1、课程设计说明书 第 1页1 绪论1.1 课题描述 随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发
2、展水平的标志之一。本课题研究的内容就是以单片机为主要控制元件，通过控制脉冲信号来定位步进电机。1.2 步进电机参数和特点 1.2.1 基本参数1.电机固有步距角 8它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8） ，这个步距角可以称之为 电机固有步距角 ，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2.步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的
3、为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。3. 保持转矩（HOLDING TORQUE ）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。1.2.2 步进电机的特点课程设计说明书 第 2 页1一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 2步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
4、 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不
5、同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。2 总体方案设计2.1 总体设计框图为了实现步进电机的加减速定位控制功能，设计采用的如图 2.1 的设计框图。本设计系统采用开环控制，利用 AT89C51 单片机作为脉冲分配器，通过功率接口控制四相步进电机的加减速运行。键盘模块控制步进电机的起动 、加速、停止、以及定位等各项功能的选择。课程设计说明书 第 3 页LCD 显示器上实时的显示步进电机的运行转速和定位功能时候步进电机运行的转速和总的转数。89C51 单片机系统是整个控制系统的核心，控制系统的各个模块协调工作并且充当步进电机运转时候的脉冲分配器。图 2.
6、1 总体设计框图2.2 控制系统芯片的选取2.2.1 单片机芯片的选取随着科学技术的发展，微型计算机技术日益发展，已经在许多领域得到了广泛的应用。随着集成电路工艺的发展，出现了单片机、DSP,ARM 等多种单片机。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方
7、案 6。51 单片机虽然和 DSP,ARM 相比处理速度和运算速度上都比较慢，但它的体积小、质量轻、价格便宜，它的速度可以满足本次实验的要求，所以我们采用AT89C51 这款单片机。2.2.2 步进电机驱动芯片的原理及其引脚功能对于设计中的步进电机驱动器采用 L298N 驱动器。L298N 为 SGS-LCD显示器键盘89C51单片机系统功率接口电路步进电机课程设计说明书 第 4 页THOMSON Microelectronics 所生产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可
8、同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电位信号，可驱动46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号。L298N 的内部逻辑图如 2.3 所示 1。图 2.3 L298 内部逻辑图 3双列直插式封装的 L298N，共 20 个引脚，引脚图及其引脚功能如下图 2.4所示。课程设计说明书 第 5 页图 2.4 L298N 引脚图 2L298N 驱动器的引脚功能如表 2.1 所示。表 2.1 L298 引脚功能引脚 PowerSO Name F
9、unction 功能说明1;152;19Sense A; Sense B 电流监测端,1、15 和 PowerSO 的 2、19 用法一样，SEN1、SEN2 分别为两个 H 桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地2; 3 4; 5 Out 1; Out 2 1Y1、1Y2 输出端 4 6 VS 功率电源电压,此引脚与地必须连接 100nF 电容器5;7 7;9 Input 1; Input 2 1A1、1A2 输入端，TTL 电平兼容6;11 8;14 Enable A; Enable B TTL 电平兼容输入 1EN、2EN 使能端，低电平禁止输出8 1,10,11,20 GND GND 地9
10、 12 VSS 逻辑电源电压。 此引脚与地必须连接 100nF 电容器10; 12 13;15 Input 3; Input 4 2A1、2A2 输入端，TTL 电平兼容13; 14 16;17 Out 3; Out 4 2Y1、2Y2 输出端 监测引脚 15 3;18 N.C. Not Connected 空2.2.3 显示芯片的选取及其引脚功能课程设计说明书 第 6 页对于显示模块选用LM016L液晶显示器。LM016L液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、质量轻、显示好的特点。点阵字符型液晶显示器把LCD 控制器、点阵驱动器、字符存储器集成在一块印刷电路板上，构成便于应用的液晶模块。这
11、类液晶模块不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号，并且可以实现屏幕的上下左右滚动、文字的闪烁等功能。LM016L 液晶模块采用 HD44780 控制器。HD44780 具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。图 2.5 LM016L 引脚图LM016L 与单片机MCU（Microcontroller Unit）通讯可采用8 位或者4 位并行传输两种方式。LM016L 液晶模块的引脚功能见表 2.2。 6表 2.2 LM016L 引脚功能表管脚号 名称 电平 功能描述1 VSS 0V2 VDD 5V3 VEE -4 RS H/LH：数据线上为数据信号；
12、L ：数据线上为指令信号。5 RW H/L H:读数据模式；L：写数据模式。6 E H/L 使能信号端714 DB0DB7 H/L 数据线通过对HD44780 写入控制指令，HD44780 产生显示驱动信号来驱动课程设计说明书 第 7 页LM016L。HD44780的控制指令主要有：清除显示（Clear Display）、地址归位（Return Home）、输入模式设定（Entry Mode Set）、显示开/关控制（Display On/Off Control）、功能设定（Function Set）、设定 CGRAM 的地址（Set CGRAM Address）、设定 DDRAM 的地址（S
13、et DDRAM Address）、写 DDRAM/CGRAM（Write Date to DDRAM/CGRAM）、读忙标志和地址（Read Busy Flagand Address）以及从DDRAM 和CGRAM 中读数据（Read Date from DDRAM/CGRAM）。3 硬件电路设计3.1 AT89C51 单片机最小系统3.1.1 AT89C51 单片机主要特性和功能特性主要特性：与 MCS-51 兼容4K 字节可编程闪烁存储器全静态工作0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 RAM32 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
14、耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.1.2 AT89C51 引脚分布图及管脚说明 课程设计说明书 第 8 页图 3.1 89C51 单片机引脚结构图由上图可知 89C51 单片机共有包括 GND,VCC 在内的 40 个引脚下面着重介绍几个重要的引脚。P0 口由一个输出锁存器，2 个三态级输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。P1 口是一个准双向口，用作 I/O 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。P2 口比 P1 口多了一个 MUX 开关和转换开关控制部分。P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2
15、 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。P3 口是一个多功能端口。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 AT89C51 的一些特殊功能口
16、。口管脚 备选功能课程设计说明书 第 9 页P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /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。3.1.3 单片机最小系统图AT89C51 单片机在启动时都需要复位，使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。单片
17、机的最小系统如图 3.2 所示。89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内部的斯密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期（24 个振荡周期） ，则 CPU 就可以响应并将系统复位。上图为手动复位电路，通过接通一个按钮开关，使单片机进入复位状态。AT89C51 芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，反相放大器的输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2,两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器 C1 和 C2 通常取 22pf 左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率范围为 024MHz。 4课程设计说明书 第 10页图 3.2 单片机最小系统 3.2 步进电机加减速定位控制电路的单片机原理图步进电机加减速定位控制系统的单片机原理图如图 3.3 所示。 5
