基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p><b>　　1 選題背景3</b></p><p>　　1.1 課題背景3</p><p>　　1.2 研究的目的和意義3</p><p&g

2、t;　　1.3 課題研究的內(nèi)容4</p><p><b>　　2 方案論證5</b></p><p>　　2.1 單片機(jī)的介紹5</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)的介紹10</p><p>　　2.3 仿真軟件的介紹15</p><p>　　2.4 驅(qū)動電路的選擇16</p&

3、gt;<p>　　2.5 顯示電路的選擇17</p><p>　　3 設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)過程論述18</p><p>　　3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.2 軟件部分23</p><p>　　4 基于AT89C51的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)27</p><p>　　4.1 系統(tǒng)的故障及

4、調(diào)試27</p><p>　　4.2 設(shè)計(jì)結(jié)果27</p><p>　　5 總結(jié)與展望29</p><p><b>　　5.1 總結(jié)29</b></p><p><b>　　5.2 展望29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b&

5、gt;</p><p>　　基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過按鍵實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速，并使用LED顯示電機(jī)

6、速度。經(jīng)過PROTEUS仿真和硬件焊接，結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了要求。該電路簡單，可靠性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AT89C51；ULN2003；LED；步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　中圖分類號:TM356</p><p>　　Design of Mcu-based Control System for Stepping Motor</p>

7、<p>　　Abstract :Stepping motor is the open loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.In the overload situation, the speed of motor, stop position dep

8、ends only on the pulse signal frequency and pulse number, regardless of load changes,and it is widely used in all kinds of automatic control system.This design is based on AT89C51 microcontroller as the core to control s

9、tepping motor.Through the keys,the foreward,reversal,acceleration,deceler</p><p>　　Key words:AT89C51；ULN2003；LED；stepping motor </p><p>　　基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　前 言<

10、/b></p><p>　　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)合不同類型的傳感器,可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。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。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。 同時用單片機(jī)還可以構(gòu)成形

11、式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(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)成二級控制系統(tǒng)等。 </p><p>　　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，現(xiàn)在的通信設(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)、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移

12、動通信，無線電對講機(jī)等。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。</p><p>　　目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。綜合所述，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路

13、或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命[2]。 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用也越來越廣泛，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)是一種用于開環(huán)控制的驅(qū)動元件。它是用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機(jī)。步進(jìn)

14、電機(jī)作為電機(jī)的一種，可以靠開路控制做精確的定位，因此普遍應(yīng)用于電腦的外設(shè)及工業(yè)生產(chǎn)的自動化機(jī)具設(shè)備中，如NC車床、切割機(jī)，此外機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)控制也大量的使用步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　近些年來，由于步進(jìn)電機(jī)的控制精度不斷提高，越來越多有較高控制精度要求的系統(tǒng)也開始采用步進(jìn)電機(jī)。對于小功率步進(jìn)電機(jī),一般采用單片機(jī)與專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器聯(lián)合工作的方式，單片機(jī)產(chǎn)生脈沖,控制停啟、正反轉(zhuǎn)，變速等,專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器則

15、進(jìn)行脈沖環(huán)形分配及功率驅(qū)動。</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是它可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非常可，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度因此在眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。研制一種高性價比

16、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有重要的意義[3]。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)是兩相步進(jìn)電機(jī)，通過軟件和硬件的結(jié)合，使用按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的復(fù)位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能，并且將步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示。主要通過三大塊來設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分的設(shè)計(jì)，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而控制轉(zhuǎn)動的角度；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的加速度，從

17、而達(dá)到調(diào)速的目的。 </p><p>　　本次論文分為六章，第一章是選題背景，主要探討了課題背景、目的和課題研究內(nèi)容；第二章是方案論證，探討了器件的選擇和方案的確定；第三章是設(shè)計(jì)的過程，說明了硬件和軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程；第四章是系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，闡述了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；第五章是總結(jié)和展望。通過五章的描述，詳細(xì)介紹了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法、以及設(shè)計(jì)中遇到的問題和解決問題的途徑，得出滿意的結(jié)果。</p><p

18、><b>　　1、選題背景</b></p><p><b>　　1.1、課題背景</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)的輸入信號為脈沖電流 ,它能將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移 ,因而步進(jìn)電機(jī)可看作是一個串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接接受數(shù)字信號 ,而不需數(shù) /模轉(zhuǎn)換,所以

19、使用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)顯得非常方便。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　(1)通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制;</p><p>　　(2)位置誤差不會積累;</p><p>　　(3)與數(shù)組設(shè)備兼容 ,能夠直接接收數(shù)字信號;</p><p>　　(4)可以快速啟停。</p>

20、<p>　　步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多,按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式 (也稱反應(yīng)式或變磁阻式 )電機(jī)、 混合式電機(jī)、永磁式電機(jī)和特種電機(jī)等四種主要型式。步進(jìn)電機(jī)不需位移傳感器就可精確定位 ,所以在精確定位系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。目前打字機(jī)、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、傳真機(jī)等設(shè)備都使用了步進(jìn)電機(jī)。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,步進(jìn)電機(jī)必將發(fā)揮它的控制方便、 控制準(zhǔn)確的特點(diǎn) ,在工業(yè)控制等領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用[4]。</

21、p><p>　　1.2、研究的目的和意義</p><p>　　1.2.1、研究的目的</p><p>　　綜合運(yùn)用所學(xué)的《單片機(jī)原理與應(yīng)用》理論知識，通過實(shí)踐加強(qiáng)對所學(xué)知識的理解，具備設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的能力，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，要求能夠通過鍵盤設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，并在LED顯示器上顯示步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速或工作狀態(tài)。在設(shè)計(jì)的過程中，熟悉并掌握單片機(jī)的

22、結(jié)構(gòu)和使用方法，了解步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作過程，將二者有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)要求的結(jié)果，鍛煉自己的軟件編程和硬件焊接的能力。</p><p>　　1.2.2、研究的意義</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是用脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成和相應(yīng)的角位移或線位移的為電動機(jī)，他突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速啟停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既

23、簡單、廉價，又非?？尚校虼嗽诖蛴C(jī)等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。</p><p>　　1.3、課題研究的內(nèi)容</p><p>　　本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是兩相五線步進(jìn)電機(jī)，采用的方法是利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)

24、行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接受到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別。另外通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)、加減速，步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤

25、差的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于宏開環(huán)控制。</p><p><b>　　2、方案論證</b></p><p>　　2.1、單片機(jī)的介紹</p><p>　　2.1.1、單片機(jī)的概述</p><p>　　單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，又稱為微控制器（MCU），它的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個重要里程碑，它以體積小、功能全、性價比高等諸多優(yōu)

26、點(diǎn)而獨(dú)具特色，在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中獨(dú)占鰲頭。51系列單片機(jī)是國內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種8位單片機(jī)之一。經(jīng)過20多年的推廣與發(fā)展，51系列單片機(jī)形成了以個規(guī)模龐大、功能齊全、資源豐富的產(chǎn)品群。隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和普遍接受及應(yīng)用，51單片機(jī)的發(fā)展又進(jìn)入了以個新的階段。許多專用功能芯片的內(nèi)核集成了51單片機(jī)，與51系列單片機(jī)兼容的微控制器以IP核的方式不斷地出現(xiàn)在FPGA的片上系

27、統(tǒng)中。今年來，基于51單片機(jī)的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)與推廣，表明了51系列單片機(jī)在今后的許多年中依然會活躍如故，而且在很長一段時間中將占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場。</p><p>　　單片機(jī)就是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計(jì)數(shù)器、輸入輸出（I/O）接口電路、中斷、串行通信接口等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一塊芯片上，組成單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。也就是說單片機(jī)是集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)，其功能

28、之強(qiáng)大，在實(shí)際應(yīng)用中常常完全融入應(yīng)用系統(tǒng)中，所以單片機(jī)也稱為嵌入式控制器（Embedded Microcon troller）。由于單片機(jī)集成度高、功能強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗低、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎“無處不在，無處不為”。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費(fèi)產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、PC機(jī)外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。</p>

29、<p>　　單片機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)形式：一種是在通用微型計(jì)算機(jī)中廣泛采用的將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)或稱為馮諾依曼結(jié)構(gòu)。另一種是將程序和數(shù)據(jù)存儲器截然分開而分別尋址的結(jié)構(gòu)，稱為哈佛（Har-vard）結(jié)構(gòu)。目前的單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)的較多。按數(shù)據(jù)總線的寬度，單片機(jī)分為4位、8位、16位以及32位等。</p><p>　　2.1.2、單片機(jī)的特點(diǎn)</p>

30、<p>　　單片微型計(jì)算機(jī)(Single-Chip Microcomputer),簡稱單片計(jì)算機(jī).就是將CPU,RAM,ROM,定時/計(jì)時器和多種接口集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī).其主要特點(diǎn)如下:（1）片內(nèi)存儲容量較小: 原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部擴(kuò)展.通常ROM,RAM可分別擴(kuò)展至64KB.（2）可靠性高: 因?yàn)樾酒前垂I(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的,故抗干擾的能力

31、優(yōu)于PC機(jī).系統(tǒng)軟件(如:程序指令,常數(shù),表格)固化在ROM中,不易受病毒破壞.許多信號的通道均在一個芯片內(nèi),故運(yùn)作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠.（3）便于擴(kuò)展: 片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件,片外有很多供擴(kuò)展用的(總線,并行和串行的輸入/輸出)管腳,很容易組成一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng). （4）控制功能強(qiáng): 具有豐富的控制指令:如:條件分支轉(zhuǎn)移指令,I/O口的邏輯操作指令,位處理指令. （5）實(shí)用性好: 體積小,功耗低,價

32、格便宜,易于產(chǎn)品化.</p><p>　　2.1.3、單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實(shí)時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機(jī)、攝象機(jī)、全自動洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。因此，單

33、片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(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)用于家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇：（1）在工業(yè)控制中的應(yīng)用 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)。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)成二級控制系統(tǒng)等。（2）在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控

34、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，五花八門，無所不在。（3）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 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)</p><p>　　2.1.4、單片機(jī)的選擇</p><p>　　方案一：采用凌陽單片機(jī)。他具有以下特點(diǎn)：體積小 ，集成度高，可靠

35、性好易于擴(kuò)展，采用COMS制造工藝，功耗低，工作電壓范圍大，并且能在較低的電壓下工作，且能用電池供電，內(nèi)置2K SRAM,32K FLASH,豐富的中斷源，具有較強(qiáng)的中斷處理能力，強(qiáng)大的語音功能，可以語音讀出測得的電壓，以及當(dāng)電壓超過測量范圍時，可以語音提示，具有人性化，但是他的價格昂貴，不利于提高作品的性價比。</p><p>　　方案二、采用51系列的單片機(jī)。51系列單片機(jī)應(yīng)用很廣泛，集成度高，可靠性強(qiáng)，系統(tǒng)

36、結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，易于使用等等優(yōu)點(diǎn)，STC89C51系列的單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速低功耗的單片機(jī)，他的功能已完全能夠?qū)崿F(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　由于此次設(shè)計(jì)需要完成的功能不多，要求在盡量節(jié)約成本的條件下完成設(shè)計(jì)，因此從各方面進(jìn)行綜合考慮，最終選用AT89C51單片機(jī)。</p><p>　　2.1.5、AT89C51簡介</p><p&g

37、t;　　AT89C51的主要參數(shù)如表1-1所示：</p><p>　　表1-1 AT89C51的主要參數(shù)</p><p>　　AT89C51含E2PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，防止E2PROM中的程序被非法復(fù)制，不用紫外線擦除，提高了編程效率，程序存儲器E2PROM容量可達(dá)20K字節(jié)。</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)F

38、LASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單

39、個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。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廉的方案。外形及引腳排列如圖：</p><p>　　主要特性：（1）與MCS-51 兼容； （2）4K字節(jié)可編程FLASH存儲器；（3）壽命：1000寫/擦循環(huán)；（4）數(shù)據(jù)保留時間：10年；（4）全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz；（5）三級程序存儲器鎖定；（6）12

40、8×8位內(nèi)部RAM；（7）32可編程I/O線；（8）兩個16位定時器/計(jì)數(shù)器；（9）5個中斷源；（10）可編程串行通道；（11）低功耗的閑置和掉電模式；（12）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。</p><p>　　特性描述：AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計(jì)數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器

41、及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。</p><p>　　管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。</p><p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O

42、口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。</p><p>　　P1口：P1口是一個內(nèi)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門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P

43、1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為低八位地址接收。</p><p>　　P2口：P2口為一個內(nèi)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(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)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。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存

44、儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸

45、出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：</p><p><b>　　管腳備選功能：</b></p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）</p><p>　　P3.

46、2 /INT0（外部中斷0）</p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1）</p><p>　　P3.4 T0（記時器0外部輸入）</p><p>　　P3.5 T1（記時器1外部輸入）</p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）</p><p>　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

47、</p><p>　　P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。</p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號

48、，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器

49、周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。</p><p&g

50、t;　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要

51、求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計(jì)

52、數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止[6]。</p><p>　　2.2、步進(jìn)電機(jī)的介紹</p><p>　　2.2.1、步進(jìn)電機(jī)的概述</p><p>　　步進(jìn)電機(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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個

53、固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、

54、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 </p><p>　　雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(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、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。電機(jī)如圖：</p><p>　　2.2.2、步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>

55、　　電機(jī)的U1、V1、W1接電源，分別有三個開關(guān)控制，U2、V2、W2分別接地。如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器。</p><p>　　它驅(qū)動

56、時各線圈通電順序如下:</p><p>　　表1-2：步進(jìn)電機(jī)線圈驅(qū)動順序</p><p>　　當(dāng)電機(jī)定子繞組通電時序?yàn)锳B-BA’-A’B’-B’A-AB時為正轉(zhuǎn)，通電時序?yàn)锳B-B’A-A’B’-BA’-AB時為反轉(zhuǎn)。單片機(jī)作為核心部件，向步進(jìn)電機(jī)輸入端傳送1或0信息，則可實(shí)現(xiàn)上述操作。通過不同長度的延時來得到不同頻率的步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖，從而得到多種步進(jìn)速度，也就是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。

57、</p><p>　　2.2.3、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及分類</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分：</p><p>　?。?）定子：由硅鋼片疊成的，定子上有6大磁極，每2個相對的磁極（Ｎ，S）組成一對，共有3對。定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 0、1/3π、2/3π,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以π表示），即A與齒1相對齊

58、，B與齒2向右錯開1/3π，C與齒3向右錯開2/3π，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒,與定子上的小齒相同，并且小齒的大小相同，間距相同</p><p>　　分類：步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5

59、度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 </p><p>　　（1）永磁式步進(jìn)電機(jī)：永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；永磁式步進(jìn)電動機(jī)輸出

60、力矩大，動態(tài)性能好，但步距角大。</p><p>　?。?）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角小；但動態(tài)性能差。</p><p>　?。?）混合式步進(jìn)電機(jī)：混合式步進(jìn)電動機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步

61、進(jìn)電動機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動機(jī)。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　2.2.4、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：</p><p>　　（1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。</p><p>　

62、?。?）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。</p

63、><p>　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　（4）步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率

64、，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。</p>

65、<p>　　2.2.5、步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)由步距角、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。</p><p><b>　?。?）步距角的選擇</b></p><p>　　電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度。電機(jī)的步距

66、角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。</p><p><b>　　（2）靜力矩的選擇</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。單一

67、的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接啟動時兩種負(fù)載均要考慮，加速啟動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行時只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍為好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。</p><p><b>　　（3）電流的選擇</b></p><p>　　靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特

68、性曲線圖，判斷電機(jī)的電流。</p><p>　?。?）力矩與功率換算</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：</p><p>　　P=Ω·M (2.1)</p><p>　　Ω=2π

69、3;n/60 (2.2)</p><p>　　P=2πnM/60 (2.3)</p><p>　　其中P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩，單位為牛頓·米 </p><p>　　P=2πfM

70、/400（半步工作） (2.4)</p><p>　　其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）</p><p>　　2.2.6、步進(jìn)電機(jī)的指標(biāo)術(shù)語</p><p>　　相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示拍數(shù)：完成一個磁場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)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相

71、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。 </p><p>　　步距角： 行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 </p><p>　　定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀

72、態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）</p><p>　　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)動時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(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)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。</p><p>

73、;　　步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。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)行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在15% 以內(nèi)。</p><p>　　失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。</p><p>　　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)動是不能解決的。&

74、lt;/p><p>　　最大空載起動頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 </p><p>　　最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。</p><p>　　運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要

75、的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（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。</p><p>　　電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)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

76、機(jī)驅(qū)動電壓越高，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，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。</p><p>　　電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時序?yàn)锳B-BC-CD-DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序?yàn)镈A-CA-BC-AB時為反轉(zhuǎn)[7]。</p><p>　　2.3、仿真軟件的介紹</p><p>　　2.

77、3.1、keil軟件</p><p>　　Keil uVision系列是德國Keil Software公司推出的51系列兼容單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)。它本次設(shè)計(jì)使用的是Keil2，是集成的可視化Windows操作界面，其提供了豐富的庫函數(shù)和各種編譯工具，能夠?qū)?1系列單片機(jī)以及和51系列兼容的絕大部分類型的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。Keil uVision系列可以支持單片機(jī)C51程序設(shè)計(jì)語言，也可以直接進(jìn)行匯編語言的設(shè)計(jì)與編譯。

78、</p><p>　　與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。無論是使用C語言還是匯編語言進(jìn)行程序的編寫，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會使編程事半功倍。</p><p>　　

79、KeilC51的特點(diǎn)：（1）Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。（2）與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。 Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。</p><p>　　因此，本次設(shè)計(jì)采用C

80、語言進(jìn)行程序的編寫。</p><p>　　2.3.2、proteus軟件</p><p>　　Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作

81、者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系

82、列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。</p><p><b>　　功能及特點(diǎn)：</b></p><p>　?。?）功能：1）原理布圖　2）PCB自動或人工布線3）SPICE電路仿真</p><p>　?。?）特點(diǎn)：1）互動的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/

83、DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2）仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境[8]。</p><p>　　2.4、驅(qū)動電路的選擇</p><p>　　方案一、使用達(dá)林頓驅(qū)動芯片

84、ULN2003，2003為極電極開路驅(qū)動芯片，能驅(qū)動4相步進(jìn)電機(jī)，他的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,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。ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是如果用于驅(qū)動直流電機(jī)的話只能按一個方向轉(zhuǎn)動。換向要改變電機(jī)的接法。</p&

85、gt;<p>　　方案二、使用驅(qū)動芯片L298， L298為H橋驅(qū)動芯片，可以為負(fù)載提供雙向的電流。適合驅(qū)動2相或4相的步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動2臺普通的有刷直流電機(jī)。驅(qū)動電流為2A，只用L298需要自己編寫控制脈沖時序，而與297聯(lián)合起來用只需單純輸入脈沖就可以，簡單方便，但是相應(yīng)的成本增加了。</p><p>　　綜合本設(shè)計(jì)的需求，在滿足本設(shè)計(jì)的要求下，選用方案一較為經(jīng)濟(jì)。</p>&

86、lt;p>　　2.5、顯示電路的選擇</p><p>　　方案一、采用LCD液晶顯示，LCD液晶顯示具有方便，美觀、顯示信息量大的特點(diǎn)，現(xiàn)在市場上集成度高的顯示屏在編程方面也較為簡潔，缺點(diǎn)是成本較高。</p><p>　　方案二、采用LED數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示在硬件連接方面顯得較為復(fù)雜，在不同的應(yīng)用場合下配合使用的芯片也不同，但是對于LCD液晶顯示來說，在成本方面占較大優(yōu)勢。<

87、;/p><p>　　由于本次設(shè)計(jì)只是在數(shù)碼管上象征性地顯示轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)速變化有一個感性的認(rèn)識，對顯示器件要求不高，因此最終選擇了方案二。</p><p>　　3、設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)過程論述</p><p>　　3.1、硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1、硬件設(shè)計(jì)的總體方案</p><p>　　因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的控制是通過脈沖

88、信號來控制的，將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。所以怎樣產(chǎn)生這個脈沖信號和產(chǎn)生怎樣的信號是電機(jī)控制的關(guān)鍵。</p><p>　　用單片機(jī)來產(chǎn)生這個脈沖信號，通過單片機(jī)的P1口輸出脈沖信號，因?yàn)樗x電機(jī)是兩相的，所以只需要P1口的低四位P1.0~P1.3分別接到電機(jī)的四根電線上。定時器定時來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過鍵盤的按鈕，就可以改變定時初值從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，P0口接LED數(shù)碼管，可以顯示當(dāng)前的電機(jī)

89、轉(zhuǎn)速和按鈕狀態(tài)，具體結(jié)構(gòu)見圖：</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.2、單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)包括始終振蕩電路和復(fù)位電路，其電路圖如圖：</p><p>　　圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　說明: ①復(fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)

90、合"電容電壓不能突變"的性質(zhì),可以知道,當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會出現(xiàn)高電平,并且,這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定.典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上就將復(fù)位,所以,適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位.一般教科書推薦C 取10u,R取8.2K.當(dāng)然也有其他取法的,原則就要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個機(jī)周期的高電平；</p><p>　?、趶?fù)位輸入高

91、電平有效，當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平，使單片機(jī)復(fù)位。此電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位只需按“RST”鍵，此電源Vcc經(jīng)電阻分壓，在RST端產(chǎn)生一個復(fù)位高電平；</p><p>　?、劬д耠娐?典型的晶振取11.0592MHz(因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的方波便于12分頻,方便定時操作)； </p>

92、<p>　?、軉纹瑱C(jī):一片AT89S51/52或其他51系列兼容單片機(jī)； 注意:對于31腳(EA/Vpp),當(dāng)接高電平時,單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行；當(dāng)接低電平時,復(fù)位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行； </p><p>　?、蓦娫床糠郑航?5伏特的電壓。</p><p>　　3.1.3、按鍵部分</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用

93、的是單片機(jī)的P3口來控制信號的輸入，所以把按鍵開關(guān)和P3口連接起來，另一端接地。當(dāng)按下其中一個開關(guān)時，P3.0~P3.4中的某一個I/O的電位被拉低，則單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作。接線如圖：</p><p>　　圖3.3 按鍵部分仿真圖</p><p>　　3.1.4、電機(jī)驅(qū)動芯片</p><p>　　在實(shí)際的電路中，單片機(jī)的I/O口并不能直接驅(qū)動LED發(fā)光，

94、因此，必須在單片機(jī)和數(shù)碼管之間加上驅(qū)動芯片，本次設(shè)計(jì)中使用了74HC573，它起到驅(qū)動和鎖存的作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：</p><p>　　圖3.4 74HC573芯片</p><p>　　74HC573的八個鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至

95、當(dāng)輸出被關(guān)閉時， 新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器。</p><p>　　3.1.5、電機(jī)驅(qū)動芯片</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用的是生活中被廣泛使用的電機(jī)驅(qū)動芯片ULN2003AN ，ULN2003是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時ULN2003

96、輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003輸出端為高電平，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形如圖：</p><p>　　圖3.5 ULN2003的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個硅NPN 達(dá)林頓管組成。</p><p><b>　　該電路的特點(diǎn)如下：</b></p><p>　?、賃

97、LN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻,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)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。</p><p>　?、赨LN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。驅(qū)動電路如圖：</p><p>　　圖3.6 電機(jī)驅(qū)動圖</p&

98、gt;<p>　　3.1.6、步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用步進(jìn)電機(jī)兩相五線電機(jī)，電壓為DC5V，本次設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)工作在二相勵磁方式。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷</p><p>　　地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

99、過一個齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單四拍（單相繞組通電A-B-C-D-A），雙四拍（雙相繞組通電AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A），電機(jī)如圖：</p><p>　　圖3.7 電機(jī)實(shí)物圖</p><p>　　3.1.7、顯示部分</p><p>　　數(shù)碼管選用7段共陽4位LED,第一位

100、顯示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，第一位顯示“-”，第三、四位顯示電機(jī)的狀態(tài)，顯示如圖：</p><p>　　3.1.8、硬件的焊接</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的四線接法P1.0~A、P1.1~B P1.2~A’、P1.3~B’，整體的硬件仿真圖如圖：</p><p>　　圖3.9 系統(tǒng)整體仿真圖</p><p><b>　　3.2、軟件部分

101、</b></p><p><b>　　3.2.1、主程序</b></p><p>　　進(jìn)入主程序顯示初始化狀態(tài)，主程序由鍵盤程序、顯示程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序三部分組成，主程序首先初始化各變量，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的各引腳均輸出高電平，然后調(diào)用鍵盤程序，并作判斷，有鍵按下，則調(diào)用鍵盤程序，并顯示出狀態(tài)。其主程序框圖如圖：</p><p>　　

102、圖3.10 主程序框圖</p><p>　　3.2.2、顯示子程序</p><p>　　轉(zhuǎn)速的顯示是給用戶最直觀的概念，知道電機(jī)的轉(zhuǎn)的快慢，知道電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，而需要怎樣的速度，再對它進(jìn)行加減速。而這個顯示是調(diào)用顯示子程序。具體流程圖如圖：</p><p>　　圖3.11 顯示子程序框圖</p><p>　　3.2.3、鍵盤掃描子程序<

103、/p><p>　　鍵盤是我們唯一和電機(jī)溝通的橋梁，通過鍵盤的輸入從而改變電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，這里所需要的鍵盤數(shù)量不多，可以根據(jù)學(xué)習(xí)板做成獨(dú)立式鍵盤，鍵盤的焊接是行線接單片機(jī)P3口的p3.0~p3.4,通過調(diào)用KEY掃描鍵盤，調(diào)用延時程序，再判斷是否有鍵按下，如果無鍵按下就返回繼續(xù)掃描，如果有鍵按下，則調(diào)用delay延時去抖動，再讀鍵值，等待鍵釋放，具體流程如圖：</p><p>　　圖3.12

104、鍵盤掃描子程序框圖</p><p>　　4、基于AT89C51的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1、系統(tǒng)的故障及調(diào)試</p><p>　　4.1.1、軟件部分</p><p>　?。?）調(diào)試：按照總體流程圖，在keil軟件上，用C語言編程，編程時采用分塊進(jìn)行，分為按鍵子程序、顯示子程序、調(diào)速子程序以及主程序，具體步驟如下：&l

105、t;/p><p>　　1）定義各個變量uchar maichong;uchar zhuansu;uchar flag；</p><p>　　2）定義正反轉(zhuǎn)、加減速端口Sbit key_z=P3^1;sbit key_f=P3^2;sbit key_jia=P3^3;sbit key_jian=P3^4；</p><p>　　3）調(diào)用顯示子程序；</p>

106、<p>　　4）調(diào)用鍵盤掃描子程序；</p><p>　　5）執(zhí)行主程序； 6）返回顯示</p><p>　?。?）故障及解決：在編程完成時，運(yùn)行程序，在仿真圖上可以看到電機(jī)并不能正常旋轉(zhuǎn)，而是左右來回運(yùn)轉(zhuǎn)或者是只轉(zhuǎn)半圈，剛開始認(rèn)為是電機(jī)的四相接線接錯了，更改之后，電機(jī)依舊不能正常運(yùn)行，于是，我懷疑是程序的問題，改動了幾個地方，沒有解決。我決定一部分一部分地檢查，檢查到電

107、機(jī)在簡單接線時，現(xiàn)象依然不明顯，此時認(rèn)為是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)太快了，在眼中有視覺殘留，于是，我調(diào)整程序中的延遲函數(shù)和脈沖個數(shù)，在不斷地嘗試下，最終，能夠很清楚地看到電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故障得到解決。</p><p>　　4.1.2、硬件部分</p><p>　　（1）調(diào)試：根據(jù)原理圖將硬件焊接好，用Proteus軟件下載keil軟件生成的HEX文件到單片機(jī)中，再給單片機(jī)上電，程序就開始運(yùn)行。</p&

108、gt;<p>　　（2）故障及解決：完成了硬件的焊接，將程序通過數(shù)據(jù)線下載到單片機(jī)芯片中，接通電源，電機(jī)并不能運(yùn)轉(zhuǎn)，對比PROTEUS中的電路仿真圖的接線，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的四條接線位置不對，更改了位置后電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)?？墒?，顯示的LED并沒有按照程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，此時，我懷疑是LED壞了，于是我將LED拆下來單獨(dú)點(diǎn)亮，能夠正常工作，查閱了相關(guān)書籍后發(fā)現(xiàn)，LED的驅(qū)動需要一定大小的電壓和電流，于是我在單片機(jī)的I/O口與LED之間接入了驅(qū)