摘要：步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)的角度位移量或者線性位移量的高性能數(shù)字化執(zhí)行元件，其中輸入的電子脈沖和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角成相應(yīng)的比例，所以利用單片機(jī)能精確地控制。步進(jìn)電機(jī)工作在在一般正常的額定功率情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)停止的位置只取決于電子脈沖信號(hào)的頻率大小和電子脈沖個(gè)數(shù)，卻不與負(fù)載的大小以及負(fù)載的數(shù)目多少有關(guān)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)控制、普通家用電器、數(shù)字儀表儀器以及各種各樣的電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。

本論文設(shè)計(jì)是基于AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出的電子脈沖信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行控制，并通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速，用LED直觀地顯示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度大小。最后經(jīng)過(guò)PROTEUS仿真，達(dá)到基本要求。

單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)芯片體積小可微型化、功耗比較低、使用比較方便和具有很強(qiáng)的控制力等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表中廣泛應(yīng)用，倘若與不同類(lèi)型的控制設(shè)備相結(jié)合,可測(cè)量密度、壓強(qiáng)、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量。由于單片機(jī)可以看做一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，所以功能比起相關(guān)的電子或模擬數(shù)字電路更為強(qiáng)大。 另外采用相關(guān)的單片機(jī)可以組成各式各樣的智能數(shù)字控制系統(tǒng)，比如說(shuō)溫度報(bào)警散熱系統(tǒng)、濕度測(cè)量系統(tǒng)等。

步進(jìn)電機(jī)是一種用于開(kāi)環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)可執(zhí)行元件。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移，是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的微電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可以控制做準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)定位，所以在電腦的外設(shè)及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化機(jī)具設(shè)備中應(yīng)用很普遍，例如如傳統(tǒng)的切割機(jī)等，另外機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)控制也大量的使用步進(jìn)電機(jī)。

近些年來(lái)，由于步進(jìn)電機(jī)的控制精度不斷提高，越來(lái)越多有較高控制精度要求的系統(tǒng)也開(kāi)始采用步進(jìn)電機(jī)。對(duì)于小功率步進(jìn)電機(jī),一般采用單片機(jī)與專(zhuān)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器聯(lián)合工作的方式，單片機(jī)產(chǎn)生脈沖,控制停啟、正反轉(zhuǎn)，變速等,專(zhuān)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則進(jìn)行脈沖環(huán)形分配及功率驅(qū)動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是它可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度因此在眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。研制一種高性?xún)r(jià)比步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有重要的意義。

本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)是兩相步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)軟件和硬件的結(jié)合，使用按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的復(fù)位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能，并且將步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示。主要通過(guò)三大塊來(lái)設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

一、本論概述

1.目標(biāo)選題的現(xiàn)狀背景

1.1.課題的背景

步進(jìn)電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)的輸入信號(hào)為脈沖電流 ,它能將輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移 ,因而步進(jìn)電機(jī)可看作是一個(gè)串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接接受數(shù)字信號(hào) ,而不需數(shù) /模轉(zhuǎn)換,所以使用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)顯得非常方便。

步進(jìn)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制;

(2)位置誤差不會(huì)積累;

(3)與數(shù)組設(shè)備兼容 ,能夠直接接收數(shù)字信號(hào);

(4)可以快速啟停。

步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多,按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式 (也稱(chēng)反應(yīng)式或變磁阻式 )電機(jī)、 混合式電機(jī)、永磁式電機(jī)和特種電機(jī)等四種主要型式。步進(jìn)電機(jī)不需位移傳感器就可精確定位 ,所以在精確定位系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。目前打字機(jī)、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、傳真機(jī)等設(shè)備都使用了步進(jìn)電機(jī)。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,步進(jìn)電機(jī)必將發(fā)揮它的控制方便、 控制準(zhǔn)確的特點(diǎn) ,在工業(yè)控制等領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用。

1.2選題的意義和目的

步進(jìn)電機(jī)是用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成和相應(yīng)的角位移或線位移的為電動(dòng)機(jī)，他突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速啟停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可行，因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1.3課題的內(nèi)容和具體要求

1.3.1本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是四相八拍步進(jìn)電機(jī)，采用的方法是利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過(guò)數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級(jí)別。另外通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)、加減速。

1.3.2課題的基本內(nèi)容要求

基本要求：

1、實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；

2、實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；

3、實(shí)現(xiàn)電機(jī)先正傳后反轉(zhuǎn)；

4、實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化（最少三個(gè)不同的轉(zhuǎn)速）；

5、電機(jī)可以人為控制啟動(dòng)和停止；

6、電機(jī)不同的功能之間使用鍵盤(pán)控制轉(zhuǎn)換

7、對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行一定的仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析說(shuō)明是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.方案的論證和比較

2.1單片機(jī)的介紹

2.1.1單片機(jī)的概述

單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，又稱(chēng)為微控制器（MCU），它的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，它以體積小、功能全、性?xún)r(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)而獨(dú)具特色，在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中獨(dú)占鰲頭。51系列單片機(jī)是國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種8位單片機(jī)之一。經(jīng)過(guò)20多年的推廣與發(fā)展，51系列單片機(jī)形成了以個(gè)規(guī)模龐大、功能齊全、資源豐富的產(chǎn)品群。隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和普遍接受及應(yīng)用，51單片機(jī)的發(fā)展又進(jìn)入了以個(gè)新的階段。許多專(zhuān)用功能芯片的內(nèi)核集成了51單片機(jī)，與51系列單片機(jī)兼容的微控制器以IP核的方式不斷地出現(xiàn)在FPGA的片上系統(tǒng)中。今年來(lái)，基于51單片機(jī)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)與推廣，表明了51系列單片機(jī)在今后的許多年中依然會(huì)活躍如故，而且在很長(zhǎng)一段時(shí)間中將占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場(chǎng)。

單片機(jī)就是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、輸入輸出（I/O）接口電路、中斷、串行通信接口等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一塊芯片上，組成單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。也就是說(shuō)單片機(jī)是集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)，其功能之強(qiáng)大，在實(shí)際應(yīng)用中常常完全融入應(yīng)用系統(tǒng)中，所以單片機(jī)也稱(chēng)為嵌入式控制器（Embedded Microcon troller）。由于單片機(jī)集成度高、功能強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗低、使用方便、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎“無(wú)處不在，無(wú)處不為”。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費(fèi)產(chǎn)品、辦公自動(dòng)化、汽車(chē)電子、PC機(jī)外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。

單片機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)形式：一種是在通用微型計(jì)算機(jī)中廣泛采用的將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合用一個(gè)存儲(chǔ)空間的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為普林斯頓結(jié)構(gòu)或稱(chēng)為馮諾依曼結(jié)構(gòu)。另一種是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開(kāi)而分別尋址的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為哈佛（Har-vard）結(jié)構(gòu)。目前的單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)的較多。按數(shù)據(jù)總線的寬度，單片機(jī)分為4位、8位、16位以及32位等。

2.1.2單片機(jī)的特點(diǎn)

單片微型計(jì)算機(jī)(Single-Chip Microcomputer),簡(jiǎn)稱(chēng)單片計(jì)算機(jī).就是將CPU,RAM,ROM,定時(shí)/計(jì)時(shí)器和多種接口集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī).
其主要特點(diǎn)如下:
（1）片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小:
  原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部擴(kuò)展.通常ROM,RAM可分別擴(kuò)展至64KB.
（2）可靠性高:
  因?yàn)樾酒�是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的,故抗干擾的能力優(yōu)于PC機(jī).
系統(tǒng)軟件(如:程序指令,常數(shù),表格)固化在ROM中,不易受病毒破壞.
許多信號(hào)的通道均在一個(gè)芯片內(nèi),故運(yùn)作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠.
（3）便于擴(kuò)展:
  片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件,片外有很多供擴(kuò)展用的(總線,并行和串行的輸入/輸出)管腳,很容易組成一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng).

（4）控制功能強(qiáng):
  具有豐富的控制指令:如:條件分支轉(zhuǎn)移指令,I/O口的邏輯操作指令,位處理指令.
（5）實(shí)用性好:
  體積小,功耗低,價(jià)格便宜,易于產(chǎn)品化。

2.1.3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄象機(jī)、攝象機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇：
（1）在工業(yè)控制中的應(yīng)用
   用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。
（2）在家用電器中的應(yīng)用
   可以這樣說(shuō)，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門(mén)，無(wú)所不在。
（3）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用
    現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話(huà)機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車(chē)無(wú)線通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話(huà)，集群移動(dòng)通信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。

單片機(jī)還有在醫(yī)療設(shè)備和相關(guān)電子設(shè)備中的應(yīng)用等。

2.1.4單片機(jī)的選擇

由于51系列單片機(jī)應(yīng)用很廣泛，集成度高，可靠性強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，易于使用等等優(yōu)點(diǎn)，STC89C51系列的單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速低功耗的單片機(jī)，他的功能已完全能夠?qū)崿F(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求。而且此次設(shè)計(jì)需要完成的功能不多，一般情況在盡量節(jié)約成本的條件下完成設(shè)計(jì)。

2.1.5單片機(jī)的具體結(jié)構(gòu)

AT89C51的主要參數(shù)如表1-1所示：

AT89C51含E2PROM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E2PROM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E2PROM容量可達(dá)20K字節(jié)。

主要特性：（1）與MCS-51 兼容； （2）4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器；（3）壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)；（4）數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；（4）全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz；（5）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；（6）128×8位內(nèi)部RAM；（7）32可編程I/O線；（8）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（9）5個(gè)中斷源；（10）可編程串行通道；（11）低功耗的閑置和掉電模式；（12）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。

特性描述：AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(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(gè)硬件復(fù)位。

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(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。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外部必須接上拉電阻。

     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(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)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口作為低八位地址接收。

     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(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“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(xiě)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(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)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AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

管腳備選功能：

P3.0 RXD（串行輸入口）

P3.1 TXD（串行輸出口）

P3.2 /INT0（外部中斷0）

P3.3 /INT1（外部中斷1）

P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）

P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）

P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）

P3.7 /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(wèn)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)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)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（0000H-FFFFH），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。

2.2步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介

2.2.1步進(jìn)電機(jī)的概述

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開(kāi)環(huán)控制元件。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(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

2.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理

    電機(jī)的U1、V1、W1接電源，分別有三個(gè)開(kāi)關(guān)控制，U2、V2、W2分別接地。如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。

它驅(qū)動(dòng)時(shí)各線圈通電順序如下:

                      表1-2：步進(jìn)電機(jī)線圈驅(qū)動(dòng)順序

1.002.jpg (1.11 KB, 下載次數(shù): 122) 下載附件 2017-5-15 01:37 上傳      相 順序	A	B	A’	B’
0	1	1	0	0
1	0	1	1	0
2	0	0	1	1
3	1	0	0	1

當(dāng)電機(jī)定子繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BA’-A’B’-B’A-AB時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)锳B-B’A-A’B’-BA’-AB時(shí)為反轉(zhuǎn)。單片機(jī)作為核心部件，向步進(jìn)電機(jī)輸入端傳送1或0信息，則可實(shí)現(xiàn)上述操作。通過(guò)不同長(zhǎng)度的延時(shí)來(lái)得到不同頻率的步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖，從而得到多種步進(jìn)速度，也就是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分：

（1）定子：由硅鋼片疊成的，定子上有6大磁極，每2個(gè)相對(duì)的磁極（Ｎ，S）組成一對(duì)，共有3對(duì)。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(kāi)。 0、1/3π、2/3π,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以π表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3π，C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3π，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）。

（2）轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒,與定子上的小齒相同，并且小齒的大小相同，間距相同

分類(lèi)：步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。

（1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。

（2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。

步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

（3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

（4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕�到高速）�?/font>

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.2.5、步進(jìn)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)由步距角、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。

（1）步距角的選擇

電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。

（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。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接啟動(dòng)時(shí)兩種負(fù)載均要考慮，加速啟動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行時(shí)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍為好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。

（3）電流的選擇

靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流。

（4）力矩與功率換算

步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：

                         P=Ω·M                                     (2.1)

                      Ω=2π·n/60                                   (2.2)

                      P=2πnM/60                                  (2.3)

其中P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩，單位為牛頓·米

                 P=2πfM/400（半步工作）                             (2.4)

其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)PPS）

2.2.6、步進(jìn)電機(jī)的指標(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)。常用m表示拍數(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(guò)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AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

步距角： 行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。

定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）

靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。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(wú)關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。

步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。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?xún)?nèi)。

失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱(chēng)之為失步。

失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。

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。

2.3、仿真軟件的介紹2.3.1、keil軟件

Keil uVision系列是德國(guó)Keil Software公司推出的51系列兼容單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它本次設(shè)計(jì)使用的是Keil2，是集成的可視化Windows操作界面，其提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和各種編譯工具，能夠?qū)?1系列單片機(jī)以及和51系列兼容的絕大部分類(lèi)型的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。Keil uVision系列可以支持單片機(jī)C51程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也可以直接進(jìn)行匯編語(yǔ)言的設(shè)計(jì)與編譯。

與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。無(wú)論是使用C語(yǔ)言還是匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)使編程事半功倍。

KeilC51的特點(diǎn)：（1）Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。（2）與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。 Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。

因此，本次設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)。

2.3.2、proteus軟件

Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

功能及特點(diǎn)：

（1）功能：1）原理布圖　2）PCB自動(dòng)或人工布線3）SPICE電路仿真

（2）特點(diǎn)：1）互動(dòng)的電路仿真用戶(hù)甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤(pán)，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2）仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境[8]。

2.4、驅(qū)動(dòng)電路的選擇

本設(shè)計(jì)內(nèi)容使用達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003，2003為極電極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)芯片，能驅(qū)動(dòng)4相步進(jìn)電機(jī)，他的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類(lèi)要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是如果用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的話(huà)只能按一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。換向要改變電機(jī)的接法。

2.5、顯示電路的選擇

采用LED數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示在硬件連接方面顯得較為復(fù)雜，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合下配合使用的芯片也不同，但是對(duì)于LCD液晶顯示來(lái)說(shuō)，在成本方面占較大優(yōu)勢(shì)。

由于本次設(shè)計(jì)只是在數(shù)碼管上普通地顯示轉(zhuǎn)速，對(duì)轉(zhuǎn)速變化有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，對(duì)顯示器件要求不高，所以使用這一方案。

3、設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)過(guò)程論述3.1、硬件電路的設(shè)計(jì)3.1.1、硬件設(shè)計(jì)的總體方案

因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的控制是通過(guò)脈沖信號(hào)來(lái)控制的，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開(kāi)環(huán)控制元件。所以怎樣產(chǎn)生這個(gè)脈沖信號(hào)和產(chǎn)生怎樣的信號(hào)是電機(jī)控制的關(guān)鍵。

用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生這個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的P1口輸出脈沖信號(hào)，因?yàn)樗�選電機(jī)是兩相的，所以只需要P1口的低四位P1.0~P1.3分別接到電機(jī)的四根電線上。定時(shí)器定時(shí)來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)鍵盤(pán)的按鈕，就可以改變定時(shí)初值從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，P0口接LED數(shù)碼管，可以顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和按鈕狀態(tài)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖：

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3.1.2、單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括始終振蕩電路和復(fù)位電路，其電路圖如圖：

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圖3.2  單片機(jī)最小系統(tǒng)

說(shuō)明: ①?gòu)?fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì),可以知道,當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平,并且,這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來(lái)決定.典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位,所以,適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位.一般教科書(shū)推薦C 取10u,R取8.2K.當(dāng)然也有其他取法的,原則就要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個(gè)機(jī)周期的高電平；

②復(fù)位輸入高電平有效，當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，使單片機(jī)復(fù)位。此電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位只需按“RST”鍵，此電源Vcc經(jīng)電阻分壓，在RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平；

③晶振電路:典型的晶振取11.0592MHz(因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場(chǎng)合)/12MHz(產(chǎn)生精確的方波便于12分頻,方便定時(shí)操作)；

④單片機(jī):一片AT89S51/52或其他51系列兼容單片機(jī)； 注意:對(duì)于31腳(EA/Vpp),當(dāng)接高電平時(shí),單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開(kāi)始執(zhí)行；當(dāng)接低電平時(shí),復(fù)位后直接從外部ROM的0000H開(kāi)始執(zhí)行；

⑤電源部分：接+5伏特的電壓。

3.1.3、按鍵部分

本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的P3口來(lái)控制信號(hào)的輸入，于是把按鍵開(kāi)關(guān)和P3口連接起來(lái)，另一端接地。當(dāng)按下其中一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，P3.0~P3.4中的某一個(gè)I/O的電位被拉低，則單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。接線如圖：

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3.1.4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

在實(shí)際的電路中，單片機(jī)的I/O口并不能直接驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，因此，必須在單片機(jī)和數(shù)碼管之間加上驅(qū)動(dòng)芯片，本次設(shè)計(jì)中使用了74HC573，它起到驅(qū)動(dòng)和鎖存的作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：

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             圖3.4  74HC573芯片

74HC573的八個(gè)鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時(shí)，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)， 新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動(dòng)大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工作寄存器。

3.1.5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

本設(shè)計(jì)使用的是生活中被廣泛使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003AN ，ULN2003是一個(gè)7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí)ULN2003輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)ULN2003輸出端為高電平，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形如圖：

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圖3.5 ULN2003的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成。

該電路的特點(diǎn)如下：

①ULN2003 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。

②ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電路如圖：

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圖3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖

3.1.6、步進(jìn)電機(jī)

本設(shè)計(jì)使用步進(jìn)電機(jī)兩相五線電機(jī)，電壓為DC5V，本次設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)工作在二相勵(lì)磁方式。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷

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地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見(jiàn)的通電方式有單四拍（單相繞組通電A-B-C-D-A），雙四拍（雙相繞組通電AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A），電機(jī)如圖：

圖3.7  電機(jī)實(shí)物圖

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3.1.7、顯示部分

數(shù)碼管選用7段共陽(yáng)4位LED,第一位顯示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，第一位顯示“-”，第三、四位顯示電機(jī)的狀態(tài)，顯示如圖：

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步進(jìn)電機(jī)的四線接法P1.0~A、P1.1~B P1.2~A’、P1.3~B’，整體的硬件仿真圖如圖：

圖3.9 系統(tǒng)整體仿真圖

3.2、軟件部分3.2.1、主程序

進(jìn)入主程序顯示初始化狀態(tài)，主程序由鍵盤(pán)程序、顯示程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序三部分組成，主程序首先初始化各變量，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各引腳均輸出高電平，然后調(diào)用鍵盤(pán)程序，并作判斷，有鍵按下，則調(diào)用鍵盤(pán)程序，并顯示出狀態(tài)。其主程序框圖如圖：

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圖3.10 主程序框圖

3.2.2、顯示子程序

轉(zhuǎn)速的顯示是給用戶(hù)最直觀的概念，知道電機(jī)的轉(zhuǎn)的快慢，知道電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，而需要怎樣的速度，再對(duì)它進(jìn)行加減速。而這個(gè)顯示是調(diào)用顯示子程序。具體流程圖如圖：

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                      圖3.11 顯示子程序框圖

3.2.3、鍵盤(pán)掃描子程序

鍵盤(pán)是我們唯一和電機(jī)溝通的橋梁，通過(guò)鍵盤(pán)的輸入從而改變電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，這里所需要的鍵盤(pán)數(shù)量不多，可以根據(jù)學(xué)習(xí)板做成獨(dú)立式鍵盤(pán)，鍵盤(pán)的焊接是行線接單片機(jī)P3口的p3.0~p3.4,通過(guò)調(diào)用KEY掃描鍵盤(pán)，調(diào)用延時(shí)程序，再判斷是否有鍵按下，如果無(wú)鍵按下就返回繼續(xù)掃描，如果有鍵按下，則調(diào)用delay延時(shí)去抖動(dòng)，再讀鍵值，等待鍵釋放，具體流程如圖：

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圖3.12  鍵盤(pán)掃描子程序框圖

4、基于AT89C51的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.1、系統(tǒng)的故障及調(diào)試4.1.1、軟件部分

（1）調(diào)試：按照總體流程圖，在keil軟件上，用C語(yǔ)言編程，編程時(shí)采用分塊進(jìn)行，分為按鍵子程序、顯示子程序、調(diào)速子程序以及主程序，具體步驟如下：

1）定義各個(gè)變量uchar maichong;uchar zhuansu;uchar  flag；

2）定義正反轉(zhuǎn)、加減速端口Sbit key_z=P3^1;sbit key_f=P3^2;sbit key_jia=P3^3;sbit key_jian=P3^4；

3）調(diào)用顯示子程序；

4）調(diào)用鍵盤(pán)掃描子程序；

5）執(zhí)行主程序；     6）返回顯示

（2）故障及解決：在編程完成時(shí)，運(yùn)行程序，在仿真圖上可以看到電機(jī)并不能正常旋轉(zhuǎn)，而是左右來(lái)回運(yùn)轉(zhuǎn)或者是只轉(zhuǎn)半圈，剛開(kāi)始認(rèn)為是電機(jī)的四相接線接錯(cuò)了，更改之后，電機(jī)依舊不能正常運(yùn)行，于是，我懷疑是程序的問(wèn)題，改動(dòng)了幾個(gè)地方，沒(méi)有解決。我決定一部分一部分地檢查，檢查到電機(jī)在簡(jiǎn)單接線時(shí)，現(xiàn)象依然不明顯，此時(shí)認(rèn)為是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)太快了，在眼中有視覺(jué)殘留，于是，我調(diào)整程序中的延遲函數(shù)和脈沖個(gè)數(shù)，在不斷地嘗試下，最終，能夠很清楚地看到電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故障得到解決。

4.1.2、硬件部分

（1）調(diào)試：根據(jù)原理圖將硬件焊接好，用Proteus軟件下載keil軟件生成的HEX文件到單片機(jī)中，再給單片機(jī)上電，程序就開(kāi)始運(yùn)行。

（2）故障及解決：完成了硬件的焊接，將程序通過(guò)數(shù)據(jù)線下載到單片機(jī)芯片中，接通電源，電機(jī)并不能運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)比PROTEUS中的電路仿真圖的接線，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的四條接線位置不對(duì)，更改了位置后電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。可是，顯示的LED并沒(méi)有按照程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，我懷疑是LED壞了，于是我將LED拆下來(lái)單獨(dú)點(diǎn)亮，能夠正常工作，查閱了相關(guān)書(shū)籍后發(fā)現(xiàn)，LED的驅(qū)動(dòng)需要一定大小的電壓和電流，于是我在單片機(jī)的I/O口與LED之間接入了驅(qū)動(dòng)芯片74HC573，再次運(yùn)行，LED正常顯示。

4.2、設(shè)計(jì)結(jié)果

這次設(shè)計(jì)比較成功，在經(jīng)過(guò)了器件的選擇，軟件的仿真及調(diào)試，硬件的焊接后，步進(jìn)電機(jī)能按照預(yù)先的要求，實(shí)現(xiàn)按鍵控制電機(jī)的復(fù)位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速五個(gè)操作。并對(duì)應(yīng)地在LED上顯示出象征性的數(shù)字，從而直觀地觀察到電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。

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按下復(fù)位按鈕，電機(jī)停止，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管上顯示如下：

圖4.1  初始化顯示圖

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按下正轉(zhuǎn)按鈕從P1口輸出脈沖，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，顯示如下：

圖4.2  電機(jī)正轉(zhuǎn)顯示圖

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按下反轉(zhuǎn)按鈕從P1口輸出脈沖，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，顯示如下：

圖4.3  電機(jī)反轉(zhuǎn)顯示圖

按下加速按鈕電機(jī)速度增加，按下減速按鈕電機(jī)速度減少顯示如圖4.4所示：

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5、總結(jié)與不足5.1、總結(jié)

本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了基于AT89C51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，通過(guò)按鍵分別控制電機(jī)的復(fù)位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速，并在數(shù)碼管上對(duì)應(yīng)地顯示轉(zhuǎn)速的變化，經(jīng)過(guò)了protues、keil軟件仿真和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)按基本任務(wù)要求運(yùn)行。

通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)單片機(jī)有了一個(gè)更深入的認(rèn)識(shí)，單片機(jī)作為一種計(jì)算機(jī)基本硬件，與計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用緊密相關(guān)，他能解決很多大型計(jì)算機(jī)所不能解決的問(wèn)題，所以，掌握單片機(jī)設(shè)計(jì)方法是非常必要的。

這其中也讓我對(duì)匯編有了更深一層的認(rèn)識(shí)，并且還讓我領(lǐng)略到單片機(jī)這一計(jì)算機(jī)控制的魅力。正如課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和地位中所說(shuō)的那樣，計(jì)算機(jī)科學(xué)在應(yīng)用上得到飛速發(fā)展，因此，學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)必須緊密聯(lián)系實(shí)際：掌握這方面的知識(shí)更要強(qiáng)調(diào)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同學(xué)們要著重學(xué)會(huì)面對(duì)一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，如何去自己收集資料，如何自己去學(xué)習(xí)新的知識(shí)，如何自己去制定解決問(wèn)題的方案并通過(guò)實(shí)踐不斷地去分析和解決前進(jìn)道路上的一切問(wèn)題，最后取得成功。

最后，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我覺(jué)得我自己付出了很多努力，但是，這種付出是值得的，因?yàn)橛辛怂�，我培養(yǎng)起了要細(xì)致認(rèn)真地工作，和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，也讓我從汗水中嘗到了快樂(lè)和喜

5.2、不足

因?yàn)槲业哪芰τ邢蓿瑢?duì)其他別的種類(lèi)電機(jī)不夠了解，準(zhǔn)備的資料不是很多，任務(wù)設(shè)計(jì)中仍然有很多不足，例如：由于沒(méi)有用到定時(shí)器步進(jìn)電機(jī)控制不精確；僅僅簡(jiǎn)單地顯示轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的測(cè)量不嚴(yán)密；元器件的使用可以選用更加精確等等。盡管存在一些問(wèn)題，但是我相信我會(huì)在今后的學(xué)習(xí)中，我會(huì)盡量拓寬自己的知識(shí)面，注意更多，在分析問(wèn)題時(shí)盡量做到面面俱到。

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基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)—初稿(蔣文俊.).doc (1.13 MB, 下載次數(shù): 337)

2017-5-14 13:10 上傳

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