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AT89C51单片机实现串口通信步进电机调速系统设计
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更新于2024-06-24
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本文档主要探讨的是"基于串口通信的步进电机调速系统设计",这是一种利用AT89C51型单片机作为核心控制器的技术方案。系统的核心思想是通过单片机内部的定时器调整CP脉冲的频率,进而精确控制步进电机的转速,实现电机的正反转功能。串口通信在其中起到了关键作用,作为计算机与外部设备如步进电机之间高效的数据传输通道,它简化了硬件连接和通信过程。 在设计中,研究人员选择了VC++6.0开发环境,使用C语言编写串口通信程序。这种编程语言的选择不仅因其灵活性和广泛应用,还因为C语言能更好地与单片机交互,实现底层控制。通过串口,单片机发送步进电机的工作状态数据,操作人员可以在计算机端实时监控和调整电机的工作参数,比如脉冲频率和步进角度,以此来控制电机的转速。 步进电机的工作原理决定了其转速与脉冲信号的频率和脉冲数量密切相关,不受负载变化的影响。每个脉冲对应电机的一个固定步距角,通过调整单个脉冲到下一个脉冲的时间间隔,可以精确地调整脉冲频率,从而实现电机转速的精细控制。这种方法为步进电机的调速提供了有效且稳定的解决方案。 本文档的关键点包括:步进电机调速技术、单片机(AT89C51)的应用、串口通信的实际运用(如VC++6.0中的编程)、以及如何通过控制脉冲频率来实现电机转速的精确控制。这种设计对于实验室研究和工业自动化应用具有很高的实用价值,有助于提高生产效率并实现设备的远程监控和管理。
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内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)
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AT89C51
晶振
74LS04
74LS04
74LS04
光电
隔离器
光电
隔离器
光电
隔离器
功率放大
功率放大
功率放大
三
相
步
进
电
机
MAX232
图 2.2 电路框图
其中电路原理图(见附录 A)
2.2.2.1 晶振电路
·时钟震荡器:AT89C51 中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器,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馈元件的片
外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路如图。外接石英晶体(或陶瓷震荡器)
及电容 C1、C2 接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。对外接电容 C1、C2 虽然
没有非常严格的要求,但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、
起震的难易程序及温度稳定性,如果使用石英晶体,推荐使用 30pF±10pF,而如果使用
陶瓷谐振器建议选择 40pF±10pF。用户还可以采用外部时钟,采用外部时钟如图 2.3 所
示。在这种情况下,外部时钟脉冲接到 XTAL1 端,既内部时钟发生器的输入端,XTAL2
悬空。
图 2.3 内部震荡电路
X2
X1
GND
C2
C1
12HZ
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2.2.2.2 光电隔离器
光电耦合器是把发光器件(如发
光二极管)和光敏器件(如光敏三极
管)组装在一起,通过光线实现耦合构成电
一光和光一电的转换器件。图 2.4 所
示为常用的三极管型光电耦合器原
理图。当电信号送人光电耦合器的
输入端时,发光二极管通过电流 图 2.4 三极管型光电耦合器原理图
而发光,光敏元件受到光照后产生电流,CE 导通;当输入端无信号,发光二极管不亮,
光敏三极管截止,CE 不通。对于数字量,当输人为低电子"0"时,光敏三极管截止,输
出为高电平"1";当输人为高电平"1"时,光敏三极管饱和导通,输出为低电平"0"。若
基极有出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好,价格便宜,因
而应用广泛。
光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰,使通道
上的信号噪声比大为提高,主要有以下几方面的原因:
(1)光电耦合器的输入阻抗很小,只有几百欧姆,而干扰源的阻抗较大,通常为
105~106
W
。据分压原理可知,即使干扰电压的幅度较大,但馈送到光电耦合器输入端
的噪声电压会很小,只能形成很微弱的电流,由于没有足够的能量而不能使二极管
发光,从而被抑制掉了。
(2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系,也没有共地;之间的分
布电容极小,而绝缘电阻又很大,因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器
馈送到另一边去,避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
(3)光电耦合器可起到很好的安全保障作用,即使当外部设备出现故障,甚至输入
信号线短接时,也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受
几千伏的高压。
(4)光电耦合器的响应速度极快,其响应延迟时间只有 10μs 左右,适于对响应速度
要求很高的场合。
发光二极管
正极
负极
集电极
发射极
光敏三极管
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2.2.2.3 MAX232 的介绍
MAX232 是电压转换芯片,将 ttl 电平转换成可以和电脑串口匹配的电压 MAX232
芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的接口电路,使用+5v 单电源供电。
在传输方面,MAX232 内部将+5V 的电平提升为-10V~+10V,然后接受 TTL/ CMOS 的
+5V 电平,并转化成
±
10V 信号送到线路上。在接受方面,MAX232 从线路上接受
±
10V
信号,经过内部电路转换成+5V 电平。实际上 MAX232 只是一个电平转换器,但是只
需要+5V 电源与 4~5 个小电容(10uf 即可)就可以同时提供双向电平调整。
内部结构基本可分三个部分:
第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v
和-12v 两个电源,提供给 RS-232 串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。
其中 13 脚(R1IN)、12 脚(R1OUT)、11 脚(T1IN)、14 脚(T1OUT)为第一数据通
道。8 脚(R2IN)、9 脚(R2OUT)、10 脚(T2IN)、7 脚(T2OUT)为第二数据通道。
TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑
DP9 插头;DP9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从
R1OUT、R2OUT 输出。
第三部分是供电。15 脚 DNG、16 脚 VCC(+5v)。
2.2.3 PCB 板的生成
此硬件部分是建立在 protel99 的环境下工作的。
PCB 基本设计流程如下:前期准备->PCB 结构设计->PCB 布局->布线优化和丝印->制
版。
第一:前期准备。这包括准备元件库和原理图。要做出一块好的板子,除了要设计
好原理之外,还要画得好。在进行 PCB 设计之前,首先要准备好原理图 SCH 的元件库
和 PCB 的元件库。元件库可以用 Peotel 自带的库,但一般情况下很难找到合适的,最
好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做 PCB 的元件库,再
做 SCH 的元件库。PCB 的元件库要求较高,它直接影响板子的安装;SCH 的元件库要
求相对比较松,只要注意定义好管脚属性和与 PCB 元件的对应关系就行。PS:注意标
准库中的隐藏管脚。之后就是原理图的设计,做好后就准备开始做 PCB 设计了。
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