基于单片机控制的CCD随动系统设计

1、基于单片机控制的CCD随动系统设计*（吉首大学物理科学与信息工程学院，湖南 吉首 ）摘要通过一种设计方案，包括硬件的介绍和实现，以及控制程序的编写等，介绍了一种基于单片机控制的CCD随动系统。该系统接收到驾驶员手中的方向盘旋转角度信号后，经ADC(Analog-to-Digital Converter， 模数转换器)转换成数字信号后送入单片机，由单片机处理接收到的旋转变压器的信号，发出步进脉冲及方向电平，送入步进电机驱动器，再由步进电机驱动器驱动步进电机旋转，从而使安装在旋转台上的CCD的方位角随方向盘的旋转而变化。为了获得较好的随动性，控制系统采用AD(Analog-to-Digital，模

2、拟到数字)转换技术，利用单片机对信号处理速度快的特点，使系统拥有更好的实时性能。关键词：步进电机；旋转变压器；单片机；AT89C51；CCD；随动系统A CCD Servo System Based on SCM ControllingXie Yongquan(College of Physics Science and Information Engineering Jishou University, Jishou, Hunan )AbstractThe paper introduces a Single Chip Micyoco controlled CCD servo system o

3、f a design project, including introduction and implement of hardware, also with design of control program. After receiving the signal of the rotating angle from the steering wheel, The signal is transformed to the digital signal by ADC and send into the monolithic integrated circuit, the monolithic

4、integrated circuit processing the signal received from the rotary transformer, then send the stepping pulses and direction power level to the driver of stepping motor, Again actuates the machine to revolve by the driver of the stepping motor, Thus causes to the azimuth of CCD installed in the rotati

5、ng platform along with the steering wheels rotating. In order to obtain a better Servo character, the control system uses the AD transformation technology, and uses the character of quickly signal processing speed of monolithic integrated circuit, so as to get the better real time characteristic.Key

6、words: stepping motor; rotate transformer; SCM; AT89C51; CCD; Servo system目 录第一章 绪论11.1引言11.2基于单片机控制的CCD随动系统研制的目的和意义11.3本课题的研究内容2第二章 系统方案选择与论证42.1系统需求42.2系统总体方案42.2.1基于单片机轴角数字转换电路的系统方案42.2.2基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案5第三章 硬件电路设计与实现83.1硬件电路的总体规划83.2系统端口、引脚分配83.3系统中央控制电路93.4中央处理电路93.4.1 AT89C51简介393.4.2单片

7、机最小系统123.5步进电机133.5.1步进电机的结构133.5.2步进电机的工作原理143.5.3步进电机的分类5153.5.4步进电机的运动163.5.5步进电机的定位173.6步进电机控制与驱动设计183.6.1 L297简介6183.6.2 L298简介7203.6.3步进电机驱动电路连接8213.7正余弦旋转变压器223.7.1正余弦变压器原理223.7.2正余弦变压器硬件连接电路图233.8信号预处理电路连接9243.9 A/D转换部分253.9.1 ADC0804简介10253.9.2 ADC时钟频率的产生263.9.3辅助参考电压的产生27第四章 软件系统设计294.1应用程

8、序设计原则与方法294.1.1程序功能模块化的优点294.1.2程序模块的划分294.2软件设计理论依据304.3各模块的软件设计324.3.1初始化模块324.3.2主程序模块334.3.3单片机控制A/D采样模块334.3.4方向控制模块344.3.5角度控制模块35第五章 结束语36致 谢37参考文献38附录1：系统电路图39附录2：源程序清单41第一章 绪论1.1引言单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU(Central Processing Unit，中央处理器)的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中

9、，使计算机系统更小，更容易集成到复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上计算机以及鼠标等计算机配件中都配有1-2部单片机。而个人计算机中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC(Personal Computer，个人计算机)机和其它计算的综合，甚至比人类的数量还要多。目前单片机渗透到我们生

10、活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC(Integrated Circuit，集成电路)卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。位置随动系统又称伺服系统，主要用于解决位置跟随的控制问题，其根本任务就是通过执行机构实现被控量(输出位置)对给定

11、量(指令位置)的及时和准确跟踪，并要具有足够的控制精度。位置伺服系统应用很广，例如数控机床中的两个轴(y轴和z轴)的驱动；机器人的关节驱动；x-y记录仪中笔的平面位置控制；摄、录像机的磁鼓驱动系统；至于低速控制或对瞬时转速有要求时，也必须采用位置伺服控制，显然，步进电动机适合应用位置控制。而基于单片机的应用系统，具有体积小、重量轻、性价比高以及可靠性较高等优点，把可以编程控制的单片机应用于CCD随动系统，使其具有较大程度的可改变性，从而可以更好的控制系统的随动性能、降低开发难度和生产成本。1.2基于单片机控制的CCD随动系统研制的目的和意义随着随动控制系统的应用日渐广泛，人们对系统的要求也越来

12、越高，如安全性、轻巧性以及性价比等。而通过单片机开发的随动系统，恰好能够满足现实的需要，而且用单片机开发出来的随动系统也具有高稳定性和可以通过编程以进行控制和升级等特性。其研制的目的和意义：1、降低随动系统的开发成本和开发难度。随动系统的开发可以全部在微机上操作，并且可以通过实时的仿真系统来测试系统的正误以及其性能，从而可以提早发现问题并且对所遇到的问题来进行解决，可以省去很多实物仿真的必要性，但当系统调试完毕之后，将还要在实物的基础上进行一定时期的验证，才能最后用于实际的应用。单片机系统已经集成到了一小片硅片上，而且在其外部用到的外围器件大多数也是集成芯片，随着这些集成芯片的广泛普及，其性价

13、比势必也会越来越高，因此该系统将具备较低的开发成本优势。2、通过应用单片机系统，进一步提高随动系统的稳定性以及可维护性。该系统应用集成芯片和高稳定性元器件，只有很少一部分是独立原件，而对于集成芯片的诊断和维护也较独立元器件要高出很多，更换也比较简单，因此使该系统具有高稳定性、易诊断、易维护等方面的优势。3、控制逻辑通过C程序实现，更易于以后系统的升级和维护，也使具备在不同芯片中和系统中可移植性。系统的控制程序全部采用C语言进行编写，由于C语言具有高效率以及接近汇编，具有更小的体积，这些对于那些只具备较小的存储空间的智能系统来说，控制程序占据更小的内存以及存储空间，追求更高的执行效率是一个很重要

14、，也很受关注的方面。而通过应用C语言，使其能够达到上述要求。而且C语言具有可移植性，在该系统上编写的程序，可以在另外的系统中，如Linux中进行再开发，利于将来产品的升级。4、通过提高随动系统的性能，从而提高车辆的安全性，使其更加人性化。车辆在行进中，各个设备，尤其是战车的瞄准仪、测距仪以及其它仪器都需要与方向盘的方向保持良好的一致性，使他们与方向盘仪器保持随动，从而才能更好的提高其在战场环境下的生存能力以及战斗能力。而在高档车辆的照明系统中，也要求大灯和方向盘保持随动，使驾驶员能够看清前进的方向，提高其安全系数，使其更舒适化、人性化。1.3本课题的研究内容本文介绍的设计方案是用AT89C51

15、控制的CCD (Charge Coupled Device，电荷耦合器件)随动系统。为了提高车辆（比如装甲战车、坦克、工程车和轿车等）的适时性和安全性，拟在车辆上装备CCD，要求CCD的方位与驾驶员手中的方向盘保持随动，而CCD安装在由步进电机带动的旋转台上，方向盘上安装测角组件(旋转变压器) ，车辆驾驶过程中，随着方向盘的旋转，旋转变压器发送相应的角度信号传入AD转换模块，AD把旋转变压器传入的模拟信号转换为数字信号后，再送到AT89C51，由AT89C51处理接收到的旋转变压器的信号，发出步进脉冲及方向电平，再让步进电机驱动器来控制步进电机转动方向和转动角度，从而使车辆行进的方向与观察视角

16、保持一致。在该方案中，要求系统的采样误差不得超过1%，单片机控制步进电机的最小控制精度不得低于2度。全文开始讲述整个系统的规划设计，以便使整个控制系统的设计有一个较好的参考标准；接着分析对系统的要求，绘制系统的方框图；进而简要介绍所用器件的原理和特点，决定选用的器件类型以及计算必要元器件的参数，再确定选用的各个芯片型号以及元器件型号；在此基础上，再进行硬件系统的整合，同时给出系统的完整硬件连接电路图。在完成系统的硬件电路设计之后，阐述软件设计理论，再分模块来进行软件部分的组织，包括各个模块的流程图以及必要的控制程序介绍。接着是该方案的验证与测试，以使其能够应用到实际中。最后是参考文献和附录。附

17、录中给出了该系统的完整源程序以及完整的硬件电路图，其中源程序中包括了对程序逻辑和实现功能简要说明的必要的注释。第二章 系统方案选择与论证2.1系统需求本文设计的是基于单片机的CCD随动系统，也即要使随动器件与设备跟随方向信号而保持同步运动。总体的需求就是要实现把测角组件所输出的信号经过预先处理以及AD转换，处理后的数字信号再送到中央处理器中进行处理（角度计算，方向计算），通过计算，把特定数目以及特定顺序的系列脉冲信号送到的步进电机驱动芯片，再由步进电机驱动芯片来驱动步进电机运动。其中的中央处理器可以对AD转换进行控制，使其在系统停止作业时，不进行AD转换，以节省电源和减少功率消耗，节省成本；A

18、D也可以采用自由转换模式，单片机只需随时读取和处理即可。同时也能对步进电机驱动芯片进行控制，实现精度控制以及方向控制等。总体的目的就是要设计一套系统，使其具有良好的随动性、低成本性以及较高的控制精度，并能够广泛应用于各种系统中，具有较好的拓展性和再开发性。2.2系统总体方案在充分理解前一节对系统的基本要求以及说明后，我们设计了能够实现其所有功能要求的两套系统方案。2.2.1基于单片机轴角数字转换电路的系统方案基于单片机轴角数字转换电路的系统方案方框图如图2.1所示。在本方案中，我们在轴角数字转换电路部分采用分立元件，由旋转变压器送出的信号，先经过由分立组件构成的信号预处理电路，处理后的模拟信号

19、送入AD转换芯片，转换成数字信号之后，再送入单片机进行进一步的处理。旋转变压器的输出信号预先经过处理的目的是进行大信号的缩小，以及对旋转变压器上的多极信号进行预处理后，合并为一路差值信号，便于计算和处理。经过单片机处理的信号，由单片机的数据口P0输出，先送入集成的步进电机驱动芯片，进行功率放大后，再送入步进电机，使其跟随旋转变压器的方向信号进行转动。图2.1 基于单片机轴角数字转换电路的系统方案方框图在基于单片机组成轴角数字转换电路的系统方案中，由自整角机发送来的信号必须经过正余弦变压器转换为含有轴角信息的正余弦角度信号。正余弦变压器可以用电磁式实现，也可以用运算放大电路组成的高精度电子式正余

20、弦变压器实现。由于电磁式变压器采用的磁性材料，具有非线性，导致其精度不可能做得很高，因此，目前多采用电子式正余弦变压器。电子式正余弦变压器的两路输出为1： 公式（2.1） 公式（2.2）式中：为正弦、余弦绕组输入电压的最大值；为输出信号的载波频率，即激励电压的角频率；为转动的机械角度；K为比例系数。正余弦变压器输出的信号是以模拟信号表示的机械轴角，在数字随动系统中，需将机械轴角转换成数字角。 公式（2.3） 公式（2.4）信号、在峰值区间进行同步采样和保持，经AD转换器后变成与电压成正比的数字量，依据公式(2.4)进行反正切运算，即可解算出数字角。单片机主要完成数据采集、数字角解算、象限判别和

21、输出数字角等功能。由本方案可以看出，传统的转换电路需要由预处理、取模、象限判决等诸多数字逻辑电路组成相比，基于单片机的轴角数字转换电路具有电路简单、可靠性高等优点。而与基于轴角数字转换模块和光电编码器的转换电路相比，这种电路价格非常低廉。然而，这种电路也存在精度不很高等缺点，只能应用于一些对精度要求不是太高的场合。2.2.2基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案随着现代电子技术的发展，人们对轴角数字转换电路的规范化、模块化、对其要求也越来越高，于是出现了小型固态厚膜或薄膜混合的集成轴角数字转换模块SDC/RDC(Signal Data Converter，信号数据转换器；Reliabi

22、lity Data Control，可靠性数据控制)。但是，这种模块体积庞大，略显笨拙。美国ADI公司又将它发展成一系列单片集成电路，即AD2S8X系列。AD2S8X系列是将先进的CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)逻辑电路与高精度、双极性线性电路相结合，以BiCMOSII工艺制作的跟踪式单片集成电路。用户可根据需要选择相应的模块类型。目前我国自主研制的轴角数字转换模块以中船重工集团的ZSZ/XSZ系列为代表，性能基本与国外产品相当。以下以AD2S82A为例介绍基于轴角数字转换模块的轴角数字转换电路之系统方案原理。图2

23、.2是基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案方框图。图2.2 基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案方框图2AD2S82A内部主要由高速数字式正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调器、积分器、VCO（Voltage Controlled Oscillator，压控振荡器）和可逆计数器等组成。其输入的正余弦信号也可分别用公式(2.1)和公式(2.2)来表示，其中为待转换的轴角。假定可逆计数器现时的代码值是，高速数位式正余弦乘法器将乘以，乘以，两信号再经误差放大器相减后得到： 公式（2.5）经相敏解调器、积分器、压控振荡器和可逆计数器形成一个死循环回路系统使趋近于零。当这一过程完成时，

24、可逆计数器的代码值就相当于轴角。在该电路中，由粗精两套旋转变压器将轴角信号转换成为交流电信号，然后分别经两套SDC/RDC模块将交流信号转换成数字信号，再通过数据处理模块进行精粗组合、数据纠错等，最后将数据送到单片机，经单片机处理后，由单片机的数据口PX（单片机的任意一个数据口）输出，其输出先送入集成的步进电机驱动芯片，进行功率放大后，驱动步进电机跟随旋转变压器的信号变化而进行随动。与单信道相比，双信道电路增加了成本，但是，由于其静态误差仅为单信道的1/n（n为速比），其转换精度大大提高。因此，双信道的轴角数字转换电路性价比较高，广泛用于航空、航天、航海等各种控制系统中，尤其是在工作环境较恶劣

25、的情况下。综合两套方案，我们可以看出：基于单片机轴角数字转换电路的系统方案中，电路结构也简单，容易实现，而且也易于进行控制，有着明显的成本优势，但是精度不是很高。而在基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案中，电路结构比较复杂，较易实现，外围独立器件用得比较少，大量应用了集成芯片，精度比较高。在这里，我们通过综合系统的实际需求以及两套方案的特点和性能，我们选择第一套方案作为本文的整个系统方案，并来实现整个系统。第三章 硬件电路设计与实现在前一章，我们已经对系统的需求进行了认真的分析，而且根据其要求，选择了两套整体设计方案，而且通过各个方案的介绍，了解到各自的优缺点后，再根据系统的实际需求

26、，从中选定了一种可行的整体设计方案。本章的任务就是在选定整个系统设计方案的基础上，分别对硬件部分进行设计。主要分为两个步骤，第一部分：系统硬件各部分原理说明，第二部分：相应的外部电路设计与连接以及系统各硬件部分电路图的绘制。3.1硬件电路的总体规划在上一章中，我们采用的是如下的系统硬件结构：图 3.1 硬件电路系统方框图由于该系统要求采样误差不得高于1%，所以，我们选用的AD芯片，其采样输出至少要在8位以上，在此，我们就采用8位的AD转换芯片ADC0804。而又要求步进精度不得低于2度，所以我们采用双极性两相步进电机和相应的驱动电路。3.2系统端口、引脚分配根据硬件电路的规划，（1）外接晶振连

27、接XTAL1和XTAL2,复位电路连接到RST端。(2) 旋转变压器采用正余弦旋转变压器，其两对输出端（Z1、Z2为一对，Z3、Z4为一对）分别接到两个运算放大电路。(3)经运算放大器处理后，两个运算放大器的输出端AD0和AD1分别送入到ADC0804的VIN+端，以便ADC0804对信号进行模数转换，然后再送入到单片机。一个ADC0804的八根数据线DB0-DB7连接到89C51单片机的P1.0-P1.7，/WR连接到/INTR，使ADC0804以自由转换模式工作；而另一个ADC0804的DB0-DB7连接到89C51单片机的P2.0-P2.7，/WR也连接到/INTR，同样使ADC0804

28、以自由转换模式工作。两个ADC0804的CLKIN和CLKR均到外部电路，其中该电路的时钟脉冲信号是通过ADC自身电路外接元器件产生的。在CPU上总共需占用16个数据口。(3)步进电机驱动采用L297加L298形式，经过处理后的时钟脉冲由P0.3输出，送到L297的Clock,因为P0口是地址和数据复用端口，所以为了使任何时候P0口输出的数据信号均有效，必须外接上拉电阻，采用10K的电阻连接电源即可；另外，为了对步进电机驱动进行控制，L297的Reset、ENABLE、Full以及CW分别连接到CPU的P3.4-P3.0。总共占用单片机的5个数据端口。（4）采用二相四拍的步进电机，需要一个步进

29、电机，需要4根驱动信号，分别连接在L298的输出口的OUT1-OUT4。根据上面的信号线的分析，总共需要21根信号引线。但是，由于89C51总共40引脚，除去电源、复位、晶振、ALE、PSEN等，有33根可以利用的信号线。完全可以再不进行口扩展的情况下进行本方案的设计与实现。3.3系统中央控制电路通过以上分析，我们可以画出该系统的基本控制电路图，由于系统的工作需要最基本的单片机最小系统的支持，所以图中包括了单片机最小系统以及其他电气连接。整个中央控制电路硬件电路图如图3.2所示。图 3.2 中央处理器部分硬件电路图3.4中央处理电路3.4.1 AT89C51简介3AT89C51为ATMEL公司

30、推出的Flash单片机，采用CMOS工艺，来源于8051而优于8051系列，并且内部含有Flash内存的单片机，在工业、交通、仪器仪表、自动生产过程、航空、运输、汽车、家电等领域均获得较大的运用。其硬件资源包括：1、4KBflash的内部程序内存；2、128B的内部随机存储器；3、8位的CPU，多功能的I/O端口：P0、P1、P2、P3口的第二功能；4、16位定时器/计数器；5、全双工异步串行通信端口；6、具有多个中断源；7、片内的闪速程序内存；8、复位系统；9、系统的节电工作方式。 图3.3 AT89C51引脚图根据图3.3的AT89C51的引脚图，下面分别叙述这些引脚的功能:1、电源端VC

31、C。2、电源地GND。3、外接晶振引脚XTALl、XTAL2。XTALl为片内振荡器反向放大器的输入端，当采用外部振荡时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端；XTAL2为上述放大器的输出端，采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。4、控制或其它电源复用引脚RST、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP。RST：复位输入端。当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部内存时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节。在不对外部内存进行访问的时候，ALE仍然以不变的频率周期性地出现正脉冲信号。因此，它可作为对外输出的时钟，或

32、用于定时目的。在访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲；在对FLASH内存编程时，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。如果需要的话，通过对专用寄存器(SFR)区中的D0位置1，可禁止ALE操作。该位置1后，只有执行MOVX指令或MOVC指令期间，ALE才会启动。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该设定禁止，ALE无效。PSEN：程序存储允许输出信号，是外部程序内存的读选通信号。当AT89C51由外部程序内存取指令(或常数)时，每个机器周期两次PSEN有效(即输出两个脉冲)。但在此期间，每当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：外部访问允许端

33、。要使CPU只访问外部程序内存(其地址范围为地址：0000H-FFFFH)，则EA必须保持低电平(接到GND)。然而，保密位LBI被编程，复位时在内部锁存EA端状态。当EA保持高电平(接VCC)，CPU则执行内部程序内存中的程序。在FLASH内存编程期间，该引脚也用于施加+12V的编程允许电源VPP(如果选用+l2V编程)。5、输入/输出引脚：P0.0P0.7、Pl.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7。P0口(P0.0-P0.7)：P0是一个8位漏极开路型双向I/O口。作为输出端口时，每位以吸收电流的方式驱动8个TTL电平输入，对端口写1时，又可作为高阻抗输入端用。在访问外部程序和

34、数据存储器时，它分时多路转换的地址(低八位)/数据总线，在访问期间启动了内部的上拉电阻。在FLASH编程期间，P0端口接收指令字节；而在验证程序时，则输出指令字节。验证时要求外接上拉电阻。P1口(Pl.0-Pl.7)：P1是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流)4个TTL电平。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流(IIL)。对FLASH编程和验证时，Pl端口接收低8位地址。P2口(P2.0-P2.7)：P2是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O口。P2

35、的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流)4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流(IIL)。在访问外部内存和16位地址的外部数据存储器(如执行MOVX DPTR 指令)时，P2口输出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX RI指令)时，P2口引脚上的内容(就是专用寄存器(SFR)区中的PZ寄存器的内容)，在整个访问期间不会改变。在对FLASH编程和程序验证期间，P2口也接收高位地址和一些控制信号。P3口(P3.0-3.7)：P3是一个具有内部上拉电阻的8位双

36、向I/O口。P3的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作为输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流(IIL)。在AT89C51中，P3口还用作一些专门功能，见表3.1。表3.1 P3口的引脚与兼用表在对FLASH编程或程序验证时，P3还接收一些控制信号。根据89C51内部的资源以及端口、引脚说明，AT89C51完全可以适用于CCD随动系统的控制。3.4.2单片机最小系统对51系列单片机来说，为了使单片机正常工作，至少需要一个最小系统。在51系列单片机中，单片机芯片+晶振电路

37、+复位电路，便组成了一个最小系统。但是一般我们在设计中总是喜欢把按键输入、显示输出等加到上述电路中，成为小系统。 因为在设计中，并不需要键盘和显示器等外围器件，只要求设计达到随动的要求即可，所以在此，最小系统只包括单片机、晶振电路和复位电路。应用C51系列单片机设计并制作一个单片机最小系统，达到如下基本要求：1、具有上电复位和手动复位功能。2、使用单片机片内程序内存。3、为了达到较高的精度、速度以及稳定性，晶振频率选用12MHZ，晶振电路中选用的电容C1、C2均为10p。而在复位电路中，R17、R18选用阻值都为10K，电容为10u。连接好相应的引脚，并仿真测试复位是否正常。最终所构成的最小系

38、统硬件电路图如图3.4所示：图 3.4 单片机最小系统硬件电路图3.5步进电机3.5.1步进电机的结构步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电组件，它实质上是一种多相或单相同步电动机。单相步进电动机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途是作为微小功率驱动，例如用于驱动机械式电子手表的指针。多相步进电动机由多相方波脉冲驱动，用途很广。步进电机一般都是指多相步进电动机，使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转变为多相脉冲信号，再经功率放大后分别送入电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度(称为步距角)。正常运

39、行情况下，步进电动机转过的角度与脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量输入，所以特别适合微机控制。步进电机有专用的驱动器驱动，而驱动器的输出由脉冲信号和方向电平控制。每一个脉冲使步进电机转动一个固定的角度，这个角度称为步进角。脉冲个数决定旋转角度，脉冲频率决定旋转速度，方向电平决定旋转方向。因此，通过脉冲数量和方向电平的控制能比较精确地控制步进电机的旋转角度和方向。目前常用的步进电动机有三类:1、反应式步进电动机：它的结构简单，生产成本低，步距角可以做得很小，但动态性能相对较差。2、永

40、磁式步进电动机：它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。3、混合式步进电动机：它综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是各方面性能都较好的一类步进电动机。它也可称为永磁感应式步进电动机。步进电机的一些特点4:1、一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不累积(精度为100%)。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

41、、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。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。3.5.2步进电机的工作原理现以反应式步进电动机为例说明其工作原理。下面是一个四相八拍反应式步进电动机的结构示意图(图3.5)。铁心上有八个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为45度。每个大齿上都套有一个线圈。径向相对的两个线圈串联起来成为一相绕组。各个大齿内表面上又有若干个均匀分布的小齿。四相反应式步进电动机的转子是一个

42、圆柱形铁心，外表面上沿圆周方向均匀地布满了小齿。转子小齿的齿距和定子小齿是相同的。设计时应使转子齿数能被二整除而不能被相数整除。当某一根绕组通电而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置。因此当A相通电，磁拉力使A相大齿与转子小齿1对齐；当A相通电时，磁拉力使A相大齿与相大齿同时吸引转子小齿1，将转子小齿1处于A相、相中间。如此循环，实现转子按照时序转动。图3.5 步进电机结构原理示意图3.5.3步进电机的分类5步进电机可以分为2相、4相、5相等。如图3.6所示。比较常用的是2相的步进电机，其中包括两组具有中间抽头的线圈，、

43、Com1 和为一组,、Com2 和为另一组。2相6线式步进电机，其连接就是、Com1、 、Com2 和；而2相5线式步进电机就是将其中的Com1和Com2连接。另外，4相步进电机是由4组线圈组成，5相步进电机由5组线圈所构成。为了提高步进电机的精度和稳定性，可以把步进电机细分运转，由电气控制方式把每一步距分N为小步完成。由于此系统是一个随动系统，要求实时性好、定位准确和稳定性好，所以要求步进电机启动频率比较大。图 3.6 步进电机的分类示意图若转子上有N个齿，则其齿间距为：=转子齿间距= 公式（3.1）而步进角度为: 公式（3.2）在本方案中，选用2相50齿步进电机，则有： 公式（3.3） 公

44、式（3.4）3.5.4步进电机的运动简单的讲，步进电机的运动是靠定子线圈激磁后，将临近转子上的相异磁极吸引过来实现的。因此，线圈排列的顺序，以及激磁信号的顺序就很重要。以2相式步进电机为例，其驱动信号有1相驱动、2相驱动与1-2相驱动三种。本文采用的是2相驱动，如图3.7所示。图 3.7 两相驱动信号示意图2相驱动是在任何时候，有两组线圈同时被激磁，因此，其所产生的力矩比1相和1-2相驱动都大。其信号依次如图3.8所示。图3.8 两相驱动信号示意图总共有4种不同的信号，呈现周期性的变化，在AT89C51中，若要产生这种信号，可以首先输出“B”，即“33H”。经过小段时间的延迟，让步进电机有足够

45、的时间来建立磁场和运动，再以“RL A”或 “RR A”指令将“B”左移（或右移），使之变为“B”（或“B”），再输出即可，由PORTX输出的流程图如图3.9所示。图 3.9 PORTX输出流程图3.5.5步进电机的定位打开个人计算机，计算机上的软驱会动一下，连接该计算机的外围设备，也会有所反应。不管是动一下、闪一下或是反应一下，都是RESET动作，让所有设备归为一定的状态。步进电机是一种数字输出设备，则这种设备在使用之前必须归零或定位，才能精确地使用。同样的驱动信号，如果一开始步进电机的转子位置不对，则可能发生如下两种非预期状态：1、先顺时钟转再逆时针转；2、先抖动，顺时钟转再逆时针转。对于

46、上述非预期状态的产生，最简单的防止方法就是在步进电机开始运动之前，先送出一组信号，换言之，若是1相和2相驱动，则依次送出4个驱动信号；若是1-2相驱动，则依次送出8个驱动信号，即可正确地抓住此步进电机的位置，这称之为定位或归零。本方案中采用的是2相驱动，为了实现精确定位，必须在步进电机开始运动之前送出“1000”、“0100”、“0010”、“0001”这四个驱动信号。图 3.10 步进电机硬件电路图3.6步进电机控制与驱动设计因为89C51的输出电压和电流均很小，其功率也不能达到实际的要求，不足以驱动步进电机，所以在数字脉冲送入到步进电机的之前，必须对其功率进行放大，才能驱动步进电机运转。本

47、方案中步进电机的驱动电路芯片为L297和L298构成，其所加电压为36V，其输出电流也可以进行调节。对于绝大多数的步进电机来说，其输出的功率都足以驱动其运转。3.6.1 L297简介6L297的基本特点有：1、两种驱动模式：正常驱动模式和斩波驱动模式；2、两种步进模式：半步的步进模式和全步步进模式； 3、顺时钟和逆时针的方向控制；4、可以通过开关来实现负载电流的调整；5、可以通过编程方式来控制负载电流；6、更少的外部器件；7、复位输入和稳定输出；8、使能输入端。L297作为一种步进电机控制芯片，它可以在为控制系统中，为双极性的两相步进电机以及单极性的四相步进电机产生四相的驱动信号。通过控制，驱

48、动方式可以是半步驱动，也可以是正常模式驱动以及斩波驱动。该芯片的特性在于：它只需输入用于步进控制的时钟脉冲信号、方向信号以及步进模式信号。因为脉冲可以由其内部自生产生，所以，它大大的减轻了CPU以及程序员的负担。通过外接独立式的晶体管和二极管，它可以与单片桥式集成芯片，如L298N、L293E等一起使用。L297的引脚图如图3.11所示。图 3.11 L297引脚示意图引脚功能说明：1、SYNC：在片式断路振荡器输出。SYNC连接所有的L297 SYNC端，使其忽略掉其它的振荡源而只剩一个，从而使它们保持同步。如果用的是外接的时钟信号源，那么它将会产生自激。2、GND：接地端。3、HOME：指

49、示L297初始化，当信号被启动时，三极管断开。4、A：步进电机的A相驱动电平。5、/INH1：低电平有效，A、B两相驱动时抑制控制端。 当使用双极性桥路时，在绕组减弱的时候，这个信号可以用来确保负载电流的快速衰减。当CONTROL输入端为低电平时，它也可以被断路器控制，控制负载电流。6、B：步进电机的B相驱动电平。7、C：步进电机的C相驱动电平。8、/INH2：低电平有效，C、D两相驱动时抑制控制端。9、D：步进电机的D相驱动电平。 10、ENABLE：片选端，低电平有效，当它为低时，INH1、INH2、A、B、C、D都被拉低。11、CONTROL：定义操作的控制输入端。当其为低时，切换到IN

50、H1、INH2；为高时，切换到ABCD相线。12、SENS1：A、B相电平时，负载电流敏感电压的输入端。13、SENS2：C、D相电平时，负载电流敏感电压的输入端。14、VREF：参考电压。此引脚上的输入电压决定最大负载电流。15、OSC：连接到该引脚上的RC网络决定L298的内部时钟速率。除了在多L297的应用中，该引脚用于同步外，在所有芯片上，该引脚都接地。f=1/0.69RC。16、CW：顺时钟和逆时针方向控制输入端。物理方向的步进电机旋转也取决于绕组的连接方式。内部同步方式，所以方向信号可以在任何时候被改变。17、/CLOCK：步进脉冲输入端。低电平有效，步进发生在上升沿到达时。18、

51、FULL：半步和全部模式选择输入端。高电平时为半步模式，低电平时为全步模式。单极性全步模式在选择FULL模式，并在偶数个时钟周期后创建。双极性全步模式在选择FULL模式，并在奇数个时钟周期后创建。（HOME端必须为1）。19、/RESET：复位输入端，低电平有效。脉冲将使转换回到HOME状态（电平1，ABCD=0101)。3.6.2 L298简介7 L298是一款具有高电压，高电流的双全步驱动芯片，它可以接受标准的TTL(Transistor-Transistor Logic,晶体管-晶体管逻辑电路)电平输入。它可以用来驱动继电器、螺线管、直流电机和步进电机等电感性设备。两个使能输入端可以提供

52、对两个相互独立设备的使能和禁止。每个桥路低端晶体管的发射极连接在一起，相应的外部终端部分可以用于外部敏感电阻的连接。提供了额外的补给输入，以便逻辑电路工作在低电平。图3.12为L298的引脚示意图。图3.12 L298引脚示意图L298引脚功能描述：1、Sense A、Sense B：该引脚端接地，敏感电阻用于对负载电流的调整。2、Out 1、Out 2： A桥的输出，流过连接在这两个引脚中间的负载上的电流，可以被引脚1监控。 3、VS：提高输出电压。在该引脚和地之间必须接一个100nF的非线性的电容。4、Input 1、Input 2：A桥的兼容TTL电平输入。5、Enable A：兼容TT

53、L电平输入，低电平使A桥工作。 6、Enable B：兼容TTL电平输入，低电平使B桥工作。7、GND：接地端。8、VSS：逻辑电路的电压输入端。在该引脚和地之间必须接一个100nF的非线性电容。9、Input 3、Input 4：B桥的兼容TTL电平输入。10、Out 3、Out 4：A桥的输出，流过连接在这两个引脚中间的负载上的电流，可以被引脚15监控。11、N.C：悬空。3.6.3步进电机驱动电路连接8根据上面的描述，我们就可以用L297和L298来组成我们所需要的步进电机驱动电路。其中，L298用来把单片机送出的步进脉冲转换成并行数据送到L298，再由L298来驱动步进电机旋转。根据芯

54、片的需求，我们再通过芯片外接相应的独立组件，以使L298和L297正常工作。 单片机对步进驱动电路的控制，可以通过对L297的控制来实现。相应的控制线连接方式为：L297的RESET连接到89C51的P3.3，通过单片机实现对L297的复位操作；L297的ENABLE连接到89C51的P3.2，控制L297的工作与否；L297的FULL连接到89C51的P3.1，控制驱动的模式；L297的CW连接到P3.0，控制步进电机的转动方向。 步进电机的电源输入由L298的VCC端供给，而L297的参考电压采用与ADC0804一致，为2.5V的电压，在此，我们在ADC0804部分设计了一个可用于全局的参

55、考电压产生电路，如果需要，我们可以通过调节参考电路的分压电阻值，调节其输出电压，以改变L297的最大负载电流。最终的步进电机部分电路图3.13所示：图 3.13 步进电机部分硬件电路图3.7正余弦旋转变压器3.7.1正余弦变压器原理正余弦旋转变压器实质上是可以随意改变一次绕组和二次绕组耦合程度的变压器，其结构与绕线转子异步电动机相似。正余弦旋转变压器的转子输出电压与转子转角q 呈正弦或余弦关系，它可用于坐标变换、三角运算、单相移相器、角度数字转换、角度数据传输等场合。定子、转子铁心中各有互相垂直的分布绕组，转子绕组利用滑环和电刷与外电路连接。当一次绕组励磁后，二次绕组的输出信号与转子转角成正余

56、弦函数关系，在控制系统中用于角度数据传输。旋转变压器的结构和绕线式异步电机相似，由定子和转子两个部分组成。正余弦旋转变压器的电气原理图如图3.14所示。图 3.14 正余弦旋转变压器电气原理图在一次(励磁)绕组、上施加交流励磁电压、绕组短路， 则建立磁通势F而产生脉振磁场，当转子在原来的基准电气零位逆时针转过q 角度时，二次(输出)绕组、和、的输出电压分别为: 公式（3.5） 公式（3.6）式中：为变比，即空载最大输出电压与励磁电压之比；为转子转角，即励磁绕组轴线与余弦输出绕组轴线间的夹角。由上式，称转子的绕组为余弦绕组，绕组为正弦绕组。为了使正余弦旋转变压器负载时的输出电压不会产生畸变，仍是转角的正余弦函数，则希望转子正余弦绕组的负载阻抗相等；希望定子上的绕组自行短接，以补偿由于负载电流引起的与垂直方向的输出电压畸变的磁通势，因此绕组也称补偿绕组。 旋转变压器是一种结构和制造工艺都十分精细的控制电机，其精度很高。旋转变压器主要有正余弦旋转变压器和线性旋转变压器两种。正余弦旋转变压