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1、单片机系统课程设计摘 要随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域，成为了一种比较成熟的技术, 本文主要介绍了一个基于89C51单片机的远程步进电机控制系统，详细描述了利用主-从双单片机开发远程步进电机控制系统的过程，重点对步进电机在单片机下的硬件连接与驱动，主-从单片机通过串行口通信的软件编程以及各模块系统设计进行了详尽分析，对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现远程步进电机控制和显示，并可根据需要连续控制或单步控制步进电机，它使用起来相当方便，主从单片机仅通过RS-232串行电缆连接，具有远程控制、远程监控、连接简便、安全性高、功耗低等优点，适合
2、于工厂及办公场所的远程阀门控制，也可以当作远程控制模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。步进电机与AT89C51结合实现远程阀门控制系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行远程阀门控制，有广泛的应用前景。关键词：步进电机；远程控制；AT89C51目录摘 要I引言11设计背景21.1课题背景21.2设计内容22远程步进电机控制方案32.1系统结构框图32.2设计思路与方案32.2.1步进电机正反转的控制32.2.2键盘检测42.2.3串行口通信42.2.4动态显示43系统硬件设计53.1时钟及复位模块53.2按键模块63.3驱动模块73.4通信模块83.5显示模块94系统
3、软件设计104.1主机程序设计104.1.1显示子程序114.1.2按键扫描处理子程序134.1.3中断与计算子程序144.2从机程序设计164.2.1判断指令子程序174.2.2中断响应子程序194.2.3步进电机控制子程序205proteus仿真236总结26参考文献27附录1 主机源程序代码28附录2 从机源程序代码34附录3 电路原理图407引言步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化系统中，与其他类型的电机相比具有易于精确控制，无累积误差等优点。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，就驱动步进电机按设定的方向转一个
4、固定的角度，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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差的特点，广泛应用于各种开环控制。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，用它来做一些控制电器等不是很复杂的工作。单片机内部也拥有和电脑功能类似的模块，比如ALU，内存，总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，以及通信使用的串行口。本文设计一种用双89C51作为核心部件进行远程控制的步进电机控制系统。为使步进电机系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据系统的功能要求，通过单
5、片I/O口、串行口通讯、中断、键盘、四位八段数码管的扩展来实现远程控制步进电机的启停、正反转、单步运行、限位保护及监控等功能。1设计背景1.1课题背景步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛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俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的、多相时序控制器。步进电机的发展，依赖于新型材料的应用、设计手段，以及与驱动技术的最佳匹配。随着自动控制技术、
6、计算机网络通信技术在众多领域中的快速发展，以及进一步数字化、智能化，步进电机将会在更深入广泛的领域中得到应用。在主从分布式控制系统中，从机主要完成远端实时控制与数据采集，被采集数据经初步处理后通过串行口传送给主机。主机将从机发送来的数据进行处理后即时向用户提供各种控制过程的具体数据，与此同时进行人机交互。主机根据从输入电路输入的数据进行判断处理并给从机发送各种控制命令。它既利用了单片机的价格低，功能强，抗干扰能力强，温限宽等优点，又利用串行口进行远程通信，使操作者远在数十米之外也能控制具体参数。单片机集成的资源越来越多，内部存储资源也日益丰富，用户不需要扩充就可以完成项目开发，而且单片机抗干扰
7、能力也越来越强，使它更加适合工业控制领域。1.2设计内容本设计主要是介绍了基于单片机远程控制下的步进电机控制系统，详细介绍了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下：(1)主机利用独立键盘检测用户输入数据并通过串行口发送至从机，共有六种指令：停止、正转、反转、单步正转、单步反转、回到机械零点；(2)从机接收数据后进行判断，并控制步进电机运动，同时将当前位置发送至主机，位置范围从-128到+127；(3)主机接收当前步进电机位置信息后通过四位八段数码管以有符号十进制形式显示出来；2远程步进电机控制方案2.1系统结构框图主机89C51电源、时钟及复位电路电源、时钟及复位
8、电路从机89C51ULN2003A数码管显示电路串行口通信步进电机独立按键图2-1 89C51单片机总体设计结构框图2.2设计思路与方案对步进电动机的控制接口采用软件控制步进电动机的旋转。步进电动机的驱动脉冲由89C51单片机的编程来实现，由从机89C51芯片的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7发出，驱动步进电动机的A、B、C、D相。由于步进电机的正常工作电压是12V，故需要用达林顿晶体管驱动芯片驱动。通过主机89C51芯片的P3口来读取键盘输入的停止、正转、反转、单步正转、单步反转、回到机械零点控制信号，并通过89C51的串行口将控制状态发送至从机，从机接收信号后按照指令控制电动机工作，
9、同时实时将当前位置状态送回主机，主机接收当前位置信号并显示。2.2.1步进电机正反转的控制步进电机有四相绕组A、B、C、D以及公共端，当其中某一相绕组通电时在电动机内部形成NS极，产生磁场，当通电的相发生变化，磁场发生旋转，在磁场的作用下，转子将转动，若步进电机按单双八拍的方式来工作，则在、B、C、D相绕组上输入脉冲的顺序为AABBBCCCDDDAA:此时步进电机沿顺时针方向转动，即正转，若在、B、C、D各相绕组上依次输入脉冲AADDDCCCBBBAA:此时步进电机将沿逆时针方向旋转，因此只要控制脉冲输出顺序，就可以控制电机的正、反转。同时加入了限位值保护，当电机到达限位值时，自动停止运行，确
10、保人身及机械设备的安全。2.2.2键盘检测P3口内部集成了上拉电阻，所以只需将每根接口线通过开关接地，检测P3口的电平数据，即可判断出是哪个键被按下，同时执行相对应的操作。2.2.3串行口通信单片机的串行口由两个数据缓冲寄存器SBUF和一个输入移位寄存器组成，内部还有一个串行控制寄存器SCON和一个波特率发生器。接收与发送缓冲寄存器占用同一个地址99H，其名称同样为SBUF。CPU写SBUF操作，一方面修改发送寄存器，同时启动串行数据发送；读SBUF操作，就是读接收寄存器，完成数据的接收。特殊功能寄存器SCON用以存放串行口的控制和状态信息。根据对其写的控制字决定工作方式，从而决定波特率发生器
11、的时钟源是来自系统时钟还是来自定时器T1。特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD为串行口波特率的倍增控制位。表2-1串行口的控制寄存器SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI方式选择多机控制串行接收允许/禁止欲发的第9位收到的第9位发送中断有/无接收中断有/无SM0，SM1：为串行口工作方式控制位。共对应四种工作方式，在本设计中选用方式2：波特率固定11位异步通信方式，TXD为串行数据的发送端，RXD为串行数据的接收端。每帧数据为11位：1个起始位“0”，9个数据位和1个停止位“1”。发送时，第9个数据位由SCON寄存器的TB8位提供，接收到的第9位数据存放在SCON寄存器的RB8
12、位。波特率固定为： 波特率=（2SMOD * fOSC）/642.2.4动态显示步进电机当前位置通过串行口发送至主机后，主机处理当前位置信息，并通过四位八段共阳极数码管显示出来，为了节约系统输入输出口资源，输出使用动态显示过程，通过段选和位选达到一次仅使一位数码管亮起，但因为单片机速度极快以及人眼的视觉暂留原理，使人看上去像是四位数码管在同时亮起。3系统硬件设计单片机最小系统或者成为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般包括：单片机、复位电路、晶振电路。本控制系统中包含六个部分：复位及时钟模块、主控模块、按键模块、通信模块、驱动模块、显示模
13、块。用按键模块来输入要执行的命令，即正反停，单步运行及复位；通过主机主控模块及所对应的汇编程序，通过通信模块将命令传送给从机，从机通过驱动模块控制步进电机按照命令运转，并将当前位置通过通信模块传递至主机，主机通过显示模块显示当前位置。3.1时钟及复位模块引脚18和19接上一个12MHz的晶振及两个22pF的瓷介电容为单片机提供时钟信号。单片机RST通过10uF电容接至VCC，实现上电自复位，同时通过按键开关接至VCC，实现运行中手动复位，增加系统可靠性。图3-1 时钟及复位模块电路图3.2按键模块按键模块有六个按钮：停止按钮（STOP）、正转按钮（POS）、反转按钮（NEG）、单步正转（POS
14、_ONE）、单步反转（NEG_ONE），复位（RESET）分别控制电机的停止、正转、反转、单步正转、单步反转、返回机械零点。分别与AT89C51的P3.2（引脚12）、P3.3（引脚13）、P3.4（引脚14）、P3.5（引脚15）、P3.6（引脚16）、P3.7（引脚17）相连接，另一端都接地。当按下一个键时，使对应的引脚处产生低电平。 图3-2 按键模块电路图按下不同的按键，从P3口可以得到不同的数值，不同的数值对应不同的键被按下，被按下的键对应位为“0”，未被按下的键对应位为“1”，通过比对数值，可以判断出输入了哪种指令，从而进行相应的处理。不同按键对应数值如下表表3-1 按键对应数值按键STOPPOSNEGPOS_ONENEG_ONERESETP口数据FBF7EFDFBF7F3.3驱动模块单片机的驱动电路主要是用ULN2003A芯片来驱动。ULN2003A芯片是一个7路反相器，即第1到7引脚输入端为低电平时，对应输出端第16到10引脚输出为高电平，反之亦然。第9引脚COM提供工作电压，本设计中引脚1、2、3、4分别与AT89C51芯片的P3.7、P3.6、P3.5、P3.4口相连接，电动机中间引脚直接与12V电压相接，目的是驱动电动机，使其正常工作。图3-3 步进电机驱动模块电路图四相八拍式励磁法可以使步进电机运行更加平稳，步进角进一步减小，提高精确度，本设
