【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第三節(jié) 單片機(jī)概述單片機(jī)（singlechip microputer）是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)是通過(guò)內(nèi)部總線把計(jì)算機(jī)的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)提供地址，CPU通過(guò)它們將地址輸出到存儲(chǔ)器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲(chǔ)器或I/O接口之間，或存儲(chǔ)器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括CPU發(fā)出的控制信號(hào)線和外部送入CPU的應(yīng)答信號(hào)線等。片內(nèi)總線時(shí)鐘時(shí)鐘程序儲(chǔ)存器數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器I/O口定時(shí)/計(jì)數(shù)器單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應(yīng)用系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款最小應(yīng)用系統(tǒng)，最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用來(lái)構(gòu)成簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，如開關(guān)量的輸入/輸出控制、時(shí)序控制等。對(duì)于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片來(lái)說(shuō)，最小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復(fù)位電路和電源的單個(gè)芯片；對(duì)與片內(nèi)沒有ROM/EPROM芯片來(lái)說(shuō)，其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外，還應(yīng)配備EPROM或EEPROM作為程序存儲(chǔ)器使用。單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要與外界交換信息。人們需要通過(guò)人機(jī)對(duì)話，了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制。單片機(jī)芯片與其它CPU比較，功能雖然要強(qiáng)得多，但由于芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多，在構(gòu)成實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)需要加以擴(kuò)展，適應(yīng)不同的工作情況。 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)接下來(lái)主要介紹AT89C52，其主要參數(shù)如表21所示。表21 AT89C51的主要參數(shù)型號(hào)存儲(chǔ)器定時(shí)器I/0串行口中斷速度（MH）其他特點(diǎn)E178。PROMROMRAM89C524K1282321624低電壓AT89C52含E178。PROM電可編閃速存儲(chǔ)器。有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密系統(tǒng)，防止E178。PROM中的程序被非法復(fù)制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲(chǔ)器E178。PROM容量可達(dá)20K字節(jié)。AT89C52是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方。 AT89C52引腳①主要特性：?與MCS51兼容?4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器?壽命：1000寫/擦循環(huán)?全靜態(tài)工作：0Hz24Hz?三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定?128*8位內(nèi)部RAM?32可編程I/O線?兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器圖?5個(gè)中斷源?可編程串行通道?低功耗的閑置和掉電模式?片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路②管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用單片機(jī)的引腳排列于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。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口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。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口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，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。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。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)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。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（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C52的一些特殊功能口，如下所示。P3口管腳備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷0） /INT1（外部中斷1） T0（記時(shí)器0外部輸入） T1（記時(shí)器1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取址期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。③I/O口引腳：a：P0口，雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用；b：P1口，8位準(zhǔn)雙向I/O口；c：P2口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用；d：P3口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口。④振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。⑤芯片擦除：整個(gè)EPROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C52設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。第四節(jié) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片介紹一、L297簡(jiǎn)介L(zhǎng)297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(hào)，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。L297的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插20腳塑封封裝。 L297引腳圖L297能產(chǎn)生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當(dāng)相序。3種方式的驅(qū)動(dòng)相序都可以很容易地根據(jù)變換器輸出的格雷碼的順序產(chǎn)生，格雷碼的順序直接與四八拍(半步方式)相符合，只要在腳19輸入一高電平即可得到。 四項(xiàng)八拍模式波形圖通過(guò)交替跳過(guò)在八步順序中的狀態(tài)就可以得到全步工作方式，此時(shí)需在腳19接一低電平，、。 單四拍波形圖 雙四拍波形圖二、L298簡(jiǎn)介L(zhǎng)298N為SGSTHOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片( Dual FullBridge Driver )，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)HBridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)。但在本驅(qū)動(dòng)電路中用L297來(lái)提供時(shí)序信號(hào)，節(jié)省了單片機(jī)I/O端口的使用。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過(guò)CPU直接來(lái)驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不宜采用，因?yàn)镃PU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；別一種是通過(guò)CPU來(lái)間接驅(qū)動(dòng)，就是把從CPU輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用CPU間接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，采用L297和L298并用。 L298引腳圖L297加驅(qū)動(dòng)器組成的步進(jìn)電機(jī)控制電路具有以下優(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(jiǎn)單。；如與L293E配套使用，步進(jìn)電機(jī)繞組電流。 L297L298典型應(yīng)用電路圖L297從上位機(jī)接受時(shí)鐘(步進(jìn)脈沖)，方向(正／反轉(zhuǎn))，模式(半步／基本步距) 3個(gè)輸入信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)脈沖信號(hào)CP，從而控制步進(jìn)電機(jī)的位置與速度；也就是說(shuō)：驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)CP脈沖就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的步距角，CP脈沖的頻率改變則會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，控制CP脈沖的個(gè)數(shù)，則可以使步進(jìn)電機(jī)精確定位。方向電平信號(hào)DIR用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，此端為高電平時(shí)，電機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)向，此端為低電平時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向另外一個(gè)方向，電機(jī)轉(zhuǎn)相必須在電機(jī)停機(jī)后進(jìn)行，并且換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)CP脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。L298芯片是一種高壓、大電流雙H橋式驅(qū)動(dòng)器，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。第五節(jié) 測(cè)速和顯示介紹一、光電編碼器測(cè)速光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它具有體積小、精度高、工作可、接口數(shù)字化靠等優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。光電編碼器的結(jié)構(gòu)由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成，光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。伺服系統(tǒng)中，由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，再由發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)。通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90176。的2個(gè)通道的光碼輸出，根據(jù)雙通道光碼的狀態(tài)變化確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 光電編碼器的原理圖二、LED數(shù)碼顯示發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。LED數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管，其中7個(gè)用于顯示字符，1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：①共陽(yáng)極接法。把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極，使用時(shí)公共陽(yáng)極接+5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過(guò)電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不點(diǎn)亮。②共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極接地。每個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極通過(guò)電阻與輸入端相連。當(dāng)陽(yáng)極端輸入高電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平時(shí)則不點(diǎn)亮。在本設(shè)計(jì)中所采用的是共陰極四位一體數(shù)碼管SM420361，用74LS244芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示。 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)第一節(jié) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)根據(jù)前一章的對(duì)硬件分析，已經(jīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有了一個(gè)比較完整的思路。選用四相步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)選用AT89C52作為控制器。選用L297和L298并用作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；然后由于步進(jìn)電機(jī)同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號(hào)經(jīng)CPU處理后再由顯示器顯示出來(lái)；再由鍵盤輸入的速度數(shù)值了得通過(guò)顯示器來(lái)顯示，所以本次設(shè)計(jì)要兩排顯示，一排來(lái)顯示給定的轉(zhuǎn)速一排來(lái)顯示實(shí)際的轉(zhuǎn)速。，本系統(tǒng)采用外部中斷方式，p1口作為信號(hào)的輸入部分，p0口、p2口是數(shù)碼管顯示部分，p3口作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分。 系統(tǒng)電路原理圖第二節(jié) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)一、電源電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)用了+5V、+12V電源，采用的是78系列的集成固定三端穩(wěn)壓管。78系列集成穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定，漂移小，精度也比較高。其內(nèi)部也有完善的保護(hù)電路。它有風(fēng)部過(guò)流保護(hù)，保證輸出電