基于单片机的步进电机的数控系统

烟台大学毕业论文（设计）I基于单片机的步进电机的数控系统基于单片机的步进电机的数控系统摘摘要要：很多工业控制设备对位移和角度的控制精度要求较高，一般电机很难实现，而步进电机可精确实现所设定的角度和转数。本设计主要是运用 51 单片机控制四相步进电机系统。由单片机产生驱动脉冲信号，控制步进电机以一定的转速向某一方向产生一定的转动角度。而步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。本设计采用专门的集成电路构成的步进电机驱动控系统。此系统具有结构简单，性价比高，体积小，软件开发简单。由此集成电路构成的数控系统通过简单的编程就可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制电机运行状态。在此基础上提出了步进电机程序控制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。关键字关键字：单片机；步进电机；数控系统烟台大学毕业论文（设计）IIabstract:Many industrial control equipment to control the displacement and angle of higher accuracy, it is difficult to achieve the general motor, and stepper motor can be set to achieve the precise angle and rotation. This design is the use of 51 single-chip 4-phase stepper motor control system. Generated by the single-chip drive pulse signal to control the stepper motor speed to a certain direction to a certain degree of rotation angle. And stepper motor control is simple, accurate positioning. With the development of science and technology in many fields will be a wide range of applications. The design of integrated circuits consisting of a dedicated stepper motor driver control system. This system has a simple structure, high cost, small size, simple software development. This integrated circuit consisting of CNC programming through simple on the stepper motor can set the speed, rotation angle, rotation frequency and control motor running. On this basis a stepper motor control circuit of the hardware interface, the program flow chart and the assemblerKeywords: Single-chip microcontroller; stepping motor; numerical control system.烟台大学毕业论文（设计）III目录1 绪论.11.1 引言.11.2 数控技术的基本概念.11.3 数控系统的组成.11.4 数控技术的发展趋势.22 课题分析及整体方案的确定.42.1 课题设计内容及要求.42.2 课题分析及系统特点分析.42.3 系统总体方案的确定.43 模块电路分析与设计.53.1 电源模块电路分析与设计.53.1.1 电源模块电路的分析.53.1.2 电源模块电路的设计.63.2 控制模块电路分析与设计.123.2.1 控制模块电路分析.123.2.2 部分硬件简介.123.33.3 驱动模块分析及其设计.323.3.1 步进电动机的原理.323.3.2 步进电机的驱动.354 数控机床软件控制.374.1 步进电机的运动控制.374.2 步进电机插补程序设计.38总结.44致谢.45参考文献.46烟台大学毕业论文（设计）11 绪论1.1 引言在工业控制系统中, 通常要控制机械部件的平移和转动, 对位移和角度的控制要求较高, 一般电机很难实现对位置和角度的精确控制, 而步进电机可精确实现所设定的角度和转数, 具有良好的步进特性, 最适合于数字控制, 因此它在数控机床等设备中得到了广泛的应用。在工业被控设备对位移和角度控制要求较高的场所步进电机应用很多, 而单片机芯片体积小、兼容性强、高速度、低价格、低工作电压、低功耗等特点, 使单片机成为驱动步进电机的最佳控制单元, 所以基于单片机控制的步进电机系统控制精度高、运行稳定, 在控制领域有着广泛的应用。1.2 数控技术的基本概念 数控技术，简称数控(NMmericalContr01，NC)是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computer NumericalContr01，CNC)。 为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统(Numer5calContr01System)，数控系统的核心是数控装置(NMmericalContr011er)。由于数控系统、数控装置的英文缩写亦采用 NC(或 CNC)，因此，在实际使用中，在不同场合 NC(或 CNC)具有三种不同含义：既可以在广义上代表一种控制技术，又可以在狭义上代表一种控制系统的实体，还可以代表一种具体的控制装置数控装置。 采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床(NC 机床)。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。1.3 数控系统的组成1控制介质 数控设备工作时，不需要操作者直接进行手工加工，但设备必须按操作者的意图进行工作，这就必须在操作者与设备间建立某种联系，对这种联系的中间媒介物称之为控制介质。控制介质也称为信息载体，它可以是穿孔带、穿孔卡、磁带、软磁盘等。 在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息，它是数控系统用来指挥和控制设备进行加工运动的唯一指令信息。 2输入装置 输入装置的作用是将控制介质上的程序代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置中。根据不同的控制介质，输入装置可以是光电读带机、录音机或软盘驱动器。现在有很多数控设备不用任何控制介质，而是将数控加工程序单上的内容通过数控装置烟台大学毕业论文（设计）2上的键盘直接输入给数控装置，称为 MDI 方式。有的还可格数控加工程序由编程计算机用通信方式传送给数控装置。3数径装置 数控装置是数控设备的核心，它接受输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理，然后将各种信息指令输出给伺服系统，使设备各部分进行规范而有序的动作。这些指令主要是经插补运算决定的各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量；主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的指令信号；切削液的开停信号；工件的松夹、分度工作台的转位等辅助指令信号。介于数控装置与被控设备之间的强电控制装置，主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断和功率放大后，直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件等，完成指令所规定的各种动作。4伺服系统 伺服系统包括伺服驱动电路和伺服驱动元件，它们与执行部件上的机械部件组成数控设备的进给系统。其作用是把数控装置发来的速度和位移指令(脉冲信号)转换成执行部件的进给速度、方向和位移。每个执行进给运动的部件，都配有一套伺服驱动系统，而相对于每一个脉冲信号，执行部件都有一个相应的位移量，又称为脉冲当量，其值越小，加工精度就越高。数控装置可以以很高的速度和精度进行计算并发出很小的脉冲信号，关键在于伺服系统能以多高的速度与精度去响应执行，所以整个系统的精度与速度主要取决于伺服系统。在伺服系统中，伺服驱动电路要把数控装置发出的微弱电信号(5V左右，毫安级)放大成强电的驱动电信号(几十至上百伏，安培级)去驱动执行元件伺服电动机。 伺服系统的执行元件主要有功率步进电动机、电液脉冲马达、直流伺服电动机和交流伺服电动机等，其作用是将电控信号的变化转换成电动机输出铀的角速度和角位移的变化，从而带动执行部件作进给运动。5执行部件 数控系统的执行部件是加工运动的实际执行部件，主要包括主运动部件、进给运动执行部件、工作台、拖板及其部件和床身立校等支承部件，此外还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置，存放刀具的刀架、刀库及交换刀具的自动换刀机构等。执行部件应有足够的刚度和抗振性，还要有足够的精度，传动系统结构要简单，便于实现自动控制。 6测量反馈装置 测量反馈装置是将运动部件的实际位移、速度及当前的环境(如温度、振动、摩擦和切削力等因素的变化)参数加以检测，转变为电信号后反馈给数控装置，通过比较，得出实际运动与指令运动的误差，并发出误差指令，纠正所产生的误差。测量反馈装置的引入，有效地改善了系统的动态特性，大大提高了零件的加工精度。烟台大学毕业论文（设计）31.4 数控技术的发展趋势 随着微电子技术、计算机技术、精密制造技术及检测技术的发展，数控机床性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。各生产部门工艺要求的不断提高又从另一方面促进了数控机床的发展，当今数控机床正不断采用最新技术成果，朝着高速度、高精度、高可靠性、多功能、智能化、复合化等方向发展。 (1)高速度、高精度 速度和精度是数控系统的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。对于数控系统，高速度首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电动机的位移量，并要求伺服电动机高速度地作出反应。此外，要实现生产系统的高速度，还必须实现主轴、进给、刀具交换、托板交换等各种关键部分的高速度。现代数控机床主轴转速在 12000 rmin 以上的已较为普及，高速加工中心的主轴转速高达 100 000 rmin；快速进给速度一般机床都在 50 mmin以上，有的机床高达 120 mmin。加工的高精度比加工速度更为重要，微米级精度的数控设备正在普及，一些高精度机床的加工精度己达到 o1pm。(2)高可靠性 新型的数控系统大量采用大规模或超大规模的集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使线路的集成度提高，元器件数量减少，功耗降低，提高了可靠性。 现代数控机床都装备了计算机数控系统(即 CNC 系统)，只要改变软件控制程序，就可以适应各类机床的不同要求，实现数控系统的模块化、标准化和通用化。数控控制软件的功能更加丰富，具有自诊断及保护功能。为了防止超程，可以在系统内预先设定工作范围(即软极限)。数控系统还具有自动返回功能(即断点保护功能)。 (3)多功能 大多数数控机床都具有 CRT 图形显示功能，可以进行二维图形的加工轨迹动态模拟显示，有的还可以显示三维彩色动态图形；具有丰富的人机对话功能， “友好”的人机界面；借助 CRT 与键盘的配合，可以实现程序的输入、编辑、修改、删除等功能。现代数控系统，除了能与编程机、绘图机、打印机等外设通信外，还应能与其他 CNC 系统、上级计算机系统通信，以实现 FMS 的连接要求。 (4)智能化 数控系统应用高技术的重要目标是智能化。如引进自适应控制技术、人机会话自动编程、自动诊断并排除故障等智能化功能。 (5)复合化 复合化是近几年数控机床发展的模式，它将多种动力头集中在一台数控机床上，在一次的装夹中完成多种工序的加工。如立卧转换加工中心、车铣万能加工中心及四铀联动(x、Y、Z、C)的车削中心等。烟台大学毕业论文（设计）4 2 课题分析及整体方案的确定2.1 课题设计内容及要求 数控系统中步进电机的应用,主要是利用步进电机驱动开环伺服系统,用单片机扩展并行口来控制步进电机,用软件的方法控制步进电机的方向及速度，实现步进电机的选择和控制方法.本课题所讨论的是二轴步进电机数控系统。此数控机床自身坐标 x、y 方向上各采用一个步进电机，以实现该方向的运动。步进电机数控装置的设计主要是单片机数控系统的设计。2.2 课题分析及系统特点分析对课题所需设计系统具有的功能进行分析可知，系统应实现的任务为通过键盘与单片机的控制来实现单片机（通过一系列 I/O 和存储器的扩展）对步进电机的控制。在此主要设计用步进电机实现二坐标轴数控机床直线和圆弧插补，能够适时显示当前坐标值，并且可以通过键盘进行手动控制，另外，还有电源电路及显示电路的设计。2.3 系统总体方案的确定步进电机数控系统大体可以分为如下模块：电源模块控制模块驱动模块系统组成框图如图 2-1 所示：图 2-1 烟台大学毕业论文（设计）5 3 模块电路分析与设计3.1 电源模块电路分析与设计3.1.1 电源模块电路的分析在本设计中主要用到两种电源：用于控制模块的+5V 直流电源用于驱动电动机的+30v300w 的直流电源在工农业生产和科学实验中，主要采用交流电，但是在某些场合，例如电解、电镀、蓄电池的充电、直流电动机等，都需要用直流电源供电。此外，在电子线路和自动控制装置中，还需要用电压非常稳定的直流电源。为了得到直流电，除了采用直流发电机、干电池等直流电源外，目前广泛采用各种半导体直流电源。图 31 所示是半导体直流稳压电源的原理方框图，它表示把交流电变换为直流电的过程。图 31 半导体直流稳压电源的原理框图1电源变压器电网上单相交流电压的有效值为 220V，而通常需要的直流电压要比此值低。因此，先利用变压器进行降压，将 220V 的交流电变成合适的交流电以后再进行交、直流转换。当然，有的电源不是利用变压器而是利用其他方法降压的。2整流电路整流电路的主要任务是利用二极管的单向导电特性，将经变压器降压后的交流电变成单向脉动的直流电。经整流电路输出的单向脉动的直流电幅度变化较大，这种直流电一般不能直接供给电子电路使用。3滤波电路滤波电路的主要任务是滤除脉动直流电中的交流成分电压，使输出电压成为比较平滑的直流电。常采用的元件有电容和电感等。4稳压电路交流电经降压、整流、滤波后输出的直流电具有较好的平滑程度，一般说来可以充当电路的电源。需要指出的是，此时的电压值还要受到电网电压波动以及负载变化的影响，即经滤波后输出的电压由于各种因素的影响往往是不稳定的。为使输出电压稳定，烟台大学毕业论文（设计）6还需要增加稳压电路部分。稳压电路的作用就是自动稳定输出电压，使输出电压不受电网电压波动和负载大小的影响。3.1.2 电源模块电路的设计1. 整流电路整流电路是利用二极管的单向导电性，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压，因此二极管是构成整流电路的核心元件。在小功率的直流电源中，整流电路的主要形式有单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。单相桥式整流电路用得最为普遍。为了简单起见，分析计算整流电路时把二极管当作理想元件来处理，即认为二极管的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大一. 单相桥式整流电路的组成及工作原理 单相桥式整流电路是由四个整流二极管接成电桥的形式构成的，如图 32(a)所示。图 32(b)所示为单相桥式整流电路的一种简便画法。图 32 单相桥式整流电路（a）单相桥式整流电路； (b)单相桥式整流电路的简化画法单相桥式整流电路的工作情况如下设整流变压器副边电压为：)sin(222tUu当为正半周时，其极性为上正下负，即 a 点电位高于 b 点电位，二极管 D1、D32u因承爱正向电压而导通，D2、D4 因承受反向电压而截止。此时电流的路径为：aD1D3b，如图 33（a）所示。LR当为负半周时，其极性为上负下正，即 a 点电位低于 b 点电位，二极管 D2、D42u因承受正向电压而导通，D1、D3 因承受反向电压而截止。此时电流的路径为：aD2D4b，如图 33（b）所示。LR烟台大学毕业论文（设计）7图 33 单相桥式整流电路(a)正半周时电流的通路(b)负半周时电流的通路可见电压无论在正半周还是在负半周，负载电阻上都有相同方向的电流流过。因LR此在负载电阻得到的是单向脉动电压和电流，忽略二极管导通时的正向压降，则单相LR桥式整流电路的波形如图 34 所示。 二参数计算 (1)负载上电压平均值和电流平均值。其中：单相全波整流电压的平均值为：图 34 单相桥式整流电路的波形烟台大学毕业论文（设计）8流过负载电阻的电流平均值为：LRLLOORURUI29 . 022209 . 022)()sin(21UUtdtUUO(2)整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压。因为桥式整流电路中，每两个二极管串联导通半个周期，所以流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：LODRUII245. 021每个二极管在截止时承受的最高反向电压为的最大值，即：2u 222UUUMDRM（3）整流变压器副边电压有效值和电流有效值，其中：整流变压器副边电压有效值为：OOUUU1 . 19 . 02整流变压器副边电流有效值为：OLLURURUI1 . 11 . 1222由以上计算，可以选择整流二极管和整流变压器。除了用分立元件组成桥式整流电路外，现在半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制造成单相整流桥和三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引脚，减少了接线、提高了电路工作的可靠性，使用起来非常方便。常见的几种整流电路如表 31 所示。 由表 31 可见，半被整流电路的输出电压相对较低，且脉动大。两管全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大，所以这两种电路应用较少。桥式整流电路的优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内部有电流供给负载，整流变压器得到了充分的利用，效率较高。因此桥式整流电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。桥式整流电路的缺点是二极管用的较多。烟台大学毕业论文（设计）9表 31 桥式整流电路性能表类型整流电路整流电压波形整流电压平均值二极管电流平均值二极管承受的最高反电压单相桥式0.9U2OI2122U2. 滤波整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波电路利用电容或电感在电路中的储能作用，当电源电压(或电流)增加时，电容(或电感)把能量储存在电场(或磁场)个；当电源电压(或电流)减小时，又将储存的能量逐渐释放出来，从而减小了输以电压(或电流)中的脉动成分得到比较平滑的直流电压。实用滤波电路的形式很多，如电容滤波、电感滤波、复式滤波电路(包括倒 L 型、Rc 型、LC 型滤波)等，如图 35 所示。3 滤烟台大学毕业论文（设计）10一、电容滤波电路最简单的电容滤波电路是在整流电路的直流输出侧与负载电阻并联一电容器 C，LR利用电容器的充放电作用，使输出电压趋于平滑。图 36 所示为单相桥式整流电容滤波电路。此时整流二极管工作在非线性区域，分析时要从二极管单向导电特性出发，特别注意电容两端电压对二极管工作特性的影响。当输出端接负载电阻时，设电容两端初始电压力零，在 t0 时刻接通电源。则由零LR2u开始上升时，二极管 Dl，D3 正偏导通，电源通过 D1、D3 向负载电阻提供电流，同LR时向电容 C 充电，充电时间常数 充=2RDC式中 RD 为二极管的正向导通电阻，其值非常小。忽略 RD 的影响，电容 C 两端的电压将按的规律上升；当电源电压开始下降并达到时，4 个二极管反偏截止2ucu2u二、电感滤波电路电感滤波电路如图 37 所示，即在整流电路与负载电阻之间串联一个电感器 L。LR由于在电流变化时电感线圈中将产生自感电动势来阻止电流的变化，使电流脉动趋于平缓， 、起到滤波作用。电感 L 与负载串联。当流过电感 L 的电流增大时，电感产生的自感电动势阻止电LR流的增加；当电流减小时，自感电动势则阻止电流的减小。可见，电感滤波器的电感量愈大，自感电动势愈大，单向脉动电流流经电感线圈时就愈平滑。电感滤波电路输出电压较低，但输出电压波动小，随负载变化也很小，因而适用于负载电流较大的场合。由于电感量大时体积也大，在小型电子设备中很少采用电感滤波方式。图 36 桥式整流电容滤波电路烟台大学毕业论文（设计）11三、复式滤波电路复式滤波电路是用电容器、电感器和电阻器组成的滤波器，通常有 LC 型、LC 型、 RC 型几种。它的滤波效果比单一使用电容或电感滤波要好得多，其应用较为广泛。图 38 所示是 LC 型滤波电路，它由电感滤波和电容滤波组成。脉动电压经过双重滤波，交流分量大部分被电感器阻止，即使有小部分通过电感器，再经过电容滤波，这样负载上的交流分量也很小，便可达到滤除交流成分的目的。图 39 所示是 LC 型滤波电路，可看成是电容滤波和 LC 型滤波电路的组合，因此滤波效果更好，在负载上的电压更平滑。由于 LC 型滤波电路输入端接有电容，在通电瞬间因电容器充电会产生较大的充电电流，所以一般取 C1C2，以减小浪涌电流。 图 38 LC 型滤波电路 图 39 LC 型滤波电路图 310 所示是 RC 型滤波电路。在负载电流不大的情况下，为降低成本小体积，减轻重量，选用电阻器 R 来代替电感器 L。一般 R 取几十欧到几百欧。当使用一级复式滤波达不到对输出电压的平滑性要求时，可以增添级数 。如图 311 所示。图 310 RC 型滤波电路 图 311 多级 RC 滤波电路3. 直流稳压电源由分立元件组成的直流稳压电路，需要外接不少元件，因而体积大，使用不便。集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。图 37 单相桥式整流电感滤波电路烟台大学毕业论文（设计）12集成稳压器的种类很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是三端式串联型集成稳压器。其外形图如图 3-12 所示三端式是指稳压器仅有输入端、输出端和公共端三个接线端子。 图 3-12 集成稳压器3.2 控制模块电路分析与设计3.2.1 控制模块电路分析一、 二轴数控机床的控制要求 步进电机选用三四相单极，单相最大驱动电流为 2A，最大相电压为 12V，其脉冲当量为 0.01mm/step，插补周期不超过 1ms； 主要用单片机控制步进电机实现工作台的 x 向、y 向运动，直线插补和圆弧插补及实现其它功能，同时可以用键盘输入作为辅助控制； 能适时显示工作台的当前运动情况； 采用软硬件进行环形分配及键盘扫描。二、控制电路中用到的主要硬件设备有：AT89C52 单片机，8155，74ls373,74ls138,L297,L298,8279，6264，键盘等3.2.2 部分硬件简介一 、AT89C52 单片机 AT89C52 是一种带 8k 字节可重复擦写的 flashs 闪速存储器的低电压，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。烟台大学毕业论文（设计）13AT89C52图 3-141主要特性：与 MCS-51 兼容 16k 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定256*8 位内部 RAM32 可编程 I/O 线三个 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 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 口被外部下拉为烟台大学毕业论文（设计）14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：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（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。 /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。烟台大学毕业论文（设计）15XTAL2：来自反向振荡器的输出。3 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。4 芯片擦除： 整个 PEROM 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。二 、8155 芯片8155 芯片内包含有 256 字节 RAM，2 个 8 位、1 个 6 位的可编程并行 I/O 口，和 1个 14 位定时器/计数器。由于 8155 既具有 RAM 又具有 I/O 口，因而是单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。1 引脚说明8155 共 40 个引脚，采用了双列直插的封装，主要引脚功能如下：AD7AD0：地址数据总线；单片机和 8155 之间的地址、数据、命令、状态信息都是通过它来传送的。CE：片选信号线，低电平有效。RD：存储器读信号线，低电平有效。WR：存储器写信号线，低电平有效。ALE：地址及片选信号锁存信号线，高电平有效。在下降沿时将地址及片选信号锁存到器件中。IO/M：IO 接口与存储器选择信号线，高电平选择 I/O，低电平选择存储器。PA7PA0：A 口输出/输入线。PB7PB0：B 口输出/输入线。PC5PC0：C 口输出/输入或控制信号线，用作控制信号时其功能如下：PC0：A INTR（A 口中断信号线）PC1：A BF（A 口缓冲器满信号线）PC2：ASTB（A 口选通线）PC3：B INTR（B 口中断信号线）烟台大学毕业论文（设计）16图 3-15 8155 引脚与逻辑图PC4：B BF（B 口缓冲器满信号线）PC5：BSTB（B 口选通线）烟台大学毕业论文（设计）17TM1TM2IEBIEAPC2PC1PAPBA口方式B口方式B口A口计数器方式00:空操作01:停止计数10:计满后停止11:开始计数0:输入1:输出0:禁止中断1:允许中断00110110 方式1:A、B口基本I/O；C口输入方式2:A、B口基本I/O；C口输出方式3:A口选通I/O；B口基本I/O方式4:A、B口选通I/O表 3-2 地址与寄存器映射AD7AD0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0寄存器 0 0 0命令/状态寄存器（命令状态口） 0 0 1A 口（PA7PA0） 0 1 0B 口（PB7PB0） 1 0 0C 口（PC7PC0） 1 0 0定时器低 8 位 1 0 1定时器高 6 位和 2 位计数器方式位TIMER IN：定时器/计数器输入端；TIMER OUT：定时器/计数器输出端；RESET：复位信号线。8155 引脚与逻辑如图 3-15 所示。当 IO/M=0（低电平时） ，表示 AD7AD0 输入的是存储器地址，寻址范围为 00FFH；当 IO/M=1（高电平时） ，表示 AD7AD0 输入的是 I/O 接口地址，其编码如表 3-2 所示。烟台大学毕业论文（设计）18图 3-16 8155 工作控制字2 工作方式8155 有一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155 的工作方式由 CPU 写入控制命令寄存器中的控制字来确定。8155 工作方式控制字只能写入，不能读出，格式如图 3-168155 的状态标志寄存器用来存放 A 口和 B 口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，只能读出不能写入，格式如下表 3-3 所示：表 3-3 8155 的状态标志寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0XTIMERINTE BB BFINTR BINTE AA BFINTR AINTR：中断请求；INTE：端口中断允许；BF：缓冲器满标志；TIMER：定时中断；3 定时器/计数器8155 还具有一个 14 位的定时器/计数器，如表 3-4 为方式控制字：表 3-4 方式控制字04H：T7T6T5T4T3T2T1T005H：M2M1T13T12T11T10T9T8T13T0：计数长度；M2、M1：定时器方式。8155 的定时器为 14 位的减法计数器，可以对输入脉冲进行减法计数，定时器由 T13T0设定时器时间长度，M2、M1 设定输出方式，如表 3-5表 3-5 M2、M1 设定输出方式M2M1方式00单方波01连续方波10单脉冲11连续脉冲 方式 1方式 1 是一种选通输入输出方式。它把 A 口和 B 口用作数据传送，C 口的部分引烟台大学毕业论文（设计）19脚作为固定的专用应答信号，A 口和 B 口可以通过方式控制字来设置方式 1。这种方式多用于查询传送和中断传送。方式 2方式 2 是一种双向选通输入输出方式。它利用 A 口为双向输入输出口，C 口的PC3PC7 作为专用应答线。方式 2 只用于端口 A，在方式 2 下，外设可以通过端口 A的 8 位数据线，向 CPU 发送数据，也可以从 CPU 接收数据。当 8155 接收到写入控制端口的控制字时，首先测试控制字的最高位，如为 1，则是方式选择控制字；如为 0，则不是方式选择控制字，而是对端口 C 置 1置 0 控制字，这是由于端口 C 的每一位可作为控制位来使用。在 8155 锁存，8155 相关的地址可以作如下设定：RAM 字节地址： 7E00H7EFFH；I/O 地址：命令状态口：7F00HPA 口：7F01H；PB 口：7F02H；PC 口：7F03H；定时器低 8 位：7F04H定时器高 8 位：7F05H；三 、74LS373单片机系统中常用的地址锁存器芯片 74LS373 以及 coms 的 74hc373 是带三态缓冲输出的 8D 触发器，其引脚图与结构原理图、电路连接图如下：图 3-18 74LS373 引脚图内部结构原理图电路连接图表 3-6 74LS373 功能表EG功能00直通 Qi = Di01保持（Qi 保持不变）烟台大学毕业论文（设计）201X输出高阻E G D Q L H H H L H L L L L X Q 上表是 74LS373 的真值表，表中： L低电平； H高电平； X不定态； Q0建立稳态前 Q 的电平； G输入端，与 8051ALE 连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中 OE使能端，接地。当 G=“1”时，74LS373 输出端 1Q8Q 与输入端 1D8D 相同；当 G 为下降沿时，将输入数据锁存。 (1).1 脚是输出使能(OE),是低电平有效,当 1 脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18 如何,也不管 11 脚(锁存控制端,G)如何,输出 2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态); (2).当 1 脚是低电平时,只要 11 脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出 2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18 的状态. 锁存端 LE 由高变低时，输出端 8 位信息被锁存，直到 LE 端再次有效。 当三态门使能信号 OE 为低电平时，三态门导通，允许 Q0Q7 输出，OE 为高电平时，输出悬空。当74LS373 用作地址锁存器时，应使 OE 为低电平，此时锁存使能端 C 为高电平时，输出Q0Q7 状态与输入端 D1D7 状态相同；当 C 发生负的跳变时，输入端 D0D7 数据锁入Q0Q7。51 单片机的 ALE 信号可以直接与 74LS373 的 C 连接。 74ls373 与单片机接口：1D8D 为 8 个输入端；1Q8Q 为 8 个输出端。 G 是数据锁存控制端；当 G=1 时，锁存器输出端同输入端；当 G 由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。 OE 为输出允许端；当 OE=“0”时，三态门打开；当 OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。 在 MCS-51 单片机系统中，常采用 74LS373 作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端 1D8D 接至单片机的 P0 口，输出端提供的是低 8 位地址，G 端接至单片机的地址锁存允许信号 ALE。输出允许端 OE 接地，表示输出三态门一直打开。四、87291 8279 的引脚和功能 8279 采用 40 引脚双列直插封装，其引脚排列及功能分别如图 3-21（a） 、 （b）所示。 其引脚功能如下： D0D7：数据总线，双向三态总线。 CLK：系统时钟输入端。 烟台大学毕业论文（设计）21(a) (a)(a) 引脚排列图； (b) 引脚功能图图 3-21 8279 引脚及功能RESET：系统复位输入端，高电平有效。复位状态为：16 个字符显示；编码扫描键盘：双键锁定；程序时钟编程为 31。CS ：片选输入端，低电平有效。A0：数据选择输入端。A0=1 时，CPU 写入数据为命令字，读出状态字为状态字；A0=0时，CPU 读、写均为数据。RD 、WR ：读、写信号输入端，低电平有效。IRQ：中断请求输出端，高电平有效。SL0SL3：扫描输出端，用于扫描键盘和显示器。可编程设定为编码（4 中选 1）或译码输出（16 选 1） 。RL0RL7：回复线，它们是键盘或传感器的列信号输入端。SHIFT：移位信号输入端，高电平有效。它是 8279 键盘数据的次高位（D6） ，通常用作键盘上、下档功能键。在传感器和选通方式中，SHIFT 无效。 CNTL/STB：控制/选通输入端，高电平有效。在键盘工作方式时，它是键盘数据的最高位，通常用作控制键。在选通输入方式时，它的上升沿可把来自 RL0RL7 的数据存入FIFO/传感器 RAM 中。在传感器方式时，它无效。 OUTA0OUTA3：A 组显示信号输出端。 OUTB0OUTB3：B 组显示信号输出端。 BD：显示熄灭输出端，低电平有效。它在数字切换显示或使用熄灭命令时关显示。2. 8279 的工作方式 8279 工作方式的确定是通过 CPU 对 8279 送入命令字实现的。当数据选择端 A0 置8279IRQD0D7RDWRCSA0RESETCLKRL0RL7SHIFTCNTL/STBSL0SL3OUTA0OUTA3OUTB0OUTB3BD4448RL2RL3CLKIRQRL4RL5RL6RL7RESETRDWRD0D1D2A0CSBDOUTA3OUTA2OUTA1OUTA0OUTB38279D3D4D5D6D7GNDOUTB2OUTB1OUTB0SL0SL1SL2SL3SHIFTCNTL/STBRL0RL1VCCCPU12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940(b)烟台大学毕业论文（设计）22“1”时，CPU 对 8279 写入的数据为命令字，读出的数据为状态字。在叙述命令字、状态字前，先说明 8279 的几种工作方式。 1) 键盘的工作方式 通过对键盘/显示方式命令字的设置，可置为双键互锁方式和 N 键巡回方式。双键锁定是为两键同时按下提供的保护方法。若有两键或多个键同时按下，则无论这些键是以什么次序按下的，它只识别最后一个释放的键，把该键值送入 FIFO/传感器RAM 中。N 键巡回是为 N 个键同时按下时提供的保护方法。若有多个键同时按下时，键盘扫描能按按键先后顺序依次将键值送入 FIFO/传感器 RAM 中。2) 显示器工作方式 通过对键盘/显示方式命令字和写显示 RAM 命令字的设置，显示数据写入显示缓冲器时可置为左端送入和右端送入两种方式。左端送入为依次填入方式，右端送入为移位方式。3. 8279 与单片机、键盘/显示器的接口 8279 是一种功能较强的键盘/显示接口电路，可直接与 Intel 公司的各个系列的单片机接口，可以外接多种规格的键盘和显示器。图 3-22 是 8051 与 8279 的一般接口框图。图中，8279 外接 88 键盘，16 位显示器，由 SL0SL2 译出键扫描线，由 4-16 译码器对SL0SL3 译出显示器的位扫描线。在实际应用中，键盘的大小和显示器的位数可以根据具体需要而定。 图 3-22 8051 与 8279 的一般接口框图4.8279 的应用 利用键盘、显示专用芯片 8279 能够以较简单的硬件电路和较少的软件开销实现单片机与键盘、LED 显示器的接口。采用 8279 与 8051 接口，在 CPU 对 8279 进行初始化后，只需向 8279 传输待显示数据（送数） ，再就是在 8279 键盘中断申请发出后，取键盘数据识别按键（取数） ，即可实现按键识别和动态显示。至于要花费 CPU 大量时间的键盘扫描程序和动态显示程序，全OUTA0OUTA3RL0RL73-888SL0SL3BDVCCVSS164-161881616438SL0LS2SL0LS385 V8279INT11P020 F5 VWRRDP2.7P2.0ALE80318INTOUTB0OUTB3D0D7WRRDCSA0CLKRESETSHTRLCNTL烟台大学毕业论文（设计）23由 8279 硬件自动完成。 ，CPU 再也不必像实训 7 那样不断调用动态显示子程序，不断查询是否有按键按下，大大提高了 CPU 的工作效率。五、L297L297 是意大利半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能控制 4 相信号，可用于计算机控制的两相两极和四相单极步进电机，能够用单四拍双四拍四相八拍方式控制步进电机。芯片内的斩波器电路可在开关模式下调节步进电机绕组中的电流。该集成电路采用了公司的模拟数字兼容的技术，使用的电源电压，全部信号的连接都与 TTLCMOS 或集电极开路的晶体管兼容。297 的芯片引脚特别紧凑采用双列直插 20 脚封装，其引脚见图 3-23在图 3-23 所示的 L297 的内部方框图中，变换器是一个重要组成部分。该变换器有一个三位计数器加某些组合逻辑电路组成，产生一个基本八步格雷码（顺序如 3-24）所示。由变换器产生四个输出信号送给后面的逻辑部分，输出逻辑提供逻辑禁止和斩波功能所需的相序。为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过 2 个器控制电动机，每个斩波器包含有一个比较器一个触发器和一个外部检测电阻，如图 3-25 所示，晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节，当负载电流提高时检查电阻上的电压相对提高，当电压达到ref 时，将触发器重置，切断输出，直到第二个振荡脉冲到来。次线路的输出是一恒定频率的信号，297 的 control 段的输入决定斩波器对相位线 ABCD 由抑制作用；为低电平时，则对抑制线 INH1 和 INH2 由抑制作用，从而可对电动机的转向和转矩进行控制。297 能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。种方式的驱动相序都可很容易地根据变换器输出的格雷码的顺序产生，格雷码的顺序直接与四相八排相符合，只有在脚输入高电平即可。其波形图如图 3-26 所示。通过交替跳过八步顺序中的状态就可以得到单四拍或双四拍种工作方式。L297 引脚功能：脚 1（SYNC）：斩波器输出端。如果使用外部时钟源，则时钟信号接到此引脚脚 2（GND）： 接地端脚 3（HOME）：集电极开路输出端。此引脚有效时，晶体管开路脚 4（A）：A 相驱动信号脚 5（INH1）：控制 A 相和 B 相的驱动级。当此引脚为低电平时，A 相，B 相驱动控制被禁止；当线圈绕组端电时，双极性桥用这个信号使负载电流快速衰减。若 CONTROL端输入是低电平时，用斩波器调节负载电流脚 6（B）：B 相驱动信号脚 7（C）：C 相驱动信号脚 8（INH2）：控制 C 相和 D 相的驱动极。作用跟 INH1 相同脚 9（D）：D 相驱动信号脚 10（ENABLE）：L297 的使能输入端。当它为低电平时，INH1,INH2,A,B,C,D 都为低电平。当系统被复位时用来阻止电机驱动脚 11（CONTROL）：斩波器功能控制端烟台大学毕业论文（设计）24脚 12（VCC）：+5V 电源输入端脚 13（SENS2）：C 相，D 相绕组电流检测电压反馈输入端脚 14（SENS1）：A 相，B 相绕组电流检测电压反馈输入端脚 15(Vref)：斩波器基准电压输入端。加到此引脚的电压决定绕组电流的峰值脚 16（OSC）：斩波频率输入端脚 17（CW/CCW）：方向控制端。改变此引脚电平状态时，步进电机反向旋转脚 18（CLOCK）：步进时钟输入端。该引脚输入负脉冲时步进电机向前步进一个增量，该步进是在信号的上升沿产生脚 19（HALF/FULL）：半步、全部方式选择端。此引脚输入为高电平时为半步方式（四相八拍），低电平时为全步方式。全步方式时变换器在奇数状态，会得到二相全步顺序（双四拍）；变换器在偶数状态，会得到单项工作方式（单四拍）脚 20（RESET）：复位输入端。此引脚输入负脉冲时，变换器恢复初始状态（ABCD=0101）图 3-23图3-24 图 3-25烟台大学毕业论文（设计）25图3-26 图 3-27图 3-28图 3-29六、单片机与显示器接口（一） 单片机应用系统最常用的显示器是 LED（发光二极管显示器）和 LCD（液晶显示器） ，这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态，它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此，得到广泛应用。在本设计中用的是 LED（发光二极管显示器） 。 常用的 LED 显示器有 LED 状态显示器（俗称发光二极管） 、LED 七段显示器（俗称数码管）和 LED 十六段显示器。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示；LED 十六段显示器用于字符显示。本节重点介绍 LED 七段显示器。1数码管简介1）数码管结构数码管由 8 个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字 0 9、字符 A F、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“” 。数码管的外型结构如图3-30（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图 3-30（b）和图 3-烟台大学毕业论文（设计）2630（c）所示。10 9 8 7 6g f GND a b1 2 3 4 5dp.e d GND c dpabcdefgDD+5V（a） 外型结构 （b） 共阴极 （c）共阳极图 3-30 数码管结构图 2）数码管工作原理 共阳极数码管的 8 个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源） ，其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管的 8 个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地） ，其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。3）数码管的驱动ULN2003A 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高