单片机控制步进电机的软件设计.doc

单片机控制步进电机的软件设计中文摘要:单片机是把主要的计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。它是一种集微处理器和多种接口于一体的微控制器，被广泛应用在智能产品和工业自动化上，而AT89S51单片机是个单片机中最为典型和最有代表性的一种。我的设计就是以AT89S51与键盘、显示器连接，通过调节脉冲信号频率，进而实现对步进电动机转速的控制。步进电机是一种易于精确控制的电机,由于其良好的性能而受到广泛的应用。其控制方法也多种多样。AT89S51为核心的微机控制调速器很好解决了各种控制技术问题。整个系统结构简单。通过改变软件设计，可灵活地实现各种控制功能，使其按照单片机编写的程序按步骤的进行正序旋转或逆序旋转。关键词:单片机; 步进电机; 控制器; 驱动器Abstract: The single chip microcomputer is the microcomputer, which inter-grates the main computer function part on a chip. It is a microcontroller which is a collection of microprocessor and many kinds of interfaces in a body, which is widely applied in the intelligent product and in the industrial automation, but AT89S51 is the most typical and the most representative one kind in SCM. This design takes AT89S51 connects with the keyboard and the monitor, adjusts the pulse signal frequency, then realizes the stepping motor speed control.The stepping motor is a kind of motor easy to control. It is used widely for its property. There are many ways to control the stepping motor. The Microcomputer control speed regulator taking AT89S51 as a core solves the diversify kind of control technical. The whole system structure is simple. Diversified kind of control function is realized flexibly by changing software design to control the stepping motor after amplified by the driver circuit to makes the stepping motor rotate clockwise and anticlockwise.The keywords: SCM; stepper motor; control machine; drive machine目 录中文摘要 .IAbstract .II一、引言 .4二、设计分析 .5 三、主要器件介绍.61、单片机(AT89S51)系统简介.6（1）、单片机结构.6（2）、I/O接口线.9（3）、定时器/计数器T0/T1 .10（4）、存储器 .122、74HC148芯片介绍.12（1）、74HC148简要说明.12（2）、优先编码器功能简介.133、74HC595芯片介绍.14（1）、74HC595 内部结构 .14（2）、引脚功能及工作方式 .154、ULN2003A芯片介绍.16四、步进电动机 .181、步进电动机的结构 .192、步进电动机的工作原理 .203、步进电动机的驱动.222、键盘设计.27五、硬件设计.321、结构框图 .323、电源电路设计.32六、软件设计.351、汇编语言程序设计 .352、C语言概述.363、主程序.37七、小结 .40参考文献.41致 谢.42一、引 言步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时,定子绕组产生1矢量磁场,该矢量场会带动转子旋转1角度,使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一致。定子绕组矢量磁场每旋转一个角度,转子也随着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同, 在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。随着电力电子技术的发展,可以实现细分驱动,即将一个步距角细分成若干小步来驱动,以减小步距角,提高步进分辨率, 增加电机运行平稳性。步进电机必须使用专用的步进电机驱动设备才能够正常工作。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转换由脉冲信号频率来决定。步进电机系统的运行性能,除与电机自身的性能有关外,在很大程度上还取决于驱动设备性能的优劣。单片机技术,作为当今日益蒸蒸日上的一项技术,对开发者来说,比较渊博的知识也就是不可少的。因为它是一门可大可小的技术,对于一个开发者而言,只懂得硬件不了解软件或者说只编写软件而不深入硬件都不可能做好一个项目,因此要做好一个完整的项目,掌握各种与单片机开发相关的知识,尤其是与项目相关的知识就尤为重要了。对于本项目,掌握与后向通道相关的单片机控制技术相关知识就很有必要。步进电机作为执行结构,它的基本原理,结构以及驱动电路都是必须掌握的内容, 驱动电路的主要作用是实现功率放大。一般脉冲分配器输出的驱动能力是有限的，它不可能直接驱动步进电机，而需要经过一级功率放大。对于功率比较小的步进电机，厂家已经生产出了集成度较高、脉冲分配与驱动电路集成在一起的芯片，应用中只需将它的输出端与步进电机相连即可。对于经常使用的角位移步进电机，用户可以通过控制电机转动来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以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。而本课题重点研究的是利用所学的专业理论知识，去分析和解决控制步进电机的正、反转及快慢速问题，熟悉步进电机的工作原理，熟悉应用单片机是如何控制步进电机的。掌握控制步进电机系统的设计内容、操作程序还有方法技能等。二、设计分析课题内容及要求：熟悉核心芯片，掌握应用芯片的关键技术，熟练应用芯片。完成整个控制系统的设计。完成系统设计的拓朴图、原理图、PCB板图等。利用单片机实现步进电机的控制。完成系统设计的理论说明及其主要结论。完成相关外文资料或论文的翻译。本课题重点研究的是利用所学的专业理论知识，去分析和解决控制步进电机的正、反转及快慢速问题，熟悉步进电机的工作原理，熟悉应用单片机是如何控制步进电机的。掌握控制步进电机系统的设计内容、操作程序和方法技能等。重点研究的关键问题以及解决的思路：步进电机系统中的两个重要电路：脉冲分配电路和驱动电路脉冲分配电路有两个输入信号：步进脉冲和转向控制。脉冲分配电路在步进脉冲和转向控制信号的共同作用下产生正确转向的4相激励信号。此激励信号经过驱动电路送至步进电机，从而控制步进电机向正确的方向转动，此激励信号的频率决定了步进电机的转速。驱动电路的主要作用是实现功率放大。一般脉冲分配器输出的驱动能力是有限的，它不可能直接驱动步进电机，而需要经过一级功率放大。对于功率比较小的步进电机，厂家已经生产出了集成度较高、脉冲分配与驱动电路集成在一起的芯片，应用中只需将它的输出端与步进电机相连即可。步进电机的速度控制问题：步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现的。通常有两种方法：软件延时和定时器延时。其中定时器延时是在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数即可实现调速，在启动时，以低于响应频率的速度运行，然后慢慢加速，加速到一定的频率以后，就以此速率运行，当快要达到指定步进步数时，使之慢慢减速，使其在低于响应频率的速率下运行，直至停机。采用变速控制程序，步进电机便可以最快的速度走完所规定的步数，而且不出现失步。实现变速的方法很多，可以采用变换拍频的方式、改变定时器定时参数和改变延时的方式，在这里就采用定时器延时的方式进行设计。本设计的目标是实现一个基于51单片机控制的步进电机系统，由单片机产生正确的驱动脉冲信号，控制步进电机以正确的转速向正确的方向产生正确的转动角度。用不同的按键表示不同的控制速度，以控制步进电机的转动及方向，用以实现步进电机正、反转及快、慢速的设计目标。三、主要器件介绍1单片机(AT89S51)系统简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k 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AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 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。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。（1）、单片机结构： 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路引脚说明：（引脚如图3-1）VCC：供电电压。GND：接地。图3-1 AT89S51引脚图P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，如图3-2所示，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。图3-2 P1口功能图P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。（2）、I/O接口线I/O接口的功能是用于实现MCU和外围设备的互联互通、实现数据交互。由于外围设备品种繁多，数据形式各异，因此，MCU在与I/O设备进行数据交互时存在很多问题。速度不匹配：有的功能模块的工作速度要比MCU慢许多，而有的I/O设备速度比MCU还要快，并且不同的种类之间的速度差异也很大。时序不匹配：各个功能模块都有特有的传输时序，尤其是各种串行总线，时序非常复杂，无法与MCU的时序取得统一。信息格式不匹配：不同的功能模块存储和处理信息的格式不同，有二进制格式、ACSII编码和BCD编码等。信息类型不匹配：不同设备采用的信号类型不同，有数字信号，有模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。基于以上原因，MCU与外设之间的数据交换必须通过接口来完成，通常接口有以下一些功能：设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应MCU与外设之间的数据传输速率的差异，接口通常由一些寄存器或RAM芯片组成，如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输。能够进行信息格式的转换，例如串行数据到并行数据的转换；能够协调MCU和外设两者在信息的类型和电平的差异，如电平转换驱动器、数/模或模/数转换器等；协调时序差异；地址译码和设备选择功能；设置中断和DMA控制逻辑，以保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和DMA请求信号，并在接受到中断和DMA应答之后完成中断处理和DMA传输。I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口，接下来另一个问题就是这四个端口还有一个差别除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。（3）、定时器T0/T18051单片机内部设有两个16位可编程定时器/计数器。简称为定时器0（T0）和定时器1（T1）。定时器/计数器的工作方式、定时时间和启停控制由程序来确定。定时器/ 计数器由定时器0、定时器1和两个特殊功能寄存器（TCON、TMOD）组成。定时器/计数器的结构：定时器/计数器的结构框图如图3-3所示。由图3-3可知，16位的定时器/计数器分别由两个8位寄存器组成，即：T0由TH0和TL0组成，T1由TH1和TL1构成。每个寄存器均可单独访问，这些寄存器是用于存放定时初值或计数初值的。另外还有一个8位的定时器方式寄存器TMOD和一个8位的定时器控制寄存器TCON。这些寄存器之间是通过内部总路线和控制逻辑电路连接起来的，定时器/计数器的工作方式、定时时间和启停控制通过由指令来确定这些寄存器的状态来实现。图3-3 定时器/计数器结构框图TMOD主要用于设定定时器的工作方式，TCON主要用于控制定时器的启动和停止，并保存T0、T1的溢出和中断标志；使用定时器/计数器时，还会用到中断允许寄存器IE中的相关位。当定时器工作在计数方式1时，外部计数信号通过外部输入引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）输入。定时器/计数器的原理：16位的定时器/计数器实质上是一个加1计数器，可实现定时和计数两种功能，其功能由软件控制和切换。当CPU执行了操作寄存器TMOD和TCON的指令后，即用软件给定时器设置了某种工作方式之后，定时器就会设定的工作方式独立运行，不再占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU当前操作。CPU也可以通过执行操作寄存器TMOD和TCON的指令重新设置定时器工作方式，以改变定时器的操作。由此可见，定时器属硬件定时和计数，是单片机中效率高而且工作灵活的部件。当定时器/计数器工作在定时功能时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出。由此可见，定时器的定时时间与系统的时钟频率有关。因一个机器周期等于12个时钟周期，所以计数频率应为系统时钟频繁的十二分之一。如果晶振频率为12MHz，则机器周期为1ys。通过改变定时器的定时初值，并适当选择定时器的长度（8位、13位或16位），可以调整定时时间。当定时器/计数器工作在计数功能叶，通过外部计数输入引脚T0（P3.4）和T1P（3.5）对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平，若一个机器周期S5P2期间采样为1，下一个机器周期S5P2期间采样值为0，则计数器加1，再下一个机器周期S3P1期间，新的计数值装入计数器。因检测一个由1至0的跳变需要两个机器周期，故外部信号的最高计数频率为时钟频率的二十四分之一。如果晶振频繁为12MHz，则最高计数频率为0.5Hz。虽然外部输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保给定电平在变化前至少被采样一次，外部计数脉冲的高电平与低电平保持时间均需在一个机器周期以上。综上所述，我们可知定时器/计数器是一种可编程部件，所以在定时器/计数器开始工作之前，CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时器/计数器。将控制字写入定时器/计数器的过程叫定时器/计数器的初始化。在初始化程序中，要将工作方式控制字写入定时器方式寄存器（TMOD），工作状态控制字（或相关位）写入定时器控制寄存器（TCON），赋定时/计数初值给TH0（TH1）和TL0（TL1）。定时器/计数器的功能。定时器/计数器具有定时和计数两种功能，主要适用于以下方面：定时与延时控制方面：可产生定时中断信号，以设计出各种不同频率的信号源；产生定时扫描信号，对键盘进行扫描以获得控制信号，对显示器进行扫描以不间断地显示数据。测量外部脉冲方面：对外部脉冲信号进行计数可测量脉冲信号的宽度、周期，也可实现自动计数。监控系统工作方面：对系统进行定时扫描，当系统工作异常时，使系统自动复位，重新启动以恢复正常工作。（4）、存储器MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于 89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。2、74HC148芯片介绍（1）、74HC148 8线-3线八进制优先编码器简要说明： 74HC148，8线-3线八进制优先编码器，将8条数据线（07）进行3线(4-2-1)二进制（八进制）优先编码，即对最高位数据线进行译码。利用选通端（EI）和输出选通端（EO）可进行八进制扩展。管脚如图3-4所示：图3-4 74HC148管脚图引出端符号： 07：编码输入端(低电平有效)；EI：选通输入端(低电平有效)；A0、A1、A2：编码输出端(低电平有效)；GS：宽展端(低电平有效)；（2）、优先编码器74HCl48功能简介： 74HCl48是八线一三线的优先编码器。该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码器工作状态标志GS。从表2所列的74HCl48真值表中可以看出：当EI=1时，不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且输出使能端和状态标志端均为高电平，编码器处于非工作状态；当EI=O，且至少有一个输入端有编码请求信号(逻辑O)时，GS为0，表明编码器处于工作状态，否则为1。由真值表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入O端(优先级别最低位)时，A2AlAO均为111，此时可由GS的状态加以区别。当GS=1时，表示无输入信号，A2A1A0=111为非编码输出；当GS=O时，A2AlA0=111表示响应输入O端为低电平时的编码输出。E0只有在EI为0，且所有输入端为l时，输出为0，用于级联。功能图如图3-5：图3-5 74HC148功能图逻辑图如图3-6所示：图3-6 74HC148逻辑图3、74HC595芯片介绍（1）、74HC595内部结构74HC595芯片是一种串入并出的芯片,在电子显示屏制作当中有广泛的应用74HC595芯片，8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态三态。特点：8位串行输入、8位串行或并行输出、存储状态寄存器，三种状态输出寄存器可以直接清除 100MHz的移位频率、输出能力、并行输出，总线驱动、串行输出；标准：中等规模集成电路应用、串行到并行的数据转换 Remote control holding register。描述：595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。（2）、引脚功能及工作方式74HC595的控制端说明：（引脚如图3-7）/RST(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常将它接Vcc。SFTCLK(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。QA-QB-QC-.-QH；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了。通常都选微秒级）。图3-7 MC74HC55AD芯片引脚图LCHCLK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常将LCHCLK置为低电平，当移位结束后，在LCHCLKRCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了。通常都选微秒级），更新显示数据。/OE(13脚): 高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要省时省力。注：74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流(25mA)比74595(35mA)的要小,14脚封装，体积也小一些。74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。与164只有数据清零端相比，595还多有输出端时能/禁止控制端，可以使输出为高阻态。74HC595各个引脚的功能：QAQH是并行数据输出口，即储寄存器的数据输出口；SDO串行输出口，其应该接SPI总线的MISO接口；SFTCLK存储寄存器的时钟脉冲输入口；LCHCLK移位寄存器的时钟脉冲输入口；OE的非输出使能端；RST的非芯片复位端；SDI串行数据输入端。4、ULN2003A芯片介绍驱动芯片ULN2003A达林顿晶体管阵列管脚图如图3-8所示：图3-8 ULN2003A驱动芯片管脚图ULN2000、ULN2800是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A电路是美国Texas Instruments公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路，文中介绍了它的电路构成、特征参数及典型应用。达林顿晶体管阵列，驱动电路 ULN2003 ULN2000系列 ULN2800系列 1 概述，功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。在大型仪器仪表系统中，经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。ULN2000、ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围语广。因此，许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品，从而形成了各种系列产品，ULN2000、ULN2800系列就是美国Texas Instruments公司、美国Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列产品。它们的系列型号分类如表1所列，生产2000、2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品的公司与型号对照表如表2所列。在上述系列产品中，ULN2000系列能够同时驱动7组高压大电流负载，ULN2800系列则能够同时驱动8组高压大电流负载。美国Texas Instruments公司、美国Sprague公司生产的ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。以下介绍该电路的构成、性能特征、电参数以及典型应用。2000、2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列中的其它产品的性能特性与应用可参考ULN2003A，管脚功能图如下3-9所示。图3-9 ULN2003A管脚功能图四、步进电动机步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，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和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。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。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，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。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用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趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。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，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，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。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。1步进电机的结构自六十年代初期步进电机面世以来，其应用得到大大的提高。人们利用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪、磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲，电动机就转动一个角度前进一步。又因为它输入的既不是正弦交流电，又不是恒定直流电，而是电脉冲，所以又叫脉冲电动机。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比，因此，可用脉冲数量，发生脉冲频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动、转动速度、转动方向。比如可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以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。这里比三相反应式步进电动机为例，如此的结构，电机转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕组，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开1/3齿距离（），即A与齿1对齐，B与齿2向右错开1/3T，C与齿3向右错开2/3T，A与齿5对齐。当A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力，以下均同）。当B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3T，齿3与C偏移量为1/3T，齿4与A的偏移量为2/3T（T-1/3T）。当C相通电，A、B相不通电时，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过去1/3T，齿4与A的偏移量为1/3 T。当A相通电，B、C相不通电时，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 T，这样经过A、B、C、A依次的通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A、B、C、A通电，电机就每项步（每脉冲）1/3 T，向右旋转。如按A、C、B、A通电，电机就反转，由此可见：电机的位置和速度与导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系，而方向由异电顺序决定。（1）、步进电机主要有以下几个特点：1）、直接接收数字信号的控制。2）、控制灵敏，精度高，具有快速启动和快速停止的功能，能在瞬间实现启动和停止，同时控制脉冲和角度位移能精确同步。3）、控制方便，可以用多种方式进行控制。4）、速度变化时不容易失步。5）、步进角变化范围大，而且精度很高。步进角指的是步进电机每步转动的角度。步进电机步进角的范围为0。36度到90度。6）、步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，伴有啸叫声。（2）、电机自身的缺点：1）、难以获得较大的转矩2）、不宜用作高速转动3）、在体积重量方面没有优势，能源利用率低。4）、超过负载时会破坏同步，速工作时会发出振动和噪声。 2、步进电机的工作原理将单片机系统的I/O口分别接到步进电机的绕组，然后根据所选定的步进电机的型号和控制要求来决定控制方式，并写出相应的步进电机转相表，通过单片机系统的I/O口将电机转相表的数学模型传递给步进电机的绕组，使之按照一定的顺序轮流通电，就可以使步进电机按照一定的方向运行。步进电机有三种工作方式：单拍、双拍和多拍。因为三相、五相、六相步进电机的工作方式与四相电机相似，所以下面以四相步进电机为例来说明步进电机各工作方式的数学控制模型。（1）1相励磁方式按ABCD的顺序总是仅有一个励磁相有电流通过，因此，对应1个脉冲信号电机只会转动一步，这使电机只能产生很小的转矩并会产生振动，故很少使用。ABCDT11000T20100T30010T40001图4-1 T1T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有（2）2相励磁方式按AB、BC、CD、DA的方式总是只有2相励磁，通过的电流是1相励磁时通过电流的2倍，转矩也是1相励磁的2倍。此时电机的振动较小且应答频率升高，目前仍广泛使用此种方式。ABCDT11100T20110T30011T41001图4-2 T1T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有脉冲（3）12相励磁方式即实验中所有的励磁方式，它按A、AB、B、BC、C、CD、D、DA的顺序交替进行线圈的励磁。与前述的2个线圈励磁方式相比，电机的转速是原来的1/2，应答频率范围变为原来的2倍。转子以滑动的方式转动。ABCDT11000T21100T30100T40110T50010T60011T70001T81001图4-3 T1T8表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有脉冲本设计采用的是四相的工作方式，利用单片机的中断来驱动步进电机，优点是：不占用CPU资源，运行稳定，发生脉冲准确。使用的是单片机的定时器0，将工作方式设置为方式1，单片机的每次中断都给步进电机四个绕组一次脉冲，使得步进电机转动一个节拍。因此步进电机的运转速度是由系统的中断频繁决定的，改变定时器的初值即可改变电机的运行速度，下面详细讲述中断的设置与中断服务。3、步