单片机控制步进电机论文设计.doc

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科技大学远程与成人教育学院
毕业设计〔论文〕

题 目： 电梯控制的设计与实现

学习中心：远程与成人教育学院〔TY〕
专 业： 通信工程
年 级：2007级
姓 名：周鹏
学 号：207998102
指导教师： 许学东

2011年3月20日

科技大学远程与成人教育学院
毕业设计〔论文〕任务书

远程与成人教育学院〔TY〕学习中心远程与成人教育学院〔TY〕专业2007年级

周鹏同学〔学号207998102〕：

经研究决定，你的毕业设计〔论文〕题目为：
电梯控制器的设计与实现

指导教师为：儒敏
请你于2010年12月1日--2011年4月1日期间完成。

指导教师：〔签字〕
年 月 日
学 生：〔签字〕 周鹏
2011年3月20日

科技大学远程与成人教育学院
毕业设计〔论文〕指导教师评分

学习中心 远程与成人教育学院〔TY〕专业通信工程年级2007
学号207998102学生周鹏：
毕业设计(论文)题目电梯控制器的设计与实现

指导教师评分参考标准
序号
项 目
总分值
1
文献检索、调研、开题报告
10
2
根本理论的掌握及外语、计算机应用
15
3
数据〔事实〕真实可靠，综合分析、解决问题能力
30
4
设计〔论文〕水平、创新意识
15
5
完成的工作量和工作态度
15
6
全文规、图纸、图表、文字表达能力及书写质量
15

合 计
100
评分：
评语〔特别点评或结论，同时请说明是否同意该学生参加辩论〕：

指导教师〔签字〕：
年 月 日

科技大学远程与成人教育学院
毕业设计〔论文〕辩论评分和综合成绩

学习中心 远程与成人教育学院〔TY〕专业通信工程年级2007
学号207998102学生周鹏：
毕业设计(论文)题目电梯控制器的设计与实现
辩论评分参考标准
序号
项 目
总分值
1
论述的条理性、逻辑性
25
2
答复下列问题的正确性
30
3
设计〔论文〕容的正确性
20
4
设计〔论文〕水平及创新意识
25

合 计
100
评分：
评语：

辩论小组组长〔签字〕：
年 月 日
综合成绩
工程
评分
权重
加权分
指导教师评分

0.5

辩论评分

0.5

综合成绩
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指导教师〔签字〕：
辩论委员会主任〔签字〕：

摘要11
Abstract12
引言13
1步进电机常见的控制方案与驱动技术简介15
1.1常见的步进电机控制方案15
1.2步进电机驱动技术17
1.3　本文研究的容19
2步进电机概述19
2.1　步进电机的分类19
2.2　步进电机的工作原理20
3系统的硬件设计24
3.1　系统设计方案24
3.2单片机最小系统26
3.3单片机最小系统设计32
3.4单片机端口分配及功能33
3.5串口通信模块33
3.6数码管显示电路设计34
3.7电机驱动模块设计36
3.8驱动电流检测模块设计38
4系统的软件实现45
4.1系统软件主流程图45
4.2　系统初始化流程图46
43　按键子程序47
结论51
完毕语52
参考文献54

- word.zl
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摘 要

本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和本钱。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。
关键词: 步进电机控制系统，插补算法，变频调速，软硬件协同仿真

Abstract
In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LCD and keypad array, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Two-dimensional table as a charged object by stepper motor drive ball screw in X / Y axis linkage. This paper discusses a minimum of parameters to determine the trajectory of a circular interpolation method and the method of frequency control stepper motor. Stepper motor control system has been developed using the software and hardware co-simulation method, can effectively reduce the system development cycle and cost. Finally, the stepper motor control system application examples.
Key Words: Stepper motor control system,interpolation algorithms,frequency control,hardware and sofeware co-simulation

引 言
随着国经济的开展及人口不向都市集中，使都市的建筑物普遍朝高层化开展。电梯已成为不可缺少的运输设备，电梯在我们的生活中起着举足轻重的作用。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种人们频繁乘用的交通运输设备。交流电梯是采用交流继电接触器控制的最普遍。最大量的一种电梯控制类型，这种控制使用继电器数量大，保护连锁触点多。电气线路复杂，维护工作量大，可靠性稍差。随着微电子技术的开展，采用无触点控制来代替有触点控制已势在必行。由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦承受完成不易更改等缺点，所以需要开发一种平安、高效的控制方式。采用单片机构成控制系统，不但可以大大降低本钱，而且做成专用控制系统，程序被固化，加强了性，提高了可靠性。电梯作为垂直方向的交通工具，在高层建筑和公共场所已经成为重要的建筑设备而不可或缺。随着计算机技术和电力电子技术的开展，现代电梯已经成为典型的机电一体化产品。电梯具有很高的平安要求，它以零部件的形式出厂，总装配在工地现场进展，通过机械零部件之间的装配和机械装置与土建构造之间的的衔接完成安装，最终形成电梯产品。精心的制造和安装还不能完全保证无故障运行，其运行可靠性在很大程度上依靠维修保养。所以，电梯的制造、安装和维保不宜分割。大规模的经济建立尤其是蓬勃开展的房地产业给电梯行业开拓了广阔的市场　，2001年我国电梯产量达4.5万台，创造了行业开展史上的一个新的顶峰，被业人士称为“第三次浪潮〞。目前，中国经济建立需求的各类电梯、几乎全部可以在中国生产。由此可见，一个兴旺的电梯市场已经形成。进入80年代以来，随着经济建立的持续高速开展，我国电梯需求量越来越大。据统计，全世界平均1000人有１台电梯。我国如果要到达这个水准，还需要新装80万台。到那时候，每年仅报废更新就需要６万台。目前房屋建立势头仍然很好，电梯市场供需两旺，前景一片光明。市场竞争十分剧烈，电梯行业外商云集，国际上最大的电梯公司几乎全部进入我国，最先进的电梯产品争先在中国生产。美国奥的斯，瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森，日本三菱、日立、东芝、富士达等世界最负盛名的电梯公司先后在、XX、、、、、等地投资建厂，可以说能来的都来了。他们大多用合资的方式建立了最好的工厂，装备了最好的设备，引进了最好的技术，培训了最好的人才，目前合资企业在国的市场份额已超过80％，从这个意义上说，我国电梯行业早已参加了WTO。中国电梯市场的特色已经不是国企业之间的竞争，而是全球电梯劲旅的竞争这种世界级的剧烈竞争使我国的电梯用户成了最大的受益者，他们可以用最低的价格随意选购最好的电梯产品。
1步进电机常见的控制方案与驱动技术简介
1.1常见的步进电机控制方案
1基于电子电路的控制
步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三局部组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。

图1.1　基于电子电路控制系统
此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，本钱低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反响和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。
2基于PLC的控制
PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件构造稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，到达比拟大的驱动能力，来驱动步进电机。
采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件本钱。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能到达几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。
3基于单片机的控制
采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，到达了对步进电机的最正确控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停顿等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断效劳程序，完成对步进电机的最正确控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的方法实现脉冲的分配。
本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和准确控制，防止了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。
基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。
1.2步进电机驱动技术
步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反响式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进展控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、上下压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是构造简单、本钱低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的根底上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。
上下压驱动是指不管电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作完毕和低压工作开场的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比拟常见。
为了弥补上下压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。
为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而防止产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供应绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一局部，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一局部。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比方：电流分成n个台阶，转子那么需要n次才转过一个步距角，即n细分细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步迸电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
1.3　本文研究的容
在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成N-S极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前“走〞一步。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。
本设计采用AT89S51单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。
本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。
2步进电机概述
2.1　步进电机的分类
步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按构造特点电磁式步进电机可分为反响式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分那么可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反响式和混合式步进电机[7]。
(1)反响式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反响式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的构造简单，本钱低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反响式步进电机有单段式和多段式两种类型；
(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数一样，所以一般步距角比拟大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反响式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；
(3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反响式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反响式相比，构造上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比拟好，使其在运转过程中比拟平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比拟简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反响式步进电机。
2.2　步进电机的工作原理

1构造及根本原理
步进电机在构造上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进展高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供应连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是准确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。
通过电磁感应定律我们很容易知道鼓励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图2.1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。

图2.1鼓励线圈产生电磁场
2两相电机的步进顺序
1两相电机的单相通电步进顺序
在图2.2中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90°。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90°。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。

图2.2两相电机的单相通电步进顺序
2两相电机的双相通电步进顺序
图2.2中显示的步进顺序称为“单相鼓励〞步进。更常用的步进方法是“双相鼓励〞，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图2.3所示。在第1步中，两相定子的A相和B一样时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step1位置。在第2步中，两相定子的A相关闭，而B和a相〔此时的a相通电极性与第1步A相反〕同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step2位置。在第3步中，两相定子的a相和b一样时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step3位置。在第4步中，两相定子的b相和A一样时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step4位置。按照这样的通电方式电机就转过了一周[8] [9]。
两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电〞步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。

图2.3两相电机的双相通电步进顺序
3步进电机的半步工作方式
电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步〞。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90°的步进电机将每半步移动45°，见图2.4。但是，与“两相通电〞相比，半步进通常导致15%～30%的力矩损失〔取决于步进速率〕。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。
从原理图我们很容易看到半步工作方式其实就是将两相电机的单相通电工作方式和两相电机的双相通电工作方式相互结合起来。
两相步进电机的工作模式有两相四拍和两相八拍等两种，其中我们在图2.2和图2.3中展示的都叫做两相四拍工作模式，而下面的2.4图展示的就是两相八拍工作模式。

图2.4两相电机的半步步进顺序
3系统的硬件设计
3.1　系统设计方案
1系统的方案简述与设计要求
本设计采用单片机AT89S51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片L298及其外围电路构成了整个系统的驱动局部再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个根本的步进电机控制系统。系统的具体功能和要求如下：
1.单片机最小系统板的设计；
2.设计兼有两相两拍和两相四拍的脉冲分配器;
3.实现步进电机的启停、正转、反转控制；
4.驱动电路可提供电压为12V，电流为0.3A的驱动信号;
5.能实现步进电机的转速调节，最低转速为25转/分，最高转速为100转/分；
6.步进电机的转速由数码管显示；
7.键盘扫描电路的设计
2系统的组成及其对应功能简述
单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。
电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。
串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。
数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。
电机驱动电流检测模块主要是检测通过电机驱动芯片的电流，然后通过运放将检测到的信号放大，最后将放大后的信号通过模数转换芯片ADC0804处理后送给单片机。
独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速，显示电机电流等功能。采用了中断和查询相结合的方法来调用中断效劳程序，完成了对步进电机的最正确的及时的控制。
本节主要是在第一章和第二章的根底上引出了本论文将要采用的设计方案，并详细的清楚的一条条列出了设计要实现的根本设计要求。然后是基于我的设计方案，比拟简单的但有条理的描述了系统的各个局部的组成以及其对应的根本功能。通过这一章的容，我们能对本设计有一个简单的总体的把握，既是能清楚的知道此题目的设计容，设计方法，以及最终的预期目标。
3.2单片机最小系统
1AT89S51简介
AT89S51是美国ATMEL 公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片含4kbytes 的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程〔ISP〕也可用传统方法进展编程及通用8位微处理器于单片芯片中，功能强大。
1、主要性能参数
·与MCS-51 产品指令系统完全兼容
·4k 字节在系统编程〔ISP〕Flash 闪速存储器
·1000 次擦写周期
·4.0－5.5V 的工作电压围
·全静态工作模式：0Hz－33MHz
·三级程序加密锁
·128×8 字节部RAM
·32 个可编程I／O口线
·2 个16 位定时／计数器
·6 个中断源
·全双工串行UART 通道
·低功耗空闲和掉电模式
·中断可从空闲模唤醒系统
·看门狗〔WDT〕及双数据指针
·掉电标识和快速编程特性
·灵活的在系统编程〔ISP 字节或页写模式〕
2功能特性概述
AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128 字节部RAM，32 个I ／O 口线，看门狗〔WDT〕，两个数据指针，两个16 位定时／计数器，一个5 向量两级中断构造，一个全双工串行通信口，片振荡器及时钟电路。同时，AT89S51 可降至0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停顿CPU 的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM的容，但振荡器停顿工作并制止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3引脚功能说明
3.2AT89S51
·VCC：电源电压
·GND：地
·P0 口：P 0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口写“l〞可作为高阻抗输入端用。在和数据总线复用，在期间激活部上拉电阻。在F1ash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址〔低8 位〕。
·P1 口：Pl 是一个带部上拉电阻的8 位双向I ／O 口，Pl 的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4 个TTL逻辑门电路。对端口写“l〞，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 〔IIL 〕。
·P2 口：P2 是一个带部上拉电阻的8 位双向I ／O 口，P2 的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1〞，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 〔IIL 〕。在外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器〔例如执行MOVXDPTR 指令〕时，P2 口送出高8 位地址数据。在8 位地址的外部数据存储器〔如执行MOVXRi 指令〕时，P2 口线上的容 〔也即特殊功能存放器〔SFR〕区 P2 存放器的容〕，在整个期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控制信号。
· P3 口：P3 口是一组带有部上拉电阻的8 位双向I ／O口。P3口输出缓冲级可驱动 〔吸收或输出电流〕4 个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l〞时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流 〔IIL 〕。P3口除了作为一般的I ／O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。具体功能如表2.1所示
表3.1　P3口的引脚及功能
端口引脚
第二功能
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〔定时/计数器0外部输入〕
P3.5
T1〔定时/计数器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〕

·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的DISRT0 位〔地址8EH〕可翻开或关闭该功能。DISRT0 位缺 为RESET 输出高电平翻开状态。
·ALE ／PROG：当外部程序存储器或数据存储器时，ALE〔地址锁存允许〕输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1 ／6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的要注意的是：每当外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对F1ash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲 〔PROG〕。如 必要，可通过对特殊功能存放器〔SFR〕区中的8EH 单元的D0 位置位，可制止ALE 操作。该位置位后，只一条M0VX 和M0VC 指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 无效。
·PSEN：程序储存允许〔PSEN〕输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。当外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。
·EA ／VPP：外部允许。欲使CPU 仅外部程序存储器〔地址为0000H－FFFFH〕，EA 端必须保持低电平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时部会锁存EA 端状态。
如EA 端为高电平〔接Vcc 端〕，CPU那么执行部程序存储器中的指令。
F1ash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程电压Vpp 。
·XTALl：振荡器反相放大器及部时钟发生器的输入端。
·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
·存储器构造 ：MCS-51 单片机核采用程序存储器和数据存储器空间分开的构造，均具64KB外部程序和数据的寻址空间。
·程序存储器 ：如果EA引脚接地〔GND〕，全部程序均执行外部存储器。在AT89S51，假设EA 接至Vcc〔电源+〕，程序首先执行地址从0000H－0FFFH 〔4KB〕部程序存储器，再执行地址为1000H－FFFFH 〔60KB〕的外部程序存储器。
·数据存储器：AT89S51的具128字节的部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式，堆栈操作可利用间接寻址方式进展，128字节均可设置为堆栈区空间。
4晶体振荡器特性
AT89S51一个用于构成部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反响元件的片外石英晶体或瓷谐振器一起构成自激振荡器。
外接石英晶体〔或瓷谐振器〕及电容Cl、C2 接在放大器的反响回路 构成并联振荡电路。对外接电容Cl、C2 虽然没 十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的上下、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用瓷谐振器建议选择40pF ±10pF。
用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即部时钟发生器的输入端，XTAL2那么悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。
5Flash 闪速存储器的并行编程
AT89s51单片机部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展编程。
AT89S51的代码是逐一字节进展编程的。
编程方法：
编程前，须设置好地址、数据及控制信号，AT89S51 编程方法如下：
1．在地址线上加上要编程单元的地址信号。
2．在数据线上加上要写入的数据字节。
3．激活相应的控制信号。
4．将EA ／Vpp 端加上+12V 编程电压。
5．每对Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE ／PROG编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，大多数约为50us。改变编程单元的地址和写入的数据，重复1－5 步骤，直到全部文件编程完毕。
3.3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，其根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3.3所示：

图3.3单片机最小系统图
3.4单片机端口分配及功能
1、其中P 0口用于控制数码管的具体显示功能，既是数码管的段选。
2、P 1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、P 2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的。
4、P 3口主要用于负责处理ADC0804的模数转化芯片的工作。
3.5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3.4所示。

图3.4串口通信模块

3.6数码管显示电路设计
本设计的显示局部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表达在以下几个方面：数码管显示容单一，而液晶显示器显示容丰富，因为液晶一般都是七段八字的只能显示单一的容，而液晶显示的容就很丰富；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