毕业设计论文单片机实现的步进电机远程控制系统.doc

毕业设计(论文)说明书题 目：单片机实现的步进电机控制系统 系 别： 电子工程系 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 摘 要：步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。本设计主要就是将步进电机与单片机紧密联系起来，通过单片机的驱动程序来控制步进电机的各种运行动作，以实现传统的步进电机的高度自动化。步进电机按结构分类：步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。 反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。本设计采用AT89S52单片机为核心对步进电机进行控制，并且辅以必要的外围器件和电路，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经驱动芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用键盘对电机的转向正转、反转和转速加速、减速进行控制。关键词：单片机AT89S52；驱动ULN2003a；控制；步进电机。AbstractStepper motors as actuators, electromechanical integration is one of the key products, widely used in a variety of automatic control systems. With the development of microelectronics and computer technology, increasing demand for stepper motor, all applications in all areas of the national economy. Stepper motor control with simple, accurate positioning and so on. With the development of science and technology in many areas will be widely used. The traditional migration of poor impulse system, microcomputer control system is proposed to replace the pulse generator and pulse distributor, produced with the software solution control pulses can be arbitrarily set by software programming of step motor speed, rotation, rotation number and control the stepper motor running. To simplify the control circuit, reduce production costs, increase efficiency and flexibility of the system. The key is to design single chip stepper motor and closely linked, through the microcontroller to control the stepper motor driver run a variety of actions to achieve the conventional stepper motor high degree of automation. Stepper motor according to types of structure: stepper motors, also called pulse motor, including the Step Motor (VR), permanent magnet stepper motor (PM), hybrid stepper motors (HB) and so on. Step Motor: also known as induction, hysteresis or reluctance type stepping motor. The stator and rotor are made of soft magnetic materials, uniform distribution of the stator magnetic pole is equipped with a large multi-phase field winding, stator and rotor teeth and a small uniform distribution around the slot, power changes after the use of magnetic permeability generated torque. Usually three, four, five, six phase; can achieve high torque output (more power consumption, current up to 20A, high voltage); step angle is small; power when no positioning torque; the motor damping small, single-step operation (refer to very low pulse frequency) vibration longer; up and running with high frequency. Permanent Magnet Stepper motors: permanent magnet materials are usually made by the rotor, stator made of soft magnetic materials, a number of phase field winding, stator and rotor teeth and slots around the not small, is powered using magnets and stator current magnetic field interaction torque. Generally two-phase or four phase; output torque is small (low power consumption, current generally less than 2A, voltage 12V); step angle large (such as 7.5 degrees, 15 degrees, 22.5 degrees, etc.); power failure has to maintain a certain torque; up and running less frequently. Hybrid Stepping Motor: permanent magnet, also known as reactive, permanent magnet induction motor, permanent magnet and a mixture of reactive advantages. The stator and four-phase Step Motor no difference (but the same relative phase of the two magnetic poles, and the two magnetic poles generated on the windings N, S polarity must be the same), the rotor structure is more complex (the rotor within the cylindrical permanent magnets, both ends of the coat soft magnetic material, around small teeth and slots). Generally two-phase or four phase; to supply positive and negative pulse signal; output torque than the large permanent magnet (power consumption is relatively small); step angle smaller than the permanent magnet (typically 1.8 degrees); power failure without positioning torque; start and run a higher frequency; is a stepping motor developed rapidly. This design uses AT89S52 MCU as the core of the stepper motor control, and supplemented with the necessary peripheral devices and circuits, through the IO port output timing of the square wave with a stepper motor control signal, the signal driven by the stepper driver chip ULN2003 motor; the same time, turn the keyboard on the motor - forward and backward, and speed - acceleration, deceleration control. Keywords: MCU AT89S52; drive ULN2003a; control; stepper motor. 目 录引言61 课题研究背景及主要内容71.1 课题研究背景71.2 课题研究主要内容及其意义72 步进电机的原理72.1 步进电机的工作原理72.2 步进电机的分类82.3 步进电机的选择92.4 步进电动机的基本参数及特性：92.5 步进电机的特点102.6 关于步进电机调速问题112.7 关于步进电机的问题112.8 步进电机的公共端的确定123 单片机最小系统设计133.1 AT89S52单片机简介133.1.1AT89S52的主要性能133.1.2功能特性描述133.1.3AT789S52引脚结构143.1.4AT89S52的I/O设备144 步进电机驱动芯片164.1 ULN2003的相关资料164.1.1方框图164.1.2极限值174.1.3电特性174.1.4封装外形图184.1.5应用电路185 系统总体方案论证与设计195.1 方案比较一195.1.1最小单片机系统芯片的比较和选用195.1.2驱动芯片的比较和选用195.1.3步进电机型号的选用235.1.4总体方案图255.1.5模块化分析255.1.6电源模块295.1.7编程软件简介336 结论337 谢辞338 参考文献349 附录35引言步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。 由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。1. 课题研究背景及主要内容1.1 课题研究背景本课题主要研究单片机实现的步进电机控制系统为目的。随科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于单片机为基础的自动化、半自动化控制领域，使智能控制越来越多样化，也具有不可估量的实际意义。通过此课题使我们大学生受到较全面的电子应用系统设计和应用研究的工程训练。进一步培养我们大学生综合运用所学的基础理论、专业知识和技能，提高分析与解决实际问题的能力和初步科学研究的能力。1.2 课题研究主要内容及其意义本课题主要研究的是：以单片机为基础，实现人为、或半自动对步进电机进行正转、反转，以及对正、反转状态下的步进电机实现不同转速的调节与控制。本设计采用AT89S52为核心，利用按键电路实现步进电机的正转，反转，不同转速的调制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本课题采用基于单片机AT89S52设计成步进电机控制系统。设计了采用控制脉冲频率，并用单片机实现电机的状态、转速控制功能。基于单片机的智能调速步进电机的硬件设计和软件实现。本课题主要研究的工作是，控制脉冲频率以及采用以AT89S52为核心的控制系统。本课题采用以AT89S52单片机作为检测和控制核心的设计方法，要包括单片机单元、电机驱动单元和调速。本课题采用控制脉冲频率调速，用按键作为控制单元，形成的TTL电平编码用单片机实现功能。各个模块之间独立性强。核心控制部分采用可在线编程的AT89S52单片机，可以在不增加系统硬件的情况下方便地对系统进行二次开发。2 步进电机的原理2.1 步进电机的工作原理步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。例如，在机械结构中，可以用丝杠把角位移变成直线位移，也可以用它带动螺丝电位器，调节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以接受计算机来的数字信号，不需要进行数/模转换，所以用起来更方便。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步。若将角位移的改变转变为线位移、位置、体积、流量等物理的变化，便可以实现对它们的控制。步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。步进电机的结构与步进电机所含的相数有关，以三相步进电机的结构原理为例。电机的定子又6个等分的磁极，即A，A，B，B， C， C。相邻的两个磁极间的夹角为60度。相对的两个磁极组成一相，即AA 相 BB相 C-C相。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极，每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿。步进电机的转子上没有绕组，而是40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9度。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，是转子齿和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。在单三拍控制的方式中，加入A相通电，B、C相都不通电，在磁场的作用下，使转子齿和A相得定子齿对齐。若以此作为初始状态，设与A相磁极中心对齐的转子齿为0号齿，由于B相磁极与A相磁极相差120度。且120/9=13*（3/9）不为整数，所以，在此时转子齿不能与B相定子齿对齐，只是13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3度。如果此时突然变成B相通电，而A、C两相都不通电，则B相磁极迫使13号转子齿与之对齐，整个转子就转动3度。此时，称电极走了一步。同理，我们按照ABCA顺序通电一周，则转子转动9度。磁阻式步进电机的步距角（Qs）可由下边的公式求得：Qs=360度/(N*Zr)式中，N=Mc*C为运行节拍数，其中Mc为控制绕组相数，C为状态系数。采用但三拍或双三拍时，C=1；采用单六拍或双六拍时，C=2。Zr为转子齿数。2.2 步进电机的分类步进电机按结构分类：步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。 反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。步进电动机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电动机）。伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电动机）。2.3 步进电机的选择首先选择类型，其次是具体的品种与型号。反应式、永磁式和混合式三种步进电动机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。具有控制集成电路的步进电动机应优先考虑。2.4 步进电动机的基本参数及特性电机固有步距角： 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。 步进电动机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电动机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。步进电动机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。保持转矩（HOLDING TORQUE）：也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电动机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。它是步进电动机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电动机。步距精度：可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。矩角特性：步进电动机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。步进电动机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。静态温升：指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。转矩特性：它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。启动矩频特性：启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。运行矩频特性/惯频特性：略升降频时间：指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。DETENT TORQUE：是指步进电动机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应式步进电动机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。步进电动机的一些特点。 2.5 步进电机的特点步进电动机没有积累误差：一般步进电动机的精度为实际步距角的百分之3-5，且不累积。步进电动机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。即使是同一台步进电动机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。步进电动机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电动机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电动机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。步进电动机外表允许的最高温度： 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电动机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 步进电动机的力矩会随转速的升高而下降：当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定频率就无法启动，并伴有啸叫声。 步进电动机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电动机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围 （比如IM483的供电电压为1248VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.11.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.52.0倍。当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。 用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。2.6 关于步进电机调速问题步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。 在三相步进电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。2.7 关于步进电机的问题怎么确定步进电机的型号，要注意那几个主要参数？混合式步进电机中的静力矩，引线数，电感等参数如何理解？ 一般是根据您的负载选电机， 主要是参考步进电机的力矩，详细的还涉及到电机的转速和额定电流，传动机构等，起动的转速和正常运行的转速，另外还有电机的精度。 静力矩或者叫保持转矩（HOLDING TORQUE）: 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 定位力矩 （DETENT TORQUE） 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，不知道你说的定位力矩是不是这个，我认为是了。 从上面可以看出，静力矩和定位力矩的区别就是电机通电和不通电定子锁住转子的力矩的区别了。 引线数： 引线数就比较直观了，就是电机接线引脚的数目。2相双极型电机是4根引线。2相单极型电机是5线或者6线的。 电感： 电感的参数一般而言不是电机重点参数，但是它和电机有非常密切的关系，电感通电产生电磁感应才有电磁力。不过因为电磁力还和电机内部其他东西有很大关系，很难从电感上看出什么，看电机力气还是得看静力矩和矩频曲线。电感只是和驱动电路设计上有点关系。两相步进电机和四相步进电机有何不同?两相步进电机在定子上只有2个绕组，4根引出线，一般整步步距角为1.8度，半步步距角为0.9度，驱动器只须通过对两相绕组电流通断进行控制就可以了；而4相步进电机在定子上有四个绕组，8根引出线，整步为O.9度，半步为0.45度，驱动器需要对4个绕组进行控制，电路的复杂性和成本都会增加。因此，一般两相步进电机配两相驱动器，需要更小的步距角时，可以采用细分驱动器。为什么说“两相步进电机和四相步进电机是一回事”有些公司将两相4线和四相8线的步进电机通称为两相步进电机，驱动器也似乎只有两相的。这是因为，四相绕组两两并联或串联后就成为两相绕组，四相电机就变成两相电机了，但串联或并联会使电机绕组电阻和电感成倍变化，电机运行性能也会有明显变化。一般来说，四相并联成两相使用时，电机有较好的加速性能，高速力矩保持得好，但是电机电流会是四相时的2倍，发热较大，对驱动器输出能力的要求相应提高；而四相串联成两相使用时，电机有较好的低速稳定性，噪声和发热较小，对驱动器要求不高 但是高速力矩损失较大。有些公司的驱动器全部安两相设计，四相步进电机必须改接成两相才能使用。所以这些公司往往要问客户，希望电机接成串联的还是并联的。以往，当8线步进电机严格标成四相时，客户自然会认为四相电机和两相驱动器不匹配，因此很多公司干脆将四相步进电机和两相步进电机均标成两相。“两相步进电机和四相步进电机实质上是一回事”的真正道理就在于此。两相步进电机和五相混合式步进电机的应用场合有何不同？一般来说，两相步进电机步距角大，高速特性好，但是存在低速振动区；而五相步进电机步距角小，低速运行平稳。所以，在对电机运转精度要求较高，且主要在中低速段(一般低于800rmin) 的场合应用时，选用成本较高的五相电机；在强调电机高速性能，且对精度及平稳性无太多要求的场合应用时，应选用成本较低的两相电机。另外，五相电机的力矩通常在2NM以上，对小力矩的应用是大马拉小车，对小力矩应用场合，最好采用两相步进电机，低速平稳性问题可以通过选用细分驱动器加以解决。2.8 步进电机的公共端的确定步进电机的公共端的查找应该用万用表的欧姆档来侧找。其方法是：用欧姆档去测不同两线之间的电阻值来确定公共端。其判断依据是：公共端与其余几根引线的阻值是相等的，而不同相之间阻值是公共端与相之间的阻值的2倍。3. 单片机最小系统设计3.1 AT89S52单片机简介 3.1.1 AT89S52的主要性能主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符3.1.2 功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 3.1.3 AT789S52引脚结构3.1.4 AT89S52的I/O设备VCC : 电源GND: 地P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。4. 步进电机驱动芯片步进电机的驱动芯片有很多型号和种类，根据步进电机型号的不同，以及设计要求的不同，选用的步进电机的种类也各异。这里主要介绍的是驱动芯片ULN2003。4.1 ULN2003的相关资料高耐压、大电流达林顿陈列ULN2003概述与特点ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 采用DIP16 或SOP16 塑料封装。4.1.1 方框图4.1.2 极限值(若无其它规定，Tamb=25)4.1.3 电特性4.1.4 封装外形图4.1.5应用电路5 系统总体方案论证与设计5.1 方案比较一5.1.1 最小单片机系统芯片的比较和选用常见的最小单片机系统芯片有：8031、8051、AT89C51/52、AT89S51/52等。而现在用AT89C51/52和AT89S52的系统设计的颇多。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k 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，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。趋于AT89S52和AT89C51/52的价格几乎相同，而AT89C51已经停产，在市场不易买到，AT89S52却是在市场流行的型号，很容易买到。而且AT89S52是AT89C51/52的增强型，功能更为强大。因此，在最小单片机系统芯片的选择上，选择的是AT89S52更为贴切。 5.1.2 驱动芯片的比较和选用在系统设计中步进电机的选用也同为重要的一个环节，不同型号的步进电机，会要求选用不同的驱动芯片；不同的设计要求，选用的驱动芯片也会不同。步进电机驱动芯片TB6560HQ东芝的新产品TB6560HQ/FG步进电机驱动器通过使用BiCD工艺将低电阻与高许可损耗封装相结合，使得其与以前的产品相比能够极大的减少热量的产生。这些新的器件还支持使用时钟输入控制的无微控制器的应用环境下的微步驱动。 特征 1.低电阻（最大和与最小和）=0.6W（HQ）/0.75W（FG）。 2.高许可损耗封装： HQ: HZIP25，FG: THQFP64。 3.输入电压（高）= 与3.3伏或者5伏兼容。 4.电机电源电压VM =与5伏、12伏或者24伏兼容。 5.支持微步驱动。（2W1-2 相位激励） 6.支持电流衰减和高速旋转的设置。 7.输入时钟类型事的电机能由单个管脚输入来驱动（在启动时使用复位和使能管脚）。虽然如此，TB6560HQ芯片只用来驱动两相双极型步进电机。而市场上一般以四相五线的步进电机的型号出售的比较多。所以，选用上述芯片显然不合适。驱动芯片L298NL298N简介:L298N型驱动器的原理及应用 L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号. ENA(B) INl(IN3) IN2(IN4) 电机运行情况 H H L 正转 H L H 反转 H 同IN2(IN4) 同INl(IN3) 快