旋转磁场仪硬件和软件设计及外文翻译_本科毕业设计论文.doc

本科毕业设计论文题目：旋转磁场仪的硬件设计院 （系）： 电子信息工程学院专 业： 生物医学工程 旋转磁场仪的硬件设计摘要所有生物体都具有磁场，在生物体周围的环境中也常常存在着很多形式的磁场，这些磁场对生物体的组织结构和生理活动都会产生一定影响。磁场对生物体的影响效应一方面和磁场本身的特征相关，别一方面也和生物的种类和磁场的作用部位有关。为了更方便、准确地研究旋转磁场的生物效应，本课题根据已学过的电子电路知识、单片机控制技术等知识，研究设计了一种以单片机为核心的高精度旋转磁场仪。本设计以AT89C51单片机为核心，利用单片机自身带的定时中断，I/O输出以及将一些外围器件等有机结合起来，实现用按键对步进电机的连续调速，实时控制与显示步进电机的工作方式。另外，采用优化合理的步进电机驱动电路，用软件编程等精确控制技术，使整个系统工作稳定可靠。本设计对系统的硬件、软件进行了设计与实现，硬件部分主要包括基于PROTEUS的系统原理图的设计、仿真和PCB电路板的制作。软件设计主要包括C语言在程序设计中的应用，用键盘输入控制步进电机的运转方式以及将运行状态显示于液晶屏。关键词：单片机；步进电机；旋转磁场；磁场生物效应VIIAbstractThe Hardware Design of Rotating Magnetic FieldAbstractAll life forms have magnetism.All kinds of magnetic field would have some effects on the configuration and activities of life forms that whichever environmental magnetic,additional magnetic or inside magnetic of organism.The biologic effects are related to the characteristics and the intension of the magnetic field,as well as the species and the tissues of the life forms.In order to study on biological effects of rotary magnetic field conveniently and precisely,In this subject, according to the knowledge has been learned of the electronic circuits,MCU control technology,and research and design a instrument for generating rotary magnetic field,which is based on a single-chip microcomputer.The design for the AT89C51 microcomputer as the core,the microcomputer itself with the timer interrupt,I/O output and peripheral devices combine to achieve a continuous speed control with buttons on the stepper motor,stepper motor real-time control and display of ways of working.In addition,the optimization of stepper motor drive circuit,software programming and precise control of the whole system is stable.The design of the system is the design and implementation of hardware and software,The hardware part includes the system schematic diagram based on the PROTEUS design,simulation and PCB circuit board production. The software design includes C language programming,with the keyboard input to control the stepper motor works,and will run the state displayed on the LCD screen to good effect in the actual production application.Key words: single chip microcomputer;step motor;rotary magnetic field;biological effects of magnetic fields目录目录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 课题背景、意义及国内外相关研究情况11.1.1 课题背景11.1.2 课题研究意义21.1.3 国内外相关研究情况21.2 课题的主要研究内容31.3 论文的结构安排41.4 本章小结42 系统控制及所用软件概述52.1 步进电机概述52.1.1 步进电机的定义52.1.2 步进电机运行原理概述52.1.3 步进电机驱动的常用方式52.2 PROTEUS软件简介62.3 KEILC51软件简介62.4 本章小结73 系统设计方案规划83.1 设计内容概述83.2 系统功能概述83.3 系统原理概述93.4 系统总体硬件框图93.5 本章小结104 系统硬件部分设计114.1 系统硬件设计说明114.2 系统主要器件选择114.2.1 单片机的选择114.2.2 步进电机的选择144.2.3 功率驱动芯片的选择154.2.4 外扩程序存储芯片154.2.5 74LS373芯片154.2.6 7404芯片154.2.7 CD4068芯片154.2.8 液晶显示器的选择164.3 系统模块电路164.3.1 晶振电路模块164.3.2 复位电路模块164.3.3 步进电机驱动模块174.3.4 串口通讯电路模块174.3.5 按键电路模块184.3.6 液晶显示电路模块184.3.7 外扩程序存储模块184.4 本章小结195 系统软件部分设计205.1 系统软件设计说明205.2 单片机主程序流程和初始化模块205.3 LCD初始化及显示判断模块215.4 按键扫描定时中断控制模块215.5 步进电机脉冲产生模块235.6 LCD字符提取模块235.7 本章小结236 系统仿真、PCB设计及实物展示246.1 系统硬件仿真测试246.1.1 系统仿真说明246.1.2 开机界面显示246.1.3 控制界面显示246.1.4 系统仿真波形266.2 PCB电路板绘制286.3 系统实物展示296.4 本章小结297 结论307.1 设计总结307.2 设计收获307.3 设计中存在的问题及解决方法30参考文献32致谢34毕业设计（论文）知识产权声明35毕业设计（论文）独创性声明36附录系统总体原理图37附录系统PCB效果图38附录系统源程序代码39附录英文文献及翻译481 绪论1 绪论1.1 课题背景、意义及国内外相关研究情况1.1.1 课题背景磁场对生物的影响及生物磁性的发现和研究有着悠久的历史，但生物磁学作为磁学和生物学之间的一门边缘学科而获得迅速发展的广泛应用以及受到普遍的重视，却还是比较近期的事。我国是最早发现和利用磁性的国家，而且也是最早利用磁石治病，首先开创生物磁学的国家。远在两千多年前的西汉初期，就有了磁石治病的记载。此后历代的医药典籍上都有这方面的丰富资料。在国外，磁石在古代医药上的应用也可追溯到古希腊时期。到目前为止，在利用磁场治病（磁疗）和磁场麻醉（磁麻）方面，我国还是处于世界的领先地位。磁场生物效应是生物磁学研究的一个重要内容。地球上的生物是在地球磁场( 很弱，约0.5G)的作用下生存和发展的，且已适应地磁并把它作为正常生活条件的一部份，如同地球上的温度、气压等。当人为地改变生物体周围的磁场时， 破坏了生物体原来的磁平衡状态，由此产生的一系列生物体生理或心理变化， 称为磁场的生物效应。磁场的生物效应是近二、三十年才逐渐受到人们的重视。并且首先是从研究电磁场对人体造成的危害开始，像X射线、射线具有电离作用的辐射对人体的伤害作用及在医学上的诊断治疗作用均被广泛认识和接受1。长期以来，由于低频率的电磁场(50Hz60Hz)对组织不产生热效应和可感知的物理或化学反应，因此人们一直认为这种电磁场对生物体没有任何生物学效应2。直到1967年苏联人Vyalov3调查了1068名接触磁场强度为0.001T0.1T(1T=104G)的职业人员，发现有的人产生不明原因的植物神经系统失调，如疲乏、头痛、失眠、消化不良等。这些效应大多是暂时性功能性变化，但经过3年5年也有产生不可逆的器质变化。1979年，Wetherimer和Jeeper4首次报道儿童白血病发病率明显升高与居住的地方过于靠近高压线有关。尽管这一重要的流行病学研究在当时被认为缺乏精确的电磁场强度和病例收集，但仍然引起了强烈反响。进一步研究发现，凡是接近强磁场的均增加患白血病和脑瘤的机会。这些情况使有关学者开始关注磁场的生物效应。随着核磁共振和磁疗器械的应用，人们接触强磁场的机会越来越多，更加重视磁场生物效应的研究，并从动物实验和临床观察应用两方面取得了相当的成果。外加磁场对生物的影响，属于磁场生物效用，而生物自身的磁场属于生物此现象，两者虽都是生物磁学研究的内容，但它们属于两个不同的领域。一般说来，磁场生物效用是多种多样的，不但不同类型的磁场，如恒定磁场、交变磁场、脉冲磁场、旋转磁场、强磁场、弱磁场所产生的生物效应很不相同，即使同样类型的磁场，对于不同的生物层次，如生物分子、细胞、组织、器官和生物活体的影响也不相同，而且对于不同的生物，如微生物、植物、动物和人类的作用也有差异。71西安工业大学毕业设计（论文）1.1.2 课题研究意义生物的磁效应，已经是不争的事实。生物磁学的研究虽然有着悠久的历史，但较为系统的研究是十九世纪末期特别是二十世纪中期的事。由于过去积累了不少资料，现代物理学、磁学和生物学的迅速发展，使生物磁学的研究范围不断扩大，加以当代工农业生产、医药卫生、环境保护、宇宙航行等的现实需求，要求研究和应用磁场对生物和人体的影响，生物磁性与生物结构和功能之间的关系。此外，现代磁技术的迅速发展，提供了生物磁学的宏观和微观研究的物理基础。既有现实的需要，又有各方面的可能，以至推动了近几十年来生物磁学这门边缘学科不断地又简单到复杂，由现象到本质，由宏观到微观的深入发展。目前除恒定磁场外，还对不同频率不同强度的交变磁场和不同宽度不同重复频率的脉冲磁场对生物及人体的影响进行研究；根据电流产生磁场的效应，生物体内的电流会在其周围产生微弱磁场。对于这些生物磁场的研究，将有助于阐明生物活动中的一些生理和病理现象；生物的不同组织器官具有不同的磁性，这一方面与组织器官的组成和结构有关，另一方面也与其生理和病理状态有关。因此，生物材料磁性的研究也可以提供有关生物材料的结构和活动情况的信息。磁在医疗上的应用已经有不少，在农业中的应用也有所闻，一些成功单位事例，显示出生物磁效应的美好应用前景，当然，旋转磁场的生物效应也包括在内，并且也取得了一定的成就。旋转磁场作用于生物体后，在生物体内引起一系列的生物学效应，为临床磁疗提供了理论基础3。要研究旋转磁场的生物效应，就必须有能产生旋转磁场的仪器，产生旋转磁场的方法多种多样。常用直流电机带动永久磁块旋转的方法来产生，对于直流电机的转速稳定程度受控制电压和本身外界阻力等因素的影响，故其旋转磁场的频率精度会受到较大的影响。为了克服其转速不稳等，本课题利用步进电机转速的高精确稳定性和单片机的强大控制及逻辑运算能力，研制具有高精确稳定性旋转磁场。1.1.3 国内外相关研究情况关于旋转磁场生物效应的研究，近年来在国内外都取得了许多新的进展。目前已有实验研究了其对于血细胞5和血液流变学、组织愈合、酶和自由基、血糖及组织细胞6、胆汁、损伤康复、骨7、杆菌生长8等方面的影响。例如：1.低频旋转磁场对人体表面热分布和血压及心率的影响9：研究结果发现，0.4T低频(7Hz)旋转永磁场可以改善人体表面热分布，影响人体的收缩压、舒张压、以及收缩与舒张压力差，降低患者的心率。该结果表示0.4T低频(7Hz)旋转永磁场具有一定生理活性，有助于提高人体健康水平。2.磁场对细胞生长分裂的影响10：磁场的生物效应因施用方式不同而异，脉冲磁场能使细胞破碎，弱恒滋场能促进细胞生长而强恒场则抑制细胞分裂，旋转和平移磁场下，细胞的生物效应大于恒场并随着时间的延长会产生和脉冲场相同的结果，生物效应的强弱和细胞种类大小、运动速度11以及细胞所处的不同时期均有关系。3.旋转磁场对血细胞和血液流变学的影响12：对血细胞的影响：于玲娜等应用磁感应强度0.080.09T 的旋磁作用于试管内的离体血液实验中发现，白细胞在旋转磁场作用下，产生应激反应，使细胞代谢加强，部分细胞发生超微结构的改变，也可能是引起白细胞减少的原因之一。磁场使红细胞体积增大，携氧能力增加，有利于改善组织的供血供氧状态，促进代谢；对血液流变学的影响：梁路光等报告，应用磁感强度为0.09T的旋磁场作用于大鼠腹部，又以表面磁感强度为0.25T的磁片贴敷于大鼠腹部，各为每天30分钟共1周，然后测定血液流变学的全血比粘度、血浆比粘度和红细胞压积等指标13，结果在上述磁场作用下，实验组大鼠的血液粘度和血浆粘度明显降低，全血粘度降低非常明显。赵立等报告，应用磁感应强度为0.05T的磁片贴敷于内关、外关、少商、合谷、曲池、足三里等穴位，治疗类风湿性关节炎61例14，发现全血粘度、全血还原粘度、血细胞压积等血液流变学指标均有下降。上述作者的研究表明，磁场有改善血液流变学的作用。4.磁场对组织愈合的影响：经梁应权15、常汉英16、续力民17、王万春18等研究表明，磁场不仅对软组织的损伤可以加快其愈合，而且对硬质组织的骨折也可以促进其愈合。5.磁场对瘢痕组织的影响2：于玲娜等进行了磁场对瘢痕组织影响的观察研究，以磁感应强度0.080.09T的旋磁场作用于大鼠的人工瘢痕处，观察对瘢痕组织的影响，结果通过光镜可见表皮增厚，瘢痕及横纹肌退变等异常改变，这些变化以磁疗组最轻，而对照组改变明显，认为磁疗有防治瘢痕形成及促进瘢痕软化的作用。6.对某些酶和自由基的影响19：对酶的影响：夏绪刚等应用旋转时磁感应强度为0.08T的旋磁场作用于大鼠颈总动脉区20分钟，观察大鼠缺血再灌注大鼠磷脂酶A2(PLA2)和内皮素( ET)含量的影响，实验结果表明，旋磁场有抑制磷脂酶A2的活性与减低内皮素含量的作用，对于脑缺血再灌注损伤有防治功效；对自由基的影响20：关于磁场对自由基的影响，国内的研究结果表明，磁场具有清除自由基的作用11。1.2 课题的主要研究内容该课题主要通过以单片机为核心控制，步进电机为驱动，实现高精确稳定的旋转磁场，其整体设计思路是：将磁场强度不同的永久磁条，通过固定架固定在步进电机的转轴上，当步进电机转动时，其永久磁铁产生的磁场也跟着旋转，从而产生旋转的磁场。因而步进电机的转数决定旋转磁场的旋转频率，永久磁场的强弱决定旋转磁场的强度21。具体一点说就是，利用AT89S51单片机强大的控制功能，产生一定频率的脉冲序列精确控制功率ULN2003A驱动芯片，从而控制步进电机的转速22，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制步进电机的启动/停止、正转、反转、加速和减速。液晶显示器可以实时监控步进电机的状态；并通过串口实现与计算机的实时通信。其硬件系统主要由单片机控制模块（AT89S51单片机）、步进电机驱动模块（ULN2003A功率驱动芯片）、串口通信模块（MAX232芯片）、液晶显示模块（AMPIRE12864液晶显示器）、晶振模块、键盘模块，外扩存储器模块（27512EPROM芯片）等部分构成。具体的设计内容包括一下几个方面：（1）明确系统功能要求，完成系统功能模块的划分；（2）在系统需求及设计指标的要求下，对整个系统功能的实现提出具体的设计方案；（3）完成系统的硬件原理设计、软件设计及PCB设计；（4）基于PROTEUS及KEILC51软件完成系统仿真。1.3 论文的结构安排论文由7章节构成，具体如下：第1章：绪论 介绍课题的背景及意义、主要研究内容，并对相关技术现状做简要分析；第2章：系统控制及所用软件概述 步进电机控制系统的概念、控制方式及PROTEUS、KEILC51概述；第3章：系统设计方案规划 介绍了本系统的总体设计方案系统应具备的功能，并对系统原理进行了介绍；第4章：系统硬件部分设计 硬件原理、系统涉及元件介绍及各模块设计；第5章：系统软件部分设计 程序总体流程图及各模块流程图；第6章：系统仿真、PCB设计及实物展示 运用PROTEUS完成PCB设计，基于KEIL及PROTEUS进行系统仿真，并完成了实物制作；第7章：总结 总结设计，得出结论，总结设计收获和体会，同时指出整个设计工作的不足之处和需要改进的地方。1.4 本章小结对本课题有了初步的了解，明白其要实现的功能。并且对该系统所涉及的元器件进行查找，查阅相关资料，大体确定本系统的工作原理及主要内容，确定所需要的模块，为后续工作做好了充分的准备。2 系统控制及所用软件概述2 系统控制及所用软件概述2.1 步进电机概述2.1.1 步进电机的定义步进电机指的是以数字脉冲信号作为电机线或教位移的控制信号，并以数字脉冲频率对电机的转速进行控制的动力控制系统。在负载正常范围的情况下，步进电机的运行状态只和数字脉冲发生器提供的信号的频率和脉冲占空比有关，一般情况下，电机的状态不受负载的影响。电机的运行角度只和每次所给予的脉冲信号强度有关，而电机的运行速度也只和脉冲信号的频率有直接关系。这种采用弱点控制强电的控制方式使得步进电机在速度、位移等控制领域有着普通电机不能比拟的优势18。2.1.2 步进电机运行原理概述慢速同步电动机是感应子式步进电机的别称。原因是：相序为四的电机以四相运行可以，同时以二相运行也能达到效果。打个比方：以相序四，节拍为八来运转(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)也能够使用两相八拍的运转模式。很容易总结出这样运转的条件是 ，。一个二相电机的内部绕组和四相的全部一样，在实际使用中，相序为二相的基本为功率较小的电机，而功率大一点的电机，为了充分应用其灵活的动态特性，通常用八根接线对其进行连接通电，这样应用的好处是：电机不但能以四相应用，也能二相应用，大大提高了其利用率。步进电动机转动的条件是：按照一定顺序对其励磁绕阻进行通电即可实现其转动，通电的相序不同，其转动的方向也会不一样。因此在理论上我们可以制造出任何相序的步进电动机，但是由于制造工艺、制造价格等多方面因素限制，市场上一般售卖的步进电动机相序以二至五相的居多。感应子式步进电机一般可以按照机座号和相许数量进行细致分类。按照机座号可分为：42BYG、57BYG、86BYG、110BYG (国际标准)。按照相序数量可分为：五相、四相、三相、二相电机等。2.1.3 步进电机驱动的常用方式1.变频器控制方式使用变频器对步进电机进行驱动控制时，可以很好的解决步进电机在启动和停止时容易失步的问题，提高了系统的控制精度。但是变频器的应用成本较高，结构和操作也比较复杂，无形中提高步进电机的控制难度。2. PLC控制方式西安工业大学毕业设计（论文）使用ABB、西门子、欧姆龙等国际知名PLC生产制造商研发的系列PLC产品可以实现对步进电机的理想化控制，但是基于PLC核心的步进电机控制系统成本高昂，且难以实现精确控制，在本系统中不太适合。3.单片机控制方式23随着嵌入式系统在工业控制领域中的广泛应用，以单片机特别是8051系列单片机作为控制核心的步进电机控制电路在生产生活领域得到了普及，单片机有着大规模数字集成电路和高成本控制芯片难以比拟的控制优势：体积小、价格便宜、通用性的接口以及编程简易。这些优势使得单片机在各行各业的应用都达到了一个新的高度。由于步进电机是典型的脉冲控制运转设备，而8051系列单片机以其I/O口多，体积小，成本低廉，外围电路连接方便，可编程控制等综合优势越来越多的被引入到步进电机控制系统中使用，逐渐成为国内外控制步进电机的主流方式。2.2 PROTEUS软件简介英国Lab center electronics公司研发的Proteus ISIS24软件一款用于电子分析和系统仿真的软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。它可以对数字、模拟电路和嵌入式开发系统进行硬件和软件仿真且基于Windows平台，其特性包括以下几方面25：1.实现单片机系统的仿真功能。在其7.1版本中提供了众多单片机模型，包括：8051系列、AVR系列、Z80系列、PIC系列、HC11系列以及各种接口电路。2.实现了嵌入式系统的交互仿真功能。具有数字电路和模拟电路、单片机及接口电路系统SIMULATION、KC和SPI调试器、RS232动态仿真、键盘和显示系统仿真的功能；软件内部还集成了电路监测仪器，如示波器、动态指针、信号发生器等。3.集原理图和PCB绘制功能于一身，对电路系统完成原理图设计后可直接进行印刷电路板的绘制。4.硬件仿真和软件仿真的结合调试功能。支持编译和调试环境软件KEILC51与其的完美结合。在嵌入式系统的仿真分析中，可将控制系统工作的高级语言(C语言、汇编语言等)与PROTEUS中相对应的电路系统完美结合，实现同步连调。2.3 KEILC51软件简介KEILC51是美国KEIL Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。KEILC51软件基于Windows平台，提供丰富的编程语言选择和强大的集成开发调试环境。且使用KEILC51进行软件开发时，生成语句快，代码紧凑，简单易懂。在实际中可方便的应用于大型软件系统的开发中，是电子信息、计算机软件开发人员进行软件开发时很好的工具26。KEILC51提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。如果你使用C语言编程，那么KEILC51几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。2.4 本章小结通过查阅步进电机相关资料，了解了步进电机的运行原理及控制方式，并确定了本课题的控制方式。本文所设计的步进电机驱动控制系统是以AT89C51单片机为核心的嵌入式开发控制系统。并查阅软件资料，学习了相关软件，为后续设计的开展打下了基础。3 系统设计方案规划3 系统设计方案规划3.1 设计内容概述根据前文所述，本系统在研究中釆用硬件设计和软件编程相结合的手段对系统进行开发和设计。硬件设计上釆用AT89C51单片机为控制核心，结合外围电路的扩展和通讯实现电路结构的搭建，在软件设计上采用C语言进行程序模块的编制24，根据系统需实现的功能按照模块程序流程的编制思想，对系统进行软件编程，整个系统以软件结合硬件的设计思路组建，通过电路原理图的绘制、PCB电路板的搭建和系统仿真等一系列步骤，完成对系统的研究和应用设计，该系统的硬件和软件仿真可在WINDOWS环境下进行，在实际调试的过程中，可以根据程序模块的实际需求进行扩展和修改，并实现即时的更新功能。综上所述，本文需要对以下几个方面内容进行研究：1.系统硬件的选择。考虑到本系统的设计是基于毕业设计的，因此在设计中以毕业设计任务书要求为准。同时，在实现系统功能的前提下要尽量考虑设计成本的缩减。2.系统原理图的设计和绘制。在系统硬件芯片选择完成后，需要根据系统功能进行电路原理图的设计和绘制。具体来说，应该尽量采用典型的电路模块，以适应大规模生产研发的要求，同时，本系统需要在PROTEUS仿真平台下进行预测试，因此，在电路设计时要考虑到仿真元件的可移植性，以便于进行系统硬件仿真。3.系统软件编程。软件程序的编制要根据硬件电路的功能来进行，尽量采用模块化程序编制的方式进行，层次结构需要清晰可调，同时需要具备与上位机的通讯功能，程序也要具备良好的可移植性，保持严谨的软件开发框架。4.采用PROTEUS软件完成系统PCB电路板的绘制和制作。考虑到系统在设计完成之后需要出实物，因此需要完成对系统PCB电路板的绘制。5.系统硬件和软件仿真。在系统设计完成之后，需要对其进行仿真，以验证系统的可行性和稳定性。本系统在软件中采用KEIL软件仿真平台对系统进行仿真，同时根据KEIL生成的HEX文件，结合PROTEUS单片机系统仿真软件，完成对系统硬件的仿真运行。3.2 系统功能概述本系统基于毕业设计任务书要求，需要产生旋转磁场，将磁场强度不同的永久磁条，通过固定架固定在步进电机的转轴上，当步进电机转动时，其永久磁铁产生的磁场也跟着旋转，从而产生旋转的磁场。因而步进电机的转数决定旋转磁场的旋转频率，永久磁场的强弱决定旋转磁场的强度。具体一点说就是，本系统利用AT89S51单片机强大的控制功能，产生一定频率的脉冲序列精确控制功率ULN2003A驱动芯片，从而控制步进电机的转速，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制步进电机的停止、正转、反转、加速和减速。液晶显西安工业大学毕业设计（论文）示器可以实时监控步进电机的状态；并通过串口实现与计算机的实时通信。在综合考虑系统设计等各方面因素后明确系统应具备如下功能：硬件部分：(1)单片机和步进电机运行所需的平稳电压；(2)液晶显示模块；(3)控制步进电机运行状态的键盘；(4)时钟电路与复位电路；(5)步进电机运行的驱动和功率放大电路设计；（6）串口通讯模块；（7）外扩程序存储模块；（8）用PROTEUS对整个系统进行硬件设计、仿真和对系统输出进行测试。软件部分：(1)系统复位初始化；(2)键盘扫描与处理；(3)液品显示器初始化扫描程序；(4)定时器中断服务程序；(5)步进电机正转控制程序；(6)步进电机反转控制程序；(7)步进电机加速控制程序；(8)步进电机减速控制程序；(9)步进电机停转控制程序；(10)步进电机运行节拍控制程序。3.3 系统原理概述本系统以AT89C51单片机作为核心，通过外部扩展其他硬件完成对步进电机运行状态的显示。(参见附录电路原理图)AT89C51单片机有40个引脚，我们用P1口的P1.0-P1.4引脚扩展步进电机运行状态控制键盘，设计完成后，包括停止、正转、反转、加速、减速一共五个按键。P1.5，P1.6，P1.7，P3.6四个引脚分别和与非门芯片7404的输入端相连用于扩展步进电机运行的驱动控制芯片ULN2003A。P2口所有引脚和P3口的部分引脚用于外接AMPIRE128*64液晶显示模块。P2口连接AMPIRE128*64液晶显示模块的DB0-DB7，用于单片机和液晶显示模块的数据传输，P3.2，P3.4，P3.5分别与AMPIRE128*64液晶显示模块的RS，R/W，E相连完成数据的显示，具体来说：R/W为读写信号线，RS为数据指令选择端，E端为使能端子。在实际工作时，当R/W为低电平，E为信号下降沿时锁存DB0-DB7的数据；R/W为高电平，E为信号上升沿时，DDRAM的数据读到DB0-DB7中。P3.0，P3.1分别与液晶显示模块的CS1 (左半屏片选端)和CS2 (右半屏片选端)相连用于对液品模块的显示进行编程设置。步进电机驱动控制部分采用专用芯片ULN2003A进行控制，其输出管脚1C-4C连接四相六线步进电机的相序控制端。COM端连接+12V电源用于对其工作进行供电。当然ULN2003A在接入单片机控制脉冲时必须连接限流电阻，这已经在原理图上反映出来了。3.4 系统总体硬件框图本设计以AT89C51单片机芯片作为核心，利用AT89S51单片机强大的控制功能，产生一定频率的脉冲序列精确控制功率ULN2003A驱动芯片，从而控制步进电机的转速，以控制旋转磁场的频率；键盘可控制步进电机的停止、正转、反转、加速和减速。液晶显示器可以实时监控步进电机的状态；并通过串口实现与计算机的实时通信。因此可总结系统框图如下所示：键盘模块步进电机 A T89S51单片机 驱动模块 液晶显示模块 串口模块晶振模块PC外扩存储模块图3.1 系统总体硬件框图3.5 本章小结根据任务书要求，通过了解确定该课题所要研究的内容、系统所要实现的功能，以及明白本系统的原理。并且制定了本系统的设计方案，接下来才可以选出合适的器件以及对系统进行具体的设计。4 系统硬件部分设计4 系统硬件部分设计4.1 系统硬件设计说明首先，在系统核心控制芯片的选择上，我们釆用AT89C51单片机。ATMEL公司生产的AT89C51单片机是一种低功耗/电压、高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都可以和MCS-51系统兼容，片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或者用其他编程器件进行编程。内部包含256字节RAM，4个8位并行I/O口，多个中断源，2个中断优先级，2个定时计数器，因此，89C51单片机是一种功能强大，速度快速，灵活性高而且价格便宜的控制芯片27。其次，由于单片机输出的脉冲信号非常微弱，不能直接用于驱动步进电机运行，因此需要采用功率驱动芯片。根据上文所述的硬件典型电路模块的设计方案，我们在本系统的设计中采用集成达林顿管ICULN2003A作为系统的功率驱动芯片，该芯片是目前步进电机控制系统中驱动电机运行最常见的芯片，符合我们典型电路模块设计的要求。再次，考虑到要对系统进行精确控制，因此需要采用人机对话的方式进行，具体来来说，需要采用按键控制实现。在设计中采用5个独立按键完成对系统步进电机运行的控制。独立按键的设计可以很好的节约系统I/O端子，同时在软件编程中也更易操作，达到了设计的要求。在实际编程时，我们采用按键扫描的方式进行按键程序的编写。最后，通过液晶显示模块显示参数。系统设计需要解决实时监控的问题，同时需要建立可操作的人机通讯液晶显示界面，本系统的液晶显示模块采用了能够显示中文字库的液晶显示器件AMPIRE128*64。4.2 系统主要器件选择4.2.1 单片机的选择本设计采用AT89C51单片机，AT89C51单片机由美国ATMEL公司生产，具有低电压和高性能等特点，并且属于CM0S8位单片机系列。其内部含有容量为4K的PEROM和存储空间为128比特的RAM，并且还有通用的8位中央处理器(CPU)以及Flash存储单元。该器件的生产技术具有集成度高、程序不容流失且保持时间长等存储有点，对MCS-51指令系统也完全兼容26。由此可见，AT89C51单片机的功能比其他同类别的单片机强，可应用场合多，性价比高，可灵活应用于生活生产等各种控制领域28。引脚排列如图4.1所示：西安工业大学毕业设计（论文）图4.1 AT89C51引脚结构图1.主要性能参数：兼容MCS-51系列单片机；4k重复利用闪存；指令擦写周期数可达到一千次；全静态操作；0赫兹24兆赫兹；3级的ROM加密级别，良好的程序保密性；内部数据存储器达128*8K；I/0数据口达32个，且都可独立编程；两个定时/计数器，位数为16位；六个中断源；可编程串行UART通道。2.AT89C51的控制功能主要有29：4k大小的Flash高速存储器，128字节内部数据存储器，32个I/O数据口，2个16位定时/计数器，一个中断构造，一个全双工串行通信口，内部集成振荡器和时钟电路。在使用时，该款单片机逻辑操作频率可达O赫兹，且省电模式达到两种。在停止CPU工作的状态下可选择空闲模式，然而RAM，定时/计数器，串行通信口和中断系统的工作不受空闲模式的影响、RAM中的数据不会因掉电方式而丢失，直到下一个硬件复位时振荡器才继续开始工作。3.AT89C51管脚说明30：VCC：供电电压；GND：接地；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P0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/地址的低八位。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外部必须接上拉电阻22。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口作为低八位地址接收。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AT89C51的一些特殊功能口，如表4.1所示：表4.1 P3口的特殊功能管脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（计时器0外部输入）P3.5T1（计时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（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/：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低位字节。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。：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，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，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。4.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。石英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。5.AT89C51单片机的优点：AT89C51单片机是一种功能强大，速度快速，灵活性高而且价格便宜的控制芯片；内部包含256字节RAM，4个8位并行I/O口，多个中断源，2个中断优先级，2个定时计数器；具有低电压和高性能特点，并且属于CMOS8位单片机系列，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，与MCS-51系统兼容，片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或者用其他编程器件进行编程。6.AT89C51的缺点：该单片机内部没有存储器来存储用户程序，因此需要增加外扩器，本设计采用27512EPROM。4.2.2 步进电机的选择本设计采用四相六线式步进电机，具体型号选用苏州长泰电机有限责任公司出产的57BYG601四相六线式步进电机18。图4.2是步进电机的外形结构图，图4.3为步进电机接线图。以下是该步进电机的主要性能和参数特性：步距角精度：5%温度限制:最高：80稳定运行温度：-20+50图4.2 步进电机外形结构图4.3 步进电机端子连线图4.2.3 功率驱动芯片的选择本设计采用ULN2003A功率驱动芯片，该芯片是由美国Texas Instruments公司和Sprague公司联合幵发的大电流高压达林顿管阵列功率驱动电路，拥有高电流增益、搞工作电压、宽泛的温度范围同时负载带动能力很强等特性。适应于各类要求高速大功率驱动的系统。其主要特征有：温度范围宽（-4085）；工作电压高（大于50V）电流增益高(大于1000)；采用DIP-16或者SOP-16塑料封装；灌电流可达500mA，并且能在关态时承受50V的电压，输出能在高负载电流并行运行；每一对达林顿管都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的电压下能与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进行处理的数据。4.2.4 外扩程序存储芯片本设计采用EPROM27512芯片，EPROM芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压（VPP=12-24V，随不同的芯片型号而定）。该芯片内部容量为512K。4.2.5 74LS373芯片373为三态输出的八口透明锁存器，共有54S373和74LS373两种线路结构型式。373 的输出端Q0Q7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。本设计选用74LS373芯片4.2.6 7404芯片7404芯片是非门芯片，内部含有六个非门，其中1A-6A为输入端，1Y-6Y为输出端。本设计中选用它来作为单片机脉冲信号输出和ULN2003A功率驱动芯片之间的连接芯片。其主要参数为：极限电源电压：7V；一般输入电压：5.5；工作环境温度：070；存储温度：-65150。4.2.7 CD4068芯片CD4068为与非/与门芯片，其主要性能和参数为：有2个输出端口，1脚为与门信号输出端，13脚为与非信号输出端。本设计采用CD4068芯片中的与门电路功能作为控制按键与单片机中断口之间的桥梁，根据本设计要求，当按键按下产生低电平信号时，系统低电平中断信号产生促使单片机改变步进电机运行方式脉冲，从而实现对步进电机的控制，且选用1脚作为输出端。主要参数有：电压参数：电源电压范围为3V5V；电流参数：输入电流为10mA；存储温度：-65150。4.2.8 液晶显示器的选择液晶显示器件（LCD）独具的低压、微功耗特性使他在单片机系统中特得到了广泛的应用，常用的液晶显示模块分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块，其中图形液晶模块在我国应用较为广泛，因为汉字不能像西文字符那样用字符模块即可显示，要想显示汉字必须用图形模块.由于本设计需要对步