基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)方案說明-畢設(shè)論文

中北大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書第1頁共32頁基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1引言1.1課題研究的目的和意義步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？尚校虼嗽诖蛴C(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。1.2國(guó)內(nèi)外研究概況步進(jìn)電機(jī)是國(guó)外發(fā)明的。中國(guó)在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、北京都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國(guó)產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。國(guó)外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)上，目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)閺尿?qū)動(dòng)電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對(duì)速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動(dòng)機(jī)，加電動(dòng)機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。一些少數(shù)高級(jí)的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。國(guó)外在小功率的場(chǎng)合，還使用步進(jìn)電機(jī)，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動(dòng)柜員機(jī)。國(guó)外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國(guó)內(nèi)過去是用大力矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實(shí)力的公司現(xiàn)在也采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動(dòng)設(shè)備的主要差距，是國(guó)外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部。在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場(chǎng)合，中國(guó)在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)，在高品質(zhì)的控制場(chǎng)合，有時(shí)還不能使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開放初期，國(guó)內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制相比，難度要低得多。2步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡(jiǎn)介2.1步進(jìn)電機(jī)介紹2.1.1步進(jìn)電機(jī)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）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。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)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。本次課程設(shè)計(jì)采用的是步距角為1.8度的四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)：（一）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。2、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AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3、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。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)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（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。4、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）5、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)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來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。（二）步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：1、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。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%以內(nèi)。2、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)。稱之為失步3、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。4、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。5、最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。6、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。

要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。7、電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。

8、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-D-CD-C-BC-B-AB-A時(shí)為反轉(zhuǎn)。2.1.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移，就是給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或是前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比，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)過一個(gè)步距角。如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖所示。圖

四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖所示。圖步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖2.1.3步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，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。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，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好，但步距角一般比較大。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?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)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。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，它是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、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（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。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)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)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）。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（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）。2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本體三部分組成。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)，每發(fā)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，即步進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低。控制器的方向信號(hào)決定步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電源組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一旦接收到來自控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組導(dǎo)通或截止信號(hào)?？刂齐娐份敵龅男盘?hào)功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分。功率驅(qū)動(dòng)電路向步進(jìn)電機(jī)控制繞組輸入電流，使其勵(lì)磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。保護(hù)電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時(shí)迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行。2.3單片機(jī)原理2.3.1單片機(jī)原理概述單片機(jī)（single-chipmicrocomputer）是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。圖中表示單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。圖典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.3.2單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要與外界交換信息。人們需要通過人機(jī)對(duì)話，了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制。單片機(jī)芯片與其它CPU比較，功能雖然要強(qiáng)得多，但由于芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多，在構(gòu)成實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)需要加以擴(kuò)展，以適應(yīng)不同的工作情況。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成基本上如圖所示。圖單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應(yīng)用系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款最小應(yīng)用系統(tǒng)，最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用來構(gòu)成簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，如開關(guān)量的輸入/輸出控制、時(shí)序控制等。對(duì)于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片來說,最小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復(fù)位電路和電源的單個(gè)芯片；對(duì)與片內(nèi)沒有ROM/EPROM芯片來說，其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外，還應(yīng)配備EPROM或EEPROM作為程序存儲(chǔ)器使用。2.3.3AT89C51簡(jiǎn)介AT89C51的主要參數(shù)如表2-3-3-1所示。表2-3-3-1AT89C51的主要參數(shù)型號(hào)存儲(chǔ)器定時(shí)器I/O串行口中斷速度（MH）其它特點(diǎn)E2PROMROMRAM89C514K128231624低電壓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)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其引腳如圖所示。1、主要特性：

·與MCS-51兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器

壽命：1000寫/擦循環(huán)圖單片機(jī)的引腳排列·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2、管腳說明：

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫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)/地址的第八位。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外部必須被拉高。

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門電流。P1口管腳寫入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口作為第八位地址接收。

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門電流，當(dāng)P2口被寫“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門電流。當(dāng)P3口寫入“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：

P3口管腳備選功能

P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）

P3.2/INT0（外部中斷0）

P3.3/INT1（外部中斷1）

P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）

P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

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：來自反向振蕩器的輸出。3、I/O口引腳：a：P0口，雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用；b：P1口，8位準(zhǔn)雙向I/O口；c：P2口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用；d：P3口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口。4、振蕩器特性：

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。5、芯片擦除：整個(gè)EPROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3硬件電路的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整圖系統(tǒng)整圖如圖3.1.1所示，本系統(tǒng)采用外部中斷方式，p2口作為信號(hào)的輸入部分，p0口為發(fā)光LCD顯示部分，p1口作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分。圖3.1.1系統(tǒng)整圖3.2電源部分利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的電壓，它們的應(yīng)用要注意以下幾點(diǎn)：（1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞；（2）輸出電流不能太大，1.5A是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會(huì)導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿；（3）輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。其中12V電壓給步進(jìn)電機(jī)供電，5V電壓則給單片機(jī)供電。分別如圖3.2.1、圖3.2.2所示。（1）、產(chǎn)生12V的電壓給步進(jìn)電機(jī)供電圖3.2.112V電路部分（2）產(chǎn)生5V的電壓給單片機(jī)供電圖3.2.25V電路部分3.3最小系統(tǒng)基本電路的最后一個(gè)部分是存儲(chǔ)器的設(shè)置，如果31腳接電源，則采用內(nèi)部存儲(chǔ)器，如果31腳接地，則采用外部存儲(chǔ)器。將時(shí)鐘電路、復(fù)位電路與單片機(jī)連接并設(shè)置好存儲(chǔ)器，就構(gòu)成了最小系統(tǒng)。這是做任何單片機(jī)設(shè)計(jì)都必須有的部分。如圖3.3.1所示。圖3.3.1最小系統(tǒng)3.4驅(qū)動(dòng)部分此電路是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，我選用的是ULN2001芯片來驅(qū)動(dòng)的，ULN2001系列是一款高耐壓，大電流達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器，包含7個(gè)NPN達(dá)林頓管。如圖3.4.1所示。圖3.4.1驅(qū)動(dòng)部分3.5狀態(tài)指示部分狀態(tài)指示用P0口控制LCD的顯示，STA顯示的是轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，SPD顯示的是轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，RUN顯示的是機(jī)器是否運(yùn)轉(zhuǎn)，用它來表示步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)。如圖3.5.1所示。圖3.5.1狀態(tài)指示部分3.6按鍵部分本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的P2口來控制信號(hào)的輸入，所以把按鍵開關(guān)和P2口連接起來，當(dāng)按下開關(guān)KEY1時(shí)，相當(dāng)于給P2.0口一個(gè)低電平，開始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)按下開關(guān)KEY2時(shí)，相當(dāng)于給P2.1口一個(gè)低電平，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，相反則正轉(zhuǎn)；當(dāng)按下開關(guān)KEY3時(shí)，相當(dāng)于給P2.2口一個(gè)低電平，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如圖3.6.1所示。圖3.6.1按鍵部分3.7時(shí)鐘部分時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，可以通過提高時(shí)鐘頻率來提高CPU的速度，本次設(shè)計(jì)采用的晶振為12MHz。如圖3.7.1所示。圖3.7.1時(shí)鐘部分3.8復(fù)位部分根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。本例使用上電復(fù)位。如圖3.8.1所示。圖3.8.1復(fù)位部分3.9keil-uvision4簡(jiǎn)介及調(diào)試KeilC51是美國(guó)KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、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)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，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)令你事半功倍。2009年2月發(fā)布KeilμVision4，KeilμVision4引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺(tái)監(jiān)視器，并提供了視覺上的表面對(duì)窗口位置的完全控制的任何地方。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個(gè)窗口，提供一個(gè)整潔，高效的環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片，還添加了一些其他新功能。2011年3月ARM公司發(fā)布最新集成開發(fā)環(huán)境RealViewMDK開發(fā)工具中集成了最新版本的KeiluVision4，其編譯器、調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)與ARM器件的最完美匹配。C語言仿真如圖3.9.1所示。圖3.9.1keil-uVision調(diào)試3.10proteus仿真步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)Proteus仿真正轉(zhuǎn)局部圖。如圖3.10.1所示。圖3.10.1Proteus仿真正轉(zhuǎn)3.11proteus仿真步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)Proteus仿真反轉(zhuǎn)局部圖。如圖3.11.1所示。圖3.11.1Proteus仿真反轉(zhuǎn)3.12proteus仿真總圖與proteus簡(jiǎn)介以下是proteus仿真時(shí)的各種情況。1、速度1正轉(zhuǎn)。如圖3.12.1所示。圖3.12.1速度1正轉(zhuǎn)2、速度1反轉(zhuǎn)。如圖3.12.2所示。圖3.12.2速度1反轉(zhuǎn)3、速度1正轉(zhuǎn)停止。如圖3.12.3所示。圖3.12.3速度1正轉(zhuǎn)停止4、速度2正轉(zhuǎn)停止。如圖3.12.4所示。圖3.12.4速度2正轉(zhuǎn)停止5、速度3正轉(zhuǎn)停止。如圖3.12.5所示。圖3.12.5速度3正轉(zhuǎn)停止6、速度1反轉(zhuǎn)停止。如圖3.12.6所示。圖3.12.6速度1反轉(zhuǎn)停止7、速度2反轉(zhuǎn)停止。如圖3.12.7所示。圖3.12.7速度2反轉(zhuǎn)停止8、速度3反轉(zhuǎn)停止。如圖3.12.8所示。圖3.12.8速度3反轉(zhuǎn)停止9、速度2正轉(zhuǎn)。如圖3.12.9所示。圖3.12.9速度2正轉(zhuǎn)10、速度3正轉(zhuǎn)。如圖3.12.10所示。圖3.12.10速度3正轉(zhuǎn)11、速度2反轉(zhuǎn)。如圖3.12.10所示。圖3.12.10速度2反轉(zhuǎn)12、速度3反轉(zhuǎn)。如圖3.12.11所示。圖3.12.11速度3反轉(zhuǎn)Proteus軟件是英國(guó)Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件件中國(guó)。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)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，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年即將增加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等多種編譯器。4軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)開發(fā)軟硬件環(huán)境與其它的微處理器一樣，開發(fā)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制程序也需要一套完整的軟件和硬件開發(fā)工具。近年來，隨著以51單片機(jī)為內(nèi)核的單片機(jī)的不斷發(fā)展和普及，國(guó)外的一些公司紛紛推出了以51單片機(jī)為基礎(chǔ)的集成開發(fā)環(huán)境。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)是AT89C51。4.2系統(tǒng)程序框圖系統(tǒng)分為電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)、開始與轉(zhuǎn)速的幾部分組成，其主程序框圖如圖4.2.1所示。

主程序判斷正反轉(zhuǎn)判斷正反轉(zhuǎn)開始初始化判斷正反轉(zhuǎn)并xxxxxxian顯LCD1602初始化顯示基本字符判斷運(yùn)行速度并顯示KEY1是否按下顯示“OFF”顯示“ON”判斷是否為首次按鍵運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，并確定延時(shí)時(shí)間判斷正反轉(zhuǎn)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，并確定延時(shí)時(shí)間N Y NY N圖4.2.1系統(tǒng)程序框圖4.3系統(tǒng)程序C程序:#include"reg51.h"#include"intrins.h"#include"absacc.h"#definebusy0x80#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitRS=P2^3;sbitRW=P2^4;sbitE=P2^5;sbitKEY1=P2^0;sbitKEY2=P2^1;sbitKEY3=P2^2;ucharcodetab[8]={0x02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x09,0x01,0x03};uchartemp;voiddelay(uchark){uinti,j;for(i=0;i<k;i++){for(j=0;j<60;j++){;}}}voidtest_1602busy(){P0=0xFF;E=1;RS=0;RW=1;_nop_();_nop_();while(P0&busy){E=0;_nop_();E=1;_nop_();}E=0;}voidwrite_1602Command(ucharco){test_1602busy();RS=0;RW=0;E=0;_nop_();P0=co;_nop_();E=1;_nop_();E=0;}voidwrite_1602Data(ucharData){test_1602busy();P0=Data;RS=1;RW=0;E=1;_nop_();E=0;}voidinit_1602(void){write_1602Command(0x38);delay(5);write_1602Command(0x01);delay(5);write_1602Command(0x06);delay(5);write_1602Command(0x0F);delay(5);write_1602Command(0x0C);}voidDisplayOneChar(ucharX,ucharY,ucharDData){Y&=1;X&=15;if(Y)X|=0x40;X|=0x80;write_1602Command(X);write_1602Data(DData);}voiddisplay_1602(uchar*DData,X,Y){ucharListLength=0;Y&=0x01;X&=0x0F;while(X<16){DisplayOneChar(X,Y,DData[ListLength]);ListLength++;X++;}}voidmain(){uchari=0;uchardelay_v=100;ucharflag=0;P1=0xFF;P2=0xFF;init_1602();display_1602("STA:SPD:",0,0);display_1602("RUN:",0,1);while(1){if(KEY2==1)DisplayOneChar(4,0,'Z');elseDisplayOneChar(4,0,'F');if(KEY3==0){i++;i=i%3;while(KEY3==0){;}}switch(i){case0:delay_v=100;DisplayOneChar(13,0,'1');break;case1:delay_v=75;DisplayOneChar(13,0,'2');break;case2:delay_v=100;DisplayOneChar(13,0,'3');break;}if(KEY1==0){display_1602("RUN:on",0,1);if(flag==0){if(KEY2==1){temp=0;P1=tab[temp];flag=1;delay(delay_v);}if(KEY2==0){temp=6;P1=tab[temp];flag=1;delay(delay_v);}}if(KEY2==1){temp++;if(temp==8){temp=0;}P1=tab[temp];delay(delay_v);}if(KEY2==0){temp--;if(temp==0xFF){temp=7;}P1=tab[temp];delay(delay_v);}}elsedisplay_1602("RUN:off",0,1);}}5結(jié)論經(jīng)過為期兩周的學(xué)習(xí)和努力，本次設(shè)計(jì)順利完成，具體結(jié)論如下：1、采用單片機(jī)作為控制核心，利用其強(qiáng)大的功能，把按鍵電路和LCD顯示電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有機(jī)的結(jié)合起來，組成一個(gè)操作方便，交互性強(qiáng)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。2、通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成了全部的設(shè)計(jì)任務(wù)，具體功能如下：完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，能通過按鍵電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度控制；通過編程實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)能輸出四相八拍的脈沖控制序列。驅(qū)動(dòng)電路能提供12V，0.3A的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；整個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動(dòng)方向等都能通過LCD管顯示出來；整個(gè)的成果形式是最終以步進(jìn)電機(jī)控制電路板的形式展示出來了。3、在本設(shè)計(jì)中作為電機(jī)正常工作比較重要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，本設(shè)計(jì)中是采用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2001來實(shí)現(xiàn)的，其特點(diǎn)是成本低，可靠性高，出現(xiàn)問題容易維護(hù)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易等特點(diǎn)。4、在電機(jī)工作模式上本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的四相八拍種脈沖控制方式。后續(xù)工