毕业设计（论文）-单片机三通道步进电机控制器的设计说明书

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1、武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） 摘 要步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，比如细分驱动技术，但是有的系统比较复杂，和一些相对比较简单的控制过程不相吻合，投入上也不经济;有的系统在操作上不是很方便，交互性不强。而且，有感于目前的职业教育的专业教材各种技术太过经渭分明，由此带来的实习也是比较零散，没有把一些

2、在工程实践中应该结合在一起的技术有机结合起来，因此本文的研究内容就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况、以及常见的控制系统采用的方案，常见的驱动技术，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机程序的设计。关键词:步进电机、单片机、看门狗AbstractStepping motor is a kind of controlled by e

3、lectrical pulse signal phase winding current to achieve fixed angle rotating electromechanical components, compared with other types of motor control with easy-to-open-loop precision, no accumulation of error of the advantages, has been widely used in many fields. In order to obtain good control per

4、formance results, there has been a lot of stepping motor control system, which adopts singlechip as the control of the control system has been widely applied. A lot of this control system has been in the drive of step motor is very good, such as subdivision driving technology, but some of the system

5、 is more complex, and some relatively simple control process do not coincide, investment is not the economy; some systems in the operation is not very convenient, do not have a strong interaction. Moreover, professional teaching techniques in occupation education at present too clear by Wei, practic

6、e the resulting is scattered, not put some in the engineering practice should be combined organically in together, therefore the research content of this paper is to design a set of hardware system is simple, economic, but the function is complete, strong adaptability, convenient operation, high rel

7、iability, can organically integrate electronic technology, single chip technology, motor control technology of stepping motor control system. This paper briefly describes the development of the scheme, the stepper motor applications, as well as the common control system, driving technology is common

8、, but also analyzed the working principle of stepping motor, and then by the microcontroller. The hardware design scheme of the system, detailed design on the basis of each module the circuit, then elaborated the design of stepper motor program.Key words：Stepping Motor，SCM，Watch Dog目录摘 要1Abstract2目录

9、3第一章 绪论41.1 课题背景41.2 主要研究工作4第二章 单片机基础知识及选择52.1 单片机应用发展简介52.2 单片机选择6第三章 步进电机基础知识及选择73.1 步进电机工作原理73.2 步进电机的选择83.3步进电机各指标和参数9第四章 系统的硬件设计124.1 系统设计方案124.2 单片机最小系统134.3串口通信模块184.4 数码管显示电路设计184.5 步进电机驱动电路224.6 电源电路254.7键盘电路26第五章 控制系统软件设计295.1 软件系统设计原则295.2 步进电机控制系统功能设计295.3 主程序设计305.4 显示程序设计325.5 键盘程序设计33

10、5.6 调速程序设计35第六章 总结37参考文献38附录1 系统原理图39附录2 系统程序（C语言）40第一章 绪论1.1 课题背景步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲,电机就运行一步故称为步进电机或脉冲马达。通俗一点讲:当步进电机接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机具有转子惯量底，定位精度高，无累积误差，控制简单等特点。实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启

11、动、制动和反转。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制步进电机作为控制执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。随着数字技术和计算机的发展，研究步进电机驱动电路，使步进电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。步进电动机的发展方向主要有如下三点:(1)进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用SVPWM技术，采用电子齿轮比技术，扩展通讯网络功能等。(2)高功率密度的步进电动机系统。(3)闭环控制步进电动机系统。为了彻底克服步进电动机系统一些根本性的弱点，如

12、振荡的倾向及失步等，可改为闭环系统，但这种改变的步进电动机系统已起了质的变化，不再是本来意义上的步进电动机，而成为无刷直流电动机(BLDCM)，或交流伺服电机(AC servo）。1.2 主要研究工作硬件设计方面：通过单片机实验加深对步进电机的驱动电源和电机工作情况了解。观察转子振荡状态，并且掌握步进电机的基本特性和指标。根据功能需要选择电路元器件和型号，设计电路并能解决现实抗干扰问题。画出电路原理图，进行电子自动化设计。软件设计方面：通过使用很广泛的C语言编写核心模块对步进电机进行控制的程序。最终设计出一个单片机控制步进电机电路，能够调节步进电机的转向和速度。由于转速是通过调节脉冲频率实现的

13、，该设计脉冲分配采用完全软件方式，既按照给定的通电换向顺序，通过单片机I/O口向驱动电路发出控制脉冲，避免采用复杂脉冲分配器芯片，实现单片机直接控制步进电机。在现实操作中解决堵转和启动失步等问题。第二章 单片机基础知识及选择2.1 单片机应用发展简介单片微型计算机（Single Chip Microcomputer)简称单片机，是在一块芯片体上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成的一个完整的微型计算机。自1971年Intel公司制造出第一块4位微处理器以来，发展十分迅猛，经历了4位机、低档8位机、高档8位机、16位

14、机及最新一代的单片机。最新一代单片机在结构上采用双CPU或内部流水线，CPU有8位、16位、32位，时钟频率高达20Hz，片内有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高集成化，低功耗方向发展，使得单片机在大量数据的及时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故在国民经济建设、军事及家用电器等领域有广泛的应用。按照单片机特点，单片机可分为单机应用和多机应用。单机应用主要领域有（1）测控系统。用单片机构成各种工业控制系统、自适

15、应系统、数据采集系统等。如温室人工气候控制、水阀自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。（2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度的测量、显示及仪表控制。通过单片机软件编程，是测量仪表中长期存在的误差修正、线形化处理等难题迎刃而解。（3）机电一体化产品。如简易数控机床、医疗器械等。（4）智能接口。在大型工控系统中，普遍采用单片机进行接口的控制与管理，这个因为单片机与主机是并行工作的，可大大提高系统运行速度。如大型数据采集系统中，用单片机对ADC接口进行控制不仅可提高采集速度还可对数据进行预处理

16、。如数字滤波、线形化、误差修正等。多机应用主要在功能集散系统、并行多控制系统、局部网络系统。（1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。如一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标系统、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。（2）并行多控制系统。并行多控制系统主要解决工程应用系统的加速问题，以便构成大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图象处理系统等。（3）局部网络系统。单片机网络系统的出现，使单片机的应用进入了一个新的水平。目前该网络系统主要是分布式测控系统，单片机主要用语系统中的通信控制，以及构

17、成各种测控子级系统。2.2 单片机选择2.2.1单片机选择依据第一，价格因素。考虑到该控制器设计的适用性，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。第二，性能因素。AT89S51单片机机内部资源丰富、具有在线编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便，通过对该系统分析，8位单片机可以满足系统控制精度的要求。第三，安全因素。电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心，单片机的安全性必须达到系统要求。2.2.2 AT89S51单片机的优点（1）内部含Flash存储器： 在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，大大缩短了系统的开

18、发周期。（2）和 80S51 插座兼容： 该机型通用性好，能够利用现成的 51 系列的开发系统，不需另外重新建立新的开发系统，这样可节约开发成本。（3）静态时钟方式：AT89S51 单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低成品的功耗十分有用。（4）错误编程亦无废品产生： 一般的 OTP 产品一旦错误编程就成了废品，而AT89S51 单片机内部采用了 Flash 存储器，所以错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。（5）可进行反复系统试验： 用 AT89S51 单片机设计的系统可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优，而且随

19、用户的需要和发展还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。由于该机型具有上述优点，并且有现成的开发系统，不需购置新的开发系统，可节约开发成本，所以选择 AT89S51 单片机。第三章 步进电机基础知识及选择3.1 步进电机工作原理步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。现阶段,感应子式步进电机获得较多的应用。感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工

20、作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 各种步进电机工作原理都大同小异，因为反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。(1)结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：

21、图3.1 定转子展开图(1)旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3。这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，

22、电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五

23、相为多。(3)力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比。其磁通量=BrS。Br为磁密，S为导磁面积，F与LDBr成正比， L为铁芯有效长度，D为转子直径。Br=NI/R，NI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力半径。力矩与电机有效体积安匝数磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。图 3.2 磁通量与受力图3.2 步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。(1)步距角的选择:电机

24、的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。(2) 静力矩的选择: 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩

25、擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。（3）电流的选择：静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。综上所述本系统设计采用57BYG350A型号的步进电机。因一般的步进电机都配有固定型号的驱动器，57BYG350A型号的步进电机与其配套的驱动器型号为MS-3H057M系列驱动器，所以本系统驱动器的选择不再另作选择。3.3步进电机各指标和参数步进电机的指标和参数通常分为静态指标术语和动态指标术语。（1）步进电机的静态指标术语。相数：产生不同对极 N S 磁场的激磁线圈对数。常用

26、m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360 度（转子齿数 J 运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（504）=1.8 度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（508） =0.9 度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电

27、机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。（2）步进电机动态指标及术语：步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在 15%以内。失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。在步进电机的运行过程中，将可能出现失步，其失步原因有两种 ：(1

28、)转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转，从而引起失步(2)转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。最大空载的运行频率：电机在

29、某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如图3.3所示：图3.3 步进电机运行矩频特性图电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角

30、为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。第四章 系统的硬件设计4.1 系统设计方案4.1.1系统的方案简述与设计要求本设计采用单片机AT89S51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了步进电机驱动芯片MS-3H057M及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。系统的具体功能和要求

31、如下：1.单片机最小系统板的设计；2.实现步进电机的启动、停止、正转、反转、加速、减速等控制；3.驱动电路可提供电压为12V，电流为0.3A的驱动信号;4.能实现步进电机的转速调节,最低转速为25转/分，最高转速为100转/分；5.步进电机的转速由数码管显示；6.键盘扫描电路的设计。4.1.2 系统的组成及其对应功能简述整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载通信模块，数码管显示模块，独立按键模块等模块组成。具体框图如图4.1所示：图4.1 系统总体框图单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进

32、电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向及步进电机的运行步数。独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速等功能。采用了中断和查

33、询相结合的方法来调用中断服务程序，完成了对步进电机的最佳的及时的控制。本节主要是在第一章和第二章的基础上引出了本论文将要采用的设计方案，并详细的清楚的一条条列出了设计要实现的基本设计要求。然后是基于我的设计方案，比较简单的但有条理的描述了系统的各个部分的组成以及其对应的基本功能。通过这一章的内容，我们能对本设计有一个简单的总体的把握，既是能清楚的知道本题目的设计内容，设计方法，以及最终的预期目标。4.2 单片机最小系统4.2.1 AT89S51简介AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATM

34、EL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，功能强大。1、主要性能参数与MCS-51 产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期4.05.5V 的工作电压范围 全静态工作模式：0Hz33MHz 三级程序加密锁 1288 字节内部RAM 32 个可编程IO口线 2 个16 位定时计数器 6 个中断源 全双工串行UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗（WDT）及双数据指针 掉电标识和快速编程特性 灵

35、活的在系统编程（ISP 字节或页写模式）2、功能特性概述AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3、引脚功能说明图4.2 AT89S51该设计使用到的单片机芯片对应管脚名

36、称位置等如图4.2的引脚功能图详细说明。VCC：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）。P1口：Pl一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输

37、入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRi指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区P2寄存器的内容），

38、在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向IO口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的IO口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。具体功能如表4.1所示表4-1 P3口的引脚及功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外

39、部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时/计数器0外部输入）P3.5T1（定时/计数器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺为RESET输出高电平打开状态。ALEPROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的16输出固定的正脉冲信号

40、，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。EAVPP

41、：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。XTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。存储器结构：MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具64KB外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在AT89S51，假如EA接

42、至Vcc（电源+），程序首先执行地址从0000H0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000HFFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器：AT89S51的具128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。4、晶体振荡器特性AT89S51一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路构成并联振荡电路。对外接电容

43、Cl、C2虽然没十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF10pF。用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。5、Flash闪速存储器的并行编程AT89s51单片机内部4k字节的可快速编程的Flash存储阵列。编程

44、方法可通过传统的EPROM编程器使用高电压（+12V）和协调的控制信号进行编程。AT89S51的代码是逐一字节进行编程的。编程方法：编程前，须设置好地址、数据及控制信号，AT89S51编程方法如下：1、在地址线上加上要编程单元的地址信号。2、在数据线上加上要写入的数据字节。3、激活相应的控制信号。4、将EAVpp端加上+12V编程电压。5、每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALEPROG编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，大多数约为50us。改变编程单元的地址和写入的数据，重复15步骤，直到全部文件编程结束。4.2.2 单片机最小系统设计采用AT89S51单

45、片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。在本设计当中，单片机的P0口、P1口、P2口、P3口全部参与系统工作，单片机最小系统的接线如图4.3所示：图4.3 单片机最小系统图4.2.3 单片机端口分配及功能1、P0口用于与上位机通讯、下载程序，以及控制步进电机的一个通道；2、P1口用于处理矩阵键盘的扫描功能；3、P2口主要用于控制步进电机的两个通道，与此同时还控制数码管显示使能信号；4、P3口主要用于控制数码管的具体显示功能，既是数码管的段选。4.3串口通信模块本设计采用串口通信，来实现上位计算机与单片机的通信。其具体的电路图如图4.4所示。图4.4 串口通信模块4

46、.4 数码管显示电路设计本设计的显示部分可以用液晶显示的方案可供选择，液晶显示和数码管显示的区别主要体现在以下几个方面：数码管显示内容单一，而液晶显示器显示内容丰富，因为液晶一般都是七段八字的只能显示单一的内容，而液晶显示的内容就很丰富；数码管还比液晶显示耗电，而且使用液晶也比使用数码管显得美观。但是控制液晶显示器的时候占用的系统资源多，编程更复杂，最关键的是液晶显示的成本是数码管的几十倍，所以考虑到应用价值，最终还是确定选用数码管实现本设计的显示部分功能。多位数字显示时，常将所有位的段选线并联在一起，由一个8位IO口控制，也可采用并行扩展口构成显示电路，通常，需要扩展器件管脚的较多，价格较高

47、。在本设计中,为了节约I/O口资源，采用了由Max7219芯片构成的串行显示方式。Max7219是串行输入，输出共阴极显示驱动电路，可直接与单片机的3条I/O线接口，特别适用于I/O口线少的系统，并且可以程序控制数码管的亮度。本设计采用串行数码管显示驱动器MAX7219来进行驱动数码管显示。4.4.1 共阳数码管简介四位共阳数码管的管脚分配如下图4.5所示：图4.5 四位共阳数码管管脚定义数码管的管脚排列：从数码管的正面观看，左下角的那个脚为1脚，从1脚开始，按照逆时针方向排列依次是1脚到12脚，其中12、9、8、6为公共角，为位选信号输入端。剩余的八个脚是段选信号输入端，其对应方式是A-11

48、、B-7、C-4、D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3。只有详细的了解了数码管的管脚定义，以及段选位选情况，我们才能通过编程对其正常的显示进行很好的控制。在本设计当中采用了数码管动态扫描的方式进行显示，下面我们对数码管动态扫描显示作一详细介绍。数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电

49、路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。4.4.2 串行数码管显示驱动器MAX7219MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行接口8位LED数码管驱动器，采用CMOS工艺，

50、内部集成了数据保持、BCD译码、多路扫描器、段驱动器和位驱动器。每片MAX7219最多可同时驱动8个LED数码管、条形图显示器或64只发光管。MAX7219的主要特点如下：采用三线串行传送数据，仅用3个引脚与微处理器相应端相连即可，串行数据传送速率高达10MHz，还可以级联使用。内部具有8字节显示静态RAM（称为数字寄存器）和6个控制寄存器，可单独寻址和更新内容。有译码和不译码两种显示模式。上电时所有LED熄灭，正常工作时通过外接电阻或编程方式调节数码管亮度。最大功耗为0.87W，具有150uA电流的低功耗关闭模式。MAX7219和LED数码管直接连接时不用外加驱动器和限流电阻，不用译码器、锁

51、存器和其他硬件电路。MAX7219还可以级联使用，驱动更多的LED数码管，且不必另外占用单片机口线。下面介绍MAX7219的功能和使用方法。MAX7219是24脚双列直插式芯片，引脚排列如图4.6。图4.6 MAX7219引脚图1) DIN：串行数据输入端。在CLK的上升沿，数据被装入到内部的16位移位寄存器中。2) DIG7DIG0：8位数值驱动线。输出位选信号，从每位LED显示器公共阴极吸入电流。3) GND：接地端。4) LOAD：装载数据控制端。在LOAD的上升沿，最后送入的16位串行数据被锁存到数据或控制寄存器中。5)DOUT：串行数据输出端。进入DIN的数据在16.5个时钟后送到D

52、OUT端，以便在级联时传送到下一片MAX7219。6)SEGASEGG：LED七段显示器段驱动端。7)SEGH：小数点驱动端。8)VCC：+5V电源端。9) Iset：LED段峰值电流提供端。它通过一只电阻与电源相连，以便给LED段提供峰值电流。10)CLK：串行时钟输入端。最高输入频率为10MHz，在CLK的上升沿，数据被移入内部移位寄存器；在CLK的下降沿，数据被移至DOUT端。4.4.3 LED数码管显示硬件电路Max7219是串行输入，输出共阴极显示驱动电路，可直接与单片机的3条I/O线接口，特别适用于I/O口线少的系统，并且可以程序控制数码管的亮度。在本设计中，采用单片机串行口（P3

53、.0和P3.1）及P2.0三条线与Max7219相连接，P3.0、P3.1分别作为MAX7219串行数据输入信号DIN和时钟信号 CLK，P0.0输出口作为LOAD信号。因本系统中共用到24个LED数码管，因此用三个MAX7219级联来驱动LED数码管的显示。本系统中共用到24个LED数码管，每八位数码管显示一个电机的一些参数。其中四位数码管用来显示步进电机的运行步数，另四位用来显示步进电机的运行速度。具体硬件线路图见图4.7。图4.7 MAX7219显示电路图4.5 步进电机驱动电路步进电机常用的驱动方式是全电压驱动,即在电机移步与锁步时都加载额定电压，为了防止电机过流及改善驱动特性,需加限

54、流电阻。步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动,即在电机移步时,加额定或超过额定值的电压,以便在较大的电流驱动下,使电机快速移步。在现代社会，一般步进电机都有其配套的驱动器与其配套使用，本设计就采用了57BYG350A型号的步进电机，与其配套的驱动器型号为MS-3H057M系列驱动器。4.5.1 MS-3H057M型号步进电机驱动器介绍51图4.8 步进电机驱动器面板图CP+ 步进脉冲信号正端CP- 步进脉冲信号负端DIR+ 方向电平信号正端DIR- 方向电平信号负端EN+ 使能电平信号正端EN- 使能电平信号负端CW+ 正向步进脉冲信号正端CW- 正向步进脉冲信号负端CCW+ 反向步进脉冲信号

55、正端CCW- 反向步进脉冲信号负端Power 电源指示灯（绿色）No ready 未准备好指示灯（红色）1-4位设定电机每转步数（细分数）5位 设定步进脉冲方式0- 单脉冲，1-双脉冲6位 设定是否允许半电流0- 不允许，1-允许7-10位 设定输出电流值（有效值）4.5.2 MS系列驱动器主要功能电机每转步数设定（细分数设定）：每一种型号驱动器都有16种步数（细分数）可选，由驱动器上的拨位开关的第1、2、3、4位设定，此16种步数基本涵盖了用户对电机步距的要求，步数设定必须在驱动器未加电或已加电但电机未运行时才有效。驱动器输出电流设定：每一种型号驱动器都有16档输出电流可选，由驱动器上的拨位

56、开关的第7、8、9、10位设定，驱动器输出三相正弦电流给电机，电流大小以有效值标称。控制信号方式设定：每一种型号驱动器都有2种控制信号方式可选，由驱动器上的拨位开关的第5位设定： CP/DIR方式： 电机的旋转方向由DIR换向电平控制，而步进信号取决于CP。比如说，DIR为高电平时电机为顺时针旋转，DIR为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。拨位开关的第5位设定在“0”位置；CW/CCW方式： 驱动器接受两路脉冲信号（一般标注为CW和CCW），当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电机反向运行,我们称之为双脉冲方式。

57、拨位开关的第5位设定在“1”位置。自动半电流：是指驱动器在脉冲信号停止施加1秒左右，会自动进入半电流状态，这时电机相电流为运行时的一半，以减小功耗和保护电机，此功能由驱动器上的拨位开关的第6位设定：0无此功能、1有此功能。相位记忆功能(无时间限制)：驱动器断电时处于某一相位，下次加电时如果和此相位不同，电机就会“抖动”一下，为了消除电机抖动就必须把断电时的相位记忆住。此功能在某些行业非常重要，记忆时间为无限。保护功能：过温保护、过流保护、欠压保护、保护信号输出。4.5.3 MS系列驱动器控制信号接口驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电流信号，控制系统提供给驱动器的

58、信号主要有以下三路：1、步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一步距角， CP的频率和步进电机的转速成正比， CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电机调速和定位的目的。2、方向电平信号DIR：此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接受两路脉冲信号（标注为CW和CCW），当其中

59、一路（如CW）有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电机反向运行。由拨位开关的第5位决定使用何种方式。3、使能信号EN：此信号在不连接时默认为有效状态，这时驱动器正常工作。当此信号回路导通时，驱动器停止工作，这时电机处于无力矩状态（等同于本公司SH系列驱动器的FREE信号），此信号为选用信号。4.5.4 控制电路设计为了使控制系统与驱动器正常控制步进电机，本系统电机驱动器采用共阴方式，把CP-、DIR-和EN-接在一起作为共阴端接外部系统的GND。其中一个步进电机驱动器与单片机的具体接线为脉冲信号CP+端接入单片机P2.1，方向信号DIR+端接入P2.2, 使能信号EN

60、+端接入P2.3。电路图如图3.9。图4.9 驱动及其控制电机电路4.6 电源电路由于系统放大模块和交流/直流转换模块要用到5V、12V直流电源，因此需要自行设计并制作合适的直流稳压电源。本产品外接交流220V电源输入，通过4个二极管进行交流变直流的整流，利用三端稳压器MC7812及MC7805产所需的电压，C6为低频滤波电容，C9为高频滤波电容。三端集成稳压器MC7812和MC7805分别为系统的某些部件提供+12V和+5V的直流工作电源。具体的电路设计如图4.10所示：图4.10 电源电路4.7键盘电路4.7.1 矩阵式键盘按键的识别当非编码键盘的按键较多时，若采用独立式键盘占用I/O口线

61、太多，此时可采用矩阵式键盘，键盘上的键按行列构成矩阵，在行列的交点上都对应有一个键。行列方式是用m条I/O线组成行输入口，用n条I/O线组成列输出口，在行列线的每一个交点处，设置一个按键，组成一个mxn的矩阵，如图4.4所示，矩阵键盘所需的连线数为行数+列数，如44的16键矩阵键盘需要8条线与单片机相连，般键盘的按键越多，这种键盘占I/O口线少的优点就越明显，因此，在单片机应用系统较为常见。列行图4.11 矩阵式键盘矩阵式键盘识别按键的方法有两种: 一是行扫描法, 二是线反转法。这里只说明一下第一种情况，行扫描法：先令列线Y0为低电平（0），其余3根列线Y1、Y2、Y3都为高电平，读行线状态。

62、如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态；如果Y0这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查Y1这一列上有无键闭合，依次类推，最后使列线Y3为低电平，其余列线为高电平，检查Y3这一列有无键闭合。为了防止双键或多键同时按下,往往从第0行一直扫描到最后1行,若只发现1个闭合键,则为有效键,否则全部作废。找到闭合键后,读入相应的键值,再转至相应的键处理程序。关于键盘的抖动问题的分析和解决：当用手按下一个键时，如图4.12所示，往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳

63、定到闭合状态的情况；在释放一个键时，也回会出现类似的情况。这就是抖动。抖动的持续时间随键盘材料和操作员而异，不过通常总是不大于10ms。很容易想到，抖动问题不解决就会引起对闭合键的识别。用软件方法可以很容易地解决抖动问题，这就是通过延迟10ms来等待抖动消失，这之后，在读入键盘码。因此本系统采用软件消抖的方法。键按下前沿抖动后沿抖动闭合稳定图4.12 键抖动信号波形键编码及键值(1)用键盘连接的I/O线的二进制组合表示键码。例如用4行、4列线构成的16个键的键盘，可使用一个8位I/O口线的高、低4位口线的二进制数的组合表示16个键的编码，如图所示。各键相应的键值为88H、84H、82H、81H、48H、44H、42H、41H、28H、24H、22H、21H、18H、14H、12H、11H。这种键值编码软件较为简单直观，但离散性大，不便安排散转程序的入口地址。(2)顺序排列键编码。如图所示。这种方法，键值的形成要根据I/O线的状态作相应处理。键码可按下式形成：键码=行首键码+列号。4.7.2 键盘电路设计有关键盘操作的部分，可分为参数设定和执行控制等功能操作。所谓参数设定，本系统在开始运行前要求设置步进电机运行的速度，转向、运行步数等，所以要进行按键输入数值以传入参数。所谓执行控制指步进电机的启动、停止