基于单片机的步进电机驱动器设计.doc

摘摘 要要 步进电动机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速， 快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠， 因此在众多领域有着极其广泛的应用。研制一种高性价比步进电机驱动器及其控制系统 具有重要的意义。 本课题研究了步进电机驱动器及其控制系统的设计。该系统以单片机脉冲作为步进 电动机的驱动信号，利用 l297、l298 作为脉冲分配和驱动电路，控制步进电机精确、有 序的运行。实现步进电动机的正转、反转、加速、减速和停止。 关键词关键词: 步进电动机 51 单片机 步进电动机驱动器 程序设计 Abstract The advantages of stepping motor are regulating-rate, quickly rise-stop, positive-reverse controlling and brake etc by changing the frquency of pulse. The stepping motor opening-ring system is simple, cheap, stability and reliability, therefore its application is very extensive in many realm. It has great importance signification to develop inexpensive driver and control system of stepping motor. A high performance driver and control system of stepping motor has been developed. In the system the pulses drive for the stepping motor come from the single-chip. Through l297 and l298 the pulses will be allocated and enlarged to drive the motor precisely and orderly. So it would achieve the motors rise-stop, positive-reverse controlling and brake etc. Key word: stepping motor 51 sigle chip microcomputer stepping motor driver program 目 录 引 言.1 第 1 章 步进电机系统简介.2 1.1 步进电动机简介.2 1.1.1 步进电动机的原理.2 1.1.2 步进电动机的驱动：.4 1.2 单片机简介.6 1.2.1 单片机的现状和发展：.6 1.2.2 单片机的结构与特点：.8 1.2.3 8051 单片机的简介：.9 第 2 章 步进电机驱动器设计.12 2.1 8051 单片机的开发.12 2.2 步进电机驱动器原理.13 2.2.1 步进电机驱动器的组成.13 2.2.2 步进电机的典型驱动方式.15 2.3 由 L297、L298 组成的步进电机驱动电路.19 2.4 步进电动机控制系统.22 第 3 章 步进电机驱动器软件设计.23 3.1 软件的设计.23 3.2 软件编程.24 第 4 章 系统的仿真与调试.27 4.1 伟褔仿真器的开发环境与步骤.27 4.2 组装和调试.29 结束语.30 谢 辞.31 参考文献.33 3 引 言 自动控制在现代化的进程中有着极其重要和广泛的应用。自动控制技术的应用减轻 了人的劳动强度，提高生产效率，改进了产品的质量，改善了工作环境，减少了能量的 损耗。特别是 20 世纪 80 年代以来，控制理论的进一步发展和计算机在控制系统中的应 用，使自动控制取得了辉煌成就。单片机的应用，使嵌入式自动控制系统成为一种新的 形势，大大扩大了自动控制的应用领域，使自动控制成为无处不在的一种技术。 单片机具有低廉的价格、强大的性能、快速的反应、广泛的用途以及可靠性高等优 点受到了人们的欢迎，它可以被灵活的嵌入到其它的系统当中来控制系统的运行，尤其 适合于实时控制。纵观当今的家庭生活，工业生产，处处离不开单片机。 单片机对电机的控制，一直是控制系统应用的重要方面，而步进电机就是一种新型 的特种电机。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它是数字化的电机，步进电 动机的重要优点是不需要反馈装置便能提供非常精确的机械位置，精度高、惯性小，位 置误差不会积累，因此在各类开环数字式控制系统中得到广泛应用。步进电机的驱动脉 冲的离散性决定了它与单片机紧密联系。近几十年来，数字技术，计算机技术和永磁材 料的发展，推动了步进电机的发展。在舞台灯光、自动化、仪表、POS机、雕刻机、票据 打印机、工业标记打印机、半导体扩散炉、包装机械等领域步进电机得到了广泛应用。 研究步进电机的驱动设计，具有很高的实用价值。 4 第 1 章 步进电机系统简介 1.1 步进电动机简介 1.1.1 步进电动机的原理 步进电动机是把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的特种电机。在自动控制 装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，所以又称脉冲电动 机、数字电动机。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转 化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定 的方向转动一个固定的角度（及步进角） 。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而 达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达 到调速的目的。它是数模转换器的一种形式，比其他数模转换执行机构更经济。因此， 步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。 步进电动机的驱动电源不同于一般直流电源和交流电源，它由变频脉冲信号源、脉 冲分配器和脉冲放大器组成。由这一驱动电源给电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的 运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。 步进电机一般分三种：永磁式，反应式和混合式，永磁式步进电机一般为两相，转 矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩 输出，步进角一般为1.5度。 反应式步进电机主要由定子、转子两大部分构成。以三相步进电机为例（图一）在 定子上有六个极，每一极上绕有绕组，绕组使步进电动机产生驱动力矩.对称的绕组形成 相控制绕组,于是总计有A、B、C三相绕组。在每个极面向转子的内圈分布着多个状梳 的小齿，大小相同，间距相等。反应式步进电机的转子由软磁性材料制成，外圆柱面呈 齿状。转子、定子上的小齿形状彼此相似，齿距相同。所以，定子上每极的齿和转子的 齿是对应吻合的。定子上极的中心线就是齿的中心线。 若步进电动机能按照正确的方式通电，转子在定子电磁力的作用下将运动到最大磁 导率位置。一般而言，在这个位置上转子的齿和定子某一极的齿恰好对齐。定子和转子 的齿对齐称为“对齿” ；反之称为“错齿” 。错齿是步进电动机能够步进旋转的根本原因 当A相绕组通电时,转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向。当 A相断电、B相定 子绕组被通电激励时， 就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的 磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。 5 图1.1 步进电动机的结构示意图 步进电动机具有以下的静态指标术语： 相数相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。 拍数拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿 距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍 运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 步距角步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=360 度（转子齿数 J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步），八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度 （俗称半步）。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机 械误差造成的）。 静转矩静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力 矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小 气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 步进电动机的动态指标及术语： 1、步距角精度步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示： 误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 2、失步失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3、失调角失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生 的误差，采用细分驱动是不能解决的。 4、最大空载起动频率最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下， 能够直接起动的最大频率。 5、最大空载的运行频率最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最 高转速频率。 6 6、运行矩频特性运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运 行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所 示： 图 1.2 运行矩频特性 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机 运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频 率特性越硬。如下图所示： 图 1.3 不同电流下的矩频特性 其中，曲线 3 电流最大、或电压最高;曲线 1 电流最小、或电压最低，曲线与负载的 交点为负载的最大速度点。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。 7、电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在 180- 250pps 之间（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角为 0.9 度），电机驱动电压越高， 电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输 出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 1.1.2 步进电动机的驱动： 步进电动机的重要优点是不需要反馈装置便能提供非常精确的机械位置，因此在各 类开环数字式控制系统中得到广泛应用。打印机、绘图机及磁碟机的读写头定位都是步 进电动机经常使用的场合。 驱动步进电动机的脉冲需要由一定的专用驱动电路产生。该电路需要将单片机产生 的低电压信号转换成能够驱动步进电动机转动的高电压信号，并按照一定的次序施加在 电动机绕组上。 步进电机的运行离不开驱动控制，驱动控制电路将单片机输出的信号转化电机运转 7 的动力，是一个由弱电向强电转变的过程。在这一过程中，输出脉冲对于步进电机控制 的精度，需要一定的抗干扰能力。而且为防止带动电机的强电流反馈回单片机电路，而 损毁电路，需要进行电气隔离。其次，要产生足够大的力矩，这也对驱动电路提出了一 定的要求。电机运行中的稳定性，低功耗，低噪声，也是衡量电机驱动器的重要指标。 不同的电动机其界限形式不同，本试验用到的是二相反应式步进电动机，其电路结 构如下： 图 1.4 六线二相单极性步进电机接线图 根据电流在线圈中的流动方向，步进电动机驱动电路可分为单极性驱动和双极性驱 动。单极性驱动方式较为简单，一般使用较多。双极性驱动方式虽然驱动电路复杂，但 可以产生相当于单极性驱动方式 2 倍的转矩。双极性驱动方式一般在二相反应式步进电 机中应用较多。 步进时钟 Red White Green Yellow Black blue 图1.5 反应式二相步进电机单极性驱动方式 图 1.6 反应式二相步进电机双极性驱动方式 具体地说，驱动控制电路应该完成以下工作： 1、脉冲信号的产生脉冲信号的产生 步进时钟 Red Green Black Yellow 8 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。 2、信号分配信号分配 以四相电机工作方式为例，四相四拍为 AB-BC-CD-DA-AB,步距角为 1.8 度；四相八拍 为 AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为 0.9 度)。 3、功率放大功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动 态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流） 。平均电流越大电机力矩越大， 要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同 的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱 动、恒流、细分数等。 步进电动机的驱动电路一般由三部分构成：信号发生电路产生时钟脉冲；脉冲分配 电路用于产生步进电机每相正确时须脉冲；功率放大电路对每一相弱信号进行放大，产 生电机工作所需的激磁电流。 图 1.7 驱动电路的构成 步进电机需要特定的直流电源，如何来确定步进电机驱动器的直流供电电源? A.电压的确定 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。 B.电流的确定 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。 1.2 单片机简介 1.2.1 单片机的现状和发展： 单片微机（Single-Chip Microcomputer）简称单片机，也有的叫做微处理（ Micro- Processor 简写 P）或微控制器（Micro-Controller 简写 C），通常统称 微型处理部件 9 （Micro Controller Unit 简写 MCU）。一般的说，单片机就是在一 块硅片上集成 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、和多种 I/O 的完整的数字处理系统 。 二十世纪， 微电子、IC 集成电路行业发展迅速，其中单片机行业的发展最引人 注目。单片机功能强、 价格便宜、使用灵活，在计算机应用领域中发挥着极其重要 的作用。从 INTEL 公司于 1971 年生产第一颗单片机 Intel-4004 开始，开创了电子应 用的智能化新时代。单片机 以高性价比和灵活性，牢固树立了其在嵌入式微 控制系统中的霸主地位，在 PC 机以 286、386、Pentium、PIII 高速更新换代的 同时，单片机却始终如一保持旺盛的生命力。 例如，MCS-51 系列单片机已有十 多年的生命期，如今仍保持着上升的态势。 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段。 1.SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单 片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机 完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。 2.MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩 展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化 控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在 电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在 发展 MCU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应 用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势。随着 微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较大的发 展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 单片机的发展趋势: 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，趋势将是进一步向着 CMOS 化、低 功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 CMOSCMOS 化化 近年，由于 CHMOS 技术的进小，大大地促进了单片机的 CMOS 化。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细 管理状态。这也是今后以 80C51 取代 8051 为标准 MCU 芯片的原因。因为单片机芯片多 数是采用 CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS 电路的特点是低功耗、高密 度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较 大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工艺。CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。目前生产的 CHMOS 电路已达到 LSTTL 的速度， 传输延迟时间小于 2ns，它的综合优势已在于 TTL 电路。因而，在单片机领域 CMOS 正 在逐渐取代 TTL 电路。 低功耗化低功耗化 单片机的功耗已从 Ma 级，甚至 1uA 以下；使用电压在 36V 之间，完全 适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰 能力以及产品的便携化。 10 低电压化低电压化 几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使用的电压范 围越来越宽，一般在 36V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 12V。目 前 0.8V 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境， 满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技 术措施。 大容量化大容量化 以往单片机内的 ROM 为 1KB4KB，RAM 为 64128B。但在需要复杂控 制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运 用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内 ROM 最大可达 64KB，RAM 最大 为 2KB。 高性能化高性能化 主要是指进一步改进 CPU 的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的 可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指 令速度最高者已达 100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了 位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10 倍以 上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其 I/O 功能，由此引入了虚拟 外设的新概念。 小容量、低价格化 与上述相反，以 4 位、8 位机为中心的小容量、低价格化也是发 展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化， 可广泛用于家电产品。 外围电路内装化外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把 众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的 CPU、ROM、RAM、定时器 /计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA 控制器、声音发生器、监视定 时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 串行扩展技术串行扩展技术 在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为 单片机应用的主流结构。随着低价位 OTP（One Time Programble）及各种类型片内程序 存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。 特别是 I C、SPI 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构 更加简化及规范化。 1.2.2 单片机的结构与特点： 一、单片机的结构： 目前，单片机的系统结构有两种类型：一种是将程序和数据存储器分开使用， 即哈 佛（Harvard）结构，当前的单片机大都是这种结构。另一种是采用和 PC 机的 冯.诺依 曼（Von Neumann）类似的原理，对程序和数据存储器不作逻辑上的区分， 即普林斯顿 （Princeton）结构。 11 一台微型计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个部分构成的。 单片机是严格按照程序对各种数据整形或者输入信息进行自动加工处理的，因此必须 把程序及数据用输入设备送入微型计算机内部的存储器中，处理完成后还要把结果用输 出设备送出来，其中运算器完成程序中规定的各种算术和逻辑运算操作，而为了使微型 计算机的各内部有条不紊地工作，必须由控制器理解程序的意图，并指挥各部件协调完 成规定的动作。 二、 单片机的特点： 单片机除了具有体积小、价格低、性能强大、速度快、用途广、灵活性强，可靠性 高等优点外，与通用微机相比，在硬件结构和指令上还具有以下独特之处。 (1)存储器 RAM 和 ROM 是严格分工的。ROM 作为程序存储器,只存放程序、常数和数据 表格,而 RAM 作为数据存储器,存放临时数据和变量。这样的方案更适用实时控制系统。 配置较在的 ROM 存储空间，将已调好的程序固化，不仅掉电时程序不丢失，还避免了程 序被破坏，从而确保了程序安全性。实时控制仅需容量较小的 RAM，用于存放少量随机数 据，这样有利于提高单片机的操作速度。 (2)采用面向控制的指令系统。在时控制尤其是位操作方面单片机有不小的优势。 (3)输入/输出端口通常设计有多种功能。 (4)品种规格的系列化。属于同一个产品系列不同型号的单片机，通常具有相同的内 核或兼容的指令系统。其主要差别仅在片内配置了一些不同种类或不同数量的功能部件 以适应不同的被控对象。 (5)单片机的硬件功能具有广泛的通用性。 单片机智能化产品中以单片机为核心组成的硬件电路，称为单片机系统。嵌入相应 的应用软件的单片机系统称为单片机应用系统。 1.2.3 8051 单片机的简介： 8051 系列是目前在应用中最为流行的单片机之一，它广泛地应用在自动控制、智能 家电等许多领域中。8051 系列单片机得到了 Intel 等许多大公司的支持，并纷纷开发出了 兼容的多种芯片。8051 单片机技术也是广大科技人员进行实际开发的必备技能。因此采 用 8051 系列单片机进行开发的项目具有很强的适应性。本设计采用 8051 单片机作为控 制芯片，在设计之前需要掌握其性能和结构。8051 单片机的内部总体结构其基本特性如 下： 8 位 CPU、片内振荡器 ，4k 字节 ROM、128 字节 RAM ，21 个特殊功能寄存器， 32 根 I/O 线 ，可寻址的 64k 字节外部数据、程序存贮空间 ，2 个 16 位定时器、计数器 。 中断结构：具有二个优先级、五个中断源。 一个全双口串行口。 12 位寻址（即可寻找某位的内容）功能，适于按位进行逻辑运算的位处理器。除 128 字 节 RAM、4k 字节 ROM 和中断、串行口及定时器模块外，还有 4 组 I/O 口 P0P3，余 下的就是 CPU 的全部组成。把 4kROM 换为 EPROM 就是 8751 的结构，如去掉 ROM/EPROM 部分即为 8031 的框图，如果将 ROM 置换为 Flash 存贮器或 EEPROM，或 再省去某些 I/O，即可得到 51 系列的派生品种，如 89C51、AT89C2051 等单片机的框图。 单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的。 单片机 8051 的 CPU 由运算器和控制器组成： 一、运算器运算器 运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件 ALU 为核心，再加上暂存器 TMP、累加器 ACC、寄存器 B、程序状态标志寄存器 PSW 及布尔处理器。累加器 ACC 是一个八位寄存器， 它是 CPU 中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器 ACC 往往在运算前 暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。寄存器 B 主要用 于乘法和除法操作。标志寄存器 PSW 也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特 征，如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV P 对用户来讲，最关心的是以下四位。 1、进位标志 CY（PSW 7）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在 最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为 1，否则为 0。 2、辅助进位标志 AC。又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四位是否有半进 位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则 AC 为 1 状态，否则为 0。 3、溢出标志位 OV。MCS51 反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位 为 1，否则为 0。 4、奇偶标志 P。反映累加器 ACC 内容的奇偶性，如果 ACC 中的运算结果有偶数个 1（如 11001100B，其中有 4 个 1），则 P 为 0，否则，P=1。 二、控制器控制器 控制器是 CPU 的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址 指针 DPTR 及程序计数器 PC、堆栈指针 SP 等。这里程序计数器 PC 是由 16 位寄存器构 成的计数器。要单片机执行一个程序，就必须把该程序按顺序预先装入存储器 ROM 的某 个区域。单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。因此，必须有一个电路能 找出指令所在的单元地址，该电路就是程序计数器 PC。当单片机开始执行程序时，给 PC 装入第一条指令所在地址，它每取出一条指令（如为多字节指令，则每取出一个指令字 节） ，PC 的内容就自动加 1，以指向下一条指令的地址，使指令能顺序执行。只有当程序 遇到转移指令、子程序调用指令，或遇到中断时（后面将介绍） ，PC 才转到所需要的地方 去。8051 CPU 碢 C 指定的地址，从 ROM 相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄 存，然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号，这些信号与单 片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化 的电平和时钟，即所谓控制信息，在 CPU 内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。 13 三、存储器三、存储器 存储器是单片机的又一个重要组成部分，其中每个存储单元对应一个地址，256 个单 元共有 256 个地址，用两位 16 进制数表示，即存储器的地址（00HFFH） 。存储器中每 个存储单元可存放一个八位二进制信息，通常用两位 16 进制数来表示，这就是存储器的 内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念，不能混淆。 （一）程序存储器 程序是控制计算机动作的一系列命令，单片机只认识由“0”和“1”代码构成的机器指令。 如前述用助记符编写的命令 MOV A，20H，换成机器认识的代码 74H、20H（写成二进 制就是 01110100B 和 00100000B） 。在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、 常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中，该存储器称为程序存储器。程序存储器 可以放在片内或片外，亦可片内片外同时设置。由于 PC 程序计数器为 16 位，使得程序 存储器可用 16 位二进制地址，因此，内外存储器的地址最大可从 0000H 到 FFFFH。8051 内部有 4k 字节的 ROM，就占用了由 0000H0FFFH 的最低 4k 个字节，这时片外扩充的 程序存储器地址编号应由 1000H 开始，如果将 8051 当作 8031 使用，不想利用片内 4kROM，全用片外存储器，则地址编号仍可由 0000H 开始。不过，这时应使 8051 的第 31脚（即 EA 脚）保持低电平。当 EA 为高电平时，用户在 0000H 至 0FFFH 范围内使 用内部 ROM，大于 0FFFH 后，单片机 CPU 自动访问外部程序存储器。 （二二）数据存储器 单片机的数据存储器由读写存储器 RAM 组成。其最大容量可扩展到 64k，用于存储 实时输入的数据。8051 内部有 256 个单元的内部数据存储器，其中 00H7FH 为内部随 机存储器 RAM，80HFFH 为专用寄存器区。实际使用时应首先充分利用内部存储器， 从使用角度讲，搞清内部数据存储器的结构和地址分配是十分重要的。8051 内部数据存 储器地址由 00H 至 FFH 共有 256 个字节的地址空间，该空间被分为两部分，其中内部数 据 RAM 的地址为 00H7FH（即 0127） 。而用做特殊功能寄存器的地址为 80HFFH。在此 256 个字节中，还开辟有一个 “位地址”区，该区域内不但可按字节寻址， 还可按“位（bit） ”寻址。对于那些需要进行位操作的数据，可以存放到这个区域。从 00H 到 1FH 安排了四组工作寄存器，每组占用 8 个 RAM 字节，记为 R0R7。究竟选用那一 组寄存器，由前述标志寄存器中的 RS1 和 RS0 来选用。在这两位上放入不同的二进制数， 即可选用不同的寄存器组。 （三）特殊功能寄存器 特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为 80HFFH。在 MCS51 中，除程序计数器 PC 和四个工作寄存器区外，其余 21 个特殊功能寄存器都在这 SFR 块中。其中 5 个是双 字节寄存器，它们共占用了 26 个字节。特殊功能寄存器反映了 8051 的状态，实际上是 8051 的状态字及控制字寄存器。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引 脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是 P0P3，它 们实际上是 4 个八位锁存器（每个 I/O 口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和 14 输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS51 共有 P0P3 四个这样的并行口，可提供 32 根 I/O 线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。 15 第 2 章 步进电机驱动器设计 实现的目标： 通过8051单片机的输出脉冲控制步进电动机，驱动步进电机的正反转，加速，减速 和停止，并将步进电机与升旗装置连接，控制旗帜的运转。实现自动升降旗系统。 2.1 8051 单片机的开发 单片机的应用系统随其用途不同，其硬件和软件均不同。单片机最初的选型很重要， 原则上是选择高性价比得单片机。硬件软件化是提高系统性价比的有效方法，尽量减少 硬件成本，多用软件实现相同的功能，这样也可以大大提高系统的可靠性。但是过度的 软件化会占用大量的CPU空间,造成执行效率的降低。所以，要合理的分配软硬件在系统 中的比例，提高性价比。 单片机的系统的开发步骤一般分为总体设计、硬件电路的设计、软件的编制和仿真 等几个部分，具体步骤如下： 16 N 开始 依功能要求决定软硬件的 设计方式（比重，取舍） 编辑/修改源程序 编译 编译结果有错误 连接 使用单片机仿真系 统进行模拟，除错 动作符合要求？ 将程序利用烧录器 烧录到单片机上 结束 制作/修改硬件电路 测试正常 Y N Y N 图2.1 Mcs-51开发流程图 2.2 步进电机驱动器原理 2.2.1 步进电机驱动器的组成 步进电机驱动器又称步进电机控制器，主要由单片机、晶振电路、8K RAM 存储模块、 光电隔离等电路组成，如图 2 所示。 (1)晶振电路晶振电路 17 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于 单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡 时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 3 所示。本系统选 C1 和 C2 值为 30pF。 图 2.2 外部振荡 (2)光电隔离电路 利用光隔离器组成的光电隔离电路将控制器与外部的驱动电路隔离开来，使得外部电 路的变化不至于影响或者损坏控制系统，从而提高系统的可靠性，增强抗千扰能力。光 隔离器最重要的参数是电流传输比 CTR，应注意通常其值为 0.20.9.输入数字信号提供 一定的电流(5-10mA)时，光隔离器才会把放大的数字电平输出。 光隔离器联结时注意信号正负逻辑。光隔离器的输入、输出端地线必须互相隔开，并 且输入、输出端两个电源必须单独供电，否则，如果使用同一电源外部干扰信号可能通 过电源串到系统中来。 (3)存储模块 由于 89C51 单片机片内只有 128 个字节的 RAM，而本系统中需要存储的数据比较多， 需要扩展外部 RAM。 (4)步进脉冲产生电路 在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的 CP 脉冲的频率或者换向周期实际上就 是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时， 一种是定时。 延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这 样周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序 所用的时间和，就是 CP 脉冲的周期。该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用 不同的子程序可以实现不同速度的运行。但占用 CPU 时间长，不能在运行时处理其他工 作。因此只适合较简单的控制过程。 定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可 方便的控制系统输出 CP 脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统 及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程 序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而 实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定 的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的 计数初值作适当的调整。调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间。 二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。综 18 合这两个因素后，重装计数初值的修正量取 8 个机器周期，即要使定时时间缩短 8 个机 器周期。 用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控 制过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间， 系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的 ROM 中，系统在运行中用查 表法查出所需的装载值，这样可大幅度减少占用 CPU 的时间，提高系统的响应速度。 2.2.2 步进电机的典型驱动方式 步进电机的典型驱动方式可分为单极性驱动和双极性驱动。 一、单极性驱动 1 单电压驱动方式单电压驱动方式 图2.3所示为一相控制绕组驱动电路的原理图。当有控制脉冲信号输入时，功率管V 导通控制绕组中有电流流过，否则功率管V 关断控制绕组中没有电流流过。为了减小控 制绕组电路的时间常数，提高步进电动机的动态转矩，改善运行性能，在控制绕组中串 联电阻R1 同时也起限流作用。 电阻两端并联电容C 的作用是改善注入步进电机控制绕组中电流脉冲的前沿。在功率管V 导通的瞬间由于电容上的电压不能跃变电容C 相当于将电阻R 短接，使控制绕组中的电 流迅速上升，这样就使得电流波形的前沿明显变陡。但是如果电容C 选择不当在低频段 会使振荡有所增加，引起低频性能变差。由于功率管V 由导通突然变为关断状态时在控 制绕组中会产生很高的电动势，其极性与电源的极性一致，二者叠加在一起作用到功率 管V 的集电极上很容易使功率管击穿。为此并联一个二极管D 及其串联电阻R2 ，形成 放电回路，限制功率管V 集电极上的电压，保护功率管V。 单电压驱动方式的最大特点是线路简单，功率元件少成本低但它的缺点是由于电阻R1 要 消耗能量使得工作效率低。所以这种驱动方式只适用小功率步进电动机的驱动。 19 图2.3 单电压驱动方式 图2.4 双电压驱动方式 2 高低电压驱动方式双电压驱动方式高低电压驱动方式双电压驱动方式 高低压驱动电路原理如图2.4所示。当输入控制脉冲信号时，功率管1 V 2 V 导通低 压电源由于二极管1 D 承受反向电压处于截止状态不起作用，高压电源加在控制绕组上控 制绕组中的电流迅速上升使电流波形的前沿很陡。当电流上升到额定值或稍比额定值高 时，利用定时电路或电流检测电路，使功率管1 V 关断，2 V 仍然导通，二极管D1 也由 截止变为导通，控制绕组由低压电源供电维持其额定稳态电流当输入信号为零时，功率 管2 V 截止控制绕组中的电流通过二极管D2 的续流作用向高压电源放电，绕组中的电流 迅速减小电阻R1 的阻值很小，目的是为了调节控制绕组中的电流使各相电流平衡。这 种驱动方式的特点是电源功耗比较小效率比较高由于电流的波形得到了很大的改善所以 电机的矩频特性好