步進電機畢業(yè)論文-- 步進電機的驅(qū)動控制的設(shè)計

1、<p><b>　　目錄 </b></p><p>　　步進電機的驅(qū)動控制的設(shè)計２</p><p><b>　　摘要：２</b></p><p><b>　　1 緒論３</b></p><p><b>　　1.1引言３</b></

2、p><p>　　1.2 步進電機國內(nèi)外研究概況３</p><p>　　1.3步進電機的發(fā)展４</p><p>　　2 步進電機簡介５</p><p>　　2.1步進電機的概念５</p><p>　　2.2步進電機工作原理7</p><p>　　2.3步進電機分類8</p>

3、<p>　　2.4步進電機驅(qū)動介紹...................................................... 8</p><p>　　2.4.1步進電機驅(qū)動技術(shù)簡介9</p><p>　　2.4.2步進電機常見的控制方案.............................................. 9</p>&l

4、t;p>　　3 單片機簡介............................................................ 9</p><p>　　3.1單片機介紹9</p><p>　　3.2單片機的分類9</p><p>　　3.3單片機的基本結(jié)構(gòu)........................................

5、.............. 9</p><p>　　3.4單片機的工作原理.....................................................1 0</p><p>　　3.5 AT89C51簡介.........................................................1 0</p><p&

6、gt;　　4 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計1 4</p><p>　　4.1 系統(tǒng)原理圖1 4</p><p>　　4.2 電源設(shè)計1 5</p><p>　　4.3 按鍵設(shè)計1 6</p><p>　　4.4驅(qū)動設(shè)計1 7</p><p>　　4.5狀態(tài)指示設(shè)計1 8</p><p>

7、;　　4.6時鐘設(shè)計1 8</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計1 9</p><p>　　5.1系統(tǒng)主程序1 9</p><p>　　5.2按鍵程序設(shè)計2 0</p><p>　　5.3正、反轉(zhuǎn)程序設(shè)計2 1</p><p>　　5.4加、減程序設(shè)計2 3</p><p>　　6

8、 系統(tǒng)的調(diào)試記錄2 5</p><p>　　6.1軟件調(diào)試記錄2 5</p><p>　　6.2硬件調(diào)試記錄2 5</p><p>　　7 設(shè)計總結(jié)2 6</p><p>　　7.1 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)2 6</p><p>　　7.2 未來工作展望2 6</p><p><b&g

9、t;　　致謝2 7</b></p><p><b>　　參考文獻：2 8</b></p><p><b>　　附錄：2 8 </b></p><p>　　步進電機的驅(qū)動控制的設(shè)計</p><p>　　摘要：步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移（或線性位移）的電磁裝置，是一種

10、特殊的電動機。步進電動機由于精確性以及其良好的性能，其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚校虼嗽诖蛴C等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。本文介紹了以51系列單片機AT89C51為控制核心所設(shè)計的步進電機的控制系統(tǒng)，用C語言編寫出電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序，通過單片機、電機的驅(qū)動芯片ULN2004以及相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)以上功能，并且步進電機的工作狀態(tài)要用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示出來。本文內(nèi)容介紹了步進電

11、機以及單片機原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時對軟、硬件進行了調(diào)試，同時介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設(shè)計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了上述功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進電機；AT89C51；控制</p><p>　　Based on SCM stepping motor control system</p><p

12、>　　Abstract：Stepping motors is a pulse signal transformation into a corresponding angular displacement (or linear displacement) electromagnetic device, is a special kind of motor. Stepper motor due to its good perform

13、ance and accuracy, the open loop system composed of is simple, cheap, and very feasible, therefore in the printer and other office automation equipment and various control device and so on varies domain has extremely ext

14、ensive application. This paper introduces to 51 series microcontro</p><p>　　Key words: Stepping motor；AT89C51；Control</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言<

15、/b></p><p>　　步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生

16、一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。步進電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況

17、下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率</p><p>　　正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用[2]。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的

18、應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。雖然與發(fā)達國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應(yīng)用在電子計算機的許多外圍設(shè)備中，例如打印機，紙帶輸送機

19、構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用[3]。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。</p><p>　　為了得到良好的控制性能，對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。上世紀80年代以后

20、，由于微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿蛦纹瑱C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。因此，用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度

21、定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進電機的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或C語言進行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實現(xiàn)ｐｃ機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由PC機直接控制步進電機的方法。</p><p>　　但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制

22、，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強；電機各種運行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高等要求。本論文就是采用這個思路進行設(shè)計。一般步進電機控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相對較單一，并且設(shè)計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。而采用單片機的軟件和硬件結(jié)合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的

23、各種資源，能靈活的對步進電機進行控制，實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機的結(jié)合起來，能做到一定的人機交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價值</p><p>　　1.2.國內(nèi)外的研究概況 </p><p>　　步進電機是國外發(fā)明的。中國在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)

24、用，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動電路所有半導體器件都是完全國產(chǎn)化的，當時是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運算電路，還有電容耦合輸入的計數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。國外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動上，目前基本不使用大扭矩步進電動機，因為從驅(qū)動電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動機，加電動機編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟指標高。一些少數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機，交流電

25、機。國外在小功率的場合，還使用步進電機，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機，復印件，速印機，銀行自動柜員機。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進電機排擠出驅(qū)動應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動機，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國內(nèi)過去是用大力矩步進電動機實現(xiàn)機床數(shù)控，有實力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機驅(qū)動數(shù)控機床，在驅(qū)動設(shè)備的主要差距，是國外對交流電動機的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強，先進的控制理論作為軟件

26、，寫在控制器內(nèi)部。</p><p>　　總的來說，步進電機是一種簡易的開環(huán)控制，對運用者的要求低，不適合在大功率的場合使用。</p><p>　　在衛(wèi)星、雷達等應(yīng)用場合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機，在高品質(zhì)的控制場合，有時還不能使用步進電機。步進電機的細分控制，在改革開放初期，國內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動機的矢量控制相比，難度要低得多。</p&g

27、t;<p>　　1.3步進電機的發(fā)展</p><p>　　步進電機最早在1920 年由英國人開發(fā)，1950 年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上．步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)和數(shù)字控制技術(shù)密切相關(guān)，產(chǎn)品按結(jié)構(gòu)劃分有磁阻式、永磁式和混合型等多種形式．近年來，伴隨著微電子技術(shù)大功率電力電子器件及驅(qū)動技術(shù)的進步，發(fā)達國家已普遍使用性能優(yōu)越的混合式步進電機，最典型的產(chǎn)品是二相8 極50 齒的電動機，步

28、距角1.8°／0.9°（全步／半步）；還有五相10 極50 齒和一些轉(zhuǎn)子10齒的二相和五相步進電動機，五相電動機主要用于運行性能較的場合．驅(qū)動技術(shù)采用恒相電流與細分驅(qū)動相結(jié)合，使步進電機在中、小功率控制系統(tǒng)內(nèi)的精度提高，并逐步向高速大功率應(yīng)用領(lǐng)域滲透．步進電動機最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA 及NPM 公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質(zhì)量還是生

29、產(chǎn)手段，都是世界上最好的．我國對步進電動機的研究從1958 年開始，1970 年代以前受蘇聯(lián)的影響，以三相磁阻式步進電動機為主，如1960 年代末為快走絲數(shù)控線切割機床研制的BF1840-75，一直延續(xù)生產(chǎn)到現(xiàn)在。1970 年代受到國內(nèi)</p><p>　　小型化方向發(fā)展，隨著電動機本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在57、42 機座號的電動機應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機座

30、號向39、35、30、25 方向向下延伸．瑞士ESCAP 公司最近還研制出外徑僅10mm 的步進電動機。</p><p>　　改圓形電動機為方形電動機，由于電動機采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高．同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高30﹪～40﹪。</p><p>　　一體化設(shè)計即，把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設(shè)計在一起，這樣使

31、其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。</p><p>　　向五相和三相電動機方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機，其旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩不完全對稱，振動和噪聲較大，而五相和三相電動機則是完全對稱的，因此更具有優(yōu)勢性．而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅(qū)動電路比三相電動機精密且復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的價格比要比五相電動機更低一些。</p><p>　　第二章 步進

32、電機簡介</p><p>　　2.1步進電機的概念</p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制

33、角位移量，從而達到準確定位的目的；通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電

34、動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。如圖1所示</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計采用的是步距角為1.8度的四相八拍永磁式步進電機。</p><p><b>　　圖1 步進電機</b></p><p>　　步進電機的基本參數(shù)： </p><p>　　1、步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語：</p>&l

35、t;p>　?。?）相數(shù)：產(chǎn)生不同對N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。</p><p>　?。?）拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.</p><p>　?。?）步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，

36、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）（4）定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）</p><p>　　（5）靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，

37、電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙 ，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。2、步進電機動態(tài)指標及術(shù)語：</p><p>　?。?）步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍

38、運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。</p><p>　　（2）失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步</p><p>　?。?）失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。</p><p>　　（4）最大空載起動頻率：</p><p>　　電機在

39、某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。</p><p>　?。?）最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。</p><p>　?。?）運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，

40、而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。</p><p>　?。?）電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅(qū)動電壓越高，電

41、機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 </p><p>　?。?）電機正反轉(zhuǎn)控制：當電機繞組通電時序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-D-CD-C-BC-B-AB-A時為反轉(zhuǎn)。</p><p>　　步進電機的特征如下：1、一般步進電機的精度為步

42、進角的3%-5%，且不積累。</p><p>　　2、步進電機外表允許的最高溫度。</p><p>　　步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。</p>&l

43、t;p>　　3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。</p><p>　　當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導致力矩下降。</p><p>　　4、步進電機低速時可以正常轉(zhuǎn)動，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下

44、能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。</p><p>　　2

45、.2 步進電機工作原理</p><p>　　步進電機的工作就是步進轉(zhuǎn)動，其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。</p><p

46、>　　如下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖2.1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。</p><p>　　圖2.1 四相步進電機步進示意圖</p><p>　　開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)

47、生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。</p><p>　　當開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如

48、圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2步進電機工作時序波形圖</p><p>　　2.3 步進電機的分類</p><p>　　步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混

49、合式步進電機[7]。</p><p>　　(1)反應(yīng)式步進電機(Variable Reluctance，簡稱VR)反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進電機有單段式和多段式兩種類型；</p><p>　　(2)永磁式步進電機(Permanent Magnet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制

50、成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電；</p><p>　　(3)混合式步進電機(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，

51、因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于本設(shè)計的設(shè)計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進電機[7]。。這種步進電機的應(yīng)用最為廣

52、泛。</p><p>　　2.4 步進電機的驅(qū)動介紹</p><p>　　步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備——步進電機驅(qū)動器.步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電

53、機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進一步。步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。通常，步進電機驅(qū)動器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿?，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，

54、這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。功率驅(qū)動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行。</p><p>　　2.4.1步進電機驅(qū)動技術(shù)簡介</p><p>　　步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀8

55、0年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進電機驅(qū)動技術(shù)指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術(shù)。到目前為止，步進電機驅(qū)動技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等。</p><p>　　單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。

56、該驅(qū)動方式早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應(yīng)、減少了電動機的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不

57、高的場合。</p><p>　　高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應(yīng)用中還比較常見。<

58、/p><p>　　為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實現(xiàn)了驅(qū)動控制。</p><p>　　為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設(shè)計一個低速時低電

59、壓驅(qū)動，高速時高電壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當運行速度逐漸變快時，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實際運行中需要針對不同參數(shù)的電機，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。</p&

60、gt;<p>　　細分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細分驅(qū)動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。比如：電流分成n個臺階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個步距角，即n細分細分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降

61、低了步迸電機在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細分驅(qū)動技術(shù)是步進電動機驅(qū)動與控制技術(shù)的一個飛躍。</p><p>　　2.4.2常見的步進電機控制方案</p><p>　　1、基于電子電路的控制</p><p>　　步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控

62、制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務(wù)。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1　基于電子電路控制系統(tǒng)</p><p>　　此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。采

63、用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚?，自動給出脈沖鏈，使步進電機每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步[4]。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計，因此靈活性不高。</p><p>　　2、基于PLC的控制</p>&

64、lt;p>　　PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機

65、構(gòu)的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于4時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進電機。

66、</p><p>　　采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。

67、</p><p>　　3、基于單片機的控制</p><p>　　采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成

68、對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。</p><p>　　本方案有以下優(yōu)點：(1)單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機的強大功能

69、使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性[5]。</p><p>　　基于以上優(yōu)點，本次設(shè)計采用基于單片機的控制方案。</p><p>　　第三章 單片機簡介</p><p><b>　　3.1單片機介紹</b></p><p>　　單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（

70、Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為使更多的業(yè)內(nèi)人士、學生、愛好者，產(chǎn)品開發(fā)人員掌握單片機這門技術(shù)，于是產(chǎn)生單片機開發(fā)板，比較有名的例如電子人DZR-01A單片機開發(fā)板。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的

71、控制設(shè)備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 </p><p>　　早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到

72、很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不

73、再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。 </p><p>　　單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上

74、電腦以及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 </p><p>　　單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/

75、O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 </p><p>　　單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過10元即可，用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣

76、了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影，它主要是作為控制部分的核心部件。 </p><p>　　它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別。</p><p>　　單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能

77、，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結(jié)果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ </p><p>　　由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件

78、還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設(shè)備。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十K的尺寸！對于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣

79、的道理，如果把巨型計算機上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用PC上來運行，家用PC的也是承受不了的。 </p><p><b>　　單片機芯片</b></p><p>　　可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計

80、算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗

81、衣機等。現(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。</p><p>　　3.2 單片機的分類</p><p>　　單片機作為計算機發(fā)展的一個重要領(lǐng)域，應(yīng)用一個較科學的分類方法。根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型

82、。</p><p>　?。?） 通用型/專用型 這是按單片機適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51是通用型單片機，它不是為某種專用途設(shè)計的；專用型單片機是針對一類產(chǎn)品甚至某一個產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。</p><p>　?。?） 總線型/非總線型 這是按單片機是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)

83、總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。</p><p>　?。?） 控制型/家電型 這是按照單片機大致應(yīng)用的領(lǐng)域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算 能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外

84、設(shè)接口集成度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。</p><p>　　3.3 單片機的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　而現(xiàn)在單片機主要包括：中央處理器、存儲器、特殊功能寄存器。對于其內(nèi)部資源各功能都體現(xiàn)一臺計算機，如：</p><p>　　1、中央處理器：中央處理器是由運算部件和控制部件組成。<

85、/p><p>　?。?）運算部件包括：算術(shù)邏輯部件ALU，布爾處理器，累加器ACC，寄存器B，程序狀態(tài)字PSW等等，該部件實現(xiàn)的功能是：數(shù)據(jù)的算術(shù)，邏輯運算，位變量的處理和數(shù)據(jù)傳送。</p><p>　?。?）控制部件包括：定時控制邏輯，指令寄存器，譯碼器以及信息傳送控制部件等等。</p><p>　　2、存儲器：存儲器包括：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。</p>

86、<p>　　MCS51內(nèi)部有4K的程序存儲器，如果在實際運用中內(nèi)存不夠的話可以在此基礎(chǔ)上擴展到64K大小，對于程序員來講，無論是內(nèi)部的EPROM，還是擴展的程序存儲器是沒有什么區(qū)別的，在MCU內(nèi)部有一個十六位的程序記數(shù)器PC可以尋址片內(nèi)及片外的EPROM。</p><p>　　（2）MCU51有128字節(jié)的RAM，也可以外接RAM電路，是數(shù)據(jù)存儲器的容量達到64K字節(jié)如圖2.3：</p>

87、<p><b>　　圖2.3</b></p><p>　　在00H--1FH單元：共32字節(jié)的緩沖區(qū)，分為四組，每組為8個工作寄存器R0--R7，由PSW.3和PSW.4決定使用哪個組。若在實際使用中，不需要四組工作寄存器的話，那么這個區(qū)域的多余的單元可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖器使用。</p><p>　　在20H--2FH單元：共16字節(jié)的緩沖區(qū)，其中每一

88、個字節(jié)的每一位都有一個位地址，他們占據(jù)地址空間0--7FH，一般在這個16*8位的單元里，用于存放各種程序標志，位控制變量。</p><p>　　在30H--7FH單元：是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在中斷系統(tǒng)中，往往需要一個堆棧來保護CPU的現(xiàn)場，這個堆棧一般設(shè)在30--7FH單元里，并且棧指針SP指出棧頂?shù)奈恢?。但是復位以后（SP）為07H，所以一般應(yīng)對SP初始化。</p><p>　　總結(jié)：內(nèi)部RA

89、M中，除了作為工作寄存器，位標志和堆棧區(qū)以外的單元，都可以數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用，存放輸入的數(shù)據(jù)或運算的結(jié)果。</p><p>　　3、特殊功能寄存器（如圖2.4）：</p><p><b>　　圖2.4</b></p><p>　　特殊功能寄存器包括：I/O鎖存器，串口數(shù)據(jù)緩沖器，定時/記數(shù)器，以及各種控制寄存器和狀態(tài)寄存器。</p>

90、<p>　　3.4 單片機工作原理</p><p>　　單片機自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作；單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的

91、問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元

92、，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執(zhí)行程序時要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序</p><p>　　3.5 AT89C51簡介</p><p>　　AT89C51的主要參數(shù)如表2.5所示：</p><p>　　表2.5 AT89C51

93、的主要參數(shù)</p><p>　　AT89C51含E²PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，防止E²PROM中的程序被非法復制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲器E²PROM容量可達20K字節(jié)。</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and E

94、rasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其引腳如圖2.6所示：</p><p>　　主要特性：·

95、;與MCS-51 兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)</p><p>　　圖2.6單片機的引腳排列</p><p>　　全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz</p><p><b>　　三級程序存儲器鎖定</b></p><p>　　128*8位內(nèi)部RAM</p><p>

96、;<b>　　32可編程I/O線</b></p><p>　　兩個16位定時器/計數(shù)器</p><p><b>　　5個中斷源</b></p><p><b>　　可編程串行通道</b></p><p>　　低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　片

97、內(nèi)振蕩器和時鐘電路</p><p><b>　　管腳說明：</b></p><p><b>　　VCC：供電電壓</b></p><p><b>　　GND：接地</b></p><p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳

98、第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P

99、1口作為第八位地址接收。</p><p>　　P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八

100、位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，

101、如下所示： P3口管腳備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

102、P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號</p><p>　　RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意

103、的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無</p><p><b>　　效。</b></p><p>　　/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機

104、器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。</p><p>　　/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。</p><p