【文章內容簡介】 第三節(jié) 單片機概述單片機（singlechip microputer）是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。由于單片機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內的信號傳送距離，優(yōu)化了結構配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運行速度，同時它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設備控制中得到了廣泛的應用。單片機是通過內部總線把計算機的各主要部件接為一體，其內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行數(shù)據(jù)交換時提供地址，CPU通過它們將地址輸出到存儲器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲器或I/O接口之間，或存儲器與外設之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括CPU發(fā)出的控制信號線和外部送入CPU的應答信號線等。片內總線時鐘時鐘程序儲存器數(shù)據(jù)儲存器I/O口定時/計數(shù)器單片機應用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應用系統(tǒng)。本設計是設計一款最小應用系統(tǒng)，最小應用系統(tǒng)是指能維持單片機運行的最簡單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結構簡單，常用來構成簡單的控制系統(tǒng)，如開關量的輸入/輸出控制、時序控制等。對于片內有ROM/EPROM的芯片來說，最小應用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復位電路和電源的單個芯片；對與片內沒有ROM/EPROM芯片來說，其最小應用系統(tǒng)除了應配置上述的晶振、復位電路和電源外，還應配備EPROM或EEPROM作為程序存儲器使用。單片機在進行實時控制和實時數(shù)據(jù)處理時，需要與外界交換信息。人們需要通過人機對話，了解系統(tǒng)的工作情況和進行控制。單片機芯片與其它CPU比較，功能雖然要強得多，但由于芯片結構、引腳數(shù)目的限制，片內ROM、RAM、I/O口等不能很多，在構成實際的應用系統(tǒng)時需要加以擴展，適應不同的工作情況。 單片機的應用系統(tǒng)接下來主要介紹AT89C52，其主要參數(shù)如表21所示。表21 AT89C51的主要參數(shù)型號存儲器定時器I/0串行口中斷速度（MH）其他特點E178。PROMROMRAM89C524K1282321624低電壓AT89C52含E178。PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，防止E178。PROM中的程序被非法復制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲器E178。PROM容量可達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。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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)可編程閃爍存儲器?壽命：1000寫/擦循環(huán)?全靜態(tài)工作：0Hz24Hz?三級程序存儲器鎖定?128*8位內部RAM?32可編程I/O線?兩個16位定時器/計數(shù)器圖?5個中斷源?可編程串行通道?低功耗的閑置和掉電模式?片內振蕩器和時鐘電路②管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用單片機的引腳排列于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。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口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，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。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。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雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。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（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（記時器0外部輸入） T1（記時器1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，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，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。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部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來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)總線分時復用；b：P1口，8位準雙向I/O口；c：P2口，8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用；d：P3口，8位準雙向I/O口，雙功能復用口。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振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。⑤芯片擦除：整個EPROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C52設有穩(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，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。第四節(jié) 電機驅動芯片介紹一、L297簡介L297是意大利SGS半導體公司生產(chǎn)的步進電機專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。芯片內的PWM斬波器電路可開關模式下調節(jié)步進電機繞組中的電機繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術，使用5V的電源電壓，全部信號的連接都與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相序。3種方式的驅動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。 四項八拍模式波形圖通過交替跳過在八步順序中的狀態(tài)就可以得到全步工作方式，此時需在腳19接一低電平，、。 單四拍波形圖 雙四拍波形圖二、L298簡介L298N為SGSTHOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅動芯片( Dual FullBridge Driver )，內部包含4信道邏輯驅動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可同時驅動2個二相或1個四相步進電機，內含二個HBridge的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號。但在本驅動電路中用L297來提供時序信號，節(jié)省了單片機I/O端口的使用。步進電機的驅動一般有兩種方法，一種是通過CPU直接來驅動，這種方法一般不宜采用，因為CPU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉動；別一種是通過CPU來間接驅動，就是把從CPU輸出的信號進行放大，然后直接驅動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設計應采用CPU間接驅動步進電機，采用L297和L298并用。 L298引腳圖L297加驅動器組成的步進電機控制電路具有以下優(yōu)點：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。；如與L293E配套使用，步進電機繞組電流。 L297L298典型應用電路圖L297從上位機接受時鐘(步進脈沖)，方向(正／反轉)，模式(半步／基本步距) 3個輸入信號。時鐘信號來調節(jié)步進脈沖信號CP，從而控制步進電機的位置與速度；也就是說：驅動器每接受一個CP脈沖就驅動步進電機一個旋轉的步距角，CP脈沖的頻率改變則會使步進電機的轉速改變，控制CP脈沖的個數(shù)，則可以使步進電機精確定位。方向電平信號DIR用于控制步進電機的旋轉方向，此端為高電平時，電機一個轉向，此端為低電平時，電機轉向另外一個方向，電機轉相必須在電機停機后進行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結束后以及下一個方向的第一個脈沖前發(fā)出。L298芯片是一種高壓、大電流雙H橋式驅動器，來調節(jié)輸出電壓。第五節(jié) 測速和顯示介紹一、光電編碼器測速光電編碼器，是一種通過光電轉換將位移量轉換成脈沖或數(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，它廣泛應用于數(shù)控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。光電編碼器的結構由光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。伺服系統(tǒng)中，由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，再由發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90176。的2個通道的光碼輸出，根據(jù)雙通道光碼的狀態(tài)變化確定電機的轉向。 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)光的半導體器件，其導電性質與普通二極管類似。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。在單片機系統(tǒng)中應用非常普遍。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LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：①共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當陰極端輸入低電平時，段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入高電平時則不點亮。②共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當陽極端輸入高電平時，段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入低電平時則不點亮。在本設計中所采用的是共陰極四位一體數(shù)碼管SM420361，用74LS244芯片來驅動顯示。 LED數(shù)碼管結構圖第三章 系統(tǒng)硬件電路設計第一節(jié) 系統(tǒng)整體設計根據(jù)前一章的對硬件分析，已經(jīng)對整個系統(tǒng)有了一個比較完整的思路。選用四相步進電機，單片機選用AT89C52作為控制器。選用L297和L298并用作為步進電機的驅動來驅動步進電機；然后由于步進電機同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號經(jīng)CPU處理后再由顯示器顯示出來；再由鍵盤輸入的速度數(shù)值了得通過顯示器來顯示，所以本次設計要兩排顯示，一排來顯示給定的轉速一排來顯示實際的轉速。，本系統(tǒng)采用外部中斷方式，p1口作為信號的輸入部分，p0口、p2口是數(shù)碼管顯示部分，p3口作為電機的驅動部分。 系統(tǒng)電路原理圖第二節(jié) 系統(tǒng)硬件電路設計一、電源電路設計本次設計用了+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。其內部也有完善的保護電路。它有風部過流保護，保證輸出電