基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計與制作畢業(yè)設計_說明

1、 . . . 理工學院畢業(yè)設計（論文基于單片機的步進電機控制系統(tǒng) 設計與制作學 生：瑞剛學 號：專 業(yè)：機械設計制造與其自動化班 級：機電2011.1指導教師：獻丹理工學院機械工程學院二O一五年六月四 川 理 工 學 院畢業(yè)設計（論文）任務書設計（論文）題目：基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計與制作學院：機械工程 專業(yè)：機械設計制造與其自動化 班級：機電2011.1 學號：學生： 瑞剛 指導教師：獻丹 接受任務時間： 2015.3.3系主任（簽名）院長（簽名）1畢業(yè)設計（論文）的主要容與基本要求1）設計容：步進電機驅動與控制電路設計、焊接，編制控制程序，整機調試，電路圖一，設計說明書一份（40頁

2、以上）。2）設計要求：1）、實現(xiàn)步進電機的正反轉與調速控制。2）、采用Protues繪制電路圖。2指定查閱的主要參考文獻與說明（1）51系列單片機相關書籍（2）電子技術相關書籍（3）電路板焊接相關書籍（4）其他相關參考資料3進度安排設計（論文）各階段名稱起 止 日 期1查閱相關參考資料，完成開題報告2015.3.32015.3.152控制電路設計、焊接2015.3.162015.4.153編寫程序，整機調試2015.4.162015.5.154編寫設計說明書2015.5.162015.6.15畢業(yè)設計（論文）的修改、答辯的準備2015.6.22015.6.2147 / 54摘 要步進電機是一種

3、將電脈沖信號轉化為角位移或線位移執(zhí)行機構。步進電機驅動器每接收一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定角度。因此可以通過輸出的脈沖頻率來控制步進電機的速度。改變脈沖的輸入順序就可以改變步進電機的轉動的方向。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。單片機具有高集成度，體積小，高可靠性，控制功能強，低功耗等特點。本次設計控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。其中硬件包括步進電機的控制模塊，步進電機驅動模塊，LED

4、顯示模塊。軟件采用了keil uvision4編程工具和Protues畫圖工具。本次設計是以51系列單片機STC89C52為核心來設計步進電機控制模塊，以L297與L298為核心設計步進電機的驅動模塊。按鍵作為一個外部中斷源設置了步進電機啟動、停止、正反轉、加速、減速功能。關鍵詞：步進電機；單片機；L297；L298ABSTRACTStepper motor is actuatorsthat turns electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement. When the stepper drive

5、r receives a pulse signal,itwill drive a stepper motor to set the direction of rotation of a fixed angle.So we can output pulse frequency to control the speed of the stepper motor. We can change the direction of the rotation of the stepper motor when it changes the input sequence of the pulse.MCU is

6、 a kind of integrated circuit chips, that is to use very large scale integrated circuit technology with data processing ability of the central processor CPU, RAM, RAM, read-only memory ROM, a variety of I/O mouth and interrupt system, timer/counter function integration to a piece of silicon consisti

7、ng of a small and perfect microcomputer system.MCU has high integration, small size, high reliability, strong control function, low power consumption, etc.The control system includes two parts of hardware and software in this design.It consists of stepper motor control module, stepper motor driver m

8、odule, LED display module in hardware.Software uses the keil uvision4 programming tools and Protues drawing tools.This design is based on 51 series microcontroller STC89C52 to design the stepper motor control module as the core, with L297 and L298 as core design of stepper motor driver module.Button

9、 sets the stepper motor start, stop, forward, inversion, acceleration and deceleration functionthat as an external interrupt source.Keywords: stepper motor;MCU;L297; L298目錄第1章 緒論1第2章 控制模塊設計與硬件選擇32.1系統(tǒng)總體設計  32.2 .1步進電機的分類 32.2.2步進電機的特點 42.2.3步進電機原理與控制 52.2.4 步進電機細分驅動原理62

10、.3單片機控制電路102.3.1 STC89C52RC 引腳功能說明112.3.2 晶振142.3.3復位電路152.3.4 單片機最小系統(tǒng)162.3.5 數(shù)碼管16第3章 驅動模塊設計與硬件選擇213.1 L297工作原理介紹213.1.1 L297各引腳功能說明 233.1.2L297驅動相序的產生243.2 L298的工作原理253.3 光電隔離器313.5 驅動模塊的總體設計333.6 L297與L298操作說明363.6.1 板子跳線器說明363.6.2 按鍵說明363.6.3 基本功能描述363.6.4 接口說明373.6.5 電機接線37第4章 系統(tǒng)調試39第

11、5章 結論41致44附錄A：參考程序45第1章 緒論國家的發(fā)展在很大的程度上依賴于先進的制造業(yè)，一個國家的制造業(yè)水平的在一定的程度上可以體現(xiàn)國家的實力，所以大多數(shù)國家都非常重視大力發(fā)展制造業(yè)。第二次世界大戰(zhàn)后，計算機控制技術、微電子技術、信息和自動化技術都有了迅速的發(fā)展，并且在制造業(yè)中得到了越來越多的應用，先后出現(xiàn)了數(shù)控（NC）、計算機數(shù)控（CNC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS），計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）等多項制造技術與制造模式，推動著世界制造業(yè)進入一個嶄新的階段。而在這些技術環(huán)節(jié)中具有很多優(yōu)點的步進電機就是一個重要角色，比如在數(shù)控技術中就得到了廣泛的應

12、用。步進電動機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電動機，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率圍通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調速，快速起停、正反轉控制與制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設備以與各種控制裝置等眾多領域有著極其廣泛的應用6。正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關鍵產品之一，廣泛的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日劇增，在各個國民經濟領域都有應用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中也取得了很大的發(fā)展。雖然與發(fā)達國家相比我國的數(shù)控技術方面整體發(fā)展水平還比較低，但在我國占用非常重要

13、的地位，并起了很大的作用。我們國家的數(shù)控系統(tǒng)在初期就是以單片機為數(shù)控核心，以步進電機為執(zhí)行元件。采用步進電機作為伺服執(zhí)行元件，不僅可以應用于經濟型數(shù)控伺服系統(tǒng)，而且也可以輔以先進的檢測和反饋元件，組成高精度的閉環(huán)數(shù)控系列從而達到很高的加工精度。除了在數(shù)控系統(tǒng)得到廣泛的應用近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生的革命性的變革。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛的應用在電子計算機的許多外圍設備中。為了的到良好的控制性能對步進電機的控制研究就一直沒有停止過許多重大的技術得以實現(xiàn)。上世紀80年代以后，由于微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采

14、用分立元件的控制回路或者集成電路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿蛦纹瑱C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。因此，用微型單片機控制步進電機已經成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。還比如為了適應一些領域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)了步進電機細分驅動技術，就包括振蕩器、環(huán)形分配器控制的細分驅動、基于單片機斬波恒流驅動、基于單片機的直流電壓驅動三種常見驅動方案之外。但在一些不需要高精度的控制，而只是滿足一般的工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：1.系統(tǒng)硬件結構簡

15、單，成本低; 2.系統(tǒng)的功能較為齊全; 3.系統(tǒng)適應性強；4.系統(tǒng)的抗干擾性強，可靠性高；本次論文就是采用這個思路進行設計。一般步進電機控制器都是用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到高集成度，可價格較貴功能也相對單一，并且一旦設計要求有所改變，就得改變整個硬件電路。采用單片機的軟件和硬件結合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的各種資源，能靈活的對步進電機進行控制，實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉、轉速等控制，如果需要改變控制要求，一般只需要改變軟件就能適應新的環(huán)境，并且在本次設計中利用數(shù)碼管動態(tài)掃描技術，把顯示電路和按鍵電路有機的結合起來，而且為了抗干擾，提高可靠性，加入了光耦。第2章

16、 控制模塊設計與硬件選擇2.1系統(tǒng)總體設計   本論文所選的步進電機是兩相四線步進電機，采用的方法是利用單片機控制步進電機。控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動線路。由于單片機的強大功能還可以設計大量外圍電路，按鍵作為一個外部中斷源設置了步進電機啟動、停止、正反轉、加速、減速等功能。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。 本方案有以下優(yōu)點： 1.單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響。 2

17、.用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設定，用一種電路實現(xiàn)了兩相步進電機的控制的驅動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性。 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。本次畢業(yè)設計就是通過改變脈沖頻率來調節(jié)步進電機的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉速。另外通過單片機實現(xiàn)它的正反轉，步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有

18、積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制1。2.2 .1步進電機的分類  步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結構特點電磁式步進電機可分為反應式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)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式和混合式步進電機。  (1)反應式步進電機(Variable Reluctance，簡稱VR)反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型；

19、  (2)永磁式步進電機(Permanent Magnet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)一樣，所以一般步距角比較大。它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電；  (3)混合式步進電機(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電

20、勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以與控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種步進電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用1。由于本設計的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結合，所以采用混合式步進電機。2.2.2步進電機的特點   步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，因此當它轉一轉后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。   由步進電機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價，也非?？煽?。同時，它也可以有角度反

21、饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。   步進電機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉與變速。   速度可在相當寬的圍平滑調節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉矩，因此一般可以不用減速器而直接驅動負載。    步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接用交流電源或直流電源。   步進電機自身的噪聲和振動比較大，帶慣性負載的能力強。 2.2.3步進電機原理與控制 由于步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設備-步進電機控制驅動器，控制器可

22、以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸入端，以驅動步進電機的轉動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機的目的，步進電機的基本 控制包括轉向控制和速度控制兩個方面。步進電機根據磁極對數(shù)可以分為二相、三相等更多的相數(shù)。本次控制的步進電機為二相四線式，具

23、體的型號為42BYGHW609。42BYGHW609步進電機的具體參數(shù)如表2-1。表2-1 步進電機參數(shù)電機型號步矩角 (°)機身長(mm)相電壓 (V)相電流 (A)相電阻 ()相電感 (mH)靜力矩(g.cm)引線數(shù)(NO.)轉動慣量(g.c)定位力矩(g.cm)重量(kg)42BYGHW6091.8403.41.72334004542200.2步進電機的工作方式有兩種，一種是八拍的工作方式表2-2，一種是四拍的工作方式表2-3。步數(shù)AA-BB-1100021010300104011050100601017000181001表2-

24、2 八拍工作方式表2-3 四拍工作方式步數(shù)AA-BB-11010201103010141001步進電機的正反轉控制是將其相拍的工作方式改變，就是從最后一步到第一步進行工作。單片機里面是通過輸出的高低電平來控制步進電機各相的通電順序。步進電機的速度控制是通過的單片機單位時間輸出的脈沖多少實現(xiàn)的，單位時間輸出的脈沖越多步進電機的速度越快。2.2.4 步進電機細分驅動原理 在國外，對于步進系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進電機與相應的細分驅動器。但在國，廣大用戶對細分還不是特別了解，有的只是認為，細分是為了提高精度，其實不然，細分主要是改善電機的運行性能。 步進電機的細分控制是由驅動器精確控制步進電機的相

25、電流來實現(xiàn)的，以二相電機為例，假如電機的額定相電流為3A，如果使用常規(guī)驅動器（如常用的恒流斬波方式）驅動該電機，電機每運行一步，其繞組的 電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機運行的振動和噪音。如果使用細分驅動器，在10細分的狀態(tài)下驅動該電機，電機每運行一微步，其繞組的電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大的改善了電機的振動和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點才是細分的真正優(yōu)點。由于細分驅動器要精確控制電機的相電流，所以對驅動器要有相當高的技術要求和工藝要求，成本亦會較高。 注意，國有一些驅動器采用“平滑”來取代細分，有的亦稱為細分，但這

26、不是真正的細分，所以一定要分清兩者的本質不同： 1平滑并不精確控制電機的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以平滑并不產生微步，而細分的微步是可以用來精確定位的。2電機的相電流被平滑后，會引起電機力矩的下降，而細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。步進電機作為電磁機械裝置，其進給的分辨率取決于細分驅動技術。采用軟件細分驅動方式，由于編程的靈活性、通用性，使得步進細分驅動的成本低、效率高，要修改方案也易辦到。同時，還可解決步進電機在低速時易出現(xiàn)的低頻振動和運行中的噪聲等。但單一的軟件細分驅動在精度與速度兼顧上會有矛盾，細分的步數(shù)越多，精度越高，但步進電機的轉動速度卻降低；要

27、提高轉動速度，細分的步數(shù)就得減少。為此，設計了多級細分驅動系統(tǒng)，通過不同的細分檔位設定，實現(xiàn)不同步數(shù)的細分，同時保證了不同的轉動速度。 步進電機控制中已蘊含了細分的機理。如三相步進電機按ABC的順序輪流通電， 步進電機為整步工作。而按AACCCBBBAA的順序通電，則步進電機為半步工作。以AB為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在IA與IB之間插入過渡向量IAB，因為電流向量的合成方向決定了步進電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉動角度本身就是步進電機的步進角度。顯然，I AB的插入改變了合成磁勢的轉動大小，使得步進電機的步進角度由b變?yōu)?.5 b，從而也就實現(xiàn)了2步細分。由

28、此可見，步進電機的細分原理就是通過等角度有規(guī)律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢轉動角度，達到步進電機細分控制的目的。三相步進電機的A相與B相之間插入合成向量AB，則實現(xiàn)了2步細分。要再實現(xiàn)4步細分，只需在A與AB之間插入3個向量I1、I2、I3，使得合成磁勢的轉動角度1=2=3=4，就實現(xiàn)了4步細分。但4步細分與2步細分是不同的，由于I1、I2、I3 3個向量的插入是對電流向量IB的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細分程度越高，階梯波越復雜。在三相步進電機整步工作時，實現(xiàn)2步細分合成磁勢轉動過程為IAIABIB；實現(xiàn)4步細分轉動過程為IAI2IAB；而實現(xiàn)8步細分則轉動過程為IAI1I2I

29、3IAB?？梢?，選擇不同的細分步數(shù)，就要插入不同的電流合成向量。系統(tǒng)由主機、鍵盤輸入系統(tǒng)、步進顯示系統(tǒng)、步進控制系統(tǒng)組成。主機采用STC89C52單片機，其為低功耗的8位單片機，片有一個8K字節(jié)的Flash可編程、可擦除、只讀存儲器，故可簡化系統(tǒng)構成，且可滿足本系統(tǒng)數(shù)據存儲空間的要求。主機接收串行口送來的步進控制數(shù)據，并對其進行處理，以實施步進控制。鍵盤輸入系統(tǒng)是用來輸入控制所需的細分檔位。系統(tǒng)設計時，考慮到隨著細分的精確化，如128步細分時，步距角達到足夠小，能滿足各種步進要求，故以2的整數(shù)次冪作為細分基準。步進顯示系統(tǒng)由液晶顯示器顯示當前細分檔位和細分后的步進角等參數(shù)。為了減少電路的復雜性

30、，該顯示器顯示的最小單位規(guī)定為1。步進控制系統(tǒng)由D/A轉換部分和驅動系統(tǒng)組成。D/A轉換部分包括片DAC0830集成芯片和數(shù)據鎖存系統(tǒng)。DAC0830轉換分辨率是8位，該芯片具有與微處理器兼容、價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點。D/A轉換部分的功能是將二進制代碼表示的階梯波數(shù)值轉換為相應的電流值輸出，經驅動系統(tǒng)放大，控制步進電機轉動。驅動系統(tǒng)采用三級管實現(xiàn)電流放大。 細分的實現(xiàn)過程，就是插入電流合成向量和轉換電流合成向量的過程。電流合成向量轉化的前提是合成向量的插入。在系統(tǒng)中，由主機根據設定的細分檔位，計算出相關參數(shù)，經查表生成相對應的階梯波，即插入了電流合成向量。在正轉或反轉的控制信號

31、下，階梯波脈沖由輸出端口經鎖存系統(tǒng)送入D/A轉換器件DAC0830進行電流合成向量的轉化，輸出對應的電流值，經驅動放大控制步進電機，從而實現(xiàn)了細分驅動。 要在細分的基礎上實現(xiàn)多級細分，就必須針對不同的細分檔位生成不同的階梯波。為此，該系統(tǒng)采用了循環(huán)增量查表法。首先建立階梯波數(shù)值存儲表格，有兩種方法，一種是針對每種細分方式建立相應的表格，其特點是細分種類多樣，但表格所占空間較大；另外一種，也就是該系統(tǒng)采用的，以最大細分檔位對應的步數(shù)僅建立一個表格，大大減少了所需的存儲空間，并減少了程序運行中的不穩(wěn)定因素。在具體控制中，該系統(tǒng)通過設定循環(huán)增量基數(shù)，使不同的細分檔位對應不同的細分步數(shù)，實現(xiàn)了多級細分

32、驅動。 循環(huán)增量基數(shù)是指針對不同的細分檔位，實現(xiàn)等間隔尋址時相應跳躍的步數(shù)。循環(huán)增量基數(shù)是在細分檔位設定后，由相應的計算公式得到。由于該系統(tǒng)最大細分步數(shù)為128步，即表格最大長度為128個字節(jié)，若細分步數(shù)為m步，則循環(huán)增量基數(shù)為LB=(128/m)-1。不同的檔位對應不同的循環(huán)增量基數(shù)，同一表格就產生了多級細分所需的階梯波。 另外，在整步控制的基礎上，若細分為m步，對每m步運行中的各項電流值進行分析比較，可發(fā)現(xiàn)存在以下規(guī)律，即各相電流值的變化趨勢，隨著相位變化循環(huán)地出現(xiàn)，如表2-4。表2-4 細分控制中各相電流值變化規(guī)律各相ABBCCAA相高遞減電流值=0增加高B相增加高高遞減電流值=0C相電

33、流值=0增加高高遞減 在表2-4中，每一種保持或變化都是持續(xù)m/2步，且可看出其良好的循環(huán)性。依據以上規(guī)律，在具體控制中，該系統(tǒng)單獨對由AB控制時各相相應的電流值變化，實現(xiàn)子程序控制，而對整體控制則采用圓周移位的方式實現(xiàn)，即隨著合成磁勢在AB、BC、CA的轉動，對同一輸出地址，相應每m步的控制數(shù)據循環(huán)出現(xiàn)。采用這種方式，簡化了實際控制程序，提高了控制效率。2.3單片機控制電路 單片機L297L298步進電機圖2-1 控制流程圖 步進電機的控制系統(tǒng)是使用單片機，其控制流程見圖2-1。在單片機里使用的芯片是STC公司生產的51系列的STC89C52。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位

34、微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜

35、態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。 STC89C52參數(shù):增強型8051單片機，6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。工作電壓：5.5V3.3V（5V單片機）/3.8V2.0V（3V 單片機）。工作頻率圍：040MHz，相當于普通8051 的080MHz，實際工作 頻率可達48MHz。用戶應用程序空間為8K字節(jié)片上集成512 字

36、節(jié)。通用I/O 口（32 個），復位后為：P0/P1/P2/P3 是準雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片具有EEPROM 功能共3 個16 位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2外部中斷4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。工作溫度圍

37、：-40+85（工業(yè)級）/075（商業(yè)級）。圖2-2 stc89c52引腳圖2.3.1STC89C52RC 引腳功能說明1、 主電源引腳VCC和GND VCC（40腳）接+5V電壓； GND（20腳）接地。  2、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2   XTAL1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片振蕩器。當采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，此引腳應接地；對SHMOS單片機，此引腳作為驅動端。  XTAL2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機部，接至上述振蕩器

38、的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到部時鐘發(fā)生器的輸入端；對XHMOS，此引腳應懸浮。  3、 控制或與其它電源復用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP   RST/VPD（9腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與VSS引腳之間連接一個約10F的電容，以保證可靠地復位。   VSS掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證部RAM的數(shù)據不丟失。當VSS

39、主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)定的電壓圍（5±0.5V），VPD就向部RAM提供備用電源。   ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存貯器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數(shù)據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅動（吸收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。 對于EPROM單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（

40、PROG）。   PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅動（吸收或輸出）8個LS型的TTL輸入。   EA/VPP（引腳）：當EA端保持高電平時，訪問部程序存儲器，但在PS（程序計數(shù)器）值超過0FFFH（對851/8751/80S51）或1FFFH（對8052）時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有部程序存儲器。對于常用

41、的8031來說，無部程序存儲器，所以EA腳須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。  對于EPROM型的單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21V的編程電源（VPP）。 4 控制或與其它電源復用引腳 RST/Vpd，ALE/PROG，PSEN 和EA/Vpp。  RST/Vpd當振蕩器運行時。在此引腳上出現(xiàn)兩個機器同期的高電平（由低到高跳變），將使單片機復位。 在 VSS掉電期間，此引腳可接上備用電源，由 Vpd向部 RAM提供備用電源，以保持部RAM中的數(shù)據。 

42、; ALE/PROG正常操作時為ALE功能（允許地址錢存），提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器。ALE引腳以不變的頻率（振蕩周期的1/6）周期性地發(fā)出正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。但要注意，每當訪問外部數(shù)據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅動（吸收或輸出電流）八個LSTTL電路。  對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳接收編程脈沖（PROG功能）。  PSEN外部程序存儲器讀選通信號輸出端。在從外部程序存儲器取指令（或數(shù)據）期間；PSEN在每個機器周期兩次有效。PSEN同樣可以驅動八個LSTTL輸入。  EA

43、Vpp EA為部程序存儲器和外部程序存儲器選擇端。當EA為高電平時，訪問部程序存儲器（PS值小于4K）。當EA為低電平時，則訪問外部程序存儲器。對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳上加21VEPROM編程電源（Vpp）。 5、輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根）   P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位與數(shù)據總線復用，能以吸收電流的方式驅動8個LS型的TTL負載。  P1口（1腳至8腳）：是準雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能

44、鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。對8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時/計數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)，即T2外部控制端。對EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。   P2口（21腳至28腳）：是準雙向8位I/O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。P2可以驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。   P3口（10腳至17腳）：是準雙向8位I/O口，在M

45、SS-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口。P3能驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。  作為第一功能使用時，就作為普通I/O口用，功能和操作方法與P1口一樣。作為第二功能使用時，各引腳的定義如表2-5。  值得強調的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。表2-5 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(計時器0外部輸入)P3.5T1(計時器1外部輸入)P3.6/WR(外部數(shù)據存儲器寫選通

46、)P3.7/RD(外部數(shù)據存儲器讀選通)2.3.2 晶振 晶體振蕩器，簡稱晶振，其作用在于產生原始的時鐘頻率，這個頻率經過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。以聲卡為例，要實現(xiàn)對模擬信號44.1kHz或48kHz的采樣，頻率發(fā)生器就必須提供一個44.1kHz或48kHz的時鐘頻率。如果需要對這兩種音頻同時支持的話，聲卡就需要有兩顆晶振。但是現(xiàn)在的娛樂級聲卡為了降低成本，通常都采用SCR將輸出的采樣頻率固定在48kHz，但是SRC會對音質帶來損害，而且現(xiàn)在的娛樂級聲卡都沒有很好地解決這個問題?，F(xiàn)在應用最廣泛的是石英晶體振蕩器。  石英晶體振蕩器是一種高精度和高穩(wěn)定度

47、的振蕩器，石英晶體振蕩器也稱石英晶體諧振器，它用來穩(wěn)定頻率和選擇頻率，是一種可以取代LC諧振回路的晶體諧振元件。石英晶體振蕩器廣泛地應用在電視機、影碟機、錄像機、無線通訊設備、電子鐘表、單片機、數(shù)字儀器儀表等電子設備中。為數(shù)據處理設備產生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號。在單片機中為其提供時鐘頻率。  石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結晶體）的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振

48、器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、瓷或塑料封裝的。只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產生機械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應。當外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導致機械變形的振幅突然增大。  時鐘信號用來提供單片機片的各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到:部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式，外接晶體振蕩器(簡稱晶振

49、)或瓷諧振器就構成了部振蕩方式，片高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或瓷諧振器一起可構成一個自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。外接晶體以與電容C2和C3構成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值為30pF左右，晶振頻率選11.0592MHz，本次設計所以晶振如圖2-3。 圖2-3 晶振電路圖2.3.3 復位電路 單片機復位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復位后PC0000H，使單片機從第個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。在復位期間（即RST為高電平期間），P0口為高

50、組態(tài)，P1P3口輸出高電平；外部程序存儲器讀選通信號PSEN無效。地址鎖存信號ALE也為高電平。根據實際情況選擇如圖2.4所示的復位電路。該電路在最簡單的復位電路下增加了手動復位按鍵，在接通電源瞬間，電容C3上的電壓很小，復位下拉電阻上的電壓接近電源電壓，即RST為高電平，在電容充電的過程中RST端電壓逐漸下降，當RST端的電壓小于某一數(shù)值后，CPU脫離復位狀態(tài)，由于電容C3足夠大，可以保證RST高電平有效時間大于24個振蕩周期，CPU能夠可靠復位。增加手動復位按鍵是為了避免死機時無法可靠復位。當復位按鍵按下后電容C3通過R3放電。當電容C1放電結束后，RST端的電位由R2與R3分壓比決定。由

51、于R2<<R3因此RST為高電平，CPU處于復位狀態(tài)，松手后，電容C3充電，RST端電位下降，CPU脫離復位狀態(tài)。R2的作用在于限制按鍵按下瞬間電容C3的放電電流，避免產生火花，以保護按鍵觸電。圖2-4 復位電路2.3.4 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)就是能夠使單片機工作，而且使用的元件最少。對于51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般包括：單片機、晶振電路、復位電路。2.3.5 數(shù)碼管數(shù)碼管也稱LED數(shù)碼管，不同行業(yè)人士對數(shù)碼管的稱呼不一樣，其實都是同樣的產品。 數(shù)碼管按段數(shù)可分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元，也就是多一個小數(shù)點（DP）這個小數(shù)點可以

52、更精確的表示數(shù)碼管想要顯示的容；按能顯示多少個（8）可分為1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等數(shù)碼管。按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應

53、字段就不亮。LED數(shù)碼管（LED Segment Displays）如圖2-5，是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led數(shù)碼管根據LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。共陰和共陽極數(shù)碼管的部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍，黃等幾種。led數(shù)碼管

54、廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合。選用時要注意產品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據數(shù)碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8=40根I/O端口來驅動，要知道一個89S51單片機可用的I/O端口才32個，實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電

55、路的復雜性。 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到一樣的字形碼，但究竟是哪個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通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，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮

56、時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象與發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據，不會有閃爍感，動態(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端口，而且功耗更低。數(shù)碼管是顯示屏其中一類， 通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示 時間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)。 由于它的價格便宜使用簡單在電器特別是家電領域應用極為廣泛，空調、熱水器、冰箱等等。絕大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。圖2-5 數(shù)碼管本次設計的驅動模塊設計實物圖如圖2-6，電路圖如圖2-7。在驅動

57、模塊中加入了五個控制按鍵和一個復位按鍵。五個按鍵分別控制步進電機的啟動、停止、正反轉、加速和減速，復位按鍵是使單片機程序回到起點。圖2-6 控制模塊實物圖圖2-7 控制模塊電路圖第3章驅動模塊設計與硬件選擇3.1 L297工作原理介紹 L297是意大利SGS半導體公司生產的步進電機專用控制器，它能產生4相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。芯片的PWM斬波器電路可開關模式下調節(jié)步進電機繞組中的電機繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術，使用5V的電源電壓，全部信號的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。L297的相位由部產生，它可以減輕單片機和程序設計的負擔。L297的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插20腳塑封封裝，其引腳見圖3-1。圖3-1 L297引腳圖 在圖3-2所示的L297的部方框圖中。變換器是一個重要組成部分。變換器由一個三倍計算器加某些組合