AT89S51单片机全地形八足机器人机械手的设计(8)
3.1 整体方案设计
硬件设计前首先得了解步进电机的控制原理，本次设计所采用的步进电机是两相八拍混合式步进电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。主要控制任务如下[11]：
(1)控制换相顺序：通电换相这一过程称为脉冲分配。两相八拍步进电机，其各相通电顺序为（A – AB – B - BA’ –A’ – A’B’- B’ –B’A - A），通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、A’、B’相的通断。
(2)控制步进电机的转向：如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度 ：如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
控制步进电机必须由环形脉冲源、功率放大电路等部分组成控制系统，环形脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。功率放大是驱动系统最为重要的部分。
方案1：环形脉冲信号可以由L297控制芯片产生，PC 机通过DB9 串行接口下位机串行口，通过MAX232 电平转换芯片转成TTL电平,再与单片机的P3.0 、P3.1口相连,构成串口通讯电路。上位机通过算法得出控制信号并将控制信号通过串口电路传给单片机，单片机I/O口只需给L297输入单纯的脉冲信号，再由L297控制芯片产生环形脉冲信号，环形脉冲信号再经过L298N驱动芯片放大后驱动步进电机完成指定动作。使用 L297突出的特点是外部只需时钟、方向和工作方式三个输入信号，同时L297自动产生电机励磁相序减轻了微处理器控制及编程的负担。
方案2： 其他部分和方案1一样，只是环形脉冲信号产生方式不一样，环形脉冲信号直接由单片机产生，不需要L297芯片，如本设计所用的步进电机为两相八拍型，则需要四个相应的I/O口产生环形脉冲信号，编程难度加大，但成本降低，芯片利用率提高了。
经综合考虑，方案二足以满足本设计要求，此控制系统的硬件主要组成：计算机，MAX232，51系列单片机， L298N、步进电机等。
控制系统的整体框图如图3.1所示
图3.1 总体框图
3.2 单片机选择及介绍
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
主要特性：
1、4k Bytes Flash片内程序存储器； 8、看门狗（WDT）电路；
2、128 bytes的随机存取数据存储器； 9、片内振荡器和时钟电路；
3、32个外部双向输入/输出（I/O）口； 10、与MCS-51兼容；
4、5个中断优先级2层中断嵌套中断； 11、全静态工作：0Hz-33MHz；
5、6个中断源； 12、三级程序存储器保密锁定；
6、2个16位可编程定时器/计数器； 13、可编程串行通道；
7、2个全双工串行通信口； 14、低功耗的闲置和掉电模式。