基于8255的步进电机控制系统设计
一、实验设计的目的与要求
通过步进电机控制系统实验设计，用8255扩展端口控制步进电机，编写程序输出脉冲序列到8255的PA口，控制步进电机正传，反转，加速，减速。进一步掌握微机原理与接口的理论和实际方法。培养和锻炼开发控制系统的能力。为今后单片机的学习与应用开发打下良好的基础。
要求了解步进电机控制的基本原理，掌握控制步进电机的转动的编程方法，进一步了解单片机控制外部设备的常用电路。 二、步进电机原理 1.步进电机的工作原理
该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图1 四相步进电机步进示意图
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号
微机原理与接口综合实验
齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相 绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：
a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍 2.步进电机的驱动原理
步进电动机是一种数字元件，易于数字电路接口，但一般数字电路的信号的能量远远不足以驱动步进电动机。因此，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电动机。对步进电动机驱动一般有如下要求：
(1) 能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形。 (2) 具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加
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图2.步进电机工作时序波形图 微机原理与接口综合实验
快电流衰减。
(3) 具有较高的功率及效率。步进电动机的驱动方式很多，如单极性驱动、双极性驱动、高低压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动等。
三、步进电机的控制 1. ULN2003
由于集成电路集驱动和保护于一体，作为小功率步进电动机的专用驱动芯片， ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。 该电路的特点如下：
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
..1234567GNDI1Q1I2Q2I3Q3I4Q4I5Q5I6Q6I7Q7GNDVCCULN2003ACBD1211109..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。
ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。输出电流大，故可以用来直接驱动步进电机。
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项目 符号 最大输入电压 Vi(max) 集电极-发射极电压 Vo(max) 最大基极输入电流 IB(MAX) 输出电流 Io 贮存温度 Ts 结温 Tj 引线耐焊接温度 TD 数值 30 50 25 500 -65～150 175 300 单位 V V mA mA ℃ ℃ ℃ 2、脉冲的形成
实现对步进电机的控制,微机应能输出有一定周期的控制脉冲。 步骤是:先输出一个高电平,延时一段时间后,再输入一个低电平,然后再延时。改变延时时间的长
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微机原理与接口综合实验
短,即可改变脉冲的周期,脉冲的周期由步进电机的工作频率确定。用软件形
成环形脉冲的程序流程图 3、正反转控制
步进电机的旋转方向和内部绕组的通电顺序及通电方式有密切关系。通过改变各相脉冲的先后顺序，就可以改变电机的旋转方向.
4、转速控制
控制步进电机的运行速度,实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频率逐渐减少。脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断两种方法来确定。
采用软件延时,一般是根据所需的时间常数来设计一个子程序,该程序包含一定的指令,设计者要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试,以便确定延时时间是否符合要求。每当延时子程序结束后,可以执行下面的操作,也可用输出指令输出一个信号作为定时输出。采用软件定时, CPU
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