò)展部分，因此AT89S52單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)分為四部分，即：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。1 程序存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)AT89S52單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器采用的是Flash存儲(chǔ)器，閃存存儲(chǔ)器Flash是一種新型的存儲(chǔ)器，是EPROM技術(shù)與EEPROM技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。Flash存儲(chǔ)器可在幾秒中的時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)之多，比EEPROM快了三個(gè)數(shù)量級(jí)之多。價(jià)格上Flash存儲(chǔ)器具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，相同容量的Flash存儲(chǔ)器其價(jià)格不到EEPROM的一半。Flash存儲(chǔ)器另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是支持在線編程，允許芯片在不離開電路板或不離開設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)固化和擦除操作，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，允許電源有10%的燥聲波動(dòng)。AT89S52單片機(jī)芯片內(nèi)配置了了8KB的可編程Flash存儲(chǔ)器，地址為0000H—1FFFH，可外部擴(kuò)展到64KB。 ：程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)16位的獨(dú)立計(jì)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(chǔ)器中的地址，程序計(jì)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(dāng)開機(jī)或復(fù)位后，PC中地址數(shù)據(jù)為0000H，因此開機(jī)或復(fù)位后總是從程序存儲(chǔ)器的0000H存儲(chǔ)單元開始讀取指令代碼。2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)AT89S52單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間分為芯片內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)部分，這是與程序存儲(chǔ)器相同的地方。與程序存儲(chǔ)器不同的是使用了不同的指令訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使用MOV類指令訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使用MOVX類指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大地址空間為64KB，地址范圍為0000H—FFFFH。AT89S52單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量為256B，地址范圍為00H—FFH，其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間分布情況如圖45所示：圖45 AT89S52單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間分布圖從圖中知道整個(gè)256B的地址空間分為3個(gè)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(nèi)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(chǔ)單元。每組工作寄存器有八個(gè)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(kuò)展在控制系統(tǒng)的功能比較復(fù)雜，單片機(jī)內(nèi)部資源滿足不了控制功能的需求時(shí)，需要對(duì)單片機(jī)的資源進(jìn)行擴(kuò)展。如圖46為單片機(jī)擴(kuò)展應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖46 單片機(jī)擴(kuò)展應(yīng)用系統(tǒng) 鍵盤電路的設(shè)計(jì)1．鍵盤操作實(shí)現(xiàn)的功能分析（1）參數(shù)設(shè)定 本系統(tǒng)在開始運(yùn)行之前要求輸入步進(jìn)電機(jī)勻速的運(yùn)行速度和運(yùn)行的總步數(shù)，所以要進(jìn)行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。（2）系統(tǒng)啟動(dòng)、停止要設(shè)置相應(yīng)的按鍵和開關(guān)進(jìn)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(wú)鍵按下時(shí)，各行線均為高電平。當(dāng)采用列線輸出低電平時(shí)，有鍵按下相應(yīng)行線上出現(xiàn)低電平。根據(jù)此原理，CPU 對(duì)整個(gè)鍵盤進(jìn)行掃描，即 CPU 不斷對(duì)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(wú)鍵按下時(shí)，行線與列線斷開，行線上全是高電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)，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(shí)讀到的鍵值就是按下的鍵。掃描全部鍵盤時(shí)間很短，僅十幾微秒，而按鍵時(shí)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(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)，所以要進(jìn)行鍵的去抖動(dòng)處理。用軟件延時(shí)可以躲過抖動(dòng)，大約延時(shí) 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(shè)計(jì)如下：09 為數(shù)字鍵：用來(lái)輸入運(yùn)行參數(shù)的值；輸入時(shí)間鍵：若要輸入電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，先按下此鍵，然后在進(jìn)行時(shí)間的輸入；按速度鍵再進(jìn)行初始速度值的輸入；確定鍵：當(dāng)輸入完畢，按確定鍵，當(dāng)按下確定鍵時(shí)，電機(jī)即按照初始速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)時(shí)間減少，速度值隨之減少，時(shí)間停止時(shí)速度為零。停止鍵：當(dāng)按下停止鍵時(shí)，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，顯示的時(shí)間值停止減少，當(dāng)再次按下啟動(dòng)鍵即（確認(rèn)鍵），時(shí)間值和速度恢復(fù)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(shè)計(jì)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(gè)八位的I/O口相連。當(dāng)要在某一個(gè)數(shù)碼管上顯示字符時(shí)，只要從對(duì)應(yīng)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。