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推荐工作条件见表3.4。
表3.4 工作条件
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3.2 AT89C2051单片机在步进电机控制中的应用
利用AT89C2051单片机作为控制器，实现对步进电机的简易控制方法，并提供了相应的硬件电路图。该控制系统具有硬件电路简单，编程容易，成本低廉，易于实现对步进电机的控制等特点。 3.2.1单片机的简单介绍
单片机全称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer),又称微控制器(Microcontroller Uint)或嵌入式控制器(Embedded Controller)， 是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机,通常片内都含有CPU,ROM,RAM,并行I/O,串行I/O,定时器/计数器,中断控制,系统时钟及系统总线等.单片机具有体积小、重量轻、成本低廉、灵活性好、易于开发与应用等优点。
单片机有专门为单片机应用设计的体系结构和指令系统，一般具备以下4个特点：1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于单片机系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的单片机。4）单片机功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的单片机系统更是如
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此，如需要功耗只有mW甚至uW级。
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近年来,单片机在工业自动化、生产过程控制、智能化仪器、仪表等领域应用越来越广,有效提高了生产效率,改善了工作条件,经济效益十分明显。 3.2.2 AT89C2051单片机简介
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）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位中央处理器和Flash存储单元，它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。如图3.5所示。
图3.5
同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
其主要特点为：
(1)与MCS-51产品完全兼容； (2)2K字节可编程闪烁内存；
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(3)编程次数可达1 000次； (4)两级程序加密防盗；
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(5)15个可编程I/O、2个16位定时器/计数器、可直接驱动LED显示、5个中断源； (6)二级中断优先级、全双工串行口。
正是因为AT89C2051单片机具有上述特点，尤其是自带FLASH存储器，并且能够有效擦除1 000次，使整个控制系统的硬件电路变得很简单，大大缩短了开发周期。 3.2.3 AT89C2051的引脚说明
从AT89C2051内部结构图也可看出，其内部结构与8051内部结构基本一致（除模拟比较器外），引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致，但P1口、P3口有其独特之处。
AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。引脚如图3.1所示，与8051内部结构进行对比可发现，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片尺寸有所减少。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为： 1. Vcc：电源电压。 2. GND：地。
3. P1口：P1口是一8位双向I/O口。口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入（AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。
P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
4. P3口：P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。
表3.6 P3口的功能
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P3口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5
功能 RXD(串行输入端口) TXD(串行输出端口) INT0(外中断0) INT1(外中断1) TO(定时器0外部输入) T1(定时器1外部输入) 第 14 页 共 45 页
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能，如下表3.6所示。 P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5. RST：复位输入。RST一旦变成高电平，所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6. XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 7. XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。
从上述引脚说明可看出，AT89C2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号，因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备，也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。
4 混合式步进电动机的结构和原理
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4.1步进电机的发展及应用状况
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步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的机械角度，脉冲一个一个的输入，电动机便一步一步地转动。步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成正比，其转速与脉冲频率和步距角有关，控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的接通顺序，可以得到各种所需要的运行特性。尤其与数字系统配套使用时，体现出更大的优越性。它具有快速启停、精确步进、误差没有长期积累以及能够直接接收数字信号等特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用。从发展趋势来讲，应该说步进电动机与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列而成为电动机的几种基本类型。
步进电动机区别于其它控制用途电动机的最大特点是它接收数字控制信号(电脉冲信号)，并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行元件，而且它可以进行位置开环控制，输入一个脉冲信号就得到个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。
基于上述优点，步进电动机被广泛应用于数模转换、速度和位置控制系统，是数字开环控制系统理想的执行元件。与采用其它伺服装置组成的闭环系统比较，步进电机开环控制系统可以省去反馈传感器、放大器、积分器和模数转换器等，使结构简单、稳定、可靠、控制方便、成本低廉。近年来，随着电力电子技术，微电子技术和微处理机技术的飞速发展，特别是三者在应用中的结合，使步进电动机的驱动系统不断发展和完善，各项性能指标不断提高。因此，随着运动控制系统数字化的到来，步进电动机的应用日益广泛。
4.1.1步进电机的技术参数
步进电动机的主要技术参数有以下几个[13][14]：
（1）步距角：步距角是每给一个脉冲信号电机转子所转的角度。目前国产商品步进电机常用步距角为：0.36o、0.6o、0.72o、0.75o、0.9o、1.2o、1.5o、1.8o、2.25o、4.5o等。
（2）精度：精度是指实际的步距角与理论的步距角之间的差值，又称为静态步距角误差，通常用理论步距角的百分比或绝对值来衡量。
（3）定位转矩：定位转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。通常反应式步进电动机的定位转矩为零，混合式步进电动机有一定的定位转矩。由于步