【正文】 )32 (AD6)33 (AD5)34 (AD4)35 (AD3)36 (AD2)37 (AD1)38 (AD0)39VCC40U1AT89S5124PI 圖 MSC51單片機(jī)的管腳圖 下面分別敘述這 40條引腳的功能 (1) 主電源引腳 VCC和 VSS GND—— （ 20 腳）接地； VCC—— （ 40 腳）接＋ 5V 電源 (2) 外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 7 XTAL1（ 19 腳）接外部晶體的一個(gè)引腳。 XTAL2（ 18 腳）接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。 (3) 控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳 RST（ 9 腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 Vcc 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)，當(dāng) Vcc 下降到低于規(guī)定的值 ，而 RST 在其規(guī)定的電壓范圍（ 5177。 ALE/PROG（ 30 腳）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（允許地址鎖存）的輸出用于所存地址的低位字節(jié)。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。 對(duì)于 EPRPM 型單片機(jī)（如 8751），在 EPROM 編程期間，此引腳用來輸入 編程脈沖（ PROG）。在由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期 PSEN 兩次有效。 PSEN 可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 8 個(gè) LSTTL。當(dāng) EA 端保持低電 平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 對(duì)于 EPROM 型單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，此引腳用于施加 21 伏的編程 8 電源（ Vpp）。 P1口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P3口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，復(fù)用雙功能口。值得強(qiáng)調(diào)的是， P3 口的每一位均可獨(dú)立地定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。 (2) 靜力矩的選擇 : 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來（幾何尺寸） 。 綜上所述 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用 57BYG350A 型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。 9 步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制 。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組 ,利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。 各種步進(jìn)電機(jī)工作原理都大同小異，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。 (1)結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。與齒 5相對(duì)齊，（ A39。 如 B 相通電， A， C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 て，此時(shí)齒 3 與 C偏移為 1/3 て，齒 4與 A偏移（て 1/3 て） =2/3 て。 如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4與 A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て 這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按 A， B， C， A?? 通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て ,向右旋轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3て變?yōu)?1/12 て， 1/24 て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能 正反轉(zhuǎn)被控制 —— 這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。 (3)力矩： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量 Ф ）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力 F與（ dФ/dθ ）成正比 。 Br為磁密， S 為導(dǎo)磁面積，F(xiàn)與 L D Br 成正比， L為鐵芯有效長(zhǎng)度， D為轉(zhuǎn)子直徑。I/R ， N力矩 =力 半徑。 圖 磁通量與受力圖 11 步進(jìn)電機(jī)各指標(biāo)和參數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的指標(biāo)和參數(shù)通常分為靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)。 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 N S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即 ABBCCDDAAB，四相八 拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA. 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50 4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50 8） = 度（俗稱半步）。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。 （ 2）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)： 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。 在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過程中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種 ： (1)轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，也就是低于換相速度而產(chǎn)生的。 (2)轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場(chǎng)的平均旋轉(zhuǎn)速度，這時(shí)定子通電勵(lì)磁的時(shí) 間較長(zhǎng)，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需要的時(shí)間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量， 從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動(dòng)振蕩，當(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致失步 。 最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力 矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?ABBCCDDA 時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈ACABCAB時(shí)為反轉(zhuǎn)。但是也有一些任務(wù)可以由軟件來完成，也可由硬件來完成。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。 系統(tǒng)的硬件框圖如圖 所示。 本設(shè)計(jì)主要有控制器、鍵盤、數(shù)碼管顯示、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。 框圖中人機(jī)對(duì)話部分包括鍵盤和數(shù)碼管顯示。因本設(shè)計(jì)采用二維步進(jìn)電機(jī)， 每 8 個(gè)按鍵控制一維步進(jìn)電機(jī)，共用到 16 個(gè)按鍵，考慮到 I/O 口個(gè)數(shù)問題，本設(shè)計(jì)采用 4 4 矩陣鍵盤。 圖 系統(tǒng)硬件框圖 運(yùn)行 參數(shù) 鍵盤 設(shè)定 運(yùn)行 結(jié)果 數(shù)碼管 顯示 單 片 機(jī) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 步 進(jìn) 電 機(jī) 14 單片機(jī)最小系統(tǒng) 一般情況下，單片機(jī)結(jié)合簡(jiǎn)單的接口電路就可以構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。鍵盤電路和顯示電路在下文單獨(dú)介紹，在單片機(jī)最小系統(tǒng)里就不再另做介紹。 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位 、按鍵電平 復(fù)位和 外部脈沖復(fù)位三 種，本設(shè)計(jì)采用 按鍵電平 復(fù)位電路 ,如圖 。 R2C3 10uF5V200R1S0RST 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，控制著單片機(jī)的有序運(yùn)行節(jié)奏，在 AT89S51芯片內(nèi)部，有一個(gè)振蕩器電路和時(shí)鐘發(fā)生器，在引腳 XTAL1和 XTAL2之間接入晶體振蕩器和電容后構(gòu)成內(nèi)部的時(shí)鐘方式。 12X112MHzC120pFC220pFXTAL1XTAL2 圖 單片機(jī)時(shí)鐘電路 15 鍵盤電路 矩陣式鍵盤按鍵的識(shí)別 當(dāng)非編碼鍵盤的按鍵較多時(shí)，若采用獨(dú)立式鍵盤占用 I/O 口線太多，此時(shí)可采用矩陣式鍵盤，鍵盤上的鍵按行列構(gòu)成矩陣，在行列的交點(diǎn)上都對(duì)應(yīng)有一個(gè)鍵。 圖 矩陣式鍵盤 矩陣式鍵盤識(shí)別按鍵的方法有兩種 : 一是行掃描法 , 二是線反轉(zhuǎn)法。如果 X0、 X X X3 都為高電平，則 Y0 這一列上沒有鍵閉合，如果讀出的行線狀態(tài)不全為高電平，則為低電平的行線和 Y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)；如果 Y0這一列上沒有鍵閉合，接著使列線 Y1為低電平，其余列線為高電平。 為了防止雙鍵或多鍵同時(shí)按下 , 往往從第 0 行一直掃描到最后 1 行 , 若只發(fā)現(xiàn) 1 個(gè)閉合鍵 , 則為有效鍵 , 否則全部作廢。 ? 關(guān)于鍵盤的抖動(dòng)問題的分析和解決： 當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)，如圖 所示，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個(gè)鍵時(shí)，也回會(huì)出現(xiàn)類似的情況。0 1 2 31 06 759841 11 4 1 51 31 2+ 5 VX 3X 2X 1X 0Y 3Y 0 Y 2Y 1列 行 16 抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通?？偸遣淮笥?10ms。 用軟件方法可以很容易地解決抖動(dòng)問題，這就是通過延遲 10ms 來等待抖動(dòng)消失，這之后，在讀入鍵盤碼。 圖 鍵抖動(dòng)信號(hào)波形 ? 鍵編碼及鍵值 (1) 用鍵盤連接的 I/O 線的二進(jìn)制組合表示鍵碼。各鍵相應(yīng)的鍵值為 88H、 84H、 82H、 81H、 48H、 44H、 42H、41H、 28H、 24H、 22H、 21H、 18H、 14H、 12H、 11H。 (2) 順序排列鍵編碼。這種方法，鍵值的形成要根據(jù) I/O 線的狀態(tài)作相應(yīng)處理。 鍵盤電路設(shè)計(jì) 有關(guān)鍵盤操作 的部分，可分為參數(shù)設(shè)定和執(zhí)行控制等功能操作。所謂執(zhí)行控制指步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止。每八個(gè)按鍵控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。 各功能鍵具體設(shè)計(jì)如下： 設(shè)置鍵： 設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的速度（包括加速和減速）。 停止 鍵： 執(zhí)行該按鍵，步進(jìn)電機(jī)就停止工作 。 數(shù)位鍵：預(yù)置步數(shù)的數(shù)據(jù)位設(shè)置。 圖 4 4矩陣鍵盤 LED 顯示 電路 設(shè)計(jì) 多位 LED顯示時(shí)，常將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位 I／ O 口控制，也可采用并行擴(kuò)展口構(gòu)成顯示電路，通常，需要擴(kuò)展器件管腳的較多，價(jià)格較高。Max7219 是串行輸入，輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)電路，可直接與單片機(jī)的 3條 I/O 線接口，特別適用于 I/O 口線少的系統(tǒng)，并且可以程序控制數(shù)碼管的亮度。 串行 LED 顯示驅(qū)動(dòng)器 MAX7219 MAX7219 是美國(guó) MAXIM 公司生產(chǎn)的 串行接口 8 位 LED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器，采用 CMOS工藝，內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)保持、 BCD 譯碼、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)器和位驅(qū)動(dòng)器。 MAX7219的主要特點(diǎn)如下： 18 MAX7219 和 LED 數(shù)碼管直接連接時(shí)不用外加驅(qū)動(dòng)器和限流電阻，不用譯碼器、鎖存器和其他硬件電路。 下面介紹 MAX7219 的功能和使用方法。 DIG26DIG65GND4SEG E21SEG G17ISET18V+19SEG C20DIG43SEG D23DIN1DIG02SEG F15SEG B16SEG A14GND9DIG111DIG510CLK13SEG DP22DIG37DIG78DOUT24LOAD12U?MAX7219CNG 圖 MAX7219 引腳圖 1) DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端。 2) DIG7～ DIG0： 8位數(shù)值驅(qū)動(dòng)線。 3) GND：接地端。在 LOAD 的上升沿，最后送入的 16位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中。進(jìn)入 DIN的數(shù)據(jù)在 個(gè)時(shí)鐘后送到 DOUT 端，以便在級(jí)聯(lián)時(shí)傳送到下一片 MAX7219。 7)SEGH：小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端。 19 9)Iset： LED 段峰值電流提供端。 10)CLK：串行時(shí)鐘輸入端。 LED 顯示硬件電路 Max7219 是串行輸入，輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)電路，可直接與單片機(jī)的 3 條 I/O 線接口，特別適用于 I/O 口線少的系統(tǒng)，并且可以程序控制數(shù)碼管的亮度。 因本系統(tǒng)中共用到 16個(gè) LED 數(shù)碼管，因此用兩個(gè) MAX7219 級(jí)聯(lián)來驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管的顯示。其中四位數(shù)碼管用來顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù) ， 另四位用來顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。 DIG26