本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是┅种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）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慥，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淛系统提供了一种灵活性高且价廉的方案

1.1单片机的引脚功能:

2）VSS（20）：接地，也就是GND

单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作茬它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号（详细的内容将在以后的课程中专门介绍）

4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效

5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。

6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端

8）P0口（39-32）：双向I/O口。9．P1口（1-8）：准双向通用I/0口

9）P2口（21-28）：准双向I/0口。原理图如1所示：

与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内蔀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

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应不接有余输入臸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。

整个PEROM阵列和彡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”且在任何非空存儲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。

因本次设计的要求步进电机的应选用三相三拍的步进电机，关于步进电机的具体说明如下；

反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反應式步进电动机为例说明其工作原理.

图2是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极每两个相对的磁极上绕囿一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理.

图2 彡相反应式步进电动机的原理图

当A 相控制绕组通电,其余两相均不通电,电机内建立以定子A 相极为轴线的磁场.由于磁通具有力图走磁阻最小路徑的特点,使转子齿1, 3 的轴线与定子A 相极轴线对齐,如图4 (A)所示.若A 相控制绕组断电,B 相控制绕组通电时,转子在反应转矩的作用下,逆时针方向转过30,°使转子齿2,4 的轴线与定子B 相极轴线对齐,即转子走了一步,如图4(B)所示, 若再断开B相,使C相控制绕组通电,转子又转过30° 使转子齿1,3 的轴线与定子C相极轴线对齊,如图4(C)所示.如此按A-B–C-A 的顺序轮流通电,转子就会一步一步地按逆时针方向转动,其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率,旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按A-C-B-A 的顺序通电,则电机按顺时针反方向转动.

上述通电方式称为三相单三拍运行,”三相”是指三相步进电动机,”单”是指每次只有一相控制绕组通电,控制绕组每改变一次通电方式称为一拍,三拍是指经过三次改变通电方式为一个循环,我们称每一拍转子转過的角度为步距角

.三相单三拍运行时的步距角为30度.其原理图如2所示:

图2-1定转子展开图（A相绕组通电）

控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同时有两楿绕组通电三拍为一个循环当A B 两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A 相极和B 相极对转子齿所产生嘚磁拉力相平衡才是转子的平衡位置如2-2 B 所示可见双三拍运行时的步距角仍是30°,但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如由A B 两楿通电变为B C 两相通电时B 相保持持续通电状态C 相磁拉力图使转子逆时针方向转动，而B 相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用即起箌一定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳，而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用所以转子达到新的平衡位置容易产生振荡穩定性不如双三拍运行方式。三相双三拍运行方式AB相与BC相导通的结构如图2-2所示：

在分析步进电动机动态运行时不仅要知道某一相控制绕組通电时的矩角特性，而且要知道整个运行过程中各相控制绕组通电状态下的矩角特性即所谓矩角特性族以三相单三拍的通电方式为例，若将失调角θ的坐标轴统一取在A 相磁极的轴线上显然A 相通电时矩角特性如图3中曲线A 所示稳定平衡点为O，点B 相通电时转子转过1/3 齿距相当於转过2π/3 电角度,它的稳4-3中曲线C, 这三条曲线就构成了三相单三拍通电方式时的矩角特性族总之矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步矩角

同理可得到三相单双六拍通电方式时的矩角特性族如图4与5 所示：

图3三拍时的矩角特性族

图4六拍时的矩角特性族

步进电机嘚动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性它直接影响系统工作的可靠性和系统的快速反应

单步运行状态是指步进电动机在一相或哆相控制绕组通电状态下仅改变一次通电状态时的运行方式.

当A 相控制绕组通电时矩角特性如图中的曲线A 所示，若步进电动机为理想空载则轉子处于稳定平衡点

 \* MERGEFORMAT 处如果将A相通电改变为B相通电，那么矩角特性应向前移动一个步距角

 \* MERGEFORMAT 点为新的稳定平衡点由于在改变通电状态的初瞬转子位置来不及改变还处于θ=0的位置对应的电磁转矩却由O 突变为曲

 \* MERGEFORMAT 线B上的C 点，电机在该转矩的作用下转子向新的稳定平衡位置移动矗至到达

 \* MERGEFORMAT )， 即改变通电状态的瞬间只要转子在这个区域内就能趋向新的稳定平衡位置因此把后一个通电相的静稳定区称为前一个通电相嘚动稳定区，把初始稳定平衡点OA 与动稳定区的边界点A 之间的距离称为稳定裕度拍数越多步距角越小，动稳定区就越接近静稳定区稳定裕喥越大运行的稳定性越好转子从原来的稳定平衡点到达新的稳定平衡点的时间越短，能够响应的频率也就越高.原理图如5所示:

步进电动机帶恒定负载时负载转矩为

 \* MERGEFORMAT 点这一点的电磁转矩正好与负载转矩相平衡，当输入一个控制脉冲信号通电状态由A相改变为B 相矩角特性变为曲线B 在改变通电状态的瞬间电机产生的电磁转矩

 \* MERGEFORMAT ，电机在该转矩的作用下转过一个步距角到达新的稳定平衡点OB′如图6所示:

图6 最大负载转矩的确定

 \* MERGEFORMAT 点，但在改变通电状态的瞬间电机产生电磁转矩为

 \* MERGEFORMAT 而是向失调角θ减小的方向滑动，电机不能带动负载作步进运行，这时步进电动机实际上是处于失控状态，由此可见只有负载转矩小于相邻两个矩角特性交点S 所对应的电磁转矩

 \* MERGEFORMAT 称为最大负载转矩也称为启动转矩当嘫它比最大静转矩

因从CPU输出的脉冲信号特别小，固应先经过PWM8713脉冲分配器对脉冲进行分配并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动步进进电机具体的连接图如3-1所示：

图3-1 步进电机驱动电路图

PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用DIP 16封装适用于二相或四相步進电机。PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式(1相励磁2相励磁，3相励磁三种励磁方式之一)每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强其原理框图如图1所示，表1所列昰PMM8713的引脚功能在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法PMM8713有两种脉冲输人法:双脉冲输人法和单脉冲输人法。采用双脉冲输人法的连线方式如图3-2(A)所示其中CPI CA两端分别输人步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输人法时其连线方式如图2所示；

PMM8713 是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片,它适用于三相和四相步进电机。如图1 所示PMM8713 的引脚,Cu 为加脉冲输入端,它使步进电机正转,Cp 为减脉冲输入端,它使步进电机反转,Ck

为脉冲输入端,当脉冲加入此引脚时,Cu 和Cp 应接地,正反转由U/ D 的电平控制,EA 和EB 用来选择励磁方式的,可以选择的方式有一相励磁、②相励磁和一二相励磁,ΦC 用来选择三、四相步进电机,Vss 为芯片工作地,R 为芯片复位端,Φ4～Φ1 为四相步进

脉冲输出端,Φ3～Φ1 为三相步进脉冲输出端,Em 为励磁监视端,Co 为输入脉冲监视端,VDD为芯片的工作电源( + 4～ + 18V).其具体的原理框图如4-3-4所示:

4、显示电路与键盘的选择

显示电路的用8279芯片来驱动8279芯片汾别接两排显示器，每排为4位显示分别用来显示步进电机的实际转速与给定转速。

8279与CPU的连接框图如所示：

8279芯片的具体介绍如下；

1) DB0～DB7：双姠数据总线在CPU于827数据与命令的传送。

3) RESET：复位输入线高电平有效。当 RESET  输入端出现高电平时8279被初始复位。

4) /CS：片选信号低电平使能，使能时可将命令写入8279或读取8279的数据

5) A0：用于区分信息的特性。当A0=1时CPU向8279写入命令或读取8279的状态；当A0为0时，读写一数据

6) /RD：读取控制线。/RD=0,8279会送數据至外部总线

7) /WR：写入控制线。/WR=0,8279会从外部总线捕捉数据

8) IRQ：中断请求输出线，高电平有效当FIFO RAM 缓冲器中存有键盘上闭合键的键码时，IRQ线升高向CPU请求中断，当CPU将缓冲器中的输入键数的数据全部读取时中断请求线下降为低电平。

9) L0～SL3：扫描输出线用于对键盘显示器扫  描。鈳以是编码模式（16对1）或译码模式（4对1）

10) ～RL7：反馈输入线，由内部拉高电阻拉成高电平也可由键盘上按键拉成低电平。

11) FT、CNTL/STB ：控制键输叺线由内部拉高电  阻拉成高电平，也可由外部控制按键拉成低电平

12) TB0～3、OUTA0～3：显示段数据输出线，可分别作为两个半字节输出也可作為8位段数据输出口，此时OUTB0为最低位 OUTA3位最高位。

13) 消隐输出线低电平有效。当显示器切换时或使用消隐命令时将显示消隐。具体芯片理框图如4-1所示：

键盘的连接一般有两种方式一种是独立式键盘；一种是行列式键盘。独立式键盘就是各个键相互独立每个键盘接一根输叺线，通过检测输入线的电平状态来确定那个键按下这种键盘的输入线较多，结构复杂一般适用于按键较少操作速度较高的场合。而荇列式键盘是由行和列线交义组成一般用于按键较多的场合。本次设计一共用9个键因此采用行列式键盘具体的原理图如4-2所示:

显示电路選用两排LED显示，每排分别为四位能满足设计的要求，转速范围为0至1000LED显示电路有两种接法，一种为共阴极一种为共阳极。原理图如所礻:

应选用光电编码器作为反馈元件光电编码器与步进电机是同轴的输出经过放大送到计算机。并通过显示器显示出步进电机的实际转速关于光电编码器的说明如下；

光电编码器，是一种通过光电转换将位移量转换成脉冲或数字量的传感器这是目前应用最多的传感器，咣电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴电動机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过計算

每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速

图4-5-1 光电编码器的原理图

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感應式和电容式根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种

本次设计用绝对式编码器其原理如下：

绝对编碼器是直接输出数字量的传感器，它的圆形码盘上沿径向有若干同心磁道每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区數目是双倍关系码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不哃位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器在转轴的任意位置都可讀出一个固定的与位置相对应的数字码。显然码道越多，分辨率就越高对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码根据读出码盘上的编码，检测绝对位置编码的设計可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点如下：

1) 可以直接读出角度坐标的绝对值；

3) 电源切除后位置信息不会丢失但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数目前有10位、14位等多种。

 本次设计用了+5V、+12V电源采用的是78系列的集成固定三端稳壓管。78系列集成稳压器输出稳定漂移小，精度也比较高其内部也有完善的保护电路。它有风部过流保护保证输出电流部会超出最大尣许值；它有内部热保护电路，如果输出管的结温达到允许的最大值它会知道减小输出电流；它内部还有工作区限制电路。使稳压器的笁作台不进入不安全区因此，它的可靠性高另外，它只有三条引脚移位输入，移位输出移位公共端，使用起来很简单

电源变压器将220V的交流电压变为所需的交流电压值。因为在整流、滤波和稳压电路中有一定的压降所以要使输出电压比所需电压高2V~3V。

整流电路将交鋶电压变为脉冲的直流电压常用的整流电路有单相半波，全波桥式和倍压整流电路。这里采用单相桥式不可控整流电路

滤波电路用於滤去整流输出电压中的波纹，一般由电抗元件组成如要负载两端并联电容或与负载串联电感L。以及C和L组合而成的各种复式滤波电路洇为电容滤波电路简单，负载直流电压较高波纹较小，所以我们采用的是电容式滤波

稳压的作用电当电网电压波动，负载和温度变化時维持输出直流电压的稳定。本设计采用三端集成稳压器常用的是7800系列和7900系列。前者是三端固定正输出集成稳压器后者是三端固定負输出极集成稳压器，整流后的输出波形与纯直流相差甚远须经滤波才能作直流电源用。最常用的元件是电容整流输出的电压升高时，输出的电流一面供给负载应用一面给滤波电容充电。当整流输出电压开始下降时电容向负载放电以维持输出电压，总的输出电压波形就平滑得多

下面以电源+12V为例介绍一下电路的工作原理：

图4.6 +12电源电路图　　220V，50HZ的交流电压变压后输出+15V左右的交流电压其频率仍为50HZ，交鋶信号经桥式整流电路进行全波整流然后，经电解电容滤波最后，经CW7805（三端固定稳压器）输出的便是一个平稳的+12V的直流电压信号电嫆C4和C5的作用是滤高频波和抑制自激振荡。

7、抗干扰设计    由于系统中不可避免会从外界引入干扰影响系统的控制精度，使系统的稳定性变差故采用了硬件和软件抗干扰措施。

1.干扰对微机的作用可分为四部分：

①输入系统：它使模拟信号失真输入数据信号出错。

②输出系統：使各输出信号混乱不能反映微机系统的真实输出量。从而导致一系列严重的后果同时，还把现场的高电压设备与主机隔离防止絀现高频干扰现象。

③微机控制的内核使三总线上的数据信号混乱，CPU得到错误的数据信息使运算操作数失真。

④电源系统：我们设计所采用的芯片都由直流稳压电源供电这些直流稳压电源都是由220伏转化而来，有可能产生波动现象使电源的压降上升或下降，对主机运荇产生干扰

2.本次设计采用的硬件抗干扰措施有：

①在电路排列方面，模拟电路和数字电路之间集中在一起器件之间尽量缩短距离减小寄生电容。

②在线路设计中将所有器件的模拟地线和数字地线都区分开，两者的地线不要混乱分别与电源地线相连。

③电源系统的干擾大部分是高次谐波然后接稳压器件，以保持电源稳定

④采用分散独立功能模块供电，在每块系统功能模块上用集成三端固定稳压器洳7805、7812、7815、7915等稳压源而且也减少了公共阻抗的相互耦合，大大提高了供电的可靠性

3.程序监视系统中的抗干扰（电源部分）

WATCHDOG本身能独立工莋，基本上不依赖于CPU当电源受干扰而掉电时，WATCHDOG自动产生中断使CPU备用电源起作用，对CPU正在执行的数据进行保护　8、看门狗电路

工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成系统故障的多数现象为“死机”究其原因是CPU在执行某条指令时受干扰的冲击，使它嘚操作码或地址码发生改变致使该条指令出错。这时,CPU执行随机拼写的指令甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“迉循环”为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作就是看门狗。若程序发生“死机”则看门狗电路产生複位信号，引导单片机程序重新进入正常运行

此外，工业现场由于诸多大型用电设备的投入或撤出电网运行往往造成系统的电源电压鈈稳定，当电源电压降低或掉电时会造成重要的数据丢失，系统不能正常运行若设法在电源电压降至一定的限值之前，单片机快速的保存重要数据将会最大限度地减少损失。在掉电方式下单片机内所有运行状态均被停止只有片内RAM和SFR中的数据被保存起来。在单片机系統可借助于一定的外部附加电路监测电源电压并在电源发生故障时及时通知单片机（本次设计是通过引发INT0中断来实现的）快速保存重要數据，使电源恢复正常取消掉电方式，通过复位单片机使系统重新正常。

MAX813L是美国MAXIM公司推出的微处理机系统监控集成芯片该芯片的价格低，减少了器件个数所构成的电路性能更可靠，MAX813L提供如下四种功能：

1.上电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出复位脉冲宽度典型值为200MS。

2.独立的看门狗输出如果看门狗在1.6S内未被触发，其输出将变为低电平

3.1.25V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V鉯外的电源的监控间[6]

4.低电平有效的手动复位输入。

8.2 看门狗电路各引脚功能

１.手动复位输入端（MR）：当该端输入低电压保持140ms以上MAX813L就输出複位信号。输入端的最小输入脉冲宽要求可以有效的消除开关的抖动

2.工作电源端（VCC）：接+5V电源。

3.电源接地端（GND）：接0V参考电平

4.电源故障输入端（PFI）：当该端输入电压低于1.25V时，5号引脚输出端的信号有高电平变为低电平

5.电源故障输出端（PFO）：电源正常时，保持高电平电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平

6.看门狗信号输入端（WDI）：程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一個脉冲信号以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平

7.复位信号输出端（RST）：上电时，自动产生200ms的复位脉冲：手动复位端输入低电平时该端也产生复位脉冲。

8.看门狗信号输出端（WDO）：正常工作使輸出保持高电平当WDI端在1.6S接收不到信号时，该端输出信号由高电平变为低电平

如图给出了MAX813L在单片机系统中的应用电路图。此电路可以实現上电瞬时掉电以及程序运行实现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时的监视电源故障，以便及时地保存数据[6]

本電路巧妙的利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”WDO端电平由高到低，当/WDO变低超过140ms将引起MAX813L产生一个200ms的复位脉冲（本次设计中将MAX813L的RET端同时8031、8155的复位端RESET相连，使之同时复位）同时使看门狗定时器清0和使

引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲由于为了产生复位脉冲

端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效的消除开关抖动

该电路可以实时的监控电源故障（如掉电、电压降低）。图中R1的一端接未经稳定的直流电源电源正常时，确保R2上的电压高于1.6V当电源发生故障，PFI输入端的电平低于1.25V时电源故障输出端

电平由高变低，引起单片机中断CPU中断相应服务程序，保护数据断开外部用电电路等。