步进电机控制系统的设计-电气工程与自动化学士学位论文

步进电机控制系统的设计-电气工程与自动化学士学位论文内容摘要：

20V C C40U1S TC 8 9 C 5 2 图 3 单片机引脚图 单片机的引脚功能 （ 1） VCC（ 40）：电源 +5V。 （ 2） GND（ 20）：接地，也就是 GND。 （ 3） XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振荡电路。 单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2 上加外部时钟信号。 （ 4） PSEN（ 29）：片外 ROM 选通信号，低电平有效。 （ 5） ALE/PROG（ 30）：地址锁存信号输出端 /EPROM 编程脉冲输入端。 （ 6） RST/VPD（ 9）：复位信号输入端 /备用电源输入端。 （ 7） EA/VPP（ 31）：内 /外部 ROM 选择端。 （ 8） P0口（ 3932）：双向 I/O 口。 （ 9） P1口（ 18）：准双向通用 I/0 口。 （ 10） P2口（ 2128）：准双向 I/0 口。 主要特性 与 MCS51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环数据保留时间：全静态工作： 0Hz24Hz 三级程序存储器锁定、 128*8 位内部 RAM、 32 可编程 I/O 线、两个16 位定时器 /计数器、 5 个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路 姓名： xxx 论文题目：步进电机控制系统的设计 8 （ P0 口： P0口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P1口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。 P1口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2口： P2口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2口缓冲器可接收，输出 4 个TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时 ，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口： P3口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为 STC89C51 的一些特殊功能口，如下所示： P3口管脚备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（记时器 0 外部输入） T1（记时器 1 外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许 的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止ALE 的输出可在 SFR8EH地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取 指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 EA/VPP：当 /EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 I/O 口引脚： a： P0口， 双向 8 位三态 I/O 口，此口为地址总线（低 8 位）及数据总线分时复用； 2020 届电子信息科学与技术专业学士学位毕业论文（设计） 9 b： P1口， 8 位准双向 I/O 口； c： P2口， 8 位准双向 I/O 口，与地址总线（高 8 位）复用； d： P3口， 8 位准双向 I/O 口，双功能复用口。 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 在功能上 ， MCS51系列单片机有基本型和增强型两类，它们以芯片型号的末位数字来区分。 即“ 1”为基本型，“ 2”为增强型。 在 MCS51 系列单片机中，我们以 8051为例，来介绍其结构及功能。 8051 单片机的内部功能框图如图 4 示： 图 4 MCS51 系列单片机的内部结构 键盘控制电路 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。 键盘实质是一组按键开关的集合。 键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。 一个 电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为 5—10ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。 按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。 通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。 在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。 并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了姓名： xxx 论文题目：步进电机控制系统的设计 10 发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。 为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键 ，必须消除抖动的影响。 消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。 由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。 其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时 10ms 的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。 其原理图如图 5 所示 : S4S1S2S3正转反转减速加速P 30P 31 图 5 键盘控制模块原理图 数码管驱动显示电路 数码管是一种半导体发光 器件 ，其基本单元是 发光二极管。 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个 发光二极管 单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“ 8”可分为 1 位、 2 位、 4 位等等数码管：按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极 接到一起形成公共阳极 (COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极 COM接到 +5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 (COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 由于它的价格便宜使用简单在 电器 特别是家电领域应用极为广泛。 本设计采用共阳极数码管来显示时间，利用三极管的开关作用驱动数码管。 Q1 Q2 Q3 Q4V C CR6R7R8R9P20P21P22P23. . . .a bcdefgdp1H 2H 3H4HS M G7L E D1H 2H 3H4Ha f be ddp c g4H3H2H1H 图 6 数码管驱动显示电路 2020 届电子信息科学与技术专业学士学位毕业论文（设计） 11 步进电机驱动电路 本系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，我们在这里采用 ULN2020 为步进电机提供脉冲信号。 ULN2020 七 NPN 达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如 TTL,CMOS 或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理 想器件。 广泛用于计算机，工业和消费类产品中。 所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。 ULN2020 的设计与标准 TTL 系列兼容。 它的管脚连接图如图 7所示 : 图 7 ULN2020管脚连接图 其主要特性为： 表 1 ULN2020 主要特性表 极限值（若无其他规定， Tamb=25℃） 参数名称 符号 数值 单位 输入电压 VIN 30 V 输入电流 IIN 25 mA 功耗 PD 1 W 工作环境温度 Topr 20to +85 ℃ 贮存温度 Tstg 55to+150 ℃ ULN2020 芯片概述与特点 ： ULN2020 芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由 7 组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动 7 组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。 功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。 功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。 ULN2020 芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件。 步进电机驱动电路的工作过程是：首先从 P1口输出 00000001B，由于单片机与 ULN2020连接只用到了 —，所以 ULN2020 与单片机连接的四个管脚中每时刻只有一个管脚处于导通状态（采用单拍方式对步进电机控制），其他管脚处于断开状态。 这样就使得与姓名： xxx 论文题目：步进电机控制系统的设计 12 ULN2020 连接的步进电机只有一个引出端导通。 该系统驱动原理图如图 37 所示 : 12345678 910111213141516U2U L N 20 0312345J1D1 D2 D3 D4R21KR31KR41KR51KV C Cabcd红蓝粉黄橙V C CV C C 图 8 步进电机驱动原理图 4 控制系统软件分析与设计 步进电机控制系统的软件需要同时完成读取键盘、处理 键盘、控制步进电机转动、控制数码管动态显示等任务，这就必须通过中断技术来实现。 在本设计。