步进电机论文

1、摘 要步进电机（Stepping Motors）是一种将输入的电脉冲信号变换为阶跃性角位移或直线位移的电机,既给一个脉冲信号,电机就转动一个角度或前进一步,故而又称为脉冲电机。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。步近电机必须与驱动器、控制器配套使用才能完成工作要求。本设计采用AT89S52 单片机对步进电机进行控制，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，信号经过芯片UIN2003和74HC14芯片构成驱动电路驱动步进电机；同时，用 4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用LCD液晶显示器显示电机的转速。 该控制器具有结构简单、价格低、精度高、操作简单、并且

2、降低产品的成本,有利于新产品的设计与研制、等特点。随着单片机应用技术的发展，越来越多的控制仪器都采用单片机作为系统进行设计，应用单片机进行系统设计时系统结构简单、控制方便、硬件设计需要外围器件较少，软件设计可采用C语言，C语言具有编程方便、运算效率高、占用内存少等优点。关键词： 步进电机；单片机；正转；反转；调速1、绪论1.1、选题的目的及意义 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，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

3、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。加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事。1.2、国内外研究现状 目前国内外对步进电机的控制方面的研究比较多，大多采用单片机技术或数字电子技术实现步进电机的步进数字控制和显示。 1.3、设计要求 选用一种步进电机，利用单片机设计制作步进电机的控制系统，具有正转、反转和调速功能。2、 设计

4、方案选择 由设计目的和控制原理可知，本设计的关键在于对脉冲信号的控制。这可以用数字电路来实现，但是实现起来比较复杂而且功能不强。所以，本设计采用单片机（AT89S52）构成主要的控制和测量模块，其内部的计数器对其计数，通过软件使计数器开启和关闭，从而达到控制脉冲频率。设计框图如图2-1所示。单片机步进电机驱动电路4×4键盘显示部分图2-1 设计框图3、步进电机控制器的硬件设计3.1 AT89S52单片机在本系统中的应用3.1.1 AT89S52简介 T89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K的 可反复檫些的只读程序存储器和128字节的随机2数

5、据存储器，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（CPU）和Flash存储单元，功能强大，可灵活应用于各种控制领域。1. 主要性能参数l 与MCS-51产品指令系统完全兼容； l 4K字节可重檫写Flash闪速存储器； l 1000次檫写周期； l 全静态操作：0HZ24MHZ ； l 三级加密程序存储器； l 128*8字节内部RAM； l 32个可编程I/O口线； l 2个16位定时/计数器； l 6个中断源； l 可编程串行UART通道； l 低功耗空闲和掉电模式。 2. 引脚说明 图3-1 AT89S52引脚图图3-

6、1 是AT89S52 的引脚图，引脚说明如下：u VCC AT89S52 电源正极输入，接+5V 电压。u GND 电源接地端。u XTAL1 接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，一些引脚应接地。u XTAL2 接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。u RST AT89S52 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89S52 便能完成系统复位的各项工作，使得内

7、部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。u ALE/PROG ALE 是英文"ADDRESS LATCH ENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE 信号负跳变来触发外部的8 位锁存器 (如74LS373)，将端口P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/6，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以1/12 振荡频率输出。u EA/VPP 该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部EPROM 中)来执行程序。因此在8031 中，EA 引脚

8、必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC 值超过片内程序存储器地址(如8051/8751/89C51 的PC 超过0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。此外， 89C51 内部FALSH 时，可以利用此引脚来输入提供编程电压。u PSEN 此为"Program Store Enable"的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN

9、 信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN 信号。u P0 P0 口(P0.0P0.7)是一个8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO 口用。P0 口每一个引脚可以推动8 个LSTTL 负载。u P2 P2 口(P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向I/0 端口(准双向并行I/O 口)，当访问外部程序存储器时，它是高8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO 口用。每一个引脚可以推动4 个LSTL 负载。u P1 P1 口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0 端口(准双向并

10、行I/O 口)，其输出可以推动4 个LSTTL 负载。仅供用户作为输入输出用的端口。u P3 P3 口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0 端口(准双向并行I/O 口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0 RXD 串行通信输入；P3.1 TXD 串行通信输出；P3.2 INT0 外部中断0 输入，低电平有效；P3.3 INT1 外部中断1 输入，低电平有效；P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端；P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端；P3.6 WR 外部随机存储器的

11、写选通，低电平有效；P3.7 RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效。 3.1.2 AT89S52器件的基本结构1. AT89S52 各中断源向量地址如表3-1 所示：表3-1 各中断源向量地址中断源向量地址外部中断0（INT0）(IE0)0003H定时/计数器0（TF0）000BH外部中断1（INT1）(IE1)0013H定时/计数器1（TF1）001BH串行通讯（RI+TI）0023H2. 主要特殊功能寄存器说明u IE 中断允许寄存器。其格式如表3-2所示：表3-2 中断允许寄存器格式位地址AF-ADACABAAA9A8符号EA-ET2ESET1EX1ET0EX0EA0 时，所有中断停

12、用（禁止中断）。EA1 时，各中断的产生由个别的允许位决定。ET1（IE.3） ：允许计时器1 中断（ET11 允许，ET10 禁止）。EX1（IE.2） ：允许外部中断INT1 的中断（EX11 允许，EX10 禁止）。ET0（IE.1） ：允许计时器0 中断（ET01 允许，ET00 禁止）。EX0（IE.0） ：允许外部中断INT0 的中断（EX01 允许，EX00 禁止）。u TMOD 定时计数器工作方式控制寄存器，其格式如表3-3所示：表3-3 定时计数器工作方式控制寄存器格式符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0类别定时计数器1定时计数器0GATE ：当GATE1 时，I

13、NT0 或INT1 引脚且为高电平，同时TCON 中的TR0或TR1 控制位如为1 时，定时计数器0 或1 才会工作。 若GATE0，同时只要TCON 中的TR0 或TR1 控制位如为1 时，定时计数器0 或1 即可工作。CT ：选择定时或计数器模式。当CT1 为计数器，由外部引脚T0 或T1 输计数脉冲。CT0 时为计时器，由内部系统时钟提供计时工作脉冲。M1 ：方式选择位1。M0 ：方式选择位0。M1、M2 的操作方式选择定义如表3-4所示：表3-4 定时计数器工作方式选择M1M0操作方式功能说明00方式013位定时/计数器01方式116位定时/计数器10方式2自动再装入8位定时/计数器1

14、1方式3定时/计数器1无效将定时计数器0分成两个8位计数器u TCON 定时计数器工作方式控制寄存器,其格式如表3-5所示：表3-5 定时计数器工作方式控制寄存器格式位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1 ：计时器 1 溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行相对的中断服务程序后则自动清0。TR1 ：计时器1 启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR1 时启动计时器工作，TRl=0 时关闭。TF0 ：计时器0 溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行相对的中断服务程序后则自动清0。TR0 ：计时器0 启动控制

15、位，可以由软件来设定或清除。TR0=1 时，启动计时器工作，TR0=时关闭。IE1 ：外部中断1 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清0。IT1 ：外部中断1 工作形式选择，IT1=1 时，由下降缘产生外部中断，IT1=0 时，则为低电位产生中断。IE0 ：外部中断0 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清0。IT0 ：外部中断0 工作形式选择，IT1=1 时，由下降缘产生外部中断，IT1=0 时，则为低电位产生中断。3. 定时器初值计算定时器初值的计算公式：TcM（TT计数）其中Tc 为初值，M 为计数器模值，

16、T 定时器定时时间，T为fosc/12。定时器各工作方式的定时时间如表3-6所示:表3-6 定时器各工作方式的定时时间工作方式M模值T计数最大定时时间方式0fosc/12fosc/12方式1 fosc/12方式2 fosc/12方式3 fosc/123.1.3 AT89S52的定时器/计数器u 定时功能 选择定时功能时，计数输入信号是内部的时钟脉冲，每个机器周期使寄存器的值加1，所以，计数频率是振荡频率的1/12。例如，采用12MHz的晶振，则计数脉冲频率为1MHz.，此时C/=0。u 计数功能 选择计数功能时，计数脉冲来自外部输入引脚，为P3.4,为P3.5。当输入信号由10的跳变时，计数寄

17、存器（TH0、TL0或TH1、TL1）的值增1.此时C/=1。定时器/计数器方式1逻辑结构如图3-2所示：图3-2定时器/计数器方式1逻辑结构3.1.4 AT89S52外围电路设计时钟电路：晶振输入选择12MHZ的立式晶振，谐振电容C1、C2选择30PF，电路如图3-3所示：复位电路设计：复位电路采用上电自动复位，基本功能就是在系统上电时提供复位信号，高电平复位，直至系统稳定后，撤销复位信号。电路如图3-4所示： 图3-3 晶振电路 图3-4 复位电路3.2、驱动电路 本设计驱动电路主要由芯片ULN2003、CD4066和74HC14组成，下面做详细介绍。3.2.1、ULN2003简介 ULN

18、是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。该电路的特点如下：ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NP

19、N达林顿管组成。 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。其内部结构如图3-5，引脚方框图如图3-6. 图3-5 ULN2003内部结构图图3-6 ULN2003引脚方框图ULN2003的极限值如表3-7所示。表3-7 极限值 (若无其它规定，Tamb=25)参数名称符号数值单位输入电压VIN30

20、 V输入电流IIN 25 mA功耗PD 1 W工作环境温度Topr -20 to +85贮存温度Tstg -55 to+150ULN2003的电特性如表3-8所示。表3-8 电特性（若无其它规定, Tamb=25）参数名称符号测试条件最小 典型 最大单位输出漏电流ICEXVCE=50V, Tamb=2550AVCE=50V, Tamb=70100饱和压降VCE(SAT)IC=100mA, IS=250A0.91.1VIC=200mA, IS=350A1.11.3IC=350mA, IS=500A1.31.6输入电流IIN(ON)VIN=3.85V0.931.35mAIIN(OFF)IC=500

21、A, Tamb=705065A输入电压VIN(ON)VCE=2.0V, IC=200mA2.4VVCE=2.0V, IC=250mA2.7VCE=2.0V, IC=300mA3.0输入电容CIN1525pF上升时间tPLH0.5 Ein to 0.5 Eout0.251.0S下降时间tPHL0.5 Ein to 0.5 Eout0.251.0S钳位二极管漏电流IRVR=50V, Tamb=2550AVR=50V, Tamb=70100A钳位二极管正向压降VFIF=350mA1.72.0V3.2.2、CD4066简介 CD4066 是四双向开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引出端排列与CC

22、4016 一致，但具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。CC4066 由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p 和n 器件在控制信号作用下同时开关。这种结构消除了开关晶体管阀值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。 与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。 CD4066 提供了14 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。推荐工作条件：电源电压范围3V15V输入电压范围0VVDD工作温度范围M类5

23、5125E 类.4085极限值：电源电压.0.5V18V输入电压0.5VVDD+0.5V输入电流.±10mA储存温度65150引出端符号：1C4C 开关控制端1I/O4I/O 输入/输出端1O/I4O/I 输出/输入端VDD 正电源Vss 地CD4066管脚图如图3-7所示。图3-7 CD4066管脚图其功能表如表3-9所示。表3-9 CD4066功能表输入开关状态CL接通H断开CD4066的电参数如表3-10所示。表3-10 电参数参数测试条件规范值VIN（V）VDD（V）-55-402585125单位信号输入（VIS）和输出（VOS）IDD 电源电流（最大）5.0/010.0/0

24、10.0/5.05.010.015.07.515.030.0ARON 导通电阻(最大)Vc= VDDRL=10k接到(VDDVIS)/2VIS = VSS - VDD5.010.015.0800310200850330210105040024012005003001300550320RON 导通电阻(任意两通路之间)（典型值）RL=10kVc= VDD5.010.015.015105CI 输入电容（典型值）VDD =+5VVc= VSS=-5V8pFCOS 输出电容（典型值）VDD =+5VVc= VSS=-5V58pFCIOS 旁路电容（典型值）VDD =+5VVc= V

25、SS=-5V50.5pFtPHLtPLH传输延迟时间（最大I/OO/IRL=200kVc= VDDVSS=0CL=50pFVIS=10V(接5V 方波)tR=tF=20nS51015402015nsTHD 谐波失真度（典型值）Vc= VDD=5VVSS=-5VVIS=5VP-P(正弦波接0V)RL=10kfIS=1kHz(正弦波)0.4%fR 频率响应（导通状态）（典型值）Vc= VDD=5VVSS=-5VVIS=5VP-P(正弦波接0V)fIS=1kHz(正弦波)40MHzfPO 截止态串扰频率（50dB）（典型值）Vc= VDD=5VVSS=-5VVIS=5VP-P(接0V，正弦波)RL=

26、1k1MHzIOFF 截止态I/O 漏电流（最大）Vc=0V,VIS=18VVos=0V, VIS =0VVos=18V18±0.1±10Afc 交叉串扰频率（50dB）（典型值）Vc(1C)= VDD =5VVc(2C)= Vss =-5VVIS(1C)=5VP-PRL=1k50Hz 电源8MHz控制部分VIL 输入低电平电压（最大）IIS <10AVIS = VSSVOS = VDDVIS= VDDVOS = VSS5.010.015.01.02.02.0VVIH输入高电平电压（最大）5.010.015.03.57.011.0VII 输入电流（最大）VIS < VDDVDD - VSS =18VVSS < VDD - VSS18±0.1±0.1AVc 串扰电压（C>I/O 输出）（最大）Vc =10V(方波)RL=10ktR=tF=20nS1050mAt 导通延迟时间（最大）VDD - VSS =10VtR=tF=20nSCL=50pFRL=1k5.010.015.0704030nsFOR 最高重复控制频率（最大）VIS = VDDRL=1k(到地)CL=50pFVc =10V(接5V 方波)tR=tF=20nSVos=1/2Vos(1kHz)5.010.015.06.09.09.5MHzCI 输入电容（最大）7