步进式搅拌机调速控制系统设计——驱动模块设计(编辑修改稿)

步进式搅拌机调速控制系统设计——驱动模块设计(编辑修改稿)内容摘要：

机选用 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机作为中央处理器，并与外接的电路构成最小系统模块。 单片机 AT89C51 简介 单片机从诞生至今已经产生了许多种，新品种的也是层出不穷，从最初INTEL的 MCS． 51和 PIC系列，以及最近推出的 AVR， ARM等，品种繁多，功能各异。 但是就目前来说， 51系列的单片机仍是许多设计的首先，特别是 ATMEL公司的 89系列 FLASH单片机 ，运用更是广泛。 而且各种技术参考资料相对也较多。 通过对本设计所需资源的分析，选用 ATMEL公司的 8位单片机 AT89C51作为主控芯片。 AT89C51是美国 ATML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存储器 ,该器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容 MCS51标准指令系统及引脚。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000次。 由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 AT89C51是一种高效微控制器，功能强大、灵 活性高、价格低廉。 单片机功能及特性 AT89C51 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 I/O 口线，两个 16位定时 /计数器，一个 5向量两级中断结构，一个 内蒙古科技大学智能仪表课程设计报告 12 全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C51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中的内容，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。 主要特性： （ 1） CPU 内核完全和 MCS51 系列兼容，具有 MCS51 系列单片机的一切功能。 （ 2） 内部集成了 4K 字节的在线可编程 FlashROM，可满足大部分系统扩展的需求，编程方更快捷。 （ 3）耐久性： 1000 写、擦除。 （ 4） 2． 7— 6V 的工作电压操作范围。 （ 5） 可在 0～ 24MHz 的晶振频率范围内可靠工作，加快了系统的工作速度，可用在某些高速实时处理控制系统中。 （ 6） 内部具有 128 个字节的 RAM 和 2 个 16 位定时器，可以存放系统运行中的数据。 （ 7） 具有 6 个中断源，完全可 以满足一般设计的中断系统扩展需要。 （ 8）可编程串行 UART通道；直接 LED驱动输出；低功耗空载和掉电方式。 图 AT89C51引脚图 内蒙古科技大学智能仪表课程设计报告 13 单片机最小系统 原理图 采用 AT89S51 单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。 单片机最小系统的原理图如图所示。 图 单片机最小系统原理图 AT89C51 单片机引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是内部振荡器的高增益反相放大器的输入端和输出端。 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 Cl、 C2 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。 复位电路由按键、电阻、电容 C3 构成， 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。 电机驱动模块 由于本设计所用的小型步进电机，对电流和电压的要求并不是高，考虑要硬件设计驱动电路的方法会电路复杂，调试不方便，而且采用多个元器件搭接，成本高，制作也不方便。 而直接采用集成的驱动芯片可以使电路稳定，成本低，易于控制，所以最终本设计是直接采用芯片 ULN2020作为电机驱动部分的驱动芯片。 内蒙古科技大学智能仪表课程设计报告 14 驱动芯片 ULN2020A电路是美国 Texas Instruments公司和 Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路，由七个硅 NPN 达林顿管组成，具有电流增益高（灌电流可达 500mA）、工作电压高（可承受 50V的电压）、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用用于各大要求高速大功率驱动系统。 ULN2020由 7组达林顿晶体管阵列、相应的电阻网络及钳位二极管网络构成，每一对达林顿都串联一个 的基极电阻 ,在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，同时具有驱动 7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。 其内部结构引脚电路如图。 图 驱动模块电路图 由于 ULN2020 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关态 时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行等优点。 完全可以驱动四相 八拍电机。 信号通过单片机 I/O 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片 ULN2020 驱动步进电机。 内蒙古科技大学智能仪表课程设计报告 15 图 本设计的电机驱动部分是由驱动芯片 ULN 及其外围电路构成，其中ULN2020 的输出端 1C、 2C、 3C、 4C 依次按顺序连成一个插座，分别与步进电机的四根线相连。 单片机的 P1 口的 4 个管脚通过非门与芯片的 1B、 2B、 3B、4B 引脚依次与相连。 通过这一连接实现了单片机与 ULN2020 以及步进电机的串联控制。 由于 ULN2020 驱动芯片内部有 7 个非门需外接输入端接非门，这样才会使单片机输出的脉冲信号不会改变。 在这里 ULN2020 芯片相当于继电器，当单片机的脉冲来时，通过改 变步进电机各相依次导通来控制步进电机的运行。 独立按键模块 键盘电路根据不同情况，选择不同模式。 在这里所采用的是独立按键，其中包括五个功能：正传、反转、加速、减速、停止分别连接单片机的 、 、 、 管脚进行信号输入，由于是独立按键所以按键的另一端公共接地，键盘出发脉冲是以低电平“ 0”时期触发，除了考虑其是否有触发电平外，还要考虑是否是由于抖动引起误触发，因此在软件设计是均要有 10ms 左右的延时来去抖动。 按键电路如图。 内蒙古科技大学智能仪表课程设计报告 16 图 显示模块 由于设计要求使用 LCD/LED显示，所以在显示模块这部分用液晶显示和数码管显示。 （ 1） LCD（液晶）显示模式 采用点阵式 LCD显示，单片机的 P0作为数据口与 LCD的数据端口相连， LCD显示器的 VSS接地， VCD接高电平，命令数据线 RS接 ，读 /写控制线 R/W接 ，使能线 E接 ，当命令数据线 RS为 1时， D0～ D7显示 RAM数据； RS为 0时， D0～ D7写入数据，当 R/W为 1时是读模式，此时使能线 E应为 1， R/W为 0时是写模式，当 E从 1变为 0时， D0～ D7上的数据写入 LCD。 图 （ 2） LED（数码管）显示模式 内蒙古科技大学智能仪表课程设计报告 17 LED显示模式的驱动方式有共阴极和共阳极俩类型。 本设计采用共阴极结构形式，在共阴极接法中，公共阴极接低电平（通常接地），当阳极上为高电平时，对应的段被点亮，另外显示器需要外接限流电阻，如果不限流将造成 LED烧毁。 同时显示方式采用静态显示，在每次显示输入后能够保持显示不变，仅在待显数码需要改变时，才更新其数字显示其中锁存的内容。 由于是 4段数码管，所以用四个 74LS164串入并出的移位寄存器。 其接线原理如图。 图 测速模块 由于光码盘和编码器的测速原理都一样，都是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号传输给单片机，因而本设计采用的是编码器，提高了测量精度，其输出端与单片机的 管脚相连。 如图是本设计编码器实物图。 图 A0A1A2A3A4A5A6A7B0B1B2B3B4B5B6B7C0C1C2C3C4C5C6C7D0 E0 F0 G0G7D1D2D3D4D5D6D7E1E2E3E4E5E6E7F1F2F3F4F5F6F7G1G2G3G4G5G6G7D0D1D2D3D4D5D6E0E1E2E3E4E5E6F0F1F2F3F4F5F6G0G1G2G3G4G5G601234567DA TD7E7F7CL KDA TCL KM1M2M4M1M2M4M3M30 1 2 3 4 5 6 7 C0C1C2C3C4C5C6C7 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U5A T 8 9 C5 1NE T = A D 7SRG8RC1/amp。 1D1324 5 6 1081112913U17 4 L S 1 6 4SRG8RC1/amp。 1D1324 5 6 1081112913U27 4 L S 1 6 4SRG8RC1/amp。 1D1324 5 6 1081112913U47 4 L S 1 6 4SRG8RC1/amp。 1D1324 5 6 1081112913U37 4 L S 1 6 412345678161514131211109R N 41 0 k12345678161514131211109R N 31 0 k12345678161514131211109R N 21 0 k12345678161514131211109R N 11 0 kA B C D12121212234567891R P 1RE S P A C K 81B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10CO M9U7ULN2 0 0 3 AU5( P 3 .5 /T 1 )+ 1 6 3 内蒙古科技大学智能仪表课程设计报告 18 总体原理图。