相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、. 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級： 機(jī)械工程及自動化03班 指導(dǎo)教師： 職稱： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 摘 要 步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，具有快速起動和停止的特點。其驅(qū)動速度和指令脈沖能嚴(yán)格同步,具有較高的重復(fù)定位精度, 并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。它的運(yùn)行速度和步距不受電源電壓波動及負(fù)載的影響, 因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。本文在分析了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動特性、斬波恒流細(xì)分驅(qū)動原理和混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片ULN2003AN的性能、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合AT89C52單片機(jī)，設(shè)計出了混合式步

2、進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，AT89C52單片機(jī)，ULN2003AN驅(qū)動AbstractStepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast start and stop characteristics. The driving speed and instructions pulse can strictly synchronization, which

3、 has high repositioning precision, and can realize the positive &negative and smooth adjustable speed. Its operation speed and step distance from supply voltage fluctuation and load effect, which have been widely applied in analog-to-digital conversion, speed control and the position control sys

4、tem. Based on the analysis of the stepper motor driving characteristics, a chopper constant-current subdivided driving principle and hybrid stepping motor drive chip ULN2003AN the performance, structure in the foundation, the union AT89C52 single chip computer, designed a hybrid stepping motor drive

5、r circuit. Key words: Stepping motor， AT89C52 single chip computer， ULN2003AN driver第1章 概述步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或階躍電動機(jī)，國外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角

6、度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會長期積累。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，同時步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停

7、、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動機(jī)最突出的優(yōu)點。正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。近年來由于微型計算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)和存儲器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備

8、，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因而，對于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。為了得到良好的控制性能，對步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。上世紀(jì)80年代以后，由于微型計算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級?；谖⑿蛦纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能

9、夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實現(xiàn)機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由PC機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法。但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)

10、構(gòu)簡單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等要求。本論文就是采用這個思路進(jìn)行設(shè)計。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相對較單一，并且設(shè)計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來，能做到一定的人機(jī)交換，而且

11、為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價值。第2章 步進(jìn)電機(jī)工作原理由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備-步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器，典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機(jī)軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器

12、。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的目的，步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個方面。從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本原理如下：2.1三相步進(jìn)電機(jī)控制工作原理2.1.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖1 步進(jìn)電機(jī)三相接線圖如圖1所示，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。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的工作方式 三相步進(jìn)電機(jī)可以在三相單拍，三相雙拍和三相六拍三種工作過方式下工作。在三相單三拍

13、工作方式運(yùn)行時，通電順序為：A-B-C-A;三相雙三拍工作方式運(yùn)行時，通電順序為：AB-BC-CA-AB;三相六拍工作方式運(yùn)行時，通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A,因此要輸出相應(yīng)的控制字進(jìn)行控制。2.1.3步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電 ,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵磁方式為三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通電換相 ,即則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。2.1.4步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)由于其電氣特性,運(yùn)轉(zhuǎn)時會有步進(jìn)感 ,即振動感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動平滑 ,減小振動 ,可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波 ,可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)

14、角 ,提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時 ,為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn) 生順滑 ,則需采用合適的鎖定波形 ,產(chǎn)生鎖定磁力矩 ,鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸 ,使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。2.1.5步進(jìn)電機(jī)的速度控制步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度是由輸入到A、B、C三相繞組的頻率所決定的。脈沖的頻率越高，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度越快，否則，速度就越慢。因而通過延時程序控制輸出脈沖的頻率，就可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)速度的控制。2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù) 在混合式步進(jìn)電動機(jī)特點和工作原理的基礎(chǔ)上，本章就步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較。首先介紹了傳統(tǒng)的驅(qū)動方式:單電壓驅(qū)動(包括單電壓串電阻驅(qū)動)、雙電壓驅(qū)動(

15、包括高低壓驅(qū)動)和恒流斬波驅(qū)動的工作原理及優(yōu)缺點，然后重點介紹了細(xì)分驅(qū)動方式的原理及其模型。2.2.1一般驅(qū)動系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)步進(jìn)電動機(jī)不像直流電動機(jī)、交流電動機(jī)一樣，它不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)的性能，除與電動機(jī)木身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。因此，對步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的研究幾乎是對步進(jìn)電動機(jī)的研究同步進(jìn)行的。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的主要構(gòu)成如圖2.1所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等各部分組成，用于功率步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器還需要有多種保護(hù)電路。環(huán)形分配器信號放大與處理推動級驅(qū)動級保護(hù)圖2.1 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)

16、動器構(gòu)成環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并按步進(jìn)電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者反序轉(zhuǎn)換，決定了步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。因此，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率的高低。信號放大與處理的作用是將環(huán)分輸出信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動級。信號處理是實現(xiàn)某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。本級還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動輸出。

17、推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅(qū)動級的較大的信號。有時推動級還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。保護(hù)級的作用是保護(hù)驅(qū)動級的安全。一般可根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。2.2.2驅(qū)動器的特點為使步進(jìn)電動機(jī)滿足各種需要的輸出，驅(qū)動級必須對電動機(jī)繞組提供足夠的電壓和電流，但步進(jìn)電動機(jī)與一般電子設(shè)備的驅(qū)動有很多不同點，其主要表現(xiàn)在：1各相繞組都是開關(guān)工作，多數(shù)電動機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進(jìn)電動機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的。2電動機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因此影響電動機(jī)繞組電流的大小。3繞組斷

18、點時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快截止，必須設(shè)計適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回落。繞組導(dǎo)通和截止都會產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時反電勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生有害的影響。4電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。驅(qū)動級線路，既要保證繞組有足夠的電流電壓及正確的波形，同時要保證功率放大器件的安全運(yùn)行，另外，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的成本。這就必須要設(shè)計合理的線路，選用合適的功率器件。

19、驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率晶體管、大功率達(dá)林頓晶體管、可控硅、可關(guān)斷可控硅、場效應(yīng)功率管、雙極型晶體管與場效應(yīng)功率管的復(fù)合管以及各種功率模塊等。目前步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動方式有單電壓驅(qū)動(包括單電壓串電阻驅(qū)動)、雙電壓驅(qū)動(包括高低壓驅(qū)動)、斬波恒流驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等。以下分別簡單介紹前二種驅(qū)動方式的工作原理和優(yōu)缺點。將在后面詳細(xì)介紹細(xì)分驅(qū)動方式。2.3 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)分析2.3.1 單電壓驅(qū)動單電壓驅(qū)動是指在電動機(jī)繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電。其原理圖如圖2.2所示，前面推動級輸出信號In作用于三極管的基級，其集電極接電動機(jī)的一相繞組，繞組另一端直接與電源電壓連接

20、。因此，當(dāng)三極管導(dǎo)通時，電源電壓全部作用在電動機(jī)繞組上。歸結(jié)起來，單電壓驅(qū)動器有如下特點：線路簡單，成本低，低頻時響應(yīng)較好；有共振區(qū)，高頻時，帶載能力迅速下降。圖2.2 單電壓驅(qū)動的原理圖圖2.3單電壓串電阻驅(qū)動的原理圖單電壓驅(qū)動的致命弱點是繞組導(dǎo)通的回路電氣時間常數(shù)較大，致使導(dǎo)通時繞組電流上升較慢、使電機(jī)在導(dǎo)通脈寬T接近時繞組電流迅速下降。由于，故要減小電氣時間常數(shù)的方法是減小繞組的電感或增加繞組回路的電阻R。對于確定的步進(jìn)電動機(jī)，繞組電感已經(jīng)確定。因此在電路中只有用增加回路電阻的方法。即單電壓串電阻驅(qū)動，其原理圖如圖2.3所示。單電壓串電阻驅(qū)動的主要缺點是損耗大，效率低。對比前述單電壓驅(qū)動

21、，其導(dǎo)通時銅損為，而串電阻后的導(dǎo)通銅損為，所以電源提供的功率大部分都消耗在串聯(lián)電阻上。2.3.2雙電壓驅(qū)動雙電壓驅(qū)動的基本思想是在較低頻段用較低的電壓驅(qū)動，而在高頻段用較高電壓驅(qū)動，原理線路見圖2.4所示。電源直接接到由大功率管和二極管組成的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)上。當(dāng)關(guān)斷時，低壓電源通過給電路提供驅(qū)動電壓，當(dāng)導(dǎo)通時，高壓電源通過給電路提供驅(qū)動電壓，處于反向截止?fàn)顟B(tài)，低壓電源自動停止供電。圖2.4 雙電壓驅(qū)動的原理圖高低壓驅(qū)動的原理線路如圖2.5所示，初看起來，與雙電壓驅(qū)動電路似乎差別不大，但實際上工作過程截然不同。圖中所示為每相的單元線路。主回路由高壓管、電動機(jī)繞組、低壓管串聯(lián)而成。加高壓，加低電壓，

22、電動機(jī)繞組回路不串電阻。在每相導(dǎo)通期間，低壓管輸入信號與高壓管輸入信號見圖2.6所示。當(dāng)為高電平時，該相導(dǎo)通；當(dāng)為低電平時，該相截止。高壓管的輸入信號是由信號的前沿信號獲得的，前沿與同步。但脈沖寬度要比小得多，高低壓驅(qū)動可保證在很寬的頻段內(nèi)都能保證相繞組有較大的平均電流，在截止時又能迅速釋放，因此能產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，因此驅(qū)動系統(tǒng)可得到較高的響應(yīng)。圖2.5 高低壓驅(qū)動的原理圖IHILtt00圖2.6高低壓管輸入信號第三章.步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計本設(shè)計的硬件電路只要包括控制電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機(jī)正常工作。控制電路只要由開關(guān)和按鍵組成，

23、由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作。顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路主要是對單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)總體設(shè)計方框圖如圖4-1所示89C51單片機(jī)復(fù)位電路鍵盤控制電路ULN2803啟動電路步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)顯示電路電源及時鐘電路圖4-1 總體設(shè)計方框圖從該系統(tǒng)的設(shè)計要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線盒一根啟動信號線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān)。這里選進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以個單片機(jī)共用一個電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組用P1口的P

24、1.0P1.3控制，由于P1口驅(qū)動能力不夠，因而用一片2803增加驅(qū)動能力。用P0口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉(zhuǎn)，用P2口控制第二個數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)速等級。數(shù)碼管采用共陽的。3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(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51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。本設(shè)計采樣Atmel公司生產(chǎn)的89C52單片機(jī)是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片機(jī)，它采用CMOS和高密度非易失性存儲技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容；片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部

25、除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個8位并行I/O口，5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，89C52單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。 復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤，單片機(jī)的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需4個鍵對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對控制功能的擴(kuò)展，使用了6路獨(dú)立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(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電路提供時鐘頻率。晶振電路：8051單片機(jī)的時鐘信號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XT

26、AL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）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)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖5示。其電容值一般在530pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路實用較多。圖4.1-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的

27、總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB)，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的

28、二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。ULN2003的作用：ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負(fù)載。 輸入5V

29、TTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。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。 ULN2003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,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003A引腳圖及功能如圖4.2-1所示。 圖3.2-1 ULN2003A引腳圖ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動芯片。 經(jīng)常在以下電路中使用，

30、作為顯示驅(qū)動、繼電器驅(qū)動、照明燈驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動等電路中。ULN2003 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)。ULN2003 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。ULN2003 的封裝采用DIP16 或SOP16 。ULN2003可以驅(qū)動7個繼電器,具有高電壓輸出特性，并帶有共陰極的續(xù)流二極管使器件可用于開關(guān)型感性負(fù)載。每對達(dá)林頓管的額定集電極電流是500mA，達(dá)林頓對管還可并聯(lián)使用以達(dá)到更高的輸出電流能力。通常單片機(jī)驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，但獨(dú)每個單元驅(qū)動電流最大可達(dá)350mA.資料的最后有引用電路，9腳可以懸空。 比如1腳輸入，16腳輸出，你的負(fù)載接在VCC與16腳之間，不用9腳，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖4.2-2所示。圖4.2-2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路4.3 顯示電路在該步進(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)速的等級分為七級，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，這里設(shè)計了電機(jī)轉(zhuǎn)速和電