1、 .PAGE70 / NUMPAGES76 .本科畢業設計論文題目：旋轉磁場儀的硬件設計院 （系）： 電子信息工程學院專 業： 生物醫學工程 旋轉磁場儀的硬件設計摘要所有生物體都具有磁場，在生物體周圍的環境中也常常存在著很多形式的磁場，這些磁場對生物體的組織結構和生理活動都會產生一定影響。磁場對生物體的影響效應一方面和磁場本身的特征相關，別一方面也和生物的種類和磁場的作用部位有關。為了更方便、準確地研究旋轉磁場的生物效應，本課題根據已學過的電子電路知識、單片機控制技術等知識，研究設計了一種以單片機為核心的高精度旋轉磁場儀。本設計以AT89C51單片機為核心，利用單片機自身帶的定時中斷，I/O輸

2、出以與將一些外圍器件等有機結合起來，實現用按鍵對步進電機的連續調速，實時控制與顯示步進電機的工作方式。另外，采用優化合理的步進電機驅動電路，用軟件編程等精確控制技術，使整個系統工作穩定可靠。本設計對系統的硬件、軟件進行了設計與實現，硬件部分主要包括基于PROTEUS的系統原理圖的設計、仿真和PCB電路板的制作。軟件設計主要包括C語言在程序設計中的應用，用鍵盤輸入控制步進電機的運轉方式以與將運行狀態顯示于液晶屏。關鍵詞：單片機；步進電機；旋轉磁場；磁場生物效應The Hardware Design of Rotating Magnetic FieldAbstractAll life forms

3、have magnetism.All kinds of magnetic field would have some effects on the configuration and activities of life forms that whichever environmental magnetic,additional magnetic or inside magnetic of organism.The biologic effects are related to the characteristics and the intension of the magnetic fiel

4、d,as well as the species and the tissues of the life forms.In order to study on biological effects of rotary magnetic field conveniently and precisely,In this subject, according to the knowledge has been learned of the electronic circuits,MCU control technology,and research and design a instrument f

5、or generating rotary magnetic field,which is based on a single-chip microcomputer.The design for the AT89C51 microcomputer as the core,the microcomputer itself with the timer interrupt,I/O output and peripheral devices combine to achieve a continuous speed control with buttons on the stepper motor,s

6、tepper motor real-time control and display of ways of working.In addition,the optimization of stepper motor drive circuit,software programming and precise control of the whole system is stable.The design of the system is the design and implementation of hardware and software,The hardware part includ

7、es the system schematic diagram based on the PROTEUS design,simulation and PCB circuit board production. The software design includes C language programming,with the keyboard input to control the stepper motor works,and will run the state displayed on the LCD screen to good effect in the actual prod

8、uction application.Key words: single chip microcomputer;step motor;rotary magnetic field;biological effects of magnetic fields目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc26765 中文摘要 PAGEREF _Toc26765 I HYPERLINK l _Toc11546 英文摘要 PAGEREF _Toc11546 II HYPERLINK l _Toc30260 1 緒論 PAGEREF _Toc30260 1 HYPERLINK l _Toc

9、17984 1.1 課題背景、意義與國外相關研究情況 PAGEREF _Toc17984 1 HYPERLINK l _Toc18 1.1.1 課題背景 PAGEREF _Toc18 1 HYPERLINK l _Toc1389 1.1.2 課題研究意義 PAGEREF _Toc1389 2 HYPERLINK l _Toc2773 1.1.3 國外相關研究情況 PAGEREF _Toc2773 2 HYPERLINK l _Toc28773 1.2 課題的主要研究容 PAGEREF _Toc28773 3 HYPERLINK l _Toc31692 1.3 論文的結構安排 PAGEREF _

10、Toc31692 4 HYPERLINK l _Toc3333 1.4 本章小結 PAGEREF _Toc3333 4 HYPERLINK l _Toc18432 2 系統控制與所用軟件概述 PAGEREF _Toc18432 5 HYPERLINK l _Toc28745 2.1 步進電機概述 PAGEREF _Toc28745 5 HYPERLINK l _Toc15411 2.1.1 步進電機的定義 PAGEREF _Toc15411 5 HYPERLINK l _Toc22745 2.1.2 步進電機運行原理概述 PAGEREF _Toc22745 5 HYPERLINK l _Toc

11、21929 2.1.3 步進電機驅動的常用方式 PAGEREF _Toc21929 5 HYPERLINK l _Toc11039 2.2 PROTEUS軟件簡介 PAGEREF _Toc11039 6 HYPERLINK l _Toc14972 2.3 KEILC51軟件簡介 PAGEREF _Toc14972 6 HYPERLINK l _Toc17116 2.4 本章小結 PAGEREF _Toc17116 7 HYPERLINK l _Toc5446 3 系統設計方案規劃 PAGEREF _Toc5446 8 HYPERLINK l _Toc28311 3.1 設計容概述 PAGERE

12、F _Toc28311 8 HYPERLINK l _Toc30566 3.2 系統功能概述 PAGEREF _Toc30566 8 HYPERLINK l _Toc19296 3.3 系統原理概述 PAGEREF _Toc19296 9 HYPERLINK l _Toc15920 3.4 系統總體硬件框圖 PAGEREF _Toc15920 9 HYPERLINK l _Toc11187 3.5 本章小結 PAGEREF _Toc11187 10 HYPERLINK l _Toc6848 4 系統硬件部分設計 PAGEREF _Toc6848 11 HYPERLINK l _Toc19081

13、 4.1 系統硬件設計說明 PAGEREF _Toc19081 11 HYPERLINK l _Toc6477 4.2 系統主要器件選擇 PAGEREF _Toc6477 11 HYPERLINK l _Toc21463 4.2.1 單片機的選擇 PAGEREF _Toc21463 11 HYPERLINK l _Toc11308 4.2.2 步進電機的選擇 PAGEREF _Toc11308 14 HYPERLINK l _Toc22018 4.2.3 功率驅動芯片的選擇 PAGEREF _Toc22018 15 HYPERLINK l _Toc8172 4.2.4 外擴程序存儲芯片 PAG

14、EREF _Toc8172 15 HYPERLINK l _Toc3103 4.2.5 74LS373芯片 PAGEREF _Toc3103 15 HYPERLINK l _Toc18724 4.2.6 7404芯片 PAGEREF _Toc18724 15 HYPERLINK l _Toc12014 4.2.7 CD4068芯片 PAGEREF _Toc12014 15 HYPERLINK l _Toc496 4.2.8 液晶顯示器的選擇 PAGEREF _Toc496 16 HYPERLINK l _Toc10996 4.3 系統模塊電路 PAGEREF _Toc10996 16 HYPE

15、RLINK l _Toc31802 4.3.1 晶振電路模塊 PAGEREF _Toc31802 16 HYPERLINK l _Toc19490 4.3.2 復位電路模塊 PAGEREF _Toc19490 16 HYPERLINK l _Toc22321 4.3.3 步進電機驅動模塊 PAGEREF _Toc22321 17 HYPERLINK l _Toc13282 4.3.4 串口通訊電路模塊 PAGEREF _Toc13282 17 HYPERLINK l _Toc6564 4.3.5 按鍵電路模塊 PAGEREF _Toc6564 18 HYPERLINK l _Toc21649

16、4.3.6 液晶顯示電路模塊 PAGEREF _Toc21649 18 HYPERLINK l _Toc31 4.3.7 外擴程序存儲模塊 PAGEREF _Toc31 18 HYPERLINK l _Toc17828 4.4 本章小結 PAGEREF _Toc17828 19 HYPERLINK l _Toc17655 5 系統軟件部分設計 PAGEREF _Toc17655 20 HYPERLINK l _Toc7687 5.1 系統軟件設計說明 PAGEREF _Toc7687 20 HYPERLINK l _Toc31145 5.2 單片機主程序流程和初始化模塊 PAGEREF _To

17、c31145 20 HYPERLINK l _Toc11905 5.3 LCD初始化與顯示判斷模塊 PAGEREF _Toc11905 21 HYPERLINK l _Toc1075 5.4 按鍵掃描定時中斷控制模塊 PAGEREF _Toc1075 21 HYPERLINK l _Toc1051 5.5 步進電機脈沖產生模塊 PAGEREF _Toc1051 23 HYPERLINK l _Toc10333 5.6 LCD字符提取模塊 PAGEREF _Toc10333 23 HYPERLINK l _Toc6876 5.7 本章小結 PAGEREF _Toc6876 23 HYPERLIN

18、K l _Toc1024 6 系統仿真、PCB設計與實物展示 PAGEREF _Toc1024 24 HYPERLINK l _Toc11103 6.1 系統硬件仿真測試 PAGEREF _Toc11103 24 HYPERLINK l _Toc24272 6.1.1 系統仿真說明 PAGEREF _Toc24272 24 HYPERLINK l _Toc4614 6.1.2 開機界面顯示 PAGEREF _Toc4614 24 HYPERLINK l _Toc28983 6.1.3 控制界面顯示 PAGEREF _Toc28983 24 HYPERLINK l _Toc1241 6.1.4

19、系統仿真波形 PAGEREF _Toc1241 26 HYPERLINK l _Toc9024 6.2 PCB電路板繪制 PAGEREF _Toc9024 28 HYPERLINK l _Toc13654 6.3 系統實物展示 PAGEREF _Toc13654 29 HYPERLINK l _Toc2980 6.4 本章小結 PAGEREF _Toc2980 29 HYPERLINK l _Toc9655 7 結論 PAGEREF _Toc9655 30 HYPERLINK l _Toc30840 7.1 設計總結 PAGEREF _Toc30840 30 HYPERLINK l _Toc3

20、0076 7.2 設計收獲 PAGEREF _Toc30076 30 HYPERLINK l _Toc22027 7.3 設計中存在的問題與解決方法 PAGEREF _Toc22027 30 HYPERLINK l _Toc18238 參考文獻 PAGEREF _Toc18238 32 HYPERLINK l _Toc11764 致 PAGEREF _Toc11764 34 HYPERLINK l _Toc12818 畢業設計（論文）知識產權聲明 PAGEREF _Toc12818 35 HYPERLINK l _Toc1896 畢業設計（論文）獨創性聲明 PAGEREF _Toc1896 3

21、6 HYPERLINK l _Toc772 附錄系統總體原理圖 PAGEREF _Toc772 37 HYPERLINK l _Toc31558 附錄系統PCB效果圖 PAGEREF _Toc31558 38 HYPERLINK l _Toc30580 附錄系統源程序代碼 PAGEREF _Toc30580 39 HYPERLINK l _Toc8571 附錄英文文獻與翻譯 PAGEREF _Toc8571 48緒論課題背景、意義與國外相關研究情況課題背景磁場對生物的影響與生物磁性的發現和研究有著悠久的歷史，但生物磁學作為磁學和生物學之間的一門邊緣學科而獲得迅速發展的廣泛應用以與受到普遍的重視

22、，卻還是比較近期的事。我國是最早發現和利用磁性的國家，而且也是最早利用磁石治病，首先開創生物磁學的國家。遠在兩千多年前的西漢初期，就有了磁石治病的記載。此后歷代的醫藥典籍上都有這方面的豐富資料。在國外，磁石在古代醫藥上的應用也可追溯到古希臘時期。到目前為止，在利用磁場治病（磁療）和磁場麻醉（磁麻）方面，我國還是處于世界的領先地位。磁場生物效應是生物磁學研究的一個重要容。地球上的生物是在地球磁場( 很弱，約0.5G)的作用下生存和發展的，且已適應地磁并把它作為正常生活條件的一部份，如同地球上的溫度、氣壓等。當人為地改變生物體周圍的磁場時， 破壞了生物體原來的磁平衡狀態，由此產生的一系列生物體生理

23、或心理變化， 稱為磁場的生物效應。磁場的生物效應是近二、三十年才逐漸受到人們的重視。并且首先是從研究電磁場對人體造成的危害開始，像X射線、射線具有電離作用的輻射對人體的傷害作用與在醫學上的診斷治療作用均被廣泛認識和接受1。長期以來，由于低頻率的電磁場(50Hz60Hz)對組織不產生熱效應和可感知的物理或化學反應，因此人們一直認為這種電磁場對生物體沒有任何生物學效應2。直到1967年聯人Vyalov3調查了1068名接觸磁場強度為0.001T0.1T(1T=104G)的職業人員，發現有的人產生不明原因的植物神經系統失調，如疲乏、頭痛、失眠、消化不良等。這些效應大多是暫時性功能性變化，但經過3年5

24、年也有產生不可逆的器質變化。1979年，Wetherimer和Jeeper4首次報道兒童白血病發病率明顯升高與居住的地方過于靠近高壓線有關。盡管這一重要的流行病學研究在當時被認為缺乏精確的電磁場強度和病例收集，但仍然引起了強烈反響。進一步研究發現，凡是接近強磁場的均增加患白血病和腦瘤的機會。這些情況使有關學者開始關注磁場的生物效應。隨著核磁共振和磁療器械的應用，人們接觸強磁場的機會越來越多，更加重視磁場生物效應的研究，并從動物實驗和臨床觀察應用兩方面取得了相當的成果。外加磁場對生物的影響，屬于磁場生物效用，而生物自身的磁場屬于生物此現象，兩者雖都是生物磁學研究的容，但它們屬于兩個不同的領域。一

25、般說來，磁場生物效用是多種多樣的，不但不同類型的磁場，如恒定磁場、交變磁場、脈沖磁場、旋轉磁場、強磁場、弱磁場所產生的生物效應很不一樣，即使同樣類型的磁場，對于不同的生物層次，如生物分子、細胞、組織、器官和生物活體的影響也不一樣，而且對于不同的生物，如微生物、植物、動物和人類的作用也有差異。課題研究意義生物的磁效應，已經是不爭的事實。生物磁學的研究雖然有著悠久的歷史，但較為系統的研究是十九世紀末期特別是二十世紀中期的事。由于過去積累了不少資料，現代物理學、磁學和生物學的迅速發展，使生物磁學的研究圍不斷擴大，加以當代工農業生產、醫藥衛生、環境保護、宇宙航行等的現實需求，要求研究和應用磁場對生物和

26、人體的影響，生物磁性與生物結構和功能之間的關系。此外，現代磁技術的迅速發展，提供了生物磁學的宏觀和微觀研究的物理基礎。既有現實的需要，又有各方面的可能，以至推動了近幾十年來生物磁學這門邊緣學科不斷地又簡單到復雜，由現象到本質，由宏觀到微觀的深入發展。目前除恒定磁場外，還對不同頻率不同強度的交變磁場和不同寬度不同重復頻率的脈沖磁場對生物與人體的影響進行研究；根據電流產生磁場的效應，生物體的電流會在其周圍產生微弱磁場。對于這些生物磁場的研究，將有助于闡明生物活動中的一些生理和病理現象；生物的不同組織器官具有不同的磁性，這一方面與組織器官的組成和結構有關，另一方面也與其生理和病理狀態有關。因此，生物

27、材料磁性的研究也可以提供有關生物材料的結構和活動情況的信息。磁在醫療上的應用已經有不少，在農業中的應用也有所聞，一些成功單位事例，顯示出生物磁效應的美好應用前景，當然，旋轉磁場的生物效應也包括在，并且也取得了一定的成就。旋轉磁場作用于生物體后，在生物體引起一系列的生物學效應，為臨床磁療提供了理論基礎3。要研究旋轉磁場的生物效應，就必須有能產生旋轉磁場的儀器，產生旋轉磁場的方法多種多樣。常用直流電機帶動永久磁塊旋轉的方法來產生，對于直流電機的轉速穩定程度受控制電壓和本身外界阻力等因素的影響，故其旋轉磁場的頻率精度會受到較大的影響。為了克服其轉速不穩等，本課題利用步進電機轉速的高精確穩定性和單片機

28、的強大控制與邏輯運算能力，研制具有高精確穩定性旋轉磁場。國外相關研究情況關于旋轉磁場生物效應的研究，近年來在國外都取得了許多新的進展。目前已有實驗研究了其對于血細胞5和血液流變學、組織愈合、酶和自由基、血糖與組織細胞6、膽汁、損傷康復、骨7、桿菌生長8等方面的影響。例如：1.低頻旋轉磁場對人體表面熱分布和血壓與心率的影響9：研究結果發現，0.4T低頻(7Hz)旋轉永磁場可以改善人體表面熱分布，影響人體的收縮壓、舒壓、以與收縮與舒壓力差，降低患者的心率。該結果表示0.4T低頻(7Hz)旋轉永磁場具有一定生理活性，有助于提高人體健康水平。2.磁場對細胞生長分裂的影響10：磁場的生物效應因施用方式不

29、同而異，脈沖磁場能使細胞破碎，弱恒滋場能促進細胞生長而強恒場則抑制細胞分裂，旋轉和平移磁場下，細胞的生物效應大于恒場并隨著時間的延長會產生和脈沖場一樣的結果，生物效應的強弱和細胞種類大小、運動速度11以與細胞所處的不同時期均有關系。3.旋轉磁場對血細胞和血液流變學的影響12：對血細胞的影響：于玲娜等應用磁感應強度0.080.09T 的旋磁作用于試管的離體血液實驗中發現，白細胞在旋轉磁場作用下，產生應激反應，使細胞代加強，部分細胞發生超微結構的改變，也可能是引起白細胞減少的原因之一。磁場使紅細胞體積增大，攜氧能力增加，有利于改善組織的供血供氧狀態，促進代；對血液流變學的影響：梁路光等報告，應用磁

30、感強度為0.09T的旋磁場作用于大鼠腹部，又以表面磁感強度為0.25T的磁片貼敷于大鼠腹部，各為每天30分鐘共1周，然后測定血液流變學的全血比粘度、血漿比粘度和紅細胞壓積等指標13，結果在上述磁場作用下，實驗組大鼠的血液粘度和血漿粘度明顯降低，全血粘度降低非常明顯。立等報告，應用磁感應強度為0.05T的磁片貼敷于關、外關、少商、合谷、曲池、足三里等穴位，治療類風濕性關節炎61例14，發現全血粘度、全血還原粘度、血細胞壓積等血液流變學指標均有下降。上述作者的研究表明，磁場有改善血液流變學的作用。4.磁場對組織愈合的影響：經梁應權15、常漢英16、續力民17、王萬春18等研究表明，磁場不僅對軟組織

31、的損傷可以加快其愈合，而且對硬質組織的骨折也可以促進其愈合。5.磁場對瘢痕組織的影響2：于玲娜等進行了磁場對瘢痕組織影響的觀察研究，以磁感應強度0.080.09T的旋磁場作用于大鼠的人工瘢痕處，觀察對瘢痕組織的影響，結果通過光鏡可見表皮增厚，瘢痕與橫紋肌退變等異常改變，這些變化以磁療組最輕，而對照組改變明顯，認為磁療有防治瘢痕形成與促進瘢痕軟化的作用。6.對某些酶和自由基的影響19：對酶的影響：夏緒剛等應用旋轉時磁感應強度為0.08T的旋磁場作用于大鼠頸總動脈區20分鐘，觀察大鼠缺血再灌注大鼠磷脂酶A2(PLA2)和皮素( ET)含量的影響，實驗結果表明，旋磁場有抑制磷脂酶A2的活性與減低皮素

32、含量的作用，對于腦缺血再灌注損傷有防治功效；對自由基的影響20：關于磁場對自由基的影響，國的研究結果表明，磁場具有清除自由基的作用11。課題的主要研究容該課題主要通過以單片機為核心控制，步進電機為驅動，實現高精確穩定的旋轉磁場，其整體設計思路是：將磁場強度不同的永久磁條，通過固定架固定在步進電機的轉軸上，當步進電機轉動時，其永久磁鐵產生的磁場也跟著旋轉，從而產生旋轉的磁場。因而步進電機的轉數決定旋轉磁場的旋轉頻率，永久磁場的強弱決定旋轉磁場的強度21。具體一點說就是，利用AT89S51單片機強大的控制功能，產生一定頻率的脈沖序列精確控制功率ULN2003A驅動芯片，從而控制步進電機的轉速22，

33、以控制旋轉磁場的頻率；鍵盤可控制步進電機的啟動/停止、正轉、反轉、加速和減速。液晶顯示器可以實時監控步進電機的狀態；并通過串口實現與計算機的實時通信。其硬件系統主要由單片機控制模塊（AT89S51單片機）、步進電機驅動模塊（ULN2003A功率驅動芯片）、串口通信模塊（MAX232芯片）、液晶顯示模塊（AMPIRE12864液晶顯示器）、晶振模塊、鍵盤模塊，外擴存儲器模塊（27512EPROM芯片）等部分構成。具體的設計容包括一下幾個方面：（1）明確系統功能要求，完成系統功能模塊的劃分；（2）在系統需求與設計指標的要求下，對整個系統功能的實現提出具體的設計方案；（3）完成系統的硬件原理設計、軟

34、件設計與PCB設計；（4）基于PROTEUS與KEILC51軟件完成系統仿真。論文的結構安排論文由7章節構成，具體如下：第1章：緒論 介紹課題的背景與意義、主要研究容，并對相關技術現狀做簡要分析；第2章：系統控制與所用軟件概述步進電機控制系統的概念、控制方式與PROTEUS、KEILC51概述；第3章：系統設計方案規劃 介紹了本系統的總體設計方案系統應具備的功能，并對系統原理進行了介紹；第4章：系統硬件部分設計 硬件原理、系統涉與元件介紹與各模塊設計；第5章：系統軟件部分設計 程序總體流程圖與各模塊流程圖；第6章：系統仿真、PCB設計與實物展示 運用PROTEUS完成PCB設計，基于KEIL與

35、PROTEUS進行系統仿真，并完成了實物制作；第7章：總結 總結設計，得出結論，總結設計收獲和體會，同時指出整個設計工作的不足之處和需要改進的地方。本章小結對本課題有了初步的了解，明白其要實現的功能。并且對該系統所涉與的元器件進行查找，查閱相關資料，大體確定本系統的工作原理與主要容，確定所需要的模塊，為后續工作做好了充分的準備。系統控制與所用軟件概述步進電機概述步進電機的定義步進電機指的是以數字脈沖信號作為電機線或教位移的控制信號，并以數字脈沖頻率對電機的轉速進行控制的動力控制系統。在負載正常圍的情況下，步進電機的運行狀態只和數字脈沖發生器提供的信號的頻率和脈沖占空比有關，一般情況下，電機的狀

36、態不受負載的影響。電機的運行角度只和每次所給予的脈沖信號強度有關，而電機的運行速度也只和脈沖信號的頻率有直接關系。這種采用弱點控制強電的控制方式使得步進電機在速度、位移等控制領域有著普通電機不能比擬的優勢18。步進電機運行原理概述慢速同步電動機是感應子式步進電機的別稱。原因是：相序為四的電機以四相運行可以，同時以二相運行也能達到效果。打個比方：以相序四，節拍為八來運轉(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)也能夠使用兩相八拍的運轉模式。很容易總結出這樣運轉的條件是 ，。一個二相電機的部繞組和四相的全部一樣，在實際使用中，相序為二相的基本為功率較小的電機，而功率大一點的電機，為了充分應用其

37、靈活的動態特性，通常用八根接線對其進行連接通電，這樣應用的好處是：電機不但能以四相應用，也能二相應用，大大提高了其利用率。步進電動機轉動的條件是：按照一定順序對其勵磁繞阻進行通電即可實現其轉動，通電的相序不同，其轉動的方向也會不一樣。因此在理論上我們可以制造出任何相序的步進電動機，但是由于制造工藝、制造價格等多方面因素限制，市場上一般售賣的步進電動機相序以二至五相的居多。感應子式步進電機一般可以按照機座號和相許數量進行細致分類。按照機座號可分為：42BYG、57BYG、86BYG、110BYG (國際標準)。按照相序數量可分為：五相、四相、三相、二相電機等。步進電機驅動的常用方式1.變頻器控制

38、方式使用變頻器對步進電機進行驅動控制時，可以很好的解決步進電機在啟動和停止時容易失步的問題，提高了系統的控制精度。但是變頻器的應用成本較高，結構和操作也比較復雜，無形中提高步進電機的控制難度。PLC控制方式使用ABB、西門子、歐姆龍等國際知名PLC生產制造商研發的系列PLC產品可以實現對步進電機的理想化控制，但是基于PLC核心的步進電機控制系統成本高昂，且難以實現精確控制，在本系統中不太適合。3.單片機控制方式23隨著嵌入式系統在工業控制領域中的廣泛應用，以單片機特別是8051系列單片機作為控制核心的步進電機控制電路在生產生活領域得到了普與，單片機有著大規模數字集成電路和高成本控制芯片難以比擬

39、的控制優勢：體積小、價格便宜、通用性的接口以與編程簡易。這些優勢使得單片機在各行各業的應用都達到了一個新的高度。由于步進電機是典型的脈沖控制運轉設備，而8051系列單片機以其I/O口多，體積小，成本低廉，外圍電路連接方便，可編程控制等綜合優勢越來越多的被引入到步進電機控制系統中使用，逐漸成為國外控制步進電機的主流方式。PROTEUS軟件簡介英國Lab center electronics公司研發的Proteus ISIS24軟件一款用于電子分析和系統仿真的軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機與外圍器件。它是目前最好的仿真單片機與外圍器件的工具。雖然目前國推廣剛起步，但已

40、受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發應用的科技工作者的青睞。它可以對數字、模擬電路和嵌入式開發系統進行硬件和軟件仿真且基于Windows平臺，其特性包括以下幾方面25：1.實現單片機系統的仿真功能。在其7.1版本中提供了眾多單片機模型，包括：8051系列、AVR系列、Z80系列、PIC系列、HC11系列以與各種接口電路。2.實現了嵌入式系統的交互仿真功能。具有數字電路和模擬電路、單片機與接口電路系統SIMULATION、KC和SPI調試器、RS232動態仿真、鍵盤和顯示系統仿真的功能；軟件部還集成了電路監測儀器，如示波器、動態指針、信號發生器等。3.集原理圖和PCB繪制功能

41、于一身，對電路系統完成原理圖設計后可直接進行印刷電路板的繪制。4.硬件仿真和軟件仿真的結合調試功能。支持編譯和調試環境軟件KEILC51與其的完美結合。在嵌入式系統的仿真分析中，可將控制系統工作的高級語言(C語言、匯編語言等)與PROTEUS中相對應的電路系統完美結合，實現同步連調。KEILC51軟件簡介KEILC51是HYPERLINK :/baike.baidu /view/2398.htm美國KEIL Software公司出品的51系列兼容HYPERLINK :/baike.baidu /view/1012.htm單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維

42、護性上有明顯的優勢，因而易學易用。KEILC51軟件基于Windows平臺，提供豐富的編程語言選擇和強大的集成開發調試環境。且使用KEILC51進行軟件開發時，生成語句快，代碼緊湊，簡單易懂。在實際中可方便的應用于大型軟件系統的開發中，是電子信息、計算機軟件開發人員進行軟件開發時很好的工具26。KEILC51提供了包括CHYPERLINK :/baike.baidu /view/487018.htm編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在的完整開發方案，通過一個HYPERLINK :/baike.baidu /view/14867.htm集成開發環境將這些部分組合在一起。如

43、果你使用C語言編程，那么KEILC51幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。本章小結通過查閱步進電機相關資料，了解了步進電機的運行原理與控制方式，并確定了本課題的控制方式。本文所設計的步進電機驅動控制系統是以AT89C51單片機為核心的嵌入式開發控制系統。并查閱軟件資料，學習了相關軟件，為后續設計的開展打下了基礎。系統設計方案規劃設計容概述根據前文所述，本系統在研究中釆用硬件設計和軟件編程相結合的手段對系統進行開發和設計。硬件設計上釆用AT89C51單片機為控制核心，結合外圍電路的擴展和通訊實現電路結構的搭建，在

44、軟件設計上采用C語言進行程序模塊的編制24，根據系統需實現的功能按照模塊程序流程的編制思想，對系統進行軟件編程，整個系統以軟件結合硬件的設計思路組建，通過電路原理圖的繪制、PCB電路板的搭建和系統仿真等一系列步驟，完成對系統的研究和應用設計，該系統的硬件和軟件仿真可在WINDOWS環境下進行，在實際調試的過程中，可以根據程序模塊的實際需求進行擴展和修改，并實現即時的更新功能。綜上所述，本文需要對以下幾個方面容進行研究：1.系統硬件的選擇。考慮到本系統的設計是基于畢業設計的，因此在設計中以畢業設計任務書要求為準。同時，在實現系統功能的前提下要盡量考慮設計成本的縮減。2.系統原理圖的設計和繪制。在

45、系統硬件芯片選擇完成后，需要根據系統功能進行電路原理圖的設計和繪制。具體來說，應該盡量采用典型的電路模塊，以適應大規模生產研發的要求，同時，本系統需要在PROTEUS仿真平臺下進行預測試，因此，在電路設計時要考慮到仿真元件的可移植性，以便于進行系統硬件仿真。3.系統軟件編程。軟件程序的編制要根據硬件電路的功能來進行，盡量采用模塊化程序編制的方式進行，層次結構需要清晰可調，同時需要具備與上位機的通訊功能，程序也要具備良好的可移植性，保持嚴謹的軟件開發框架。4.采用PROTEUS軟件完成系統PCB電路板的繪制和制作。考慮到系統在設計完成之后需要出實物，因此需要完成對系統PCB電路板的繪制。5.系統

46、硬件和軟件仿真。在系統設計完成之后，需要對其進行仿真，以驗證系統的可行性和穩定性。本系統在軟件中采用KEIL軟件仿真平臺對系統進行仿真，同時根據KEIL生成的HEX文件，結合PROTEUS單片機系統仿真軟件，完成對系統硬件的仿真運行。系統功能概述本系統基于畢業設計任務書要求，需要產生旋轉磁場，將磁場強度不同的永久磁條，通過固定架固定在步進電機的轉軸上，當步進電機轉動時，其永久磁鐵產生的磁場也跟著旋轉，從而產生旋轉的磁場。因而步進電機的轉數決定旋轉磁場的旋轉頻率，永久磁場的強弱決定旋轉磁場的強度。具體一點說就是，本系統利用AT89S51單片機強大的控制功能，產生一定頻率的脈沖序列精確控制功率UL

47、N2003A驅動芯片，從而控制步進電機的轉速，以控制旋轉磁場的頻率；鍵盤可控制步進電機的停止、正轉、反轉、加速和減速。液晶顯示器可以實時監控步進電機的狀態；并通過串口實現與計算機的實時通信。在綜合考慮系統設計等各方面因素后明確系統應具備如下功能：硬件部分：(1)單片機和步進電機運行所需的平穩電壓；(2)液晶顯示模塊；(3)控制步進電機運行狀態的鍵盤；(4)時鐘電路與復位電路；(5)步進電機運行的驅動和功率放大電路設計；（6）串口通訊模塊；（7）外擴程序存儲模塊；（8）用PROTEUS對整個系統進行硬件設計、仿真和對系統輸出進行測試。軟件部分：(1)系統復位初始化；(2)鍵盤掃描與處理；(3)液

48、品顯示器初始化掃描程序；(4)定時器中斷服務程序；(5)步進電機正轉控制程序；(6)步進電機反轉控制程序；(7)步進電機加速控制程序；(8)步進電機減速控制程序；(9)步進電機停轉控制程序；(10)步進電機運行節拍控制程序。系統原理概述本系統以AT89C51單片機作為核心，通過外部擴展其他硬件完成對步進電機運行狀態的顯示。(參見附錄電路原理圖)AT89C51單片機有40個引腳，我們用P1口的P1.0-P1.4引腳擴展步進電機運行狀態控制鍵盤，設計完成后，包括停止、正轉、反轉、加速、減速一共五個按鍵。P1.5，P1.6，P1.7，P3.6四個引腳分別和與非門芯片7404的輸入端相連用于擴展步進電

49、機運行的驅動控制芯片ULN2003A。P2口所有引腳和P3口的部分引腳用于外接AMPIRE128*64液晶顯示模塊。P2口連接AMPIRE128*64液晶顯示模塊的DB0-DB7，用于單片機和液晶顯示模塊的數據傳輸，P3.2，P3.4，P3.5分別與AMPIRE128*64液晶顯示模塊的RS，R/W，E相連完成數據的顯示，具體來說：R/W為讀寫信號線，RS為數據指令選擇端，E端為使能端子。在實際工作時，當R/W為低電平，E為信號下降沿時鎖存DB0-DB7的數據；R/W為高電平，E為信號上升沿時，DDRAM的數據讀到DB0-DB7中。P3.0，P3.1分別與液晶顯示模塊的CS1 (左半屏片選端)

50、和CS2 (右半屏片選端)相連用于對液品模塊的顯示進行編程設置。步進電機驅動控制部分采用專用芯片ULN2003A進行控制，其輸出管腳1C-4C連接四相六線步進電機的相序控制端。COM端連接+12V電源用于對其工作進行供電。當然ULN2003A在接入單片機控制脈沖時必須連接限流電阻，這已經在原理圖上反映出來了。系統總體硬件框圖本設計以AT89C51單片機芯片作為核心，利用AT89S51單片機強大的控制功能，產生一定頻率的脈沖序列精確控制功率ULN2003A驅動芯片，從而控制步進電機的轉速，以控制旋轉磁場的頻率；鍵盤可控制步進電機的停止、正轉、反轉、加速和減速。液晶顯示器可以實時監控步進電機的狀態

51、；并通過串口實現與計算機的實時通信。因此可總結系統框圖如下所示：鍵盤模塊步進電機 A T89S51單片機 驅動模塊 液晶顯示模塊 串口模塊晶振模塊PC外擴存儲模塊圖3.1 系統總體硬件框圖本章小結根據任務書要求，通過了解確定該課題所要研究的容、系統所要實現的功能，以與明白本系統的原理。并且制定了本系統的設計方案，接下來才可以選出合適的器件以與對系統進行具體的設計。系統硬件部分設計系統硬件設計說明首先，在系統核心控制芯片的選擇上，我們釆用AT89C51單片機。ATMEL公司生產的AT89C51單片機是一種低功耗/電壓、高性能的8位單片機，它采用CMOS和高密度非易失性存儲器技術，而且其輸出引腳和

52、指令系統都可以和MCS-51系統兼容，片的Flash ROM允許在系統改編程序或者用其他編程器件進行編程。部包含256字節RAM，4個8位并行I/O口，多個中斷源，2個中斷優先級，2個定時計數器，因此，89C51單片機是一種功能強大，速度快速，靈活性高而且價格便宜的控制芯片27。其次，由于單片機輸出的脈沖信號非常微弱，不能直接用于驅動步進電機運行，因此需要采用功率驅動芯片。根據上文所述的硬件典型電路模塊的設計方案，我們在本系統的設計中采用集成達林頓管ICULN2003A作為系統的功率驅動芯片，該芯片是目前步進電機控制系統中驅動電機運行最常見的芯片，符合我們典型電路模塊設計的要求。再次，考慮到要

53、對系統進行精確控制，因此需要采用人機對話的方式進行，具體來來說，需要采用按鍵控制實現。在設計中采用5個獨立按鍵完成對系統步進電機運行的控制。獨立按鍵的設計可以很好的節約系統I/O端子，同時在軟件編程中也更易操作，達到了設計的要求。在實際編程時，我們采用按鍵掃描的方式進行按鍵程序的編寫。最后，通過液晶顯示模塊顯示參數。系統設計需要解決實時監控的問題，同時需要建立可操作的人機通訊液晶顯示界面，本系統的液晶顯示模塊采用了能夠顯示中文字庫的液晶顯示器件AMPIRE128*64。系統主要器件選擇單片機的選擇本設計采用AT89C51單片機，AT89C51單片機由美國ATMEL公司生產，具有低電壓和高性能等

54、特點，并且屬于CM0S8位單片機系列。其部含有容量為4K的PEROM和存儲空間為128比特的RAM，并且還有通用的8位中央處理器(CPU)以與Flash存儲單元。該器件的生產技術具有集成度高、程序不容流失且保持時間長等存儲有點，對MCS-51指令系統也完全兼容26。由此可見，AT89C51單片機的功能比其他同類別的單片機強，可應用場合多，性價比高，可靈活應用于生活生產等各種控制領域28。引腳排列如圖4.1所示：圖4.1 AT89C51引腳結構圖1.主要性能參數：兼容MCS-51系列單片機；4k重復利用閃存；指令擦寫周期數可達到一千次；全靜態操作；0赫茲24兆赫茲；3級的ROM加密級別，良好的程

55、序性；部數據存儲器達128*8K；I/0數據口達32個，且都可獨立編程；兩個定時/計數器，位數為16位；六個中斷源；可編程串行UART通道。2.AT89C51的控制功能主要有29：4k大小的Flash高速存儲器，128字節部數據存儲器，32個I/O數據口，2個16位定時/計數器，一個中斷構造，一個全雙工串行通信口，部集成振蕩器和時鐘電路。在使用時，該款單片機邏輯操作頻率可達O赫茲，且省電模式達到兩種。在停止CPU工作的狀態下可選擇空閑模式，然而RAM，定時/計數器，串行通信口和中斷系統的工作不受空閑模式的影響、RAM中的數據不會因掉電方式而丟失，直到下一個硬件復位時振蕩器才繼續開始工作。3.A

56、T89C51管腳說明30：VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為HYPERLINK :/baike.baidu /view/1410710.htm高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據HYPERLINK :/baike.baidu /view/87697.htm存儲器，它可以被定義為數據/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻22。P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門

57、電流。P1口管腳寫入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當用于外部HYPERLINK :/baike.baidu /view/421016.htm程序存儲器或16位地址HYPERLINK :/baike.baidu /view/1273932.htm外部數據

58、存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優勢，當對外部八位地址數據HYPERLINK :/baike.baidu /view/87697.htm存儲器進行讀寫時，P2口輸出其HYPERLINK :/baike.baidu /view/714719.htm特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和HYPERLINK :/baike.baidu /view/8407048.htm控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于

59、外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表4.1所示：表4.1 P3口的特殊功能管腳特殊功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（計時器0外部輸入）P3.5T1（計時器1外部輸入）P3.6（HYPERLINK :/baike.baidu /view/1273932.htm外部數據HYPERLINK :/baike.baidu /view/87697.htm存儲器寫選通）P3.7（HYPERLINK :/baike.baidu /view/12739

60、32.htm外部數據HYPERLINK :/baike.baidu /view/87697.htm存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些HYPERLINK :/baike.baidu /view/8407048.htm控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個HYPERLINK :/baike.baidu /view/713240.htm機器周期的高電平時間。ALE/：當訪問外部HYPERLINK :/baike.baidu /view/87697.htm存儲器時，HYPERLINK :/baike.baidu /view/2260573.htm地址鎖存允