基于51單片機實現(xiàn)的步進(jìn)機控制系統(tǒng)

基于51單片機實現(xiàn)的步進(jìn)機限制系統(tǒng)摘要步進(jìn)電機是一種進(jìn)行精確步進(jìn)運動的機電執(zhí)行元件，它廣泛地用于工業(yè)機械的數(shù)字限制。為使系統(tǒng)的牢靠性，通用性，可維護(hù)性以及性價比最優(yōu)，依據(jù)限制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電動機應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實現(xiàn)了基于8051單片機的四相步進(jìn)電動機的開環(huán)限制系統(tǒng)。限制系統(tǒng)通過單片機存儲器、I/O口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴展，步進(jìn)電動機的環(huán)形安排器、驅(qū)動及愛護(hù)電路、人機接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等的設(shè)計。實現(xiàn)了四相步進(jìn)電動機的正反轉(zhuǎn)、急停等功能。為實現(xiàn)單片機限制步進(jìn)電動機系統(tǒng)在數(shù)控機床上的特殊應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計了兩個外部中斷，以實現(xiàn)步進(jìn)電動機在某段時間內(nèi)的反復(fù)正反轉(zhuǎn)功能，也即數(shù)控機床的刀架自動進(jìn)給運動。關(guān)鍵詞：8051單片機；四相步進(jìn)電動機；限制Realizesbasedonsinglechipmicrocomputer51thesteppingmotorthecontrolsystemABSTRACTThesteppingmotorisaprecisionelectromechanicalincrementalactuator.Itwidelyusesthedigitalapproachforcontrolofindustrialmachines.Fordependable,ingeneralusethatmakesystem,cansupportsexansexpriceratiosuperior,dividethelineaccordingtocontrolsystemfuncionrequestandafunctionforenteringelectricmotorapplyingenvironment,makingsuredesigningsystemhardwarewithsoftwares,frombutrealizestobaseonsinglechipmicrocomputer8051offourmutuallythestepentersthedynamoelectricopeningthewreaththecontrolthesystem.Thecontrolsystempassesthesinglesavingmaching,I/Oinamachine,breakoff,thekeyboard,thedisplayofLEDexpands,awreahforenteringelecreicmotorformassignsthemachine,driveandthedesignofitsprotectionelectriccircuit,man-machineconnectionelectriccircuit,interruptsystemandresetcircuit,single-voltagedrivercircuitandsoon,realizesfourmutuallythestepenterstheelectricmotorpositiveandnegativetoturn,nastystoptowaitthefunction.Forrealizingsinglechipmicrocomputercontrolaspecialapplicationforenteringelectricmotorsysteminseveralthcontorlingmachinebed,thesystemdesignedtwoexteriorsbreaksoff,toingrealizeathestepenterselectricmotorisinacertaintimeofagainandagainpositiveandnegativeturnthefunction,alsocountnamelytheknifethatcontrolthemachinebedisautomatictoentertothesport.KEYWORD：singlechipmicrocomputer8051；four-phasesteppermotor；control目錄第一章緒論 11.1課題背景 11.2設(shè)計目的及系統(tǒng)功能 1其次章限制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計 22.1步進(jìn)電機 22.1.1步進(jìn)電動機的原理 22.1.2步進(jìn)電動機的特性 32.1.3永磁步進(jìn)電機的限制原理 32.2步進(jìn)電機限制系統(tǒng)的組成 42.2.1單片機 54.3單片機的片外總線結(jié)構(gòu)及其存儲器擴展 64.3.1單片機的片外總線結(jié)構(gòu) 64.3.2外部程序存儲器擴展 74.3.3外部數(shù)據(jù)存儲器擴展 8譯碼法 94.4I/O接口原理及其擴展 94.5系統(tǒng)外設(shè)接口 14鍵盤接口原理 14鍵盤的限制要求 154.5.3LED顯示器接口原理 164.6.13—8譯碼器：74LS138 174.6.2地址鎖存器：74LS373 175軟件設(shè)計 185.1軟件設(shè)計流程圖 185.2設(shè)計相關(guān)程序 21結(jié)論 29參考文獻(xiàn) 30附錄：原理圖說明 31第一章緒論1.1課題背景當(dāng)今社會，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬貏e重要的作用。步進(jìn)電機是最常見的一種限制電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動化限制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^限制脈沖個數(shù)來限制角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時可以通過限制脈沖頻率來限制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機可以作為一種限制用的特種電機，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡潔、運行牢靠、限制便利。尤其是步距值不受電壓、溫度的變更的影響、誤差不會長期積累的特點，給實際的應(yīng)用帶來了很大的便利。它廣泛用于消費類產(chǎn)品（打印機、照相機、雕刻機）、工業(yè)限制（數(shù)控機床、工業(yè)機器人）、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中。探討步進(jìn)電機的限制和測量方法，對提高限制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。限制核心采納C51芯片，它以其獨特的低成本，小體積廣受歡迎，當(dāng)然其易編程也是不行多得的優(yōu)點為此，本文設(shè)計了一個單片機限制步進(jìn)電機的限制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向的高效限制。1.2設(shè)計目的及系統(tǒng)功能本設(shè)計的目的是以單片機為核心設(shè)計出一個單片機限制步進(jìn)電機的限制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采納AT89C51作為限制單元，通過鍵盤實現(xiàn)對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的限制，并且將步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。AT89C51AT89C51鍵盤限制模塊電機驅(qū)動模塊數(shù)碼顯示模塊電源模塊圖1-1總體設(shè)計框圖設(shè)計的步進(jìn)電機限制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：1.步進(jìn)電機的啟停限制2．步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)限制3.步進(jìn)電機的加速限制4.步進(jìn)電機的減速限制5.步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速的動態(tài)顯示其次章限制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計2.1步進(jìn)電機步進(jìn)電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，它事實上是一種單相或多相同步電動機。單相步進(jìn)電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電動機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。運用多相步進(jìn)電動機，單路電脈沖信號可先通過脈沖安排器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖安排器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變更，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過肯定的角度（稱為步距角）。正常狀況下，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入肯定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變更的影響。由于步進(jìn)電動機能干脆接收數(shù)字量的輸入，所以特殊適合于微機限制。2.1.1步進(jìn)電動機的原理步進(jìn)電機是數(shù)字限制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此特別適合于單片機限制。步進(jìn)電機可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機（簡稱VR）、永磁式步進(jìn)電機（簡稱PM）和混合式步進(jìn)電機（簡稱HB）。步進(jìn)電機區(qū)分于其他限制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行限制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)確定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率確定。步進(jìn)電機的驅(qū)動電路依據(jù)限制信號工作，限制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：1.限制換相依次通電換相這一過程稱為脈沖安排。例如：三相步進(jìn)電機的三拍工作方式，其各相通電依次為A—B—C—D，通電限制脈沖必需嚴(yán)格依據(jù)這一依次分別限制A、B、C、D相的通斷。2.限制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向假如給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)，假如按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。3.限制步進(jìn)電機的速度假如給步進(jìn)電機發(fā)一個限制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電動機可分為3大類：表2-1步進(jìn)電機分類類別結(jié)構(gòu)步距力矩動態(tài)性能反應(yīng)式步進(jìn)電動機（VR）采納高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子小小較差永磁式步進(jìn)電動機（PM）轉(zhuǎn)子采納多磁極圓筒形的永磁鐵，其外側(cè)配置齒狀定子吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動大大好混合步進(jìn)電動機（HB）這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采納齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)小大好2.1.2步進(jìn)電動機的特性步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動運用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅特長理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年頭起先開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動電路，今日，在打印機、磁盤器等的OA裝置的位置限制中，步進(jìn)電機都是不行缺少的組成部分之一。總體上說，步進(jìn)電機有如下優(yōu)點：1．不須要反饋，限制簡潔。2．與微機的連接、速度限制（啟停和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡潔。3．沒有角累積誤差。4．停止時也可保持轉(zhuǎn)距。5．沒有轉(zhuǎn)向器等機械部分，不須要保養(yǎng)，故造價較低。6．即使沒有傳感器，也能精確定位。7．根椐給定的脈沖周期，能夠以隨意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機也有自身的缺點：1．難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩2.不宜用作高速轉(zhuǎn)動3．在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。4．超過負(fù)載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。2.1.3永磁步進(jìn)電機的限制原理在本設(shè)計以常用的永磁式步進(jìn)電機為例，用單片機限制步進(jìn)電機。圖2-1是CZ-2801型永磁步進(jìn)電機的外形圖，圖2-2是該電機的接線圖。圖2-1CZ-2801型永磁步進(jìn)電機外形圖圖2-2CZ-2801型永磁步進(jìn)電機接線圖從圖中可以看出，電機共有四組線圈，四組線圈的一個端點連在一起引出，這樣一共有5根引出線。要運用步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，只要輪番給各引出端通電即可。將COM端標(biāo)識為C，只要AC、BC或/AC、/BC，輪番加電就能驅(qū)動步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，假如將COM端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管），將A、B或/A、/B輪番接地。不難設(shè)計出限制電路，因其工作電壓為12V，因此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動器（這里用ULN2003，關(guān)于ULN2003將在后面介紹）作為驅(qū)動，通過P1.0、P1.3來限制各線圈的接通與切斷。開機時，P1.0、P1.3均為高電平，依次將P1.0、P1.2（或P1.1、P1.3反向）切換為低電平即可驅(qū)動步進(jìn)電機運行。假如要變更電機的轉(zhuǎn)動速度只要變更兩次接通之間的時間。變更轉(zhuǎn)速，只要變更P1.0、P1.2（或P1.1、P1.3反向）輪番變低電平的時間即可達(dá)到要求，因為不會影響到其他功能的實現(xiàn)，這個時間可以用延時來實現(xiàn)，。這里以定時的方式來實現(xiàn)。下面首先計算一下定時時間。按要求，最低轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/分，而上述步進(jìn)電機的步距角為7.5，即每48個脈沖為1周，即在最低轉(zhuǎn)速時，要求為960脈沖/分，相當(dāng)于62.5ms/脈沖。而在最高轉(zhuǎn)速時，要求為100轉(zhuǎn)/分，即48000脈沖/分，相當(dāng)于12.5ms/脈沖?？梢粤谐鱿卤恚罕?-2步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)速單步時間(ms)TH0TL02062.51F02159.5238095229B62256.8181818233742354.347826093C592452.08333333448025504C02648.0769230852EC2746.296296359552844.642857145F49…………9313.44086022CF9C9413.29787234D0209513.15789474D0A19613.02083333D1209712.88659794D19B9812.75510204D2149912.62626263D28B10012.5D30表中不僅計算出了TH0和TL0，而且還計算出了在這個定時常數(shù)下，真實的定時時間，可以依據(jù)這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。表中TH0和TL0是依據(jù)定時時間算出來的定時初值，這里用到的晶振是12.000M。有了上述表格，程序就不難實現(xiàn)了，運用定時/計數(shù)器T0為定時器，定時時間到后切換輸出腳即可。2.2步進(jìn)電機限制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機限制系統(tǒng)共分為六個模塊：單片機最小系統(tǒng)模塊、鍵盤限制模塊、數(shù)碼顯示模塊、測速模塊、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊和電源模塊。1.單片機最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機系統(tǒng)供應(yīng)牢靠復(fù)位，使單片機能正常啟動。時鐘電路采納外部時鐘方式，保證單片機個功能部件都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。2.鍵盤限制模塊包括方向限制鍵、加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相連。實現(xiàn)對步進(jìn)電機的限制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。3.數(shù)碼顯示模塊采納共陰極數(shù)碼管來動態(tài)顯示步進(jìn)電機的實際轉(zhuǎn)動速度。利用I/O口為數(shù)碼管的com端供應(yīng)低電平。二號單片機的P1口供應(yīng)數(shù)碼管的段選信號，P2.6和P2.7限制數(shù)碼管的位選信號。4.測速模塊采納開關(guān)霍爾片對安放在步進(jìn)電機轉(zhuǎn)盤上的小磁片的磁信號進(jìn)行檢測，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)盤每次帶動小磁片經(jīng)過霍爾片時，其都將有脈沖信號從霍爾片輸出。單片機外部中斷口對信號進(jìn)行采集。5.步進(jìn)電機驅(qū)動模塊選用七個NPN達(dá)林頓連接晶體管ULN2003為步進(jìn)電機供應(yīng)脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機的P1.0—P1.3相連。6.電源模塊是通過將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2V和直流5V分別供應(yīng)驅(qū)動模塊和單片機模塊。2.2.1單片機近年，由于CHMOS技術(shù)的進(jìn)步，大大地促進(jìn)了單片機的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以80C51取代8051為標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片的緣由。因為單片機芯片多數(shù)是采納CMOS（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。CMOS電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采納雙極型半導(dǎo)體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。CHMOS和HMOS工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的CHMOS電路已達(dá)到LSTTL的速度，傳輸延遲時間小于2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于TTL電路。因而，在單片機領(lǐng)域CMOS正在漸漸取代TTL電路。單片機是通過內(nèi)部總線把計算機的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和限制總線。其中，地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時供應(yīng)地址，CPU通過它們將地址輸出到存儲器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲器或I/O接口之間，或存儲器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)；限制總線包括CPU發(fā)出的限制信號線和外部送入CPU的應(yīng)答信號線等?？紤]到經(jīng)濟(jì)和牢靠性的要求，本設(shè)計中采納AT89C51單片機，它宏晶科技設(shè)計生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。1.AT89C51單片機參數(shù)：工作電壓：5.5V—3.8V/3.3VFlash程序存儲器字節(jié)：4K定時器T0、T1：有中斷優(yōu)先級：22.AT89C51單片機優(yōu)點：超低功耗超強抗干擾，超強抗靜電輸入輸出口多，最多有40個I/O速度快，1個時鐘/機器周期，可用低頻率晶振2.2.2鍵盤限制電路鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送吩咐等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作用。一個電壓信號在機械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5—10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所確定；第一次抖動前和其次次抖動后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的凹凸?fàn)顟B(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，必需消退抖動的影響。消退按鍵抖動通常采納硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計困難，本設(shè)計中沒有采納，在此不再具體敘述；軟件消抖適合按鍵較多的狀況，便利簡潔。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，假如保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消退了抖動的影響。其原理圖如圖2-3所示：圖2-3鍵盤限制模塊原理圖LED數(shù)碼顯示電路發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與一般二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用特別普遍。LED數(shù)碼顯示器是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它運用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：（1）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，運用時公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平常，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入高電平常則不點亮。（2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，運用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極端輸入高電平常，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入低電平常則不點亮。在本設(shè)計中所采納的是共陰極LED數(shù)碼顯示器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4所示：圖2-4LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖這里用四位一體數(shù)碼管SM420361K：型號：SM420361K-12P類別：4位一體共陰規(guī)格：長×寬×高-30.1×14.1×7.3mm 管腳標(biāo)號：12-9-8-6公共腳、A-11、B-7、C-4D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3在本設(shè)計中采納數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，數(shù)碼顯示電路通過交替向P2.6和P2.7輸出低電平，使得與這兩個端口連接的數(shù)碼管公共端交替為低電平，從而為數(shù)碼管供應(yīng)導(dǎo)通回路，通過對交替時間的限制實現(xiàn)數(shù)碼管在視覺上的不間斷顯示。通過P1口輸出段選信號，限制了數(shù)碼管顯示的內(nèi)容。如圖2-5所示：圖2-5數(shù)碼管顯示電路測速電路介紹開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對稱的施密特整形電路。圖2-6是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。NSSNSS圖2-6UGN3020功能特性曲線對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖2-6看出，當(dāng)B=0時，V0為高電平；當(dāng)外磁場增至BOP時，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由BOP降至BrP時，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點。對于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V～24V。UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測量電路。將具有10個齒的圓盤固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當(dāng)圓盤齒經(jīng)過測量磁路的間隙時，霍爾元件輸出高電平，其他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個脈沖，脈沖經(jīng)過分頻后，用頻率計即可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。本設(shè)計采納的測速電路原理圖如下圖所示：圖2-7測速電路2.2.5步進(jìn)電機驅(qū)動電路本系統(tǒng)的設(shè)計目的為了高效限制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動，因此須要將單片機發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能限制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，我們在這里采納ULN2003為步進(jìn)電機供應(yīng)脈沖信號。ULN2003七NPN達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機錘和其他類似負(fù)載間的接口的志向器件。廣泛用于計算機，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。全部器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。ULN2003的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。它的管腳連接圖如圖2-8所示:圖2-8ULN2003管腳連接圖圖2-9ULN2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要特性為：表2-3ULN2003主要特性表極限值（若無其他規(guī)定，Tamb=25℃）參數(shù)名稱符號數(shù)值單位輸入電壓VIN30V輸入電流IIN25mA功耗PD1W工作環(huán)境溫度Topr-20to+85℃貯存溫度Tstg-55to+150℃ULN2003芯片概述與特點：ULN2003芯片是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時驅(qū)動7組負(fù)載的實力，為單片雙極型大功率高速集成電路。功率電子電路大多要求具有大電流輸出實力，以便于驅(qū)動各種類型的負(fù)載。功率驅(qū)動電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個重要組成部分。ULN2003芯片高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品屬于可控大功率器件。步進(jìn)電機驅(qū)動電路的工作過程是：首先從P1口輸出00000001B，由于單片機與ULN2003連接只用到了P1.0—P1.3，所以ULN2003與單片機連接的四個管腳中每時刻只有一個管腳處于導(dǎo)通狀態(tài)（采納單拍方式對步進(jìn)電機限制），其他管腳處于斷開狀態(tài)。這樣就使得與ULN2003連接的步進(jìn)電機只有一個引出端導(dǎo)通。該系統(tǒng)驅(qū)動原理圖如圖2-10：圖2-10步進(jìn)電機驅(qū)動原理圖2.2.6電源設(shè)計在此系統(tǒng)中因要用到兩路電源，一再考慮購買了一個輸出為溝通9V（電壓表實測電壓在12V左右）的適配器，然后通過4個IN4007（圖中未標(biāo)出）搭建的整流橋，分出兩路一路引出供驅(qū)動器，另一路再經(jīng)LM7805降為5V，完全符合要求，同時避開了電路設(shè)計中電路板上存在的大電源干擾等問題。電路電源設(shè)計如下圖所示：圖2-11電源原理圖4.5系統(tǒng)外設(shè)接口鍵盤接口原理對于須要人工干預(yù)的單片機應(yīng)用系統(tǒng)，鍵盤就成為人機聯(lián)系的必要手段，此時需配置適當(dāng)?shù)逆I盤輸入設(shè)備，微機所用鍵盤有全編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種，全編碼鍵盤能夠由硬件邏輯自動供應(yīng)被按下鍵的編碼，此外，一般還具有去抖動和多鍵、竄鍵等愛護(hù)功能。這種鍵盤運用便利，但需較多的硬件、價格貴，一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)較少采納。鍵盤是由若干個鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡潔的單片微機協(xié)助設(shè)備。4×4的鍵盤結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中行線通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤沒有鍵閉合時，全部的行線（X0—X3）和列線（Y0—Y3）斷開，行線均呈高電平。當(dāng)鍵盤上某一鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的行線和列線短路。例如9號鍵按下時，行線X2和Y1短路，此時行線X2的電平由Y1確定。假如把行線接到微機的輸入口，列線接到微機輸出口。在微機限制下，先使列線Y0為低電平，其余三根Y1、Y2、Y3均為高電平。然后通過輸入口讀行線狀態(tài)，假如4根行線均為高電平，說明在Y0這一列上沒有鍵閉合，假如讀出的行線狀態(tài)不全為高電平，則說明為低電平的那根行線與Y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)，若Y0這列上沒有鍵閉合，接著使列線Y1為低電平，其余三根列線Y0、Y2、Y3為高電平。用同樣的反復(fù)檢查這一列鍵上無鍵閉合。以次類推，用同樣方法檢查其余的兩根列線上有無鍵閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對鍵盤的一次掃描。目前，無論是按鍵或鍵盤大部分都是利用機械觸點的合、斷作用。機械觸點在閉合及斷開瞬間由于彈性影響，在閉合及斷開瞬間均有抖動過程，從而使電壓信號也出現(xiàn)抖動，抖動時間的長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般為5—10ms。而微機對鍵盤進(jìn)行一次掃描僅需幾百微秒。這樣將會使鍵盤掃描產(chǎn)生錯誤的推斷。為了保證CPU對鍵盤的一次閉合僅作一次輸入處理，必需去除抖動影響。通常去抖動影響有兩種方法，一是在硬件上實行在鍵盤端加Rs觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成去抖動電路；另一種方法是在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行10ms左右的延時程序后，再確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)時的電平，若仍保持為閉合狀態(tài)電平，則說明該鍵的確處于閉合狀態(tài)，從而去除了抖動影響。鍵盤的掃描由鍵盤掃描限制程序來完成，在這個限制程序中應(yīng)主要解決下述任務(wù)：（1）監(jiān)測有無按鍵按下（2）有鍵按下后，在無硬件去抖動電路時，應(yīng)用軟件延時的方法消退抖動的影響；（3）有牢靠的、滿意要求的邏輯處理方法如鍵盤鎖定功能，即只處理一個鍵，其間任何一個按下又松開的鍵不產(chǎn)生影響。不管一次按鍵持續(xù)多長時間，僅執(zhí)行一次按鍵功能程序等。（4）輸出確定的鍵盤以滿意散轉(zhuǎn)程序的要求。鍵盤的限制要求在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，掃描鍵盤只是CPU的工作任務(wù)之一。在實際應(yīng)用中要想做到既能剛好響應(yīng)鍵盤操作，有不過多占用CPU的工作時間，就要依據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的忙閑狀況，鍵盤的運用頻率等來適當(dāng)?shù)倪x擇鍵盤的限制方式。1.程序限制掃描方式這種方法是只有當(dāng)CPU空閑時才調(diào)用鍵盤掃描程序，查詢鍵盤并賜予相應(yīng)處理。在程序限制方式中，CPU的空閑時間須要支配鍵盤掃描程序，但有可能多數(shù)時間里CPU處于空掃描狀態(tài)。因此，這種限制方式并沒有充分提高CPU的工作效率。2.中斷限制方式中斷限制方式又分兩種：（1）定時限制方式CPU對鍵盤的掃描采納定時方式，即每隔肯定時間對鍵盤掃描一次，在這種方式中，通過利用單片機內(nèi)部的定時器，產(chǎn)生定時時間的定時中斷后，在中斷服務(wù)程序中對鍵盤進(jìn)行掃描。這種限制方式雖然也能比較剛好的響應(yīng)鍵入的吩咐或數(shù)據(jù)，但與程序限制方式類似，不管鍵盤上有無鍵按下，CPU總要定時掃描鍵盤。而單片機應(yīng)用系統(tǒng)在工作時，并不常常須要鍵輸入，因此CPU常常還是處于空掃描狀態(tài)。（2）外部中斷限制方式此種限制方式是只有在鍵盤有鍵按下時，才會發(fā)出中斷申請，CPU響應(yīng)中斷懇求后，在中斷服務(wù)程序中對鍵盤進(jìn)行掃描。LED顯示器接口原理LED顯示器是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用的廉價輸出設(shè)備。它是由若干個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一段筆畫發(fā)亮。限制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的八段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖所示，八段發(fā)光管分別成為a、b、c、d、e、f、g、dp。LED顯示器可分為共陰極和陽極兩種結(jié)構(gòu)。二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。有的顯示器顯示出的字符逼真，顯示的字符種類較多，但限制電路困難。筆畫式的八段顯示器與點陣式顯示器相比，顯示的字符種類少，字符形態(tài)有些失真，但限制簡潔，運用便利。以筆畫式共陰極顯示器為例，當(dāng)要顯示數(shù)字“0”時，只要a、b、c、d、e、f，g、dp段亮。即a—f段的陰極加高電平“1”。g、dp段陽極加低電平“0”，公共陰極接低電平“0”，顯示器便顯示“0”。加到各段陽極上的電平不同，則可限制顯示器顯示出不同的字符和數(shù)字。若以a段對應(yīng)8圖4.6（a）共陰極(b)共陽極LED顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種顯示方式。動態(tài)顯示方式，在需用多位LED顯示時，為了簡化電路降低成本，將各LED的段選線a、b、c、d、e、f、g、dp并聯(lián)在一起，輸出一個8位的并行I/O口限制，而每個LED的共陰極點，分別輸出相應(yīng)的I/O口線限制。在這八位的LED動態(tài)顯示電路中，只需兩個并行的8位I/O口，I/O（1）、I/O（2）。其中I/O（1）作段碼選碼接口。假設(shè)顯示器為共陰極型，那么當(dāng)位選接口I/O（2）的某位輸出低電平（其它7位均為高電平）時，則與此位連接的顯示器便顯示與段選碼所對應(yīng)的字符。另外7位顯示塊雖然也同時接收到同一段碼，但由于位選線均為高電平，因此顯示器不顯示。這種工作方式是分時輪番選通顯示器的公共端，使8個顯示器輪番點亮。即各顯示器是由脈沖電流點亮的（點亮?xí)r間一般為1ms左右），每個顯示器雖然是分時輪番點亮，但由于發(fā)光管具有余輝特性及人眼具有視覺暫留作用，所以適當(dāng)選取點亮?xí)r間和間隔時間，看上去全部顯示器是同時點亮的，并不察覺有閃耀現(xiàn)象，這種顯示過程為動態(tài)掃描顯示方式。明顯，此種顯示方式顯示器不宜太多，一般不超過8個。動態(tài)顯示方式可以節(jié)約很多I/O口線，但付出的代價是CPU要用較多的時間去輸出段選碼和位選碼。3—8譯碼器：74LS138E1、E2、E3為數(shù)據(jù)允許輸入端，E1、E2低電平有效，E3高電平有效；A、B、C為譯碼器信號輸入端；Y0—Y7，為譯碼輸出信號，低電平有效。圖4.774LS1383—8譯碼器引腳圖地址鎖存器：74LS3731D—8D為8個輸入端。1Q—8Q為8個輸出端。G為數(shù)據(jù)鎖存限制端；當(dāng)G為“1”時，鎖存器鎖存輸入端；當(dāng)G由“1”變“0”時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。OE為輸出允許端；當(dāng)OE為“0”時，三態(tài)門打開；當(dāng)OE為“1”時，三態(tài)門關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。在MCS-51單片機系統(tǒng)中，常采納74LS373作為地址鎖存器運用，其連接方法如圖4.8所示。其中輸入端1D~8D接至單片機的P0口，輸出端供應(yīng)的是低8位地址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號ALE。輸出允許端OE接地，表示輸出三態(tài)門始終打開。圖4.874LS373鎖存器5軟件設(shè)計5.1軟件設(shè)計流程圖單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計是設(shè)計中最基本而且是最重要的一個環(huán)節(jié)。在設(shè)計中，綜合考慮了系統(tǒng)須要實現(xiàn)的功能和仿真試驗系統(tǒng)環(huán)境。從而確定了本設(shè)計系統(tǒng)的具體任務(wù)細(xì)微環(huán)節(jié)及軟件結(jié)構(gòu)[14]。圖5.1外部（隨機）中斷1圖5.2外部（隨機）中斷2圖5.3主程序流程圖5.2設(shè)計相關(guān)程序ORG0000HDOJ6:LCALLX2LJMPDOJOJBACC.4，DOJ5ORG0003HLCALLX3LJMPINTADB79H，7EHORG0013HSJMPDOJ6LJMPINTBDOJ5:CJNEA,#16HORG0100HMOVADOJ0:SETBEASWAPASETBEX0ORLA,79HSETBEX1MOVR7,ASETBPX0；推斷電機參數(shù)SETBPX1MOVA,7EHCLRIT0CJNEA,#00HCLRIT1MOVA,7CHMOVSP,#53HCJNEA,#01H,DOJ2CALLX2DOJ1:MOVP1#03HCALLDELY0MOVP1,#03HCALLDELY0CALLDELY0CALLGGJ0CALLGGJ0MOVP1,#09HSJMPDOJ2CALLDELY0xing48:MOVA,7CHCALLGGJ0CJNEA,#00H,DOJ8MOVP1,#07Hdoj44:MOVP1,#OEHCALLDELY0CALLDELY0CALLGGJ0CALLGGJ0MOVP1,#06HMOVP1,#0CHCALLGGJ0CALLDELY0MOVP1#06HCALLGGJ0CALLDELY0MOVP1,#0DHCALLGGJ0DEL1Y:CALLDISCALLDELY0DJNZR5,DEL1YCALLGGJ0DJNZR2,DELY1MOVP1,#09HRETCALLDELY0INTA:CALLDLCALLGGJ0SETBP3.2SJMPDOJ1RETIDOJ2:MOVP1,#09HDL:MOVR1,#200CALLDELY0DEL2:MOVR2,#150CALLGGJ0CALLDELY0MOVP1,#0CHCALLGGJ0CALLDELY0SJMPDOJ44CALLGGJ0DOJ8:MOVP1,#06HMOVP1,#06HCALLDELY0CALLDELY0CALLGGJ0CALLGGJ0MOVP1,#07HCALLDELY0MOVP1,#0CHCALLGGJ0LCALLyanshi22MOVP1,#03HMOVP1,#06HCALLDELY0LCALLyanshi22CALLGGJ0MOVP1,#03HMOVP1,#0BHDEL3:MOVR3,#100CALLDELY0DJNZR2,$CALLGGJ0DJNZR1,DEL2MOVP1,#09HRETCALLDELY0INTB:CALLZFZCALLGGJ0OUT:SETBP3.3MOVP1,#0DHRETICALLDELY0ZFZ:MOVA,7CHCALLGGJ0CJNEA,#00H,DJ48ZFMOVP1,#0CHLCALLdj44zfCALLDELY0dj48zf:LCALLdj48zfzCALLGGJ0LCALLOUTMOVEP1,#0EHRETCALLDELY0L1:LCALLDJ44ZCALLGGJ0LCALLyanshi1SJMPDOJ8RETDELY0:MOVA,7DHL2:LCALLDJ44FSWAPALCALLyanshi1CLRCRETRRCAssss:LCALLdi48zRRCALCALLyanshi1MOVR2,Atttt:LCALLDJ48FDELY1:MOVR5,#01HLCALLyanshi1LCALLyanshi22RETdj44z:MOVP1,#03HMOVP1,#07HLCALLyanshi22LCALLyanshi22MOVP1,#06HMOVP1,#06HLCALLyanshi22LCALLyanshi22MOVP1,#0CHDJ48F:MOVP1,#06HLCALLyanshi22LCALLyanshi22MOVP1,#09HMOVP1,#07HLCALLyanshi22MOVA,R7DJ44F:MOVP1,#09HMOVP1,#03Hyanshi3:MOVR3,#100LCALLyanshi22DINZR3,$MOVP1,#0BH;******兩個周期（耗時2μs）DS5:MOVR1,ADJNZR1,yanshi2MOVP1,#09HRETLCALLyanshi22yanshi22:MOVR1,#5MOVP1,#0DHLCALLyanshi22LCALLyanshi22RETMOVP1,#0CHdj48z:MOVP1,#0EHLCALLyanshi22LCALLyanshi22MOVP1,#0EHMOVP1,#0CHLCALLyanshi22LCALLyanshi22RETMOVP1,#0DHyanshi1:MOVR1,#200LCALLyanshi22；*****延時子程序2—3.6秒MOVP1,#09H；****延時子程序1，實際耗時大于1sLCALLyanshi22；（100*100*50*2μs=1s）MOVP1,#0BHyanshi21:MOVR2,#100LCALLyanshi22yanshi23:MOVR3,#100CJNZR7,#00H,DDJ8DJNZR3$LCALLyanshi22DJNZR2,yanshi23DJNZR1,yanshi21；****存首位位選子；*******中斷結(jié)束MOVA,#10HGGJ0:CJNER7,#00H,GGJ1yanshi2:MOVR2,#150CJNER6,#00H,GGJ1；存動態(tài)顯示緩沖區(qū)首地址AJMPDOJ4LEDS:MOV@R0,AGGJ1:DJNZR6,DOJ3；寄存器間接地址尋址:（R1）←（A）CJNZR7,#00H,DDJ8INCR0DOJ4:CALLDOJ7CJNER0,#7EH,LEDSSJMPDOJ4INCADDJ8:DJNZR7,DOJ3MOV@R0,AAJMPDOJ4RETDOJ3:CALLDOJ7X3:MOVR4,ARETMOVR0,50HMOVA,R6MOVA,@R0CALLPTDS5MOVR1,AMOVA,R7MOVA,R4CALLPTDS5MOV@R1,ACALLSSEECLRARETPOPDPHPTDS5:MOVR1,APOPDPLCALLPTDS6MOVCA,@A+DPTRMOVA,R1INCDPTRSWAPACJNEA,01H,X30PTDS6:ANLA,#0FHDECR1MOV@R0,ACLRAINCR0MOVCA,@A+DPTRRETX31:MOV@R0,A；*****顯示子程序INCDPTRLEDP:MOV50H,#7EHPUSHDPLPUSHDPH；~~~~~~~~~~~~~~鍵值表RETDB07H,04H,08H,05H,09H,06H,0AH,X30:DECR103AH,0BH,01H,00H,02H,0FH,MOVA,R103H,0EH,03AH,0CH,0DHSJMPX31DIS:PUSHDPLX2:MOVR6,#50HSETBRS1X0:ACALLXLEMOVR0,#7EH；六位顯示完？MOVR2,#20HJNBACC.5,XX0MOVR3,#00HDJNZR6,X0MOVDPTR,#LS0MOVR6,#20HLS2:MOVA,@R0MOVR0,#50HMOVCA,@A+DPTRMOVA,@R0MOVR1,#0DCHMOVR0,AMOV@R1,AMOVA@R0MOVA,R2MOVA,#10HINCR1MOV@R0,AMOVX@R1,AX1:ACALLXLELS1:DJNZR3,LS1JNBACC.5,XX1CLRC；五位顯示完了嗎?RRCADJNZR6,X1MOVR2,AMOVA,R7DECR0MOV@R0,AJNZLS2SJMPX2MOVX@R0,AXX1:MOVR6,ADECR0MOVA,MOV@R0,AMOVX@R0,AMOVA,R6POPDPLXX0:RETMOVR7,ARETDJNZR5,SSE2；***********字型表CLRRS1LS0:DB0C0H,0F9H,90H,0A4HRET0B0H,99H,92HXLE:ACALLDISDB82H,0F8H,80H,90H,88HXRLA,R383H,0C6HMOVR3,04HDB0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,MOVR4,02H89H,7FH,0BFHJZX10SSEE:SETBRS1MOVR2,#88HMOVR5,#05HMOVR4,#88HSSE2:MOV30H,#20HX10:DECR4MOV31H,#7EHMOVA,R4MOVR7,#06HXRLA,#82HSSE1:MOVR1,#0DDHJZX11MOVA,30HMOVA,R4MOVX@R1,AXRLA,#0EHMOVR0,31HJZX11MOVA,@R0MOVR4,#20HMOVDPTR,#DDFF