【導讀】基于AT89S51單片機的單軸步進電機控制器設計

　　

【正文】 步進電機有不同的工作狀態(tài)，此狀態(tài)則通過顯示電路顯示出來。依據(jù)設計方案中所提出的把步進電機所走的角位移轉換成直線 位移進行顯示。設計中通過按鍵設置步進電機要走的行程值，通過 LCD1602實時的顯示出來，顯示單位為 mm 級。按下啟動按鍵步進電機正向轉 動， LCD1602則顯示步進電機正向轉動的狀態(tài)，并實時的顯示出當 前步進電機所走的行程值。當按下不同的按鍵時顯示內(nèi)容有所不同。 其中 LCD1602 顯示芯片 各引腳如表 所示。 表 LCD1602 顯示芯片各 引腳 引腳號 引腳名 電平 輸入 /輸出 作用 1 GND 電源地 2 VCC 電源（ +5V） 3 VO 對比調(diào)整電壓 4 RS 0/1 輸入 0=輸入指 令 1=輸入數(shù)據(jù) 5 R/W 0/1 輸入 0=向 LCD 寫入指令或數(shù)據(jù) 1=從 LCD 讀取信息 6 E 1,10 輸入 使能信號， 1 時讀取信息， 10（下降沿）執(zhí)行指令 7—14 DB0DB7 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line 8 BG VCC +VCC LCD 背光電源正極 9 BG GND 接地 LCD 背光電源負極 顯示電路中 1602 的 RS、 RW、 E 三個端口分別連接到了 AT89S51 的 端口用來控制向 1602 讀寫指令以及數(shù)據(jù)等信息， 數(shù)據(jù)端 DB0DB7 連接到單片基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 21 機的 ，用來輸入 /輸出數(shù)據(jù)。 VO 端口接了一個 1K 的滑動變阻器用來調(diào)節(jié) LCD1602 的對比度， BG VCC 端口接 VCC 用來把 LCD1602 的背光打開，以便有更好的顯示效果。 LCD1602 顯示電路如圖 所示。 1KR8VCCGNDVCCGNDGND1VCC2VO3RS4RW5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714BG VCC15BG GND16LCD1液晶 —LCD1602 圖 LCD1602 顯示電路 獨立 按鍵 電路 通過設計的鍵盤電路實現(xiàn)設置步進電機所要走的行程值，控制步進電機正向啟動、停止、繼續(xù)啟動、停止、以及加減速啟動復位等功能。 獨立 按鍵電路如圖 所示。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U4AT89S51GNDkey5SWPBkey6SWPBGNDkey1SWPBkey2SWPBkey3SWPBkey4SWPB 圖 獨立 按鍵電路 設計 中 一共設計了 7 個獨立按鍵，其中 一個為單片機復位電路按鍵。其余key1key4 分別連接到單片機的 ,四個按鍵的功能分別為：啟動系基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 22 統(tǒng)工作時 key1 用來設置步進電機所要走的行程值， key2 用來啟動步進電機正向轉動， key3 控制步進電機的停止， key4 是復位按鍵按下此鍵后步進電機復位到零點，行程值也變?yōu)榱恪?Key5key6 兩個按鍵分別連接到 AT89S51 的 口， key5 為正向減速轉動，因為步進電機前進時考慮到不需要太高的速度故設置此鍵， key6 為加速復位按鍵，考慮到復位時可以有較高的速度故可以加 速復位。 獨立 按鍵 電路 的工作原理是按下按鍵之后就相當于是把對應的端口的電勢拉低。在處理按鍵程序前就先去抖動，防止因按鍵時產(chǎn)生的機械抖動而錯誤的重復執(zhí)行相應程序。所有按鍵處理程序都是在等按下后執(zhí)行的。這些在軟件編設計部分都會有說明。 本章就是通過對整個系統(tǒng)按照各個模塊分別講解來加深對整個系統(tǒng)的硬件部 分的理解。各個模塊中 對 所 使用到的芯片進行了詳細的介紹，然后結合芯片資料完成了對應模塊的硬件設計。對以上的單片機最小系統(tǒng)，步進電機驅(qū)動電路模塊，液晶 LCD1602 顯示電路，按鍵電路模塊，各個部分進行設計論證后然后銜接起 來完成了整個硬件部分的設計。 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 23 第四 章 軟件設計 本系統(tǒng)的軟件設計主要分為主程序 、系統(tǒng)初始化子程序 、按鍵響應子程序 、LCD1602 顯示子程序四個部分。 事實上每一部分都是緊密相關的，每個功能模塊對于整體設計都是非常重要，單片機 AT89S51 通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運行起來，軟件設計的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運行質(zhì)量。程序流程圖的設計遵循自頂向下的原則，在流程圖中把設計者的控制過程梳理清楚。 系統(tǒng)主程序 系統(tǒng)主程序流程圖如圖 所示。 開始系統(tǒng)初始化子程序是否設置行程值是否正向啟動相應運行狀態(tài)是否有鍵按下相應按鍵子程序相應顯示子程序返回NNNYYY 圖 系統(tǒng) 主程序流程圖 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 24 主程序為整個系統(tǒng)程序的開始， 當給系統(tǒng)供電以后，通過單片機復位電路對系統(tǒng)進行上電復位系統(tǒng)經(jīng)過初始化以后，便開始執(zhí)行按鍵查詢 等待相應的操作，當有按鍵按下的時候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應的子程序 執(zhí)行 。本次設計中用 C 語言進行軟件編程。下面對系統(tǒng)主程序進行簡單介紹。 void main() { uchar num1, num2。 init_lcd()。 //LCD1602 顯示初始化 for(num1 = 0。 num1 16。 num1++) //顯示啟動界面 { write_data(table1[num1])。 delay(100)。 //延時 } write_(0x80 + 0x40)。 //顯示啟動界面 for(num2 = 0。 num2 16。 num2++) { write_data(table2[num2])。 delay(100)。 //延時 } init_time0()。 //定時器初始化 while(1) { keyscan()。 //按鍵掃描程序 delay(5)。 } } 系統(tǒng)上電完成后，對 LCD1602 初始化，定時器也進行初始化，啟動顯示界面等待設置按鍵按下，進行行程值的設定。然后等待正向啟動鍵按下，當啟動鍵按 下 后則執(zhí)行正向啟動，步進電機則正向轉動。在步進電機正向轉動過程中，系基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 25 統(tǒng)程序 則 繼續(xù) 執(zhí)行按鍵掃描程序 ，如果有相應的按鍵按下則轉到 相應按鍵子程序去執(zhí)行。系統(tǒng)啟動初始化程序后 LCD1602 顯示啟動界面， 系統(tǒng) 啟動 顯示界面如圖 所示。 D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3L C D 1L M 0 1 6 L 圖 系統(tǒng)啟動 顯示界面 其中 在 LCD1602 顯示界面 第一行 set 為所需要設置的行程值， now 為執(zhí)行完相應按鍵子程序后顯示當前已經(jīng)走的行程值， zt 為當前的狀態(tài)，有設置（ sz）、正向啟動（ zx）、停止（ tz）、復位（ fw）、正向減速（ ja）、加速復位（ js）等六個表示狀態(tài)。 相應按鍵按下后 zt 會顯示當前的狀態(tài)。 系統(tǒng)初始化 子 程序 系統(tǒng)初始化對相應的系統(tǒng)參數(shù)進行初始化，包 括系統(tǒng)上電默認運行參數(shù)設定，包括四相八拍的工作方式， LCD1602 顯示界面 、 系統(tǒng)定時器設定 、 載入定時器初值和默認的工作參數(shù)等。其中比較主要的是對定時器的設定，在設計中需要實時的顯示出當前的行程值，這就需要設定定時器的中斷時間，每次中斷時間溢出后將當前已經(jīng)走的行程值通過調(diào)用顯示子程序顯示出來。設計中采用了定時器 T0， 工作方式為方式 1 即 16 為定時器 /計數(shù)器，裝入定時器的初始值為 55536也即計數(shù) 10000 次溢出。單片機外部晶振使用的是 12MZH，單片機 一個機器周期為 12 個晶振周期， 時鐘周期 T=1/12us， 所以 定時器溢出一次的時間為 10us本次設計中采用每隔 1s（ 即使定時器溢出 100 次 ） 取當前 步進電機 行程值進行顯示 。 系統(tǒng)初始化上電后，沒有按鍵按下，沒有設置行程值則步進電機電機不轉， 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 26 不顯示當前狀態(tài)和當前行程值。系統(tǒng)初始化流程圖如圖 所示。 程序入口LCD 1602 初始化定時器 T 0 中斷允許定時器 T 0 工作方式 1載入定時器初始值載入默認工作參數(shù)返回 圖 系統(tǒng) 初始化流程圖 根據(jù)初始化流程圖編寫出系統(tǒng)初始化程序，下面對初始化程序進行簡單說明 ， LCD1602 初始化程序。 void init_lcd() { write_(0x38)。 //顯示模式設置， 設置為 16*2 顯示， 5*7 點陣， 8 位數(shù)據(jù)口 write_(0x08)。 //顯示關閉 write_(0x01)。 //顯示清屏 write_(0x06)。 //顯示光標移動設置（讀寫一個字符后地址指針加一） write_(0x0c)。 //顯示開不顯示光標且光標不閃爍 } 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 27 定時器 0 初始化程序 void init_time0() { TMOD=0x01。 //定義定時器 0 的工作方式，為方式 1 TH0=(6553610000)/256。 //裝入定時器初始值 55536 TL0=(6553610000)%256。 //計數(shù) 10000 次溢出 ,溢出一次的時間為 10us EA=1。 //打開總中斷 ET0=1。 //打開定時器 0 中斷 TR0=1。 //啟動定時器工作 } 按鍵 子 程序 按鍵響應子程序，在本設計當中按鍵的一端接地，另一端接單片機的對應端口，所以當按鍵按下，既是將單片機對應端口電平拉低。所以在編程的時候判斷按鍵按下是低電平有效。按鍵子 程序流程圖如 所示。 程序入口判斷按鍵是否按下去抖動再次判斷是否按下執(zhí)行相應動作返回 圖 按鍵 子程序流程圖 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 28 根據(jù)子程序流程圖編寫出子程序，當有按鍵按下時，按鍵子程序響應，在程序中用到延時消抖判斷按鍵是否按下。 Key2 為正向啟動按鍵， key3 為 停止按鍵，key4 為復位按鍵， key5 為正向減速按鍵， key6 為加速復位按鍵。下面 對按鍵子程序進行簡單說明。 void keyscan() { P3 = 0xff。 if(key2 == 0) //正向啟動鍵按下 { delay(5)。 //延時消抖 while(!key2)。 //松手檢測 delay(5)。 //延時消抖 while(!key2)。 //松手檢測 step_go()。 //執(zhí)行正向啟動 } if(key3 == 0) //鍵 3 被按下 { delay(5)。 //延時消抖 while(!key3)。 //松手檢測 delay(5)。 //延時消抖