第2章 设计原理与分析
2.1 步进电机的介绍
步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。
采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。
通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图2.0所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。
图2.0 激励线圈产生电磁场
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2.2 AT89C51单片机介绍
Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压‘高性能的8位单片机，
它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。其芯片引脚分布图如图2.1所示。
图2.1 89C51单片机引脚分布图
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第3章 电路设计
本设计的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路三大部分。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。最小系统主要是为了使单片机正常工作。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。
3.1 控制电路设计
根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制按钮，分别是S1、
S2、S3，控制电路如图3-1所示。该电路控制电机正转和反转主要是通过S1、S2的
断开和闭合，从而控制步进电机进行转动。
图3-1 控制电路
3.2 最小系统电路设计
单片机最小系统是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。最小系统电路如图3-2所示。
复位电路：复位电路采用上电复位，使单片机进入复位状态，晶振电路用30PF的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。
晶振电路：单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。其电容值一般在5～30PF,晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。
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3.3 驱动电路设计
驱动电路图如图3-3所示。通过单片机的P0.0～P0.3输出脉冲到L298的IN1～
IN4口，经信号放大后从2、3、13、14口分别输出到电机。
图3-2 最小系统
图3-3 驱动电路
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第4章 程序设计
4.1 系统主程序设计
此次程序根据寄存器R1中的值进行判断，当R1=1时，调用正转子程序，步进电机
正转；当R1=2时，调用反转子程序，步进电机反转；当R1=3时，调用停止子程序，步进电机停止转动。主流程图如图4-1所示。
R1=1？ Y 调用正转子程序 系统初始化 开始 N R1=2？ Y 调用反转子程序 N Y R1=3？ 调用停止子程序
N
图4-1 主程序图
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