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1、毕业设计题目：步进电机限制系统的设计及其应用学生：学号：学院：专业：指导老师:2015年6月18H步进电机限制系统的设计及其应用本设计通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机限制系统的相关科技文献,遵循好用、简洁、牢靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高,又须要限制要求比较高的限制系统.本次设计采纳单片机为限制核心，利用其强大的功能，把键盘和显示电路有机的结合起来,组成一个操作便利、交互性强的限制系统.而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校限制专业所要求的学问，有利于实践教学取得最大效果。键盘电路和显示电路采纳了动态扫描技术,节约了单片机资源.系统软件采纳结构化设计，具有易
2、维护性，依据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到肯定程度的提高.关键词：单片机，步进电机，中断DesignandApplicationofTheSteppingMotorControlSystemABSTRACTThisdesignthroughtheanalysisofstepintothemotorstructure,workingprinciple,refertothestepmotorcontrolsystemofscientificandtechnicalliterature,followingpractical,simple,reliableandlowcostp
3、rinciple,designacanbeusednotonlytotheaccuracyrequirementisnothigh,butcontroltheoccasionsthatneedtocomplete0Forthisdesign,therearethefollowingconclusions:Usingthesinglechipmicrocomputerasthecore,theuseofitspowerfulfeatures,thekeyboardanddisplaycircuitoftheorganiccombination,aconvenientoperation,inter
4、activeandstrongcontrolsystemoAndthetechnologyofthewholesystemincludesalmosttheknowledgethattheundergraduateschoolcontrolprofessionalrequired,anditishelpfulforthepracticeteachingtoachievethemaximumeffect.。Thekeyboardcircuitandthedisplaycircuitusethedynamicscanningtechnology,savingtheMCUresources.Thes
5、oftwareisstructuredandhastheeasymaintenance0Accordingtothenewrequestoftheuser,thesoftwaresystemcanbemodifiedtoimprovethefunctionofthesystem.Keywords:singlechipmicrocomputer,steppingmotor,interrupt.摘要IABSTRACTII1绪论1Ll设计背景11.2 步进电机及其发展21.3 探讨的内容32总体方案论证及设计42.1 步进电机原理及限制技术41 .1.1步进电机驱动方法620 I02步进电机的特点6
6、2.1o3AT89C51简介72oIo4ULN2003芯片概述及特点9202方案论证10203总体硬件组成框图103系统硬件设计113。1限制电路113.2 最小系统123.3 驱动电路123.4 显示电路图133.5 总体电路图134系统的软件设计144。1主程序设计144.2定时中断设计15403外部中断设计165系统调试及测试结果分析185.1 软件调试记录185.2 硬件调试记录186总结及展望22致谢23参考文献24附录I26附录H291绪论1o1设计背景单片机是现代电子技术、计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标记着现代电子系统时代的到来。采纳嵌入式系统集成器件，
7、将电子系统的设计从单纯的硬件设计变为智能化的硬、软件设计，从而使现代电子系统软硬结合，具有智能化、系统功能，具有柔韧性及激励-运行-响应等特点.目前,单片机的价格己很低廉，这使得单片机的应用更为广泛，因此就有可能比较普遍地应用微机来限制各类电机完成各种新奇的、高性能的限制策略，使电机的各种潜在实力得到充分的发挥，使电机的性能更符合运用要求，还可以制造出各种便于限制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简洁的电机微机限制，例如在适当的时刻让小型电动机起动、制动或反转之类,只要用微机限制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采纳带微机的可编程限制器，按
8、肯定的规律限制各类电动机的动作。至于困难的限制，则要用微机限制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指令精确工作。通过微机限制，可使电机的性能有很大的提高.例如传统的直流电机和沟通电机各有优缺点，直流电动机的调速性能很好，但带有机械换向器.有机械磨损及换向火花等问题,沟通电动机,不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简洁，工作也比直流电机牢靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能便利而又经济地调整.沟通电机采纳正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较志向的，但若要用一般的模拟电路或数电路完成这一任务，电路相当困难，用微机限制就简洁多了。若要进一步提高调速精度及动态性
9、能，可采纳矢量限制方案,它的调速性能将及直流电动机相当。但矢量限制比较困难,用传统的模拟电路或数电路很难做到，而应用微机限制则能便利地实现。单片机品种繁多，就应用状况看，应用最广者当属Intel公司的MCS-51系列8位机。在PhiliPS等公司推出新一代80C51系列单片机后，各种型号的80C51层出不穷。51单片机是对全部兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Imel的8031单片机，后来随着FIaShrOm技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统中。很多公司都
10、有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种.须要留意的是52系列的单片机一般不具备自编程的实力。近年，由于CHMOS技术的进步,大大地促进了单片机的CMoS化。CMe)S芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的缘由。因为单片机芯片多数是采纳CMoS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采纳双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大.随着技术和工艺水平的提高,又出现了HMO
11、S（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺CHMOS和HMOS工艺的结合.目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns,它的综合优势已在于TTL电路.因而，在单片机领域CMOS正在渐渐取代TTL电路tl3单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体,其内部总线包括地址总线、数据总线和限制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时供应地址,CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU及存储器或I/O接口之间,或存储器及外设之间交换数据；限制总线包括CPU发出的限制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。考虑到经济和牢靠性的要求，本设计中采纳
12、AT89C51单片机，它宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机。是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。K2步进电机及其发展步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Stepmotor或Steppingmotor,Pulsemotor,Stepperservo,StePPer等等。目前，随着电子技术拉制技术以及电动机本体的发展和变更，传统电机分类间的界面越来越模糊。这是机电一体化元件组件的必定趋势。就传统的步进电机来说，可以简洁地定义为,依据输入的脉冲信号，每变更一次励磁状态就前进肯定角度（或长度），若不变更励磁状态则保
13、持肯定位里而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号限制的无刷式直流电机，也可看作是在肯定频率范围内转速及限制脉冲频率同步的同步电机。步进电机的机理是基于基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后起先以限制为目的的尝试，应用于氮弧灯的电极输送机构中.这被认为是最初的步进电机。此后,在电话自动交换机中广泛运用了步进电机.不久又在缺乏沟通电源的船泊和飞机等独立系统中广泛应用.步进电机是一种感应点击，它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的，多相时序限制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序
14、限制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象一般的直流电机,沟通电机在常规下运用。它必需由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成限制系统方可运用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等很多专业学问。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化限制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量及日俱增，在各个国民经经济领域都有应用。20世纪60年头后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种好用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机快速地发展并成熟起来,从发展趋一直讲，步进电
15、机己经能及直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。传统的步进电机一般可分为永磁式步进电机(PMStePMotor),反应式步进电机(VRStePMOtOr)和混合式步进电机(HybridStePMotor)三种。永磁式步进电机类似于永磁转子的同步电机，转子上安装有永磁体，但定子一般为集中式绕组。反应式步进电机靠变磁阻原理运行，没有永磁体。混合式步进电机最初是作为一种低速驱动用的沟通同步电机而设计的，后来发觉假如各相绕组通以直流脉冲，这种电机也能步进运动。它的转子嵌有轴向充磁磁钢，主要依靠定转子磁场相互作用产生转矩，由于它特殊的结构，它的步距角远小于永磁式步进电机，也可
16、看成是一种极对数很多的永磁式转子同步电机。我国步进电机的探讨及制造始于本世纪50年头后期。从50年头后期到60年头后期，主要是高等院校和科研机构为探讨一些装置而运用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年头初期,步进电机的生产和探讨有所突破.除反映在驱动器设计方面的长足进步外,对反应式步进电机本体的设计探讨发展到一个较高水平.70年头中期至80年头中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年头中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量探讨工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。自本世纪中叶，步进电机的应用渗进到数限制的各个领域，尤其在(数控)机械中广
17、泛利用其开环拉制的特点。近十几年来，步进电机在FA机器(FactoryAutomation)和计算机外部设备等领域作为限制用电动机和驱动用电动机而广泛运用。U3探讨的内容本论文探讨的是反应式步进电机驱动限制系统，采纳的方法是利用单片机限制步进电机的驱动。步进电机是一种将电磁脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接受到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转式以固定的角度一步一步运行的.可以通过限制脉冲个数来限制角位移的量，从而达到精确定位的目的；同时可以通过限制脉冲频率来限制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。并且以MCS51系列单片机89为核心限制器，
18、采纳分频和频率选择限制电机速度,采纳细分驱动限制方式，选用8713脉冲安排器，它可以驱动三相、四相反应式步进电动机I。本设计内容主要是基于单片机的反应式步进电动机驱动限制系统软件设计，包括限制部分硬件设计、驱动部分硬件设计、电源供电部分的设计和系统软件部分设计。2总体方案论证及设计2.1步进电机原理及限制技术由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能干脆接到交直流电源上，而必需运用专业设备-一步进电机限制驱动器，典型步进电机限制系统如图2-1所示：图21步进电机运行过程中频率变更曲线限制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变更的脉冲信号,它为环形安排器供应脉冲序
19、列，环形安排器的主要功能是把来自限制环节的脉冲序列按肯定的规律安排后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动,环形安排器主要有两大类:一类是用计算机软件设计的方法实现环形安排器要求的功能,通常称软环形安排器。另一类是用硬件构成的环形安排器,通常称硬环形安排器。功率放大器主要对环形安排器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本限制包括转向限制和速度限制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：(a)换相依次的限制通电换相这一过程称为脉冲安排。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电
20、依次为A-B-CA,通电限制脉冲必需严格依据这一依次分别限制A、B、C相的通断。三相双三拍的通电依次为AB-BC-CA-AB,三相六拍的通电依次为AfAB-B-BCfC-CAfA。(b)步进电机的换向限制假如给定工作方式正序换相通电，步进电机正转.若步进电机的励磁方式为三相六拍，即A-AB-BBCfC-CA-A.假如按反序通电换相，即AfACfC-CB-BBA-A,则电机就反转。其他方式状况类似。步进电机换向时,肯定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机.换向信号肯定要在前一个方向的最终一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其
21、有肯定的脉冲宽度、脉冲序列的匀称度及凹凸电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速*换向f加速3个过程。(c)步进电机的速度限制假如给步进电机发一个限制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。(d)步进电机的起停限制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机限制脉冲的上升沿和下降沿采纳细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采纳合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电
22、机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。步进电动机不能干脆接到工频沟通或直流电源上工作，而必需运用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生限制单元、功率驱动单元、爱护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机限制来实现。(e)步进电机的加减速限制在步进电机限制系统中，通过试验发觉，假如信号变更太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变更，这时就会产生堵转和失步现象。全部步进电机在启动时，必需有加速过程，在停止时波形有减速过程。志向的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程频率变更规律是整个加速过程频率变更规律的逆过程.选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机
23、的有效转矩,快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的限制系统中,要依据负载的状况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率，于此类似“停止频率”是指系统限制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速限制.加速过程有突然施加的脉冲启动频率ft)o步进电机的最高启动频率(突跳频率)一般为0.1KHZ至U34KHz,而最高运行频率则可以达到N*102KHz,以超过最高启动频率的频率干脆启动，会产生堵转和失步的现象【26。在一般的应用中,
24、经过大量实践和反复验证，频率如按直线上升或下降,限制效果就可以满意常规的应用要求.用PLC实现步进电机的加P减速限制，实践上就是限制发脉冲的频率。加速时,使脉冲频率增高，减速则相反。假如运用定时器来限制电机的速度，加减速限制就是不断变更定时中断的设定值。速度从vlv2变更,假如是线性增加,则按给定的斜率加减速;假如是突变，则按阶梯加速处理。在此过程中要处理好两个问题:(f)速度转换时间应尽量短.为了缩短速度转换的时间，可以采纳建立数据表的方法.结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率，就可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初始表.通过在不同的阶段调用相应的定时初值，就可限制电机的
25、运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的，并不占用中断时间，保证电机的高速运行。(g)保证限制速度的精确性。要从一个速度精确达到另一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。2.1o1步进电机驱动方法恒电压驱动方式(单电压驱动方式；凹凸压驱动方式)恒电流斩波驱动方式(自激式恒电流斩波驱动方式；由于斩波率时可变的，容生振荡，牢靠性较低,它激式恒电流斩波驱动方式，限制信号有时会丢失)细分驱动方式(步距角变小，辨别率提高，提高了电机的定位精度,启动性能和高频输出转矩,减弱和消退了步进电机的低频振动)2oK2步进电机的特点(a)步进电机的角位移及输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后,没
26、有累计误差,具有良好的跟随性.(b)由步进电机及驱动电路组成的开环数控系统，既特别便利、廉价,也特别牢靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。(c)步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。(d)速度可在相当宽的范围内平滑调整，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而干脆驱动负载.(e)步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,它不能干脆用沟通电源或直流电源。该设计采纳了28BYJ-48型步进电机,该电机为四相步进电机，采纳单极性直流电源供电.只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机转动.当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并及转子形成磁路，
27、这时，假如定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下,由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动肯定的角度，使转子及定子的齿相互对齐，由此可见,错齿是促使电机旋转的缘由。目前,对步进电机的限制主要有分散器件组成的环形脉冲安排器、软件环形脉冲安排器、专用集成芯片环形脉冲安排器等。本设计利用单片机进行限制，主要是利用软件进行环形脉冲安排。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式.本设计的电机工作方式为四相单四拍，依据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲安排规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高,其转速就越快,但脉冲频率高到肯定程度，步进电
28、机跟不上频率的变更后电机会出现失步现象,所以脉冲频率肯定要限制在步进电机允许的范围内。步进电机自身的噪声和振动比较大,带惯性负载的实力强.单片机在进行实时限制和实时数据处理时,须要及外界交换信息。人们须要通过人机对话，了解系统的工作状况和进行限制。单片机芯片及其它CPU比较，功能虽然要强得多,但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内RoM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时须要加以扩展，以适应不同的工作状况.单片机应用系统依据系统扩展和系统配置的状况,可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简洁配置的系统。
29、这种系统成本低廉、结构简洁,常用来构成简洁的限制系统，如开关量的输入/输出限制、时序限制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对及片内没有芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPRoM或RoM作为程序存储器运用。单片机应用系统依据系统扩展和系统配置的状况,可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简洁配置的系统。这种系统成本低廉、结构简洁，常用来构成简洁的限制系统,如开关量的输入/输出限制、时序限制等.对于片内有ROM/E
30、PR0M的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对及片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器运用。2. U3AT89C51简介AT89C51含EROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统,防止E2PR0M中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E2PROM容量可达20K字节).AT89C51是一种带4K字节闪耀可编程可擦除只读存储器(FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低
31、电压，高性能CMc)S8位微处理器，俗称单片机。该器件采纳ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，及工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪耀存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微限制器,为很多嵌入式限制系统供应了一种敏捷性高且价廉的方案。(a)主要特性： 及MCS51兼容 4K字节可编程闪耀存储器 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM5个中断源 片内振荡器和时钟电路(b)管脚说明：VCC:供电电压。GND:接地.PO口：PO口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可汲取8TTL门电流。当Pl口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
32、PO能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，PO口作为原码输入口，当FlASH进行校验时,PO输出原码,此时PO外部必需被拉高。Pl口：Pl口是一个内部供应上拉电阻的8位双向I/O口，Pl口缓冲器能接收输出4TTL门电流。Pl口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入，Pl口被外部下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的原因.在FLASH编程和校验时，Pl口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时,
33、P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的原因。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位.在给出地址“1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容.P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和限制信号.P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的原因。P3.0RXD（串行输入口）P3。ITXD（串行输出口）P3o2
34、/INTO（外部中断0）P3.3/INTl（外部中断1）P3。4TO（记时器0外部输入）P3o5Tl（记时器1外部输入）P3o6/WR（外部数据存储器写选通）P3o7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪耀编程和编程校验接收一些限制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平常间.ALE/PROG：当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲.在平常,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的l60因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要留意的是：每当用作外部数
35、据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0.此时，ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效.PSEN：外部程序存储器的选通信号.在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效.但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平常,则在此期间外部程序存储器(OOoOH-FFFFH),不管是否有内部程序存储器.留意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平常，此间内部程序存储器。在FLASH编程期
36、间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)OXTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。(c)I/O口引脚:a：PO11,双向8位三态I/O口,此口为地址总线(低8位)及数据总线分时复用；b:Pl口，8位准双向I/O口；c：P2口,8位准双向I/O口，及地址总线(高8位)复用；d：P3口,8位准双向I/O口，双功能复用口。(d)振荡器特性：XTALl和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采纳。如采纳外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此
37、对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必需保证脉冲的凹凸电平要求的宽度。(e)芯片擦除：整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的限制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平IOms来完成.在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必需被执行.此外，AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式.在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM,定时器,计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。2.1o4ULN2003芯片概述及特点ULN2003
38、芯片是高耐压、大电流达林顿阵列,由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的实力，为单片双极型大功率高速集成电路。功率电子电路大多要求具有大电流输出实力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。ULN2003芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件t27jO步进电机驱动电路的工作过程是：首先从Pl口输出00000001B,由于单片机及ULN2003连接只用到了PIOPL3,所以ULN2003及单片机连接的四个管脚中每时刻只有一个管脚处于导通状态（采纳单拍方式对步进电机限制），其他管脚处于断开状态。这样就
39、使得及ULN2003连接的步进电机只有一个引出端导通。2o2方案论证从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向,速度应当有增减变更，通常用加减按钮限制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线盒一根启动信号线共须要4根输入线.系统的输出线及步进电机的绕组数有关。这里选进电机，该电机共有四相绕组，工作电压为+5V,可以个单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组用Pl口的Pl。0P1.3限制，由于Pl口驱动实力不够,因而用一片2803增加驱动实力用PO口限制第一数码管用于显示正反转，用P2口限制其次个数码管用于显示转速等级。数码管采纳共阳的.2o3总体硬件组成框图总体硬件组成框图如图2-4所示
40、。3系统硬件设计本设计的硬件电路只要包括限制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分.最小系统只要是为了使单片机正常工作。限制电路只要由开关和按键组成，由操作者依据相应的工作须要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。3o1限制电路依据系统的限制要求，限制输入部分设置了启动限制，换向限制，分别是Kl、K2、K3,限制电路如图31所示。通过KI、K2状态变更来实现电机的启动和换向功能.K4、K5的状态变更来实现加速和减速的功能。当KI、K2的状态变更时，内部程序检测Plo0和P1.1的状态来调用相应的启动和换向程序，
41、发觉系统的电机的启动和正反转限制。U1-2-POQfAOO P0.1XAD1 P0.2.AD2 POaAD3 P0.4/AD4 PoSA05 P0.6,D6 P0.7/AD7P2A8 P2.1/A9P22/A10 P23,A11 P2A(A12 P2,A13 P26A14 P2.7/A15P3RXD P3.xo P3.2,1nTo P3.3Wff P3 7W121380C51图31限制电路原理图依据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的限制主要是通过限制通入电机的脉冲频率,从而限制电机的转速.对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速限制主要是通过定时器的中断来实
42、现的，该电路限制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而限制外部中断依据按键次数，变更速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数）,这样就变更了步进电机的输出脉冲频率，从而变更了电机的转速。3o2最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统,素养用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应当包括：单片机、复位电路、晶振电路。复位电路：运用了独立式键盘，单片机的PI键盘的接口。该设计要求只需3个键对步进电机的状态进行限制，但考虑到对限制功能的扩展，运用了6路独立式键盘。复位电路采纳手动复位，所谓手动复位,是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态,晶振
43、电路用22PF的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路供应时钟频率。如图3-27j.晶振电路：8951单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTALl和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器,就构成了内部晶振方式.由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图3-2示。其电容值一般在530pf,晶振频率的典型值为12MHz,采纳6MHz的状况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，好用电路好用较多。U1,XlALlP0.0/AD0P0.1/AD118P0.2/AD2X
44、1AL2P0.aAD3P0.47AD4PO.51AD5P0.6,AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.VA9P2.2/A10PSENP2,WA11ALEP2.4/A12EP2.5,A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3,RDP1.1P3.1/TXDP12P3.2/INT0PIJP3.3,iRT7P1.4P3.4IDP1.5P3.iP1.6P3,6WRP1.7P3.77RD80C51图3-2复位刚好钟振荡电路3o3驱动电路通过ULN2003构成比较多的驱动电路，电路图如图3-3所示.通过单片机的Pl.OPL3输出脉冲到ULN2003的1B7B口，经信号放大后从1C4C口分别
45、输出到电机. XlAldXIAL2RST1B23B4B5B67B COM1C2C3C4C5C6C7CPO.Q,ADOPO.1AD1P0.2-AD2P0.3AD3POAAD4P0.5,AD5PoGAD6P0.7,AD7P2.0,A8P2.VA9P22A10P2.3,A11P2.4,A12P25三,A13P2.6A14P27A15P3.RX0P3.1XOP3.a三TP33lKiTTP3AOOP3.T1P3.aWRP3.7.TO图3-3步进电机驱动电路3oX1AL1XTAL2RST1829PSEN ALE 歌QJ.23456.7 P1P1P1P1P1P1P1P1PO.O/ADOPO.1AD1P0.2
46、AD2P0.aAD3P0.4AD4P0.5AD5PO6AD6P0.7AD7P2.0A8P2.1A9P2.2A10P2.3A11P2.4A12P2.5A13P26A14P2.7A15P3.0RDP3.1TXDP3.2iNTP3.3,iTTTP3.4DP3,5.iP3.,WSP3.7而3.5总体电路图把各个部分的电路图组合成总电路图，如附录2所示。4系统的软件设计通过分析可以看出，实现系统功能可以采纳多种方法,由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采纳中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满意课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断O和外部中断1部分，其中主程序的主要
47、功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测,若启动开关合上则系统起先工作,反之系统停止工作;定时器部分限制脉冲频率，它确定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成变更速度这一功能。下面分析主程序及定时器中断程序及外部中断程序。4.1主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测推断等.步进电机限制系统的软件须要同时完成读取键盘、处理键盘、限制步进电机转动、这就必需通过中断技术来实现。在本设计中，主程序采纳查询方式扫描键盘端口，检测按键动作是否发生,若有按键动作则处理键盘,依据按键值修改相应参数值，实现键盘的实时处理功能。定时器O中断服务程序限制步进电机的转动：依据当前显示的速度进行键盘手动变更TO定时时间常数,设置THO和TLo的值，达到对转速精确限制的目的；依据转动方向限制位的值，限制脉冲信号循环移动的方向，达到对转动方向限制的目的.说明如下：(a)单片机接受键盘信息，变更系统内部变量值.(b)单片机输出脉冲信号，限制步进电机转动。(C)单片机依据步进电机实际转动值，在系统完成后测试系统，检查硬件和软件是否能够协调运行，并对系统出现的状况进行分析，看是否能够达到系统创作之初所设想的效果，如达不
