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基于单片机的步进电机控制系统

摘要
步进电机是一种通过电磁脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，其有易于开环精确控制、无累积误差等特点，在各个领域中获得了广泛的应用。
目前步进电机控制技术已经比较成熟，在高校教学中也越来越得到重视。有感于目前高校步进电机实验系统通常过于复杂昂贵，很难有效地使学生了解步进电机的控制方法并且亲自动手完成实验，因此本文研究的内容就是一套硬件系统比较简单、经济，但功能齐全、适应性强、操作方便，能够把数字电路、模拟电路、单片机技术、电机控制技术结合起来的步进电机教学实验系统。本文首先描述了步进电机的发展应用情况，以及常见的控制方式。然后以单片机为主控制器设计了一整套的控制方案，以及完整的程序流程以及设计。
关键词：步进电机 单片机 教学平台 控制方式

The Stepping Motor Control System Based on SCM
Abstract:
Stepping motor is a kind of component using electric pulse signal to control winding elements to realize angular displacement. It is easy to realize accurate control, no accumulated error an so on. Thus, it is got extensive application.
Stepper motor control technology has now more mature.And it more and more taken seriously in teaching in college. Feeling the stepper motor test system in college are usually too expensive and complicated. It is difficult to make students understand the principle of stepper motor and fulfill the experiment. Therefore, the contents of this paper is design a simple step motor control system, which has complete function, strong adaptability, easy to operate, high dependability, missing electronic technique, SCM technique and motor control technique. This paper describes the stepper motor application development, and common control first. Then, using SCM as a main controller to put forward the whole system, and the complete process flow and design.
Key words: Stepping Motor,SCM, Education Platform, Control

目录
1.1 步进电机的应用及发展前景 4
1.2 国内步进电机发展现状 5
1.3 课题背景及意义 7
1.4 主要技术指标 7
第二章 总体方案设计 7
2.1 系统工作原理 8
2.1.1 步进电机工作原理 8
2.1.2 步进电机控制方式 8
2.2系统控制方案论证 9
2.2.1 控制系统选择 9
2.2.2 控制电路选择 9
2.2.3 单片机控制信号方式选择 10
2.2.4 外围设备方案选择 11
2.2.5 键盘的选择 11
第三章 系统硬件设计 12
3.1 系统框图 12
3.2 硬件选择与设计 12
3.2.1 控制器选择 12
3.2.2 AT89S51外部电路 15
3.2.3 步进电机驱动芯片 18
3.2.4 光电编码器 20
3.2.5 光电编码器与单片机间数据传输单元 22
3.2.6 电源设计 22
第四章 系统的软件设计 23
4.1总体设计思想 23
4.1.1系统的工作过程 23
4.1.2程序设计方法选择 23
4.1.3编程语言的选择 24
4.2程序的设计 26
4.2.1 各功能程序设计方案 26
4.2.2 主程序 37
总 结 38
致 谢 39
参考文献 40
附录1：部分程序清单 41
附录2：硬件电路原理图 47

第一章 绪论
1.1 步进电机的应用及发展前景
步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机的特征：
1) 高精度的定位：步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例：其定位基本单位(分辨率)为0.72°(全步级)/0.36°(半步级)，是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分(±0.05°)以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。(步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度)
2) 位置及速度控制: 步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制(位置控制)，并可得到与该脉冲信号周波数(频率)成比例的回转速度。
3) 步进电机在停止状态下(无脉波信号输入时)，仍具有激磁保持力，故即 使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。
4) 动作灵敏：步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。
5) 开环系统控制、不必依赖传感器定位：步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器(ENCODER、转速发电机)及位置传感器(SENSOR)，就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。
6) 中低速时具备高转矩：步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。
7) 高信赖性：使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。
8) 小型、高功率：步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。
由于不仅电机的以上特点，使得步进电机控制成本低廉，硬件简单并可靠，因此在需要精确控制角度的 大量应用，如数控机床、绘图仪等。
1.2 国内步进电机发展现状
步进电机 行业整体运行态势良好.国产步进电机产业经过40多年的发展，特别是改革开放20多年以来的快速发展，取得了长足进步。目前， 国步进电机生产及配套厂家在1000家以上，并且以每年8%的速度递增，产量已占世界产量的60%以上，已成为国民经济和国防建设中不可缺少的基础性工业。国民经济与科学技术的发展，为电机传统产业提供了无限的发展空间。世界电机制造基地正在快速地向中国转移。当前，经济全球化和科技高新化这两大趋势正向 们迎面扑来，全球步进电机年需求量在50亿台以上，随着全球经济一体化进程的加快，步进电机生产的国际化已基本形成。加入wto后，国家对中小企业的保护政策如进口关税逐步降低，直到取消关税，国外电机凭借其优越的品质和低廉的价格进入国内市场，而出口到国外的电机各国行业协会或政府纷纷设置了许多技术壁垒，更让国产的电机全面卷入与世界电机的争夺战之中。因此，质量将成为竞争的核心和焦点。目前，步进电机在国内的生产厂家主要集中在东南沿海的江、浙、沪、闽、粤等五省市和华北地区，全国步进电机企业约1000多家，由国有企业、民营企业、外资或合资企业等多种经营成分共同组成，其中85%以上为中小型民营企业和部分外资或合资企业。经过多年的发展和技术改造，企业的整体实力得到了增强，生产技术水平有较大提高，质量管理体系比较健全，产品质量明显提高，在国内外市场上具有较强的竞争力，发展势头强劲。步进电机产业在 国的发展分两个阶段。第一阶段，顺应 国家电业发展的需要，应用于风扇、空调器、冰箱、洗衣机、排油烟机、小家电、保健器具等产品的步进电机，国内企业通过技术引进、设备引进吸收，已缩小了同发达国家的差距，部分产品的技术水平已达到国际先进水平，企业具有了很强的自主研发能力、自主知识产权，也形成了一些具有广泛市场知名度的产品品牌。电机产品在自身大量出口欧美等国际市场的同时也随着风扇、空调器等家电主机产品畅销国际市场，成为 国机电出口业务的主要部分。第二阶段，随着汽车工业的快速发展，车用步进电机的需求也迅速增长，带动了以永磁直流和无刷直流电机为主体的车用功能型步进电机的兴起。
但是，由于这些产品具有相对技术难度大、设备投入大、品种规格变化大的特点，另外，电机本身产品的技术质量直接关系到整车的可*性及品牌声誉。针对这种情况，国内一些步进电机主导企业主动出击，通过技术引进、国际合作和技术攻关，逐步掌握了这类产品的生产技术，其产品已逐渐被世界知名汽车制造企业所接受，正在成为世界汽车制造业的主要供应商。
尽管步进电机的生产厂家众多，市场竞争激烈，但正在向生产相对集中的方向发展。随着 国体制改革的不断深入，以长江三角洲和珠江三角洲为主体的步进电机产业密集带正在逐步形成，步进电机的龙头企业的市场占有率不断提高。
以空调用送风电机为例，国内生产厂家主要有卧龙控股集团、杭州松下电机、广东威灵、江苏天马等几家企业，占据了国内60%左右的市场份额。这些厂家具有一定的投资规模，装备先进，生产工艺成熟，技术设计较为领先，品种规格齐全，产品质量档次高，具有很强的市场竞争能力。特别是卧龙集团最近与日本松下公司合资，在新品开发和技术升级方面取得领先优势，在未来3年内可发展成为世界最大的空调电机生产企业。
步进电机兼有技术密集型和劳动密集型的双重特点，日本、欧美等工业发达国家将产品转移到国外生产，我国因具有巨大的市场潜力和丰富廉价的劳动力优势，已经成为欧、美、日等发达国家产业转移的主要接受地区，使步进电机产业的发展在今后相当长时间内具有良好的发展前景，可以充分利用先进的技术、管理手段、原材料及劳动力等有利条件，逐步发展成为全球步进电机制造中心。而且我国主要的几家行业龙头企业生产的步进电机均符合iec国际标准。
国步进电机的发展现状呈现如下的特点：
1）一批具有一定规模和实力的企业已经涌现。国内企业通过第一阶段的发展，无论是在企业经营机制变革、管理制度创新、技术创新能力突破及全球化竞争能力提高等诸方面，都已经形成了自身的特色，特别是在第一阶段中发展而成长起来的一些行业优势企业，市场占有率较大，具有较高的顾客满意度、较大规模、较强综合实力及很好的品牌知名度。
2）新产品开发能力不断提升，拥有一大批自主知识产权。
近几年各企业都投入大量资金进行技术改造，引进不少国外先进制造设备和测试设备，如有多台数控高速冲床、各种先进的自动绕线机以及各种国外先进的检测设备，大大提高了产品的质量和一致性。新产品开发能力有较大提升，拥有一大批自主知识产权，仅卧龙控股集团有限公司就拥有57项专利，并形成了批量生产能力。有的企业已建立批量生产无刷电机、振动马达、家电用电机、步进电机、汽车电机等各类新型电机的生产线。
3）零部件专业化生产水平不断上升。
为了降低生产步进电机的成本，提高竞争力，步进电机生产日趋社会化分工，生产规模化、专业化是一个发展趋势。近几年， 国步进电机零部件专业化生产水平有长足进步，许多企业都引进和添置许多设备，以确保大批量生产的品质。近年来，外资企业大量移师中国，为降低成本，都希望零部件本地化，这也大大促进 国步进电机零部件制造水平不断提升。 国已出现一批较高水平的零部件制造厂家，产品除与国内配套外，还远销海外。过去， 国步进电机关键材料的自制能力不足，不少材料还要依赖国外进口。近几年，这种状态有很大变化，相当部分材料都能自己生产，并形成一定规模。
1.3 课题背景及意义
由于步进电机的独有的特性，其在工业中的应用场合越来越多。然而目前高校在步进电机教学实验中通常采用集成试验台，这样的方式缺点有二：
1）集成实验台价格昂贵，集成度高维修困难，难以大量配备造成学生无法人手一机影响教学效果。
2）实验台使用便利，但内部封闭，导致学生难以观察实际的控制电路，对动手能力与理论实践结合能力提高有限。
而本课题就是要设计一种通用性强，可以根据要求随时扩展。强、成本低廉、开源、可随意扩展的步进电机控制系统，并且系统硬件结构简单，完全由程序的控制方式使学生在编写程序的过程中完全理解步进电机的控制原理。
1.4 主要技术指标
1、能使电机运行于三相双三拍和三相单双六拍的方式。
2、运行模式有单步、连续和预置步数三种。
3、预置步数运行模式时，步数设置范围为0-999步。
4、连续运行模式速度256档可调。
5、步进控制脉冲输出频率范围：15.3HZ-3.9KHZ.

第二章 总体方案设计
2.1 系统工作原理
系统采用51单片机作为处理器控制步进电机运动，以下详细介绍步进电机的控制方式。
2.1.1 步进电机工作原理

图2-1 步进电机结构示意图
如图2-1，电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。
2.1.2 步进电机控制方式
1）单三拍控制方式
先给绕组A通电，转子齿与绕组A对齐，再给绕组B通电，转子齿与绕组B对齐，电机旋转，再给绕组C通电，转子齿与绕组C对齐，电机再次旋转，依次重复给绕组A B C通电，电机即可连续旋转。单三拍控制方式是最基本的步进电机控制方式。
2）双三拍控制方式
同时给绕组A 、B通电，A与B同时获得磁性，转子锯齿与A、B 两相中间对齐，再给B、C同时通电，转子锯齿与B、C两相中间对齐，再给C、A同理。双三拍控制方式时，转子总是同时受到两个磁极合力影响，所以稳定性好。
3）六拍控制方式
六拍控制方式是单双三拍控制方式结合的控制方法，具体为先给A相通电，电机旋转，再给A、B同时通电，电机旋转，依次类推。通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA，六拍控制方式由于将步距角减少一半，可以提高控制精度。
2.2系统控制方案论证
2.2.1 控制系统选择
1.开环控制：
开环控制时没有位置反馈，不需要光电编码器之类位置传感器，因此控制系统的价格比较便宜。为了保证定位不出错，系统设计时步进电机的驱动脉冲频率不能设计的太高，电机的机械负载不能太重。
2.闭环控制
闭环控制则要采用光电编码器之类位置传感器将电动机的实际位置反馈给计算机，万一步进电动机失步，计算机发现电动机的实际位置没有达到给定值，就补发脉冲，直到电动机的实际位置和给定值一致或相当接近为止。
为了达到控制精度，并且作为实验平台需要体现出更多的控制方法，故选用闭环控制方式。
2.2.2 控制电路选择
1）电子电路控制系统
驱动步进电机的脉冲信号由脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路提供，这种控制方式成本低，电路简单，稳定性好。但扩展能力低，一旦需求改变，需要重新设计整个电路，功能单一。适合不需要扩展的工业场合使用。
2）基于PLC的控制系统
PLC也叫可编程控制器，是一种应用于工业的逻辑控制器。其通用性好，使用方便，硬件扩展性强。可通过程序控制PLC输出脉冲控制步进电机运动，并由PLC内部的定时器控制输出脉冲频率以控制步进电机转速。系统具有充分的可扩展性。 但由于PLC采用循环扫描方式，当不转速较高时，控制精度降低，并且由于PLC成较高，适合需求转速不高的大型工业场合。
3）基于单片机的控制系统
单片机控制步进电机，可以使用程序代替大部分电路功能，单片机输出脉冲，通过ULN2003升压控制步进电机，使用程序控制正转、反转、加速、减速、停止等功能。采用单片机可以通过程序精确控制，避免失步。用软件代替电路控制能提高系统的灵活性，并且通过单片机能建立显示功能，提高系统的交互性。
以上优点，本次设计采用基于单片机的控制系统。
2.2.3 单片机控制信号方式选择
1）串行控制方式
串行控制中，微机与步进电动机的功率接口之间只要两条控制线：一条用以发送走步脉冲串(CP)，另一条用以发送控制旋转方向的电平信号。
串行通信方式信号流程图如下：
单片机 P1.0
P1.1
脉冲分配器
功率驱动
步进电机

图2-2
脉冲分配器的作用是将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲。它有一路输入，多路输出。随着一个个脉冲的输入，各路输出电压轮流变高和变低
利用单片机的P1.1输出方向电平，P1.0输出走步触发脉冲。产生走步脉冲只要先对P1.0进行清零，过一会儿再进行一次置位就可以了。由于任何脉冲分配器对触发脉冲的最小脉宽都有一定的要求，所以在清零和置位之间插入的延时时间应有适当的长度。
2 并行控制
在并行控制中，微机通过数条并行口线，直接发出多相脉冲波信号，再通过功率放大后，送入步进电动机的各相绕组。这样就不再需要脉冲分配器。脉冲分配器的功能可以由微机用纯软件的方法实现，也可以用软件和硬件结合的方法实现
三相步进电机
P1.0
P1.1
P1.2
单片机
三相功率驱动接口电路

图2-3
串行控制的优点在于节省控制器资源，但成本较高，并行行控制方式占用控制器资源较多，但不需要外接脉冲分配器，成本较低且外部电路简单。综合考虑本系统采用并行输出方式。
2.2.4 外围设备方案选择
1）显示设备选择
显示设备为控制系统对用户输出信息的重要途径，单片机的显示系统通常使用数码管(LED)和液晶屏（LCD），下面会讨论两者的优缺点。
由半导体发光二极管组成的数码显示器（简称LED）是最常用的输出显示设备。它以价廉、可靠、耐用，对电流、电压要求低等优点，在计算机应用系统中获得广泛的应用。LED在脉冲工作状态下亮度较强，一般每秒可导通100—500次，每段发光二极管需要串接限流电阻，改变阻值可调亮度。单片机系统中LED为最常用的显示输出手段。
LCD液晶显示模块可以显示汉字、数字、图形等用户需要的大多数输出形式，但成本高，消耗控制器资源较多，需要编写复杂的驱动程序。
虽然LED成本低，使用方便，但由于本系统需要用汉字显示步进电机运动状态，故选用LCD作为显示设备。
2.2.5 键盘的选择
键盘选择方案有：矩阵式按键，独立式按键。
矩阵键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列线交点上，行列线分别接在按键开关两端，行线通过上拉电阻接到+5V电源上。平时按键无动作时，行线处于高电平状态，当键被按下时行线电平状态由与此行线相连的列电平决定，因此各键之间彼此相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来做适当的处理，才能确定闭合键的位置。而按键采用扫描识别方法：先将行线全部置0，当有键盘按下时，该列信号被拉至低电平。可判断有键盘按下，再依次给行信号送低电平，查看所有列信号，记录为0的那里，行列交叉点即为键盘位置。据此分析，很容易得出矩阵键盘的识别方法，分两步进行：第一步，识别键盘有无键被按下，第二步，如果有键被按下，识别该建的位置。
独立式按键就是各按键相互独立每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平可以很容易判断哪个按键被按下了。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键需要占用一根输入线，在按键数量较大时，将占用较多输入口，电路结构就显得复杂。故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
由于本系统需要的按键较多，且需要扩展空间，所以选择矩阵式按键。
第三章 系统硬件设计
3.1 系统框图
键盘输入
单
片
机
LCD
步进电机
光电编码器
并行信号转串行信号
电机驱动芯片

图3-1

系统工作流程：
用键盘选择步进电机的工作模式，然后读取光电编码器测得电机转子当前位置，经过74LS165将并行信号转成串行信号反馈给单片机，经过单片机处理，发送步进电机驱动信号,经过ULN2003芯片驱动步进电机。并在LCD上显示步进电机工作状态、转速等信息。步进电机转动位置由光电编码器检测得到。

3.2 硬件选择与设计
3.2.1 控制器选择
本方案选择单片机作为控制器，单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大
本系统使用单片机型号为AT89S51。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes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、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）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中。

1）主要性能参数：
● 与MCS-51单片机产品兼容
● 4K字节在系统可编程Flash存储器
● 1000次擦写周期
● 全静态工作：0Hz—33MHz
● 32个可编程I/O口线
● 2个16位定时器/计数器
● 6个中断源
● 全双工UART串行通道
● 低功耗空闲和掉电模式
● 掉电后中断可唤醒
● 看门狗定时器
● 双数据指针
● 灵活的ISP编程（字或字节模式）
● 4.0---5.5V电压工作范围
2)芯片的管脚功能：
I/O口引脚：
P0.0～P0.7—P0：
双向8位三态I/O口，此口为地址总线(低8位)及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。
P1.0～P1.7—P1:
8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。
P2.0～P2.7—P2:
8位准双向I/O口，与地址总线(高8位)复用，可驱动4个LS型TTL负载。
P3.0～P3.7—P3:
8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。
控制引脚：
RESET/VPD:
复位信号输入端，持续时间大于两个机器周期（24个时钟震荡周期）高电平有效。在单片机正常工作时，此脚应为0.5V低电平。
ALE/PROG:
地址锁存控制信号，在系统扩展时，ALE用与控制把P0口输出的 低8位地址送往锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振的1/6的固定频率输出正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
PSEN：
程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出的负脉冲作为读外部程序存储器的选通信号。此脚接外部程序存储器的OE(输出允许端)。PSEN端可以驱动8个LS型TTL负载。
EA/VPP—EA功能为内外程序存储器选择控制端。当EA端为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器；当EA为低电平时，对ROM进行读操作限定为外部程序存储器。
电源及时钟引脚：
电源引脚：
电源引脚提供单片机的工作电源。
VCC(40脚)：接+5V电源
VSS(20脚)：接地。
时钟引脚：
两个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接晶体振荡器 。
X1(19脚)：接外部晶体的一个引脚。该引脚是内部反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。
X2(18脚)：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，把信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
3.2.2 AT89S51外部电路
单片机工作需要外接部分电路构成最小系统，包括复位、始终、键盘等，下面对系统使用的外接电路进行介绍。
1）复位及时钟电路
MCS-51系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，如图。

图3-2
复位电路VCC通过电容C1滤波接地，当S10按下时，单片机复位端口RST被拉高，复位有效。如图所示。

图3-3
2）键盘

图3-4
采用矩阵键盘的方式，行线通过电阻接+5V，程序采用逐行扫描法。
该扫描法的特点是逐行扫描查询，这时相应行应有上拉电阻接高电平。图中行线上拉电阻接＋5V，列线逐列扫描。
判断键盘中有无键按下，将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与行线相交叉的按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
判断闭合键所在的位置，在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其他线为高电平，在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态，若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按键。
键盘列线同时接到单片机的外部中断口，当有键盘按下时进入中断。
3）LCD显示
本系统采用LCD 12864作为显示系统。
带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

图3-5
基本特性:
l 低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）
l 显示分辨率:128×64点
l 内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)
l 内置 128个16×8点阵字符
l 2MHZ时钟频率
l 显示方式：STN、半透、正显
l 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS
l 视角方向：6点
l 背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10
l 通讯方式：串行、并口可选
l 内置DC-DC转换电路，无需外加负压
l 无需片选信号，简化软件设计
l 工作温度: 0℃ - +55℃ ,存储温度: -20℃ - +60℃
12864引脚说明：

表3-1

3.2.3 步进电机驱动芯片
由于单片机本身I/O驱动能力不足以带动步进电机，需要采用一些方法使驱动信号放大至能需要的电压。这里采用ULN2003作为步进电机的驱动芯片。
ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。结构如图3-6。达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。具体接法如下，以两个相同极性的三极管为例，前面为三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面为三极管射极跟后面三极管基极相接，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管射极为达林顿管射极，用法跟三极管一样，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积，达林顿电路有四种接法：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP,PNP+NPN。前二种是同极性接法，后二种是异极性接法。NPN+NPN的同极性接法：B1为B，C1C2为C，E1B2接在一起，那么E2为E。这里也说一下异极性接法。以NPN+PNP为例。设前一三极管T1的三极为C1B1E1，后一三极管T2的三极为C2B2E2。达林顿管的接法应为：C1B2应接一起，E1C2应接一起。等效三极管CBE的管脚，C=E2,B=B1，E=E1(即C2）。等效三极管极性，与前一三极管相同。即为NPN型。
ULN2003经常作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等。
ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它 能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来 处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
 ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。

图3-6

表3-2

表3-3
3.2.4 光电编码器
光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。　
1）绝对式光电编码器
　　绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。
　　编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。图中是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111

图3-7
按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。
2）增量式光电编码器
　　增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变