課程設(shè)計(jì)--基于at89c51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 工作單位：

2、 </p><p>　　題 目: 基于AT89C51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī) </p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　Protues 7 professional的ISIS 7 professional和ARES 7 professional

3、軟件</p><p>　　Keil uvision4軟件</p><p>　　3.單片機(jī)的相關(guān)資料指導(dǎo)書(shū)</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）</p><p>　　1.查閱資料，了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理；</p><p>　　2.通過(guò)單片機(jī)給步數(shù)控制電機(jī)的

4、轉(zhuǎn)動(dòng)；</p><p>　　3.通過(guò)按鈕可控制啟停及正反轉(zhuǎn)；</p><p>　　4.通過(guò)按鈕可增大或減小步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；</p><p>　　5.在LCD上顯示步進(jìn)電機(jī)的當(dāng)前啟動(dòng)狀態(tài)、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度；</p><p>　　6.完成硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　時(shí)間安排：<

5、;/b></p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p>　　武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)教學(xué)檢查記錄表</p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱(chēng) 設(shè)計(jì)

6、周數(shù) 檢查日期 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師 進(jìn)行方式：集中□分散□.地點(diǎn) </p><p>　　檢查人 </p><p>　　本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字：

7、</p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要0</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1步進(jìn)電機(jī)控制概述1</p&g

8、t;<p>　　1.2 主要研究工作1</p><p>　　1.2.1 完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)1</p><p>　　1.2.2 完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1</p><p>　　1.2.3 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能2</p><p>　　第二章 基礎(chǔ)知識(shí)介紹3</p><p>　　2.1 AT89C51單片

9、機(jī)3</p><p>　　2.1.1 主要特性3</p><p>　　2.1.2 管腳說(shuō)明4</p><p>　　2.1.3 振蕩器特性：6</p><p>　　2.1.4 芯片擦除：6</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)7</p><p>　　2.2.1 步進(jìn)電機(jī)概述7<

10、;/p><p>　　2.2.1.1 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理7</p><p>　　2.2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)7</p><p>　　2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制8</p><p>　　2.2.1.1 換相順序的控制8</p><p>　　2.2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的換向控制8</p>&l

11、t;p>　　2.2.1.4 步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?</p><p>　　2.2.1.5 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制9</p><p>　　2.2.1.6 步進(jìn)電機(jī)的換向控制10</p><p>　　2.2.2 步進(jìn)電機(jī)的速度計(jì)算10</p><p>　　2.3 LCD液晶顯示器11</p><p>　　2.3

12、.1 概述11</p><p>　　2.3.2 LCD1602簡(jiǎn)介11</p><p>　　2.3.2.1 1602的外形尺寸（毫米）11</p><p>　　2.3.2.2 主要技術(shù)參數(shù)12</p><p>　　2.3.2.3 接口信號(hào)說(shuō)明12</p><p>　　2.3.2.4 基本操作時(shí)序12<

13、/p><p>　　2.3.2.5 RAM地址映射圖12</p><p>　　2.3.2.6 狀態(tài)字說(shuō)明13</p><p>　　2.3.2.7 指令說(shuō)明14</p><p>　　2.3.2.8 控制接口時(shí)序說(shuō)明15</p><p>　　2.3.2.9 初始化過(guò)程16</p><p>　　2

14、.4 ULN2003A16</p><p>　　2.4.1 ULN2003A簡(jiǎn)介16</p><p>　　2.4.2 ULN2003的作用17</p><p>　　2.4.3 ULN2003A引腳圖17</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1 方案論證18</p&

15、gt;<p>　　3.2 硬件設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.2.1 控制電路19</p><p>　　3.2.2 驅(qū)動(dòng)電路20</p><p>　　3.2.3 顯示電路21</p><p>　　3.2.4 最小系統(tǒng)21</p><p>　　3.2.5 總體電路圖22</p

16、><p>　　第四章 電路板的制作23</p><p>　　4.1 設(shè)備介紹23</p><p>　　4.1.1 繪制電路原理圖并仿真調(diào)試23</p><p>　　4.1.2 加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝24</p><p>　　4.1.3 規(guī)劃電路板并設(shè)置相關(guān)參數(shù)25</p><p>　

17、　4.1.4 元件布局及調(diào)整26</p><p>　　4.1.5 布線(xiàn)并調(diào)整27</p><p>　　第五章 系統(tǒng)軟件的設(shè)定29</p><p>　　5.1 匯編語(yǔ)言介紹29</p><p>　　5.2 Keiluvision3介紹29</p><p>　　5.3 軟件功能設(shè)計(jì)概述30</p&g

18、t;<p>　　5.4 系統(tǒng)軟件流程圖及匯編程序代碼30</p><p>　　5.4.1 系統(tǒng)軟件主流程圖30</p><p>　　5.4.2 系統(tǒng)軟件模塊流程圖及代碼32</p><p>　　5.4.2.1 系統(tǒng)軟件初始化流程圖32</p><p>　　5.4.2.2 液晶屏初始化程序33</p>&l

19、t;p>　　5.4.2.3 電機(jī)停轉(zhuǎn)初始化程序37</p><p>　　5.4.2.4 正反轉(zhuǎn)按鍵程序37</p><p>　　5.4.2.5 正轉(zhuǎn)液晶顯示程序38</p><p>　　5.4.2.6 電機(jī)正轉(zhuǎn)控制程序41</p><p>　　5.4.2.7 反轉(zhuǎn)液晶顯示程序43</p><p>　　5

20、.4.2.8電機(jī)反轉(zhuǎn)控制程序43</p><p>　　5.4.2.9 電機(jī)加速子程序43</p><p>　　5.4.2.10 電機(jī)減速子程序45</p><p>　　5.4.2.11 電機(jī)停轉(zhuǎn)控制程序46</p><p>　　5.4.2.12 停轉(zhuǎn)液晶顯示程序46</p><p>　　5.4.3 總體程序代

21、碼46</p><p><b>　　總結(jié)65</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)66</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種進(jìn)行精確步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)電執(zhí)行元件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可

22、維護(hù)性以及性?xún)r(jià)比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用環(huán)境，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，確定了設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實(shí)現(xiàn)了基于AT89C51單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，可以有效地減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期和成本。控制系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)存儲(chǔ)器、I/O接口、中斷、鍵盤(pán)、LCD顯示器的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、中斷系統(tǒng)、復(fù)位電路等的設(shè)計(jì)以及變頻調(diào)速的方法，實(shí)現(xiàn)了四相步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等

23、功能。為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用有著重要的作用。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，自六十年代初期以來(lái)，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用得到很大的提高。人們用它來(lái)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和其他采用指針的儀器，打印機(jī)、繪圖儀，磁盤(pán)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、各種自動(dòng)控制閥、各種工具，還有機(jī)器人等機(jī)械裝置。此外作為執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增

24、，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)</p><p>　　關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，軟硬件協(xié)同仿真，AT89C51單片機(jī)，LCD顯示器，變頻調(diào)速</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1步進(jìn)電機(jī)控制概述</p><p>　　單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是將微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件全部集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上。單片機(jī)結(jié)構(gòu)

25、上的設(shè)計(jì)，在硬件、指令系統(tǒng)及I/O能力等方面都有獨(dú)到之處，具有較強(qiáng)而有效的控制功能。另一方面，單片機(jī)畢竟是一個(gè)芯片，只有外加所需的輸入、輸出設(shè)備，才可以構(gòu)成實(shí)用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[1]。</p><p>　　單片機(jī)由于體積小、功耗低、價(jià)格低廉，且具有邏輯判斷、定時(shí)計(jì)數(shù)、程序控制等多種功能，廣泛應(yīng)用于智能儀表、可編程序控制器、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域[2]。</p>

26、;<p>　　本課程設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控制器，外接必要的設(shè)備，模擬步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，停止等控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，并能真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)情況。</p><p>　　1.2 主要研究工作</p><p>　　1.2.1 完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　(1) 單片機(jī)采用AT89C51系列。</p>

27、<p>　　(2) 步進(jìn)電機(jī)采用四相步進(jìn)電機(jī)，由ULN2003A驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　(3) 有五個(gè)按鍵，設(shè)有正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，停止功能鍵。</p><p>　　(4) LCD顯示屏一個(gè)，顯示啟動(dòng)狀態(tài)、旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度。</p><p>　　1.2.2 完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　(1) 按鍵管理程序（包括

28、鍵掃描，鍵處理程序）。</p><p>　　(2) LCD液晶顯示程序。</p><p>　　(3) 控制步進(jìn)電機(jī)程序。</p><p>　　1.2.3 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能</p><p>　　(1) 分別用啟動(dòng)（正轉(zhuǎn)）鍵、啟動(dòng)（反轉(zhuǎn)）鍵、加速鍵、減速鍵、停止鍵來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)（正轉(zhuǎn)）、啟動(dòng)（反轉(zhuǎn)）、加速、減速和停止。</p>

29、<p>　　(2) 在LCD液晶屏上顯示電機(jī)的啟動(dòng)狀態(tài)（啟動(dòng)或或未啟動(dòng)）、旋轉(zhuǎn)方向（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）、旋轉(zhuǎn)速度、速度單位（轉(zhuǎn)/分）。當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，啟動(dòng)狀態(tài)為“OFF”；當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)狀態(tài)為“ON”，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椤癙OS”；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)狀態(tài)為“ON”，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椤癗EG”。電機(jī)的轉(zhuǎn)速有50、60、75、100、150、300六種，單位顯示為“RPM”，根據(jù)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，將在顯示屏上顯示不同的值。</p>

30、<p><b>　　基礎(chǔ)知識(shí)介紹</b></p><p>　　2.1 AT89C51單片機(jī)</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。AT89C2051是一種帶

31、2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。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，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)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。</p><p>　　

32、2.1.1 主要特性</p><p>　　(1) 與MCS-51 兼容。</p><p>　　(2) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器。</p><p>　　(3) 壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年。</p><p>　　(4) 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz。</p><p>　　(5) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定。&l

33、t;/p><p>　　(6) 128*8位內(nèi)部RAM。</p><p>　　(7) 32可編程I/O線(xiàn)。</p><p>　　(8) 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。</p><p>　　(9) 5個(gè)中斷源。</p><p>　　(10) 可編程串行通道。</p><p>　　(11) 低功耗的閑置和掉電

34、模式。</p><p>　　(12) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。</p><p>　　2.1.2 管腳說(shuō)明</p><p>　　(1) VCC：供電電壓。</p><p>　　(2) GND：接地。</p><p>　　(3) P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1

35、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。</p><p>　　(4)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(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)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

36、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。 </p><p>　　(5) 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(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“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。

37、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(xiě)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)。</p><p>　　(6) 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(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)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

38、故。</p><p>　　(7) P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：</p><p>　　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)。</p><p>　　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(fǎng)問(wèn)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

39、，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(guò)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(wú)效。</p><p>　　

40、/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</p><p>　　/PSEN有效。但在訪(fǎng)問(wèn)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)。</p><p>　　/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

41、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）。</p><p>　　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。</p><p>　　XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　2.1.3 振蕩器特性：</p><p>　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向

42、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(guò)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(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　2.1.4 芯片擦除：</p><p>　　整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。

43、在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“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。 </p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī) </p

44、><p>　　2.2.1 步進(jìn)電機(jī)概述</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信 號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其 他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB)，步進(jìn)電機(jī)

45、又稱(chēng)為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過(guò)程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng)，反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件。其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移，由于開(kāi)環(huán)下就能實(shí)現(xiàn) 精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電 脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線(xiàn)位移量與脈沖數(shù)成正比，每個(gè)一個(gè)脈沖，步進(jìn) 電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入 的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱(chēng)步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。</p>

46、<p>　　2.2.1.1 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用了四相步進(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)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見(jiàn)，錯(cuò)齒是促使電

47、機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。</p><p>　　2.2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)</p><p>　　(1) 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)N、S磁場(chǎng)的激磁線(xiàn)圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距 角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，四相八拍運(yùn)行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。</p><p>　　(2) 拍數(shù)：完成一個(gè)

48、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(guò)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</p><p>　　(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(guò)的角位移用θ表示。50齒角電機(jī)為例，四相八拍運(yùn)行時(shí)步距角為： </p><p>　　θ=360

49、度/（50*8）=0.9度。</p><p>　　(4) 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(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）。 </p><p>　　(5) 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(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)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過(guò)分采用

50、減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來(lái)提高靜轉(zhuǎn)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。 </p><p>　　2.2.1.3 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 </p><p>　　目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形 脈沖分配器、專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工

51、作的方式。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相八拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相八拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律，四相八拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。</p><p>　　2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制</p><p>　　2.2.1.

52、1 換相順序的控制</p><p>　　通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如，四相步進(jìn)電機(jī)在單四拍的工作方式 下，其各相通電順序?yàn)?A→B→C→D→A，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、B、C 、D相的通斷。四相雙四拍的通電順序?yàn)?AB→BC→CD→DA→AB，四相八拍的通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。</p><p>　　2.2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的換向控制

53、 </p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為四相八拍，即 A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。如果按反序通電換相，A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→A，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。</p><p>　　2.2.1.3步進(jìn)電機(jī)的速度控制 </p><p>　　如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一

54、 步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率， 就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。 </p><p>　　2.2.1.4 步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小 振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步 進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過(guò)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止因慣

55、性 而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電 機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 </p><p>　　2.2.1.5 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制</p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有加速過(guò)程，在停止時(shí)波形有減速過(guò)程。理想的加速曲線(xiàn)

56、一般為指數(shù)曲線(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過(guò)程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過(guò)程頻率變化規(guī)律的逆過(guò)程。選定的曲線(xiàn)比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱(chēng)為“啟動(dòng)頻率”，于此類(lèi)似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過(guò)目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸

57、出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過(guò)程有突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率（突跳頻率）一般為0.1KHz 到 3~4KHz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102KHz，以超過(guò)最高啟動(dòng)頻率的頻率直接啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。 </p><p>　　2.2.1.6 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定

58、要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向， 以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖 結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定 的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換 實(shí)質(zhì)包含了降速→換向→加速3個(gè)過(guò)程。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)： </p><p>　　(1) 步進(jìn)電機(jī)的角位移與

59、輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 </p><p>　　(2) 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價(jià)，也非?？煽?。同時(shí)，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 </p><p>　　(3) 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 </p><p>　　(4) 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)

60、，低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 </p><p>　　(5) 步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流電源。 </p><p>　　(6) 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。</p><p>　　2.2.2 步進(jìn)電機(jī)的速度計(jì)算</p><p>　　該系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)

61、采用四相八拍式運(yùn)行方式。電機(jī)每接受一次脈沖信號(hào)，就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)半個(gè)步距角即0.9度。脈沖輸出的頻率越高，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度越快。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：</p><p><b>　　(單位：轉(zhuǎn)/分)</b></p><p>　　其中s為單片機(jī)送出一次脈沖信號(hào)的周期。例如單片機(jī)每送出一次脈沖信號(hào)的周期為3000us，那么轉(zhuǎn)速為每秒，即每分鐘轉(zhuǎn)50圈。該系統(tǒng)的單片機(jī)送出脈沖信號(hào)

62、的周期有3000us、2500us、2000us、1500us、1000us、500us六種情況，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別為50、60、75、100、150、300(rpm)。每加速或減速一次，送出脈沖的周期就會(huì)減少或增加500us，但不會(huì)低于500us和超過(guò)3000us。</p><p>　　2.3 LCD液晶顯示器</p><p><b>　　2.3.1 概述</b>&l

63、t;/p><p>　　液晶（Liquid Crystal）是一種高分子材料，因其特殊的物理、化學(xué)、光學(xué)特性，廣泛應(yīng)用輕薄顯示器上。</p><p>　　液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線(xiàn)、面并配合背部燈管構(gòu)成畫(huà)面。</p><p>　　各種型號(hào)的液晶通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點(diǎn)陣的行、列數(shù)來(lái)命名

64、。例如，1602表示每行顯示16個(gè)字符，一共可以顯示兩行。這類(lèi)液晶通常稱(chēng)為字符型液晶，只能顯示ASCII碼字符。12232表示液晶顯示畫(huà)面由122列、32行組成，共有122*32個(gè)點(diǎn)來(lái)顯示各種圖形。用戶(hù)可以通過(guò)程序控制這些點(diǎn)中任何一個(gè)點(diǎn)顯示或不顯示，從而構(gòu)成各種圖形畫(huà)面。因此，12232稱(chēng)為圖形型液晶。</p><p>　　液晶體積小，功耗低，顯示操作簡(jiǎn)單。但其有致命的弱點(diǎn)，即使用溫度范圍很窄。通用型液晶工作溫度

65、為0到+55攝氏度，存儲(chǔ)溫度為-20到+60攝氏度。</p><p>　　2.3.2 LCD1602簡(jiǎn)介</p><p>　　2.3.2.1 1602的外形尺寸（毫米）</p><p>　　2.3.2.2 主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　2.3.2.3 接口信號(hào)說(shuō)明</p><p>　　2.3.2.4 基本操作時(shí)序&

66、lt;/p><p>　　2.3.2.5 RAM地址映射圖</p><p>　　控制器內(nèi)部帶有80B的RAM緩沖區(qū)。對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示。</p><p>　　向圖中的00~0F、40~4F地址中的任意處寫(xiě)入顯示數(shù)據(jù)時(shí)，液晶可立即顯示出來(lái)；當(dāng)寫(xiě)入到10~27或50~67地址時(shí)，必須通過(guò)移屏指令將他們一移入可顯示區(qū)域方可正常顯示。</p><p>　　

67、1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如下表所示。</p><p>　　這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。</p><p>　　2.3.2.6

68、狀態(tài)字說(shuō)明</p><p>　　說(shuō)明：原則上每次對(duì)控制器進(jìn)行讀寫(xiě)操作前，都必須進(jìn)行讀寫(xiě)檢測(cè)，確保STA7為0。實(shí)際上，由于單片機(jī)的操作速度慢于液晶控制器的反應(yīng)速度，因此可以不進(jìn)行檢測(cè)，或只進(jìn)行簡(jiǎn)短的延時(shí)即可。</p><p>　　2.3.2.7 指令說(shuō)明 </p><p>　　1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令。</p><p>

69、　　(1) 顯示模式設(shè)置</p><p>　　(2) 顯示開(kāi)/關(guān)及光標(biāo)設(shè)置</p><p>　　(3) 數(shù)據(jù)指針設(shè)置</p><p><b>　　(4) 其它設(shè)置</b></p><p>　　2.3.2.8 控制接口時(shí)序說(shuō)明</p><p><b>　　時(shí)序參數(shù)</b><

70、;/p><p><b>　　讀操作時(shí)序</b></p><p><b>　　寫(xiě)操作時(shí)序</b></p><p>　　2.3.2.9 初始化過(guò)程</p><p>　　(1) 寫(xiě)指令01H(清屏)</p><p>　　(2) 延時(shí)2.5ms</p><p>　

71、　(3) 寫(xiě)指令3CH(顯示功能，8位數(shù)據(jù)口，兩行顯示，5*10點(diǎn)陣)</p><p>　　(4) 延時(shí)2.5ms</p><p>　　(5) 寫(xiě)指令0CH(顯示字符，不顯示光標(biāo))</p><p>　　(6) 寫(xiě)指令06H(增量移位)</p><p>　　(由于程序較為簡(jiǎn)單，因此不檢查忙信號(hào)，以簡(jiǎn)化程序)</p><p&g

72、t;　　2.4 ULN2003A</p><p>　　2.4.1 ULN2003A簡(jiǎn)介</p><p>　　ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線(xiàn)圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線(xiàn)圈反電動(dòng)勢(shì)

73、的二極管,它的輸出端允許通過(guò)電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶(hù)輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。</p><p>　　ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)單元，但獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)35

74、0mA.資料的最后有引用電路，9腳可以懸空。</p><p>　　2.4.2 ULN2003的作用</p><p>　　ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。</p><p>　　輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。</p><p>　　ULN2003是高

75、耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。該電路的特點(diǎn)如下：ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。</p><p>　　ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類(lèi)要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。</p>&

76、lt;p>　　2.4.3 ULN2003A引腳圖</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 方案論證</b></p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，故該系統(tǒng)需要5根導(dǎo)線(xiàn)分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)加減速以及停止。</p>&

77、lt;p>　　圖1 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖</p><p>　　圖2 四相八拍電機(jī)脈沖分配表</p><p>　　本電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以個(gè)單片機(jī)共用一個(gè)電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組用P1口的P1.0~P1.3控制，由于P1口驅(qū)動(dòng)能力不夠，因而用一片ULN2003A放大四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。用P0口控制電機(jī)的工作狀態(tài)，用P2，P3口控制液晶屏用于顯示電機(jī)

78、的當(dāng)前速度以及正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。總體設(shè)計(jì)方框圖如圖3所示</p><p>　　圖3 總體設(shè)計(jì)方框圖</p><p><b>　　3.2 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機(jī)正常工作。控制電路只要由開(kāi)關(guān)和按鍵組成， 由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作

79、。顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　3.2.1 控制電路</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了正轉(zhuǎn)控制，反轉(zhuǎn)控制，加速控制和減速控制按鈕，控制電路如圖4所示。通過(guò) “正轉(zhuǎn)”“反轉(zhuǎn)” 狀態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制。當(dāng)它們的狀態(tài)變化時(shí)，內(nèi)部程序檢測(cè) P0.0 和 P

80、0.1的狀態(tài)來(lái)調(diào)用換向程序進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過(guò)控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于單片機(jī)而言，主要的方法有軟件延時(shí)和定時(shí)中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過(guò)定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過(guò)“加速”“減速”的斷開(kāi)和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，從而改

81、變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　圖4 控制電路圖</b></p><p>　　3.2.2 驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　通過(guò)ULN2003A與單片機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖5所示。單片機(jī)使ULN2003A輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序（A,B,C,D四相）。ULN2003A的四相輸出接1C,2C,3C,4C。使其輸出放大后的四相

82、驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。</p><p><b>　　圖5 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　3.2.3 顯示電路</p><p>　　通過(guò)P3口的P3.0~P3.7 控制LCD1602顯示步進(jìn)電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。</p><p><b>　　圖6 顯示電路</b></

83、p><p>　　3.2.4 最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，即用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。 </p><p>　　復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤(pán)，單片機(jī)的P0口鍵盤(pán)的接口。該設(shè)計(jì)要求只需5個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制。晶振電路用30PF的電容和一12M晶體

84、振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率。如圖7示。 </p><p>　　晶振電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖5示。其電容值一般在5~30pf,晶振頻率的典型值為12M

85、Hz,采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。 </p><p>　　圖7 時(shí)鐘和復(fù)位電路</p><p>　　3.2.5 總體電路圖</p><p>　　把各個(gè)部分的電路圖組合成總電路圖，如圖8所示。 </p><p><b>　　圖8 總體電路圖</b></p&g

86、t;<p>　　第四章 電路板的制作</p><p><b>　　4.1 設(shè)備介紹</b></p><p>　　本次電路板的制作由Protues 7 professional中的ARES 7 professional完成。我們知道更多的是如何用Keil C51 + Proteus進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真開(kāi)發(fā)，但是，用Proteus來(lái)制作印制電路

87、板（PCB）卻少有提及。用Proteus 制作PCB通常包括以下一些步驟：（1）繪制電路原理圖并仿真調(diào)試；（2）加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝；（3）規(guī)劃電路板并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；（4）元件布局及調(diào)整；（5）布線(xiàn)并調(diào)整。</p><p>　　4.1.1 繪制電路原理圖并仿真調(diào)試</p><p>　　在Proteus 7 Professional 中用ISIS 7 Professional 設(shè)計(jì)好電路原

88、理圖，并結(jié)合Keil C51進(jìn)行軟件編程和硬件的仿真調(diào)試，調(diào)試成功后，如圖9調(diào)試成功。便可開(kāi)始制作PCB。</p><p><b>　　圖9 調(diào)試結(jié)果</b></p><p>　　4.1.2 加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝</p><p>　　在ISIS 7 Professional 界面中單擊Design Toolbar中的圖標(biāo)或通過(guò)Tools菜單

89、的Netlist to ARES 命令打開(kāi)ARES 7 Professional 窗口如圖10所示?？梢钥吹?，在圖10中左下角的元器件選擇窗口中列出了從原理圖加載過(guò)來(lái)的所有元器件。若原理圖中的某些器件沒(méi)有自動(dòng)加載封裝或者封裝庫(kù)中沒(méi)有合適的封裝，那么在加載網(wǎng)絡(luò)表時(shí)就會(huì)彈出一個(gè)要求選擇封裝的對(duì)話(huà)框，這時(shí)就需要根據(jù)具體的元件及其封裝進(jìn)行手動(dòng)選擇并加載。 <

90、;/p><p>　　圖10 ARES 7 professional</p><p>　　對(duì)于封裝庫(kù)中沒(méi)有的封裝或者是與實(shí)際的元件不符的封裝，就需要自己畫(huà)。畫(huà)封裝步驟如下</p><p><b>　　1、放置焊盤(pán)</b></p><p>　　在所示的界面中根據(jù)按鈕的引腳間距放置4個(gè)焊盤(pán)，并修改焊盤(pán)的標(biāo)號(hào)，使之與原理圖中的元件

91、引腳標(biāo)號(hào)一致，否則，會(huì)彈出沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接的錯(cuò)誤提示，或者加載后沒(méi)有連線(xiàn)。</p><p><b>　　2、放置外邊框</b></p><p>　　利用2D畫(huà)圖工具中的圖標(biāo)根據(jù)按鈕的實(shí)際大小加一個(gè)外邊框，如此便完成了按鈕封裝的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3、保存封裝</b></p><p>　　選

92、中封裝，用左鍵單擊圖標(biāo)，出現(xiàn)保存對(duì)話(huà)框，在New Package Name中鍵入要保存的元件封裝名稱(chēng)；在Package Category中選中Miscellaneous；在Package Type（中選中Through Hole；在Package Sub-Category中選中Switches；單擊OK，就把按鈕封裝保存到了USERPKG庫(kù)中。</p><p><b>　　4、加載封裝</b>

93、;</p><p>　　自建封裝保存后，再到庫(kù)中加載，就可以把自己制作的元件封裝加載到PCB中了。</p><p>　　按照上面的方法把需要的元件封裝都畫(huà)好以后，再?gòu)脑韴D單擊Design Toolbar中的圖標(biāo)，重新加載網(wǎng)絡(luò)表，這樣，就把所有的元件都加載到了PCB中。</p><p>　　4.1.3 規(guī)劃電路板并設(shè)置相關(guān)參數(shù)</p><p&g

94、t;<b>　?。?）規(guī)劃電路板</b></p><p>　　在ARES 7 Professional 窗口中選中2D畫(huà)圖工具欄的圖標(biāo)，在底部的電路層中選中Board Edge層（黃色），即可以單擊鼠標(biāo)左鍵拖畫(huà)出PCB板的邊框了。邊框的大小就是PCB板的大小，所以在畫(huà)邊框時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際，用測(cè)量工具來(lái)確定尺寸大?。ㄈ鐖D11所示）。</p><p>　　圖11 規(guī)劃電路板

95、方框圖圖 </p><p>　?。?）設(shè)置電路板的相關(guān)參數(shù)</p><p>　　PCB板邊框畫(huà)好以后，就要設(shè)置電路板的相關(guān)參數(shù)。單擊System中的Set Default Rules項(xiàng)，在彈出的對(duì)話(huà)框中設(shè)置規(guī)則參數(shù)，有焊盤(pán)間距、線(xiàn)與焊盤(pán)間距、線(xiàn)與線(xiàn)間距等一些安全允許值。然后在Tools中選中(布線(xiàn)規(guī)則)項(xiàng)，在彈出的對(duì)話(huà)框中單擊Edit Strategies項(xiàng)

96、，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話(huà)框如圖8所示。在左上Strategy欄中分別選中POWER和SIGNAL，在下面的Pair1中選同一層。這樣，就完成了在單層板中布線(xiàn)的設(shè)置。到此，對(duì)一些主要的參數(shù)設(shè)置就完成了。別的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可以在System和Tools中去設(shè)置完成。</p><p>　　4.1.4 元件布局及調(diào)整</p><p><b>　?。?）元件布局</b></p&g

97、t;<p>　　電路板的規(guī)則設(shè)計(jì)好以后，就可導(dǎo)入元件并布局。布局有自動(dòng)布局和手動(dòng)布局兩種方式。若采用自動(dòng)布局方式，只要在界面的菜單欄中選中項(xiàng)，彈出對(duì)話(huà)框，單擊OK，就自動(dòng)把元件布局于PCB板中了。而如果采用手動(dòng)布局的方式，則在左下角的元件選擇窗口中選中元件，在PCB板邊框中適當(dāng)位置單擊左鍵，就可以把元件放入。</p><p><b>　?。?）元件調(diào)整</b></p>

98、;<p>　　無(wú)論是自動(dòng)布局還是手動(dòng)布局，都需要對(duì)元件進(jìn)行調(diào)整。主要是對(duì)元件的移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)等操作。對(duì)元件的布局原則是：美觀、便于布線(xiàn)、PCB板盡可能小。PCB的元件布局完成如圖12所示。</p><p>　　圖12 PCB的元件布局完成圖 </p><p>　　4.1.5 布線(xiàn)并調(diào)整</p><p>　　同樣，PCB的布線(xiàn)也是

99、有自動(dòng)布線(xiàn)和手動(dòng)布線(xiàn)兩種布線(xiàn)方式。一般，是先用自動(dòng)布線(xiàn)，然后手工修改，也可以直接手工布線(xiàn)。布線(xiàn)規(guī)則的設(shè)置在上面已經(jīng)描述，這里主要說(shuō)明布線(xiàn)時(shí)用的導(dǎo)線(xiàn)的粗細(xì)設(shè)置以及焊盤(pán)大小的修改。首先，選中工具菜單欄中的選項(xiàng)，在左下角的導(dǎo)線(xiàn)選擇窗口中選中想要的導(dǎo)線(xiàn)粗細(xì)類(lèi)型，也可以選擇DEFAULT（默認(rèn)），再單擊E按鈕，在彈出的對(duì)話(huà)框中修改Width的值就可以了。在布線(xiàn)的過(guò)程中，如果需要改變某一根線(xiàn)的大小，可以雙擊右鍵，選擇Trace Style選項(xiàng)中的合

100、適類(lèi)型；要?jiǎng)h除該線(xiàn)，則左鍵單擊Delete。如果要?jiǎng)h除整個(gè)布線(xiàn)，那么就選中所有的連線(xiàn)，左鍵單擊工具菜單欄中的圖標(biāo)即可。對(duì)于焊盤(pán)的修改，可以在布線(xiàn)完成之后進(jìn)行。先選中工具菜單欄中的選項(xiàng)，然后在選擇窗口中選中合適的焊盤(pán)，在需要改變的元件焊盤(pán)處單擊鼠標(biāo)左鍵即可。布線(xiàn)完成后的PCB板如圖13所示。（說(shuō)明：1000th = 1inch = 25.4mm）</p><p>　　圖13 布線(xiàn)完成圖</p>&l

101、t;p>　　圖14 電路板3D模擬圖</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件的設(shè)定</b></p><p>　　5.1 匯編語(yǔ)言介紹</p><p>　　匯編語(yǔ)言是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。在匯編語(yǔ)合中，用助記符代替操作碼，用地址符號(hào)(Symbol)或標(biāo)號(hào)(Label)代替地址碼。這樣用符號(hào)代替機(jī)器語(yǔ)言的二進(jìn)制碼，就把機(jī)器語(yǔ)言變成了匯編語(yǔ)

102、言。于是匯編語(yǔ)言亦稱(chēng)為符號(hào)語(yǔ)言。使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，機(jī)器不能直接識(shí)別，要由一種程序?qū)R編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，這種起翻譯作用的程序叫匯編程序，匯編程序是系統(tǒng)軟件中語(yǔ)言處理系統(tǒng)軟件。匯編程序把匯編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的過(guò)程稱(chēng)為匯編。</p><p>　　匯編語(yǔ)言直接同計(jì)算機(jī)的底層軟件甚至硬件進(jìn)行交互，它具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1) 能夠直接訪(fǎng)問(wèn)與硬件相關(guān)的存儲(chǔ)器或I/O端口

103、；</p><p>　　(2) 能夠不受編譯器的限制，對(duì)生成的二進(jìn)制代碼進(jìn)行完全的控制；</p><p>　　(3) 能夠?qū)﹃P(guān)鍵代碼進(jìn)行更準(zhǔn)確的控制，避免因線(xiàn)程共同訪(fǎng)問(wèn)或者硬件設(shè)備共享引起的死鎖；</p><p>　　(4) 能夠根據(jù)特定的應(yīng)用對(duì)代碼做最佳的優(yōu)化，提高運(yùn)行速度；</p><p>　　(5) 能夠最大限度地發(fā)揮硬件的功能。<

104、;/p><p>　　同時(shí)還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，匯編語(yǔ)言是一種層次非常低的語(yǔ)言，它僅僅高于直接手工編寫(xiě)二進(jìn)制的機(jī)器指令碼，因此不可避免地存在一些缺點(diǎn)：</p><p>　　(1) 編寫(xiě)的代碼非常難懂，不好維護(hù)；</p><p>　　(2) 很容易產(chǎn)生bug，難于調(diào)試；</p><p>　　(3) 只能針對(duì)特定的體系結(jié)構(gòu)和處理器進(jìn)行優(yōu)化；</p>

105、<p>　　(4) 開(kāi)發(fā)效率很低，時(shí)間長(zhǎng)且單調(diào)。</p><p>　　5.2 Keiluvision3介紹</p><p>　　Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)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(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)

106、試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)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(yǔ)言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)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。</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p

107、>　　(1) Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　(2) 與匯編相比，C語(yǔ)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。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。 Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。</p>&

108、lt;p>　　5.3 軟件功能設(shè)計(jì)概述</p><p>　　本軟件設(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、液晶屏顯示程序、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)AT89C51通過(guò)軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來(lái)，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。</p><p>　　程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，即從主體

109、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(guò)程梳理清楚。具體程序的講解將在本章各節(jié)做詳細(xì)講解。</p><p>　　5.4 系統(tǒng)軟件流程圖及匯編程序代碼</p><p>　　5.4.1 系統(tǒng)軟件主流程圖</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)供電以后，通過(guò)單片機(jī)復(fù)位電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位，經(jīng)過(guò)初始化以后，單片機(jī)先開(kāi)始對(duì)液晶屏做初始化操作及對(duì)電機(jī)保持停轉(zhuǎn)的操作，之后便

110、開(kāi)始執(zhí)行按鍵查詢(xún)等待相應(yīng)的操作，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應(yīng)的子程序。在電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)查詢(xún)方式查詢(xún)加減速按鍵的狀態(tài)，當(dāng)加速鍵或減速鍵按下的時(shí)候，便執(zhí)行加速或減速部分的子程序。其具體的主流程圖4.1如下所示：</p><p><b>　　圖 4.1</b></p><p>　　5.4.2 系統(tǒng)軟件模塊流程圖及代碼</p><p>

111、　　5.4.2.1 系統(tǒng)軟件初始化流程圖</p><p>　　對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，包括棧頂指針設(shè)定、用于之后的速遞查表顯示的速度查表偏移地址的設(shè)定、用于之后的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的定時(shí)程序的初值的設(shè)定。由于這些都是全局變量，因此要在系統(tǒng)初始化的時(shí)候就賦予初值。具體流程圖如圖4.2所示。</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p&g

112、t;<b>　　程序代碼：</b></p><p>　　5.4.2.2 液晶屏初始化程序</p><p>　　在液晶屏初始化程序中，對(duì)液晶屏寫(xiě)入清屏指令、顯示功能設(shè)定指令、字符光標(biāo)顯示指令、增量移位指令。每寫(xiě)一次命令就要調(diào)用一次送命令子程序，在送命令子程序中會(huì)調(diào)用LCD延時(shí)子程序，以保證指令成功寫(xiě)入。寫(xiě)完命令后，再寫(xiě)入初始在液晶屏上要顯示的內(nèi)容，包括運(yùn)行狀態(tài)為“OFF

113、”，運(yùn)行方向?yàn)榭?，旋轉(zhuǎn)速度為空，速度單位始終為“RPM”。在寫(xiě)顯示過(guò)程中，會(huì)調(diào)用WRITE顯示子程序，用于將要顯示的字符寫(xiě)入液晶屏，在顯示子程序中會(huì)調(diào)用LCD延時(shí)子程序，以保證數(shù)據(jù)成功寫(xiě)入。由于程序較為簡(jiǎn)單，不對(duì)液晶屏進(jìn)行忙檢測(cè)，以簡(jiǎn)化程序。液晶屏初始化程序如圖4.3所示</p><p><b>　　圖4.3</b></p><p><b>　　程序<

114、/b></p><p>　　5.4.2.3 電機(jī)停轉(zhuǎn)初始化程序</p><p>　　電機(jī)初始為停轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)電機(jī)各相輸出脈沖皆為零。之后便開(kāi)始對(duì)正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鍵做判斷。</p><p><b>　　程序代碼：</b></p><p>　　5.4.2.4 正反轉(zhuǎn)按鍵程序</p><p>　　(1)