步進電機運動系統(tǒng)方案設計#(精選.)

1、步進電機運動系統(tǒng)方案設計學院：職業(yè)技術學院專業(yè)：09機電一體化姓名：樂治后學號：092103010013指導老師:余德艷設計時間：2011.5.27-6.1步進電機運動系統(tǒng)方案設計一、概述隨著工業(yè)水平的提高，市場競爭的激烈，人民需求的巨大變化，各行各業(yè)對其自己產品質量的要求也更加嚴格，提高生產效率，擴大產品原材料的來源，降低生產成本也是生產廠家非常重視的方面。而生產效率的提高，就必須在改進生產設備上來實現(xiàn)。對于制造行業(yè)來說更是如此，于是基于P89C668單片機的步進電動機運動控制系統(tǒng)的研發(fā)就成了本次畢業(yè)設計的課題。二、硬件的選型本設計硬件選型包括步進電動機選型和P89C668單片機的選型，現(xiàn)對

2、它們的特點和功能分別描述如下。（一） 、步進電動機1、步進電動機簡介步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。 隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與同俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機又稱電脈沖馬達，它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。其特點是：轉子的角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步， 因此可以通過改變輸入電脈沖的頻率來實現(xiàn)調速：由于其轉軸的輸出的角位移量與輸入的脈沖數成正比，于是可以通過控制脈沖個數來控制步進電動機的角位移量。步進電動機有利于裝置或設備的小型化和低成本，而且很容易

3、用微機實現(xiàn)數字控制。因此， 廣泛應用于眾多的領域中并得以不斷的發(fā)展，并實現(xiàn)機電一體化和自動化。隨著混合式步進電機的產生和應用，其輸出功率和力矩不斷增加，成本與價格卻不斷降低，為步進電機的推廣應用打下了良好的基礎。步進電動機的應用領域十分廣泛，在機械、冶金、電力、電子、儀表、輕工，以至醫(yī)療、印刷等行業(yè)都有使用。例如：計算機的外設、辦公自動化中的打印機、傳真機的送紙機構、數控機床，記數指示裝置，閥門控制，紡織機，等均有應用。一般都用在工作難度較高，工作條件較差，或要求速度快、精度高的場合。隨著大功率器件品質的提高，步進系統(tǒng)正在穩(wěn)步進入普通功率甚至大功率的工業(yè)領域。2、步進電動機的特點步進電動機具有

4、轉矩大，慣性小，響應頻率高的優(yōu)點。另外還有以下特點：1 .步進電機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動、電流的大小不波形的變化、溫度動）的影響，只要在他們的大小未引起步進電機產生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影 響其正常工作；2 .步進電機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數以后也會出現(xiàn)累計誤差，但轉子轉過一轉以后，其累計誤差為“零”，不會長期積累，因此輸出的轉角或位移精度高；3 .控制性能好。在起動、停止、反轉時不易“丟步”。步進電動機通常不用反饋就能對位移或速度進行精確控制，因此被廣泛應用于開環(huán)結構（有時也在閉環(huán)機電控制系統(tǒng)中應用 ） 的機電一體化系統(tǒng)中，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精

5、度。4 .采用直接數字控制性能好。步進電機是根據脈沖個數決定旋轉角度的，單片機只需 記住脈沖個數就能計算出電機的旋轉角度，從而計算出被控對象的行進距離。省去了路程檢測模塊，從而簡化了設計。出于可以用數字信號直接控制，因此很容易與微型機算計相連接實現(xiàn)機電一體化控制。步進電機的特征：優(yōu)點缺點不需要反饋控制，電路簡單效率低容易與微型機算計連接谷勿引起失步停止時有保持轉矩有時發(fā)生震蕩現(xiàn)象維護方便，價格便宜5 .步進電動機具有白鎖能力 （變磁阻式）和保持轉距（永磁式）。6 .步進電動機的動念 H向應快，易于起停、證反轉及變速。速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速情況下仍能保證獲得很大轉矩，因此一般利用不

6、用減速器而直接驅動負載。步進電動機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取響 應的措施。3、步進電機的工作原理分析步進電機主要是有定子和轉子構成。定子的主要結構是繞組， 三相、四相、五相步進電word.機分別有3 個、 4 個、 5 個繞組，其他依此類推。繞組按一定的通電順序工作，這個通電順序稱為“相序”。轉子的主要結構是磁性轉軸，當定子中的繞組在相序信號作用下有規(guī)律的通電、 斷電工作時，轉子周圍就會有一個按此規(guī)律變化的電磁場，因此一個按規(guī)律變化的電磁力就會作用在轉子上，轉子總是力圖轉動到磁阻最小的位置，正是這樣

7、，使得轉子按一定的步距角轉動，使轉子發(fā)生轉動。步進電動機的工作狀態(tài)由控制信號實現(xiàn)，在步進電動機的單片機控制中，控制信號由單片機產生，其基本控制方式如下：1 相序控制方式步進電動機的通電換相順序嚴格按照步進電動機的工作方式進行，通常我們是把通電換相這一過程稱為脈沖分配。現(xiàn)以四相步進電動機為例分析四相步進電動機的工作方式：四相步進電動機的工作方式有三種：四相單四拍，四相雙四拍，四相單雙八拍。 “單”、“雙”、 “拍”的意思是： “單”指每次切換前后只有一相繞組通電， “雙”指的是每次有兩相繞組通電：而從一種通電狀態(tài)轉換到另一種通電狀態(tài)就叫作一“拍”。(1) 四相單四拍步進電動機的工作原理，其實就是

8、電磁鐵的工作原理。又環(huán)形分配器送來的脈沖信號，對定子繞組輪流通電，設先對A相繞組通電，B、C、D三相都不通電。由于磁通具有力圖沿磁阻最小路徑通過的特點，因此在A極附近的轉子就只受到徑向力的作用而無切線力，故轉矩為零，轉子被鎖定在這個位置上。此時B、C D三相的定子齒則和轉子齒在不同的方向各錯開 360°/(k*m*z)的角度，其中k表示通電方式，當為單拍時取k=1 ,雙拍日取k=2; m為定子繞組的相數；z為轉子的齒數。隨后 A相斷電，B相控制繞組通電， 則轉子就和B相定予齒對齊，轉子順時針方向旋轉 360°/(k*m*z)的角度。然后使B相斷電， C相通電，同理轉子又沿順

9、時針方向旋轉360 /(k*m*z)的角度。轉子就按照A B-C-D-A的旋轉順序運動下去。(2) 四相雙四拍工作方式原理當步進電動機按照 AB-BC-CD-DA-AB的順序通電，則就成了四相雙四 拍工作方式。其工作原理與四相單四拍相同，此處不進行詳細說明。(3) 四相單雙八拍工作方式原理當步進電動機按照AB-BC-CD-DA-AB的順序通電時，則就成了四相單雙八拍工作方式。其工作原理為：當 A和B通電時轉子穩(wěn)定位置將會停留在A B兩定子磁極對稱的中心位置上。因為每一拍，轉子轉過一個步距角。依次順序通電，則步進電動機沿一定的方向旋轉。 word.2 轉向控制方式如果按給定的工作方式正向順序通電

10、換相，步進電動機就F 轉；如果按相反的順序通電換相，則電動機就反轉。例如，步進電動機先前的工作方式為A B-C- AA此時，步進電動機按順時針旋轉。 若改為A- AC-B A時，則步進電動機的轉向與原來相反， 即， 逆時針旋轉。步進電動機工作時的通電控制脈沖，必須嚴格按照步進電動機所要求完成的工作方式進行順序控制。4、步進電動機的驅動要使步進電動機輸出足夠的轉矩，就必須采用功率驅動器對控制信號進行放大以驅動負載工作。步進電動機的功率驅動電路有多種，可以用晶體管驅動電源，高頻晶閘管驅動電源等；驅動電源可以是單電壓驅動、高低電壓驅動、高頻調壓驅動、以及細分驅動等。下面介紹幾種典型驅動電路：1 單電

11、壓驅動電路，它是驅動電路的一種，其工作原理是：當輸入的信號為低電平時，一級放大三極管的發(fā)射級的電壓為負，此時功率管截止。當輸入的為高電平時，一級放大三極管的發(fā)射級的電壓為正，此時功率管飽和導通，步進電動機的響應相的繞組中有電流。只要某相為邏輯高電平，相應的相便導通。在這種驅動電路中為了防止電機過流及改善驅動特性，需要串接限流電阻。由于步進電機鎖步時，限流電阻要消耗掉大量的功率，因此限流電阻要有較大的功率容量，并且開關管也要有較高的帶載能力。此種驅動電路中的電阻較多，功率消耗大，電源的效率低。2 高低電壓驅動電路，為了改善步進電動機的頻率響應，改善激磁電流的波形，一種方法是提高電流上升時間段的激

12、磁電壓，當電流上升到一定值后，再將激磁電壓減為額定值。即在步進電動機移步時，加額定或超過額定值的電壓，以便在較大的電流驅動下，使電機快速移步； 而在鎖步時，則加低于額定值的電壓，只讓電機繞組流過鎖步所需的電流值。這樣，既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機的運行速度，但這種驅動方式的電路要復雜一些。驅動脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實現(xiàn)?，F(xiàn)在，脈沖分配器已經標準化、芯片化。步進電機控制（ 包括控制脈沖的產生和分配） 也可以使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也降低了成本。使用單片機以軟件方式驅動步進電機，不但可以通過編程方法，在一定范圍內自由設定步進電動機的轉速、

13、往返轉動的角度以及轉動次數等， 而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅動器。采用高低電壓驅動電源，步 進電動機繞組不需要串電阻，電源功率損耗較小。3 斬波型驅動電路，這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對繞組電流的檢測，控制功放管的開和關，使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終在規(guī)定值上下，來使步進電動機工作。(二)、 單片機選型如今單片機種類的繁多為選用帶來很大不方便，根據本畢業(yè)設計的實際需求，有兩種類型 (8031 和增強型8051) 比較適合。因此， 有必要對他們作簡要介紹，以選擇其一?，F(xiàn)對

14、8031作簡要介紹。1、 803l 單片機介紹8031 單片機是MCS-5l 系列單片機的一種基本產品，現(xiàn)對其進行簡單描述，如下： 8031單片機有一個8位的CPU 一個128字節(jié)RAM 21個特殊功能寄存器，4個8位 并行 I 0 端口， 1 個全雙工異步串行端口，2 個 16 位定時器計數器，5 個具有優(yōu)先級別的中斷源。 在8031外接一片程序存儲器后，就構成了一個具有完整功能的微機應用電路。 在軟件方面，當8031的晶振頻率為12MHz寸，指令周期為1 s,絕大多數指令執(zhí)行 時間為12(is,最長4(1 s。 大部分指令為1字節(jié)或2字節(jié)，最長3字節(jié)。 此外，8031所具有的乘除法指令，多

15、種形式的位操作類指令和邏輯運算指令也是獨具特色的。 8031單片機有4個存儲器空間，分別安排4種不同功用的存儲器：(1) 內部數據存儲器，集成于片內，統(tǒng)一編址。(2) 特殊功能存儲器，集成于片內，統(tǒng)一編址。(3) 程序存儲器，安排在片外，單獨編址。(4) 外部數據存儲器，安排在片外，單獨編址。2、P89C668單片機( 1 ) 描述P89C660 662 664 668 單片機內帶6KB 32KB 64KB 64KB F1ash 存儲器，該存儲器既可并行編程，也可以串行在系統(tǒng)編程(ISP) 。 在實際的成型產品中，可通過ISP 升級用戶程序。在Boot ROMg序中，可通過一個默認的串行下載器

16、(UART)對Flash存儲器作ISP編程，而在Flash代碼區(qū)中并不需要有調用下載器的代碼，用戶程序可通過調用在BootROMfr的標準子程對Flash 存儲器擦寫和再編程即(IAP) 。該器彳在6個時鐘周期內執(zhí)行一條指令，是傳統(tǒng)的80C51的兩倍。一個0TP結構位讓用戶選擇傳統(tǒng)的12 個時鐘周期。其指令集和80C51 相同。它有四個8 位 I 0 口，三個16 位定時器/事件計數器，多中斷源，四個優(yōu)選級，可嵌套中斷結構，一個增強型UARE口片內振蕩器以及時序電路。P89C660 662 664 668新增特性使其成為一個功能強大的單片機，為某些應用提供FWM ，高速的I 0 和加減計數，如

17、汽車控制。 2) 2) 特點使用80C51中央處理單元，具有片內可 ISP和IAP編程的Flash存儲器，BootROM包括 底層的Flash編程子程序用于經過 UARTF載，可IAP編程，可用兼容 87C51硬件接口的并 行編程器編程。每個機器周期6 個時鐘周期操作標準，每個機器周期12 個時鐘周期操作可選, 在每個機器周期6個時鐘周期下速度高達20MHz相當于40MHz性能在每個機器周期 12個時鐘周期下速度高達33MHz。完全靜態(tài)操作，RAMR"外部擴展到64K字節(jié)，4個中斷優(yōu)先級，8個中斷源，4個8位I /O 口。全雙工增強型 UAIH包括楨錯誤檢測和自動地址識別。功耗模式控

18、制，包括時鐘可被中止和繼續(xù)，空閑模式，掉電模式。可編程的時鐘輸出，兩個DPTRt存器，端口異步復位 1,低EMI禁止AIE, PC串行接口?？删幊痰挠嫈灯麝嚵?PCA包括PWM口捕捉/比較兩部分，非常適合IPMI應用。綜合以上可知，選擇增強型 8051(P89C668)單片機較適合。現(xiàn)對 P89C668單片機的重點 功能描述如下。 3) . P89C668重點功能描述定時器/計數器。和1 ：2 個 16位定時器計數器：定時器0 和定時器1。兩者可配置成定時器或事件計數器。用作定時器功能時，每經過一個機器周期，寄存器加 l 。因此，可以將一個機器周期看作計數周期。由于一個機器周期由6 個振蕩周期

19、組成，所以，定時器的計數率為1 6 振蕩 頻率。用作計數器功能時，每當外部計數管腳，T0或T1,發(fā)生一次1到。的跳變，寄存器加 1。此功能中，外部輸入腳每個機器周期被采樣一次。當在一個周期內采樣為高而下一個周期內采樣為低時，計數值增加1。新的計數值在檢測到跳變的周期的下一周期出現(xiàn)在寄存器中。由于識別1 到 0 的跳變， 要占用 2 個機器周期（12 個振蕩周期） ，因此最大計數速率為1 12 振蕩頻率。外部輸入信號的占空比不受限制，但為了保證給定電平能在改變之前被檢測到，外部輸入信號的狀態(tài)至少要保持一個完整的機器周期。除了定時器或計數器的選擇外，定時器 0 和定時器1 還有 4 種工作模式可供

20、選擇。定時器和計數器功能通過特殊功能寄存器TMOD勺C/T位米選擇。兩個定時器/計數器都有4種工作模式，由TMOD勺兩位（M1, M0）進行選擇。（三）、 ISP 功能介紹系統(tǒng)內編程（ISP In System Programming） 功能是P89C668增強型8051單片機的特 色之一。ISP是指電路板上的具有該功能的單片機（例如：P89C668）可以編程寫入最終用戶程序代碼，而不需要從電路板上取下該器件。同時，已經編程的單片機也可以用：ISP 方式進行擦除并可以實現(xiàn)再次編程。在 ISP 模式下得電時，可以進行ISP 操作， 在 ISP 模式下單片機通過串行端口與外部主機如PC機或終端通信

21、。單片機從主機接收命令和數據用于擦除和再編程代碼存儲區(qū)等等。 當 ISP 操作結束時，應重新配置單片機這樣才能正常進行下一次操作。ISP 的工作，是通過兩個特殊的寄存器：Boot Vector 引導向量和Status Byte 狀態(tài)字節(jié)的配置來實現(xiàn)的。系統(tǒng)復位失敗時.MCLJ檢測Status Byte 的內容。如果 Status Byte為 0 時，系統(tǒng)上電復位后執(zhí)行從地址0000h 處開始，用戶應用程序當Status Byte 的內容大于0時，Boot Vector的值作為執(zhí)行程序的地址高位字節(jié)，低位字節(jié)為00H。工廠的缺省設置是Boot Vector 等于0FCH,也就是說，Boot Ve

22、ctor 內容工廠掩模 ROM勺ISP Boot ROM 的地址為0FC00H用戶可以修改 Boot ROM的Boot Vector 內容。注意：當擦除 Status Byte 或 Boot Vector ，兩個同時也被擦除。在擦除和修改Status Byte后必須對Boot Vector 再編程。在復位失敗時，boot loader 在下列情況下也會被執(zhí)行：保持PSENK;低電平EA 管腳電壓大于VIHP2.6 和 P2.7 是高電平或是懸浮上電復位時ALE為高電或懸浮，非零的情況相同，這樣可以使系統(tǒng)正常執(zhí)行最終用戶程序，也可手工迫使系統(tǒng)進入ISP操作。ISP的特性是可以使閃速 EPROM1

23、過串行端口進行編程。ISP 允許使用較寬范圍的波特率，而與振蕩頻率無關，因此可以通過檢測接收一個字符的時問來實現(xiàn)。ISP操作時，需要傳送一個初始字符（大寫字母U）到P89C668,以確定波特率。 ISP 固件能在接收到字符后自動回應。表示數據記錄，“ 0l ”表示文件結束標志。在 ISP 應用中，還用到其它的記錄類型表明命令或數據。當P89C668接收到一個記錄，記錄中的信息則在內部貯存起來，并且完成校驗和的計算。接收到整個記錄之后，才執(zhí)行表示記錄類型的操作。對于數據類型的記錄（ 記錄類型為00） 則要進行一個額外檢測。當記錄中的校驗和與計算中的校驗和相符，而且記錄中所有字節(jié)都被成功編程的情況

24、下，單片機才發(fā)送字符。三、 開發(fā)工具（一）、n Vision2 簡介Keil C51 Vision2 集成開發(fā)環(huán)境是 Keil Software ' Inc/Keil Elektronik GmbH 開發(fā)的基于80C51 內核的微處理器軟件開發(fā)平臺，內嵌多種符合工業(yè)標準的開發(fā)工具，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其是C編譯工具在生產代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。W Vision2支持所有的Keil 80C51的主要工具軟件，包括 C51編譯器、宏匯編器/定位器和目

25、標文件至Hex格式轉換器，科Vision2可以自動完成編譯、匯編、鏈接程序等操作。（二）、v vision2 的功能1 . vision2 for Windows :是一個集成開發(fā)環(huán)境，它將項目管理、源代碼編輯和程序調試等組合在一個功能強大的環(huán)境中：2 .C51國際標準化C交叉編譯器：從 C源代碼產生可重定位的目標模塊：3 .A51 宏匯編器：從80C51 匯編源代碼產生可重定位的目標模塊：4 .BL51 鏈接器定位器：組合由C51 和 A51 產生的可重定位的目標模塊，生成絕對目標模塊：5. vision2的軟件調試器：Wvision2軟件調試器能十分理想地進行快速、可靠的程序調試。調試器包

26、括一個高速模擬器，可以使用它模擬整個80C51 系統(tǒng)， 包括片上外圍器件和外部硬件。當從器件數據庫選擇器件時，這個器件的屬性會被自動配置：6. vision2的硬件調試器：Wvision2硬件調試器提供了幾種在實際目標硬件上測試程序的方法。安裝 MON51目標鑒控器到目標系統(tǒng)，并通過 Monit0r-51接口下載程序，使用 高級GDI接口，將科visjon2調試器同類似于 DP-51PR0單片機綜合仿真實驗儀或者TKS系列仿真器的硬件系統(tǒng)相連接，通過科vision2 的人機交互環(huán)境指揮連接的硬件完成仿真操作：7. LIB51 庫管理器：從目標模塊生成鏈接器可以使用的文件：8.OH51目標文件至

27、HEX格式的轉換器：從絕對目標模塊生成 Intel Hex 文件：9.RTX-51 實時操作系統(tǒng)：簡化了復雜的實時應用軟件項目的設計。（三）、Protel DXP2004我們在做設計的過程中，需要繪制大量的圖紙，以電路設計為例；完成一個電子產品的設計，就必須先把自己的思想用特有的語言圖形表達出來，就需要繪制出電原理圖、印刷板圖、元件排列圖、阻焊劑圖、工藝說明、明細表、元件表等圖紙資料。而手工繪制這些圖紙需要花費大量的時間，并且要修改這些圖紙也十分的繁瑣，還很容易出現(xiàn)不必要的錯誤，工作效率極其的低?，F(xiàn)在， 我們可以將以上圖紙用計算機來進行設計管理，工作效率和質量有了大幅度的提高。下面來分別談論P

28、rotel DXP 2004 的優(yōu)點和功能和一般使用方法。Protel DXP 2004 的優(yōu)點和功能：1. 非常容易修改，尤其式印刷版圖。2. 設計好印刷版圖后，可以自動生產元件排列圖，焊接劑圖。3. 設計好的印刷板圖可以與電原理圖進行自動校對，它會在檢查報告中注明那些元件之間連接有錯誤，線條之間的問距是否小于你所要求的距離。然后你就可以根據檢查報告來修改印刷板圖，使用這項功能比人工校對可提高效率一百多倍。4. 隨時可以通過打印機得到理想的圖紙。5. 設計完電路后就需要制作其他的設計文檔。如：工藝說明、明細表、元件表等。我們雖然也可以用 WP湃工具將其打印出來，但不能滿足規(guī)范化的文檔要求。因

29、為在艦范化的文檔當中，有擬制、審核、工藝、描圖、校對等小欄目。它們的位置、字體、大小各有異同。而且還有許許多多的表格線， 線條有粗有細。用WPS?軟件要想一模一樣地打印出來是小可 能的。 兇為它們的表格線是用漢字制表線，一條表線需要占據一個漢字的高度和寬度，而且不允許插入圖形和連接數據庫，排版功能也十分有限。四、系統(tǒng)硬件設計實現(xiàn)（一）、概述本次畢業(yè)設計的系統(tǒng)硬件總體上分為三大塊：通信接口和ISP功能電路設計；鍵盤與顯示電路設計；驅動電路設計；其中驅動電路設計是本次設計的核心，而其他的兩個部分是為驅動電路部分服務的。它們的結構框圖如下所示：圖4. 1硬件系統(tǒng)結構框圖（二）、通信接口和ISP功能電

30、路設計由于單片機中的程序有可能需要改寫和控制單片機，為了方便改寫和控制，本設計選用通信接口和ISP功能電路來實現(xiàn)。ISP模式下，不需要特定的振蕩頻率產生波特率或編程脈沖時序，用戶需要提供給P89C668產生恰當時序的信息。P89C668 的在系統(tǒng)內編程是通過標準RS-232C串口來完成的，它是一種內嵌的在線可編程，只需要增加少量的電路板面積和元件。因此只要微機配備了 RS-232C串口，就可以直接通過下載電纜來完成程序的下載，使用非常方便。因此具備ISP功能的單片機系統(tǒng)和普通單片機系統(tǒng)的設計在別的方面沒什么區(qū)別，只是在RS-232C串口的設計上做一下小的變動即可，ISP,用到了 5 個管腳：T

31、XD RXD Vss, Vcc 和 Vpp,對于 P89C668來說，Vpp=5V,其 硬件原理電路圖見附錄二中的圖4.1所示。1 、電路原理和器件選擇在這里列出圖中的主要器件名稱及其在電路中的主要功能：P89C668 :單片機，控制發(fā)光二極管的輸入，產生一定時間的延時。MAX232 :單片機串口的電平轉換芯片，它的內部結構也是達林頓的，專門用來驅動繼電器的芯片，其內含有反電動勢的二極管。2 .接口信號MAX232 是異步串行通訊中應用最廣泛的標準總線，它包括了按位串行傳輸的電氣和機械方面的規(guī)定，適用于數據終端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）之問的接口，其中DTE主要包括計算機和各種端機

32、，而DCE勺典型代表是調制解調器 （MO- DEM3 . 電氣特性MAX232 標準對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定：對于數據，邏輯 “ 0”的電平高于-3V,邏輯“ 1”的電平低于+3V;對于控制信號，接通狀態(tài) （0N）即信號有效的電 平高于+3V,斷開狀態(tài)（OFF）即信號無效的電平低于-3v.因此，實際工作時，應保證電平在 +3V 至 IJ ± 15V 之間。ULN2003 的輸出端允許通過IC電流200mA飽和壓降 VCE約1V左右，耐壓約為 36V。用戶輸出口的外接負載可根據以上參數估算采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅動繼電器或固體繼電器（SSR）。

33、外接控制器件，也可直接驅動低壓燈泡。OSC晶振，本次設計中選擇的是12MHz的立式晶振。LEDlLED4 ：發(fā)光二極管，用來顯示步進電動機的狀態(tài)。RIR3 ：限流電阻，防止發(fā)光二極管過流燒毀。阻值330 歐。4 、地址分配和連接在此僅列出設計中單片機與各個模塊管腳的連接。TxD : MAX232的11弓I腳，MAX232的TTL電平輸入引腳，連接單片機的TXD, TTL串口輸入信號。RxD:MAX232 的12弓|腳，MAX232的TTL電平輸出引腳，連接單片機的RXD T TL串口輸入信號。SEG-IN:MAX232 的 14 弓|腳，MAX232的 RS-232 電平輸出引腳，連接 RS-

34、232 的 RXD RS-232 的串口輸入信號。（三） 、鍵盤和顯示電路設計鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機輸入設備，操作人員可以通過鍵盤輸入數據或命令，實現(xiàn)簡單的人機通訊，按鍵是一種常開型開關，平時 （ 常態(tài) ） 按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，當鍵按下時才閉合（ 短路 ） 。按鍵的閉合穩(wěn)定時間的長短由操作人員的按鍵動作決定，一般為零點幾秒至數秒，常常出現(xiàn)鍵抖動的情況，在此不予討論。在鍵盤掃描的控制方式，在單片機系統(tǒng)中，為了節(jié)省硬件，通常采用行列矩陣式非編碼鍵盤，單片機對它的控制通常有以下幾種方式:1 .程序控制掃描方式，即利用程序連續(xù)地對鍵盤進行掃描。2 .定時器掃描方式，即單片機定

35、時地對鍵盤進行掃描。3 .中斷掃描方式，即鍵按下引起中斷后，單片機對鍵盤進行掃描。發(fā)光二極管常用作單片機最常用、最簡單的輸出設備，可以用來顯示單片機或執(zhí)行元件的運行結果和運行狀態(tài)等，設計中采用二極管來顯示各種不同情況下相應的運行和控制狀 態(tài)，例如：電動機的正反轉狀態(tài)，ISP使能狀態(tài)等等，這樣可為使用者提供醒目的感官提示。 請參見附錄二中的圖 3. 2鍵盤和顯示電路原理圖。鍵盤和顯示硬件電路的設計主要功能是：通過按鍵（S1S4）來控制顯示器件一一發(fā)光二極管的狀態(tài)。1 .電路原理和器件選擇在這里列出和本設計相關的關鍵部分的器件名稱及其在電路中的主要功能。P89C668 :單片機，控制鍵盤的電平輸出

36、。LED0LED3:發(fā)光二極管，用于顯示鍵盤的輸入狀態(tài)。ULN2003A該芯片包含多個高電壓的實用型達林頓管，還封裝了一系列的電阻器，內 部電路圖如圖3. 3所示。圖3.3 ULN2003A內部結構sis4: S1、S2是兩個帶有自鎖功能的按鈕，SlS3、S4是兩個點動開關。2 . 地址分配和連接只列出和本設計電路相關的、關鍵部分的單片機。 各個功能管腳的連接和相關的地址分配。P1.4P1.7:與獨立的鍵盤的輸出管腳相連，控制和檢測鍵盤的輸入。P1.0P1.3:接上拉電排阻，控制獨立鍵盤的掃描線處于高電平。S1S4: S1是與P1.4相連控制步進電動機的啟動停止按鈕，當 P1.4為高電平時，步

37、 進電動機啟動，并且發(fā)光二極管點亮；S2是與P1.5相連用來控制步進電動機的正反轉，當P1.5為高電平時，發(fā)光二極管循環(huán)閃爍和步進電動機反轉；S3與P1.6用來控制步進電動機的加速，同時二極管指示，當 P1.6為低電平時，步進電動機加速轉動；S4是與P1.7相連用來控制步進電動機的減速轉動，當P1.7 為低電平時，步進電動機減速轉動。（四） 、步進電機驅動電路設計步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅動步進電機。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機速度進行控制；控制步進脈沖的個數，也可以對

38、電機定位。 典型的步進電機驅動控制系統(tǒng)主要由三部分組成：1. 步進控制器，由單片機實現(xiàn)。2. 驅動器，把單片機輸出的脈沖加以放大，以驅動步進電機。3. 步進電動機。是執(zhí)行元件，用于帶動其他的工作元件來完成所需要的功能。上述的三部分在我們設計的過程中都集成到了芯片之中，是由芯片來進行控制的，ISP可以直接下載。步進電動機驅動電路圖見附錄3.4 圖。設計的過程中用到了TLP521 4 芯片。電路原理和器件選擇 在這早列出和本電路有關的、關鍵部分的器件名稱及其在電路中的主要功能：P89C668 :單片機，通過 ULN2003對光電耦合器進行控制。ULN2003A使單片機串口的電平轉換芯片。 TLP5

39、21 4：光電耦合器。它將微機系統(tǒng)與各種傳感器、開關、執(zhí)行機構從電氣上隔離開來， 很大一部分干擾將被阻擋。光電隔離電路利用光隔離組成的光電隔離電路將控制器與外部的驅動電路隔離開來，使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，增強抗干擾能力。光電隔離器最重要的參數是電流傳輸比CTR應注意通常其值為0.20.9。輸入數字信號提供一定的電流（5 10mA附，光電隔離器才會把放大的數字電平輸出。光電隔離器聯(lián)結時應注意信號F 負邏輯。光電隔離器的輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電，否則，如果使用同一電源外部干擾信號可通過電源串到系統(tǒng)中來。光電隔離器的工作原理是：當它的發(fā)光二極管工作

40、時，光電管受光的影響有電流通過，這些電流基本上受光的照度控制，它可以作為開關使用，這時發(fā)光二極管和光電管平常都處與關斷狀態(tài)，在發(fā)光二極管通過電流脈沖時，發(fā)光晶體管在電流脈沖持續(xù)的時問內通過。光電耦合器件也可作為線性耦合器使用，在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，引起其亮度的變化， 這樣，光電晶體管接受到的時再偏置電流上增、減變化的光信號。內部結構如圖3.5所示。電機1碼盤信號A電機1瑪器信號B電機2耨盤信號A匚 CiNMCAPJQEPW電機2碼盤信號D工 AP5_QEP4 .TJ30_L TLP521-4GROUND圖35 TLP521-4內部機構P89C6

41、68單片機的 P0.0P0.3連接驅動芯片 ULN2003的輸入口 INlIN4。當P0.0 口出現(xiàn)高電平時，通過 ULN2003轉換芯片控制U4,發(fā)光二極管發(fā)光，光電晶體管導通，進而控制步進電動機的狀態(tài)。其他端口均如此。（五）、系統(tǒng)硬件電路設計總圖此系統(tǒng)硬件電路圖是我們設計的總圖，包括上述各部分的硬件電路：ISP硬件電路圖,鍵盤和顯示硬件電路圖， 步進電動機驅動電路圖三部分，系統(tǒng)硬件電路設計原理圖如附錄二中圖“增強型8051單片機步進電機控制系統(tǒng)硬件總圖”所示。五、系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)（一）、系統(tǒng)的軟件構成本設計應用的是匯編語言進行編程，系統(tǒng)程序的總體設計思路是：利用單片機對鍵盤進行掃描，根據按

42、鍵的狀態(tài)來設置相應的狀態(tài)位，然后根據各狀態(tài)位的值輸出相應的控制信號，進而實現(xiàn)對步進電動機的啟動、停止、正反轉、加速以及減速的控制，并把系統(tǒng)的運行狀態(tài)在顯示電路中顯示出來。本設計的軟件部分由鍵盤和顯示電路的軟件設計，步進電動機控制的軟件設計兩大部分構成。系統(tǒng)結構框圖可表示為：圖4. 1系統(tǒng)結構框圖現(xiàn)對框圖中各部分的功能作簡要分析：1 .P89C668 單片機：是本設計的核心器件，用于控制整個系統(tǒng)的各種工作。信號的接受， 發(fā)出，處理等。2 .步進電動機驅動模塊程序：步進電機的運動是靠脈沖驅動，單片機每一個脈沖， 步進電機就往前走一步， 在這個過程中，脈沖要按一定的順序送出，當脈沖的時問間隔是相等的

43、時候，步進電機就按一定的速度轉動，如果改變驅動脈沖的發(fā)送頻率，則電機轉動速度就會發(fā)生變化。3 .鍵盤掃描功能，是通過存儲在單片機里面的鍵盤掃描程序根據鍵盤的輸入狀態(tài)來設置 和控制整個系統(tǒng)運行的狀態(tài)位，從而最終控制步進電動機的運動狀態(tài)。4 .鍵盤顯示功能：是指通過顯示器 （本設計中應用發(fā)光二極管）的亮與滅來提示，步進 電動機的起、停、正、反轉，力口、減速等的運動狀態(tài)。（二）、系統(tǒng)軟件流程圖及其說明軟件的設計主要是控制步進電機的運動狀態(tài)，即控制單片機發(fā)送的驅動脈沖的發(fā)送頻 率?？刹捎孟旅鎯煞N方法實現(xiàn)：采用軟件定時，采用硬件定時，本設計所采用的就是后一種方法。主程序流程圖如下圖所示：圖4. 1主程序

44、流程圖主程序流程圖的說明：程序開始，按 K1, K2, K3, K4順序逐步進行掃描，判斷是否有按鍵按下。P0置狀態(tài)位，通過對 P89C668端口的控制，若 P1 口有按鍵按下，即使其保持低電平，則 相應的P0 口控制的步進電機的線圈通電，使步進電機開始轉動。若 P1 口沒鍵按下，則 口線圈無電流通過，此時步進電機停止轉動。步進電機正反轉控制程序在中斷中進行，此時不與考慮，下文有專門的介紹。判斷是否進入步進電機的加減速狀態(tài)，程序通過改變每次進入中斷時，改變定時初值 的辦法來實現(xiàn)，加大定時初值，則每次步入中斷的時間減小， 電機在每一相的通電時間減小, 達到加速目的。減速也與此理論相同。鍵盤掃描程序流程圖：YYY鍵盤掃描程序流程圖說明:步進電動機運動狀態(tài)控制讀取P1 的狀態(tài)，在P1 口的高四位中若狀態(tài)為高電平， 則無鍵按下，此時P1.O點亮， 其余的燈為熄滅狀態(tài)。 若為低電平則有鍵按下， 相應的燈的亮滅與電機的狀態(tài)緊密對應， 執(zhí) 行過程為：K1 按下，步進電機開始轉動，否則程序繼續(xù)掃描下一鍵。K2 按下，步進電