毕业论文-GSM基站电调天线控制器

毕业论文课题:GSM基站电调天线控制器班级:姓名:指导教师：完成日期：2013年12月毕业设计任务书一、课题名称GSM基站电调天线控制器二、适用专业通信专业三、毕业设计任务1、根据当前国内外GSM电调天线控制器运用的详细需求，确定电调天线功能和性能技术指标，探讨实现电调天线控制器的机械机构原理和方法，比对各种机械原理对产品性能的影响，提出产品设计方案和产品性能研究的发展方向。2、分析电调天线控制器的工作原理及工作过程3、分析电调天线的的硬件组成四、毕业设计要求1、需求分析时要针对具体的系统进行分析，详细说明工作原理及组成部分。2、控制技术（1）介绍电调天线控制器的详细信息（2）阐述电调天线控制器的技术原理五、毕业设计论文格式要求毕业设计论文或报告主要包括以下部分：1.封面2.毕业设计任务书3.摘要4.目录5.引言（叙述题目背景，项目开发特色，技术应用情况等）6.正文（图、表位置：图标题位于图的下方；表标题位于表上方；图号和表号分别按章节的第几个图标示，如第二章的第二个图则图号为图2-2接着写明图的标题；一般情况下一张表不延续两页，实在需要的话则采用续表的方式）7.毕业设计总结或心得体会：网络安全规划的心得体会和扩展性分析，实现中遇到和解决的主要问题，今后的维护和改进等等8.致谢参考文件摘要步进电机是将电脉冲信号转为角位移或线位移的开环控制元件。由步进电动机组成的开环系统既简单廉价，又可靠稳定。它有瞬间启动，急速停止，精度高等特点。目前打印机，绘图仪，机器人，数控机床等等设备都以步进电机为核心动力。在各种办公自动化设备以及控制装置等领域中有着极其广泛的应用。本文介绍的是基于单片机控制步进电机的控制系统设计，通过单片机、ULN2003驱动芯片以及相应的按键实现各种功能，并且步进电机的工作状态要用相应的数码管显示出来。本系统采用模块化设计，结构简单，可靠，清晰明了。通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，介绍了制作PCB板步骤。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现以下几个主要功能：(1)控制步进电机实现正转和反转；(2)控制步进电机转速；(3)设计步进电机的脉冲放大电路，能驱动相电压为5V、相电流位为0.4A的步进电机工作；(4)实现对步进电机圈数的预置；(5)同步显示步进电机所转圈数。关键词步进电机PM25L-024-STB6；SST89E516RD；C语言AbstractThesteppermotorisaopen-loopcontrolcomponentsthatcouldbetotransformtheelectricalpulsesignalintoangulardisplacementorlineardisplacement.Steppermotoropen-loopsystemisbothsimpleandcheap,reliableandstable.Ithasinstantstart,rapidstop,andhighaccuracy.Atpresent,printer,plotter,robot,CNCmachinetoolsandotherequipmentwithsteppingmotorasthecoredrivingpower.Invariouskindsofofficeautomationequipmentandcontroldevices,andotherfieldshaveextremelyextensiveapplication.Thisarticledescribethesteppermotorcontroledsystemdesignwhichisbasedonthemicrocontroller,Throughthesingle-chipmicrocomputer,ULN2003drivechipandcorrespondingkeyachievethosefunctions,andtheworkingstateofthesteppingmotorwithcorrespondingdigitaltubedisplay.ThesystemUSESthemodulardesign,simplestructure,reliable,andclarity.Throughtheman-machineinterfacecanrealizeAvarietyoffunctionsetting,simpleoperation,easytomaster.Thispaperintroducesthecontentofthesteppingmotorandtheprincipleofsingle-chipmicrocomputer,thesystemhardwarecircuit,programcomposition,atthesametimeforthesoftwareandhardwaredebugging,introducesmakingPCBsteps.Thisdesignhasclearthinking,highreliability,andstrongstabilityandothercharacteristics,throughthedebuggingrealizethefollowingmainfunctions:(1)Controllingthecorotationandinversionofthesteppermotor;(2)Controllingthespeedofsteppermotor;(3)designingthepulseamplifiercircuitofsteppermotortodrivethesteppermotorwith5Vvoltage，0.4Aphasecurrent;(4)achievingthepresettingoflapsofthesteppermotor;(5)synchronouslydisplayingthecirclenumberandspeedofthesteppermotor.KeywordssteppingmotorPM25L-024-STB6;SST89E516RD;Clanguage目录毕业设计任务书 2摘要 3Abstract 4第一章绪论 71.1引

言 71.2国内外研究概况及趋势 71.3论文的主要内容 8第二章系统硬件电路设计 92.1步进电机的概念 92.1.1步进电机的特点 102.1.2步进电机的分类 102.2步进电机参数的选择 102.2.1步角距的选择 112.2.2静力矩的选择 112.2.3电流的选择 112.3步进电机的工作原理 122.3.1步进电机结构 122.3.2对齿和错齿 142.3.3工作原理 142.3.4工作方式 152.3.5步进电机的常用术语 152.4步进电机的驱动系统 162.4.1单电压功率驱动接口 172.4.2双电压功率驱动接口 172.4.3高低压功率驱动接口 182.4.4控制模块 192.4.5单片机原理 202.4.6单片机的应用系统 202.4.7AT89C51简介 212.4.8显示模块 242.4.9按键模块 242.4.10步进电机部分 25第三章步进电机的运行控制 273.1步进电机的速度控制 273.2步进电机的位置控制 273.3步进电机的加减速控制 283.3.1短距离 293.3.2中短距离 293.3.3中长距离 29第四章软件设计 304.1程序流程图 304.2系统主程序 314.3定时中断设置 324.4外部中断设置 33第五章系统的测试与调试 355.1软件调试记录 355.2硬件调试记录 35第六章毕业设计总结 36致谢 37参考文献 38附录 39第一章绪论1.1引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，其应用发展己有约80年的历史。可以说步进电机是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电动机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、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。正是由于步进电机具有突出的优点，广泛应用在各种自动化控制系统中。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。而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，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。1.2国内外研究概况及趋势在日本，60年代初期，开发了用于数控装置及计算机外部设备的磁阻式步进电动机。60年代中期至今，开发了混合式步进电动机。在我国，步进电动机的研制始于1958年。当时只有清华大学，华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。到了60年代末，70年代初，由于电子工业和数字控制技术的发展，特别是数字控制线切割机床发展的需要，才使步进电动机的研究工作蓬勃开展起来。经过四十几年的发展，随着步进电动机理论的日臻完善，特别是磁阻式步进电动机，产品品种、规格，门类的系列化以及出现了象无刷直流电动机系统那种更优越的伺服系统，才使得步进电动机的发展势头有所缓和，总体看来，目前其发展正趋于平缓。步进电动机的种类很多，按其工作原理可分为磁阻式、永磁式、混合式三大类型。由于上述三种类型步进电动机的结构及作用原理各不相同，因此其市场的应用以及发展的情况也各不相同。但不管如何发展，总离不开“轻、薄短小、高效率、低振动、低噪声、低价格”—微特电机发展的永恒主题。1.3论文的主要内容本论文所选的步进电机是四相步进电机，实现步进电机加速、减速，正转、反转，预置圈数，圈数同步，以及转速级别显示。采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。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的级别。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。第二章系统硬件电路设计2.1步进电机的概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们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；同时我们也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。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。2.1.1步进电机的特点一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。步进电机外表不允许较高的温度。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；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。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。步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与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大转矩，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，它不能直接使用交流电源和直流电源。步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。10.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。11.步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。如打印机，绘图仪、数控机床切割。伴随着不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。2.1.2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。反应式步进电机(VariableReluctance，简称VR)反应式步进电机的转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；永磁式步进电机(PermanentMagnet，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；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。2.2步进电机参数的选择2.2.1步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上，计算出每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有O.36º／O.72º(五相电机)、0.9º／1.8º(二、四相电机)、1.5º／3º(三相电机)等。2.2.2静力矩的选择步进电机的动态力矩很难一下子确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时(一般由低速)，两种负载都要考虑；加速启动时，主要考虑惯性负载；恒速运动时，只考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内为好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度(几何尺寸)便能确定下来。2.2.3电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流(参考驱动电源及驱动电压)综上所述电机一般应遵循以下步骤：负载负载电机型号静转距步角距电流修正矩频特性曲线图2-1步进电机的选型步骤2.3步进电机的工作原理2.3.1步进电机结构(三相)图2-2步进电机结构图图2-2步进电机结构图如图2-2所示，步进电机分为转子和定子两部分：定子：由硅钢片叠成的，定子上有6大磁极，每2个相对的磁极（N，S）组成一对，共有3对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3π、2/3π，（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以π表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3π，C与齿3向右错开2/3π，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）。转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿，与定子上的小齿并且小齿的大小相同，间距相同。图2-3步进电机转子展开图2.3.2对齿和错齿反应式步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态，如图2-3中的A相位置，这种现象被称为对齿。而对于三相步进电机来说，当某一相得磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。2.3.3工作原理图2-4步进电机三相接线图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态，则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两项线圈进行单项，然后双相激磁步进电机将以每个脉冲半步方式转动。2.3.4工作方式（四相）单四拍：通电顺序为：A→B→C→D；双四拍：通电顺序为：AB→BC→CD→DA；四相八拍：通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA；这三种工作方式的区别，如下表所示：表2-1步进电机三种工作方式的性能比较工作方式单四拍双四拍八拍步进周期TTT每相通电时间T2T3T走齿周期4T4T8T相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡容易较容易不容易功耗小大中由表2-1可以看出这三种工作方式中，八拍的性能最好，单四拍的性能最差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主要研究的是四相八拍工作方式。2.3.5步进电机的常用术语1.齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。θz=2π/Z(Z是转子的齿数)2.步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。θb=θz/N=2π/NZ(N是工作拍数，Z是转子的齿数)3.步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。4.失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。5.零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。6.最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。7.最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

8.响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。9.运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。10.单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。2.4步进电机驱动系统步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。2.4.1单电压功率驱动接口单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组L供电，这一过程我们称为步进电机的驱动。实用电路如下图所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图2-5所示：图2-5单电压功率驱动接口电路图在图3-1中，电路中只有一个电源V，电路中的限流电阻R1决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流减小。这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下降，可在R1两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。R1在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低，一般只用于小功率步进电机的驱动。2.4.2双电压功率驱动接口用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动双电压驱动有。两种工作方式：双电压法和高低压法。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图3.2中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。其电路图如2-6所示：图2-6双电压功率驱动接口电路虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。2.4.3高低压功率驱动接口高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取1~3ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。高低压驱动电路如图2-7所示：图2-7高低压驱动接口电路图高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。2.4.4控制模块本设计采用SST89E516RD单片机作为控制系统的核心。SST89E516RD单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装，除采用40脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。40管脚双列直插式封装管脚图如2-8图所示。图2-8AT89C51单片机引脚图脉冲信号由单片机产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。信号分配实际上就是按照某一种控制方式（根据需要进行选定）所规定的顺序发送脉冲序列，达到控制步进电机方向的目的根据要求，所设计的步进电机八拍通电顺序为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA。步进电机的方向控制方法是：用单片机输出接口的每一位控制一根相绕组。本设计中，用P0.0，P0.1，P0.2，P0.3分别接至步进电机的A，B，C，D四相绕组。2.4.5单片机原理单片机（single-chipmicrocomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图2-9中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。图2-9典型单片机结构2.4.6单片机的应用系统单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。单片机应用系统的构成基本上如图2-10所示。图2-10单片机应用系统结构单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。2.4.7AT89C51简介AT89C51的主要参数如表2-2所示：表2-2AT89C51的主要参数型号存储器定时器I/0串行口中断速度（MH）其它特点E²PROMROMRAM89C514K1282321624低电压AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E²PROM容量可达20K字节。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8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案。其引脚如图2-8所示。主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

寿命：1000写/擦循环·全静态工作：0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32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

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路2、管脚说明：

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P1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/地址的第八位。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外部必须被拉高。

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口作为第八位地址接收。

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，如下所示：

P3口管脚备选功能

P3.0RXD（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（记时器0外部输入）

P3.5T1（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。

ALE/PROG：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地位字节。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。

/PSEN：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/PSEN有效。但在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：当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA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。3、I/O口引脚：a：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；b：P1口，8位准双向I/O口；c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；d：P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。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。石晶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、芯片擦除：整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.5显示模块显示模块采用六位LED六段共阴数码管进行动态显示，由SST89E516RD单片机产生的段选信号从P0输出，经过1K左右的上拉排阻驱动数码管显示，位选信号从P2口输出通过74HC245直接送数码管显示。采用数码管动态显示方式，硬件电路简单、编程简便、显示信息清晰2.6按键模块人机交互模块采用独立式按键，中断工作方式。总共设置了4个按键，如图2-11所示，其中四个控制按键组合执行对步进电机的启动停止、正转反转、加速减速四种控制功能，由单片机的P3.2～P3.5口输入。每个按键操作有长按短按操作方式，K1短按为启动停止，长按进入模式设置；K2短按为方向设置，长按使运行模式在1与2之间切换；K3为数值加一，K4位向右移动一位数码管。图2-11按键部分电路2.7步进电机部分该设计中所用到的步进电机为四相六线步进电机。图2-12步进电机部分硬件电路图本设计中步进电机的参数：步进电机型号为PM25L-024-STB6，工作方式为四相八拍。电机是种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机接收到一个脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。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实现步进电机的调速。市面上一般的步进电机内部结构图如图2-13所示。图2-13步进电机的接线采用的步进电机是四相六线步进电机，因生产厂家不同，其接线也有所不同。电机共引出四根线，其余两根线是公共端，经测量后可得到其正确的接线顺序，表2-3给出了电机所对应的相序。表2-3步进电机控制线红色红色橙色棕色黄色黑色公共端公共端ABCD其中，A与C是电机内部一组线圈的两个抽头，D与B是另一组线圈的两个抽头。只需以一定的顺序向步进电机四相时序供电即可使步进电机按指定方向转动。35步进电机的主要技术参数如下表2-4所示。表2-435步进电机技术参数电压相电阻步距角启动转矩（g.cm）启动频率（P.P.S）定位转矩（g.cm）5V64Ω7.5≥120≥200≥48

第三章步进电机的运行控制3.1步进电机的速度控制步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于软脉冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，对于硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。控制步进电机的速度的方法可有两种：1.软件延时法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法CPU长时间等待，占用大量的机时，因此没有实践价值。2.定时器中断法：在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速，这种方法占有的CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用理想的调速方法。定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0的电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出，改变定时常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。3.2步进电机的位置控制步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置，步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。步进电机的位置控制需要两个参数：1.第一个参数：步进电机控制执行机构当前的位置参数（我们称为绝对位置），绝对位置时有极限的，其极限时执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。2.第二个参数：从当前位置移动到目标位置的距离我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数，这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。对步进电机位置控制的一般作法是：步进电机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0，因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电机停止运行的信号。3.3步进电机的加减速控制步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、正反转、加减速，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电机驱动执行机构从A点到B点移动的时，要经历升速，恒速，减速过程，如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机就有失步现象，因此会造成不能正常启动，如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。如果升速非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会发生失步和过冲现象，但影响执行机构的工作效率，所以，对步进电机的加减速要有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到有可能指定位置。为满足加减速要求，步进电动机运行通常按照加减速曲线进行。图4.1是加减速运行曲线。加减速运行曲线没有一个固定的模式，一般根据经验和实验得到的。最简单的是匀加速和匀减速曲线，如图4-1所示：图4-1加减速曲线图其加减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电动机的电磁转矩玉转速时非曲线关系，因而加速度玉频率也应该是非曲线关系。因此，实际上当转速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生失步的现象。采用指数加、减速曲线或S形（分段指数曲线）加、减速曲线是最好的选择。步进电机的运行可以根据距离的长短分如下3种情况处理：3.3.1.短距离由于距离较短，来不及升到最高速，因此，在这种情况下，步进电机以洁净启动频率运行，运行过程没有加、减速。3.3.2.中、短距离在这样的距离里，步进电机只有加、减速过程，而没有恒速过程。3.3.3.中、长距离在这样的距离里，步进电机不经有加、减速过程，而且还有恒速过程。由于距离较长，要尽量缩短用时，保证快速反应性。因此，在加速时，尽量用接近启动频率启动，在恒速时，尽量工作在最高速。单片机在用定时器法调速时，用改变定时常数的方法来改变输入步进脉冲频率，达到改变转速的目的，对于MCS-51系列单片机，其定时器属于加1定时器。因此，在步进电机加速时，定时常数应增加；减速时，定时常数应减小。如果采用非线性加、减速曲线，要用离散法将加减速曲线离散化，将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列，做成表格存储在程序存储器重。在程序运行中，使用查表得方式重装定时常数，这样做比用计算机节省时间，提高系统的响应速。第四章软件设计4.1程序流程图下面系统程序总流程图图4-1系统程序流程图通过流程图分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0和外部中断1部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。4.2系统主程序主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均设为0，就意味着步进电机按四相单八拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0”，速度值显示“0”，主程序流程图如图4-2所示。开始开始初始化显示开关启动？停止计数器速度为1？停止计数器启动计数器延时结束NNYYYNYNNYN图4-2系统主程序4.3定时中断设计进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图4-3所示。图4-3定时中断设计4.4外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮K3为INT0中断，其程序流程为原数据，当值等于9时，不改变原数值返回，小于9时，数据加1后返回；速度减少按钮K4，当原数据不为1，减1保存数据，原数据为1则保持不变。程序流程图如图4-4所示。图4-4外部中断设计第五章系统的测试与调试5.1软件调试记录把编好的程序（包括正反转程序、停止程序、显示程序等）合理安排好结合到一起进行编译。由于编译只能检查是否存在语法错误，所以还要看是否存在逻辑错误。程序修改好以后，当显示编译0错误，0警告的时候，这说明已经没有语法错误了，是否有逻辑错误还要看接上电路板通过仿真以后，步进电机能否正常转动，显示是否正常。5.2硬件调试记录电路的工作离不开电源，所以电源是必不可少的。电源采用的是利用变压器将220V的电压转换为12V的电压，再利用桥堆整流使交流电变成直流电，最后分别利用ULN2003芯片得到5V的电压。电路板焊接好以后，首先要检查一下电路设计是否合理、元器件焊接是否正确，焊接好以后需要仔细检查。用万用表分别检测从2003第三个端口出来的电压是否是5V，结果发现2003两端电压非常不稳定。用万用表仔细检查了每根线，发现了原因，电路板存在虚焊的现象。再次将电路板焊好，检查好以后，用万用表检测两端输出电压，结果正确，电源准备工作完毕