基于51单片机步进电机的控制系统方案

1、 . . . 工程职业技术学院毕业设计（论文）基于51单片机步进电机的控制系统系 （部）：信 息 工 程 系 专 业：自 动 控 制 学 号： 2 学生： 钢 钢 指导教师：忠平 讲 师 2011 年 3 月44 / 44目 录第一部分 毕业设计（论文）开题报告第二部分 设计说明书湖 南 工 程 职 业 技 术 学 院HUNAN ENGINEERING POLYTECHNIC毕业设计（论文）开题报告（ 2011届） 系 （部）：信 息 工 程 系 专 业：自 动 控 制 学 号： 2 学生： 钢 钢 指导教师：忠平 讲 师 2011 年4月5日基于单片机步进电机的控制系统开题报告一本文研究的意

2、义和目的 本设计主要援用51单片机控制六线4项步进电机系统，友单片机产生驱动脉冲型号，控制步进电机以一定的转速向某一方向产生一定的转动角度。同时能够利用单片机的正、反转与速度控制，并能在数码管上显示相应的速度。设计单片机对于步进电机控制的意义在于：1、单片机对步进电机控制可以熟悉步进电机的原理和应用。2、单片机对步进电机控制可以熟悉单哦就功能已经原理、构造。3、通过本选题能运用所学基本理论知识、专业技能来对问题进行分析，思考，解决，提高对专业知识的掌握以与锻炼逻辑思维能力。 二研究的依据步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字执行元件，随着计算机应用技术、电子技术和自动控

3、制技术在国民经济各个领域中的普与与深入，步进电机的需求量越练越大。随着工业技术的不断发展，以与同类产品的不断出现，步进电机面临着前所未有的挑战。但近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动步进电机的发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景，近几年来，步进电机需求量一直呈现出较快的增长速度，其中扫描仪、打印机、 、DVD-ROM/CD-ROM驱动器、空调与多功能自动化办公设备等应用对步进电机的需求增长最强。此外由于USB2.0的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售，步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。步进电机有着方方面面重要应用，如何对其进行有效控制，使其能够发挥最大的优势是

4、各个行业技术开发人员所共同关注的，本次设计了一套简单的通用控制系统，对步进电机的转速、方向实行手动控制，并能通过数码管显示其转速。步进电机是将电脉冲星号转变为角位移或线线位移的开环控制原件。在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲星号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。虽然步进电机已经被广泛地应用，但步进电机并不向普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环性脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。目前步进

5、电机在工业控制生产以与仪器上应用十分广泛。通常都要对一些机械部件平移和转动，对移动的位移和角度控制要求较高，一般的电机很难实现对位置和角度的精确控制，在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片控制器与信号发生器来控制有一定局限性。而且单片机控制步进电机可以改善性能，步进电机能实现精确的角度和转数，具有良好的步进特性，最适合数字控制。在工控设备中得到广泛的应用。而单片机具有芯片体积小，兼容性强，低电压了，低功耗等特点，使得单片机成为驱动步进电机的最佳空盒单元。所以单片机控制步进电机系统控制精度高，运行稳定，得以广泛运用。三 本文研究容本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机AT89C52

6、和脉冲分配器PMM8713控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转控制。四本文研究思路1、了解单片机本身部应有的资源，如：中断、定时器、计数器、IO的使用。2、了解步进电机的工作原理和作用。3、根据步进电机的原理，分析并分配单片机部资源，并根据单片机的资源，来实现硬件电路的设计以与软件程序的编写。4、对于自己不熟悉的东西，查阅资料。5、在设计好单片机步进电机时，要学会分析电路中出现的问题，并好好总结。五、设计进度安排 第1周：查阅参考文献和相关资料。 第2周：通过反复阅读、揣摩参考文献和相关资料，弄清楚研究对象的基本原理。 第3-4周：完成论文初稿。 第5-11周：递交初稿，并在指导

7、老师的帮助下，完成论文的修改，确定终稿。 第12周：再次检查、确认终稿符合要求后，打印，递交正式论文，同时准备论文答辩。4.指导教师意见。指导教师： 年 月 日教研室意见教研室主任： 年 月 日说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师审查后签署意见生效。湖 南 工 程 职 业 技 术 学 院HUNAN ENGINEERING POLYTECHNIC毕业设计（论文）设计说明书（ 2011届） 系 （部）：信 息 工 程 系 专 业：自 动 控 制 学 号： 2 学生： 钢 钢

8、指导教师：忠平 讲 师 2011 年 4 月 5日摘 要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步进电机件。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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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本文应用单片机AT89C52和脉冲分配器PMM8713，步进电机驱动器，光电隔离器4N25等，构建了步进电机控制器和驱

9、动器为一体的步进电机控制系统。通过AT89C52和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。整个系统采用模块化设计，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作方便，结构简单。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。关键词：步进电机;单片机控制; AT89C51 步距角 目 录第一章 步进电机的介绍101.1步进电机的概念101.2步进电机的结构与其分类111.3步进电机的工作原理121.4步进电机的特点131.5步进电机的优缺点14第二章 单片机的相关知识152.1单片机简介152.2单片机的特点172.3单片

10、机技术的发展18第三章 单片机步进电机控制系统的硬件设计193.1步进电机的选择193.2单片机的选择203.3单片机步进电机驱动的选择29第四章 系统程序与分析344.1正反转程序流程图344.2程序设计344.3程序驱动39结论41致43参考文献44第1章 步进电机的介绍1.1 步进电机的概念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步进电机件。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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过

11、控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通俗一点讲：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（与步进角）。您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目的；同时您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。 图1 步进电机1.2步进电机的结构与其分类步进电机结构分为转子和定子两部分：1.定子：由硅钢片叠成的，定子上有6大磁极，每2个相对的磁极（，S）组成一对，共有3对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐

12、，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）。2.转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿一样，并且小齿的大小一样，间距一样分类步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机

13、的应用最为广泛。 永磁式步进电机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； 永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。 反应式步进电机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，但噪声和振动都很大。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。 反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 混合式步进电机混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五

14、相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。1.3步进电机的工作原理电机的U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。以反应式步进电机为例：如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

15、何力以下均同）。 如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1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，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，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序

16、决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音与减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 工作方式（三相）1.单三拍：通电顺序为 A®B®C ；2.双三拍：通电

17、顺序为 AB®BC®CA ；3.三相六拍：通电顺序为 A®AB®B®BC®C®CA 这三种工作方式的区别，如下表所示：表2.1 反应式步进电机三种工作方式的性能比较工作方式单三拍双三拍六拍步进周期TTT每相通电时间T2T3T走齿周期3T3T6T相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡容易较容易不容易功耗小大中1.4步进电机的特点1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2步进电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

18、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，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3步进电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。 4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,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电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

19、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）。 步进电机以其显著的特点，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与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。1.5步进电机的优缺点优点1 电机旋转的角度正比于脉冲数； 2 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4 优秀的起停和反转响应； 5 由于没有电刷靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承

20、的寿命； 6 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本 7 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 8 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速围。 缺点1 如果控制不当容易产生共振； 2 难以运转到较高的转速。第2 章 单片机的相关知识2.1 单片机的简介单片机是续计算机出现之后，并随着电器时代大到来，人们借助电气技术想实现了自动控制机械，自动生 产线甚至自动工厂，但依靠计算机去完成每一个自动的过程，反而有些复杂以与资源的乱费；所以用更方便，更微小，更智能的微型处理器来处理工业现场的测控领域，控制领域，有着重大意义；更

21、何况目前，彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥 控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，所以单片机将会更满足我们的生活，会更取代大型的计算机。现在单片机主要按用途，大体上可分为两大类： 1-通用型单片机 2-专用型单片机 专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好， 不能再修该的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。 其生产成本很低。 通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路与编制不同的应 用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设 备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。 通用型单片机按位数分有4位机,8位机,16位机和32位机等等.按厂 家分

22、种类就更多,我国目前最常用的单片机有如下几家: Intel- (MCS51系列,MCS96系列) Atmel- (AT89系列,MCS51核) Microchip- (PIC系列) Motorola- (68HCXX系列) Zilog- (Z86系列) Philips- (87,80系列,MCS51核) Siemens- (SAB80系列,MCS51核) NEC- (78系列) Epson- (系列)而现在单片机主要包括：中央处理器、存储器、特殊功能寄存器。对于其部资源各功能都体现一台计算机，如：A    中央处理器中央处理器是由运算部件和控制部件组成。a,运算部

23、件包括：算术逻辑部件ALU，布尔处理器，累加器ACC，寄存器B，程序状态字PSW等等，该部件实现的功能是：数据的算术，逻辑运算，位变量的处理和数据传送。b,控制部件包括：定时控制逻辑，指令寄存器，译码器以与信息传送控制部件等等。B    存储器存储器包括：程序存储器和数据存储器。1,MCS51部有4K的程序存储器，如果在实际运用中存不够的话，可以在此基础上扩展到64K大小，对于程序员来讲，无论是部的EPROM，还是扩展的程序存储器是没有什么区别的，在MCU部有一个十六位的程序记数器PC可以寻址片与片外的EPROM。2,MCU51有128字节的RAM，也可以外接RA

24、M电路，是数据存储器的容量达到64K字节如图：在00H-1FH单元：共32字节的缓冲区，分为四组，每组为8个工作寄存器R0-R7，由PSW.3和PSW.4决定使用哪个组。若在实际使用中，不需要四组工作寄存器的话，那么这个区域的多余的单元可以作为一般的数据缓冲器使用。在20H-2FH单元：共16字节的缓冲区，其中每一个字节的每一位都有一个位地址，他们占据地址空间0-7FH，一般在这个16*8位的单元里，用于存放各种程序标志，位控制变量。在30H-7FH单元：是数据缓冲区，在中断系统中，往往需要一个堆栈来保护CPU的现场，这个堆栈一般设在30-7FH单元里，并且栈指针SP指出栈顶的位置。但是复位以

25、后（SP）为07H，所以一般应对SP初始化。总结：部RAM中，除了作为工作寄存器，位标志和堆栈区以外的单元，都可以数据缓冲区使用，存放输入的数据或运算的结果。C。特殊功能寄存器（如图）                  特殊功能寄存器包括：I/O锁存器，串口数据缓冲器，定时/记数器，以与各种控制寄存器和状态寄存器。2.2单片机的特点单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),简称单片计算机.就是将CP

26、U,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机. 其主要特点如下:2.2.1片存储容量较小:原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB.2.2.2可靠性高:因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机.系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏.许多信号的通道均在一个芯片,故运作时系统稳定可靠.2.2.3便于扩展:片具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统. 2.2.

27、4控制功能强:具有丰富的控制指令:如:条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令. 2.2.5实用性好: 体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.2.3单片机的发展第1阶段(1971年1978年),以MCS-48系列为代表,称4位单片机.在片:CPU有4位或8位;ROM有1KB或2KB;RAM有64B或128B;只有并行接口,无串行接口;只有1个8位的定时/计时器;中断源只有2个.在片外:寻址围只有4KB;芯片引脚有40个.第2阶段(1978年1983年),以MCS-51系列为代表,称8位单片机.在片:CPU有8位;ROM有4KB或8KB;RAM有128B或256B;有串/并行接口;有

28、2个或3个16位的定时/计时器;中断源有5至7个.在片外:寻址围有64KB;芯片引脚有40个.第3阶段(1983年以后),以MCS-96系列为代表,称16位单片机.在片:CPU有16位;ROM有8KB;RAM有232B;有串/并行接口;有4个16位的定时/计时器;中断源有8个;增加了D/A和A/D转换电路.在片外:寻址围有64KB;芯片引脚有48个或68个.第3章 单片机步进电机控制系统的硬件设计3.1 步进电机的选择在生产或使用中步进电机主要由步距角（涉与到相数）、静转矩、与电流三大要素组成。所以选择好步进电机，主要选择步进电机的三大要素；一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

29、60; 3.1.1步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。  3.1.2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动

30、时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍好，静力矩一旦选定，电机的机座与长度便能确定下来（几何尺寸） 3.1.3、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、与驱动电压）总的来说，选择步进电机应该按照以下步骤进行3.2 单片机的选择单片机现在分为4位、8位、16位的单片机，也分为不同公司的单片机类型，而与我们最熟悉的应是 ATMEL公司的89C52单片机,是增强型RISC载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程

31、,使用户的产品设计容易,更新换代方便。89C52单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。89C52单片机工作电压为2.76.0V,可以实现耗电最优化。89C52的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域.由于单片机的种类很多，在选择单片机时要依据实际设计要求选择合适的单片机。例如当设计仅仅需要一个单片机定时器那么选择89C1051或89C2051即可，而不选择89C52,因为后者的价格较高一些。当然若程序和数据区的要求较高那么选择的单片机还要满足程序空间的要求。

32、下面我们来比较89C51和89C52：数据存储器程序存储器定时器中断51系列128B4KB2552系列256B8KB38表2-1-1 51和52的比较在本课题中，我们选用现在较为流行的52系列单片机，即选用ATMEL公司的STC89C52。3.2.1MCS-52单片机部结构：MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机包含下列几个部件： 一个8位CPU； 一个片振荡器与时钟电路； 4K字节ROM程序存储器； 128字节RAM数据存储器； 两个16位定时器/计数器； 可寻址64K外部数据存储器

33、和64K外部程序存储器空间的控制电路； 32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）； 一个可编程全双工串行口；振荡器与定时电路8051CPU4K字节ROM128字节RAM2个16位定时器/计数器64K总线扩展控制可编程I/O可编程串行口 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。1、 CPUCPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。 运算器运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节等数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。8051运算器

34、还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的，可执行置位、复位、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且清0以与进位标志位与其他可寻址的位之间进行数据传送等位操作。也能使进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。程序计数器PC程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时，PC容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。令寄存器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。定时与控制部件时钟电路8052片设有一个

35、由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和 XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由部方式产生或外部方式产生。部方式时钟电路如图2-2所示。在XTAL1和 XTAL2引脚上外接定时元件，部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振可以在1.2MHz到12MHz之间选择，电容值在5-30PF之间选择，电容的大小可起频率微调作用。XTAL1XTAL2 电容1 晶振 电容2 图 2-2 部方式时钟电路外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方

36、波信号。时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。P1在每一个状态S的前半部分有效，P2在每个状态的后半部分有效。 时序MCS-52典型的指令周期（执行一条指令的时间称为指令周期）为一个机器周期，一个机器周期由六个状态（十二振荡周期）组成。每个状态又被分成两个时相P1和P2。所以，一个机器周期可以依次表示为S1P1，S1P2，S6P1，S6P2。通常算术逻辑操作在P1时相进行，而部寄存器传送在P2时相进行。2、存储器MCS-52单片机的程序存储器和数据存储器空间是互相独立的，物理结构也不同。程序存储器为只读存储器（ROM）。数据存储器为随机存取存储器（RAM）。单

37、片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/O口锁存器统一编址的方式。有关存储器的容将在下一节中详述。3、I/O端口I/O端口又称为I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路，I/O端口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息，并行I/O端口一次能传送一组二进制信息。、并行I/O端口MCS-52单片机设有四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个LSTTL电路。P1、P2、P3口为准双向口（在用作输入线时，口锁存器必须先写入“1”，故称为准

38、双向口），负载能力为4个LSTTL电路。4、总线MCS-52单片机属总线型结构，通过地址/数据总线可以与存储器（RAM、EPROM）、并行I/O接口芯片相连接。在访问外部存储器时，P2口输出高8位地址，P0口输出低8位地址，由ALE（地址锁存允许）信号将P0口（地址/数据总线）上的低8位锁存到外部地址锁存器中，从而为P0口接受数据作准备。在访问外部程序存储器（即执行MOVX）指令时，PSEN（外部程序存储器选通）信号有效，在访问外部数据存储器（即执行MOVX）指令时，由P3口自动产生读/写（/）信号，通过P0口对外部数据存储器单元进行读/写操作。3.2.2 MCS-52单片机外部结构：1.单片

39、机的引脚分布与功能MCS-52的引脚说明：MCS-52系列单片机中的8032、8052与8752均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明： 图2-2-1 STC89C52的引脚图Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8052通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0

40、”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8052的初始态。8052的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图4。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机部RAM的数据不丢失。图2-2-2复位电路和晶振电路图1、8位微处理器和控制器2、部含有4KB的程序ROM。3、2个16位的计数/定时器。4、部时钟振荡器5、全双工方式的串行接口（UART）种寻址方式。6、最高时钟振荡频率可达12MHZ，大部分指令执行时间为1µs，乘、除指令为4

41、1;s。2.2 信号引脚介绍：1.输入/输出口线2.ALE地址锁存控制信号3.在系统扩展时，ALE用于控制把 口输出的底8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以十二分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。4.外部程序存储器读选通信号5.在读外部ROM时 有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作6.访问程序存储器控制信号7.当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当 信号为高电平时，则对ROM的读操作是从部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储8.RST 复位信号 当输入的复位信号

42、延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。9.XTAL1和XTAL2外接晶体引线端当使用芯片部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。10.VSS地线11.VCC+5V 电源3.3 单片机的存储器配置（b）图2-3-1 单片机的部存储器配置从用户的角度存储器分3个逻辑地址空间：1. 片外统一编址的64KB程序存储器地址空间0000HFFFFH即（a）图；2. 256B的片数据存储器地址空间00HFFH（包括低128B的部RAM地址00H7FH和高128B的特殊功能寄存器地址空间）即（b）图；64KB的外部数据存储器或扩展I/

43、O接口地址空间0000HFFFFH如（c）图。画出RAM的组成RAM共有256个单元，按功能分为两部分低128单元（单元地址00H7FH）和高128单元（单元地址80HFFH）。其中高128单元是供给专用寄存器使用，因这些寄存器的功能已作为专门规定故此称之为特殊功能寄存器SFR11个SFR有位寻址作用，而且要说明低128单元是单片机的真正RAM存储器。30H7FH通用RAM区20H2FH位寻址区（00H7FH）18H1FH工作寄存器3区（R7R0）10H17H工作寄存器2区（R7R0）08H0FH工作寄存器1区（R7R0）00H07H工作寄存器0区 (R7R0)图2-3-2 RAM的组成图低1

44、28单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为三个区域：通用寄存器区 通用寄存器为CPU提供了就近数据存储的便利，有利于提高单片机的运算速度。此外，使用通用存储器还能提高程序编制的灵活性，因此在单片机的应用编程中应充分利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速度。位寻址区部RAM的20H2FH单元，即可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。工作寄存区用户存储数据的。3.2.3单片机的最小系统52单片机的最小系统电路图: 说明: 复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系

45、统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平；复位输入高电平有效，当振荡器工作是，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平，使单片机复位。此电路除具有上电复位功能外，若要复位只需按“RST”键，此电源Vcc经电阻分压，在RST端产生一个复位高电平；晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19

46、200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的方波便于12分频,方便定时操作)；单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机；注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从部ROM的0000H开始执行；当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行；电源部分：接+5伏特的电压。3.3 单片机步进电机的驱动选择步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步

47、进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。   图2 步进电动机驱动控制器1、331单电压功率驱动接口实用电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图3(b)。   图3 单电压功率驱动接口与单步响应曲线    图4 爽电压功率驱动接口3.3.2双电压功率驱动接口双电压驱动的功率接口如图4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的

48、电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。 33.3高低压功率驱动接口 图5高低压功率驱动借口高低压功率驱动接口如图5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动

49、器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图5所示。图中，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。3.3.4斩波恒流功率驱动接口恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流

50、不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图6所示。    图6斩波恒流功率驱动接口斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目

51、前已有相应的集成功率模块可供采用。3.3.5升频升压功率驱动接口为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。 33.6集成功率驱动接口目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。 L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用546V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级