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參考文獻資料 . 24 第 1章 方案設計 1.1 設計任務 1.1.1設計 要求 (1)用帶中斷行列式鍵盤作為數據和暫停等功能的輸入 (2)七段數碼管顯示當前步進電機的運行狀態 (3)采用集成芯片作為步進電機的驅動電路 (4)使用 PROTEUS 軟件對程序進行仿真和調試 1.1.2設計 任務 (1)根據設計要求劃分功能模塊 (2)編程 實現模塊要求 (3)根據模塊 畫出總電路圖 (4)畫出 模塊 程序流程圖 (5)編寫 整個 源程序 代碼 (6)PROTEUS 仿真 與調試 1.2 方案設計與論證 1.2.1總體方案論證與比 較 方案一、采用 AT89C51 單片機作為整機的控制單元。 以 AT89C51 單片機為核心的控制電路，采用模塊化的設計方案， 使用行列式鍵盤作為數據的輸入 、 數碼管做數據的輸出顯示 、 以 L298 作為驅動控制步進電機 ，實現 步進電機進行正轉 、 反轉、暫停、繼續。修改延時子程序可控制步進電機的轉速。 在本系統中，行列式鍵盤起著人機交互的作用，是輸入電路的主要組成部分，行列式鍵盤是通過反轉法編程實現的，相對于 行列 的查詢法，更加簡單實用，容易理解。在行列式鍵盤的程序設計中，利用了中斷程序，更好的體現了控制的實時性，它既和硬件有關 ，又和軟件有關，使得步進電機的控制更靈活，效率更高；利用四位一SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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方案一原理框圖 方案二、采用電機專用驅動數字芯片 L297 以及 L298 組合使用控制步進電機。 采用數字電路對單片機對步進電機控制的信號進行處理，由于 L297 以及 L298的組合使用，能有效的減少單片機 I/O 口的使用，并大幅度的提高單片機的帶負載能力。但由于該課程設計可用的 I/O 口充足，如果過多的使用數字芯片， 這樣必然帶來高成本、電路復雜等缺點 。因此，本方案靈活性不高，效率低，不利于步進電機的性能。同時，對各路信號處理也比較困難。 比較以上兩種方案的優缺點，方案一簡潔、靈活、可擴展性好，能達到設計要求，因此本設計采用方案一來實現。 AT89S51 單片機 鍵盤輸入模塊 步進電機 顯示模塊 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 第 2 章 電路設計 2.1 系統電路原理 系統電路圖如圖 2.1 所示 圖 2.1 系統電路圖 2.2 主要元器件選擇 單片機 具有 運算能力強、功耗低、大尋址范圍以及 廉價等特點，基于單片機的上述優越性，所以首選單片作為整個電路設計的核心控制器件。綜合單片機存儲器，驅動能力，抗干擾能力等各個方面的要求選擇 ATS89C51。 顯示電路采用四位一體的七段數碼管既能夠滿足顯示的要求，同時相對于使用 LCD 作為電路顯示單元來說， 從顯示效果上七段數碼管顯示 具有 字符大，亮度高等特點，從硬件電路上七段 數碼管驅動也同樣簡單，并且七段數碼管的成本更低，更符合設計效益方面的要求。 由于單片機最高輸出電壓為 +5V，而步進電機的額定工作電壓是 +12V，所以必須采用外圍的驅動電路。步進電機的驅動電路多種多樣，從設計的要求分析，我們可以采用單電源供電方式電路作為步進電機的驅動電路。兩相步進電機工作在雙相四拍工作方式時需要四種不同狀態的時序脈沖， 所以使用步進電機驅動芯片 L298 能夠使電路的結構更簡單，并且能夠提高電路的穩定性和可靠性。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 2.3 單元電路設計 2.3.1步進電機控制原理 步進電機是數字控制電機，它將脈沖 信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如： 兩 相步進電機的 雙相四拍 工作方式，其各相通電順序 時序如圖所示： 通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A、 B兩 相的通斷。 圖 2.2 步 進電機原理圖 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 圖 2.3 步進電機雙 相 四拍工作時序圖 (2)控制步進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。 2.3.2步進電機驅動原理 步進電機可以有多種驅動方式，例如單電源供電方式，高低雙電源供電等， 綜合該設計各 方面的因素， 采用單電源供電方式作為步進電機驅動，電路結構 比較 簡單，也具有一定的可靠性。 但在高頻時會產生干擾，影響步進電機的正常運行。 單電源供電方式原理 圖如圖 2.4 所示： 圖 2.4 單電源供電方式 原理 圖 采用數字芯片 L298 作為步進電機驅動電路， L298 引腳分布及內部結構如圖 2.5所示。 單片機對步進電機的控制信號從 L298 的 In1-In4 輸入，步進電機的控制信號從 Out1-Out4 輸出。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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0”，然后數碼顯示管會顯示英文單詞“ OVER”，由此提醒人步進電機已經轉動完成，從而實現人們對步進電機的動態控制。 數碼顯示管是由二極管顯示字段的顯示器件，它由 8 個發光二極管構成，通過不同的組合可以顯示 0 到 9， A 到 F 以及 小數點等字符。 數碼管通常有共陰極和共陽極兩種類型，共陰極數碼管陰極必須接低電平（一般為地），當一個發光二極管的陽極連到高電平時，此二極管亮；共陽極數碼管的發光二極管是陽極并接到高電平（一般為 +5V），需點亮的發光二極管陰極接到低電平即可。顯然，要顯示一個字型就應該使此字型的相應發光二極管點亮，實際上就是送一個不同電平的組合代表的數據到數碼管。在此次課程設計中，我們采用的使共陽極數碼顯示管，因為，在數碼顯示管于單片機相連接時，若為共陰極，則必須接上上拉電阻，這樣數碼顯示管對單片機的壓力太大，而共陽極卻不要， 所以為了減低單片機的壓力，減少成本，增大元器件的壽命，我們采用的使共陽極的數碼顯示管。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 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在完成其它工作的空余，調用鍵盤掃描子程序，來響應鍵輸入要求。在執行鍵功能程序時， CPU 不再響應鍵輸入要求。鍵盤掃描程序應具備以下 4 項功能： 1，判斷鍵 盤上有無按下。 2，去除鍵的抖動操作。 3，掃描鍵盤，得到按下鍵的鍵號。 4，判別閉合的鍵是否釋放。采用循環掃描鍵盤的工作方式，雖然也能響應鍵入的命令或數據，但這種工作方式不管鍵盤上有無按鍵按下， CPU 總要定時掃描鍵盤；而應用系統在工作時，并不需要按鍵輸入，因此， CPU 常處于空掃描狀態。 中斷掃描工作方式可以提高 CPU的工作效率，即只在鍵盤有鍵按下時發中斷請求，CPU 響應中斷請求后，轉入中斷服務程序，進行鍵盤掃描，識別鍵碼。中斷掃描工作方式是一種簡易鍵盤接口電路，其直接有 80C51P1 口的高，低字節構成 4*4 行列 式鍵盤。鍵盤的列線與 P1 口的低四位相接，鍵盤的行線接到 P1 口的高四位。在中斷掃描方式中，有一個與門，其輸入端分別與各列線相連，而輸入端接單片機外部中斷輸入INT0。初始化時，鍵盤行輸入口全部置 0。當有鍵按下時， INT0 端為低電平，向 CPU發中斷請求，若 CPU 開放外部中斷，則響應中斷請求，進入中斷服務程序。 綜合以上所述，我們采用中斷工作方式。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagra 第 3 章 程序設計 3.1 系統程序流程 3.1.1主程序流程圖 由于程序實現的功能比較的多，為了 能夠更清晰的體現設計思路，編寫合理規范的程序；同時也是為了能夠更好的協調各模塊的功能，提高程序的執行效率和，所以一般首先畫出主程序的流程圖，然后在主程序流程圖結構的指導下完成各個部分的功能 。這種設計的思路 充分的體現了模塊化的設計思想， 因為模塊化的設計思想能夠使 編寫的程序在以后的調試 和修改的 過程中也 顯得 比較的 容易。主程序流程圖如圖3.1 所示。 SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacin