基于单片机的步进电机控制系统设计(4)

因为外部时钟信号是通过一个2分频触发器后当作内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊的要求，但是最小高电平持续的时间和最大的低电平持续的时间应该符合产品技术条件的要求。 （5）Flash闪速存储器的并行编程

AT89S51单片机内部4k字节的可快速编程的Flash存储阵列。编程方法可通过传统的EPROM编程器使用高电压（+12V）和协调的控制信号进行编程。 AT89S51的代码是逐一字节进行编程的。 编程方法：

编程前，必须要设置好地址、数据以及控制信号，AT89S51 编程方法如下： （1）在地址线上加上需要编程单元的地址信号。 （2）在数据线上加上需要写入的数据字节。 （3）激活相应的控制信号。

（4）在EA／Vpp 端加上+12V的编程电压。

（5）每对Flash 存储阵列要写入一个字节或每写入一个程序加密位，需要加上一个ALE／PROG编程脉冲。每个字节写入的周期都是自身定时的，大多数约是50us。然后改变编程单元的地址和写入的数据，重复1－5 步骤，最后直到全部文件编程结束。 4.2.2单片机最小系统设计

采用AT89S51单片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。在本设计当中，单片机的P 0口、P 1口、P 2口、P 3口全部参与系统工作，单片机最小系统的接线如图4-3所示：

VCCXTAL2S1RSTC104R10K30PXTAL1RESET30P12MHZGND

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基于单片机的步进电机控制系统设计

1234567891011121314151617181920P1.0VCCP0.0（AD0）40393837363534P1.7RSTP3.0（RXD）P3.1（TXD）P3.2（INT0）P3.3（INT1）P3.4（T0）P3.5（T1）P3.6（WR）P3.7（RD）XTAL2XTAL1GND D? P20 RES2 LED33P0.7（AD7）EA/VPPALE/PROGPSENP2.7（A15）3231302928272625242322P2.0（A8）21 R? VCC

图4-3 单片机最小系统图

4.2.3单片机端口分配及功能

（1）其中P0口用于控制数码管的具体显示功能，既是数码管的段选。

（2）P1口主要用于控制电机驱动芯片L298的工作，以及ADC0804芯片的编程的读写控制。

（3）P2口主要用于控制数码管的公共端，既是数码管的位选。与此同时还处理键盘扫描电路。

（4）P3口主要用于负责处理ADC0804的模数转化芯片的工作。 4.3串口通信模块

本设计采用串口通信，来实现计算机与单片机的通信。其具体的电路图如图4-4所示。

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VccJ301162738495COMC301104C302104C303104C30410412345678C1+V+C1-C2+C2-V-T2outR2in VccGNDT1outR1inR1outT1inT2inR2out161514131211109VccP31P30IC301MAX232

图4-4 串口通信模块

4.4数码管显示电路设计

本设计的显示部分可以用液晶显示的方案可供选择，液晶显示和数码管显示的区别主要体现在以下几个方面：数码管显示内容单一，而液晶显示器显示内容丰富，因为液晶一般都是七段八字的只能显示单一的内容，而液晶显示的内容就很丰富；数码管还比液晶显示耗电，而且使用液晶也比使用数码管显得美观。但是控制液晶显示器的时候占用的系统资源多，编程更复杂，最关键的是液晶显示的成本是数码管的几十倍，所以考虑到应用价值，最终还是确定选用数码管实现本设计的显示部分功能。 4.4.1 共阳数码管简介

四位共阳数码管的管脚分配如下图4-5所示：

12D/G19 D/G2 8 D/G3 6 D/G4FGED1174211053CDPABABCDEFGDPABCDEFGDPABCDEFGDPABCDEFGDP

图4-5 四位共阳数码管管脚定义

数码管的管脚排列：从数码管的正面观看，左下角的那个脚为1脚，从1脚开始，按照逆时针方向排列依次是1脚到12脚，其中12、9、8、6为公共角，为位选信号输入端。剩余的八个脚是段选信号输入端，其对应方式是A-11、B-7、C-4、D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3。

只有详细的了解了数码管的管脚定义，以及段选位选情况，我们才能通过编程对其正常的显示进行很好的控制。在本设计当中采用了数码管动态扫描的方式进行显示，下面我们对数码管动态扫描显示作一详细介绍。

数码管动态显示界面是单片机中应用最广泛的一种显示方式之一，动态驱动就是将所有的数码管中的8个需要显示的笔划\的同名端连在一起，并且为每个数码管的公共极COM都增加位元选通控制电路，位元选通是由各自独立的I/O线控制，在单片机输出字形码的时候，所有数码管都会接收到相同的字形码，但是，究竟

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基于单片机的步进电机控制系统设计

是哪个数码管会显示出字形，这取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，因此我们只需要将要显示的数码管的选通控制打开，这个位元就会显示，没有选通的数码管是不会亮的。

经过分时轮流地控制各个LED数码管的COM端，就会使每个数码管轮流的受控显示，这就是所谓的动态驱动。在这个轮流显示的过程中，每位元数码管点亮的时间是1～2ms，因为人视觉的暂留现象和发光二极管余辉效应，虽然各位数码管不是同时点亮的，但是如果扫描速度很快，人们也会感觉到一组很稳定的显示资料，不会出现闪烁感，动态显示和静态显示效果都是一样的，能够节省很多的I/O口，并且功耗更低[18]。 4.4.2 共阳数码管电路图

本设计选用了数码管显示设计，其段选的控制A、B、C、D、E、F、G、DP按照数码管的简介资料选用了P 0口作为其控制端口，其位选部分由于单片机的控制端口输出的电压不足以直接点亮数码管，所以在单片机控制端口和数码管的位选控制端口加入了三极管，其具体的电路连接如图4-6所示。

R1270VccR24321P27P26P25P24270VccR3270VccR4270VccR8330R7330Q4PNPR6330Q3PNP共阳数码管R5330Q2PNPP00P01P02P03P04P05P06P07Q1PNP1234Header 4H

图4-6 数码管显示电路

4.5 驱动电流检测模块设计

本设计的驱动芯片电流检测模块的实际应用意义在于检测流过电机的电流值并及时显示，对于防止电机过流而损坏电机有一定的意义。从上面的L298的芯片资料当中我们可以知道L298的Pin1和Pin15可与电流侦测电阻连接来侦测电机正常工作的情况下的工作电流。一般检测电流的方法是通过检测电压值，然后通过欧姆定律换算电流值的方法测试电流，本设计也不例外。设计采用的42BYG101反应式步进电机，其额定电流值0.2安，在加上一般常用的电流侦测电阻都是1欧姆或0.1欧姆，这样换算来检测到的电压值一般是在mV级，这样以来，要是直接将检测到的电压值送给ADC0804进行模数转换那么由于精度的原因势必会对检测结果的准确性造成很大的影响。所以考虑到这一原因我们是先将检测到的电流值经过OP07作放大处理后再将信号送给模数转换芯片处理这样保证了检测值的可靠性。ADC0804输出的数字信号再送给单片机的P3口，经

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过单片机处理后最后将检测到的数字信号通过数码管显示出来。而在显示这一部分有这样一个问题，就是步进电机的工作电流不是一个恒定值，它是随着时间的变化，会在一个小范围内不停的波动为了使显示出来的电流数据更可靠，我们通过单片编程，采用了取一段时间的电流的平均值显示出来。形象的展示这一模块的整个工作流程就是如下图4-7所示：

图4-7电流检测框图

输入信号 信号放大 数模转换 单片机 数码管显示 高电源电压范围：±3V至±22V

5 系统的软件设计

本系统的软件设计主要包括系统初始化，延时子程序，键盘响应程序，数码管显示程序，读取ADC0804子程序和控制脉冲输出部分，事实上每一个部分是密切相关的，每个功能模块的总体设计是非常重要的，单片机AT89S51单片机通过软件编程使系统真正的运行，软件的设计也直接决定着运行质量。

程序的设计流程图如下的自上而下的原则，即从主体逐渐细分为各个模块的流程。在流程图中的过程控制设计清晰。解释程序将在本章的章节中详细解释。 5.1 系统软件主流程图

当系统的电源，通过单片机复位电路系统上电复位后系统初始化后，开始等待关键查询执行相应的操作，按下按钮时调用的程序并执行相应的子程序，图5-1的主要过程如下：

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