【文章內容簡介】 步進電機驅動系統簡介 步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備 —— 步進電機驅動器 .步進電機驅動系統的性能，除與電機本身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅動系統是由步進電機控制器、步進電機驅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，步進電機驅動器驅動步進電機轉子旋轉一個步距角，即步進一步。步進電機轉速的高低、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。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產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屎艿停荒芴峁┎竭M電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅動器的功率驅動部分。功率驅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磁場，驅動轉子運動。保護電路在出現短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅動器和電機的運行。 步進電機繞組的電氣特性 步進電機各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機相繞組的兩個固有屬性，電機的性能和這兩個因素密切相關。繞組通電時，電感使繞組電流上升速度受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。繞組線圈的電阻是電機溫升和電能損耗的主要因素。 8 圖 23 電感 電阻串聯電路及其電流波形 步進電機的相繞組可以等效為一個電感一電阻串聯電路。圖 23 表明了一個電感一電阻電路的電氣特性。在 t=0時刻，電壓 V施加到該電路上時，電路中的電流變化規(guī)律為 : I(t)=V(1eRt/L)/R 通電瞬間繞組電流上升速率為 : di(0)/dt=V/t 經過一段時間，電流達到最大值 : Imax=V/R L/R 定義為該電路的時間常數，是電路中的電流達到最大電流 Imax的 63%所需要的時間。在 t=t:時刻，電路斷開與直流電壓源 V 的連接，并且短路，電路中的電流以初始速率一 V/L 開始下降，電流變化規(guī)律為 : I(t)=VeR(tt1)/L/R 不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上，電流波形如圖 32 所示。低頻時電流能夠達到最大值 (a)。當矩形波頻率上升達到某一臨界頻率，電流 剛達到最大值就開始下降((b):矩形波頻率超過此臨界值后，繞組中的電流不能達到最大值 (c)。因為步進電機轉矩的大小與繞組的電流成正比，所以電機低速運行時，電機能夠達到其額定轉矩，而在某一特定頻率以上運行時，繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降，電機轉矩也相應逐漸減小，從而降低了高速運轉時帶負載能力。 9 圖 24 不同頻率脈沖作用下電感 電阻電路的電流波形 要改善電機高速運行時的性能，有兩種辦法 :提高電流上升速度 VA 和減小時間常數 L/R。可以通過加大繞組的電壓從而增加電 流上升的速率得時間常數。或者在電路中串聯電阻，使 L/R 減少。 單片機原理 單片機原理概述 單片機（ singlechip microputer）是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。圖 25中表示單片機的典型結構圖。由于單片機的高度集成化，縮短了系統內的信號傳送距離，優(yōu)化了結構配置，大大地提高了系統的可靠性及運行速度，同時它的指令系統又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設備控制中得到了廣泛的應用。 圖 25典型 單片機結構圖 10 單片機的應用系統 單片機在進行實時控制和實時數據處理時，需要與外界交換信息。人們需要通過人機對話，了解系統的工作情況和進行控制。單片機芯片與其它 CPU 比較，功能雖然要強得多，但由于芯片結構、引腳數目的限制，片內 ROM、 RAM、 I/O 口等不能很多，在構成實際的應用系統時需要加以擴展，以適應不同的工作情況。單片機應用系統的構成基本上如圖 26所示。 圖 26 單片機的應用系統 單片機應用系統根據系統擴展和系統配置的狀況，可以分為最小應用系統 、最小功耗系統、典型應用系統。本設計是設計一款最小應用系統，最小應用系統是指能維持單片機運行的最簡單配置的系統。這種系統成本低廉、結構簡單，常用來構成簡單的控制系統，如開關量的輸入 /輸出控制、時序控制等。對于片內有 ROM/EPROM 的芯片來說 ,最小應用系統即為配有晶體振蕩器、復位電路和電源的單個芯片；對與片內沒有 ROM/EPROM芯片來說，其最小應用系統除了應配置上述的晶振、復位電路和電源外，還應配備 EPROM或 EEPROM 作為程序存儲器使用。 AT89C52 是 51系列單片機的一個型號，它是 ATMEL 公司生 產的。 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51 指令系統，片內置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機可為您提供許多較復雜系制應用場合。 AT89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內含 2個外中斷口， 3個 16位可編程定時計數器 ,2個全雙工串行通信口， 2個讀寫口線， AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程 ,但不可以在線編程 (S 系列的才支持在線編程 )。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降開發(fā)成本。 11 圖 27 AT89C52單片機引腳圖 AT89C52 兼容 MCS51 指令系統： 8k可反復擦寫 (1000 次） Flash ROM 32個雙向 I/O 口 256x8bit 內部 RAM 3個 16位可編程定時 /計數器中斷 時鐘頻率 024MHz 2個串行中斷 可編程 UART 串行通道 2個外部中斷源 共 6個中斷源 2個讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設置睡眠和喚醒功能 AT89C52P 為 40 腳雙列直插封裝的 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的 C51內核，在內部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。功能包括對會聚主 IC 內部寄存器、數據 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負端。 P0～ P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中， P0 端口（ 32～ 39 腳）被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1的相應功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11腳定義為 I2C 總線控制端 12 口，分別連接 N1 的 SDAS（ 18腳）和 SCLS（ 19 腳）端口， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板 CPU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能。 P0 口， P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口， 也即地址 /數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫“ 1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低 8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在 Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校 驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口， P1 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 (IIL)。與 AT89C51 不同之處是， 和 還可分別作為定時 /計數器 2 的外部計數輸入（ ）和輸入（ ），參見表 1。Flash 編程和程序校驗期間， P1 接收低 8 位地址。 引腳號 功能特性 T2，時鐘輸出 T2EX（定時 /計數器 2） 表 21 P2 口， P2 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口 P2 寫“ 1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 (IIL)。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令）時， P2 口送出高 8 位地址數據。在訪問 8 位地址的外部數據存儲器（如執(zhí)行 MOVX @RI 指令）時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內容。 Flash 編程或校驗時， P2 亦接收高位地址和一些控制信號。 P3 口， P3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“ 1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要 的用途是它的第二功能， P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST，復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 13 ALE/PROG，當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 ALE 禁止位無效。 PSEN，程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。 EA/VPP，外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H— FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內部會鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1，振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2，振蕩器反相放大器的輸出端。 特殊功能寄存器，在 AT89C52 片內存儲器中， 80HFFH 共 128 個單元為特殊功能寄存器（ SFE）， SFR 的地址空間映象如表 2 所示。并非所有的地址都被定義，從80H— FFH 共 128 個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數值將不確定，而寫入的數據也將丟失。不應將數據“ 1”寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位后這些單元數值總是“ 0”。 AT89C52 除了與 AT89C51 所有的定時 /計數器 0 和定時/計數器 1 外，還增加了一個定時 /計數器 2。定時 /計數器 2 的控制和狀態(tài) 位位于 T2CON和 T2MOD，寄存器對（ RCAO2H、 RCAP2L）是定時器 2 在 16 位捕獲方式或 16 位自動重裝載方式下的捕獲 /自動重裝載寄存器。 數據存儲器 AT89C52 有 256 個字節(jié)的內部 RAM， 80HFFH 高 128 個字節(jié)與特殊功能寄存器，（ SFR）地址是重疊的，也就是高 128 字節(jié)的 RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它們是分開的。當一條指令訪問 7FH 以上的內部地址單元時，指令中使用的尋址方式是不同的，也即尋址方式決定是訪問高 128 字節(jié) RAM 還是訪問特殊功能寄存器。如果指 令是直接尋