【導(dǎo)讀】核準(zhǔn)通過，歸檔資料。未經(jīng)允許，請勿外傳！單片計算機(jī)即單片微型計算機(jī)。由RAM,ROM,CPU構(gòu)成，定時，計數(shù)和。多種接口于一體的微控制器。它體積小，成本低，功能強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)。業(yè)和工業(yè)自動化上。數(shù)設(shè)定等各種操作。文中在單片機(jī)與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離可使步進(jìn)電。所產(chǎn)生的沖擊電壓和電流干擾單片機(jī)。要想達(dá)到步進(jìn)電動機(jī)的快速啟停、高精。不僅能簡化線路，降低成本，而且能大大的提高其可靠性。各功能設(shè)置，操作簡單，易于掌握。該系統(tǒng)可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)在機(jī)電一體化控。制等大多數(shù)場合。能，更加簡單、方便、可靠。本設(shè)計的主要研究對象就是開環(huán)伺服系統(tǒng)中最常。用的執(zhí)行器件——步進(jìn)電機(jī)。運用單片機(jī)對其高精度和智能化控制一直備受關(guān)注，對其高新技術(shù)的開發(fā)。持續(xù)不斷，單片機(jī)系統(tǒng)控制的研究具有很大的開發(fā)潛能，本控制系統(tǒng)的設(shè)計，由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。其中，硬件設(shè)計主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、

　　

【正文】 。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 28 程序流程圖178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 28 第四章 仿真與調(diào)試178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 34 第五章 設(shè)計小結(jié)178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 35 附錄178。178。178。178。 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 36 參考文獻(xiàn)178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 41 感謝178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 42 緒 論 步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或階躍電動機(jī)，國外一般稱為 Steppingmotor、 Pulse motor或 Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約 80年的歷史。 步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換 ，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動機(jī)最突出的優(yōu)點。 正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點，所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù) 的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。雖然與發(fā)達(dá)國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如 打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)和存儲器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因而，對于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。 為了得到良好的控制性能，對步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。上世紀(jì) 80年代以后，由于微型計算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立 元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級。基于微型單片機(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī) 的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或 C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實現(xiàn)ｐｃ機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由 PC機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法。 但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)各種運行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等要求。本論文就是采用這個思路進(jìn)行設(shè)計。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相 對較單一，并且設(shè)計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運用其強(qiáng)大的可編程和運算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價值。 第一章 系統(tǒng)方案論證 系統(tǒng)基本功能 設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制器。要求內(nèi)能 從鍵盤上輸入步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及啟停，并顯示轉(zhuǎn)數(shù)。具體要求如下： (1) 鍵盤設(shè)計 0～ 9: 數(shù)字鍵。 *：正逆轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定完成后，按“ *”啟動步進(jìn)電動機(jī)。 ：清除設(shè)定為正轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)數(shù)為 00。 A：設(shè)定正逆轉(zhuǎn)。按“ A”鍵則 LED 指示燈亮，表示逆轉(zhuǎn)，再按則 LED 只是等滅，表示正轉(zhuǎn)。 (2) 控制過程 ① 送電時，設(shè)定為正轉(zhuǎn)，顯示器顯示為“ 00”。 ② 輸入轉(zhuǎn)數(shù)，顯示器顯示輸入的轉(zhuǎn)數(shù)，按“ A”設(shè)定正逆轉(zhuǎn)， LED 指示燈亮表示逆轉(zhuǎn)， LED 指示燈滅表示正轉(zhuǎn)，然后按“ *” 步進(jìn)電動機(jī)開始運行。 ③ 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，顯示器減 1，直至為 00，步進(jìn)電動機(jī)停止運轉(zhuǎn)。 根據(jù)功能設(shè)計的要求本設(shè)計采用 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)控制運用矩陣式鍵盤作為輸入控制端驅(qū)動系統(tǒng)采用 74LS04 和達(dá)林頓管，使步進(jìn)電機(jī)可在智能化程序控制下完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定等各種操作。文中在單片機(jī)與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離?？墒共竭M(jìn)電機(jī)具有更高的性能 ,同時把數(shù)字電路與驅(qū)動電路隔離開 ,避免了步進(jìn)電機(jī)運行時所產(chǎn)生的沖擊電壓和電流干擾單片機(jī)。 系統(tǒng)設(shè)計 要想實現(xiàn)以上論述的功能 只要 通過 P1 口的鍵盤輸入并 按一定的順序改變 P0 口輸出的 脈沖 信號，從而改變步進(jìn)電動機(jī) 四端 通電的狀況，即可控制步進(jìn)電機(jī)依選定的方向步進(jìn)。 同時通過顯示器同步的顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。 依據(jù)以上描述可畫出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 步進(jìn)電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)框圖 控制系統(tǒng)包括：鍵盤輸入模塊、顯示、指示模塊以及步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動模塊。鍵盤輸入模塊主要完成數(shù)據(jù)輸入及控制輸入，顯示模塊完成轉(zhuǎn)數(shù)的顯示。步進(jìn)電機(jī)模塊主要是由單片機(jī)輸出控制碼到驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制步進(jìn)電動機(jī)的運轉(zhuǎn)。 第二章 硬件設(shè)計 2． 1 單片機(jī)系統(tǒng) AT89C51 功能概述 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 PEROM 和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 FLASH 存儲單元，功能強(qiáng)大。此單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合。 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) FLASH 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通訊口，內(nèi)置一個精密比較器， 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，同時AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的工作模式，空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時計數(shù)器，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 （ 1） 引腳功能說明 MCS51 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請參見圖 ： 圖 AT89C51 的引腳圖 VCC：電源電壓； GND：地； P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫 1 可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 FLASH 編程時， P0 口接受指令字節(jié)，而在程序效驗時，輸出指令字節(jié)，效驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因 為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。 FLASH 編程和程序效驗期間， P1 接收低 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯們電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR 指令）時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù) 據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@RI）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。 FLASH 編程或效驗時， P2 亦接收高位地址和其它控制信號。 P3 口： P3 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ,P3 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯們電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉底時會輸出一個電流。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是他的第二個 功能，如下表所示： 表 1 P3 口 AT89C51 特殊功能 端口引腳 功能特性 RXD（串行口輸入） TXD（并行口輸入） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時計數(shù)外部輸入 0） T1（定時計數(shù)外部輸入 0） 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 口還接收一些用于 FLASH 閃速存儲器 編程和程序效驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。其引腳一旦變成兩個機(jī)器周期以上的高電平，所有的 I/O口都將復(fù)位到 1 狀態(tài)，當(dāng)振蕩器正在工作時，持續(xù)兩個機(jī)器周期以上高電平便可完成復(fù)位，每個機(jī)器周期為 12 個振蕩時鐘周期。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使 CPU僅訪問外部程序存儲器（ 0000H—FFFFH）， EA 端必須保持低電平接地，需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位是內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V的編程允 許電源 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器輸出端 （ 2） 時鐘振蕩器 AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋器件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖 。 外接石英晶體或陶瓷振蕩器及電容 C1， C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 C1， C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要 求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振得難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用 30PF177。 10PF，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇 40PF177。 10PF。 圖 時鐘振蕩電路 （ 3）復(fù)位電路 計算機(jī)在啟動運行是都需要復(fù)位，使中央處理器 CPU 和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 MCS51 的復(fù)位輸入引腳 RST為 MCS51提供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執(zhí)行，在 MCS51的時鐘電路工作后，只要 RST 引腳上出現(xiàn)超過兩個 機(jī)器周期以上的高電平時，即可產(chǎn)生復(fù)位的操作。只要 RST 保持高電平，則 MCS51 循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng) RST由高電平變低電平以后， MCS51 才從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位方式的復(fù)位電路。