基于单片机的步进电机控制系统设计与制作

1、四川理工学院毕业设计（论文 基于单片机的步进电机控制系统 设计与制作学 生：刘瑞刚学 号：11011030111专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机电2011.1指导教师：赵献丹 四川理工学院机械工程学院二O一五年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：基于单片机的步进电机控制系统设计与制作学院：机械工程 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机电2011.1 学号： 11011030111 学生： 刘瑞刚 指导教师：赵献丹 接受任务时间： 2015.3.3 系主任 （签名）院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 1）设计内容：步进电机驱动及控制电路设

2、计、焊接，编制控制程序，整机调试，电路图一张，设计说明书一份（40页以上）。2）设计要求：1）、实现步进电机的正反转及调速控制。 2）、采用Protues绘制电路图。2指定查阅的主要参考文献及说明（1）51系列单片机相关书籍（2）电子技术相关书籍（3）电路板焊接相关书籍（4）其他相关参考资料3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅相关参考资料，完成开题报告2015.3.32015.3.152控制电路设计、焊接2015.3.162015.4.153编写程序，整机调试2015.4.162015.5.154编写设计说明书2015.5.162015.6.15毕业设计（论文）的修改、答辩的准

3、备2015.6.22015.6.21摘 要 步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移执行机构。步进电机驱动器每接收一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定角度。因此可以通过输出的脉冲频率来控制步进电机的速度。改变脉冲的输入顺序就可以改变步进电机的转动的方向。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。单片机具有高集成度，体积小，高可靠性，控制功能强，低功耗等特点。本次设计控制系统包括硬件和软件两部分

4、。其中硬件包括步进电机的控制模块，步进电机驱动模块，LED显示模块。软件采用了keil uvision4编程工具和Protues画图工具。本次设计是以51系列单片机STC89C52为核心来设计步进电机控制模块，以L297与L298为核心设计步进电机的驱动模块。按键作为一个外部中断源设置了步进电机启动、停止、正反转、加速、减速功能。关键词：步进电机；单片机；L297；L298 ABSTRACT Stepper motor is actuators that turns electrical pulse signal into angular displacement or linear disp

5、lacement. When the stepper driver receives a pulse signal, it will drive a stepper motor to set the direction of rotation of a fixed angle. So we can output pulse frequency to control the speed of the stepper motor. We can change the direction of the rotation of the stepper motor when it changes the

6、 input sequence of the pulse.MCU is a kind of integrated circuit chips, that is to use very large scale integrated circuit technology with data processing ability of the central processor CPU, RAM, RAM, read-only memory ROM, a variety of I/O mouth and interrupt system, timer/counter function integra

7、tion to a piece of silicon consisting of a small and perfect microcomputer system. MCU has high integration, small size, high reliability, strong control function, low power consumption, etc.The control system includes two parts of hardware and software in this design. It consists of stepper motor c

8、ontrol module, stepper motor driver module, LED display module in hardware. Software uses the keil uvision4 programming tools and Protues drawing tools. This design is based on 51 series microcontroller STC89C52 to design the stepper motor control module as the core, with L297 and L298 as core desig

9、n of stepper motor driver module. Button sets the stepper motor start, stop, forward, inversion, acceleration and deceleration function that as an external interrupt source.Keywords: stepper motor; MCU ; L297; L298目录第1章 绪论1第2章 控制模块设计及硬件选择32.1系统总体设计  32.2 .1步进电机的分类 32.2.2步进电机的特点&#

10、160;42.2.3步进电机原理及控制 52.2.4 步进电机细分驱动原理62.3单片机控制电路102.3.1 STC89C52RC 引脚功能说明112.3.2 晶振142.3.3复位电路152.3.4 单片机最小系统162.3.5 数码管16第3章 驱动模块设计及硬件选择213.1 L297工作原理介绍213.1.1 L297各引脚功能说明 233.1.2 L297驱动相序的产生243.2 L298的工作原理253.3 光电隔离器313.5 驱动模块的总体设计333.6 L297与L298操作说明363.6.1 板子跳线器说明363.6.2 按键说明363.6.

11、3 基本功能描述363.6.4 接口说明373.6.5 电机接线37第4章 系统调试39第5章 结论41致谢44附录A：参考程序45III四川理工学院毕业设计（论文）第1章 绪论 国家的发展在很大的程度上依赖于先进的制造业，一个国家的制造业水平的在一定的程度上可以体现国家的实力，所以大多数国家都非常重视大力发展制造业。第二次世界大战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术都有了迅速的发展，并且在制造业中得到了越来越多的应用，先后出现了数控（NC）、计算机数控（CNC）和柔性制造系统（FMS），计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、计算机集成制造系统（CIMS）等多项制造技术与制造模式

12、，推动着世界制造业进入一个崭新的阶段。而在这些技术环节中具有很多优点的步进电机就是一个重要角色，比如在数控技术中就得到了广泛的应用。步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用6。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛的应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日剧增，在各个国民

13、经济领域都有应用。比如在数控系统中也取得了很大的发展。虽然与发达国家相比我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但在我国占用非常重要的地位，并起了很大的作用。我们国家的数控系统在初期就是以单片机为数控核心，以步进电机为执行元件。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度的闭环数控系列从而达到很高的加工精度。除了在数控系统得到广泛的应用近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生的革命性的变革。优点明显的步进电机被广泛的应用在电子计算机的许多外围设备中。为了的到良好的控制性能对步进电机的控制研究就一直没有停止过许多重

14、大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现了步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环形分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直

15、流电压驱动三种常见驱动方案之外。但在一些不需要高精度的控制，而只是满足一般的工作要求的情况下，尽量使控制系统做到： 1.系统硬件结构简单，成本低; 2.系统的功能较为齐全; 3.系统适应性强；4.系统的抗干扰性强，可靠性高；本次论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都是用硬件实现，虽然电路可以做到高集成度，可价格较贵功能也相对单一，并且一旦设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路。采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需要改变控制要求，一般只需要改变软件就能适

16、应新的环境，并且在本次设计中利用数码管动态扫描技术，把显示电路和按键电路有机的结合起来，而且为了抗干扰，提高可靠性，加入了光耦。1第2章 控制模块设计及硬件选择2.1系统总体设计   本论文所选的步进电机是两相四线步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机。控制步进电机，实现了软件与硬件的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能还可以设计大量外围电路，按键作为一个外部中断源设置了步进电机启动、停止、正反转、加速、减速等功能。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现

17、脉冲的分配。 本方案有以下优点： 1.单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响。 2.用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用一种电路实现了两相步进电机的控制的驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本次毕业设计就是通过改变

18、脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速。另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制1。2.2 .1步进电机的分类  步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。  (1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转

19、子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；  (2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；  (3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的

20、工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种步进电机在工业领域中得到广泛应用1。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以采用混合式步进电机。2.2.2步进电机的特点   步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，

21、具有良好的跟随性。   由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。   步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。   速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。    步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。   步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。 2.2.3步进电机原理及控制

22、0;由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备-步进电机控制驱动器，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机

23、的基本 控制包括转向控制和速度控制两个方面。步进电机根据磁极对数可以分为二相、三相等更多的相数。本次控制的步进电机为二相四线式，具体的型号为42BYGHW609。42BYGHW609步进电机的具体参数如表2-1。表2-1 步进电机参数电机型号步矩角 (°)机身长(mm)相电压 (V)相电流 (A)相电阻 ()相电感 (mH)静力矩(g.cm)引线数(NO.)转动惯量(g.c)定位力矩(g.cm)重量(kg)42BYGHW6091.8403.41.72334004542200.2 步进电机的工作方式有两种，一种是八拍的工作方式

24、表2-2，一种是四拍的工作方式表2-3。 步数AA-BB-1100021010300104011050100601017000181001表2-2 八拍工作方式表2-3 四拍工作方式步数AA-BB-11010201103010141001 步进电机的正反转控制是将其相拍的工作方式改变，就是从最后一步到第一步进行工作。单片机里面是通过输出的高低电平来控制步进电机各相的通电顺序。步进电机的速度控制是通过的单片机单位时间输出的脉冲多少实现的，单位时间输出的脉冲越多步进电机的速度越快。2.2.4 步进电机细分驱动原理 在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。但在国内，广大用

25、户对细分还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能。 步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的 电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱

26、动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。 注意，国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分，所以一定要分清两者的本质不同： 1平滑并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以平滑并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的。2电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。步进电机作为电磁机械装置，其进给的分辨率取决于细分驱动技术。采用软件细分驱动方式，由于编程的灵活性、通用性，使得步进细分驱动的成本低、效率高，要修改方案也易办到。同时，还可解决

27、步进电机在低速时易出现的低频振动和运行中的噪声等。但单一的软件细分驱动在精度与速度兼顾上会有矛盾，细分的步数越多，精度越高，但步进电机的转动速度却降低；要提高转动速度，细分的步数就得减少。为此，设计了多级细分驱动系统，通过不同的细分档位设定，实现不同步数的细分，同时保证了不同的转动速度。 步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按ABC的顺序轮流通电， 步进电机为整步工作。而按AACCCBBBAA的顺序通电，则步进电机为半步工作。以AB为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁

28、势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，I AB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由b变为0.5 b，从而也就实现了2步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。三相步进电机的A相与B相之间插入合成向量AB，则实现了2步细分。要再实现4步细分，只需在A与AB之间插入3个向量I1、I2、I3，使得合成磁势的转动角度1=2=3=4，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于I1、I2、I3 3个向量的插入是对电流向量IB的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复

29、杂。在三相步进电机整步工作时，实现2步细分合成磁势转动过程为IAIABIB；实现4步细分转动过程为IAI2IAB；而实现8步细分则转动过程为IAI1I2I3IAB。可见，选择不同的细分步数，就要插入不同的电流合成向量。系统由主机、键盘输入系统、步进显示系统、步进控制系统组成。主机采用STC89C52单片机，其为低功耗的8位单片机，片内有一个8K字节的Flash可编程、可擦除、只读存储器，故可简化系统构成，且可满足本系统数据存储空间的要求。主机接收串行口送来的步进控制数据，并对其进行处理，以实施步进控制。键盘输入系统是用来输入控制所需的细分档位。系统设计时，考虑到随着细分的精确化，如128步细分

30、时，步距角达到足够小，能满足各种步进要求，故以2的整数次幂作为细分基准。步进显示系统由液晶显示器显示当前细分档位和细分后的步进角等参数。为了减少电路的复杂性，该显示器显示的最小单位规定为1。步进控制系统由D/A转换部分和驱动系统组成。D/A转换部分包括片DAC0830集成芯片和数据锁存系统。DAC0830转换分辨率是8位，该芯片具有与微处理器兼容、价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点。D/A转换部分的功能是将二进制代码表示的阶梯波数值转换为相应的电流值输出，经驱动系统放大，控制步进电机转动。驱动系统采用三级管实现电流放大。 细分的实现过程，就是插入电流合成向量和转换电流合成向量的过程。电流合

31、成向量转化的前提是合成向量的插入。在系统中，由主机根据设定的细分档位，计算出相关参数，经查表生成相对应的阶梯波，即插入了电流合成向量。在正转或反转的控制信号下，阶梯波脉冲由输出端口经锁存系统送入D/A转换器件DAC0830进行电流合成向量的转化，输出对应的电流值，经驱动放大控制步进电机，从而实现了细分驱动。 要在细分的基础上实现多级细分，就必须针对不同的细分档位生成不同的阶梯波。为此，该系统采用了循环增量查表法。首先建立阶梯波数值存储表格，有两种方法，一种是针对每种细分方式建立相应的表格，其特点是细分种类多样，但表格所占空间较大；另外一种，也就是该系统采用的，以最大细分档位对应的步数仅建立一个

32、表格，大大减少了所需的存储空间，并减少了程序运行中的不稳定因素。在具体控制中，该系统通过设定循环增量基数，使不同的细分档位对应不同的细分步数，实现了多级细分驱动。 循环增量基数是指针对不同的细分档位，实现等间隔寻址时相应跳跃的步数。循环增量基数是在细分档位设定后，由相应的计算公式得到。由于该系统最大细分步数为128步，即表格最大长度为128个字节，若细分步数为m步，则循环增量基数为LB=(128/m)-1。不同的档位对应不同的循环增量基数，同一表格就产生了多级细分所需的阶梯波。 另外，在整步控制的基础上，若细分为m步，对每m步运行中的各项电流值进行分析比较，可发现存在以下规律，即各相电流值的变

33、化趋势，随着相位变化循环地出现，如表2-4。表2-4 细分控制中各相电流值变化规律各相ABBCCAA相高递减电流值=0增加高B相增加高高递减电流值=0C相电流值=0增加高高递减 在表2-4中，每一种保持或变化都是持续m/2步，且可看出其良好的循环性。依据以上规律，在具体控制中，该系统单独对由AB控制时各相相应的电流值变化，实现子程序控制，而对整体控制则采用圆周移位的方式实现，即随着合成磁势在AB、BC、CA的转动，对同一输出地址，相应每m步的控制数据循环出现。采用这种方式，简化了实际控制程序，提高了控制效率。2.3单片机控制电路 单片机L297L298步进电机图2-1 控制流程图 步进电机的控

34、制系统是使用单片机，其控制流程见图2-1。在单片机里使用的芯片是STC公司生产的51系列的STC89C52。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电

35、路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 STC89C52参数:增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051。工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V

36、2.0V（3V 单片机）。工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz。用户应用程序空间为8K字节片上集成512 字节。通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片具有EEPROM 功能共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2外部中断4

37、路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。图2-2 stc89c52引脚图2.3.1 STC89C52RC 引脚功能说明1、 主电源引脚VCC和GND VCC（40脚）接+5V电压；  GND（20脚）接地。  2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2   XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采

38、用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对SHMOS单片机，此引脚作为驱动端。   XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。  3、 控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP   RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个

39、约8.2k的下拉电阻，与VSS引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。   VSS掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VSS主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。   ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据

40、存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。 对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。   PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。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。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。   EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PS（程序计数器）值

41、超过0FFFH（对851/8751/80S51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。  对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。 4 控制或与其它电源复用引脚 RST/Vpd，ALE/PROG，PSEN 和EA/Vpp。  RST/Vpd当振荡器运行时。在此引脚上出现两个机器同期

42、的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。 在 VSS掉电期间，此引脚可接上备用电源，由 Vpd向内部 RAM提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。  ALE/PROG正常操作时为ALE功能（允许地址钱存），提供把地址的低字节锁存到外部锁存器。ALE引脚以不变的频率（振荡周期的1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。  对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（

43、PROG功能）。  PSEN外部程序存储器读选通信号输出端。在从外部程序存储器取指令（或数据）期间；PSEN在每个机器周期内两次有效。PSEN同样可以驱动八个LSTTL输入。  EAVpp EA为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA为高电平时，访问内部程序存储器（PS值小于4K）。当EA为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21VEPROM编程电源（Vpp）。 5、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）   P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口

44、，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。   P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。   P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位

45、地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。   P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MSS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。  作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表2-5。  值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。表2-5 P3口管脚备选功能P3.0RXD (

46、串行输入口)P3.1TXD (串行输出口)P3.2/INT0 (外部中断0)P3.3/INT1（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/WR(外部数据存储器写选通)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)2.3.2 晶振 晶体振荡器，简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是现在的娱乐级声卡为了降低成本，

47、通常都采用SCR将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。现在应用最广泛的是石英晶体振荡器。  石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。石英晶体振荡器广泛地应用在电视机、影碟机、录像机、无线通讯设备、电子钟表、单片机、数字仪器仪表等电子设备中。为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。在单片机中为其提供时钟频率。  石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，

48、它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。  时钟信号用来提供单片机片内的各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。MCS-

49、51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。外接晶体以及电容C2和C3构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值为30pF左右，晶振频率选11.0592MHz，本次设计所以晶振如图2-3。 图2-3 晶振电路图2.3.3 复位电路 单片机复位是使CPU和系统中

50、的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC0000H，使单片机从第个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。地址锁存信号ALE也为高电平。根据实际情况选择如图2.4所示的复位电路。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C3上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容

51、C3足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。当复位按键按下后电容C3通过R3放电。当电容C1放电结束后，RST端的电位由R2与R3分压比决定。由于R2<<R3因此RST为高电平，CPU处于复位状态，松手后，电容C3充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。R2的作用在于限制按键按下瞬间电容C3的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。图2-4 复位电路2.3.4 单片机最小系统单片机最小系统就是能够使单片机工作，而且使用的元件最少。对于51系列单片机来说，最小系统一般包括：单片机、晶振电路、复位电路

52、。2.3.5 数码管数码管也称LED数码管，不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。 数码管按段数可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，也就是多一个小数点（DP）这个小数点可以更精确的表示数码管想要显示的内容；按能显示多少个（8）可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。按发光二极管单元连接方式可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

53、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。LED数码管（LED Segment Displays）如图2-5，是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，

54、了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态

55、驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位

56、选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。数码管是显示屏其中一类， 通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。 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，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。图2-5 数码管 本次设计的驱动模块设计实物图如图2-6，电路图如图2-7。在驱动模块中加入了五个控制按键和一个复位按键。五个按键分别控制步进电机的启动、停止、正反转、加速和减速，复位按键是使单片机程序回到起点。图2-6 控制模块实物图47图2-7 控制模块电路图第3章 驱动模块设计及硬件选择3.1 L297工作原理介绍 L297是意大利SGS半导体