基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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 RXD（串行輸入口） 臨沂大學(xué) 11 TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /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(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，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。 /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(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) 。 /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（ 0000HFFFFH），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(lái)自反向振蕩器的輸出。 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。 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。臨沂大學(xué) 12 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。 芯片擦除： 整個(gè) EPROM 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。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) 系統(tǒng)整圖 系統(tǒng)整圖如圖 8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 8 系統(tǒng)整圖 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， 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)臨沂大學(xué) 13 電機(jī)供電， 5V 電壓則給單片機(jī)供電。分別如圖 圖 10 所示。 （ 1）、產(chǎn)生 12V的電壓給步 進(jìn)電機(jī)供電 圖 9 12V 電路部分 （ 2）產(chǎn)生 5V 的電壓給單片機(jī)供電 圖 10 5V 電路部分 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 11。 臨沂大學(xué) 14 圖 11 最小系統(tǒng) 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 ULN2021 芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)的 ， ULN2021 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 12。 圖 12 驅(qū)動(dòng)部分 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(lái)表示步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)。如圖 13。 圖 13 狀態(tài)指示部分 按鍵部分 本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的 P2 口來(lái)控制信號(hào)的輸入，所以把按鍵開關(guān)和 P2口連接起來(lái)，當(dāng)按下開關(guān) KEY1 時(shí)，相當(dāng)于給 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 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 口一個(gè)低電平，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如圖 14。 臨沂大學(xué) 15 圖 14 按鍵部分 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(guò)提高時(shí)鐘頻率來(lái)提高 CPU 的速度，本次設(shè)計(jì)采用的晶振為 12MHz。如圖 15。 圖 15 時(shí)鐘部分 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 16。 圖 16 復(fù)位部分 keiluvision4簡(jiǎn)介及調(diào)試 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)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過(guò)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 WIN9 NT、 WIN202 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。 2021年 2月發(fā)布 Keil μ Vision4， Keil μ Vision4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(jué)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(lái)開發(fā)應(yīng)用程序。新版本支持更多最新的 ARM 芯片，臨沂大學(xué) 16 還添加了一些其他新功能。 2021年 3月 ARM公司發(fā)布最新集成開發(fā)環(huán)境 RealView MDK 開發(fā)工具中集成了最新版本的 Keil uVision4，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(yǔ)言仿真如圖 17. 圖 17 keiluVision 調(diào)試 proteus 仿真步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn) Proteus 仿真正轉(zhuǎn)局部圖。如圖 18 臨沂大學(xué) 17 圖 18 Proteus 仿真正轉(zhuǎn) proteus 仿真步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn) Proteus 仿真反轉(zhuǎn)局部圖。如圖 19 圖 19 Proteus 仿真反轉(zhuǎn) proteus 仿真總圖與 proteus 簡(jiǎn)介 以下是 proteus 仿真時(shí)的各種情況。 速度 1正轉(zhuǎn)。如圖 20。 圖 20 速度 1正轉(zhuǎn) 臨沂大學(xué) 18 速度 1反轉(zhuǎn)。如圖 21。 圖 21 速度 1反轉(zhuǎn) 速度 1正轉(zhuǎn)停止。如圖 22. 圖 22 速度 1正轉(zhuǎn)停止 臨沂大學(xué) 19 速度 2正轉(zhuǎn)停止。如圖 23。 圖 23 速度 2 正轉(zhuǎn)停止 速度 3正轉(zhuǎn)停止。如圖 24。 圖 24 速度 3 正轉(zhuǎn)停止 臨沂大學(xué) 20 速度 1反轉(zhuǎn)停止。如圖 25。 圖 25 速度 1反轉(zhuǎn)停止 速度 2反轉(zhuǎn)停止。如圖 26。 圖 26 速度 2 反轉(zhuǎn)停止 臨沂大學(xué) 21 速度 3反轉(zhuǎn)停止。如 圖 27。 圖 27 速度 3 反轉(zhuǎn)停止 速度 2正轉(zhuǎn)。如圖 28。 圖 28 速度 2正轉(zhuǎn) 臨沂大學(xué) 22 速度 3正轉(zhuǎn)。如圖 29。 圖 29 速度 3正轉(zhuǎn) 1速度 2反轉(zhuǎn)。如圖 30。 圖 30 速度 2反轉(zhuǎn) 臨沂大學(xué) 23 1速度 3反轉(zhuǎn)。如圖 31。 圖 31 速度 3反轉(zhuǎn) Proteus軟件是英國(guó) Labcenter electronics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(ài)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 805 HC1 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3AVR、 ARM、 8086 和 MSP430 等 ， 2021 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) 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(lái)，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)臨沂大學(xué) 24 是 AT89C51。 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 32所示。 主程序 Y N Y N 判斷正反轉(zhuǎn) 開始 初始化 判斷正 反轉(zhuǎn)并顯 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“