步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院、 系： 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名： 0 指導(dǎo)教師： 0 系 主 任： 0 2014年 6月 16日步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本文著重介紹了用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法，此系統(tǒng)是通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及速度快慢的控制。采用兩只數(shù)碼管直觀的顯示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。第五章給出了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電子線路以及單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖，第六章給出了實(shí)現(xiàn)本控制的控制程序。本設(shè)計(jì)可以通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制和轉(zhuǎn)速控制。是一套簡(jiǎn)單、便捷、經(jīng)濟(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)以上幾個(gè)部分的

2、研究使我們對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制問(wèn)題有了較為深入的了解，為今后系統(tǒng)的改進(jìn)和開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)，經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的研究試驗(yàn)表明該控制系統(tǒng)是絕對(duì)可行的。關(guān)鍵詞 單片機(jī)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；軟件設(shè)計(jì) 32The design of the single-chip microcomputer control stepping motor systemAbstractThis text introduced a kind of using an a design for entering electrical engineering system method, passing the keyboard r

3、ealizes to enter the electrical engineering to the step positive, anti, quick and slow control counteract the figures tube keeps the view of of the manifestation step enters the electrical engineering turn, inside out, turn the number, and gave to include a the step enters the electrical engineering

4、 drives homologous electronics in etc. in electric circuit circuit with software process.Passing above a few and part of researches make us beating the bottom the good foundation to an improvement for entering electrical engineering driving controling problem contain thorough understanding, for from

5、 now on system developments, at the same time, study the result expressed and should control the possibility of the system.Keywords The single a machine; step enters the electrical engineering; software design.目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 設(shè)計(jì)背景11.2 本文主要設(shè)計(jì)內(nèi)容1第2章 單片機(jī)的基本組成及其應(yīng)用22.1 單片機(jī)的基本介紹22.2 單片機(jī)的分類(lèi)32.2

6、.1 通用型與專(zhuān)用型32.2.2 總線型與非總線型32.2.3 工控型與家電型32.3 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)32.3.1 運(yùn)算器32.3.2 控制器42.3.3 存儲(chǔ)器42.4 單片機(jī)的應(yīng)用5第3章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理及其分類(lèi)83.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本介紹83.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及發(fā)熱原理83.2.1 工作原理83.2.2 發(fā)熱原理83.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)93.3.1 靜態(tài)指標(biāo)93.3.2 動(dòng)態(tài)指標(biāo)93.3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)10第4章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)124.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制124.1.1 控制換相順序124.1.2 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向124.1.3 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度

7、134.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求144.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路144.3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路144.3.2 基于ULN2003芯片的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路154.3.3 本章小結(jié)17第5章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)185.1 主要元器件的選擇和設(shè)計(jì)185.1.1 單片機(jī)AT89C51185.1.2 共陽(yáng)極數(shù)碼管和譯碼器195.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)195.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖215.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)電路215.2.2 數(shù)碼管設(shè)計(jì)電路215.2.3 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)電路225.3 本章小結(jié)22第6章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序236.1 參考控制程序236.1.1 程序一236.1

8、.2 程序二256.2 本章小結(jié)27結(jié)論28致謝29參考文獻(xiàn)30附錄31第1章 緒論1.1 設(shè)計(jì)背景 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實(shí)現(xiàn)定位，即使在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿(mǎn)意的，這有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。  對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)。因此要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外，一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率都是有所限制的。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)

9、機(jī)的矩頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。由此可見(jiàn)，一個(gè)靜止的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)加速的過(guò)程。從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有一個(gè)減速的過(guò)程，防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因?yàn)橄到y(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象。為此本文以單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的脈沖頻率。  由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響小，方

10、向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，并且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的控制，非常適合采用微機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，失步或者過(guò)沖都會(huì)直接影響其控制精度。研究步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制，可以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。1.2 本文主要設(shè)計(jì)內(nèi)容本文使用51單片機(jī)設(shè)計(jì)一套步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)，其中主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路設(shè)計(jì)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；控制程序設(shè)計(jì)。第2章 單片機(jī)的基本組成及其應(yīng)用2.1 單片機(jī)的基本介紹單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系

11、統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫(xiě)MCU表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。

12、同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由僅有CPU的專(zhuān)用處理器芯片發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的8080是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，當(dāng)時(shí)的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。盡管2000年以后ARM已經(jīng)發(fā)展出了32位的主頻超過(guò)300M的高端單片機(jī)，直到現(xiàn)在，基于8051的單

13、片機(jī)還在廣泛的使用。在很多方面單片機(jī)比專(zhuān)用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多處理器，隨著單片機(jī)家族的發(fā)展壯大，單片機(jī)和專(zhuān)用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。現(xiàn)代人類(lèi)生活中所用的幾乎每件有電子器件的產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電子產(chǎn)品中都含有單片機(jī)。 汽車(chē)上一般配備40多片單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百片單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算機(jī)的總和。2.2 單片機(jī)的分類(lèi)單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，根據(jù)發(fā)展情況，從不同角度，單片機(jī)大致可以分為通用型/專(zhuān)用型、總線型/

14、非總線型及工控型/家電型。2.2.1 通用型與專(zhuān)用型這是按單片機(jī)適用范圍來(lái)區(qū)分的。例如，80C51是通用型單片機(jī)，它不是為某種專(zhuān)門(mén)用途設(shè)計(jì)的；專(zhuān)用型單片機(jī)是針對(duì)一類(lèi)產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿(mǎn)足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測(cè)量控制電路。2.2.2 總線型與非總線型這是按單片機(jī)是否提供并行總線來(lái)區(qū)分的?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過(guò)串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類(lèi)單片機(jī)稱(chēng)為非總線型單片

15、機(jī)。2.2.3 工控型與家電型這是按照單片機(jī)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專(zhuān)用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。 顯然，上述分類(lèi)并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類(lèi)單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。2.3 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。2.3.1 運(yùn)算器運(yùn)算器由運(yùn)算部件算術(shù)邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，輸入來(lái)源為兩個(gè)8位數(shù)據(jù)，分別來(lái)自累加器和數(shù)據(jù)寄

16、存器。ALU能完成對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。例如，兩個(gè)數(shù)6和7相加，在相加之前，操作數(shù)6放在累加器中，7放在數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)執(zhí)行加法指令時(shí)，ALU即把兩個(gè)數(shù)相加并把結(jié)果13存入累加器，取代累加器原來(lái)的內(nèi)容6。運(yùn)算器有兩個(gè)功能：(1) 執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。(2) 執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試，如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較。運(yùn)算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的，并且，一個(gè)算術(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。2.3.2 控制器控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，

17、即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的操作。其主要功能有：(1) 從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。(2) 對(duì)指令進(jìn)行譯碼和測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便于執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作。(3) 指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。微處理器內(nèi)通過(guò)內(nèi)部總線把ALU、計(jì)數(shù)器、寄存器和控制部分互聯(lián)，并通過(guò)外部總線與外部的存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路聯(lián)接。外部總線又稱(chēng)為系統(tǒng)總線，分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過(guò)輸入輸出接口電路，實(shí)現(xiàn)與各種外圍設(shè)備連接。2.3.3 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是組成計(jì)算機(jī)的主要部件，其功能是儲(chǔ)存信息（程序和數(shù)據(jù)）。存儲(chǔ)器可以分成兩大類(lèi)，一類(lèi)是隨機(jī)存取存儲(chǔ)

18、器（RAM），另一類(lèi)是只讀存儲(chǔ)器（ROM）。對(duì)于RAM，CPU在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀出，在關(guān)閉電源時(shí)，其所存儲(chǔ)的信息將丟失。所以，它用來(lái)存放暫時(shí)性的輸入/輸出數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果或用作堆棧。（1） 單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器51單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器PC是16位的計(jì)數(shù)器，所以能尋址64KB的程序存儲(chǔ)地址范圍。允許用戶(hù)程序調(diào)用或轉(zhuǎn)向64KB的任何存儲(chǔ)單元。（2）單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，分為片外RAM和片內(nèi)RAM兩大部分。片內(nèi)RAM共有128字節(jié)，分成工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、通用RAM區(qū)三個(gè)部分。基本型單片機(jī)片內(nèi)RAM地址范圍是00H7FH。增強(qiáng)型單片機(jī)片內(nèi)除地址范圍在00H7FH的12

19、8個(gè)字節(jié)的RAM外，又增加了80HFFH的高128字節(jié)的RAM。增加的這一部分RAM僅能采用間接尋址方式訪問(wèn)。片外RAM地址空間為64KB，地址范圍是0000HFFFFH。與程序存儲(chǔ)器地址空間不同的是，片外RAM地址空間與片內(nèi)RAM地址空間在地址的低端0000H007FH是重疊的。這就需要采取不同的尋址方式加以區(qū)分。在51單片機(jī)中，盡管片內(nèi)RAM的容量不大，但它的功能多，使用靈活，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要周密考慮的。（3）單片機(jī)的特殊功能寄存器（SFR）在51基本型中設(shè)置了與片內(nèi)RAM統(tǒng)一編址的21個(gè)特殊功能寄存器。與運(yùn)算器相關(guān)的寄存器3個(gè)：累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)寄存器PSW。指

20、針類(lèi)寄存器3個(gè)：堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR。與口相關(guān)的寄存器7個(gè)：并行I/O口P0、P1、P2、P3和串口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF、串行口控制寄存器SCON、串行通信波特率倍增寄存器PCON。與中斷相關(guān)的寄存器2個(gè)：中斷允許控制寄存器IE、中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP。與定時(shí)/計(jì)數(shù)器相關(guān)的寄存器6個(gè)：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的兩個(gè)8位計(jì)數(shù)初始值寄存器TH0、TL0;定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的兩個(gè)8位計(jì)數(shù)初始值寄存器TH1、TL1；定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器TMOD；定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON。2.4 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀

21、表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇：（1）智能儀器單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類(lèi)型的傳

22、感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測(cè)量設(shè)備（電壓表、功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。（2）工業(yè)控制單片機(jī)具有體積小、控制功能強(qiáng)、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線感知系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、機(jī)器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。（3）家用電器家用電器廣泛采用了單片

23、機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備和白色家電等。（4）網(wǎng)絡(luò)和通信現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車(chē)無(wú)線通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。（5）設(shè)備領(lǐng)域單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。（6）模塊化系統(tǒng)某些專(zhuān)用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)用

24、，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂(lè)集成單片機(jī)，看似簡(jiǎn)單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類(lèi)似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂(lè)信號(hào)以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類(lèi)似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂(lè)電信號(hào)（類(lèi)似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡(jiǎn)化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便于更換。（7）汽車(chē)電子單片機(jī)在汽車(chē)電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車(chē)中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，基于CAN總線的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)智能電子控制器、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、abs防抱死系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、胎壓檢測(cè)等。此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛

25、的用途。第3章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理及其分類(lèi)3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)供電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電動(dòng)機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)

26、的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及發(fā)熱原理3.2.1 工作原理通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)

27、一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。3.2.2 發(fā)熱原理通常見(jiàn)到的各類(lèi)電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說(shuō)的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會(huì)產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會(huì)以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般追求定位精度

28、和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化，因而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)3.3.1 靜態(tài)指標(biāo)1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。2、拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。3、步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用表示。=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒

29、電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。4、定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。5、靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。3.3.2 動(dòng)態(tài)指標(biāo)1、步距角精度：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤

30、差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以?xún)?nèi)。2、失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱(chēng)之為失步。3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。4、最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。5、最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。6、運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱(chēng)為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重

31、要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。 電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，采用小電感大電流的電機(jī)。7、 電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均

32、應(yīng)偏移共振區(qū)較多。3.3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在構(gòu)造上有三種主要類(lèi)型：反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。永磁式：永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大。混合式：混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以

33、提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。按定子上繞組來(lái)分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，約占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性?xún)r(jià)比高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后其步距角可細(xì)分達(dá)256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器以改變精度和效果。第4章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)，它是通

34、過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。 進(jìn)步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下： 4.1.1 控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-CD,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。 4.1.2 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 通過(guò)單片機(jī)按順序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行了數(shù)字 角度的轉(zhuǎn)換。(1) 單相三拍方式按單相繞組施加電流脈沖(

35、2) 雙相三拍方式按雙相繞組施加電流脈沖(3)三相六拍方式單相繞組和雙向繞組交替施加電流脈沖單相三拍方式的每一拍步進(jìn)角為3度，三相六拍看法進(jìn)角則為1.5度。因此在三相六拍下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)柔和，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性要求較高.4.1.3 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩個(gè)相鄰磁極之間的夾角為60度，線圈繞地相對(duì)的二個(gè)磁極構(gòu)成一相。此外各梯極上還有5個(gè)均勻分布的

36、矩形小齒。電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，它上面有40個(gè)矩形小齒均勻分布在園周上，相鄰兩個(gè)齒之間的夾為9度。當(dāng)某相繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時(shí)定子的小齒沒(méi)有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)向前走一步。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制(包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配)也可以使用軟件方法,即使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn),這樣不但簡(jiǎn)化了電路,而且也降低了成本.使用單片機(jī)以軟件方式控制步電機(jī),不但可以通過(guò)編程方法在一定范圍之內(nèi)自由地設(shè)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等;而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的運(yùn)行關(guān)門(mén),以滿(mǎn)足不同的用

37、戶(hù)的要求。 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求一、能夠提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形盡量接近矩形。具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動(dòng)勢(shì)，加快電流衰減。二、具有較高韻功率及效率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移，或者說(shuō)：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。也就是說(shuō)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。所以控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，就可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，就可以對(duì)電機(jī)精確定位。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器有很多，應(yīng)以實(shí)際的功率要求合理的選擇驅(qū)動(dòng)器。4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到

38、工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專(zhuān)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。4.3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 如下圖所示是一個(gè)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。A、B、C、D分別接到P1口的P1.4P1.7。通過(guò)軟件控制一組脈沖序列，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向和步距。 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)線路中，主CPU發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)U1放大，傳到復(fù)合三極管前一級(jí)的基極。若CPU送出的數(shù)據(jù)為0，則前級(jí)三極管BG5作為開(kāi)關(guān)三 極管不導(dǎo)通，BG1也處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)內(nèi)的線圈不得電；若CPU送出的數(shù)據(jù)為1，則前級(jí)三極管

39、BG5的基極有了驅(qū)動(dòng)電流，12V電壓經(jīng)電機(jī)的線圈、限流 電阻和三極管形成通路。在電路圖中的A、B、C、D分別代表電機(jī)內(nèi)部的4個(gè)線圈，在驅(qū)動(dòng)線中的R5R8作為限流電阻來(lái)限制線圈中的電流值。在電阻和線圈 兩側(cè)有并聯(lián)的單向二極管，當(dāng)CPU信號(hào)由1跳變?yōu)?時(shí)，三極管截止，電機(jī)的線圈會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)線圈、限流電阻和單向二極管形成回路，保護(hù)三 極管不被線圈的瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)燒壞。二極管D1D4也稱(chēng)回流二極管，在選擇時(shí)要考慮到電源電壓及線圈電流。R1R4和D1D4組成一條支路，在對(duì)應(yīng) 的線圈突然不通電時(shí)能夠和線圈構(gòu)成一組循環(huán)回路。該電阻的作用是分擔(dān)支路中的電壓，保護(hù)二極管。在每個(gè)集成放大器的輸出端

40、接有一個(gè)LED，作為脈沖信號(hào)輸 入的顯示器件。CPU送入的數(shù)據(jù)為0時(shí)，LED下端的電位也為低，LED被導(dǎo)通發(fā)光；CPU送入的數(shù)據(jù)為1時(shí)，LED的下端電位為高，LED無(wú)法導(dǎo)通，不發(fā)光。R9R12為限流電阻，使三極管基極的流入電流不至于過(guò)大而燒毀。4.3.2 基于ULN2003芯片的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路ULN2003是一款電機(jī)脈沖分配芯片，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，而且無(wú)需外接功率放大電路，因此也常用來(lái)作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 一、ULN2003芯片引腳介紹 ULN2003芯片引腳如下圖所示。引腳1：CPU脈沖輸入端，端口對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)輸出端 引腳2：CPU脈沖輸入端 引腳3：CPU脈沖輸入端 引腳

41、4：CPU脈沖輸入端 引腳5：CPU脈沖輸入端 引腳6：CPU脈沖輸入端 引腳7：CPU脈沖輸入端引腳8：接地引腳9：該腳是內(nèi)部7個(gè)續(xù)流二極管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。用于感性負(fù)載時(shí)，該腳接負(fù)載電源正極，實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用。如果該腳接地，實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對(duì)地接通。 引腳10：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)7腳信號(hào)輸入端。 引腳11：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)6腳信號(hào)輸入端。 引腳12：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)5腳信號(hào)輸入端。 引腳13：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)4腳信號(hào)輸入端。 引腳14：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)3腳信號(hào)輸入端。 引腳15：脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)2腳信號(hào)輸入端。引腳16：脈沖信

42、號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)1腳信號(hào)輸入端。 ULN2003的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)下圖。在ULN2003芯片內(nèi)部為達(dá)林頓管陣列，其工作原理與上一節(jié)電路驅(qū)動(dòng)相似。由于該電路為芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅供初學(xué)者理解芯片的工作方式用，在芯片使用時(shí)可以忽略。二、ULN2003芯片概述與特點(diǎn) ULN2003芯片是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，為單片雙 極型大功率高速集成電路。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅(qū)動(dòng)各種類(lèi)型的負(fù)載。功率驅(qū)動(dòng)電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個(gè)重要組成部分。 ULN2003芯片高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品屬于

43、可控大功率器件。 ULN2003芯片是可以專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的芯片，甚至在芯片內(nèi)部做了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管。ULN2003芯片的輸出端允許通過(guò)電流 200mA，飽和壓降約1V。輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器（SSR）等外接 控制器件，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。 ULN2003芯片的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7k.的基極電阻，也可以不用限流電阻而直接由51的P口驅(qū)動(dòng)。在5V的工作電壓下它能與TTL和 CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。ULN2003芯片工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)50

44、0mA，并且能夠在 關(guān)態(tài)（有低電平輸入時(shí)，輸出為高電平）時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。 信號(hào)脈沖通過(guò)P1口送出，可經(jīng)4.7k.上拉電阻接到ULN2003芯片的輸入端口。P1.4P1.7分別對(duì)應(yīng)ULN2003的1C、2C、3C、4C輸出端。在使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，對(duì)P1口賦予不同的值來(lái)送出電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)。4.3.3 本章小結(jié)本章主要講述了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的控制方法和幾種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法。經(jīng)過(guò)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)使用ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)是一種簡(jiǎn)單方便經(jīng)濟(jì)的方法。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中選擇用ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，在下文中會(huì)有具體介紹。第5章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系

45、統(tǒng)的設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開(kāi)環(huán)控制，不需要返饋信號(hào)。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差積累。本次設(shè)計(jì)的主要是要通過(guò)單片機(jī)芯片來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種動(dòng)作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)示意圖如下所示： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)示意圖5.1 主要元器件的選擇和設(shè)計(jì)5.1.1 單片機(jī)AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除

46、只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。5.1.2 共陽(yáng)極數(shù)碼管 按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極(COM)的數(shù)碼管，共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某

47、一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。數(shù)碼管在儀器儀表中主要顯示單片機(jī)的輸出數(shù)據(jù)，狀態(tài)等，因而作為外圍典型器件，數(shù)碼管顯示是反映系統(tǒng)輸出和操縱輸入的有效器件。用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管有很多方法，可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用和電路硬件較多。動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行刷新，顯

48、示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板的空間。5.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇需要注意以下條件。 判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)之一。負(fù)載大時(shí)，需采用大力矩電機(jī)。力矩指標(biāo)大時(shí)，電機(jī)外形也大。判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度：轉(zhuǎn)速要求高時(shí)，應(yīng)選相電流較大、電感較小的電機(jī)，以增加功率輸入。且在選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)采用較高供電電壓。選擇電機(jī)的安裝規(guī)格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關(guān)。 確定定位精度和振動(dòng)方面的要求情況：判斷是否需細(xì)分，需多少細(xì)分。 本次設(shè)計(jì)所選擇的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為42BYG028型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：類(lèi)型：反應(yīng)式 相數(shù)：4 電壓：12v

49、 電流：0.4A 電阻：30歐 電感：23mH 最大靜轉(zhuǎn)矩：2000g.cm。其接線圖如下圖所示：5.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖5.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)電路通過(guò)ULN2803構(gòu)成比較多的驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如下圖所示。通過(guò)單片機(jī)的P1.0P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B4B口，經(jīng)信號(hào)放大后從1C4C口分別輸出到電機(jī)的A、B、C、D相。5.2.2 數(shù)碼管設(shè)計(jì)電路 在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級(jí)分為七級(jí)，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級(jí)，這里設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機(jī)的P0口和

50、P2口。采用兩個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管作顯示。第一個(gè)數(shù)碼管接的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P0.0P0.7口，用于顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時(shí)顯示“1”，反轉(zhuǎn)時(shí)顯示“一”，不轉(zhuǎn)時(shí)顯示“0”。第二個(gè)數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0P2.7口，用于顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級(jí)別，共七級(jí)，即從17轉(zhuǎn)速依次遞增，“0”表示轉(zhuǎn)速為零。電路如下圖所示。5.2.3 復(fù)位電路和晶振電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。  復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤(pán)，單片機(jī)的P1口鍵盤(pán)的接口。該設(shè)

51、計(jì)要求只需4個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)控制功能的擴(kuò)展，使用了6路獨(dú)立式鍵盤(pán)。復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，所謂手動(dòng)復(fù)位，是指通過(guò)接通一按鈕開(kāi)關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用30PF的電容和一12M晶體振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率。如圖5示。 晶振電路：8051單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下圖所示。其電容值一般在530pf,晶

52、振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。5.2.4 總體設(shè)計(jì)電路 把各個(gè)部分的電路圖組合成總電路圖，如下圖所示。5.3 本章小結(jié)在理論正確的基礎(chǔ)上，選擇合適的硬件，連接成正確的電路才能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)我們要求的功能。在這過(guò)程中，每一個(gè)細(xì)節(jié)都要注意，出現(xiàn)一處錯(cuò)誤就可能導(dǎo)致不可挽回的損失。正如名言所說(shuō)：實(shí)踐出真知，只有在將理論變?yōu)閷?shí)踐的過(guò)程中我們才能真正體會(huì)到整個(gè)控制系統(tǒng)的一些關(guān)鍵點(diǎn)。生成真正的產(chǎn)品才是驗(yàn)證我們理論正確的最終途徑。第6章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序6.1 參考控制程序6.1.1 程序一#include <reg

53、51.h>#define uchar unsigned charuchar data var=100;uchar data flag=0;uchar data count=4;uchar data key=3;uchar data once=1;uchar buf100=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0x10,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15, 0x16,0x17,0x18,0x19,0x20,0x21,0x22,0x23,0x24,0x25, 0x26,0x27,0x28,0x29,0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35, 0x36,0x37,0x38,0x39,0x40,0x41,0x42,0x43,0x44,0x45, 0x46,0x47,0x48,0x49,0x50,0x51,0x52,0x53,0x54,0x55, 0x56,0x57,0x58,0x59,0x60,0x61,0x62,0x63,0x64,0x65, 0x66,0x67,0x60,0x69,0x70,0x71,0x72,0x73,0x74,0x75, 0x76,0x77,0x78,0x79,0x80,0x81,0x82