畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

1、目錄摘 要1第一章、引 言2第2章步進(jìn)電機(jī)概述32.1步進(jìn)電機(jī)的分類32.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理42.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)7第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)93.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案93.2單片機(jī)最小系統(tǒng)103.3串口通信模塊173.4數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)183.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)203.6驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)22第4章系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)294.1系統(tǒng)軟件主流程圖294.2系統(tǒng)初始化流程圖304.3按鍵子程序30結(jié) 論37參考文獻(xiàn) 38摘 要介紹了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展史,及國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)未來的應(yīng)用前景。并且闡述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、角度、轉(zhuǎn)矩的控制原理。本文闡述了一種步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案，并繪制了原理圖和pcb板

2、圖，撰寫了程序源代碼。實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、角度的控制，并完成了實(shí)物的制作。這期間主要使用protel99se軟件繪制原理圖和制板，使用proteus7.1軟件進(jìn)行程序代碼的仿真和功能的理論驗(yàn)證。最后通過硬件的調(diào)試驗(yàn)證程序代碼的實(shí)際功能，完成對(duì)控制器的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；控制器。abstractintroduction step enter electric motor of development history, and local present condition and step enter electric motor future of application foreg

3、round.and elaborated a step to enter electric motor to turn soon, angle, turn ju of control principle.this text elaborated a kind of step enter electrical engineering controller of design project, and drew principle diagram and pcb plank diagram, composed a procedure source a code.realization to ste

4、p enter the electric motor turn soon, angle of control, and completion real object of creation.this period main usage the protel 99 se the software draw principle diagram and make plank, usage proteus 7.1 softwares carry on an imitate of procedure code true with the theories of the function verifica

5、tion.the end experiment certificate procedure a code through an adjust of hardware of actual function, completion design controller.key words stepper motor; controller. 第一章、引 言1.1步進(jìn)電機(jī)發(fā)展史步進(jìn)電機(jī)又稱電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱為 step motor或stepping motor 等。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，其原始模型起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于

6、氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電動(dòng)。此后，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。20世紀(jì)60年代后期，隨著永磁性材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30年間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速地發(fā)展并成熟起來。從發(fā)展趨向來講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)，以及同步電動(dòng)機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。1.2我國(guó)步進(jìn)電機(jī)發(fā)展我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究及制造起始于本世紀(jì)50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些

7、產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主。70年代初期，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高水平。70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動(dòng)機(jī)不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。13步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用前景目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機(jī)分類間的界面越來越模糊。步進(jìn)電機(jī)必然會(huì)成為機(jī)電一體化元件組件的必然趨勢(shì)。由于步進(jìn)電機(jī)具有控制方便、體積小等特點(diǎn)，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和

8、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。市場(chǎng)上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，但價(jià)格都偏高。應(yīng)用sgs公司推出的l297和l298兩芯片可方便的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并結(jié)合atmega16l單片機(jī)可以構(gòu)成很好的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 第2章步進(jìn)電機(jī)概述2.1步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式(vr)、永磁式(pm)和混合式(h

9、b)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)7。(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(variable reluctance，簡(jiǎn)稱vr)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型；(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(permanent magnet，簡(jiǎn)稱pm)永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電；(3)混

10、合式步進(jìn)電機(jī)(hybrid，簡(jiǎn)稱hb)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。混合式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，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。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的更注重整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，所

11、以只采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)7。2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理 2.2.1結(jié)構(gòu)及基本原理步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)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(chǎng)。每來一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

12、。每個(gè)脈沖所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是精確的，并可重復(fù)，這就是步進(jìn)電機(jī)為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。通過電磁感應(yīng)定律我們很容易知道激勵(lì)一個(gè)線圈繞組將產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，分為北極和南極，見圖2.1所示。定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到與定子磁場(chǎng)對(duì)直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2.1 激勵(lì)線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)2.2.2兩相電機(jī)的步進(jìn)順序1、兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序在圖2.2中我們很清晰的展示了在單相通電時(shí)一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)的典型的步進(jìn)順序。在第1步中，兩相定子的a相通電，因異性相吸，其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。當(dāng)a相關(guān)閉、b相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。在第3步中，b相關(guān)閉、a相通電，但極

13、性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90。在第4步中，a相關(guān)閉、b相通電，極性與第2步相反。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按90的步距角順時(shí)針旋轉(zhuǎn)8 9。圖2.2兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序2、兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序圖2.2中顯示的步進(jìn)順序稱為“單相激勵(lì)”步進(jìn)。更常用的步進(jìn)方法是“雙相激勵(lì)”，其中電機(jī)的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖2.3所示。在第1步中，兩相定子的a相和b相同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第2步中，兩相定子的a相關(guān)閉，而b和a相（此時(shí)的a相通電極性與第1步a相反）同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場(chǎng)將

14、轉(zhuǎn)子固定在圖示step2位置。在第3步中，兩相定子的a相和b相同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。在第4步中，兩相定子的b相和a相同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示step4位置。按照這樣的通電方式電機(jī)就轉(zhuǎn)過了一周8 9。兩相步進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對(duì)直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進(jìn)多提供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。圖2.3兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序3、步進(jìn)電機(jī)的半步工作方式電機(jī)也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個(gè)關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)步距角一分為二。例如，一個(gè)90的步

15、進(jìn)電機(jī)將每半步移動(dòng)45，見圖2.4。但是，與“兩相通電”相比，半步進(jìn)通常導(dǎo)致15%30%的力矩?fù)p失（取決于步進(jìn)速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個(gè)繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。從原理圖我們很容易看到半步工作方式其實(shí)就是將兩相電機(jī)的單相通電工作方式和兩相電機(jī)的雙相通電工作方式相互結(jié)合起來。兩相步進(jìn)電機(jī)的工作模式有兩相四拍和兩相八拍等兩種，其中我們?cè)趫D2.2和圖2.3中展示的都叫做兩相四拍工作模式，而下面的2.4圖展示的就是兩相八拍工作模式8 9。圖2.4兩相電機(jī)的半步步進(jìn)順序2.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)本設(shè)計(jì)選用了型號(hào)為42byg型的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)，它與傳

16、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。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。就目前步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用情況來說，步進(jìn)電機(jī)的自身特點(diǎn)具體歸納起來有：(1) 電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。(2) 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。(3) 改變驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖的順序，可

17、以方便的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。(4) 位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時(shí)組成 閉環(huán)控制系。(5) 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候具有自鎖功能。(6) 步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通常可以在越低速下以高轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。(7) 步進(jìn)電機(jī)不能使用普通的交流電源驅(qū)動(dòng)。(8) 一般步進(jìn)電機(jī)的精度是步進(jìn)角的3%5%，且步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。(9) 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

18、。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。(10) 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定頻率就無法啟動(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)速從低速升到高速）。第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3.1.1系統(tǒng)的方案簡(jiǎn)述與設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)at89s51來作為整個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制核

19、心部件，采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片l298及其外圍電路構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)來構(gòu)成了一個(gè)基本的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體功能和要求如下： 1.單片機(jī)最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)； 2.設(shè)計(jì)兼有兩相兩拍和兩相四拍的脈沖分配器; 3.實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制； 4.驅(qū)動(dòng)電路可提供電壓為12v，電流為0.3a的驅(qū)動(dòng)信號(hào); 5.能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，最高轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分； 6.步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由數(shù)碼管顯示； 7.鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì)3.1.2 系統(tǒng)的組成及其對(duì)應(yīng)功能簡(jiǎn)述整個(gè)系統(tǒng)的組成包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)

20、電流檢測(cè)模塊，獨(dú)立按鍵等模塊組成。具體框圖如圖3.1所示： 圖3.1系統(tǒng)總體框圖單片機(jī)最小系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖，通過單片機(jī)的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與單片機(jī)輸出的脈沖數(shù)成正比步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的的方向與輸出的脈沖順序有關(guān)。同時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)處理來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電流值。與此同時(shí)，單片機(jī)將會(huì)把電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以及電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流通過數(shù)碼管顯示出來。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。串口

21、下載模塊主要是負(fù)責(zé)實(shí)行計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信，將在計(jì)算機(jī)里面編寫好的程序下載到單片機(jī)芯片當(dāng)中。數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)向，和通過電機(jī)的電流等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電流，然后通過運(yùn)放將檢測(cè)到的信號(hào)放大，最后將放大后的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0804處理后送給單片機(jī)。獨(dú)立按鍵作為一個(gè)外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，通過它設(shè)置了電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，顯示電機(jī)電流等功能。采用了中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳的及時(shí)的控制。本節(jié)主要是在第一章和第二章的基礎(chǔ)上引出了本論文將要采用的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)的清楚的

22、一條條列出了設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本設(shè)計(jì)要求。然后是基于我的設(shè)計(jì)方案，比較簡(jiǎn)單的但有條理的描述了系統(tǒng)的各個(gè)部分的組成以及其對(duì)應(yīng)的基本功能。通過這一章的內(nèi)容，我們能對(duì)本設(shè)計(jì)有一個(gè)簡(jiǎn)單的總體的把握，既是能清楚的知道本題目的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)方法，以及最終的預(yù)期目標(biāo)。3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2.1at89s51簡(jiǎn)介at89s51是美國(guó)atmel 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes 的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用atmel 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8

23、位微處理器于單片芯片中，功能強(qiáng)大。1、主要性能參數(shù)與mcs-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（isp）flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫周期 5.05.5v 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0hz50mhz 三級(jí)程序加密鎖 1288 字節(jié)內(nèi)部ram 32 個(gè)可編程io口線 2 個(gè)16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器 6 個(gè)中斷源 全雙工串行uart 通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（wdt）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（isp 字節(jié)或頁寫模式）2、功能特性概述at89s51 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)

24、內(nèi)部ram，32 個(gè)i o 口線，看門狗（wdt），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，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)，at89s51 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?？臻e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。3、引腳功能說明圖3.2 at89s51該設(shè)計(jì)使用到的單片機(jī)芯片對(duì)應(yīng)管腳名稱位置等如圖3.2的引腳功能圖詳細(xì)說明。vcc：電源電壓gnd：地p0 口：p 0口是一組8位漏極開路型雙向i0

25、口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8 個(gè)ttl邏輯門電路，對(duì)端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在f1ash 編程時(shí)，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）。p1 口：pl 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i o 口，pl 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 （

26、iil ）。p2 口：p2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i o 口，p2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 （iil ）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行movxdptr 指令）時(shí)，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(chǔ)器（如執(zhí)行movxri 指令）時(shí)，p2 口線上的內(nèi)容 （也即特殊功能寄存器（sfr）區(qū) p2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，

27、p2 亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。 p3 口：p3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i o口。p3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)p3口寫入“l(fā)”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流 （iil ）。p3口除了作為一般的i o口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： p3 口還接收一些用于flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。具體功能如表3.1所示表3.1p3口的引腳及功能端口引腳第二功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2int0（外部中斷0）p3.3i

28、nt1（外部中斷1）p3.4t0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入）p3.5t1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，rst 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。wdt 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置sfr auxr 的disrt0 位（地址8eh）可打開或關(guān)閉該功能。disrt0 位缺 為reset 輸出高電平打開狀態(tài)。ale prog：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ale仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1 6 輸出固定的正脈沖信

29、號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。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)f1ash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （prog）。如 必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh 單元的d0 位置位，可禁止ale 操作。該位置位后，只一條m0vx 和m0vc 指令ale 才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ale 無效。psen：程序儲(chǔ)存允許（psen）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)at89s51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次psen 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒有兩次有效

30、的psen信號(hào)。ea vpp：外部訪問允許。欲使cpu 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000hffffh），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)位時(shí)內(nèi)部會(huì)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(chǔ)器中的指令。f1ash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12v 的編程電壓vpp 。 xtall：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) ：mcs-51 單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具64kb外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 程序存儲(chǔ)器 ：如果ea引腳接地（gnd）

31、，全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。在at89s51，假如ea 接至vcc（電源+），程序首先執(zhí)行地址從0000h0fffh （4kb）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，再執(zhí)行地址為1000hffffh （60kb）的外部程序存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：at89s51的具128字節(jié)的內(nèi)部ram，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行，128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。4、晶體振蕩器特性 at89s51一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1 和xtal2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體（或陶瓷諧振

32、器）及電容cl、c2 接在放大器的反饋回路 構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容cl、c2 雖然沒 十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pf10pf，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pf 10pf。用戶也可以采用外部時(shí)鐘。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到xtal1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2則懸空。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過一個(gè)2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。5、flash 閃速存儲(chǔ)器

33、的并行編程at89s51單片機(jī)內(nèi)部4k字節(jié)的可快速編程的flash存儲(chǔ)陣列。編程方法可通過傳統(tǒng)的eprom編程器使用高電壓（+12v）和協(xié)調(diào)的控制信號(hào)進(jìn)行編程。at89s51的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。 編程方法：編程前，須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)，at89s51 編程方法如下： 1在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)。2在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。3激活相應(yīng)的控制信號(hào)。4將ea vpp 端加上+12v 編程電壓。5每對(duì)flash 存儲(chǔ)陣列寫入一個(gè)字節(jié)或每寫入一個(gè)程序加密位，加上一個(gè)ale prog編程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫入周期是自身定時(shí)的，大多數(shù)約為50us。改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，

34、重復(fù)15 步驟，直到全部文件編程結(jié)束。3.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用at89s51單片機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，單片機(jī)的p 0口、p 1口、p 2口、p 3口全部參與系統(tǒng)工作，單片機(jī)最小系統(tǒng)的接線如圖3.3所示：圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.2.3單片機(jī)端口分配及功能1、其中p 0口用于控制數(shù)碼管的具體顯示功能，既是數(shù)碼管的段選。2、p 1口主要用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片l298的工作，以及adc0804芯片的編程的讀寫控制。3、p 2口主要用于控制數(shù)碼管的公共端，既是數(shù)碼管的位選。與此同時(shí)還處理鍵盤掃描電路的。4、p 3口主要用于負(fù)責(zé)處理ad

35、c0804的模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片的工作。3.3串口通信模塊本設(shè)計(jì)采用串口通信，來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信。其具體的電路圖如圖3.4所示。圖3.4串口通信模塊3.4數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的顯示部分可以用液晶顯示的方案可供選擇，液晶顯示和數(shù)碼管顯示的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，而液晶顯示器顯示內(nèi)容豐富，因?yàn)橐壕б话愣际瞧叨伟俗值闹荒茱@示單一的內(nèi)容，而液晶顯示的內(nèi)容就很豐富；數(shù)碼管還比液晶顯示耗電，而且使用液晶也比使用數(shù)碼管顯得美觀。但是控制液晶顯示器的時(shí)候占用的系統(tǒng)資源多，編程更復(fù)雜，最關(guān)鍵的是液晶顯示的成本是數(shù)碼管的幾十倍，所以考慮到應(yīng)用價(jià)值，最終還是確定選用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的顯

36、示部分功能。3.4.1共陽數(shù)碼管簡(jiǎn)介四位共陽數(shù)碼管的管腳分配如下圖3.5所示：圖3.5四位共陽數(shù)碼管管腳定義數(shù)碼管的管腳排列：從數(shù)碼管的正面觀看，左下角的那個(gè)腳為1腳，從1腳開始，按照逆時(shí)針方向排列依次是1腳到12腳，其中12、9、8、6為公共角，為位選信號(hào)輸入端。剩余的八個(gè)腳是段選信號(hào)輸入端，其對(duì)應(yīng)方式是a-11、b-7、c-4、d-2、e-1、f-10、g-5、dp-3。只有詳細(xì)的了解了數(shù)碼管的管腳定義，以及段選位選情況，我們才能通過編程對(duì)其正常的顯示進(jìn)行很好的控制。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，下面我們對(duì)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示作一詳細(xì)介紹。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最

37、為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極com增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的i/o線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通com端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)led數(shù)碼管的com端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效

38、應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的i/o口，而且功耗更低。3.4.2共陽數(shù)碼管電路圖本設(shè)計(jì)選用了數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)，其段選的控制a、b、c、d、e、f、g、dp按照數(shù)碼管的簡(jiǎn)介資料選用了p 0口作為其控制端口，其位選部分由于單片機(jī)的控制端口輸出的電壓不足以直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，所以在單片機(jī)控制端口和數(shù)碼管的位選控制端口加入了三極管，其具體的電路連接如圖3.6所示。圖3.6 數(shù)碼管顯示電路3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)在第一章的1.2.2中已經(jīng)詳細(xì)的介紹了目前的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基本類型，考慮

39、要硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的方法會(huì)電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，而且采用多個(gè)元器件搭接，成本高。而直接采用集成的驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)電路穩(wěn)定，成本低，易于控制，所以最終本設(shè)計(jì)是直接采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片l298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的核心部件。3.5.1l298簡(jiǎn)介l298n為sgs-thomson microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)h-bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)：ttl邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46v、2a以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯

40、片可直接由單片機(jī)的io端口來提供模擬時(shí)序信號(hào)。l298n 之接腳如圖 3.7所示，pin1 和pin15 可與電流偵測(cè)用電阻連接來控制負(fù)載的電路； outl、out2 和out3、out4 之間分別接2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)；input1input4 輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；enable 則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。圖3.7l298管腳圖引腳功能介紹：1、1；15腳（sense a；sense b）：電流檢測(cè)端，分別為兩個(gè)h橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地；2、2；3腳（output1；output2）：1y1、1y2輸出端；3、4腳（vs）：功率電源電壓,此引腳與地必須連接 100nf電容器；4、5；7

41、腳（input 1； input）：1a1、1a2輸入端，ttl 電平兼容；5、6；11腳（enable a；enable b）：ttl 電平兼容輸入 1en、2en 使能端，低電平禁止輸出；6、8腳（gnd）：gnd接地端；7、9腳（vss）：邏輯電源電壓。此引腳必須與地連接100nf電容器；8、10；12腳（input3；input4）：2a1，2a2輸入端，ttl電平兼容；9、13；14腳（out3；out4）：2y1、2y2 輸出端，監(jiān)測(cè)引腳15；3.5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3.8所示，本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是由驅(qū)動(dòng)芯片l298及其外圍電路構(gòu)成，其中從l298的2、3腳和13、14腳（

42、即芯片的輸出端）依次按順序連成一個(gè)插座，分別與步進(jìn)電機(jī)的四根線相連。而5、6、7、10、11、12腳就依次與單片機(jī)的p1口的六個(gè)管腳相連。通過這一連接實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與l298以及步進(jìn)電機(jī)的串聯(lián)控制。圖中很重要的部分是由四個(gè)二極管連成的保護(hù)電路，其作用是防止由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高而產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)損壞芯片。由于本設(shè)計(jì)使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓是使用了9v (也可以使用12v)，所以二極管的負(fù)端接9v的參考電壓。如果驅(qū)動(dòng)芯片的電壓改變，那么這個(gè)參考電壓也隨之一起改變。圖3.8電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.6驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片電流檢測(cè)模塊的實(shí)際應(yīng)用意義在于，檢測(cè)流過電機(jī)的電流值并及時(shí)顯示，對(duì)于防止電機(jī)過

43、流而損壞電機(jī)有一定的意義。從上面的l298的芯片資料當(dāng)中我們可以知道l298的pin1和pin15可與電流偵測(cè)電阻連接來偵測(cè)電機(jī)正常工作的情況下的工作電流。一般檢測(cè)電流的方法是通過檢測(cè)電壓值，然后通過歐姆定律換算電流值的方法測(cè)試電流，本設(shè)計(jì)也不例外。設(shè)計(jì)采用的42byg101反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其額定電流值0.2安，在加上一般常用的電流偵測(cè)電阻都是1歐姆或0.1歐姆，這樣換算來檢測(cè)到的電壓值一般是在mv級(jí)，這樣以來，要是直接將檢測(cè)到的電壓值送給adc0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換那么由于精度的原因勢(shì)必會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成很大的影響。所以考慮到這一原因我們是先將檢測(cè)到的電流值經(jīng)過op07作放大處理后再將信

44、號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片處理這樣保證了檢測(cè)值的可靠性。adc0804輸出的數(shù)字信號(hào)再送給單片機(jī)的p 3口，經(jīng)過單片機(jī)處理后最后將檢測(cè)到的數(shù)字信號(hào)通過數(shù)碼管顯示出來。而在顯示這一部分有這樣一個(gè)問題，就是步進(jìn)電機(jī)的工作電流不是一個(gè)恒定值，它是隨著時(shí)間的變化，會(huì)在一個(gè)小范圍內(nèi)不停的波動(dòng)為了使顯示出來的電流數(shù)據(jù)更可靠，我們通過單片編程，采用了取一段時(shí)間的電流的平均值顯示出來。形象的展示這一模塊的整個(gè)工作流程就是如下的圖3.9所示：圖3.9 電流檢測(cè)框圖3.6.1op07芯片簡(jiǎn)介1、op07功能介紹op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于op07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于op0

45、7a最大為25v），所以op07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。op07同時(shí)具有輸入偏置電流低（op07a為2na）和開環(huán)增益高（對(duì)于op07a為300v/mv）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得op07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。2、特點(diǎn)超低偏移：150v最大低輸入偏置電流：1.8na低失調(diào)電壓漂移：0.5v/超穩(wěn)定時(shí)間：2v/month最大高電源電壓范圍： 16v至30v3、芯片引腳功能說明1腳和8腳：是偏置平衡（調(diào)零端）2腳：為反相輸入端3腳：為同向輸入端4腳和7腳：分別為和5腳：懸空6腳：為輸出端其引腳圖如圖3.10圖3.10op07芯片及管腳圖3

46、.6.2adc0804芯片簡(jiǎn)介1、芯片主要技術(shù)指標(biāo) (1) 分辨率：8 位(0255)(2) 存取時(shí)間：135 ms (3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間：100 ms(4) 總誤差：-1+1lsb(5) 工作溫度：adc0804c為0度70度；adc0804l為-40 度85 度(6) 模擬輸入電壓范圍：0v5v(7) 參考電壓：2.5v(8) 工作電壓：5v1、芯片引腳功能及說明接腳說明見下圖：adc0804 為一只具有20引腳8位cmos連續(xù)近似的a/d 轉(zhuǎn)換器。芯片具體引腳圖如圖3.11所示。圖3.11adc0804芯片及管腳圖(1). pin1 (cs )：chip select，與rd、wr 接腳的輸

47、入電壓高低一起判斷讀取或?qū)懭肱c否，當(dāng)其為低位準(zhǔn)(low) 時(shí)會(huì)active。(2). pin2 ( rd )：read。當(dāng)cs 、rd皆為低位準(zhǔn)(low)時(shí)，adc0804會(huì)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字訊號(hào)經(jīng)由db7 db0 輸出至其它處理單元。(3). pin3 (wr )：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換的控制訊號(hào)。當(dāng)cs 、wr 皆為低位準(zhǔn)(low) 時(shí)adc0804 做清除的動(dòng)作，系統(tǒng)重置。當(dāng)wr由01且cs 0 時(shí)，adc0804會(huì)開始轉(zhuǎn)換信號(hào)，此時(shí)intr 設(shè)定為高位準(zhǔn)(high)。(4). pin4、pin19 (clk in、clkr)：頻率輸入/輸出。頻率輸入可連接處理單元的訊號(hào)頻率范圍為100 khz 至800

48、 khz。而頻率輸出頻率最大值無法大于640khz，一般可選用外部或內(nèi)部來提供頻率。若在clkr及clk in加上電阻r及電容c，則可產(chǎn)生adc工作所需的時(shí)序，其頻率約為(1.1rc)(5). pin5 ( intr )：中斷請(qǐng)求。轉(zhuǎn)換期間為高位準(zhǔn)(high)，等到轉(zhuǎn)換完畢時(shí)intr 會(huì)變?yōu)榈臀粶?zhǔn)(low)告知其它的處理單元已轉(zhuǎn)換完成，可讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。(6). pin6、pin7 (vin(+)、vin(-)：差動(dòng)模擬訊號(hào)的輸入端。輸入電壓vinvin(+) vin(-)，通常使用單端輸入，而將vin(-)接地。(7). pin8 (a gnd):模擬電壓的接地端。(8). pin9 (vre

49、f/2):輔助參考電壓輸入端2、adc0804工作原理adc0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式（successive approximation method）的a/d轉(zhuǎn)換器，這類型的a/d轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價(jià)錢便宜的優(yōu)點(diǎn)，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計(jì)上。以輸出8位的adc0804動(dòng)作來說明“連續(xù)漸進(jìn)式a/d轉(zhuǎn)換器”的轉(zhuǎn)換原理，動(dòng)作步驟如下表示（原則上先從左側(cè)最高位尋找起）。第一次尋找結(jié)果：10000000 （假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第二次尋找結(jié)果：11000000 （假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第三次尋找結(jié)果：11000000 （假設(shè)值輸入值，則尋找位

50、該假設(shè)位0）第四次尋找結(jié)果：11010000 （假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第五次尋找結(jié)果：11010000 （假設(shè)值輸入值，則尋找位該假設(shè)位0）第六次尋找結(jié)果：11010100 （假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第七次尋找結(jié)果：11010110 （假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第八次尋找結(jié)果：11010110 （假設(shè)值輸入值，則尋找位該假設(shè)位0）這樣使用二分法的尋找方式，8位的a/d轉(zhuǎn)換器只要8次尋找，12位的a/d轉(zhuǎn)換器只要12次尋找，就能完成轉(zhuǎn)換的動(dòng)作，其中的輸入值代表圖4.10的模擬輸入電壓vin。對(duì)8位adc0804而言，它的輸出準(zhǔn)位共有28256種，即它的分辨率是1/256，

51、假設(shè)輸入信號(hào)vin為05v電壓范圍，則它最小輸出電壓是5v/2560.01953v，這代表adc0804所能轉(zhuǎn)換的最小電壓值。4、分辨率與內(nèi)部轉(zhuǎn)換頻率的計(jì)算對(duì)8位adc0804而言，它的輸出準(zhǔn)位共有28256種，即它的分辨率是1/256，假設(shè)輸入信號(hào)vin為05v電壓范圍，則它最小輸出電壓是5v/2560.01953v，這代表adc0804所能轉(zhuǎn)換的最小電壓值。表3.2列出的是812位a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率和最小電壓轉(zhuǎn)換值。表3.2a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率和最小電壓值位數(shù)目分辨率最小電壓轉(zhuǎn)換值81/2560.01953v101/10240.00488v121/40960.00122v圖3.12是ad

52、c0804與cpld&fpga、8051單片機(jī)等典型連接圖至于內(nèi)部的轉(zhuǎn)換頻率fck，是由圖3.12的clkr（19腳）、clk in（4腳）所連接的r（）、c()值來決定。圖3.12adc0804與cpld&fpga、8051單片機(jī)等典型連接圖頻率計(jì)算方式是：fck1/(1.1rc)若以上圖的r10k、c150pf為例，則內(nèi)部的轉(zhuǎn)換頻率是fck1/（1.110 k150pf）606khz更換不同的r、c值，會(huì)有不同的轉(zhuǎn)換頻率，而且頻率愈高代表速度愈快。但是需要注意r、c的組合，務(wù)必使頻率范圍是在100khz1460khz之間。3.6.3電流檢測(cè)模塊電路圖如圖3.13所示，op07的3腳是反向輸

53、入端，4腳是同向輸入端，6腳輸出端。按照如圖所示的接法及對(duì)應(yīng)電阻值的大小，我們很容易知道，此連接后的電壓放大倍數(shù)是80倍，且為同向放大。op07放大的信號(hào)來源是l298的1腳測(cè)電流的小電阻分出來的電壓，然后經(jīng)op07放大之后的信號(hào)送給0804處理。圖3.13電流檢測(cè)模塊電路圖第4章系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化、延時(shí)子程序、按鍵響應(yīng)程序，數(shù)碼管顯示程序，讀adc0804子程序及控制脈沖輸出幾部分，事實(shí)上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對(duì)于整體設(shè)計(jì)都是非常重要，單片機(jī)at89s51通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來，軟件設(shè)計(jì)的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，即從主體遂逐步細(xì)分到每一個(gè)模塊的流程。在流程圖中把設(shè)計(jì)者的控制過程梳理清楚